CN109272804B - 一种飞行座舱约束下飞行员头部运动的正交视频定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种飞行座舱约束下飞行员头部运动的正交视频定位方法，包括构建人体躯干至头部的简化结构模型，并转为求解头部顶端三维空间坐标的具体位姿函数；结合简化结构模型及飞行员标准身高尺寸仿真，将仿真得出个体躯干至头部所有关节的活动数据信息导入具体位姿函数中，得到头部顶端的具体位姿范围；结合头部顶端的具体位姿范围及传统三台正交摄像机布局仿真，判定出x、y轴的摄像机存在视觉盲区；加设两台摄像机用以消除视觉盲区；一台与传统三台均呈45度正交；另一台在xy平面上，与x轴的间隔45度、与y轴的间隔135度。实施本发明，适用于飞行座舱约束环境下，克服了现有技术中视频定位存在的视觉盲区、实时性较差、精确度较低等问题。

Description

一种飞行座舱约束下飞行员头部运动的正交视频定位方法
技术领域
本发明涉及计算机视频技术领域，尤其涉及一种飞行座舱约束下飞行员头部运动的正交视频定位方法。
背景技术
飞行员在上机飞行前，都需要通过模拟器模拟飞行来提高实际飞行水平。由于飞行员在模拟或实际的飞行座舱内的各种操作都会引起头部运动，因此有必要在飞行员使用模拟器机型模拟飞行时，检测飞行座舱约束下飞行员头部运动来判断飞行员飞行是否正确。
虽然飞行员的身高体重不同，模拟器不同机型的按钮踏板不同，但是飞行员各种舱内操作引起的头部运动范围必须包围在检测的摄像机视野内。由此可见，如何科学的测量运动空间，建立一套科学又全面的空间多摄像机冗余布局，达到模拟器中对运动检测范围的需求显得格外重要。
目前，现有的飞行员头部运动的视频定位方法，虽然能够利用空间摄像头正交布局实现对平面标志点的空中三维定位，并在此基础上也产生一些相关的视频定位方法，如“非视觉几何的摄像机阵列视频定位方法及系统”、“基于全局特性差异的CCD阵列视频定位方法及系统”等，但是缺乏在飞行座舱约束环境下的应用，而且视频定位存在视觉盲区、实时性较差、精确度较低等问题。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种飞行座舱约束下飞行员头部运动的正交视频定位方法，适用于飞行座舱约束环境下，克服了现有技术中视频定位存在的视觉盲区、实时性较差、精确度较低等问题。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种飞行座舱约束下飞行员头部运动的正交视频定位方法，包括以下步骤：
步骤S1、构建人体躯干至头部的简化结构模型，并将所述人体躯干至头部的简化结构模型转化为求解头部顶端三维空间坐标的具体位姿函数；
步骤S2、将所述人体躯干至头部的简化结构模型与预设的标准飞行员的身高尺寸相结合进行仿真，得到飞行座舱内飞行员的个体躯干至头部所有关节的活动数据信息，且进一步将所获取到的活动数据信息导入所述头部顶端三维空间坐标的具体位姿函数中，得到飞行员的头部顶端在三维空间里面的具体位姿范围；
步骤S3、对所得到的头部顶端在三维空间里面的具体位姿范围结合传统的三台正交摄像机在飞行座舱中的布局进行仿真数值分析，判定出所述传统的三台正交摄像机之中位于所述xyz三维坐标系的x轴、y轴的两台摄像机在飞行员极限运动时存在视觉盲区；其中，所述传统的三台正交摄像机均固定于所述飞行座舱内，并在以所述飞行员所处飞行座舱内的某一位置为原点构建的xyz三维坐标系上分布，且分别位于所述xyz三维坐标系的x轴、y轴及z轴上，两两之间呈90度正交；
步骤S4、在所述飞行座舱内加设两台摄像机，用以消除x轴、y轴的两台摄像机在飞行员极限运动时存在视觉盲区；其中，所加设的一台摄像机与所述传统的三台正交摄像机均呈45度正交；所加设的另一台摄像机与所述传统的三台正交摄像机之中位于x轴和y轴的两台摄像机在同一平面上，且其与x轴的摄像机间隔45度及与y轴的摄像机间隔135度。
