专利名称：一种基于面积比的陨石坑匹配方法
技术领域：
本发明涉及图像处理技术领域，具体涉及一种基于面积比的陨石坑匹配方法。
背景技术：
行星表面着陆任务需要高精度的自主导航系统。陨石坑是小天体撞击行星表面而形成的环形凹坑，具有较为一致的几何形状和清晰的轮廓，其几何形状受光照变化影响小， 作为导航路标易于匹配和跟踪。在行星着陆任务中，可将陨石坑作为行星着陆段的导航路标，以提闻着陆器导航系统的精度。
为了利用通过预先在轨拍摄而建立的行星表面全局图像及其中的陨石坑位置数据，需要将着陆过程在线拍摄图像中检测的陨石坑与全局图像中的陨石坑进行匹配，从而获得陨石坑路标在行星表面的位置数据，为后续的导航过程提供必要的数据准备。
由于拍摄条件的不同，在轨拍摄和下降过程中的在线拍摄对同一陨石坑目标的成像结果是不同的。但这两种拍摄过程所得图像之间的差异可以用仿射变换来描述。因此， 陨石坑图像的仿射不变性成为重要的匹配依据。
若以行星着陆段自主导航任务为目的，就要求陨石坑提取与匹配算法实时性较高，定位准确，但并不要求从图像中提取出全部的陨石坑，也不需要对陨石坑进行详细的描述。近年来，学者们针对行星着陆这一任务目的对陨石坑检测与匹配算法进行了研究。
陨石坑特征的匹配方法可分为三类互相关匹配方法，基于陨石坑相互关系的匹配和基于几何不变特征的匹 配。互相关匹配通过陨石坑模板进行图像强度相关比较来实现匹配确认，基于陨石坑相互关系的匹配通过两图中各陨石坑的位置、尺寸及相互位置和角度关系来实现陨石坑的匹配，基于几何不变特征的匹配通过利用陨石坑边缘及内部图像中对成像变换保持不变的特征比较来实现陨石坑匹配。发明内容
本发明为了解决现有陨石坑匹配方法存在的图像出现较大的旋转、尺度缩放及形变情况下误匹配及失配等问题，而提出了一种基于面积比的陨石坑匹配方法。
本发明的一种基于面积比的陨石坑匹配方法，步骤如下
步骤一根据行星着陆器着陆过程中的初始位置、姿态及相机参数，对目标天体表面拍摄图像，根据所拍摄图像的范围选定行星表面全局图像中的局部图像作为基准图像；
步骤二 基于最大稳定极值区域方法对步骤一中行星着陆器着陆过程中所拍摄图像进行检测，提取图像中受光照所形成的阴影区域与明亮区域，将阴影区域与明亮区域配对，进行陨石坑提取，将提取的陨石坑编号为1、2…η ；
步骤三对步骤二中提取的所有陨石坑逐一进行椭圆拟合，然后计算拟合椭圆的面积；
步骤四将步骤三中的每一个陨石坑拟合椭圆的面积分别与其它陨石坑拟合椭圆的面积做比值，得到ηΧ (η-1)个比值，构成η行η-1列矩阵Α，其中，A矩阵中第i行元素分别为第i个陨石坑拟合椭圆的面积与其它η-1个陨石坑拟合椭圆的面积的比值；
步骤五提取步骤一中基准图像中的陨石坑，设提取的陨石坑数目为m，编号为1、 2…m，对所有陨石坑分别进行椭圆拟合，计算m个拟合椭圆的面积，将每一个陨石坑拟合椭圆的面积分别与其它陨石坑拟合椭圆的面积做比值，得到mX (m-1)个比值，构成m行m-1 列矩阵B，B矩阵中第j行元素分别为第j个陨石坑拟合椭圆的面积与其它m-Ι个陨石坑拟合椭圆的面积的比值；
步骤六将步骤四中的矩阵A的每一行分别与步骤五中的矩阵B的每一行求 Hausdroff距离,利用Hausdroff距离作为相似性测度，即完成拍摄图像中η个陨石坑与基准图像中m个陨石坑的匹配。
本发明包含以下有益效果
本发明选定行星表面全局图像中的局部图像作为基准图像，基于最大稳定极值区域方法对着陆过程中拍摄的图像进行陨石坑提取及椭圆拟合，构造不同陨石坑之间的面积比值作为仿射不变量，利用Hausdroff距离作为相似性测度，将所检测到的陨石坑与基准图像中的陨石坑进行匹配，可用于行星着陆过程中的陨石坑匹配。本发明与现有技术相比的优点在于当着陆图像出现较大的旋转、尺度缩放及形变情况下实现陨石坑匹配，能够有效地避免常规匹配方法存在的不足，是着陆过程中进行陨石坑匹配的理想方法。
