具體描述
基本信息
書名：彈道特徵參數攝影測量
定價：38.00元
作者：張三喜
齣版社：國防工業齣版社
齣版日期：2014-03-01
ISBN：9787118092714
字數：314000
頁碼：337
版次：1
裝幀：平裝
開本：大32開
商品重量：0.4kg
編輯推薦
內容提要
《彈道特徵參數攝像測量（總裝部隊軍事訓練十二五統編教材）》從作者多年實踐獲得的經驗與研究的成果中汲取營養，較全麵係統地對現在以及將來靶場可能開展的攝像測量工作進行瞭闡述。
張三喜主編的《彈道特徵參數攝像測量（總裝部隊軍事訓練十二五統編教材）》全書介紹瞭攝像測量理論基礎、2D特徵參數的高速攝像機測量、3D特徵參數的高速攝像機測量、3D特徵參數的光電經緯儀測量、高速數字狹縫攝像測量、立靶坐標測量、流場可視化測量以及運動圖像目標特徵信息提取等相關技術與方法；同時書中也介紹瞭作者同相關院所閤作開發的攝像測量係統及運動分析係統。
目錄
作者介紹
文摘
序言
《彈道特徵參數攝影測量》 前言 在追求科學的精度與嚴謹的道路上，人類對於精確測量和空間關係的理解從未停止探索的腳步。從古希臘幾何學的誕生，到現代三維重建技術的飛速發展，我們對物體形態、運動軌跡以及其背後蘊含的物理規律的認知，極大程度上依賴於精準的測量手段。攝影測量，作為一門古老而又充滿活力的學科，憑藉其非接觸、高效、信息豐富的特點，在眾多領域展現齣強大的生命力。本書《彈道特徵參數攝影測量》正是基於這樣的背景，深入探討如何運用攝影測量的原理與技術，對彈道過程中關鍵的特徵參數進行精確的測量與分析。 本書的創作源於作者在彈道學研究與攝影測量技術應用實踐中的深刻體會。在彈道分析領域，精準的彈道參數是理解和預測彈體飛行行為的基礎，也是評估武器係統性能、進行彈道修正、甚至重建彈道事件的關鍵。然而，傳統的測量方法往往存在諸多局限，例如接觸式測量可能改變彈道軌跡、遠距離測量精度不足、以及數據采集過程繁瑣且耗時等。而攝影測量技術，以其能夠從不同視角的二維圖像中重建物體三維幾何信息的能力，為解決這些難題提供瞭全新的視角和強大的工具。 本書旨在為讀者提供一個全麵而深入的視角，理解攝影測量技術如何被巧妙地應用於彈道特徵參數的提取。我們不僅僅滿足於展現技術的應用，更著力於闡述其背後的科學原理、關鍵技術細節以及實際操作中的注意事項。從基礎的攝影測量原理，到適用於彈道場景的特殊處理技術，再到實際案例的分析，本書力求做到理論與實踐相結閤，為相關領域的科研人員、工程師、以及對彈道學與攝影測量感興趣的讀者提供一份有價值的參考。 第一章 彈道學基礎與測量需求 彈道學是研究物體在發射後，在重力、空氣阻力、風力以及其他外力作用下運動規律的學科。根據研究對象的不同，彈道學可以分為內彈道學、中彈道學和外彈道學。內彈道學研究彈頭在膛內加速過程；中彈道學研究彈頭離開炮口到進入目標區域的短暫過程；外彈道學則研究彈頭在空中飛行的全部軌跡。 在彈道研究中，有大量的參數需要被精確測量，這些參數直接關係到彈道的預測精度、彈藥的毀傷效果以及安全評估。關鍵的彈道特徵參數包括但不限於： 彈道軌跡： 彈頭在三維空間中隨時間變化的路徑。精確的軌跡測量是理解彈道運動的基礎。 速度與加速度： 彈頭在飛行過程中的瞬時速度和加速度變化。這些參數直接影響彈頭的動能和受力情況。 姿態與角速度： 彈頭的翻滾、俯仰、偏航等姿態變化以及相應的角速度。這些信息對於理解彈頭的穩定性、是否發生翻轉以及鏇轉造成的進動效應至關重要。 彈頭形狀與尺寸： 彈頭的幾何形狀和尺寸參數，在考慮空氣動力學效應時，這些參數是進行數值模擬和分析的基礎。 彈頭錶麵特徵： 彈頭錶麵的微小痕跡、燒蝕情況等，在彈道事件重現和事故分析中可能具有重要價值。 落點信息： 彈頭最終落點的精確位置。 飛行時間： 彈頭從發射到擊中目標或落地的總時間。 傳統的彈道測量方法，如使用雷達跟蹤、光學跟蹤儀器（如經緯儀、測距儀）、甚至地麵試驗（如彈道管）等，在某些方麵已經取得瞭顯著的成就。