其中，所述人体躯干至头部的简化结构模型是在以下特定条件实现的；其中，
所述特定条件包括躯体、头和椅子形成一总体，同时忽略杠杆活动；把骨骼当作是刚体，把关节当作是铰链，使得个体躯体的活动缩减成多个铰链体系活刚体运动；在整体方面不考虑个体自身其它组织的形变对刚体机械运动的变形影响；将头部模拟成球体形状，躯干模拟成圆柱体形状，通过关节模拟的铰链构成多连接运动结构。
其中，所述头部顶端三维空间坐标的具体位姿函数是通过迪-哈(D-H)运算里面的矩阵转换来实现的；其中，
所述头部顶端三维空间坐标的具体位姿函数为COxyz＝RPYA×BA+RPYB×CB；其中，COxyz表示为头部顶端C点在世界坐标系中的位置；RPYA表示为坐标系
Figure BDA0001800514750000031
约束的RPY姿态变化的矩阵；RPYB表示为坐标系
Figure BDA0001800514750000032
约束的RPY姿态变化的矩阵；BA表示为坐标系
Figure BDA0001800514750000033
和
Figure BDA0001800514750000034
相对应的初期坐标，即个体躯干长；CB表示为头部顶端C点和
Figure BDA0001800514750000035
相对应的初期坐标，即头的高度。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明通过一系列手段(如构建人体躯干至头部的简化结构模型，其次将简化结构模型转换成求解头部顶端三维空间坐标的具体位姿函数，接着将传统的三台正交分别位于x轴、y轴及z轴上的摄像机所采集的数据信息导入头部顶端三维空间坐标的具体位姿函数中求解并仿真等)来验证现有三台摄像机的正交视频定位方法在飞行座舱约束环境下存在视觉盲区(即x轴、y轴的两台摄像机在飞行员极限运动时存在视觉盲区)，从而提出通过加设两台摄像机(一台与现有三台摄像机均呈45度正交，另一台与现有三台摄像机之中位于xy轴的两台摄像机在同一平面上，且与x轴的摄像机间隔45度、与y轴的摄像机间隔135度)来消除，使得本发明实施例的正交视频定位方法不仅适用于飞行座舱约束环境下，还克服了现有技术中视频定位存在的视觉盲区、实时性较差、精确度较低等问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明实施例提供的飞行座舱约束下飞行员头部运动的正交视频定位方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的飞行座舱约束下飞行员头部运动的正交视频定位方法中人体躯干至头部的简化结构模型的坐标表示图；
图3为本发明实施例提供的飞行座舱约束下飞行员头部运动的正交视频定位方法中五台摄像机区别于现有三台摄像机的位置布置对比图；其中，3a为现有三台摄像机的位置布置图；3b为本发明实施例的五台摄像机的位置布置图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图1所示，为本发明实施例中，提出的一种飞行座舱约束下飞行员头部运动的正交视频定位方法，包括以下步骤：
步骤S1、构建人体躯干至头部的简化结构模型，并将所述人体躯干至头部的简化结构模型转化为求解头部顶端三维空间坐标的具体位姿函数；
具体过程为，从人体生理解剖特性出发，结合人体的运动系统，最后传导到头部的运动范围，建立一个简化版的人机工程力学头部结构模型，从而从定量的科学角度上去满足正交定位系统中摄像头视野的头部运动范围的全覆盖。
人体躯干至头部的简化结构模型是在以下特定条件实现的；其中，特定条件包括：(1)躯体、头和椅子形成一总体，同时忽略杠杆活动；(2)因为骨骼的刚性特点，不易出现较大形变，因此能够把骨骼当作是刚体，把关节当作是铰链，使得个体躯体的活动缩减成多个铰链体系活刚体运动；(3)在整体方面不考虑个体自身其它组织的形变对刚体机械运动的变形影响；(4)将头部模拟成球体形状，躯干模拟成圆柱体形状，通过关节模拟的铰链构成多连接运动结构。
