CN105444982B - 一种外挂物分离轨迹风洞试验的单目视频测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及外挂物分离的风洞试验技术领域，尤其是涉及一种外挂物分离轨迹风洞试验的单目视频测量方法。本发明提供一种外挂物分离轨迹风洞试验的单目视频测量方法，通过环绕式编码标记点，解决了外挂物风洞模型滚转时，标记点的识别、匹配难题；运用相对运动原理，分别以风洞试验段、外挂物风洞模型为参照物，求解相机的位置和姿态，进而得到外挂物风洞模型的运动轨迹，实现了外挂物分离轨迹的单目视频测量，避免了双目视频测量的立体匹配难题，具有更大的灵活性和实用性。

Description

一种外挂物分离轨迹风洞试验的单目视频测量方法

技术领域

本发明涉及外挂物分离的风洞试验技术领域，尤其是涉及一种外挂物分离轨迹风洞试验的单目视频测量方法。

背景技术

外挂物(炸弹、副油箱、导弹等)从载机投放后，在离开载机的初期，处于载机的干扰流场中，该干扰流场的特性与载机的外形、飞行速度、飞行高度、载机的姿态、外挂物的外形及其安装位置和姿态等很多因素有关，很难用理论方法预测外挂物在干扰流场中的飞行轨迹；尤其是高马赫数条件下，由于压缩性影响和激波干扰，使得载机附近的干扰流场变得更加复杂，更增加了理论计算的难度。为掌握外挂物在投放初始阶段的飞行轨迹，研究影响其飞行轨迹的因素，通常需在风洞中进行试验。目前，国内外风洞试验机构主要使用自由投放法、捕获轨迹(Captive Trajectory Simulation，CTS)试验方法获取外挂物的分离轨迹。

现有的自由投放法采用多次曝光照相或高速摄影记录投放过程，通过对投放过程的照片进行人工判读或运用专门的图像分析软件，得到外挂物的分离轨迹，一般精准度较低，仅用于定性分析；

现有的CTS试验方法通过内置天平、尾支杆将外挂物模型支撑在六自由度装置上，使用六自由度装置控制外挂物模型相对载机的位置和姿态来完成分离轨迹测量，由于在气流的作用下，外挂物风洞模型的支撑装置将会发生弹性变形，从理论上说外挂物风洞模型的位置与姿态和气动载荷相互影响，尤其是在干扰流场较为复杂的区域，将形成强耦合作用，而基于传统静力学线性叠加原理的支撑机构名义角度加天平弹性角的间接测位姿方式，制约了试验数据的精准度的提高。

因此，亟须一种测量方法来提高自由投放法的轨迹测量精准度，由定性分析上升到定量分析；对CTS试验而言，增加一种测量手段，与现有分离轨迹相互验证，提高CTS试验的弹性变形修正的准确性和可靠性，推动CTS试验技术的发展。

但是传统机器视觉中的测量技术难以直接应用到外挂物风洞试验的分离轨迹测量，原因如下：

1)机器视觉方法并非针对我国暂冲式风洞的运行环境，暂冲式风洞运行时洞体的振动会导致相机位置与姿态发生变化，由共线方程可知，相机的位置与姿态发生较小变化，也可能导致测量点坐标值发生较大变化，影响测量结果的精准度；

2)外挂物风洞模型在6个自由度(3个线位移、3个角位移)方向均有运动，如当外挂物风洞模型在滚转方向发生较大位移时，原来成像的标识点已不在视场范围内，给标记点的识别和匹配带来很大困难；

虽然国内外已有使用彩色编码方法或环形编码点来解决待测物发生滚转运动时的标记点的识别和匹配难题：

彩色编码方法通过在外挂物风洞模型表面嵌装微型彩色发光装置，根据颜色对发光装置进行编码排列，利用两台彩色相机采集标记点运动图像，根据标记点的颜色排列和解码规则，重建标记点的三维坐标，进而得到位置和姿态信息；但是嵌装微型发光装置破坏了外挂物风洞模型的结构强度，可能会影响气动外形，还需额外布置线路，增加了设计难度和制造成本，尤其是对于自由投放的试验模型必须保持质量分布相似，嵌装微型发光装置极大地提升了自由投放试验模型的设计与制造难度；

环形编码点一般使用内圆进行编码点定位，外圆环用来确定编码点的身份信息，但环形编码标记点的尺寸一般较大，多用于大型工业零件测量，在外挂物风洞模型表面粘印或绘制时不仅数量有限，且容易发生变形，给识别和匹配带来困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对在分离轨迹试验中的外挂物风洞模型设计无额外要求(不开孔布线，不破坏气动外形，不改变结构强度和刚度，不增加设计难度和成本)的情况下，解决了外挂物风洞模型在六个自由度方向运动时标记点的识别、匹配难题；以及在暂冲式风洞的振动环境中，使用单相机实现外挂物分离风洞试验轨迹的精确测量，从而避免了双目视频测量的图像立体匹配和数据处理过程复杂的难题，提供一种外挂物分离轨迹风洞试验的单目视频测量方法，通过环绕式编码标记点解决外挂物风洞模型滚转时的标记点识别、匹配问题，通过运用相对运动原理，分别以风洞试验段、外挂物风洞模型为参照物，求解相机的位置和姿态，进而得到外挂物风洞模型的运动轨迹，实现了外挂物风洞模型分离轨迹的单目视频测量。

