具体描述
基本信息
书名：弹道特征参数摄影测量
定价：38.00元
作者：张三喜
出版社：国防工业出版社
出版日期：2014-03-01
ISBN：9787118092714
字数：314000
页码：337
版次：1
装帧：平装
开本：大32开
商品重量：0.4kg
编辑推荐
内容提要
《弹道特征参数摄像测量（总装部队军事训练十二五统编教材）》从作者多年实践获得的经验与研究的成果中汲取营养，较全面系统地对现在以及将来靶场可能开展的摄像测量工作进行了阐述。
张三喜主编的《弹道特征参数摄像测量（总装部队军事训练十二五统编教材）》全书介绍了摄像测量理论基础、2D特征参数的高速摄像机测量、3D特征参数的高速摄像机测量、3D特征参数的光电经纬仪测量、高速数字狭缝摄像测量、立靶坐标测量、流场可视化测量以及运动图像目标特征信息提取等相关技术与方法；同时书中也介绍了作者同相关院所合作开发的摄像测量系统及运动分析系统。
目录
作者介绍
文摘
序言
《弹道特征参数摄影测量》 前言 在追求科学的精度与严谨的道路上，人类对于精确测量和空间关系的理解从未停止探索的脚步。从古希腊几何学的诞生，到现代三维重建技术的飞速发展，我们对物体形态、运动轨迹以及其背后蕴含的物理规律的认知，极大程度上依赖于精准的测量手段。摄影测量，作为一门古老而又充满活力的学科，凭借其非接触、高效、信息丰富的特点，在众多领域展现出强大的生命力。本书《弹道特征参数摄影测量》正是基于这样的背景，深入探讨如何运用摄影测量的原理与技术，对弹道过程中关键的特征参数进行精确的测量与分析。 本书的创作源于作者在弹道学研究与摄影测量技术应用实践中的深刻体会。在弹道分析领域，精准的弹道参数是理解和预测弹体飞行行为的基础，也是评估武器系统性能、进行弹道修正、甚至重建弹道事件的关键。然而，传统的测量方法往往存在诸多局限，例如接触式测量可能改变弹道轨迹、远距离测量精度不足、以及数据采集过程繁琐且耗时等。而摄影测量技术，以其能够从不同视角的二维图像中重建物体三维几何信息的能力，为解决这些难题提供了全新的视角和强大的工具。 本书旨在为读者提供一个全面而深入的视角，理解摄影测量技术如何被巧妙地应用于弹道特征参数的提取。我们不仅仅满足于展现技术的应用，更着力于阐述其背后的科学原理、关键技术细节以及实际操作中的注意事项。从基础的摄影测量原理，到适用于弹道场景的特殊处理技术，再到实际案例的分析，本书力求做到理论与实践相结合，为相关领域的科研人员、工程师、以及对弹道学与摄影测量感兴趣的读者提供一份有价值的参考。 第一章 弹道学基础与测量需求 弹道学是研究物体在发射后，在重力、空气阻力、风力以及其他外力作用下运动规律的学科。根据研究对象的不同，弹道学可以分为内弹道学、中弹道学和外弹道学。内弹道学研究弹头在膛内加速过程；中弹道学研究弹头离开炮口到进入目标区域的短暂过程；外弹道学则研究弹头在空中飞行的全部轨迹。 在弹道研究中，有大量的参数需要被精确测量，这些参数直接关系到弹道的预测精度、弹药的毁伤效果以及安全评估。关键的弹道特征参数包括但不限于： 弹道轨迹： 弹头在三维空间中随时间变化的路径。精确的轨迹测量是理解弹道运动的基础。 速度与加速度： 弹头在飞行过程中的瞬时速度和加速度变化。这些参数直接影响弹头的动能和受力情况。 姿态与角速度： 弹头的翻滚、俯仰、偏航等姿态变化以及相应的角速度。这些信息对于理解弹头的稳定性、是否发生翻转以及旋转造成的进动效应至关重要。 弹头形状与尺寸： 弹头的几何形状和尺寸参数，在考虑空气动力学效应时，这些参数是进行数值模拟和分析的基础。 弹头表面特征： 弹头表面的微小痕迹、烧蚀情况等，在弹道事件重现和事故分析中可能具有重要价值。 落点信息： 弹头最终落点的精确位置。 飞行时间： 弹头从发射到击中目标或落地的总时间。 传统的弹道测量方法，如使用雷达跟踪、光学跟踪仪器（如经纬仪、测距仪）、甚至地面试验（如弹道管）等，在某些方面已经取得了显著的成就。然而，这些方法在应对日益复杂的弹道场景时，也暴露出一些不足。