专利名称：一种单目空间目标测距测角方法
技术领域：
本发明属于航天技术与计算机视觉交叉的领域，具体涉及一种空间目标在观测相机坐标系下的二维形心距离和姿态角信息的获取方法。
背景技术：
随着国际上航天活动的日益增多，一些由废弃卫星或太空碰撞产生的太空垃圾也随之而生，这为太空中航天器的运行造成了一定的隐患。2010年，一颗美国在轨卫星与一颗俄罗斯卫星在轨道上相撞，不仅损坏了卫星而且产生了大量太空垃圾。为规避太空垃圾，避免因碰撞造成巨大的经济损失，有必要开展空间目标测量技术，获取目标的空间距离及方位信息。视觉测量技术是建立在计算机视觉研究基础上的一门新兴技术，研究重点是物体的几何尺寸及在空间的位置、姿态等的测量。视觉测量按所用视觉传感器数量可以分为单目视觉测量、双目视觉(立体视觉)测量和三(多)目视觉测量等。其中，双目视觉测量和近景摄影测量的理论基础和主要研究内容是一样的。单目视觉测量是指仅利用一台相机或摄像机拍摄单张像片来进行测量工作。因其仅需一台视觉传感器，所以该方法的优点是结构简单、相机标定也简单，同时还避免了立体视觉中的视场小、立体匹配难的不足，因而近年来这方面的研究比较活跃，主要集中在对运动物体的检测与跟踪、三维重建等方面。单目测量物体距离及物体几何属性的研究并不少见，但是用几何成像法实现单目测量目标距离和 姿态角的研究却少见。单目视觉测距采用对应点标定法来获取图像的深度信息，对应点标定法是指通过不同坐标系中对应点的对应坐标求解坐标系的转换关系。由于对应点标定法对于摄像机的标定是在摄像机的各个角度及高度已经确定的情况下进行的，当摄像机的任何一个参数发生变化时，都要重新进行标定，以得到在该种情况下的转换矩阵，所以该方法仅适用于摄像机位置固定的情况。对于应用在空间飞行器上的摄像机来说，适用性受到了限制。岳亮，李自田等在“空间目标的单目视觉测量技术研究”(微计算机信息，Vol.23N0.200702-3-0273-03)中提出用几何成像法实现单目测量具有特定特征点目标的相对位置和姿态的方法，但该方法仅局限于目标在近距离(0.5m 15m)，且目标上有已知标记点的情况，对于较远距离(比如200m 300m)且目标上无标记点的情况不适用。对于已知目标的几何尺寸，目标的实际距离较远(100m以上)，且目标上无任何标记点，目标以一定的姿态角速度摆动和自转的情况，现有的单目测距算法均不能提供有效的目标空间距离、角度信息。针对上种情况本发明提出了一种利用目标自身的三维结构信息，根据几何成像法原理来测量目标距离及姿态角的方法。
发明内容
本发明提供了一种单目空间目标测距测角方法，目的在于为飞行器在接近、绕飞、跟踪目标等飞行阶段提供信息支持，便于精确控制飞行器的飞行。本发明提供的一种单目空间目标测距测角方法，具体包括下述步骤:第Al步接收单个相机拍摄的空间目标的一帧图像，即实拍图像Q ; 第A2步对空间目标的实拍图像Q进行预处理，包括Otsu阈值分割，形态学运算和标记处理，将空间目标从背景中提取出来，得到预处理后的图像S ;再根据预处理后的图像S进行目标检测，如果空间目标完全处于相机视场中，则进入第A3步，否则进入第A5步；第A3步对空间目标进行特征提取及姿态识别；所述特征提取是指对预处理后图像S进行特征提取，得到空间目标的目标特征，采用M0表示预处理后图像S中空间目标的第Θ维目标特征；Θ表示目标特征的维数，其取值范围为I 7 ;第I维目标特征为空间目标短轴的斜率，第2维目标特征为空间目标的短轴与长轴之比，第3维目标特征为空间目标纵向对称度，第4维目标特征是空间目标周长与面积之比，第5维目标特征，目标面积与目标外接矩形的面积之比，第6维目标特征是空间目标外接矩形水平长度与纵向长度之比，第7维目标特征为空间目标短轴长度；一对俯仰角R和偏航角H对应一个姿态，所述姿态识别是指根据所提取的空间目标的目标特征从模板目标特征库中找出模板图像中最接近的目标特征，记为(!“，其中该最接近的目标特征的第7维特征记为，Cltbk对应的观测相机与空间目标的距离记为Dq ；第A4步计算空间目标的三维形心距离Λρ和姿态角并返回结果；
权利要求
1.一种单目空间目标测距测角方法，具体包括下述步骤: 第Al步接收单个相机拍摄的空间目标的一帧图像，即实拍图像Q ； 第A2步对空间目标的实拍图像Q进行预处理，包括Otsu阈值分割，形态学运算和标记处理，将空间目标从背景中提取出来，得到预处理后的图像S ;再根据预处理后的图像S进行目标检测，如果空间目标完全处于相机视场中，则进入第A3步，否则进入第A5步； 第A3步对空间目标进行特征提取及姿态识别； 所述特征提取是指对预处理后图像S进行特征提取，得到空间目标的目标特征，采用M0表示预处理后图像S中空间目标的第Θ维目标特征；Θ表示目标特征的维数，其取值范围为I 7 ;第I维目标特征为空间目标短轴的斜率，第2维目标特征为空间目标的短轴与长轴之比，第3维目标特征为空间目标纵向对称度，第4维目标特征是空间目标周长与面积之比，第5维目标特征，目标面积与目标外接矩形的面积之比，第6维目标特征是空间目标外接矩形水平长度与纵向长度之比，第7维目标特征为空间目标短轴长度； 一对俯仰角R和偏航角H对应一个姿态，所述姿态识别是指根据所提取的空间目标的目标特征从模板目标特征库中找出模板图像中最接近的目标特征，记为(1“，其中该最接近的目标特征的第 维特征记为，Cltbk对应的观测相机与空间目标的距离记为Dq ； 第A4步计算空间目标的三维形心距离Ap和姿态角并返回结果；