本发明采用的技术方案如下：

一种外挂物分离轨迹风洞试验的单目视频测量方法包括

步骤1：在风洞试验段壁板上粘印或绘制至少3个振动测量标记点，用于测量包含风洞洞体振动信息的相机位置、姿态；在外挂物风洞模型表面，粘印或绘制2组环绕式编码标记点，用于测量以风洞外挂物模型为参照物时，相机的位置和姿态；

步骤2：风洞试验开始前，将外挂物风洞模型移动到轨迹分离试验的初始位置和姿态，对应时间为t₀，测量振动测量标记点、环绕式编码标记点中I、II、III、IV样式特征编码标记点在风洞坐标系下的三维坐标值，风洞试验开始后，图像采集处理计算机采集、保存图像；

步骤3：风洞试验开始后的t_i时刻，根据振动测量标记点t₀时刻在风洞坐标系中的三维坐标值、t_i时刻在像平面的坐标值，计算相机姿态和位置对应的旋转矩阵和平移矩阵

步骤4：t_i时刻，对像平面中成像的特征编码标记点进行识别与匹配，根据识别和匹配建立的对应关系，从t₀时刻测量得到的特征编码标记点在风洞坐标系下的三维坐标值中，找出成像的特征编码标记点的三维坐标值；

步骤5：t_i时刻，以外挂物风洞模型为参照物，根据成像的特征编码标记点t₀时刻在风洞坐标系中的三维坐标值、t_i时刻在像平面的坐标值，计算相机的姿态和位置对应的旋转矩阵和平移矩阵

步骤6：t_i时刻，根据计算外挂物风洞模型从t₀时刻到t_i时刻在风洞坐标系中姿态和位置变化对应的旋转矩阵和平移矩阵并得到外挂物风洞模型的轨迹。

进一步的，所述的一种外挂物分离轨迹风洞试验的单目视频测量方法，其特征在于所述步骤1中环绕式编码标记点是指布置在外挂物风洞模型表面头部或尾部的特征编码标记点的组合，外挂物风洞模型头部的环绕式编码标记点记为C_front，尾部的特征编码标记点记为C_tail，C_front和C_tail均包含9个特征编码标记点，9个特征编码标记点沿外挂物风洞模型的滚转方向均匀分布、居中对齐；C_front至少存在1个I样式特征编码标记点与C_tail中的I样式特征编码标记点的圆心连线与外挂物风洞模型轴线平行；定义C_front或C_tail中任意3个连续的特征编码标记点构成了1个编码片段，C_front与C_tail中任意两个编码片段均不相同；C_front中包含的任意圆形标记点与C_tail中包含的任意圆形标记点的距离至少为外挂物风洞模型直径的2倍，所述的外挂物风洞模型直径为其滚转方向切面外接圆直径的最大者。

进一步的，所述的一种外挂物分离轨迹风洞试验的单目视频测量方法，其特征在于所述步骤2中特征编码标记点是指1个或多个相同圆形标记点的组合，特征编码标记点共有4种样式，分别记为I样式特征编码标记点、II样式特征编码标记点、III样式特征编码标记点和IV样式特征编码标记点，其中I样式特征编码标记点包含1个圆形标记点，II样式特征编码标记点包含2个圆形标记点，III样式特征编码标记点包含3个圆形标记点，IV样式特征编码标记点包含4个圆形标记点；对于II、III、IV样式特征编码标记点，其包含的相邻圆形标记点的外圆相切，圆心连线与外挂物风洞模型轴线平行；对于I、II、III、IV样式特征编码标记点，以其包含的最靠近风洞外挂物模型头部的圆形标记点的圆心坐标值为其坐标值；组成特征编码标记点的圆形标记点的直径至多为外挂物风洞模型直径的1/10。

进一步的，所述步骤3具体包括：将振动测量标记点t₀时刻在风洞坐标系中的三维坐标值、振动测量标记点t_i时刻在像平面的坐标值，代入(1)式所示的共线方程，得到t_i时刻相机姿态和位置对应的旋转矩阵和平移矩阵

式中，(x₀,y₀)分别为相机像平面中心，f为相机焦距，(x,y)为标记点t_i时刻在像平面中的坐标值，(X,Y,Z)为t₀时刻在风洞坐标系下的三维坐标值；(t_x,t_y,t_z)为平移矩阵的3个分量值，(a₁,a₂,a₃,b₁,b₂,b₃,c₁,c₂,c₃)为旋转矩阵中的9个方向余弦值。

进一步的，所述步骤4具体包括：

步骤41：t_i时刻，将像平面中识别出来的全部圆形标记点集合记为P，计算P中任意两个元素间的距离，并找出最小值，记为D_min；

步骤42：找出与其它标记点距离均大于2D_min的圆形标记点，记为集合P₁ ^*，则P₁ ^*中的元素即为I样式特征编码标记点，由环绕式编码标记点的特征可知，P₁ ^*中包含2或4个元素，若包含4个元素，则任选P₁ ^*中1个元素pp，根据pp与其他3个元素间的距离，由与pp距离最近和最远的两个元素组成集合P₁，若只包含2个元素，直接将P₁ ^*记为P₁；

步骤43：计算集合P₁中2个元素间的距离，记为D_group，选择P₁中靠近外挂物风洞模型头部的标记点记为p₁,另一个点记为p₂，根据p₁到集合P中每个元素的距离及D_group的取值，将P分为P_front和P_tail，其中，P_front为和p₁距离小于D_group/2的标记点的标记点集合，P_tail为其余点；

