视频卫星姿态运动图像补偿方法

文档序号:10661228阅读:558来源:国知局
视频卫星姿态运动图像补偿方法
【专利摘要】本发明公开了一种视频卫星姿态运动图像补偿方法,其根据卫星姿态运动信息,得到当前帧时刻相对于上一帧时刻的姿态欧拉角,或者相对于过去某一时刻的姿态欧拉角,从而对之前已获得的图像或目标运动轨迹补偿姿态运动。该方法算法简单,给出了工程实践中常见的简化情况,运算量小。该方法可将已得到的图像或轨迹变换到当前的图像坐标系下,便于进行图像观察与分析。
【专利说明】
视频卫星姿态运动图像补偿方法
技术领域
[0001] 本发明属于图像处理技术领域,涉及航天航空领域的图像补偿方法,特指一种为 视频卫星拍摄的视频图像补偿姿态运动的方法。
【背景技术】
[0002] 视频卫星是一种采用视频成像、视频数据实时传输、人在回路交互式操作工作方 式的新型天基信息获取类微小卫星。与传统卫星相比,视频卫星可提供实时视频图像,与静 止单幅图像相比增加了时域信息,可获取目标的动态过程信息,能够探测到动态事件的发 生,并可以基于视频图像中的序列图像进行图像重构获得更高分辨率的图像,为抗灾救灾、 战时监控、计划决策提供第一手资料。
[0003] 基于人在回路交互式操作工作方式,调整卫星姿态,视频卫星可以实现对动目标 的连续跟踪监视。但是随着卫星姿态的变化,图像也会发生变化,这时已获得的图像或目标 运动轨迹就相对于当前图像发生了平移或者旋转,有必要将其统一到当前的图像坐标系 中,以利于进一步的分析。对此问题目前还未见相关文献涉及。

【发明内容】

[0004] 针对视频卫星姿态运动对图像的影响,本发明提出了一种视频卫星姿态运动图像 补偿方法。
[0005] 本发明的技术方案是:
[0006] 根据卫星姿态运动信息,得到当前帧时刻相对于上一帧时刻的姿态欧拉角,或者 相对于过去某一时刻的姿态欧拉角,从而对之前已获得的图像或目标运动轨迹补偿姿态运 动。
[0007] 具体地,本发明一种视频卫星姿态运动图像补偿方法,包括以下步骤:
[0008] 步骤一:由星载传感器得到卫星姿态运动的角速度ω =( ωχ, ωγ, ωζ)τ,3-2_1欧 拉角(Φ,θ,)。
[0009] 步骤二:分为两种情况,一种是计算当前帧时刻卫星相对于上一帧时刻的姿态欧 拉角;另一种是计算当前帧时刻卫星相对于过去某一时刻的姿态欧拉角。
[0010] 情况一:计算当前帧时刻卫星相对于上一帧时刻的姿态欧拉角
[0011] 设每帧的时间间隔为At,因At很小,可以认为At角速度恒定,则当前帧时刻卫 星相对于上一帧时刻的姿态欧拉角可以由ω △ t确定,令
[0012] (1) 其中在物理意义上,e表示旋转轴,沒表示旋转的角度;在数学意义上,式(1)左边得到 一个三维矢量,将其单位化得到单位矢量e,这个矢量的模长就是从,ei,e2,e3表示e的三个分 量:
[0013] e = (ei,e2,e3)T,| | e | | =1 (2)
[0014] 当前帧时刻卫星相对于上一帧时刻的姿态矩阵为
[0016] 其中
[0017] c = cos t9, = sin 9- (4)
[0018] A是个3乘3矩阵,它的分量是a^,i表示这个分量所在的行,j表示这个分量所在的 列;
[0019] 进而可得当前帧时刻相对于上一帧时刻的3-2-1姿态欧拉角(Δφ,Δ Θ,Α沪)
[0021] 一般的,跟踪成像姿态调整时都是卫星绕卫星体坐标系的X轴或y轴旋转,卫星的 角速度ω是三维矢量,它的三个分量分别是ωχ,ωγ,ωζ,这时 [0022]绕χ轴旋转
[0027]情况二:计算当前帧时刻卫星相对于过去某一时刻的姿态欧拉角
[0028] 过去某一时刻的卫星姿态欧拉角为(Φο,θ〇,热),当前帧时刻卫星相对于该时刻的 姿态矩阵为
[0029] Λ = (-〇0)Rx (-%) = (8)
[0030] 其中&⑷、RY(9)、RZW它们分别表示绕X轴,Υ轴,Ζ轴旋转识,θ,φ得到的旋转矩阵;
[0033]从而由式(5)即可得当前帧时刻卫星相对于过去某时刻的3-2-1姿态欧拉角(Δφ, Λ θ,Δρ)
[0034]步骤三:对已获得的图像或轨迹补偿姿态运动