如图2所示，为人体躯干至头部的简化结构模型的坐标表示示意图。其中，A表示椅子(如最下端的螺帽结构)、B表示躯干(如中间的长方体结构)、C表示头部(如最上端的圆形)顶端。
求解人体躯干至头部的简化结构模型采用的是迪-哈(D-H)运算里面的矩阵转换，为基于齐次矩阵的四阶方阵以变换成三维空间中的点，其可以高效的把旋转、平移等运作与矩阵以及映射计算联合在一起。
因此，头部顶端三维空间坐标的具体位姿函数是通过迪-哈(D-H)运算里面的矩阵转换来实现的；其中，头部顶端三维空间坐标的具体位姿函数为COxyz＝RPYA×BA+RPYB×CB；
其中，COxyz表示为头部顶端C点在世界坐标系中的位置；RPYA表示为坐标系
Figure BDA0001800514750000051
约束的RPY姿态变化的矩阵；RPYB表示为坐标系
Figure BDA0001800514750000052
约束的RPY姿态变化的矩阵；BA表示为坐标系
Figure BDA0001800514750000053
和
Figure BDA0001800514750000054
相对应的初期坐标，即个体躯干长；CB表示为头部顶端C点和
Figure BDA0001800514750000055
相对应的初期坐标，即头的高度。在一个实施例中，头高其实和颈顶间距相等，大概是263毫米；个体躯干长和肩峰高相同，和肩峰高以及颈肩间距之间存在密切联系，大概是702毫米。
应当说明的是，迪-哈(D-H)运算创建了由基础关节到其他关节活动执行端运作的活动学公式，就能够对这类问题进行运算，继而获得头顶于三维空间里面的具体位姿。
在RPY姿态变化的矩阵，绕
Figure BDA0001800514750000056
轴(当前活动坐标系的Y轴)旋转叫俯仰(Pitch)；绕
Figure BDA0001800514750000057
轴(当前运动坐标系的Z轴)旋转叫滚动(Roll)；绕
Figure BDA0001800514750000058
轴(当前活动坐标系的X轴)旋转操作横滚(Yaw)。因为RPY的上述几种旋转活动均是和局部坐标系相对应的，因此能够把全部其他旋转活动所出现的和姿势变动有联系的矩阵与PRY旋转开展右乘。右乘后的PRY姿态变化的矩阵为：
Figure BDA0001800514750000059
步骤S2、将所述人体躯干至头部的简化结构模型与预设的标准飞行员的身高尺寸相结合进行仿真，得到飞行座舱内飞行员的个体躯干至头部所有关节的活动数据信息，且进一步将所获取到的活动数据信息导入所述头部顶端三维空间坐标的具体位姿函数中，得到飞行员的头部顶端在三维空间里面的具体位姿范围；
具体过程为，在已经建立的人体躯干至头部的简化结构模型的基础上，结合预设的标准飞行员的身高尺寸构建数据模型，并通过计算机软件对该数据模型进行仿真，得到飞行座舱内飞行员的个体躯干至头部所有关节的活动数据信息之后，且进一步通过头部顶端三维空间坐标的具体位姿函数，就能够获得飞行员的头部顶端在三维空间里面的具体位姿范围COxyz。应当说明的是，数据模型的仿真采用常用的仿真软件。
步骤S3、对所得到的头部顶端在三维空间里面的具体位姿范围结合传统的三台正交摄像机在飞行座舱中的布局进行仿真数值分析，判定出所述传统的三台正交摄像机之中位于所述xyz三维坐标系的x轴、y轴的两台摄像机在飞行员极限运动时存在视觉盲区；其中，所述传统的三台正交摄像机均固定于所述飞行座舱内，并在以所述飞行员所处飞行座舱内的某一位置为原点构建的xyz三维坐标系上分布，且分别位于所述xyz三维坐标系的x轴、y轴及z轴上，两两之间呈90度正交；
具体过程为，对所得到的头部顶端在三维空间里面的具体位姿范围结合传统的三台正交摄像机在飞行座舱中的布局进行仿真数值分析，即通过传统的三台正交摄像机对飞行员头部运动进行数据采集后在计算机软件中仿真，并根据仿真结果来看，在xy轴方向有较为强烈的运动范围受限，x轴和y轴最大变化值分别接近1米和1.4米，而Z轴方向头部顶端的极值变化幅度较小。