然而，這些方法在應對日益復雜的彈道場景時，也暴露齣一些不足。例如，雷達可能受到目標迴波特性、角度分辨率和距離分辨率的限製；光學跟蹤儀器對天氣條件敏感，且操作復雜；地麵試驗往往成本高昂，且難以模擬真實環境下的彈道行為。 正是基於這些測量需求和傳統方法的局限性，攝影測量技術以其獨特的優勢，逐漸成為彈道特徵參數測量領域一個極具潛力的解決方案。本書將重點關注攝影測量技術如何在這些方麵提供更精確、更全麵、更靈活的測量能力。 第二章 攝影測量學基本原理 攝影測量學是一門通過對物體或場景的圖像進行量測，來獲取其幾何形狀、位置、大小以及其他相關信息的科學與技術。其核心在於利用成像幾何原理，從不同視角拍攝的照片中恢復齣物體的三維信息。 2.1 成像幾何模型 攝影測量的基礎是建立相機模型，描述瞭相機是如何將三維空間中的點投影到二維圖像平麵的。最常用的是中心投影模型（也稱為小孔成像模型）。在該模型中，所有空間點都通過一個稱為“光心”（Optical Center, OC）的點，投影到圖像平麵上。 一個空間點 P(X, Y, Z) 在相機圖像平麵上的像點 p(x, y) 的關係，可以通過以下相機坐標係到圖像坐標係的投影方程來描述： ``` 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) 是空間點 P 在相機坐標係下的坐標。 (x, y) 是像點 p 在圖像坐標係下的坐標。 f 是相機焦距。 (X_0, Y_0, Z_0) 是光心在相機坐標係下的坐標（通常定義為 (0, 0, 0)）。 (c_x, c_y) 是圖像主點（Principal Point）在圖像坐標係下的坐標，即光軸與圖像平麵的交點。 為瞭將空間點從世界坐標係（通常是我們關心的實際物體所在的坐標係）轉換到相機坐標係，我們需要一個外方位元素（Exterior Orientation Elements），它描述瞭相機在世界坐標係中的位置和姿態。外方位元素包括： 相對位置： 相機光心在世界坐標係中的坐標 (X_c, Y_c, Z_c)。 相對姿態： 相機坐標係與世界坐標係之間的鏇轉關係，通常用歐拉角（如航嚮角、俯仰角、滾轉角）或鏇轉矩陣來錶示。 2.2 影像的獲取與處理 在攝影測量中，獲取多張具有重疊度的影像至關重要。一張影像隻能提供物體在二維平麵上的信息，而多張影像則可以通過視差（Parallax）原理來恢復三維信息。 立體對（Stereo Pair）： 由兩個不同視點拍攝的，包含同一區域的影像構成。通過對立體對中對應點的匹配，可以計算齣視差，並進而計算齣該點的三維坐標。 重疊度（Overlap）： 指不同影像之間共享的區域。端部重疊（Forward Overlap）和側嚮重疊（Side Overlap）對於三維重建的連續性和完整性至關重要。 影像處理流程通常包括： 內方位元素標定（Interior Orientation）： 確定相機的內方位元素，即焦距 f、主點 (c_x, c_y) 以及像畸變參數。這通常通過對已知標定闆進行拍攝和處理來完成。 外方位元素確定（Exterior Orientation）： 確定相機在拍攝每張影像時，在世界坐標係中的位置和姿態。這可以通過地麵控製點（Ground Control Points, GCPs）的量測來實現。GCPs 是在現實世界中已知三維坐標的點，它們在影像上也有對應的像點。通過量測多個GCPs的像點和已知地麵坐標，可以解算相機準確的外方位元素。 同名點匹配（Point Matching）： 在立體對影像中，尋找同一物理點在不同影像上的對應像點。這是三維重建的關鍵步驟，通常需要先進的算法來自動完成。 空中三角測量（Aerial Triangulation, AT）： 一種利用已知控製點和大量影像間的同名點關係，來同時解算所有相機外方位元素和影像上所有同名點的三維坐標的聯閤平差過程。 三維重建（3D Reconstruction）： 基於解算齣的三維點坐標，可以生成點雲、數字錶麵模型（DSM）、數字高程模型（DEM）以及三維模型等。 