例如，雷达可能受到目标回波特性、角度分辨率和距离分辨率的限制；光学跟踪仪器对天气条件敏感，且操作复杂；地面试验往往成本高昂，且难以模拟真实环境下的弹道行为。 正是基于这些测量需求和传统方法的局限性，摄影测量技术以其独特的优势，逐渐成为弹道特征参数测量领域一个极具潜力的解决方案。本书将重点关注摄影测量技术如何在这些方面提供更精确、更全面、更灵活的测量能力。 第二章 摄影测量学基本原理 摄影测量学是一门通过对物体或场景的图像进行量测，来获取其几何形状、位置、大小以及其他相关信息的科学与技术。其核心在于利用成像几何原理，从不同视角拍摄的照片中恢复出物体的三维信息。 2.1 成像几何模型 摄影测量的基础是建立相机模型，描述了相机是如何将三维空间中的点投影到二维图像平面的。最常用的是中心投影模型（也称为小孔成像模型）。在该模型中，所有空间点都通过一个称为“光心”（Optical Center, OC）的点，投影到图像平面上。 一个空间点 P(X, Y, Z) 在相机图像平面上的像点 p(x, y) 的关系，可以通过以下相机坐标系到图像坐标系的投影方程来描述： ``` x = -f (X - X_0) / (Z - Z_0) + c_x y = -f (Y - Y_0) / (Z - Z_0) + c_y ``` 其中： (X, Y, Z) 是空间点 P 在相机坐标系下的坐标。 (x, y) 是像点 p 在图像坐标系下的坐标。 f 是相机焦距。 (X_0, Y_0, Z_0) 是光心在相机坐标系下的坐标（通常定义为 (0, 0, 0)）。 (c_x, c_y) 是图像主点（Principal Point）在图像坐标系下的坐标，即光轴与图像平面的交点。 为了将空间点从世界坐标系（通常是我们关心的实际物体所在的坐标系）转换到相机坐标系，我们需要一个外方位元素（Exterior Orientation Elements），它描述了相机在世界坐标系中的位置和姿态。外方位元素包括： 相对位置： 相机光心在世界坐标系中的坐标 (X_c, Y_c, Z_c)。 相对姿态： 相机坐标系与世界坐标系之间的旋转关系，通常用欧拉角（如航向角、俯仰角、滚转角）或旋转矩阵来表示。 2.2 影像的获取与处理 在摄影测量中，获取多张具有重叠度的影像至关重要。一张影像只能提供物体在二维平面上的信息，而多张影像则可以通过视差（Parallax）原理来恢复三维信息。 立体对（Stereo Pair）： 由两个不同视点拍摄的，包含同一区域的影像构成。通过对立体对中对应点的匹配，可以计算出视差，并进而计算出该点的三维坐标。 重叠度（Overlap）： 指不同影像之间共享的区域。端部重叠（Forward Overlap）和侧向重叠（Side Overlap）对于三维重建的连续性和完整性至关重要。 影像处理流程通常包括： 内方位元素标定（Interior Orientation）： 确定相机的内方位元素，即焦距 f、主点 (c_x, c_y) 以及像畸变参数。这通常通过对已知标定板进行拍摄和处理来完成。 外方位元素确定（Exterior Orientation）： 确定相机在拍摄每张影像时，在世界坐标系中的位置和姿态。这可以通过地面控制点（Ground Control Points, GCPs）的量测来实现。GCPs 是在现实世界中已知三维坐标的点，它们在影像上也有对应的像点。通过量测多个GCPs的像点和已知地面坐标，可以解算相机准确的外方位元素。 同名点匹配（Point Matching）： 在立体对影像中，寻找同一物理点在不同影像上的对应像点。这是三维重建的关键步骤，通常需要先进的算法来自动完成。 空中三角测量（Aerial Triangulation, AT）： 一种利用已知控制点和大量影像间的同名点关系，来同时解算所有相机外方位元素和影像上所有同名点的三维坐标的联合平差过程。 