一种新型双目测量系统在大视场运动目标测量中的应用

1 大视场运动目标测量需求

针对户外大视场单/多个运动目标测量，通常基于双目交会测量原理，利用高速摄像机捕获高速运动物体影像，通过相机内参、外参标定，图像数据分析解析目标物体三维空间下坐标、轨迹、速度、加速度、角度等运动参数。

 图1 大视场下运动目标测量示意图

2 传统双目测量系统测量痛点

痛点1 系统使用复杂

由于大视差下高速运动物体通常运动轨迹较长，且与目标物发生多次冲击与碰撞，时间间隔短，故需搭建多个双目测量系统多站点布设（如图2），进而造成系统采集设备数量多，供电和通信复杂度高，设备布设、启动、检查、调试耗时长，人力投入大，且试验开始后或多次冲击试验间隔期内，人员无法进入现场二次调试。

图2 传统固定机位多目测量系统

痛点2 标定工程量大

每个由2台高速摄像机及其配件组成的双目测量系统，需要试验完成后，在其公共视场内进行多个RTK靶点标定（在线标定），完成内外参联合标定，每个目标视场内需要在线标定10个点，4个目标则需标定40个点，目标之间距离远（100m~1km），视场大（50m~200m），标定工程量大。

痛点3 关键帧定位难

高速运动目标速度一般为马赫级，推荐不低于2000帧/秒高速摄像机用于采集运动序列图像，考虑触发前后预留的缓冲时间，单次录制时间内会产生数万帧图片，定位关键帧将变得相对困难。

3 千眼狼新型双目测量系统特点

图3 新型双目测量系统

针对上述三大痛点，千眼狼自研一款高集成度、轻量化、产品化的新型双目测量系统（如图3），具备下列差异化特征：

特征1 电动转台+电动变焦镜头

图4 电动转台+电动变焦镜头

电动转台最大可达30°/s，在高速运动物体冲击不同目标子试验时间间隔内（2~10分钟），转台转动满足目标视场调整。

电动多档变焦镜头，兼具电动变焦和电动对焦功能，支持依据视场大小快速切换焦距档位，配备5.5英寸高清摄影监视器，通过SDI视频输出接口连接测量系统，配合远程电动对焦，确保高速运动物体进入不同视场内始终保持清晰成像。

特征2 内参标定固化，外参三点标定

通过固化电动变焦镜头和高速摄像机的结构连接，完成多档变焦焦距的内参标定。

通过标定目标物特征点（物体的拐角、顶角、低角、灰度差交界角等，如图5），试验前RTK测点特征点，事后分析阶段圈选高速图像中特征点像素位置完成外参标定。

外参标定仅需3个特征点即可完成图像标定，减少了标定工作量，提速了图像数据分析完成时间。

图5 目标物特征点示例

特征3 智能关键帧片段识别

图6 关键帧片段识别

基于图像灰度值变化，记录关键帧片段，回放界面下快速标注关键帧片段位置提示（如图6黄色进度条），有效缩短关键视频定位与下载时间。

4 大视场运动目标测量应用案例

 图7 野外大视场多目标观测

千眼狼新型外场双目高速测量系统，通过高度集成化的设计，减少了固定机位设备数量，降低了系统使用的复杂度和通信、供电的复杂度，优化了内外参标定方法、设备重量、安装方式，提效了配套软件定位关键帧的功能，在某外场观测任务中，顺利完成高速运动目标捕获与数据解析。

民族品牌，自主可控。千眼狼自研新型外场多目标双目高速测量系统，助力实现国产仪器替代，创造更大安全、经济和科研效益。

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