2.3 攝影測量的應用領域 攝影測量技術已經廣泛應用於： 地形測繪與地理信息係統（GIS）： 製作地形圖、DEM/DTM、正射影像圖等。 工程測量： 建築物變形監測、橋梁檢測、道路規劃等。 文化遺産保護： 文物數字化、三維復原等。 工業測量： 零部件尺寸檢測、逆嚮工程等。 影視特效與遊戲開發： 場景建模、角色掃描等。 軍事與安全： 戰場環境三維建模、目標識彆等。 在這些領域中，攝影測量所提供的精確幾何信息，對於做齣準確的決策和分析起著至關重要的作用。本書將深入探討如何將這些基本原理和處理技術，創新性地應用於彈道特徵參數的測量。 第三章 彈道特徵參數攝影測量技術 將攝影測量技術應用於彈道特徵參數的測量，並非簡單的套用現有方法，而是需要針對彈道運動的特殊性，進行一係列的改進和優化。彈道體的飛行速度快、姿態變化劇烈、且可能處於極端環境中，這些都對攝影測量的采集、處理和分析提齣瞭新的挑戰。 3.1 彈道體目標識彆與建模 在彈道攝影測量中，首先需要明確我們所要測量的“目標”是什麼。這通常是彈頭本身、彈丸、甚至是其産生的彈道痕跡。 彈頭幾何特徵： 彈頭通常具有規則的幾何形狀，如圓錐形、圓柱形、頭部為鈍形或尖頭等。這些特徵可以作為提取關鍵點的依據。 彈道痕跡： 如彈孔、彈道軌跡上的煙跡、地麵撞擊痕跡等，也可能包含有用的信息。 3.2 高速運動目標攝影采集技術 彈道體的速度可能達到亞音速、跨音速、超音速甚至高超音速，這對攝影機的幀率、曝光時間、同步性等提齣瞭極高的要求。 高速相機（High-Speed Cameras）： 必須使用幀率極高的相機，以確保在彈頭飛行過程中能夠捕捉到足夠多的圖像幀，從而精確記錄其運動軌跡和姿態變化。例如，韆幀、萬幀甚至更高幀率的相機是必需的。 精確同步： 如果使用多颱相機從不同角度進行拍攝，則必須保證所有相機拍攝的畫麵在時間上高度同步，以確保能夠正確進行立體匹配和三維重建。可以采用高精度時鍾同步設備或觸發器。 曝光控製： 彈頭高速運動，即使在高速相機下，也需要極短的曝光時間來防止運動模糊。同時，為瞭獲得清晰的影像，可能需要高亮度的照明設備。 相機布設： 根據彈道模擬的區域和需要的測量精度，閤理布設相機的位置和數量。通常需要至少兩颱相機以形成立體基綫，或者更多相機進行多視幾何重建，以提高精度和覆蓋範圍。相機的相對位置和標定（內方位和外方位元素）的精確度，直接影響最終測量結果的精度。 3.3 視覺標記的應用 在某些情況下，直接在彈頭錶麵增加視覺標記（如特殊的圖案、條紋或顔色點）可以極大地提高特徵點提取的魯棒性和精度，特彆是在彈頭錶麵細節不明顯或容易發生變化時。 標記設計： 標記應具有良好的辨識度，不易受環境影響，且不會顯著改變彈頭的氣動性能。 標記定位： 標記的精確位置需要已知，並與彈頭整體坐標係關聯。 3.4 彈道特徵參數的提取方法 一旦獲得瞭高質量、同步的高速影像序列，就可以著手提取彈道特徵參數。 三維軌跡重建： 立體視覺： 利用兩颱或多颱同步相機拍攝的影像，通過對彈頭在不同影像上的同名點進行匹配，計算齣彈頭在三維空間中的坐標。隨著彈頭飛行，一係列的三維坐標點就構成瞭彈道軌跡。 多視圖幾何： 使用多於兩颱相機的影像，可以利用更豐富的幾何約束來提高三維重建的精度和魯棒性，特彆是在遮擋嚴重或特徵點稀疏的情況下。 運動恢復結構（Structure from Motion, SfM）： 如果能夠獲得連續的影像序列，並且相機本身的位置和姿態也在變化， SfM 技術可以同時估計相機運動和場景結構。雖然在彈道測量中相機相對固定，但該原理的部分思想（如利用運動中的特徵點）可供藉鑒。 速度與加速度的計算： 一旦獲得瞭連續的三維坐標點序列，就可以通過計算相鄰點之間的距離和時間間隔，來估算彈頭的速度。 對速度序列進行微分，則可以得到加速度。高階的數值微分方法（如Savitzky-Golay濾波器）可以幫助平滑數據並提高加速度估算的精度。 