步骤44：由环绕式编码标记点的特征可知，P_front由I、II、III、IV样式特征编码标记点组成，且每种样式的特征编码标记点最多包含2个，因此，将P_front中的点按照距离特征，进行分类；

步骤45：将按照坐标值，由上到下依次排列(空集合不参与排列)，并从中选择1个编码片段，与C_front进行比对，找到C_front中与之完全相同的编码片段，便可建立像平面中标记点P_front与外挂物风洞模型表面C_front环绕式编码标记点的对应关系，根据对应关系，从t₀时刻测量得到的特征编码标记点在风洞坐标系下的三维坐标值中，找出P_front包含的I、II、III、IV样式特征编码标记点在风洞坐标系中的三维坐标值；

步骤46：将第44步、第45步的方法运用至P_tail，根据对应关系，从t₀时刻测量得到的特征编码标记点在风洞坐标系下的三维坐标值中，找出P_tail包含的I、II、III、IV样式特征编码标记点在风洞坐标系中的三维坐标值。

进一步的，所述步骤44具体过程：

步骤441：I样式特征编码标记点识别的具体过程；对于集合P_front中的元素p_frt-I，如果集合P_front-{p_frt-I}中不存在到p_frt-I的距离与D_min相当的元素，则p_frt-I为组成I样式特征编码标记点的圆形标记点，由环绕式编码标记点的特征可知，具有该特征的元素p_frt-I最多有2个，分别将其组成的集合记为

步骤442：II样式特征编码标记点识别的具体过程：对于集合P_front中的元素p_frt-II，如果集合P_front-{p_frt-II}中有且仅有1个元素p_II，p_II与p_frt-II间的距离与D_min相当(相当是指两个距离的比值在0.8～1.2之间)，并且集合P_front-{p_frt-II}中不存在到p_frt-II的距离与2D_min相当的元素，则p_frt-II、p_II为组成II样式特征编码标记点的两个圆形标记点，由环绕式编码标记点的特征可知，具有该特征的元素p_frt-II最多有2个，分别将其与满足距离特征的点组成的集合记为

步骤443：III样式特征编码标记点识别的具体过程：对于集合P_front中的元素p_frt-III，如果集合P_front-{p_frt-III}满足下述两个条件之一，一个条件是集合P_front-{p_frt-III}仅存在2个元素p_III-1、p_III-2，所述p_III-1、p_III-2分别与p_frt-III间的2个距离均与D_min相当，并且集合P_front-{p_frt-III}中不存在与2D_min相当的元素，另一条件是集合P_front-{p_frt-III}存在2个元素p_III-3、p_III-4，所述p_III-3、p_III-4分别与p_frt-III间的两个距离，其中1个距离值与D_min相当，另一个距离值与2D_min相当，并且集合P_front-{p_frt-III}不存在与3D_min相当的元素，则p_frt-III、p_III-1、p_III-23个元素或者p_frt-III、p_III-3、p_III-43个元素为组成III样式特征编码标记点的3个圆形标记点，由环绕式编码标记点的特征可知，具有该特征的元素p_frt-III最多有2个，分别将其与满足距离特征的点组成的集合记为

步骤444：IV样式特征编码标记点识别的具体过程是：对于集合P_front中的元素p_frt-IV，如果集合P_front-{p_frt-IV}满足下述两个条件之一，一个条件是集合P_front-{p_frt-IV}存在3个元素p_IV-1、p_IV-2、p_IV-3，p_IV-1、p_IV-2、p_IV-3分别与p_frt-IV间的3个距离，满足其中1个距离值与D_min相当，另一个距离值与2D_min相当，第三个距离值1个与3D_min相当；另一个条件是集合P_front-{p_frt-IV}存在3个元素p_IV-4、p_IV-5、p_IV-6，p_IV-4、p_IV-5、p_IV-6分别与p_frt-IV间的3个距离，满足其中2个距离值与D_min相当，第三个距离值与2D_min相当，则p_frt-IV、p_IV-1、p_IV-2、p_IV-34个元素或p_frt-IV、p_IV-4、p_IV-5、p_IV-64个元素为组成IV样式特征编码标记点的4个圆形标记点，由环绕式编码标记点的特征可知，具有该特征的元素p_frt-IV最多有2个，分别将其与满足距离特征的点组成的集合记为

进一步的，所述步骤5具体包括：从t₀到t_i时刻，若以外挂物风洞模型为参照物，相机像平面成像内容变化是因为相机位置和姿态改变所致，因此，t_i时刻外挂物风洞模型表面特征编码标记点p在相机坐标系下的坐标值qⁱ还可以用(2)式表示：

式中，p⁰为特征编码标记点t₀时刻在风洞坐标系下的三维坐标值，为t_i时刻，以外挂物风洞模型为参照物时，相机的姿态和位置对应的旋转矩阵和平移矩阵，通过成像的特征编码标记点t_i时刻在像平面的坐标值和t₀时刻成像的特征编码标记点在风洞坐标系下的三维坐标值，代入(1)式所示的共线方程进行求解。

