一种屏幕观测设备机位标定方法及系统与流程

1.本发明涉及电视跟踪系统仿真技术领域，具体涉及一种屏幕观测设备零位标定方法及系统。


背景技术：

2.对于基于电视观测设备的电视跟踪半实物仿真试验，模拟目标运动最简洁的方法是通过投影屏幕生成虚拟观测目标，通过电视设备捕获目标并观测其运动的方式。在试验中，电视观测设备和投影屏幕的相对关系直接影响观测数据输出是准确性，因此，仿真实验前需对其相对关系进行标定。但另一方面，电视观测设备的成像焦点并不是显性可见的，对于焦点相对于屏幕距离以及其屏幕中投影位置的测量无疑极大增加了测量难度。此外，由于在不同的研制阶段，仿真试验需要多次开展，在试验过程中电视观测设备与屏幕之间的距离难免会发生一定的变化，因此寻找一种简单快速的方法获取电视观测设备和投影屏幕的相对关系显得非常迫切。
3.传统的电视跟踪仿真试验在试验前获取电视观测设备和投影屏幕的相对关系主要采用人工测量的方式，即首先根据电视观测设备的视场特性计算出电视观测设备与屏幕之间的相对距离，然后根据预先计算好的尺寸摆放电视观测设备和屏幕，再通过人工反复调节的方式使电视观测设备的中心点与屏幕的中心点重合。操作过程不仅非常繁琐，而且精度较低，在试验前需要花费大量的时间和精力。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种屏幕观测设备零位标定方法及系统，能够解决现有技术中通过人工调节屏幕观测设备的中心点与屏幕的中心点重合的方式，操作过程非常繁琐，精度低的问题。
5.为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
6.一方面，本发明提供一种屏幕观测设备机位标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.在屏幕上生成多个观测点，以屏幕上的选定点为原点建立屏幕坐标系，确定每一观测点在屏幕坐标系内的观测点像素位置和观测设备观测每一观测点的观测角度参数；
8.建立每一观测点的观测点像素位置和观测角度参数关于观测设备的待标定位置参数的观测矩阵方程；
9.根据观测点的观测矩阵方程，确定观测设备的待标定位置参数。
10.一些可选的实施例中，所述的建立每一观测点的观测点像素位置和观测角度参数关于观测设备的待标定位置参数的观测矩阵方程，包括以下步骤：
11.根据观测角度参数确定观测点p关于观测角度参数在水平方向上到观测设备中心点距离x
p
的关系式，和在竖直方向上到观测设备中心点距离y
p
的关系式；
12.确定屏幕水平方向的像素因子k
xi
以及竖直方向的像素因子k
yi
，并根据k
xi
、k
yi
和观
测点像素位置确定x
p
和y
p
的表达式；
13.根据x
p
和y
p
的关系式，以及x
p
和y
p
的表达式，建立像素位置和观测参数关于待标定位置参数的观测矩阵方程。
14.一些可选的实施例中，所述的x
p
和y
p
关于观测角度参数的关系式为和其中，α为观测设备观测观测点的高低角，β为观测设备观测观测点的方位角，l为观测设备到屏幕的距离。
15.一些可选的实施例中，所述的确定屏幕水平方向的像素因子k
xi
以及竖直方向的像素因子k
yi
，并根据k
xi
、k
yi
和观测点像素位置确定x
p
和y
p
的表达式，具体包括：
16.根据公式确定屏幕水平方向的像素因子k
xi
以及竖直方向的像素因子k
yi
，其中，x
imax
为水平方向的分辨率，y
imax
为竖直方向的分辨率,l为屏幕的长度，w为屏幕的宽度；
17.根据k
xi
、k
yi
和观测点像素位置，确定x
p
和y
p
关于k
xi
、k
yi
和观测点像素位置的表达式其中，x
io
为观测设备中心点在屏幕水平方向的观测中心像素位置，y
io
为观测设备中心点在屏幕竖直方向的观测中心点像素位置，x
ip
为观测点p在屏幕水平方向的观测点像素位置，y
