CN112526746A

CN112526746A - 一种不同距离目标的模拟系统和方法

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Publication number: CN112526746A
Application number: CN202011413905.3A
Authority: CN
Inventors: 刘文广; 宁禹; 代倩; 赵立双; 雷国忠; 张文静; 刘颖; 曹毓
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2020-12-05
Filing date: 2020-12-05
Publication date: 2021-03-19

Abstract

本发明提供一种不同距离目标的模拟系统。技术方案是：本模拟系统包括目标、透镜、相机、镜头。镜头安装在相机上；沿着相机光轴的方向，透镜、目标按照距离相机由近及远的顺序依次放置，而且他们的中心均位于相机的光轴上；目标可以沿着相机光轴的方向前后移动。本发明首次将成像系统领域的知识运用到目标识别与跟踪技术领域，利用成像系统产生需要识别和跟踪的目标，方法简单易行，极大地减少实验成本和实验工作量，具有很高的经济效益。

Description

一种不同距离目标的模拟系统和方法

技术领域

本发明属于目标识别与跟踪技术领域，特别是涉及一种用于模拟目标在不同距离处的模拟系统。

背景技术

在现有的目标识别与跟踪实验中，若要测试目标在不同距离下的跟踪算子的跟踪效果，通常需要进行外场实验，这将耗费一定的物力和人力，成本较高。且现有测距机的测量范围和测量精度都有限，限制了实验研究范围。因此，有必要做出一个能在室内模拟不同距离目标的系统，用以代替室外实验，可大幅度降低工作量以及相关实验的成本开支。针对此需求，到目前为止国内外还没有相关工作的文献报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种不同距离目标的模拟系统和方法，通过调节系统各光学元件的相对位置，模拟在不同距离下的目标，解决外场实验中目标距离范围有限、距离精度低、实验成本高昂等问题。

一种不同距离目标的模拟系统，其特征在于，包括目标、透镜、相机、镜头。镜头安装在相机上；沿着相机光轴的方向，透镜、目标按照距离相机由近及远的顺序依次放置，而且他们的中心均位于相机的光轴上；目标可以沿着相机光轴的方向前后移动。

进一步地，所述目标为尺寸已知的物体。再进一步地，所述目标包括透明基底目标板和面光源。

进一步地，所述系统包括电动位移台，目标固定在电动位移台上，可以通过调节电动位移台来实现目标沿着相机光轴方向的前后移动。

一种不同距离目标的模拟方法，其特征在于，使用不同距离目标的模拟系统进行模拟，并包括下述步骤：

使用前，先对系统进行系统响应曲线的标定，标定过程如下：测量相机在目标与透镜不同间距d下的成像尺寸h'，利用下式计算相应的目标距离D：

公式一中，f为镜头的焦距，f₀为透镜的焦距；d为物距，即目标与透镜之间的距离，其数值可以通过沿镜头光轴方向前后移动目标的位置来改变；h₀为物高，即目标尺寸；h'为像高，即目标成像的尺寸。其中，f、f₀、h₀为已知值，d与h'通过测量得到。

由上述过程即可得到D与d之间的关系曲线，即系统响应曲线。标定过程的关键之处在于透镜焦点位置的确定，因为透镜焦点位置的确定决定对物距d的测量精度。不同距离目标的模拟系统搭建完毕后，只需要在第一次使用时实施一次系统响应曲线标定即可，以后使用时可直接省略该步骤，无需重复标定。

使用时，假设所要模拟的目标距离为D'，根据系统响应曲线，得到与所需模拟目标距离 D'相对应的目标与透镜的距离d'。然后，改变目标与透镜之间的距离，使之为d'，即可模拟出距离为D'的目标。