本发明的原理是首先选定行星表面全局图像中的局部图像作为基准图像，然后基于最大稳定 极值区域方法对着陆过程中拍摄的图像进行陨石坑提取及椭圆拟合，构造不同陨石坑之间的面积比值作为仿射不变量，最后利用Hausdroff距离作为相似性测度，将所检测到的陨石坑与基准图像中的陨石坑进行匹配。
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
结合图1说明本实施方式。
具体是实施方式一本实施方式的一种基于面积比的陨石坑匹配方法，步骤如下
步骤一根据行星着陆器着陆过程中的初始位置、姿态及相机参数，对目标天体表面拍摄图像，根据所拍摄图像的范围选定行星表面全局图像中的局部图像作为基准图像；
步骤二 基于最大稳定极值区域方法对步骤一中行星着陆器着陆过程中所拍摄图像进行检测，提取图像中受光照所形成的阴影区域与明亮区域，将阴影区域与明亮区域配对，进行陨石坑提取，将提取的陨石坑编号为1、2…η ；
步骤三对步骤二中提取的所有陨石坑逐一进行椭圆拟合，然后计算拟合椭圆的面积；
步骤四将步骤三中的每一个陨石坑拟合椭圆的面积分别与其它陨石坑拟合椭圆的面积做比值，得到ηΧ (η-1)个比值，构成η行η-1列矩阵Α，其中，A矩阵中第i行元素分别为第i个陨石坑拟合椭圆的面积与其它η-1个陨石坑拟合椭圆的面积的比值；
步骤五提取步骤一中基准图像中的陨石坑，设提取的陨石坑数目为m，编号为1、2…m，对所有陨石坑分别进行椭圆拟合，计算m个拟合椭圆的面积，将每一个陨石坑拟合椭 圆的面积分别与其它陨石坑拟合椭圆的面积做比值，得到mX (m-1)个比值，构成m行m-1 列矩阵B，B矩阵中第j行元素分别为第j个陨石坑拟合椭圆的面积与其它m-1个陨石坑拟 合椭圆的面积的比值；步骤六将步骤四中的矩阵A的每一行分别与步骤五中的矩阵B的每一行求 Hausdroff距离，利用Hausdroff距离作为相似性测度，即完成拍摄图像中n个陨石坑与基 准图像中m个陨石坑的匹配。本实施方式步骤二中所述的阴影区域与明亮区域配对的具体操作步骤如下步骤一采用最大稳定极值区域方法(MSER)对行星着陆器着陆过程中光学相机 拍摄的图像进行初步检测，提取图像中的阴影区域和明亮区域；步骤二 删除步骤一提取的阴影区域和明亮区域中K和M的区域，得到受光照所形 成的n个阴影区域Dp仏…Dn和m个明亮区域U、匕…Lm，其中，n、m为自然数；步骤三计算步骤二中n个阴影区域中的第k个阴影区域Dk的矩心Q，以Q为
中心，在半径为R的圆内搜索明亮区域，搜索到p个明亮区域，0 < p^m ;其中，Dk表示第k 个阴影区域，下标k取值为1、2…n;步骤四在步骤三搜索到的p个明亮区域中，若有j个明亮区域满足 average (L:) -average (Dk) > o 1；…，average (Lj) -average (Dk) > o 丨，则将明亮区域 L^.. L」作 为阴影区域Dk的待配对区域；其中，Iv“Lj表示j个明亮区域,0彡j彡p, average (Lj)和 average (Dk)分别表示明亮区域h和阴影区域Dk的图像亮度的平均值，o :为阈值；步骤五计算步骤四得到的j个明亮区域的矩心C!a Clt
生成由阴影区域Dk的矩心指向明亮区域矩心〔[A . Cl,的矢量
c - r ~r r - r - c 步骤六根据星历确定太阳光线矢量，根据探测器自身姿态计算太阳光线矢量在 相机像平面的投影矢量左；步骤七分别计算矢量q与矢量^^的夹角9 f 9 j，计算矢量…的大