ip
为观测点p在屏幕竖直方向的观测点像素位置。
18.一些可选的实施例中，所述的根据x
p
和y
p
的关系式，以及x
p
和y
p
的表达式，建立像素位置和观测参数关于待标定位置参数的观测矩阵方程，包括：
19.联立公式关系式和表达式得到观测点像素位置和观测角度参数关于观测设备的待标定位置参数的观测方程组
20.将观测方程组整理可得观测矩阵方程y＝cx，其中待标定位置参数矩阵观测点像素位置矩阵观测角度参数矩阵
21.一些可选的实施例中，基于递推最小二乘法或者一般最小二乘法，确定观测设备的待标定位置参数。
22.一些可选的实施例中，采用递推最小二乘法确定观测设备的待标定位置参数，包括以下步骤：
23.考虑观测点像素位置的观测误差，第k组观测点像素位置矩阵y的观测值矩阵z
k
为z
k
＝c
k
x
k
+ν
k
(k＝1,2,...,n)，ν
k
第k和观测点的观测误差；
24.基于最小二乘法，根据z
k
＝c
k
x
k
+ν
k
(k＝1,2,...,n)，估值标定参数矩阵x
n
的递推公式
25.其中，x
k
的方差p
k
＝var(x
k
)，ν
k
的方差r
k
＝var(ν
k
)，l0为l的设定初始值；
26.依次带入第k个观测点的观测点像素位置(x
ipk
,y
ipk
)和观测角度参数(α
k
,β
k
)至递推公式，经过设定迭代次数n次的迭代得到关于观测中心点像素位置和观测设备到屏幕的距离l的估值标定参数矩阵x
n
。
27.一些可选的实施例中，采用一般最小二乘法确定观测设备的待标定位置参数，包括以下步骤：
28.以屏幕中心为原点，内径为r1，外径为r2的圆环内随机生成n个观测点；
29.根据n个观测点的观测矩阵方程y，得到修正方程其中，观测点修正位置矩阵观测角度修正矩阵
30.求解得到关于观测中心点像素位置和观测设备到屏幕的距离l的修正标定参数矩阵
31.另一方面，本发明提供一种屏幕观测设备机位标定系统，包括：
32.输入模块，其用于在屏幕上随机生成若干个观测点，以屏幕上的选定点为原点建立屏幕坐标系，确定每一观测点在屏幕坐标系内的观测点像素位置和观测设备观测每一观测点的观测角度参数；
33.分析模块，其用于建立每一观测点的观测点像素位置和观测角度参数关于观测设
备的待标定位置参数的观测矩阵方程；根据若干个观测点的观测矩阵方程，确定观测设备的待标定位置参数。
34.一些可选的实施例中，所述分析模块包括：
35.第一定位单元，其用于根据观测角度参数确定观测点p关于观测角度参数在水平方向上到观测设备中心点距离x
p
的关系式，和在竖直方向上到观测设备中心点距离y
p
的关系式；
36.第二定位单元，其用于确定屏幕水平方向的像素因子k
xi
以及竖直方向的像素因子k
yi
，并根据k
xi
、k
yi
和观测点像素位置确定x
p
和y
p
的表达式；
37.分析单元，其用于根据x
p
和y
p
的关系式，以及x
p
和y
p
的表达式，建立像素位置和观测参数关于待标定位置参数的观测矩阵方程。
38.与现有技术相比，本发明的优点在于：该方法首先根据每一观测点的观测点像素位置和观测角度参数建立关于观测设备的待标定位置参数的观测矩阵方程；在通过若干个观测点的观测矩阵方程通过数学方式的求解，便可确定观测设备的待标定位置参数。不需要通过测量得到电视设备焦点与投影屏幕距离，且能够快速准确的定位观测设备中心点即焦点投影在屏幕中的位置，极大程度简化了观测设备的标定工作。
附图说明
39.为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
40.图1为本发明实施例中屏幕观测设备机位标定方法的流程图；
41.图2为本发明实施例中观测设备与屏幕关系图；
42.图3为本发明实施例中递推最小二乘结构框图；
43.图4为本发明实施例中随机分布观测点生成示图。
具体实施方式