进一步的，所述步骤6具体包括：

步骤61：t_i时刻，设外挂物风洞模型表面特征编码标记点p在风洞坐标系中的三维坐标值pⁱ，是t₀时刻坐标值p⁰经过旋转和平移变换得到，如(3)式所示；

式中，为外挂物风洞模型表面特征编码标记点p从t₀时刻位置到t_i时刻位置的旋转矩阵和平移矩阵；

t_i时刻，当仍以风洞试验段为参照物时，外挂物风洞模型表面特征编码标记点p在风洞坐标系下的坐标值pⁱ和在相机坐标系中的坐标值qⁱ，满足(4)式的关系；

将(3)式代入(4)式，可得(5)式；

(2)式和(5)式是t_i时刻，选取不同参照物时，得到的外挂物风洞模型表面特征编码标记点p在相机坐标系的坐标值，联立两式可得p从t₀时刻到t_i时刻对应的旋转矩阵和平移矩阵可由(6)式进行计算；

式中，利用了旋转矩阵(正交矩阵)的逆矩阵为其转置的性质， 分别在步骤3和步骤5中得到；

步骤62：外挂物风洞模型的线位移即为平移矩阵的3个分量，3个角位移可从旋转矩阵中获取，外挂物风洞模型t_i时刻在6个自由度方向的位移值计算方法如(7)式所示；

式中，为平移矩阵的3个分量，表示旋转矩阵第i行，j列的元素。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

提出了外挂物分离轨迹风洞试验的单目视频测量方法，通过运用相对运动原理，分别以风洞试验段、外挂物风洞模型为参照物，求解相机的位置和姿态，进而得到外挂物风洞模型的运动轨迹，实现了外挂物分离轨迹的单目视频测量；无需双目视频测量对应点图像的立体匹配难题，具有更大的灵活性和实用性；本方法不仅能够提高现有自由投放法的轨迹测量精准度，由定性分析上升到定量分析；而且为CTS试验提供了一种分离轨迹直接测量新手段，提升现有CTS试验技术的关于弹性变形修正的准确性和可靠性，推动CTS试验技术的发展

2、提出的环绕式标记点编码方法，不仅解决了外挂物风洞模型在6个自由度方向运动时的标记点识别和匹配难题，且与现有嵌装编码发光装置的技术相比，无需对外挂物风洞模型开孔布线，不会破坏外挂物风洞模型的气动外形，不改变其结构强度和刚度，降低了外挂物风洞模型的设计难度和成本。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明原理框图。

图2是环绕式编码标记点在外挂物风洞模型上的示意图。

图3是特征编码标记点样式。

图4是编码片段示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

工作原理：包括图像采集处理计算机、相机、位于外挂物风洞模型表面的环绕式编码标记点、位于风洞试验段壁板上的振动测量标记点，用于测量风洞运行时相机的位置和姿态；所述的环绕式编码标记点是指在外挂物风洞模型表面的头部和尾部布置的标记点，用于测量以风洞外挂物模型为参照物时，相机的位置和姿态；所述的相机根据设定的频率和分辨率，输出图像，所述的图像采集处理计算机用于图像采集、保存，并分别以风洞试验段、外挂物风洞模型为参照物，求解相机的位置和姿态，计算外挂物风洞模型的运动轨迹，实现分离轨迹的单目视频测量；

具体实施过程：

1、在风洞试验段壁板上粘印或绘制至少3个振动测量标记点，用于测量包含风洞洞体振动信息的相机位置、姿态，在外挂物风洞模型表面，粘印或绘制2组环绕式编码标记点，用于测量以风洞外挂物模型为参照物时，相机的位置和姿态，如图2所示；

所述的环绕式编码标记点是指布置在外挂物风洞模型表面头部或尾部的特征编码标记点的组合，外挂物风洞模型头部的环绕式编码标记点记为C_front，尾部的特征编码标记点记为C_tail，环绕式编码标记点具有以下特征：

a、C_front和C_tail均包含9个特征编码标记点，9个特征编码标记点沿外挂物风洞模型的滚转方向均匀分布、居中对齐；

b、C_front中的至少存在1个I样式特征编码标记点与C_tail中的I样式特征编码标记点的圆心连线与外挂物风洞模型轴线平行；

c、定义C_front、C_tail中任意3个连续的特征编码标记点构成了1个编码片段，要求C_front、C_tail中任意两个编码片段均不相同，以保证每个编码片段的可识别性，以I样式特征编码标记点开始的编码片段共有6种，如图4所示；C_front可由a、b、d三种片段按顺序首尾相连组成，C_tail为c、e、f三种组成。

d、C_front中包含的任意圆形标记点与C_tail中包含的任意圆形标记点的距离至少为外挂物风洞模型直径(外挂物风洞模型直径为其滚转方向切面外接圆直径的最大者)的2倍；

所述的特征编码标记点是指1个或多个相同圆形标记点的组合，如图3所示，具有以下特征：

a、I样式特征编码标记点包含1个圆形标记点，II样式特征编码标记点包含2个圆形标记点，III样式特征编码标记点包含3个圆形标记点，IV样式特征编码标记点包含4个圆形标记点；

b、对于II、III、IV样式特征编码标记点，其包含的相邻圆形标记点的外圆相切，圆心连线与外挂物风洞模型轴线平行；对于I、II、III、IV样式特征编码标记点，以其包含的最靠近风洞外挂物模型头部的圆形标记点的圆心坐标值为其坐标值；

c、组成特征编码标记点的圆形标记点的直径至多为外挂物风洞模型直径的1/10；

2、在风洞试验开始前，将外挂物风洞模型移动到轨迹分离试验的初始位置和姿态，对应时间为t₀，测量振动测量标记点、环绕式编码标记点中I、II、III、IV样式特征编码标记点在风洞坐标系下的三维坐标值，风洞试验开始后，图像采集处理计算机采集、保存图像；