三维重建（3D Reconstruction）： 基于解算出的三维点坐标，可以生成点云、数字表面模型（DSM）、数字高程模型（DEM）以及三维模型等。 2.3 摄影测量的应用领域 摄影测量技术已经广泛应用于： 地形测绘与地理信息系统（GIS）： 制作地形图、DEM/DTM、正射影像图等。 工程测量： 建筑物变形监测、桥梁检测、道路规划等。 文化遗产保护： 文物数字化、三维复原等。 工业测量： 零部件尺寸检测、逆向工程等。 影视特效与游戏开发： 场景建模、角色扫描等。 军事与安全： 战场环境三维建模、目标识别等。 在这些领域中，摄影测量所提供的精确几何信息，对于做出准确的决策和分析起着至关重要的作用。本书将深入探讨如何将这些基本原理和处理技术，创新性地应用于弹道特征参数的测量。 第三章 弹道特征参数摄影测量技术 将摄影测量技术应用于弹道特征参数的测量，并非简单的套用现有方法，而是需要针对弹道运动的特殊性，进行一系列的改进和优化。弹道体的飞行速度快、姿态变化剧烈、且可能处于极端环境中，这些都对摄影测量的采集、处理和分析提出了新的挑战。 3.1 弹道体目标识别与建模 在弹道摄影测量中，首先需要明确我们所要测量的“目标”是什么。这通常是弹头本身、弹丸、甚至是其产生的弹道痕迹。 弹头几何特征： 弹头通常具有规则的几何形状，如圆锥形、圆柱形、头部为钝形或尖头等。这些特征可以作为提取关键点的依据。 弹道痕迹： 如弹孔、弹道轨迹上的烟迹、地面撞击痕迹等，也可能包含有用的信息。 3.2 高速运动目标摄影采集技术 弹道体的速度可能达到亚音速、跨音速、超音速甚至高超音速，这对摄影机的帧率、曝光时间、同步性等提出了极高的要求。 高速相机（High-Speed Cameras）： 必须使用帧率极高的相机，以确保在弹头飞行过程中能够捕捉到足够多的图像帧，从而精确记录其运动轨迹和姿态变化。例如，千帧、万帧甚至更高帧率的相机是必需的。 精确同步： 如果使用多台相机从不同角度进行拍摄，则必须保证所有相机拍摄的画面在时间上高度同步，以确保能够正确进行立体匹配和三维重建。可以采用高精度时钟同步设备或触发器。 曝光控制： 弹头高速运动，即使在高速相机下，也需要极短的曝光时间来防止运动模糊。同时，为了获得清晰的影像，可能需要高亮度的照明设备。 相机布设： 根据弹道模拟的区域和需要的测量精度，合理布设相机的位置和数量。通常需要至少两台相机以形成立体基线，或者更多相机进行多视几何重建，以提高精度和覆盖范围。相机的相对位置和标定（内方位和外方位元素）的精确度，直接影响最终测量结果的精度。 3.3 视觉标记的应用 在某些情况下，直接在弹头表面增加视觉标记（如特殊的图案、条纹或颜色点）可以极大地提高特征点提取的鲁棒性和精度，特别是在弹头表面细节不明显或容易发生变化时。 标记设计： 标记应具有良好的辨识度，不易受环境影响，且不会显著改变弹头的气动性能。 标记定位： 标记的精确位置需要已知，并与弹头整体坐标系关联。 3.4 弹道特征参数的提取方法 一旦获得了高质量、同步的高速影像序列，就可以着手提取弹道特征参数。 三维轨迹重建： 立体视觉： 利用两台或多台同步相机拍摄的影像，通过对弹头在不同影像上的同名点进行匹配，计算出弹头在三维空间中的坐标。随着弹头飞行，一系列的三维坐标点就构成了弹道轨迹。 多视图几何： 使用多于两台相机的影像，可以利用更丰富的几何约束来提高三维重建的精度和鲁棒性，特别是在遮挡严重或特征点稀疏的情况下。 运动恢复结构（Structure from Motion, SfM）： 如果能够获得连续的影像序列，并且相机本身的位置和姿态也在变化， SfM 技术可以同时估计相机运动和场景结构。虽然在弹道测量中相机相对固定，但该原理的部分思想（如利用运动中的特征点）可供借鉴。 速度与加速度的计算： 一旦获得了连续的三维坐标点序列，就可以通过计算相邻点之间的距离和时间间隔，来估算弹头的速度。 对速度序列进行微分，则可以得到加速度。高阶的数值微分方法（如Savitzky-Golay滤波器）可以帮助平滑数据并提高加速度估算的精度。 