一種單目空間目標測距測角方法技術

本發明專利技術屬于航天技術與計算機視覺交叉的領域，為一種單目空間目標測距測角方法。步驟為：①接收單個相機拍攝的空間目標的一幀圖像，即實拍圖像Q；②實拍圖像Q進行預處理，將空間目標從背景中提取出來，得到預處理后的圖像S；再根據預處理后的圖像S進行目標檢測，如果空間目標完全處于相機視場中，則進入③，否則進入⑤；③對空間目標進行特征提取及姿態識別；④計算空間目標的三維形心距離Δp和姿態角；⑤繼續處理，直到全部圖像處理完成。本發明專利技術方法過程簡單，本發明專利技術方法只需知道目標的三維結構和尺寸信息即可，不需要目標為合作目標，也不需要在目標上設置任何星標，具有測距范圍較廣，精度較高的特點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于航天技術與計算機視覺交叉的領域，具體涉及一種空間目標在觀測相機坐標系下的二維形心距離和姿態角信息的獲取方法。
技術介紹
隨著國際上航天活動的日益增多，一些由廢棄衛星或太空碰撞產生的太空垃圾也隨之而生，這為太空中航天器的運行造成了一定的隱患。2010年，一顆美國在軌衛星與一顆俄羅斯衛星在軌道上相撞，不僅損壞了衛星而且產生了大量太空垃圾。為規避太空垃圾，避免因碰撞造成巨大的經濟損失，有必要開展空間目標測量技術，獲取目標的空間距離及方位信息。視覺測量技術是建立在計算機視覺研究基礎上的一門新興技術，研究重點是物體的幾何尺寸及在空間的位置、姿態等的測量。視覺測量按所用視覺傳感器數量可以分為單目視覺測量、雙目視覺(立體視覺)測量和三(多)目視覺測量等。其中，雙目視覺測量和近景攝影測量的理論基礎和主要研究內容是一樣的。單目視覺測量是指僅利用一臺相機或攝像機拍攝單張像片來進行測量工作。因其僅需一臺視覺傳感器，所以該方法的優點是結構簡單、相機標定也簡單，同時還避免了立體視覺中的視場小、立體匹配難的不足，因而近年來這方面的研究比較活躍，主要集中在對運動物體的檢測與跟蹤、三維重建等方面。單目測量物體距離及物體幾何屬性的研究并不少見，但是用幾何成像法實現單目測量目標距離和 姿態角的研究卻少見。單目視覺測距采用對應點標定法來獲取圖像的深度信息，對應點標定法是指通過不同坐標系中對應點的對應坐標求解坐標系的轉換關系。由于對應點標定法對于攝像機的標定是在攝像機的各個角度及高度已經確定的情況下進行的，當攝像機的任何一個參數發生變化時，都要重新進行標定，以得到在該種情況下的轉換矩陣，所以該方法僅適用于攝像機位置固定的情況。對于應用在空間飛行器上的攝像機來說，適用性受到了限制。岳亮，李自田等在“空間目標的單目視覺測量技術研究”(微計算機信息，Vol.23N0.200702-3-0273-03)中提出用幾何成像法實現單目測量具有特定特征點目標的相對位置和姿態的方法，但該方法僅局限于目標在近距離(0.5m 15m)，且目標上有已知標記點的情況，對于較遠距離(比如200m 300m)且目標上無標記點的情況不適用。對于已知目標的幾何尺寸，目標的實際距離較遠(100m以上)，且目標上無任何標記點，目標以一定的姿態角速度擺動和自轉的情況，現有的單目測距算法均不能提供有效的目標空間距離、角度信息。針對上種情況本專利技術提出了一種利用目標自身的三維結構信息，根據幾何成像法原理來測量目標距離及姿態角的方法。
技術實現思路
本專利技術提供了，目的在于為飛行器在接近、繞飛、跟蹤目標等飛行階段提供信息支持，便于精確控制飛行器的飛行。本專利技術提供的，具體包括下述步驟:第Al步接收單個相機拍攝的空間目標的一幀圖像，即實拍圖像Q ; 第A2步對空間目標的實拍圖像Q進行預處理，包括Otsu閾值分割，形態學運算和標記處理，將空間目標從背景中提取出來，得到預處理后的圖像S ;再根據預處理后的圖像S進行目標檢測，如果空間目標完全處于相機視場中，則進入第A3步，否則進入第A5步；第A3步對空間目標進行特征提取及姿態識別；所述特征提取是指對預處理后圖像S進行特征提取，得到空間目標的目標特征，采用M0表示預處理后圖像S中空間目標的第Θ維目標特征；Θ表示目標特征的維數，其取值范圍為I 7 ;第I維目標特征為空間目標短軸的斜率，第2維目標特征為空間目標的短軸與長軸之比，第3維目標特征為空間目標縱向對稱度，第4維目標特征是空間目標周長與面積之比，第5維目標特征，目標面積與目標外接矩形的面積之比，第6維目標特征是空間目標外接矩形水平長度與縱向長度之比，第7維目標特征為空間目標短軸長度；一對俯仰角R和偏航角H對應一個姿態，所述姿態識別是指根據所提取的空間目標的目標特征從模板目標特征庫中找出模板圖像中最接近的目標特征，記為(!