3、对t_i时刻保存的图像进行解算，主要包含以下5个步骤：

3.1、以风洞试验段为参照物，计算相机姿态和位置对应的旋转矩阵和平移矩阵

根据振动测量标记点t₀时刻在风洞坐标系下的三维坐标值、t_i时刻在像平面中的坐标值代入(1)式所示的共线方程，得到t_i时刻相机姿态和位置对应的旋转矩阵和平移矩阵

所述的共线方程为：

式中，(x₀,y₀)分别为相机像平面中心，f为相机焦距，(t_x,t_y,t_z)为平移矩阵的3个分量，(a₁,a₂,a₃,b₁,b₂,b₃,c₁,c₂,c₃)为旋转矩阵中的9个方向余弦，(x,y)、(X,Y,Z)为标记点t_i时刻在像平面中的坐标值和t₀时刻在风洞坐标系下的三维坐标值。

3.2、对像平面中成像的特征编码标记点进行识别和匹配，根据识别和匹配建立的对应关系，从t₀时刻测量得到的特征编码标记点在风洞坐标系中的三维坐标值，找出成像的特征编码标记点的三维坐标值，具体方法为：

3.2.1、将像平面中识别出来的全部圆形标记点集合记为P，计算P中任意两个元素间的距离，并找出最小值，记为D_min；

3.2.2、找出与其它标记点距离均大于2D_min的圆形标记点，记为集合P₁ ^*，则P₁ ^*中的元素即为I样式特征编码标记点，由环绕式编码标记点的特征可知，P₁ ^*中包含2或4个元素，若包含4个元素，则任选P₁ ^*中1个元素pp，根据pp与其他3个元素间的距离，由与pp距离最近和最远的两个元素组成集合P₁，若只包含2个元素，直接将P₁ ^*记为P₁；

3.2.3、计算集合P₁中2个元素间的距离，记为D_group，选择P₁中靠近外挂物风洞模型头部的标记点记为p₁,另一个点记为p₂，根据p₁到集合P中每个元素的距离及D_group的取值，将P分为P_front和P_tail，其中，P_front为和p₁距离小于D_group/2的标记点的标记点集合，P_tail为其余点；

3.2.4、由环绕式编码标记点的特征可知，P_front由I、II、III、IV样式特征编码标记点组成，且每种样式的特征编码标记点最多包含2个，因此，将P_front中的点按照距离特征，进行分类，分类方法如下；

①I样式特征编码标记点

对于集合P_front中的元素p_frt-I，如果集合P_front-{p_frt-I}中不存在到p_frt-I的距离与D_min相当的元素，则p_frt-I为组成I样式特征编码标记点的圆形标记点，由环绕式编码标记点的特征可知，具有该特征的元素p_frt-I最多有2个，分别将其组成的集合记为

②、II样式特征编码标记点

对于集合P_front中的元素p_frt-II，如果集合P_front-{p_frt-II}中有且仅有1个元素p_II，p_II与p_frt-II间的距离与D_min相当(相当是指两个距离的比值在0.8～1.2之间)，并且集合P_front-{p_frt-II}中不存在到p_frt-II的距离与2D_min相当的元素，则p_frt-II、p_II为组成II样式特征编码标记点的两个圆形标记点，由环绕式编码标记点的特征可知，具有该特征的元素p_frt-II最多有2个，分别将其与满足距离特征的点组成的集合记为

③、III样式特征编码标记点

对于集合P_front中的元素p_frt-III，如果集合P_front-{p_frt-III}满足下述两个条件之一，一个条件是集合P_front-{p_frt-III}仅存在2个元素p_III-1、p_III-2，所述p_III-1、p_III-2分别与p_frt-III间的2个距离均与D_min相当，并且集合P_front-{p_frt-III}中不存在与2D_min相当的元素，另一条件是集合P_front-{p_frt-III}存在2个元素p_III-3、p_III-4，所述p_III-3、p_III-4分别与p_frt-III间的两个距离，其中1个距离值与D_min相当，另一个距离值与2D_min相当，并且集合P_front-{p_frt-III}不存在与3D_min相当的元素，则p_frt-III、p_III-1、p_III-23个元素或者p_frt-III、p_III-3、p_III-43个元素为组成III样式特征编码标记点的3个圆形标记点，由环绕式编码标记点的特征可知，具有该特征的元素p_frt-III最多有2个，分别将其与满足距离特征的点组成的集合记为

④、IV样式特征编码标记点

对于集合P_front中的元素p_frt-IV，如果集合P_front-{p_frt-IV}满足下述两个条件之一，一个条件是集合P_front-{p_frt-IV}存在3个元素p_IV-1、p_IV-2、p_IV-3，p_IV-1、p_IV-2、p_IV-3分别与p_frt-IV间的3个距离，满足其中1个距离值与D_min相当，另一个距离值与2D_min相当，第三个距离值1个与3D_min相当；另一个条件是集合P_front-{p_frt-IV}存在3个元素p_IV-4、p_IV-5、p_IV-6，p_IV-4、p_IV-5、p_IV-6分别与p_frt-IV间的3个距离，满足其中2个距离值与D_min相当，第三个距离值与2D_min相当，则p_frt-IV、p_IV-1、p_IV-2、p_IV-34个元素或p_frt-IV、p_IV-4、p_IV-5、p_IV-64个元素为组成IV样式特征编码标记点的4个圆形标记点，由环绕式编码标记点的特征可知，具有该特征的元素p_frt-IV最多有2个，分别将其与满足距离特征的点组成的集合记为

