十字标尺摄像机的原理及其在军事与测量方面的应用

1、十字标尺摄像机的原理及其在军事与测量方面的应用 所谓十字标尺摄像机，即带刻度十字丝的摄像机，该 摄像机除可用于一般的视频监控系统外，还可用于平安城市 预报各种灾害，用于军事与民用测量等市场需求。本文应军 事与民用测量等单位的需求，这里侧重介绍十字标尺摄像机 的组成。原理及其在军事与测量等方面的应用。 随着信息社会的发展，人民生活水平的提高，随着“平 安城市”的逐渐铺开，各个行业、住宅小区以及每个家庭和 个人，对安全的要求也越来越高，因而视频监控系统正在深 入到我们生活的各个角落。视频监控系统是安全防范系统的 重要组成部分，它以其直观、方便、信息内容丰富而广泛应 甩于许多场合。近年来，随着光电技

2、术、计算机技术、网络 以及图像处理、传输技术的飞速发展，视频监控技术也在迅 速地发展。并且，对拾取视频图像的摄像机的功能要求也越 来越高。先后出现了如黑白型、彩色型、超低照度型、超动 态型、高清型、日夜转换型、红外夜视型、无线移动型、网 络型、自动聚焦型、高速球型、带十字丝型、以及各种超小 型与隐蔽型等等摄像机。 为了满足图像与目标瞄准等的需要，市场上原已推出了 一种带十字丝的黑白摄像机，但还不能满足预报各种灾害、 军事与测量等方面的客户需求。为了满足客户更高的需求， 武汉乐通光电有限公司高新技术研究所 2005 年底研制而推 出了一种性能优越的高、中清晰度的带刻度与不带刻度两种 十字丝的黑白

3、与彩色摄像机。目前，根据平安城市建设与地 震，水利等部门的需要，乐海光电又在原有的基础上，新研 发与推出了一种十字标尺智能摄像机。该摄像机可广泛应用 于平安城市预报各种灾害。 显然，十字标尺摄像机除可用于一般的视频监控系统 外，还可用于平安城市预报各种灾害，用于军事与民用测量 等市场需求。这里，应军事与民用测量等单位的需求，本文 侧重介绍十字标尺摄像机的组成、原理及其在军事与测量等 方面的应用。 十字标尺摄像机的组成及工作原理 乐通光电新研发的十字标尺摄像机，是用字符图形视频 叠加而成。这种十字标尺摄像机的组成及工作原理框图，如 图 1 所示。 由图 1 可看出，这种摄像机除由摄像镜头、一般摄

4、像机 的 ccD 或 CMOS 固体图像传感器部分、 定时脉冲驱动及同步 信号产生部分、 视频信号处理 （含预处理、 切割、压缩、校正、 混消隐、 AGC 、视频放大与输出等 ）部分、以及电源等五大组 成部分外，还加有十字标尺摄像机的十字标尺形成的字符图 形视频叠加与十字标尺视频信号部分 ( 单独的模块板 )等。 由此看出，只要在任一黑白或与彩色普通摄像机上，加 上十字标尺形成的字符图形视频叠加与十字标尺视频信号 部分的单独模块板，即可形成十字标尺摄像机。 这种十字标尺摄像机的十字标尺有白色或黑色两种，由 用户自行选定。十字标尺摄像机的这种白色或黑色的十字标 尺，如图2(a)与(b)所示。 显

5、然，由于在摄像机所显示的视频图像上，加有白色或 黑色的十字标尺，即可用来进行检测了。如可根据目标所占 水平与垂直丝的刻度的多少，即可估算出目标的尺寸；根据 目标所在的象限等，还可估算出运动速度和方向等等。 十字标尺摄像机在测量方面的应用 十字标尺摄像机除可用于一般的监控系统外，在测量方 面的主要应用如下：可用于建筑、道路、水渠等建设测量中 的水准及水准面测量 十字标尺摄像机可代替专业的贵重的光学或激光水准 仪作水准测量与水准面测量。作这种测量所需准备的仪器器 材设备有： ?带摄像镜头的黑白或彩色十字标尺摄像机1 台(含摄像 机电源 )， ?带同轴电缆线的小型轻便监视器1 台 （含 220V 交

6、流电 源插座线板 1 支 ）； ?水准仪三角架或照相机等三角架 1 个 （最好带垂线 ）； ?园形水准气泡 2 至 4 个； ?黑白相间的水准标尺或黑白相间的标杆（ 需有放园形水 准气泡的垂直於标杆的支架 ）2 至 4 根， ?已经过校验的钢卷尺 1 个， ?手拿的小型计算器 1 个； ?记录的纸与书写笔若干等。 用十字标尺摄像机作水准测量与水准面测量的具体测 量方法与步骤如下： ?选择欲建筑楼房、 道路、 水渠的若干平坦点， 并作上记 号， ?将水准仪三角架或照相机等三角架中心， 用垂线安置在 比较靠近中间的 1 个记号点上； ?将十字标尺摄像机安置在水准仪三角架或照相机等三 角架上，并连接