“，其中該最接近的目標特征的第7維特征記為，Cltbk對應的觀測相機與空間目標的距離記為Dq ；第A4步計算空間目標的三維形心距離Λρ和姿態角并返回結果；本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種單目空間目標測距測角方法，具體包括下述步驟：第A1步接收單個相機拍攝的空間目標的一幀圖像，即實拍圖像Q；第A2步對空間目標的實拍圖像Q進行預處理，包括Otsu閾值分割，形態學運算和標記處理，將空間目標從背景中提取出來，得到預處理后的圖像S；再根據預處理后的圖像S進行目標檢測，如果空間目標完全處于相機視場中，則進入第A3步，否則進入第A5步；第A3步對空間目標進行特征提取及姿態識別；所述特征提取是指對預處理后圖像S進行特征提取，得到空間目標的目標特征，采用Mθ表示預處理后圖像S中空間目標的第θ維目標特征；θ表示目標特征的維數，其取值范圍為1～7；第1維目標特征為空間目標短軸的斜率，第2維目標特征為空間目標的短軸與長軸之比，第3維目標特征為空間目標縱向對稱度，第4維目標特征是空間目標周長與面積之比，第5維目標特征，目標面積與目標外接矩形的面積之比，第6維目標特征是空間目標外接矩形水平長度與縱向長度之比，第7維目標特征為空間目標短軸長度；一對俯仰角R和偏航角H對應一個姿態，所述姿態識別是指根據所提取的空間目標的目標特征從模板目標特征庫中找出模板圖像中最接近的目標特征，記為dq，k，其中該最接近的目標特征的第7維特征記為dq，k對應的觀測相機與空間目標的距離記為Dq；第A4步計算空間目標的三維形心距離Δp和姿態角并返回結果；Δp=DqLqk7M7姿態角包括俯仰角偏航角φ，單位為度，計算公式如下：其中，(centerx′，centery′)為空間目標在攝像機坐標系下的中心坐標，單位像素；相機焦距focslen，單位：mm；單個像素的尺寸pixlen，單位：um；第A5步轉入第A1步，對下一幀圖像進行處理，直到全部圖像處理完成。FDA00002696301700011.jpg,FDA00002696301700013.jpg,FDA00002696301700021.jpg...

【技術特征摘要】
1.一種單目空間目標測距測角方法，具體包括下述步驟: 第Al步接收單個相機拍攝的空間目標的一幀圖像，即實拍圖像Q ； 第A2步對空間目標的實拍圖像Q進行預處理，包括Otsu閾值分割，形態學運算和標記處理，將空間目標從背景中提取出來，得到預處理后的圖像S ;再根據預處理后的圖像S進行目標檢測，如果空間目標完全處于相機視場中，則進入第A3步，否則進入第A5步； 第A3步對空間目標進行特征提取及姿態識別； 所述特征提取是指對預處理后圖像S進行特征提取，得到空間目標的目標特征，采用M0表示預處理后圖像S中空間目標的第Θ維目標特征；Θ表示目標特征的維數，其取值范圍為I 7 ;第I維目標特征為空間目標短軸的斜率，第2維目標特征為空間目標的短軸與長軸之比，第3維目標特征為空間目標縱向對稱度，第4維目標特征是空間目標周長與面積之比，第5維目標特征，目標面積與目標外接矩形的面積之比，第6維目標特征是空間目標外接矩形水平長度與縱向長度之比，第7維目標特征為空間目標短軸長度； 一對俯仰角R和偏航角H對應一個姿態，所述姿態識別是指根據所提取的空間目標的目標特征從模板目標特征庫中找出模板圖像中最接近的目標特征，記為(1“，其中該最接近的目標特征的第 維特征記為，Cltbk對應的觀測相機與空間目標的距離記為Dq ； 第A4步計算空間目標的三維形心距離Ap和姿態角并返回結果；2.根據權利要求1所述的一種單目空間目標測距測角方法，所述模板目標特征庫的建立過程為: 第BI步按觀測相機與空間目標的距離由近及遠依次將空間目標劃分為不同的尺度等級，記尺度等級數量為Φ，各尺度下相機與目標在仿真條件下的距離記為Di, i = 1，2,...Φ ； 第B2步在同一尺度下，一對俯仰角和偏航角即對應一個目標姿態，將高斯觀察球每隔10度劃分為684個觀察區域，去除冗余，得到614類不同的目標姿態模板圖像，構成模板圖像庫；Rij表示第i尺度等級第j類姿態下的圖像，i = 1,2,...Φ ；j = 1,2,...614,； 第B3步對模板圖像庫中的每一幅圖像進行預處理，包括Otsu閾值分割，形態學運算和標記處理； 第B4步對每一幅預處理后的圖像進行特征提取，建立空間目標的目標特征庫，采用表示目標特征庫中第i尺度下第j類姿態的第Θ維特征。3.根據權利要求1或2所述的一種單目空間目標測距測...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張天序，朱虎，周鋼，林玉野，王華山，薛米生，朱生國，詹麗娟，
申請(專利權)人：華中科技大學，
類型：發明
國別省市：