在一个实施例中，以波音737驾驶舱的面板当作参照，重点包含中控、前以及顶面板等几个部分。飞行员头部运动如下表1所示：
表1：
Figure BDA0001800514750000061
因此，传统的三台布局以90度夹角方式排列的正交摄像头在飞行座舱约束下，通过可知x轴、y轴的两台摄像机在飞行员极限运动时存在视觉盲区。
由此可见，借助于固定驾驶舱面板的所有布置极限点方位，就能够把飞行员头部的活动区间精确在一个更加合理的范围内。同时在参考座舱面板区域取多个边缘临界点，对视野中的活动区间进行相应的制约，以得到愈加正确的参照机型驾驶舱里面个体头部的活动区间。
步骤S4、在所述飞行座舱内加设两台摄像机，用以消除x轴、y轴的两台摄像机在飞行员极限运动时存在视觉盲区；其中，所加设的一台摄像机与所述传统的三台正交摄像机均呈45度正交；所加设的另一台摄像机与所述传统的三台正交摄像机之中位于x轴和y轴的两台摄像机在同一平面上，且其与x轴的摄像机间隔45度及与y轴的摄像机间隔135度。
具体过程为，在受限方向按规定角度加入冗余摄像机，便可以应对传统的三台正交摄像机在xy轴方向视野受限的问题，因此提出了冗余摄像机正交的方案。其中，所加设的一台摄像机与所述传统的三台正交摄像机均呈45度正交；所加设的另一台摄像机与所述传统的三台正交摄像机之中位于x轴和y轴的两台摄像机在同一平面上，且其与x轴的摄像机间隔45度及与y轴的摄像机间隔135度。
如图3所示，传统的三台正交摄像机(如图3中3a所示C1、C2、C3)，分别呈90度角分布。而本发明实施例的五台摄像机，是在传统的三台正交摄像机基础上，加设两台摄像机分别为C'1和C'2(如图3中3b所示)；其中，第四台摄像机C'2与传统的三台正交摄像机C1、C2、C3间布局形成正交，同时依次分隔45度角；以x轴-y方向的x-y平面布局第五台摄像机C'1，同时在一个平面上与摄像机C1间隔45度角，与摄像机C2间隔135度角。同时，使得摄像机C'1和C'2与原点构成夹角为45度的等腰直角三角形。
为了验证加设的两台摄像机C'1和C'2，可以消除x轴、y轴的两台摄像机C1和C2在飞行员极限运动时存在视觉盲区，通过设定摄像机C1、C2、C3里面的平面图像位置依次是
Figure BDA0001800514750000071
以及摄像机C'1和摄像机C'2的坐标为
Figure BDA0001800514750000072
并换算出摄像机C1、C2、C3、C'1和C'2参与t次迭代的三维方位运算坐标数据为
Figure BDA0001800514750000073
最后经过t次迭代运算获得的坐标数据是(xt,yt,zt)，并将所获得的坐标数据(xt,yt,zt)进行仿真来确定x轴、y轴的视觉盲区已消除。
摄像机C1、C2、C3、C'1和C'2参与迭代运算的具体过程包括：
(1)设定初始值：使
Figure BDA0001800514750000081
Figure BDA0001800514750000082
可以理解成同一个点同时有五台摄像机在拍摄，所以这个初始值对五台摄像机都是相同的，
(2)图像检测：飞行员操作时，实时检测在他头部设定的颜色标志点(如红、绿、蓝三个颜色标志点，且是相对固定的，头部运动时三个颜色标志点也跟随运动)，五台摄像机并行同步拍摄，同步输入拍摄计算到的平面坐标。从而，获得
Figure BDA0001800514750000083
坐标值。
(3)对步骤(2)图像检测所获得的坐标值进行依次轮流迭代逼近：当前摄像机C1透镜中心到焦点的距离为
Figure BDA0001800514750000084
和
Figure BDA0001800514750000085
且以此类推，定义出摄像机C2，摄像机C3，摄像机C'1和摄像机C'2相应的透镜中心到焦点的距离；