本发明还提供一种目标跟踪算法的验证方法，其特征在于，使用上述不同距离目标的模拟方法产生需要跟踪的目标。

在目标识别与跟踪实验中，可以把所述目标替换为实验所需研究的目标，即可研究跟踪算法在不同目标距离下的跟踪效果。

本发明的有益效果是：本发明首次将成像系统领域的知识运用到目标识别与跟踪技术领域，利用成像系统产生需要识别和跟踪的目标，方法简单易行，极大地减少实验成本和实验工作量，具有很高的经济效益。系统仅由相机、镜头、透镜与目标组成，结构简单、使用方便，避免了外场实验中各种复杂的天气、湍流、电磁等环境影响，使得实验可以随时进行。由于室内模拟系统可以模拟任意距离下的目标，这让实验设置更为灵活，无需通过测距机来计算目标的实时距离。此外，由于室内实验受湍流的影响可忽略不计，室内模拟系统还可用于模拟太空远距离成像。本发明还可以利用计算机来精确控制电动位移台的移动幅度，从而可以精确地调节目标与透镜之间的距离，可实现室内目标距离的高精度模拟。

附图说明

图1：本发明提供的不同距离目标的模拟系统原理结构示意图；

图2：本发明提供的不同距离目标的模拟系统某一具体实施方式的原理结构示意图；

图3：利用本发明的某一具体实施方式进行实验的场景图；

图4：利用本发明提供的方法中的标定过程得到的系统响应曲线；

图5：目标距离为22m的模拟效果图。

图6：目标距离为44m的模拟效果图。

图7：目标距离为221m的模拟效果图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明提供的一种不同距离目标的模拟系统(以下简称系统)原理结构示意图。如图所示，系统包括相机1、镜头2、透镜3、目标4。目标4与透镜3的距离小于透镜3的焦距f₀，所以目标4发出的光线通过透镜3后在目标4同侧成一个放大的像，然后再通过镜头2在相机1中成像。

图2为本发明提供的一种不同距离目标的模拟系统的某一具体实施方式的原理结构示意图。如图所示，系统包括相机1、镜头2、透镜3、透明基底目标板4、面光源5、电动位移台6、计算机7。为了尽可能地提高目标(透明基底目标板4)的距离模拟精度，镜头2在本实施实例中建议选用焦距300mm以上的长焦镜头，透镜3也建议使用焦距300mm以上的长焦透镜。为了使成像更加清晰，使用面光源5提高透明基底目标板4的亮度。由公式一可知，当镜头2的焦距f和透镜3的焦距f₀都确定时，透明基底目标板4的位置越靠近透镜3的焦点，则模拟出的目标距离越远。为了提高模拟目标距离的准确性，电动位移台6在本实施实例中建议选用定位精度高的电动位移台(定位精度优于1微米)。电动位移台6的移动方向，即图中双箭头虚线的指示方向，应与透镜3的光轴方向保持一致。为了方便地使用系统，测量系统所模拟的目标距离，需要给系统连接计算机7。计算机7负责控制电动位移台6的移动和目标模拟距离数据的解算。

图3为利用本发明的某一具体实施方式进行实验的场景图。如图所示，包括相机1、镜头2、透镜3、透明基底目标板4、面光源5、电动位移台6，相机1和电动位移台6均连接在计算机上。本实施实例以透明基底目标板4作为模拟目标，使用透镜3、镜头2和相机1 对其成像。为方便计算成像尺寸，透明基底目标板4在本实施实例中选用国标A3分辨率板，国标分辨率板中每条黑线的线宽都有确定大小，且两条黑线之间白线的线宽与黑线线宽大小相等。本实施实例中，相机1的像元尺寸为2.4μm×2.4μm，镜头2的焦距f为25mm，透镜 3的焦距f₀为150mm。用于计算成像尺寸的是国标A3分辨率板7号单元中的竖直条纹，其线宽即目标尺寸为h₀＝28.3μm。

图4给出了利用本发明提供的方法中的标定过程以及图3所示实验仪器得到的系统响应曲线。控制电动位移台6，以0.1mm为步长，沿着镜头2光轴方向改变透明基底目标板4与透镜3之间的距离d，测量d在148mm至149.9mm之间的成像尺寸。成像尺寸可根据每次成像结果中线宽所占据的像素个数n来计算，结合相机参数中给出的像元尺寸即每个像素的边长a＝2.4μm，可得到成像尺寸h'＝n·a。再结合镜头2和透镜3的焦距参数f＝25mm和 f₀＝150mm，即可计算出目标模拟距离D。然后使用Matlab对所测得的参数进行拟合，即可得到系统响应曲线。