44.为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
45.以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。如图1-图2所示：
46.本发明提供一种屏幕观测设备机位标定方法，包括以下步骤：
47.s1：在屏幕上生成多个观测点，以屏幕上的选定点为原点建立屏幕坐标系，确定每一观测点在屏幕坐标系内的观测点像素位置和观测设备观测每一观测点的观测角度参数。
48.如图2所示，设观测设备中心点即投影到屏幕的焦点为o
c
，其轴线与屏幕交点为o，观测设备到屏幕距离为l。以o点为坐标原点在屏幕上建立平面坐标系oxy，设p表示观测点，其在ox和oy上投影分表为n和m。电视观测设备输出高低角α和方位角β。定义低角α＝∠mo
c
o，方位角β＝∠no
c
o，以坐标系oxy将投影屏幕划分为四个象限，象限i、ii内高低角为正，
象限ii、iii内方位角为正。
49.s2：建立每一观测点的观测点像素位置和观测角度参数关于观测设备的待标定位置参数的观测矩阵方程。
50.步骤s2具体包括：
51.s21：根据观测角度参数确定观测点p关于观测角度参数在水平方向上到观测设备中心点距离x
p
的关系式，和在竖直方向上到观测设备中心点距离y
p
的关系式。
52.优选地，x
p
和y
p
关于观测角度参数的关系式为和其中，α为观测设备观测观测点的高低角，β为观测设备观测观测点的方位角，l为观测设备到屏幕的距离。
53.s22：确定屏幕水平方向的像素因子k
xi
以及竖直方向的像素因子k
yi
，并根据k
xi
、k
yi
和观测点像素位置确定x
p
和y
p
的表达式。
54.优选地，根据公式确定屏幕水平方向的像素因子k
xi
，即单个像素的长度，以及竖直方向的像素因子k
yi
，即当个像素的宽度，其中，x
imax
为水平方向的分辨率，y
imax
为竖直方向的分辨率,l为屏幕的长度，w为屏幕的宽度。
55.根据k
xi
、k
yi
和观测点像素位置，确定x
p
和y
p
关于k
xi
、k
yi
和观测点像素位置的表达式其中，x
io
为观测设备中心点在屏幕水平方向的观测中心像素位置，y
io
为观测设备中心点在屏幕竖直方向的观测中心点像素位置，x
ip
为观测点p在屏幕水平方向的观测点像素位置，y
ip
为观测点p在屏幕竖直方向的观测点像素位置。
56.s23：根据x
p
和y
p
的关系式，以及x
p
和y
p
的表达式，建立像素位置和观测参数关于待标定位置参数的观测矩阵方程。
57.优选地，联立公式关系式和表达式得到观测点像素位置和观测角度参数关于观测设备的待标定位置参数的观测方程组
58.将观测方程组整理可得观测矩阵方程y＝cx，其中待标定位置
参数矩阵观测点像素位置矩阵观测角度参数矩阵
59.在本实施例中，步骤s21和s22之间没有先后顺序。
60.s3：根据观测点的观测矩阵方程，确定观测设备的待标定位置参数。
61.优选地，基于递推最小二乘法或者一般最小二乘法，确定观测设备的待标定位置参数。
62.如图3所示，优选地，当采用递推最小二乘法确定观测设备的待标定位置参数时，包括以下步骤：
63.考虑观测点像素位置的观测误差，第k组观测点像素位置矩阵y的观测值矩阵z
k
为z
k
＝c
k
x
k
+ν
k
(k＝1,2,...,n)，ν
k
第k和观测点的观测误差；
64.基于最小二乘法，根据z
k
＝c
k
x
k
+ν
k
(k＝1,2,...,n)，估值标定参数矩阵x
n
的递推公式
65.其中，x
k
的方差p
k
＝var(x
k
)，ν
k
的方差r
k
＝var(ν
k
)，l0为l的设定初始值；
66.依次带入第k个观测点的观测点像素位置(x
ipk
,y
ipk
)和观测角度参数(α
k
,β
k