如果检测失败(即无法捕捉到三个颜色标志点的图像，从而没有坐标返回值，就判定捕捉失败)，则对摄像机C1、C2、C3、C'1和C'2做如下赋值：
设(xt-1,yt-1,zt-1)为t-1次迭代逼近值，那么：
(I)摄像机C1里面，借助X轴坐标xt-1和预期图像位置
Figure BDA0001800514750000086
依照摄像机成像理论获得：
Figure BDA0001800514750000087
其中，
Figure BDA0001800514750000088
与
Figure BDA0001800514750000089
为C1焦距。
假如C1没有获得相应的对象，维持
Figure BDA00018005147500000810
与
Figure BDA00018005147500000811
的数值，那么
Figure BDA00018005147500000812
(II)摄像机C2里面，也是借助X轴坐标xt-1和对象图像位置
Figure BDA00018005147500000813
依照摄像机成像理论获得：
Figure BDA00018005147500000814
其中，
Figure BDA00018005147500000815
与
Figure BDA00018005147500000816
为C2焦距。
假如C2也没有获得对象，维持
Figure BDA00018005147500000817
与
Figure BDA00018005147500000818
数值，那么
Figure BDA00018005147500000819
(III)摄像机C3里面，借助
Figure BDA0001800514750000091
还有对象位置
Figure BDA0001800514750000092
获得：
Figure BDA0001800514750000093
其中，
Figure BDA0001800514750000094
与
Figure BDA0001800514750000095
为C3焦距。
假如C3也没有获得对象，维持
Figure BDA0001800514750000096
与
Figure BDA0001800514750000097
的数值，那么
Figure BDA0001800514750000098
(IV)同样对摄像机C'1有，P4值为摄像机到光轴交点(坐标原点)的距离：
Figure BDA0001800514750000099
(V)同样摄像机C'2有，P5值为摄像机到光轴交点(坐标原点)的距离：
Figure BDA00018005147500000910
(VI)需从C1、C2、C3、C'1、C'2获得的三维方位取均值，得到
Figure BDA00018005147500000911
假如xt、yt、zt达到极值条件，得到
Figure BDA00018005147500000912
(VII)就把(xt,yt,zt)当作定位输出数据，同时完成迭代，再将(xt,yt,zt)进行仿真分析，即可确定本发明实施例中的五台摄像机可以消除现有三台摄像机所存在的视觉盲区。
综上，本发明解决了飞行座舱约束下的飞行员头部运动精确求解。第一、飞行座舱约束下头部运动范围求解，建立一个简化版的人机工程力学头部结构模型；第二、根据运动范围建立起冗余正交定位方法，采用五台摄像头进行冗余正交布局，区别传统的三台摄像头方法；第三、根据建立约束模型，以737客机为参考机型，从定量的科学角度上去满足正交定位系统中摄像头视野的头部运动范围的全包含，根据本发明的模型可以获得其他机型的具体数据后很方便进行移植。