姿态与角速度的测量： 特征点法： 在弹头表面定义一组固定的、已知相对位置的特征点（可以通过三维扫描预先标定）。通过跟踪这些特征点在影像序列中的运动，可以计算出弹头在每一时刻的姿态（旋转矩阵或四元数）。 模板匹配与图像识别： 利用预先训练好的弹头姿态模板，在影像序列中进行匹配，以识别弹头的姿态。 基于光学流（Optical Flow）的估计： 追踪弹头表面像素的运动，可以间接推导出弹头的旋转信息。 利用运动学约束： 结合速度信息和姿态变化，可以推断出角速度。 弹头形状与尺寸的测量： 三维重建： 通过从多个视角重建弹头的精确三维模型，可以对其整体形状和尺寸进行量测。 轮廓提取： 从特定视角的影像中提取弹头的轮廓线，并根据相机参数和空间位置，将其转换为三维空间中的曲线。 弹头表面特征分析： 高分辨率影像分析： 对于弹头表面的微小痕迹，需要采用高分辨率的相机进行拍摄，并利用图像处理技术（如边缘检测、纹理分析）进行分析。 3.5 数据融合与精度评估 多源数据融合： 摄影测量数据可以与其他传感器（如雷达、IMU）的数据进行融合，以提高测量结果的整体精度和鲁棒性。 精度评估： 建立完善的精度评估体系是至关重要的。这可以通过与已知精度的地面控制点进行比对、使用独立的测量系统进行验证、或进行误差传播分析来完成。 第四章 实际应用与案例分析 本章将结合具体的应用场景，阐述弹道特征参数摄影测量技术如何解决实际问题，并展示其强大的能力。 (本章内容在此处展开，包含具体的计算公式、算法流程、以及模拟或真实数据的处理示例。由于篇幅限制，这里仅提供章节框架和一些示例性的说明，详细内容将根据具体应用场景来构思。) 4.1 案例一：高速弹头轨迹与速度精确测量 问题描述： 某新型弹药的弹头在试射过程中，需要精确测量其在空中飞行的三维轨迹以及全程的速度变化曲线。 摄影测量方案： 在弹道试验场设置一个由多台同步高速相机组成的测量阵列，相机之间具有良好的重叠度和基线。 对弹头进行三维重建，提取其连续的中心点位置。 利用三维位置序列计算弹头轨迹，并采用高阶差分方法计算瞬时速度。 数据分析与结果： 展示重建的三维轨迹图，速度-时间曲线图，并与理论模型进行比对，分析测量精度。 4.2 案例二：弹头翻滚与姿态角测量 问题描述： 在研究弹头稳定性时，需要精确监测其在飞行过程中的翻滚、俯仰和偏航角变化。 摄影测量方案： 在弹头上粘贴具有特定图案的视觉标记，或者依靠弹头自身的几何特征（如头部形状、尾翼等）作为识别依据。 利用同步高速相机拍摄弹头飞行过程的影像。 通过分析影像序列中标记点或特征点的位置变化，解算出弹头的姿态矩阵或欧拉角。 根据姿态变化率计算角速度。 数据分析与结果： 展示弹头姿态角随时间变化的曲线图，分析翻滚周期和稳定性。 4.3 案例三：弹孔与弹道撞击痕迹的三维形貌恢复 问题描述： 在事后分析弹道事件时，需要精确测量弹孔的形状、尺寸以及撞击地面形成的痕迹。 摄影测量方案： 使用高分辨率的近距离摄影测量系统，对弹孔和撞击区域进行多视角拍摄。 通过摄影测量技术，重建弹孔和撞击区域的三维数字模型。 对三维模型进行量测，获取弹孔的直径、深度、形状参数，以及撞击痕迹的范围、深度、形状等。 数据分析与结果： 展示三维模型的可视化结果，提取的关键形貌参数，并可能用于推断弹头撞击时的速度、角度等信息。 (在以上案例部分，会进一步细化具体的相机参数、曝光设置、同步机制、特征点提取算法、姿态解算方法、误差分析过程，并附带详细的图表数据。) 结论 《弹道特征参数摄影测量》一书，旨在为读者提供一个系统、深入的理解，探讨如何将摄影测量这一强大的空间信息获取技术，成功应用于高精度、多维度的弹道特征参数测量。我们相信，通过对本书内容的学习和实践，读者能够掌握相关的理论知识和技术方法，从而在弹道学研究、武器系统开发、以及相关领域的科学分析中，实现更精确、更高效的测量与分析。随着技术的不断发展，摄影测量在弹道领域的应用前景将更加广阔，为我们揭示弹道运动的奥秘提供更强大的助力。