[0035] 定义像素坐标系I-xy,它以视频图像左上角为坐标系原点,以像素为坐标单位,x, y分别表示该像素点在视频图像中的列数与行数。定义图像坐标系〇-XPYP,它以光轴与像平 面的交点为原点,〇Χ Ρ,〇ΥΡ分别与像素坐标系的X轴与y轴平行。补偿姿态运动就是将过去时 刻的图像或轨迹变换到当前的像素坐标系下。
[0036] 某点在像素坐标系中的坐标为(m,n),在图像坐标系的坐标为(xP,yP),则
[0038]其中d为像元尺寸,(mo,no)为视频图像中心的坐标。
[0039]设相机光轴与卫星体坐标系Z轴重合,图像坐标系的X轴与Y轴和卫星体坐标系的X 轴与Y轴平行。若已获得的图像或轨迹在图像坐标系和像素坐标系的坐标分别为(Xp,yP) T, (1111,111)1',补偿后的坐标为(1,7)1'与(1112,112) 1',则
[0044]式(11)代入式(10)可得补偿后的像素坐标系坐标(m2,n2 )τ。
[0050] 由此对图像补偿了姿态运动。
[0051] 本发明的有益效果是:
[0052] 1)该方法算法简单,给出了工程实践中常见的简化情况,运算量小。
[0053] 2)该方法可将已得到的图像或轨迹变换到当前的图像坐标系下,便于进行图像观 察与分析。
【附图说明】
[0054] 图1为本发明所述的像素坐标系。
[0055] 图2为本发明视频卫星姿态运动图像补偿方法的流程图
[0056] 图3为实施例1中当前时刻的图像。
[0057]图4为实施例1中to时刻的图像。
[0058]图5为图4补偿姿态运动后得到的图像。
[0059]图6为实施例2中30秒钟750帧图像叠加得到的图像。
[0000]图7为实施例2中实时补偿卫星姿态运动得到的目标运动轨迹。
【具体实施方式】
[0061] 以下将结合两个具体实施例和说明书附图对本发明做进一步详细说明。
[0062] 实施例一:欲分析过去某时刻图像中的一目标与当前图像中目标的关系,需对to 时刻的图像补偿姿态运动。
[0063]步骤一:由星载传感器得到当前视频卫星的3-2-1姿态欧拉角为(5°,6°,3°),当前 时刻图像如图3所示,卫星搭载相机拍摄图像的分辨率为800 X 600。
[0064]步骤二:计算当前时刻相对于过去某时刻to的相对欧拉角
[0065] to时刻卫星的3-2-1姿态欧拉角为(5°,5°,4° ),则当前时刻卫星相对于该时刻的 姿态矩阵为
[0066] A = Rx(3°)RY(6°)Rz(5°)Rz(-5°)RY(-5°)Rx(-4°) = (aij)3X3 (16)
[0067] 其中
[0070] 可得当前时刻相对于to时刻的3-2-1姿态欧拉角(Δφ,Δ θ,Δρ)
[0072]步骤三:对to时刻的图像补偿姿态运动
[0073] to时刻卫星拍摄的图像如图4所示。卫星搭载相机的像元尺寸为8.33μπι。这里(Δ φ,ΔΘ,Δ辦)可以认为是小量,可以直接使用式(15)对图4进行补偿。这里选择式(13)进行补 偿。
[0074]图4中三角形的三个顶点为六(500,300),8(400,500),(:(600,500),补偿姿态运动 后得到Α'(-1591 ,-1796),Β'(-1691 ,-1597),C'(-1491 ,-1596),将补偿姿态运动后的图像 放到当前的像素坐标系下,得到了图5。由图5可见,统一到当前的像素坐标系后,可以很方 便的判断当前图像与过去图像的关系。
[0075] 实施例二:视频卫星通过调整姿态对目标跟踪成像,欲得到目标的运动轨迹,需要 实时对已获得的轨迹补偿姿态运动,更新轨迹。
[0076]图6是由一段30s视频的750帧叠加得到的图像,白框内为目标运动轨迹,右侧两条 轨迹是背景恒星成像因姿态修正形成的轨迹。目标成像原本是往左下运动,为保持目标在 视野中,卫星绕体坐标系X轴转动,因而目标产生了一段往左上的运动轨迹,恒星成像产生 了一段向上的运动轨迹。
[0077]目标检测的方法已在专利201510507109.9中论述,在对每一帧图像处理前,由星 载传感器得到卫星的角速度ω,因为是绕X轴旋转,可直接由式(6)得到相对欧拉角,然后由 (15)对已经得到的轨迹补偿姿态运动,简单快速,最终可以得到目标的运动轨迹如图7所 不。