2.根据权利要求1所述的一种单目空间目标测距测角方法，所述模板目标特征库的建立过程为: 第BI步按观测相机与空间目标的距离由近及远依次将空间目标划分为不同的尺度等级，记尺度等级数量为Φ，各尺度下相机与目标在仿真条件下的距离记为Di, i = 1，2,...Φ ； 第B2步在同一尺度下，一对俯仰角和偏航角即对应一个目标姿态，将高斯观察球每隔10度划分为684个观察区域，去除冗余，得到614类不同的目标姿态模板图像，构成模板图像库；Rij表示第i尺度等级第j类姿态下的图像，i = 1,2,...Φ ；j = 1,2,...614,； 第B3步对模板图像库中的每一幅图像进行预处理，包括Otsu阈值分割，形态学运算和标记处理； 第B4步对每一幅预处理后的图像进行特征提取，建立空间目标的目标特征库，采用表示目标特征库中第i尺度下第j类姿态的第Θ维特征。
3.根据权利要求1或2所述的一种单目空间目标测距测角方法，所述预处理具体包括下述步骤: (Cl)利用Otsu阈值分割算法将待预处理的图像A分割为二值化图像B，此时图像B明亮区域主要包含了图像A的目标明亮区域部分； (C3)将二值化图像B进行数学形态学膨胀处理，得到膨胀后的二值化图像C ； (C4)使用图像C与图像A作形态学非与运算，即标记图像C中像素点灰度值为255的像素点坐标位置，将图像A中相同位置像素灰度值置为背景灰度，得到图像D ; (C5)利用Otsu阈值分割算法将图像D进行分割，得到二值化图像E ;图像E的明亮区域主要包含了图像A的目标暗区域； (C6)将图像B与图像E做形态学或运算，得到图像F，此时图像F包含了目标图像明亮区域和暗区域的全部信息； (C7)对图像F进行连通区域标记，寻找面积最大的连通区域作为目标输出，得到预处理后的图像G。
4.根据权利要求1或2所述的一种单目空间目标测距测角方法，所述目标检测具体为: 根据预处理后实拍图像中空间目标的最小外接矩形与图像边界之间的相对位置关系来判断空间目标是否完全处于相机视场中，如果目标外接矩形上下或左右边界都靠近图像边界，或者目标外接矩形上、下、左、右边界仅有一边靠近图像边界，或者图像S中无连通区域，则进入第A5步；否则，空间目标完全处于视场中。
5.根据权利要求2所述的一种单目空间目标测距测角方法，所述第A3步中的特征提取和姿态识别过程具体为: (A31)采用与第BI步相同的尺度等级，计算出实拍图像的特征，取实拍图像的特征中的前6维，计算出实拍图像的特征与模板目标特征库行向量之间的欧式距离Diii= (CliaiCli,2，...(Iijj...dij614}, (Iijj, i = 1,2,...5 ；j = 1,2,...614 表示实拍图像与模板目标特征库的第i尺度与第j类状态特征值的欧式距离； (A32)找出Dm中最小的值，设其所在的尺度为q，所在的类为k，记为(!“，即该实拍图像对应的特征与模板目标特征库中的第q尺度下的第k类特征最接近。
6.根据权利要求2或3所述的一种单目空间目标测距测角方法，其特征在于，按照下述过程得到空间目标在摄像机坐标系下的中心坐标(centerx' , centery'):num I 计算空间目标在图像坐标系的中心坐标(centerx，centery), centerx = ! num，
全文摘要
本发明属于航天技术与计算机视觉交叉的领域，为一种单目空间目标测距测角方法。步骤为①接收单个相机拍摄的空间目标的一帧图像，即实拍图像Q；②实拍图像Q进行预处理，将空间目标从背景中提取出来，得到预处理后的图像S；再根据预处理后的图像S进行目标检测，如果空间目标完全处于相机视场中，则进入③，否则进入⑤；③对空间目标进行特征提取及姿态识别；④计算空间目标的三维形心距离Δp和姿态角；⑤继续处理，直到全部图像处理完成。本发明方法过程简单，本发明方法只需知道目标的三维结构和尺寸信息即可，不需要目标为合作目标，也不需要在目标上设置任何星标，具有测距范围较广，精度较高的特点。
文档编号G01C3/00GK103075998SQ20121059427
公开日2013年5月1日 申请日期2012年12月31日 优先权日2012年12月31日
发明者张天序, 朱虎, 周钢, 林玉野, 王华山, 薛米生, 朱生国, 詹丽娟 申请人:华中科技大学