7、好摄像机电源； ?将水准气泡放摄像机上调气泡居中，并使三角架稳固； ?用钢卷尺量测记号点到摄像镜头中心的高度， 并记录下 来， ?用同轴电缆连接好摄像机与监视器， 并调整到使目标图 像清晰，则监视器所显示的十字丝中心或水平线所对之景物 的高度即为三脚架上摄像机的已知高度， ?将黑白相间的水准标尺或黑白相间的标杆立于摄像机 周围的欲测的记号点上，并将园形水准气泡调中，这时标尺 或标杆即垂直於水准面上； ?若将十字标尺摄像机沿三脚架转一圈， 则十字丝中心或 水平线所视标杆或景物的高度即为与三脚架上摄像机的已 知高度是同一水准面的高度， ?用钢卷尺量测记号点到十字丝中心或水平线所视标杆 的高度，则很

8、快算出水准标尺或标竿所立的地方的记号点与 测站点的高度差等。 据此，利用十字标尺摄像机代替专业的贵重的光学或激 光水准仪，即可用于房屋建筑、道路、水渠等的建设测量。 如欲绘制建房平面图，可用卷尺量测标杆点与测站点的斜 距，通过三角函数计算水平距及其他点距离等，以绘制出建 设平面图。此外，还可根据各点的高差，计算出所需施工的 土方的工程量等。 可作下沉、变形与倾斜等的位移测量 利用十字标尺摄像机，还可用于对大地测量一、二、三 等点，大型建筑物，如高楼大厦、宝塔、古文物建筑、高大 烟囱、水坝、大堤等的下沉、变形与倾斜等的位移测量。其 测量的具体方法与步骤是： 首先，将十字标尺摄像机尽量放置在一稳固

9、不变的支撑 物上，并连接好摄像机电源，使摄像机通电； 其次，用同轴电缆连接好摄像机与小型监视器，从监视 器上看，调整十字标尺摄像机，将十字丝中心对准大地测量 一，二、三等钢架点，对准高楼大厦、宝塔、古文物建筑、 高大烟囱、水坝、大堤等某一固定标志点，并使目标清晰后 将其固紧； 再次，拆开小型监视器，改用监控中心的同轴电缆，使 监控中心的监视器能进行整天、整月、整年的监测等。 最后，根据十字标尺对准的固定标志点离开十字丝中心 的位移刻度与离开方向等，估算出该监测点每日、每月、每 年的下沉、变形与倾斜等的位移量。 是进行图像测量最好的工具 十字标尺摄 像机，是进行图像测量最好的工具。因 为在图像上

10、有十字标尺，比无十字标尺的摄像机能最醒目最 直观地最快速地检测出所检物的尺寸。这里不叙述理论计算 法，只告之简单易行的比较检测法如下； 首先，架好一垂直对准一水平板或平台的十字标尺摄像 机（即摄像机镜头中心轴与平板垂直 ）； 其次，连接好监视器与电源，调整摄像机高度，使之能 合适地观测到平板上的整个待测物体 t 再次，拿掉待测物体，在平台上的水平或垂直方向放上 一个经校验过的精密尺子，在监视器的水平或垂直丝上看其 一刻度是精密尺子上的多少 mm 等，并记录下来； 最后，放上待测物体，看待测物体欲测量部分在监视器 所显示的十字标尺上占多少刻度，即可测量出来其尺寸等。 显然，利用这种方法的好处是，

11、不需考虑监视器屏幕与 摄像镜头的尺寸的大小。 值得提出的是，本公司有使摄像机所拾取视频图像的简 单的显微放大的专利技术，结合十字标尺摄像机，可用于微 电子检测与 IC 的焊接、光纤的熔接等工艺与图像测量，以 及医用的显微检测等中，欢迎洽谈。可作定向与定位 利用十字标尺摄像机，还可作道路、隧道、涵洞等建设 的方向、以及大型机械与自动生产线等的安装定位。其具体 方法与步骤是： 首先，安置十字标尺摄像机于直立的三角架上，并将十 字标尺摄像机用水准气泡调水平， 其次，连接好监视器与电源，用十字标尺摄像机对准道 路、隧道、涵洞等建设的方向、以及大型机械与自动生产线 等的安装的方向， 最后，将十字标尺摄像

12、机的十字标尺垂直丝所对准的标 杆点在实地作上记号，并记录下来 显然，在实地上的一序列的记号点，即是道路、隧道、 涵洞等建设的方向、以及大型机械与自动生产线等的安装定 位点。 当然，根据十字标尺十字中心或水平丝对准的标杆点的 高度，亦可知道各个记号点的高差。据此可知，欲修建的道 路、隧道、涵洞等建设所需的坡度，以及计算工程施工的土 方量等。可作物体的表面形貌与立体测量 利用十字标尺摄像机，还可作物体的表面形貌与立体测 量 （尤其可应用于古文物的测量 ）。其具体方法与步骤是： 首先，利用上述图像测量法绘出待测物体 （如古文物等 ） 的水平图影，并测出其水平方向各部分的尺寸； 其次，再安置十字标尺摄