[0078]以上包含了本发明优选实施例的说明,这是为了详细说明本发明的技术特征,并 不是想要将
【发明内容】
限制在实施例所描述的具体形式中,依据本
【发明内容】
主旨进行的其他 修改和变型也受本专利保护。本
【发明内容】
的主旨是由权利要求书所界定,而非由实施例的 具体描述所界定。
【主权项】
1. 一种视频卫星姿态运动图像补偿方法,其特征在于,包括以下步骤: 51、 由星载传感器得到卫星姿态运动的角速度ω = ( ωχ,ωγ,ωζ)τ,3-2-1欧拉角 (y/,Ο,φ), 52、 根据步骤SI中得到的卫星姿态运动信息,计算当前帧时刻卫星相对于上一帧时刻 或者过去某一时刻的姿态欧拉角; 53、 对已获得的图像或轨迹补偿姿态运动。2. 根据权利要求1所述的视频卫星姿态运动图像补偿方法,其特征在于,步骤S2中,根 据Sl中得到的卫星姿态运动信息计算当前帧时刻卫星相对于上一帧时刻的姿态欧拉角的 方法为: 设每帧的时间间隔为△ t,且△ t角速度恒定,则当前帧时刻卫星相对于上一帧时刻的 姿态欧拉角可以由ω At确定,令(1) 其中 e=(ei,e2,e3)T,I |e| I =1 (2) 当前帧时刻卫星相对于上一帧时刻的姿态矩阵为其中(4) 进而可得当前帧时刻相对于上一帧时刻的3-2-1姿态欧拉角爲A的(5)3. 根据权利要求2所述的视频卫星姿态运动图像补偿方法,其特征在于,在步骤S2中, 当前帧时刻相对于上一帧时刻是卫星绕卫星体坐标系的X轴旋转时,当前帧时刻相对于上 一帧时刻的3-2-1姿态欧拉角(Δ yy, Δ认Δ识)如下:当前帧时刻相对于上一帧时刻是卫星绕卫星体坐标系的y轴旋转时,当前帧时刻相对 于上一帧时刻的3-2-1姿态欧拉角(Δρ,Δ试Δ的如下:4. 根据权利要求1所述的视频卫星姿态运动图像补偿方法,其特征在于,步骤S2中,根 据Sl中得到的卫星姿态运动信息计算当前帧时刻卫星相对于过去某一时刻的姿态欧拉角 的方法为: 过去某一时刻的卫星姿态欧拉角为(%,私,%),当前帧时刻卫星相对于该时刻的姿态矩 阵为从而由下式可得当前帧时刻卫星相对于过去某时刻的3-2-1姿态欧拉角(ΔΑΔ?λΔρ):5.根据权利要求2、3或4所述的视频卫星姿态运动图像补偿方法,其特征在于,步骤S3 的方法为: 定义像素坐标系I-xy,像素坐标系I-xy以视频图像左上角为坐标系原点,以像素为坐 标单位,x,y分别表示该像素点在视频图像中的列数与行数; 定义图像坐标系O-Xp Yp,图像坐标系O-Xp Yp以光轴与像平面的交点为原点,OXp,(^!^分别 与像素坐标系的X轴与y轴平行; 补偿姿态运动就是将过去时刻的图像或轨迹变换到当前的像素坐标系下,方法如下: 某点在像素坐标系中的坐标为(m,n),在图像坐标系的坐标为(xP,yP),则(8) 兵甲d艿傢兀KT,Um,no)为视频图像中心的坐标; 设相机光轴与卫星体坐标系Z轴重合,图像坐标系的X轴与Y轴和卫星体坐标系的X轴与 Y轴平行;若已获得的图像或轨迹在图像坐标系和像素坐标系的坐标分别为(xP,yP)T,(nu, m) T,补偿后的坐标为&,7广与〇112,112广,则 其中 (9)由此对图像补偿了姿态运动。6.根据权利要求5所述的视频卫星姿态运动图像补偿方法,其特征在于,步骤S3中:当 (Δν,Δ久Δ炉)为小于1°时,近似为:由此对图像补偿了姿态运动。
【文档编号】H04N7/20GK106027904SQ201610494336
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月29日
【发明人】项军华, 张学阳, 张琦, 曾国强, 李泰博, 崔凯凯, 税海涛, 吴国福, 李志军, 袁福, 高玉东, 连君, 连一君, 韩大鹏
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学
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