)至递推公式，经过设定迭代次数n次的迭代得到关于观测中心点像素位置和观测设备到屏幕的距离l的估值标定参数矩阵x
n
。
67.在求解时，将初值带入上式可整理为
[0068][0069]
带入第k个观测点的观测点像素位置(x
ipk
,y
ipk
)和观测角度参数(α
k
,β
k
)，则
[0070][0071]
x
k+1
＝x
k
+k
k+1
(z
k+1-c
k+1
x
k
)
[0072]
p
k
＝(i3×
3-k
k
c
k
)p
k-1
[0073]
其中，i为单位矩阵，k
k+1
为中间简写的中间量。
[0074]
经过设定迭代次数n次的迭代得到关于观测中心点像素位置和观测设备到屏幕的距离l的估值标定参数矩阵x
n
。
[0075]
如图4所示，优选地，当采用一般最小二乘法确定观测设备的待标定位置参数，包括以下步骤：
[0076]
以屏幕中心为原点，内径为r1，外径为r2的圆环内随机生成n个观测点。
[0077]
根据n个观测点的观测矩阵方程y，得到修正方程其中，观测点修正位置矩阵观测角度修正矩阵
[0078]
求解得到关于观测中心点像素位置和观测设备到屏幕的距离l的修正标定参数矩阵
[0079]
在本实施例中，观测点位置按以下方式生成：
[0080]
{(x
ipk
,y
ipk
)|x
ipk
＝[r1+rand(n)
·
(r
2-r1)]cos(rand(n)
·
2π),y
ipk
＝[r1+rand(n)
·
(r
2-r1)]sin(rand(n)
·
2π)}，
[0081]
即以屏幕中心为原点，内径为r1，外径为r2的圆环内随机生成n个观测点。其中，rand(n)表示随机n次。
[0082]
其中，
[0083]
另一方面，本发明还提供一种屏幕观测设备机位标定系统，包括：
[0084]
输入模块，其用于在屏幕上随机生成若干个观测点，以屏幕上的选定点为原点建
立屏幕坐标系，确定每一观测点在屏幕坐标系内的观测点像素位置和观测设备观测每一观测点的观测角度参数；还包括分析模块，其用于建立每一观测点的观测点像素位置和观测角度参数关于观测设备的待标定位置参数的观测矩阵方程；根据若干个观测点的观测矩阵方程，确定观测设备的待标定位置参数。
[0085]
在一些可选的实施例中，所述分析模块包括：第一定位单元，其用于根据观测角度参数确定观测点p关于观测角度参数在水平方向上到观测设备中心点距离x
p
的关系式，和在竖直方向上到观测设备中心点距离y
p
的关系式；还包括第二定位单元，其用于确定屏幕水平方向的像素因子k
xi
以及竖直方向的像素因子k
yi
，并根据k
xi
、k
yi
和观测点像素位置确定x
p
和y
p
的表达式；还包括分析单元，其用于根据x
p
和y
p
的关系式，以及x
p
和y
p
的表达式，建立像素位置和观测参数关于待标定位置参数的观测矩阵方程。
[0086]
在上述实施例中，观测点的伪随机生成。随机分布的观测点比较符合最小二乘法对于观测误差分布的要求，既能保证观测点分布的随机性，又避免靠近圆心处小角度测量相对误差较大的情况，保证了估计精度。
[0087]
综上所述，该方法和系统首先根据每一观测点的观测点像素位置和观测角度参数建立关于观测设备的待标定位置参数的观测矩阵方程；在通过若干个观测点的观测矩阵方程通过数学方式的求解，便可确定观测设备的待标定位置参数。不需要通过测量得到电视设备焦点与投影屏幕距离，且能够快速准确的定位观测设备中心点即焦点投影在屏幕中的位置，极大程度简化了观测设备的标定工作。
[0088]
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
[0089]
需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0090]
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。