小卜 。若0 j小于给定阈值0 2且^最小，则Lj与Dk构成一个卩员石坑；其中，步骤二中所述的K区域为步骤一图像中提取的小于20个像素的阴影区域和 明亮区域，M区域为步骤一图像中提取的面积大于整个图像面积75%的阴影区域和明亮区 域；步骤三中所述的及=2.13@，其中，|d表示阴影区域d内所含像素点的总和；步骤七中所述的
权利要求
1.一种基于面积比的陨石坑匹配方法，其特征在于它的步骤如下步骤一根据行星着陆器着陆过程中的初始位置、姿态及相机参数，对目标天体表面拍摄图像，根据所拍摄图像的范围选定行星表面全局图像中的局部图像作为基准图像；步骤二 基于最大稳定极值区域方法对步骤一中行星着陆器着陆过程中所拍摄图像进行检测，提取图像中受光照所形成的阴影区域与明亮区域，将阴影区域与明亮区域配对，进行陨石坑提取，将提取的陨石坑编号为1、2…η ；步骤三对步骤二中提取的所有陨石坑逐一进行椭圆拟合，然后计算拟合椭圆的面积；步骤四将步骤三中的每一个陨石坑拟合椭圆的面积分别与其它陨石坑拟合椭圆的面积做比值，得到ηΧ (η-1)个比值，构成η行η_1列矩阵A，其中，A矩阵中第i行元素分别为第i个陨石坑拟合椭圆的面积与其它η-1个陨石坑拟合椭圆的面积的比值；步骤五提取步骤一中基准图像中的陨石坑，设提取的陨石坑数目为m，编号为1、2… m，对所有陨石坑分别进行椭圆拟合，计算m个拟合椭圆的面积，将每一个陨石坑拟合椭圆的面积分别与其它陨石坑拟合椭圆的面积做比值，得到mX (m-1)个比值，构成m行m-1列矩阵B，B矩阵中第j行元素分别为第j个陨石坑拟合椭圆的面积与其它m-Ι个陨石坑拟合椭圆的面积的比值；步骤六将步骤四中的矩阵A的每一行分别与步骤五中的矩阵B的每一行求 Hausdroff距离,利用Hausdroff距离作为相似性测度，即完成拍摄图像中η个陨石坑与基准图像中m个陨石坑的匹配。
2.根据权利要求1所述的一种基于面积比的陨石坑匹配方法，其特征在于步骤三中所述的计算拟合椭圆的面积，步骤如下将配对后的陨石坑阴影区域与明亮区域合并，计算得到合并后的区域面积Hltltl、中心二阶矩U2,G^11，其中μ 2(|、μ η、μ 02为标量,是中心二阶矩U2的构成元素,则拟合
3.根据权利要求1所述的一种基于面积比的陨石坑匹配方法，其特征在于步骤六中所述的利用HausdrofT距离实现陨石坑的匹配,具体步骤如下分别用矩阵A中的第i行与矩阵B中的第j行求Hausdroff距离，并将得到的 Hausdorff距离用阵列H保存到对应的元素H(i，j)中，若H阵第i行的最小值位于元素H(i ，j)中，则A阵中的第i行与B阵中的第j行具有最大的相似度，即拍摄图像中的陨石坑i与基准图像中的陨石坑j具有最大的相似度，认为这两个陨石坑获得成功匹配。
全文摘要
一种基于面积比的陨石坑匹配方法。本发明要解决现有陨石坑匹配方法存在的图像出现较大的旋转、尺度缩放及形变情况下误匹配及失配等问题。本发明涉及图像处理技术领域。步骤如下选定行星表面全局图像中的局部图像作为基准图像；然后基于最大稳定极值区域方法对着陆过程中拍摄的图像进行陨石坑提取；对拍摄图像中提取的陨石坑进行椭圆拟合，计算拟合椭圆的面积；分别计算拍摄图像中不同陨石坑之间的面积比值和基准图像中不同陨石坑之间的面积比值；最后利用Hausdroff距离作为相似性测度，将拍摄图像中所检测到的陨石坑与基准图像中的陨石坑进行匹配。本发明能够有效地避免常规匹配方法的不足，是着陆过程中进行陨石坑匹配的理想方法。
文档编号G06T7/00GK102999915SQ20121050866
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月3日 优先权日2012年12月3日
发明者徐田来, 崔祜涛, 田阳, 余萌 申请人:哈尔滨工业大学