基于全光场相机的非合作目标位姿测量的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于全光场相机的非合作目标位姿测量方法，是应用于包含星箭对接环的非合作目标；含星箭对接环在非合作目标上为圆特征；其特征是按如下步骤行：步骤1.利用全光场相机获取具有圆特征的非合作目标的光场图像；步骤2.计算圆特征在全光场相机主透镜坐标系下的平面法向量和圆心坐标；步骤3.剔除虚假解；步骤4.获得所述非合作目标的位姿。本发明能有效剔除基于圆的单目视觉位姿估计中的虚假解，获得满足精度要求的非合作目标位姿信息。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于全光场相机的非合作目标位姿测量方法，属于三维视觉的目 标位姿测量领域。 基于全光场相机的非合作目标位姿测量
【背景技术】
[0002] 随着计算机视觉技术的不断发展，基于计算机视觉的位姿测量是现代导航、跟踪、 控制等许多研究领域的一个重要的问题，在国防、航天、航空、工业、医学等各个领域备受重 视。而在航空航天领域，大部分的已在轨服务航天器是非合作目标，因此非合作目标相对位 姿测量成为在轨服务技术的关键。针对大部分非合作目标上普遍都有星箭对接环结构，可 以提供单个圆特征，但是基于圆的传统单目视觉位姿估计有两个位姿解，无法运用到实际 的工程中。因此基于圆特征的非合作目标位姿测量具有重要的研究价值与意义。
[0003] 目前基于视觉的圆位姿测量方法主要有：基于单目视觉和辅助特征测量、基于双 目视觉测量、基于深度传感器位姿测量。
[0004] 基于单目视觉和辅助特征测量主要是利用与圆共面的点、线特征在欧式空间中的 几何特性不变来剔除基于圆的传统单目视觉位姿估计中的虚假解。基于双目视觉测量主要 是利用左右两个相机分别估计圆的位姿，将右相机获得的解通过两个相机间的关系转换到 左相机下，根据圆的法向量具有唯一性来消除基于圆的传统单目视觉位姿估计中虚假解。 基于深度传感器的圆位姿测量主要是利用深度传感器能够获得目标的深度信息，从而获得 目标的3维信息，估计出圆的位姿。
[0005] 以上方法在具体实现上存在以下不足：
[0006] 1、基于单目视觉和辅助特征测量利用圆面上的点、线特征进行位姿估计，在测量 过程中，若所采用的辅助特征不能在像平面上完整成像以及不知道辅助特征在目标本体坐 标系下的几何信息，那么就不能剔除传统单目视觉获得的虚假解。
[0007] 2、对基于双目立体视觉测量方法，需要利用左右相机获取的图像分别估计圆的位 姿信息，大大影响测量的实时性。
[0008] 3、对于基于深度传感器位姿测量方法，输出图像噪声大，分辨率低，且测量距离 短，无法获取远距离的非合作目标位姿信息。
[0009] 4、目前基于视觉的圆位姿测量方法在拍摄非合作目标时，容易失焦，带来目标图 像模糊问题。
【发明内容】
[0010] 本发明针对上述现有技术所存在的不足，提出一种基于全光场相机的非合作目标 位姿测量方法，能有效剔除基于圆的传统单目视觉位姿估计中的虚假解，从而获得满足精 度要求的位姿信息。
[0011] 本发明解决技术问题采用如下技术方案：
[0012] 本发明一种基于全光场相机的非合作目标位姿测量方法，是应用于包含星箭对接 环的非合作目标；所述含星箭对接环在所述非合作目标上为圆特征；其特点是按如下步骤 行：
[0013] 步骤1、利用全光场相机获取具有圆特征的非合作目标的光场图像；所述全光场 相机的结构包括：主透镜、微透镜阵列和传感器；
[0014] 步骤2、计算所述圆特征在全光场相机主透镜坐标系o-xyz下的平面法向量和圆 心坐标：
[0015] 步骤2. 1、利用时域重聚焦算法对所述光场图像进行计算获得主透镜重聚焦目标 图像；
[0016] 步骤2. 2、对所述主透镜重聚焦目标图像利用canny边缘检测算法进行边缘检测， 获得边缘图像，并对所述边缘图像利用最小二乘法进行椭圆检测，从而获得如式（1)所示 的椭圆方程：
[0017] a1u2+a2v2+a3uv+a 4u+a5v+a6 = 0 (1)
[0018] 式（1)中，（u，v)为所述圆特征在所述主透镜重聚焦目标图像的像素坐标系OfUV 中的坐标；
[0019] 步骤2. 3、利用式（2)所示的相机投影模型，将所述椭圆方程反向投影到所述全光 场相机主透镜坐标系o-xyz下，从而获得如式（3)所述的椭圆锥方程：
【权利要求】
1. 一种基于全光场相机的非合作目标位姿测量方法，是应用于包含星箭对接环的非合 作目标；所述含星箭对接环在所述非合作目标上为圆特征；其特征是按如下步骤行： 步骤1、利用全光场相机获取具有圆特征的非合作目标的光场图像；所述全光场相机 的结构包括：主透镜、微透镜阵列和传感器； 步骤2、计算所述圆特征在全光场相机主透镜坐标系〇-xyz下的平面法向量和圆心坐 标： 步骤2. 1、利用时域重聚焦算法对所述光场图像进行计算获得主透镜重聚焦目标图 像； 步骤2. 2、对所述主透镜重聚焦目标图像利用canny边缘检测算法进行边缘检测，获得 边缘图像，并对所述边缘图像利用最小二乘法进行椭圆检测，从而获得如式（1)所示的椭 圆方程： a1u2+a2v2+a3uv+a 4u+a5v+a6 = 0 (1) 式（1)中，（U，v)为所述圆特征在所述主透镜重聚焦目标图像的像素坐标系OfUV中的 坐标； 步骤2. 3、利用式（2)所示的相机投影模型，将所述椭圆方程反向投影到所述全光场相 机主透镜坐标系ο-xyz下，从而获得如式（3)所述的椭圆锥方程：