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明通过一系列手段(如构建人体躯干至头部的简化结构模型，其次将简化结构模型转换成求解头部顶端三维空间坐标的具体位姿函数，接着将传统的三台正交分别位于x轴、y轴及z轴上的摄像机所采集的数据信息导入头部顶端三维空间坐标的具体位姿函数中求解并仿真等)来验证现有三台摄像机的正交视频定位方法在飞行座舱约束环境下存在视觉盲区(即x轴、y轴的两台摄像机在飞行员极限运动时存在视觉盲区)，从而提出通过加设两台摄像机(一台与现有三台摄像机均呈45度正交，另一台与现有三台摄像机之中位于xy轴的两台摄像机在同一平面上，且与x轴的摄像机间隔45度、与y轴的摄像机间隔135度)来消除，使得本发明实施例的正交视频定位方法不仅适用于飞行座舱约束环境下，还克服了现有技术中视频定位存在的视觉盲区、实时性较差、精确度较低等问题。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (3)

1.一种飞行座舱约束下飞行员头部运动的正交视频定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、构建人体躯干至头部的简化结构模型，并将所述人体躯干至头部的简化结构模型转化为求解头部顶端三维空间坐标的具体位姿函数；
步骤S2、将所述人体躯干至头部的简化结构模型与预设的标准飞行员的身高尺寸相结合进行仿真，得到飞行座舱内飞行员的个体躯干至头部所有关节的活动数据信息，且进一步将所获取到的活动数据信息导入所述头部顶端三维空间坐标的具体位姿函数中，得到飞行员的头部顶端在三维空间里面的具体位姿范围；
步骤S3、对所得到的头部顶端在三维空间里面的具体位姿范围结合传统的三台正交摄像机在飞行座舱中的布局进行仿真数值分析，判定出所述传统的三台正交摄像机之中位于xyz三维坐标系的x轴、y轴的两台摄像机在飞行员极限运动时存在视觉盲区；其中，所述传统的三台正交摄像机均固定于所述飞行座舱内，并在以所述飞行员所处飞行座舱内的某一位置为原点构建的xyz三维坐标系上分布，且分别位于xyz三维坐标系的x轴、y轴及z轴上，两两之间呈90度正交；
步骤S4、在所述飞行座舱内加设两台摄像机，用以消除x轴、y轴的两台摄像机在飞行员极限运动时存在视觉盲区；其中，所加设的一台摄像机与所述传统的三台正交摄像机均呈45度正交；所加设的另一台摄像机与所述传统的三台正交摄像机之中位于x轴和y轴的两台摄像机在同一平面上，且其与x轴的摄像机间隔45度及与y轴的摄像机间隔135度。
2.如权利要求1所述的飞行座舱约束下飞行员头部运动的正交视频定位方法，其特征在于，所述人体躯干至头部的简化结构模型是在以下特定条件实现的；其中，
所述特定条件包括躯体、头和椅子形成一总体，同时忽略杠杆活动；把骨骼当作是刚体，把关节当作是铰链，使得个体躯体的活动缩减成多个铰链体系活刚体运动；在整体方面不考虑个体自身其它组织的形变对刚体机械运动的变形影响；将头部模拟成球体形状，躯干模拟成圆柱体形状，通过关节模拟的铰链构成多连接运动结构。
3.如权利要求1所述的飞行座舱约束下飞行员头部运动的正交视频定位方法，其特征在于，所述头部顶端三维空间坐标的具体位姿函数是通过迪-哈(D-H)运算里面的矩阵转换来实现的；其中，
所述头部顶端三维空间坐标的具体位姿函数为COxyz＝RPYA×BA+RPYB×CB；其中，COxyz表示为头部顶端C点在世界坐标系中的位置；RPYA表示为坐标系
Figure FDA0002613837590000021
约束的RPY姿态变化的矩阵；RPYB表示为坐标系
Figure FDA0002613837590000022
约束的RPY姿态变化的矩阵；BA表示为坐标系
Figure FDA0002613837590000023
和
Figure FDA0002613837590000024
相对应的初期坐标，即个体躯干长；CB表示为头部顶端C点和
Figure FDA0002613837590000025
相对应的初期坐标，即头的高度。
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