图5、6、7给出了相机1在不同模拟距离下对国标A3分辨率板7号单元竖直条纹部分的成像结果。为了验证实验效果，同时计算目标的模拟距离与实验仪器实际距离的比值α＝Dd。

图5给出了d＝149mm时的成像结果，可得h'＝n·a＝2×0.0024＝0.0048mm，再代入公式一可得：D＝22134.375mm；α＝148.55。

图6给出了d＝149.5mm时的成像结果，可得h'＝n·a＝2×0.0024＝0.0048mm，再代入公式一可得：D＝44243.75mm；α＝295.94。

图7给出了d＝149.9mm时的成像结果，可得h'＝n·a＝2×0.0024＝0.0048mm，再代入公式一可得：D＝221118.75mm；α＝1475.11。

通过上述实验可以看出，本发明可以在室内很小的实验空间内模拟出很远距离的目标。

为了验证得到的模拟距离的准确性，使用相机镜头对某一模拟距离处的目标进行清晰成像时，不改变调焦状态，使镜头对准相同真实距离外的目标，依旧可以清晰成像，证明本发明的模拟方法是有效的。

此外，在本发明中的一个关键环节还包括对物距d，即目标与透镜之间的距离的精确测量。本发明优选的方式为：计算物距d是采用透镜3的焦距f₀减去目标和透镜3的焦点之间的距离得到的。具体实现时，包括两个步骤：步骤①：确定透镜3的焦点所在位置，即：把透明基底目标板4的透明基板用一个小孔光阑替换，并固定在电动位移台上；将电动位移台归位到其零点位置，使用面光源为小孔光阑照明；手动移动电动位移台，使小孔光阑与透镜 3的间距略微大于透镜3的焦距；使用计算机控制电动位移台，带动小孔光阑由远及近地向透镜3移动，观察相机1的成像效果，会观察到小孔光阑所成的像先变小后变大，找到变化的临界点，此时小孔光阑所处的位置即为透镜3的焦点位置，小孔光阑与透镜3之间的距离即为透镜3的焦距f₀。步骤②：计算物距d，用透明基板替换小孔光阑，控制电动位移台使透明基底目标板4移动，根据电动位移台的位置状态读数来计算其移动的距离，用透镜3的焦距f₀减去这个距离，即可精确计算目标与透镜之间的距离d。

Claims

1.一种不同距离目标的模拟系统，其特征在于，包括目标、透镜、相机、镜头；镜头安装在相机上；沿着相机光轴的方向，透镜、目标按照距离相机由近及远的顺序依次放置，而且他们的中心均位于相机的光轴上；目标可以沿着相机光轴的方向前后移动。

2.根据权利要求1所述的不同距离目标的模拟系统，其特征在于，所述目标为尺寸已知的物体。

3.根据权利要求2所述的不同距离目标的模拟系统，其特征在于，所述目标包括透明基底目标板和面光源。

4.根据权利要求3所述的不同距离目标的模拟系统，其特征在于，所述模拟系统包括电动位移台，目标固定在电动位移台上，通过调节电动位移台实现目标沿着相机光轴方向的前后移动。

5.一种不同距离目标的模拟方法，其特征在于，使用权利要求1至4中任意一个模拟系统进行模拟，并包括下述步骤：

使用前，先对模拟系统进行系统响应曲线的标定，标定过程如下：测量相机在目标与透镜不同间距d下的成像尺寸h'，利用下式计算相应的目标距离D：

公式一中，f为镜头的焦距，f₀为透镜的焦距；d为物距，即目标与透镜之间的距离；h₀为物高；h'为像高；其中，f、f₀、h₀为已知值，d与h'通过测量得到。

由上述过程得到D与d之间的关系曲线，即系统响应曲线；

使用时，假设所要模拟的目标距离为D'，根据系统响应曲线，得到与所需模拟目标距离D'相对应的目标与透镜的距离d'；然后，改变目标与透镜之间的距离，使之为d'，即可模拟出距离为D'的目标。

6.一种目标跟踪算法的验证方法，其特征在于，使用权利要求5所述的方法产生需要跟踪的目标。