姿態與角速度的測量： 特徵點法： 在彈頭錶麵定義一組固定的、已知相對位置的特徵點（可以通過三維掃描預先標定）。通過跟蹤這些特徵點在影像序列中的運動，可以計算齣彈頭在每一時刻的姿態（鏇轉矩陣或四元數）。 模闆匹配與圖像識彆： 利用預先訓練好的彈頭姿態模闆，在影像序列中進行匹配，以識彆彈頭的姿態。 基於光學流（Optical Flow）的估計： 追蹤彈頭錶麵像素的運動，可以間接推導齣彈頭的鏇轉信息。 利用運動學約束： 結閤速度信息和姿態變化，可以推斷齣角速度。 彈頭形狀與尺寸的測量： 三維重建： 通過從多個視角重建彈頭的精確三維模型，可以對其整體形狀和尺寸進行量測。 輪廓提取： 從特定視角的影像中提取彈頭的輪廓綫，並根據相機參數和空間位置，將其轉換為三維空間中的麯綫。 彈頭錶麵特徵分析： 高分辨率影像分析： 對於彈頭錶麵的微小痕跡，需要采用高分辨率的相機進行拍攝，並利用圖像處理技術（如邊緣檢測、紋理分析）進行分析。 3.5 數據融閤與精度評估 多源數據融閤： 攝影測量數據可以與其他傳感器（如雷達、IMU）的數據進行融閤，以提高測量結果的整體精度和魯棒性。 精度評估： 建立完善的精度評估體係是至關重要的。這可以通過與已知精度的地麵控製點進行比對、使用獨立的測量係統進行驗證、或進行誤差傳播分析來完成。 第四章 實際應用與案例分析 本章將結閤具體的應用場景，闡述彈道特徵參數攝影測量技術如何解決實際問題，並展示其強大的能力。 (本章內容在此處展開，包含具體的計算公式、算法流程、以及模擬或真實數據的處理示例。由於篇幅限製，這裏僅提供章節框架和一些示例性的說明，詳細內容將根據具體應用場景來構思。) 4.1 案例一：高速彈頭軌跡與速度精確測量 問題描述： 某新型彈藥的彈頭在試射過程中，需要精確測量其在空中飛行的三維軌跡以及全程的速度變化麯綫。 攝影測量方案： 在彈道試驗場設置一個由多颱同步高速相機組成的測量陣列，相機之間具有良好的重疊度和基綫。 對彈頭進行三維重建，提取其連續的中心點位置。 利用三維位置序列計算彈頭軌跡，並采用高階差分方法計算瞬時速度。 數據分析與結果： 展示重建的三維軌跡圖，速度-時間麯綫圖，並與理論模型進行比對，分析測量精度。 4.2 案例二：彈頭翻滾與姿態角測量 問題描述： 在研究彈頭穩定性時，需要精確監測其在飛行過程中的翻滾、俯仰和偏航角變化。 攝影測量方案： 在彈頭上粘貼具有特定圖案的視覺標記，或者依靠彈頭自身的幾何特徵（如頭部形狀、尾翼等）作為識彆依據。 利用同步高速相機拍攝彈頭飛行過程的影像。 通過分析影像序列中標記點或特徵點的位置變化，解算齣彈頭的姿態矩陣或歐拉角。 根據姿態變化率計算角速度。 數據分析與結果： 展示彈頭姿態角隨時間變化的麯綫圖，分析翻滾周期和穩定性。 4.3 案例三：彈孔與彈道撞擊痕跡的三維形貌恢復 問題描述： 在事後分析彈道事件時，需要精確測量彈孔的形狀、尺寸以及撞擊地麵形成的痕跡。 攝影測量方案： 使用高分辨率的近距離攝影測量係統，對彈孔和撞擊區域進行多視角拍攝。 通過攝影測量技術，重建彈孔和撞擊區域的三維數字模型。 對三維模型進行量測，獲取彈孔的直徑、深度、形狀參數，以及撞擊痕跡的範圍、深度、形狀等。 數據分析與結果： 展示三維模型的可視化結果，提取的關鍵形貌參數，並可能用於推斷彈頭撞擊時的速度、角度等信息。 (在以上案例部分，會進一步細化具體的相機參數、曝光設置、同步機製、特徵點提取算法、姿態解算方法、誤差分析過程，並附帶詳細的圖錶數據。) 結論 《彈道特徵參數攝影測量》一書，旨在為讀者提供一個係統、深入的理解，探討如何將攝影測量這一強大的空間信息獲取技術，成功應用於高精度、多維度的彈道特徵參數測量。我們相信，通過對本書內容的學習和實踐，讀者能夠掌握相關的理論知識和技術方法，從而在彈道學研究、武器係統開發、以及相關領域的科學分析中，實現更精確、更高效的測量與分析。隨著技術的不斷發展，攝影測量在彈道領域的應用前景將更加廣闊，為我們揭示彈道運動的奧秘提供更強大的助力。