A1x2+A2y2+A3z 2+A4xy+A5xz+A6yz = 0 (3) 式（2)和式（3)中，（xn，yn)为所述圆特征在所述主透镜重聚焦目标图像的物理坐标系 〇「xnyn中的坐标，f。为所述全光场相机主透镜的焦距，（x，y，z)为所述圆特征在所述全光场 相机主透镜坐标系Ο-xyz下的坐标； 步骤2. 4、利用式（4)将所述椭圆锥方程转换为矩阵乘积形式： [x y z]Q[x y ζ]τ = 0 (4) 式⑷中，Q为对称矩阵； 步骤2. 5、利用式（5)将所述对称矩阵Q进行对角化： Ρ、Ρ = diaglKnl^ig (5) 式（5)，P为正交矩阵；Κρ K2和K3为所述对称矩阵Q的特征值； 步骤2. 6、利用式（6)将所述椭圆锥方程进行简化，获得如式（7)所示的标准坐标系 o-x'y'z'下的椭圆锥方程： [x y ζ]τ = P[x' y' z' ]T (6) KlX2+K2y 2+K3z'2 = 0(7) 式（6)中，（x'，y'，z'）为所述圆特征在标准坐标系o-x' y' z'下的坐标； 步骤2. 7、利用所述对称矩阵Q的特征值Ki、K2和K3获得如式（8)所示的与所述标准坐 标系下y'轴相互平行的平面方程：
步骤2. 8、根据所述平面方程分别获得所述圆特征在标准坐标系o-x' y' z'下的平面法 向量（η' x, n' y, η' z)以及圆心点坐标（X。'，y。'，z。'）的一组歧义解：
式（9)和式（10)中，R为所述圆特征的半径； 步骤2. 9、利用式（11)和式（12)将所述解Γ和解2'分别转换到所述全光场相机主 透镜坐标系ο-xyz下，获得所述全光场相机主透镜坐标系o-xyz下的平面法向量（nx，ny，n z) 以及圆心点坐标（x^y^z。）：
步骤3、剔除虚假解： 步骤3. 1、利用所述全光场相机的深度重构法获得所述非合作目标上各点的深度； 步骤3. 2、利用式（2)获得所述圆特征上各点在所述全光场相机主透镜坐标系o-xyz下 的三维坐标（X，y, z); 步骤3. 3、利用式（13)所示的圆特征的平面方程建立如式（14)所示的目标函数f: (nx, ny, nz)τ [ (x, y, z) - (x0, y0, z0) ] = 0 (13) f = (nx, ny, nz)T [ (x, y, z) - (x0, y0, z0) ] (14) 步骤3. 4、将所述解1和解2分别代入（14)，获得?·Λ?1和f解2 ;若fΛ?1 < ?*2成立，则 所述圆特征的圆心坐标和法向量的虚假解为解2 ;正确解为解1 ;否则，圆特征的圆心坐标 和法向量的虚假解为解1 ;正确解为解2 ; 步骤4、获得所述非合作目标的位姿： 步骤4. 1、根据所述步骤3获得的正确解，则非合作目标本体坐标系h-ΧΛΛ相对于所 述全光场相机主透镜坐标系ο-xyz的平移向量为T = (X。，y。，ζ。)，通过式（15)获得所述非 合作目标本体坐标系Oo-XJcA相对于所述全光场相机主透镜坐标系ο-xyz的距离D :
式（15)中，所述^，2。分别为所述非合作目标本体坐标系0(|_\￥(|2 (|相对于所述全光 场相机主透镜坐标系ο-xyz在X轴、y轴、z轴上的平移量； 步骤4. 2、利用式（16)获得俯仰角Φ和偏航角Θ :
所述距离D、俯仰角Φ和偏航角Θ即为所述非合作目标的位姿。
2.根据权利要求1所述的基于全光场相机的非合作目标位姿测量方法，其特征是，所 述步骤3. 1的深度z是按如下步骤获得： 步骤a、利用多基线SSD立体匹配算法对所述光场图像进行立体匹配获得最佳匹配像 素对L和i2 ; 步骤b、计算所述最佳匹配图像对h和i2的像素视差| | iri21 | ; 步骤c、利用式（17)获得虚拟深度λ :
式（17)中，cT为所述最佳匹配像素对h和i2的中心距离； 步骤d、利用式（18)获得所述微透镜阵列到主透镜像的距离a : a = λ b (18) 式（18)中，b为所述全光场相机中微透镜阵列到所述传感器的距离； 步骤e、利用式（19)获得所述主透镜到所述主透镜像的距离 bL = h~a (19) 式（19)中，h为所述主透镜到所述微透镜阵列的距离； 步骤f、根据式（20)获得所述圆特征到主透镜的距离\ :
所述距离A即为所述深度z。
【文档编号】G01C11/00GK104101331SQ201410356860
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月24日 优先权日:2014年7月24日
【发明者】张旭东, 胡良梅, 高隽, 陈欣, 王一, 李梦娜, 徐小红, 涂义福, 许林 申请人:合肥工业大学