3.2.5、将按照坐标值，由上到下依次排列(空集合不参与排列)，并从中选择1个编码片段，与C_front进行比对，找到C_front中与之完全相同的编码片段，便可建立像平面中标记点P_front与外挂物风洞模型表面C_front环绕式编码标记点的对应关系，根据对应关系，从t₀时刻测量得到的特征编码标记点在风洞坐标系下的三维坐标值中，找出P_front包含的I、II、III、IV样式特征编码标记点在风洞坐标系中的三维坐标值；

3.2.6、将3.2.4、3.2.5的方法运用至P_tail，根据对应关系，从t₀时刻测量得到的特征编码标记点在风洞坐标系下的三维坐标值中，找出P_tail包含的I、II、III、IV样式特征编码标记点在风洞坐标系中的三维坐标值。

3.3、以外挂物风洞模型为参照物，计算相机的姿态和位置对应的旋转矩阵和平移矩阵

从t₀到t_i时刻，若以外挂物风洞模型为参照物，相机像平面成像内容变化是因为相机位置和姿态改变所致，因此，t_i时刻外挂物风洞模型表面特征编码标记点p在相机坐标系下的坐标值qⁱ还可以用(2)式表示：

式中，p⁰为特征编码标记点t₀时刻在风洞坐标系下的三维坐标值，为t_i时刻，以外挂物风洞模型为参照物时，相机的姿态和位置对应的旋转矩阵和平移矩阵，可以通过t_i时刻成像的特征编码标记点在像平面的坐标值和t₀时刻成像的特征编码标记点在风洞坐标系下的三维坐标值，代入(1)式所示的共线方程进行求解；

3.4、计算外挂物风洞模型从t₀时刻到t_i时刻在风洞坐标系中姿态和位置变化对应的旋转矩阵和平移矩阵

t_i时刻，设外挂物风洞模型表面特征编码标记点p在风洞坐标系中的三维坐标值pⁱ，是t₀时刻坐标值p⁰经过旋转和平移变换得到，如(3)式所示；

式中，为外挂物风洞模型表面特征编码标记点p从t₀时刻位置到t_i时刻位置的旋转矩阵和平移矩阵；

t_i时刻，当仍以风洞试验段为参照物时，外挂物风洞模型表面特征编码标记点p在风洞坐标系下的坐标值pⁱ和在相机坐标系中的坐标值qⁱ，满足(4)式的关系；

将(3)式代入(4)式，可得(5)式；

(2)式和(5)式是t_i时刻，选取不同参照物时，得到的外挂物风洞模型表面特征编码标记点p在相机坐标系的坐标值，联立两式可得p从t₀时刻到t_i时刻对应的旋转矩阵和平移矩阵可由(6)式进行计算；

式中，利用了旋转矩阵(正交矩阵)的逆矩阵为其转置的性质， 分别在3.1、3.3已由求解共线方程得到；

3.5、计算外挂物风洞模型的轨迹

外挂物风洞模型的线位移即为平移矩阵的3个分量，3个角位移可从旋转矩阵中获取，外挂物风洞模型t_i时刻在6个自由度方向的位移值计算方法如(7)式所示；

式中，为平移矩阵的3个分量，表示旋转矩阵第i行，j列的元素。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种外挂物分离轨迹风洞试验的单目视频测量方法，其特征在于包括

步骤1：在风洞试验段壁板上粘印或绘制至少3个振动测量标记点，用于测量包含风洞洞体振动信息的相机位置、姿态；在外挂物风洞模型表面，粘印或绘制2组环绕式编码标记点，用于测量以风洞外挂物模型为参照物时，相机的位置和姿态；

步骤2：风洞试验开始前，将外挂物风洞模型移动到轨迹分离试验的初始位置和姿态，对应时间为t₀，测量振动测量标记点、环绕式编码标记点中I、II、III、IV样式特征编码标记点在风洞坐标系下的三维坐标值，风洞试验开始后，图像采集处理计算机采集、保存图像；

步骤3：风洞试验开始后的t_i时刻，根据振动测量标记点t₀时刻在风洞坐标系中的三维坐标值、t_i时刻在像平面的坐标值，计算相机姿态和位置对应的旋转矩阵和平移矩阵

步骤4：t_i时刻，对像平面中成像的特征编码标记点进行识别与匹配，根据识别和匹配建立的对应关系，从t₀时刻测量得到的特征编码标记点在风洞坐标系下的三维坐标值中，找出成像的特征编码标记点的三维坐标值；

步骤5：t_i时刻，以外挂物风洞模型为参照物，根据成像的特征编码标记点t₀时刻在风洞坐标系中的三维坐标值、t_i时刻在像平面的坐标值，计算相机的姿态和位置对应的旋转矩阵和平移矩阵