13、像机于直立的三角架上，连接 好监视器与电源，使待测物体的宽度正好显示在测量场景的 边缘，并将所显示的十字标尺水平丝对准待测物体的最高与 最低点，再根据最高与最低点，找出合适的高程差AZ（ 或十 字标尺垂直丝的刻度差 ）， 再次，用水准气泡调十字标尺摄像机水平，并将所显示 的十字标尺水平丝中心对准待测物体的最高或最低点，且记 录存贮下来； 第四，调整三角架，将十字标尺摄像机降低或升高上述 测量所需的固定高程差 AZ ，用水准气泡校准十字标尺摄像 机水平后，顺序观测与记录水平丝中心在待测物体上的各点 与厶Z1 最后，再降低或升高同 -AZ ，再顺序观测与记录水平丝 中心刻度在物体上的各点与 Z;重

14、复降低或升高固定的高 差厶z，顺序观测与记录各点， 直至降低到物体最低或最高点 为止。 根据这些不同高度的存贮记录值，即可获得该物体的表 面形貌与立体测量。显然，其同一高度各点的连线，就是测 绘中常说的等高线，这些等高线间的高差就是 Z O 十字标尺摄像机在军事方面的应用 十字标尺摄像机在军事上可用于对目标的瞄准，并可根 据十字丝的四个象限判断目标的方位，根据十字丝的刻度测 出目标的距离、大小、运动速度和方向等。 可用于对目标的瞄准 十字标尺摄像机在军事上可用于坦克、火炮、枪枝等对 目标的瞄准，其具体方法与步骤是： 首先，找出十字标尺 摄像机放置各种武器上下附近，使十字中心瞄准目标打击的 最佳

15、地方与武器中心轴的最佳距离; 其次，根据实验的最佳距离安置好十字标尺摄像机，并 连接好监视器与电源； 最后，调整武器方位，从监视器上看，将十字标尺摄像 机十字丝中心对准目标的最佳位置瞄准后，即可启动武器实 施打击。 显然，这种对目标的瞄准，是看监视器上的十字标尺， 非常简单、方便、易行，不像传统的瞄准，要有好的眼力与 屏住呼吸等。如果是夜晚，只需增加红外发光二极管阵列灯 与红外激光二极管灯即可。 可估测出目标的距离与大小 利用十字标尺摄像机，还可测出目标的距离与大小。其 理论根据如下： 因为所使用摄像机的图像传感器的尺寸（长、宽、对角线 ） 与所用镜头的焦距是已知的，再根据十字标尺摄像机上目标

16、 的宽与高在监视器上所占的十字标尺的水平与垂直标尺上 的刻度值，即可根据下列公式计算出目标的距离D 。即 D=f H/h=fV/v 式中f为镜头的焦距；H与V为目标的宽和高，h与v 为图像传感器的宽与高。 显然，要估算出目标在监视器上的大小，必须综合考虑 系统的放大倍数。如对1/2in（英寸）的图像传感器，其放大倍 数为： M1（1/2in）=f/12.5mm 对 1/3in 的图像传感器，其放大倍数为： M1(1/3in)=f/8mm 而监视器的放大倍数为： M2= 监视器的对角线值 /图像传感器的对角线值 若使用对角线为 9英寸的监视器和 1/2in 的图像传感器， (对角线为 8mm=0

17、.315in) ，则： M2=9in/0.315in=28.57 因此，系统的整体放大倍数为： M=M1 X M2 所以，根据上述公式即可算出目标的距离与大小。 实际上，还可用前述的比较法进行检测：即用一标准尺 寸的物体，在不同的距离内，在所用的十字标尺摄像机镜头 与监视器屏的尺寸下，记录标准物体在十字标尺刻度上所占 的刻度。最后，将每一刻度所实际代表的尺寸制一表格，即 可从监视器图像上将待测目标物体显示在十字标尺刻度上 所占的刻度，即可测量出待测目标的尺寸的大小；或根据待 测目标的尺寸大小，也可快速测量出目标的距离等。 可估算出移动目标的运动速度和方向 利用十字标尺摄像机，还可测出目标的运动速度和方向 等。因为根据目标在十字标尺摄像机十字标尺上移动的刻 度，可测出目标的运动速度，并根据目标所在的象限，判断 目标的方位。其检测与计算的方法如下： 运动速度的检测法；众所周知，速度等于距离除时间。 因此，可根据目标在监视器上十字标尺刻度上所移动占的刻 度，即移动的距离， 再结合记下目标在这段距离内的时间 （用 秒表或专用计算器 ），即可自动计算出其移