步骤6：t_i时刻，根据计算外挂物风洞模型从t₀时刻到t_i时刻在风洞坐标系中姿态和位置变化对应的旋转矩阵和平移矩阵并得到外挂物风洞模型的轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种外挂物分离轨迹风洞试验的单目 视频测量方法，其特征在于所述步骤1中环绕式编码标记点是指布置在外挂物风洞模型表面头部或尾部的特征编码标记点的组合，外挂物风洞模型头部的环绕式编码标记点记为C_front，尾部的特征编码标记点记为C_tail，C_front和C_tail均包含9个特征编码标记点，9个特征编码标记点沿外挂物风洞模型的滚转方向均匀分布、居中对齐；C_front至少存在1个I样式特征编码标记点与C_tail中的I样式特征编码标记点的圆心连线与外挂物风洞模型轴线平行；定义C_front或C_tail中任意3个连续的特征编码标记点构成了1个编码片段，C_front与C_tail中任意两个编码片段均不相同；C_front中包含的任意圆形标记点与C_tail中包含的任意圆形标记点的距离至少为外挂物风洞模型直径的2倍，所述的外挂物风洞模型直径为其滚转方向切面外接圆直径的最大者。

3.根据权利要求2所述的一种外挂物分离轨迹风洞试验的单目视频测量方法，其特征在于所述步骤2中特征编码标记点是指1个或多个相同圆形标记点的组合，特征编码标记点共有4种样式，分别记为I样式特征编码标记点、II样式特征编码标记点、III样式特征编码标记点和IV样式特征编码标记点，其中I样式特征编码标记点包含1个圆形标记点，II样式特征编码标记点包含2个圆形标记点，III样式特征编码标记点包含3个圆形标记点，IV样式特征编码标记点包含4个圆形标记点；对于II、III、IV样式特征编码标记点，其包含的相邻圆形标记点的外圆相切，圆心连线与外挂物风洞模型轴线平行；对于I、II、III、IV样式特征编码标记点，以其包含的最靠近风洞外挂物模型头部的圆形标记点的圆心坐标值为其坐标值；组成特征编码标记点的圆形标记点的直径至多为外挂物风洞模型直径的1/10。

4.根据权利要求3所述的一种外挂物分离轨迹风洞试验的单目视频测量方法，其特征在于所述步骤3具体包括：将振动测量标记点 t₀时刻在风洞坐标系中的三维坐标值、振动测量标记点t_i时刻在像平面的坐标值，代入(1)式所示的共线方程，得到t_i时刻相机姿态和位置对应的旋转矩阵和平移矩阵

式中，(x₀,y₀)分别为相机像平面中心，f为相机焦距，(x,y)为标记点t_i时刻在像平面中的坐标值，(X,Y,Z)为t₀时刻在风洞坐标系下的三维坐标值；(t_x,t_y,t_z)为平移矩阵的3个分量值，(a₁,a₂,a₃,b₁,b₂,b₃,c₁,c₂,c₃)为旋转矩阵中的9个方向余弦值。

5.根据权利要求3所述的一种外挂物分离轨迹风洞试验的单目视频测量方法，其特征在于所述步骤4具体包括：

步骤41：t_i时刻，将像平面中识别出来的全部圆形标记点集合记为P，计算P中任意两个元素间的距离，并找出最小值，记为D_min；

步骤42：找出与其它标记点距离均大于2D_min的圆形标记点，记为集合P₁ ^*，则P₁ ^*中的元素即为I样式特征编码标记点，由环绕式编码标记点的特征可知，P₁ ^*中包含2或4个元素，若包含4个元素，则任选P₁ ^*中1个元素pp，根据pp与其他3个元素间的距离，由与pp距离最近和最远的两个元素组成集合P₁，若只包含2个元素，直接将P₁ ^*记为P₁；

步骤43：计算集合P₁中2个元素间的距离，记为D_group，选择P₁中靠近外挂物风洞模型头部的标记点记为p₁,另一个点记为p₂，根据p₁到集合P中每个元素的距离及D_group的取值，将P分为P_front和P_tail，其中，P_front为和p₁距离小于D_group/2的标记点的标记点集合，P_tail为其余点；

步骤44：由环绕式编码标记点的特征可知，P_front由I、II、III、IV 样式特征编码标记点组成，且每种样式的特征编码标记点最多包含2个，因此，将P_front中的点按照距离特征，进行分类；

步骤45：将按照坐标值，由上到下依次排列，其中空集合不参与排列，并从中选择1个编码片段，与C_front进行比对，找到C_front中与之完全相同的编码片段，便可建立像平面中标记点P_front与外挂物风洞模型表面C_front环绕式编码标记点的对应关系，根据对应关系，从t₀时刻测量得到的特征编码标记点在风洞坐标系下的三维坐标值中，找出P_front包含的I、II、III、IV样式特征编码标记点在风洞坐标系中的三维坐标值；

步骤46：将步骤44、步骤45的方法运用至P_tail，根据对应关系，从t₀时刻测量得到的特征编码标记点在风洞坐标系下的三维坐标值中，找出P_tail包含的I、II、III、IV样式特征编码标记点在风洞坐标系中的三维坐标值。

6.根据权利要求5所述的一种外挂物分离轨迹风洞试验的单目视频测量方法，其特征在于所述步骤44具体过程：

步骤441：I样式特征编码标记点识别的具体过程；对于集合P_front中的元素p_frt-I，如果集合P_front-{p_frt-I}中不存在到p_frt-I的距离与D_min相当的元素，则p_frt-I为组成I样式特征编码标记点的圆形标记点，由环绕式编码标记点的特征可知，具有该特征的元素p_frt-I最多有2个，分别将其组成的集合记为

步骤442：II样式特征编码标记点识别的具体过程：对于集合P_front中的元素p_frt-II，如果集合P_front-{p_frt-II}中有且仅有1个元素p_II，p_II与p_frt-II 间的距离与D_min相当，并且集合P_front-{p_frt-II}中不存在到p_frt-II的距离与2D_min相当的元素，则p_frt-II、p_II为组成II样式特征编码标记点的两个圆形标记点，由环绕式编码标记点的特征可知，具有该特征的元素p_frt-II最多有2个，分别将其与满足距离特征的点组成的集合记为其中相当指两个距离的比值在0.8～1.2；

步骤443：III样式特征编码标记点识别的具体过程：对于集合P_front中的元素p_frt-III，如果集合P_front-{p_frt-III}满足下述两个条件之一：一个条件是集合P_front-{p_frt-III}仅存在2个元素p_III-1、p_III-2，所述p_III-1、p_III-2分别与p_frt-III间的2个距离均与D_min相当，并且集合P_front-{p_frt-III}中不存在与2D_min相当的元素；另一条件是集合P_front-{p_frt-III}存在2个元素p_III-3、p_III-4，所述p_III-3、p_III-4分别与p_frt-III间的两个距离，其中1个距离值与D_min相当，另一个距离值与2D_min相当，并且集合P_front-{p_frt-III}不存在与3D_min相当的元素；则p_frt-III、p_III-1、p_III-23个元素或者p_frt-III、p_III-3、p_III-43个元素为组成III样式特征编码标记点的3个圆形标记点，由环绕式编码标记点的特征可知，具有该特征的元素p_frt-III最多有2个，分别将其与满足距离特征的点组成的集合记为

步骤444：IV样式特征编码标记点识别的具体过程是：对于集合P_front中的元素p_frt-IV，如果集合P_front-{p_frt-IV}满足下述两个条件之一，一个条件是集合P_front-{p_frt-IV}存在3个元素p_IV-1、p_IV-2、p_IV-3，p_IV-1、p_IV-2、p_IV-3分别与p_frt-IV间的3个距离，满足其中1个距离值与D_min相当，另一个距离值与2D_min相当，第三个距离值1个与3D_min相当；另一个条件是集合P_front-{p_frt-IV}存在3个元素p_IV-4、p_IV-5、p_IV-6，p_IV-4、p_IV-5、p_IV-6分别与p_frt-IV 间的3个距离，满足其中2个距离值与D_min相当，第三个距离值与2D_min相当，则p_frt-IV、p_IV-1、p_IV-2、p_IV-34个元素或p_frt-IV、p_IV-4、p_IV-5、p_IV-64个元素为组成IV样式特征编码标记点的4个圆形标记点，由环绕式编码标记点的特征可知，具有该特征的元素p_frt-IV最多有2个，分别将其与满足距离特征的点组成的集合记为

7.根据权利要求4所述的一种外挂物分离轨迹风洞试验的单目视频测量方法，其特征在于所述步骤5具体包括：从t₀到t_i时刻，若以外挂物风洞模型为参照物，相机像平面成像内容变化是因为相机位置和姿态改变所致，因此，t_i时刻外挂物风洞模型表面特征编码标记点_p在相机坐标系下的坐标值qⁱ用(2)式表示：

式中，p⁰为特征编码标记点t₀时刻在风洞坐标系下的三维坐标值，为t_i时刻，以外挂物风洞模型为参照物时，相机的姿态和位置对应的旋转矩阵和平移矩阵，通过成像的特征编码标记点t_i时刻在像平面的坐标值和t₀时刻成像的特征编码标记点在风洞坐标系下的三维坐标值，代入(1)式所示的共线方程进行求解。

8.权利要求7所述的一种外挂物分离轨迹风洞试验的单目视频测量方法，其特征在于所述步骤6具体包括：

步骤61：t_i时刻，设外挂物风洞模型表面特征编码标记点p在风洞坐标系中的三维坐标值pⁱ，是t₀时刻坐标值p⁰经过旋转和平移变换得到，如(3)式所示；

式中，为外挂物风洞模型表面特征编码标记点p从t₀时刻位置到t_i时刻位置的旋转矩阵和平移矩阵；

t_i时刻，当仍以风洞试验段为参照物时，外挂物风洞模型表面特 征编码标记点p在风洞坐标系下的坐标值pⁱ和在相机坐标系中的坐标值qⁱ，满足(4)式的关系；

将(3)式代入(4)式，可得(5)式；

(2)式和(5)式是t_i时刻，选取不同参照物时，得到的外挂物风洞模型表面特征编码标记点p在相机坐标系的坐标值，联立两式可得p从t₀时刻到t_i时刻对应的旋转矩阵和平移矩阵由(6)式进行计算；

式中，利用了旋转矩阵的逆矩阵为其转置的性质，分别在步骤3和步骤5中得到；

步骤62：外挂物风洞模型的线位移即为平移矩阵的3个分量，3个角位移ω_i,κ_i从旋转矩阵中获取，外挂物风洞模型t_i时刻在6个自由度方向的位移值计算方法如(7)式所示；

式中，为平移矩阵的3个分量，表示旋转矩阵第i行，j列的元素。