一种仿生航行器多视角相似度综合评估方法

1.本发明属于水下航行器的相似度评价方法，涉及一种仿生航行器多视角相似度综合评估方法。


背景技术：

2.无人潜航器作为一种智能的水下载体平台，在资源勘探、敌情侦察等军民用作业任务中具有广泛应用，如水文信息采集、水下及水面目标监测等。为了进一步提高航行器的效率、机动性和生物亲和性，仿生水下航行器已成为国际研究热点。
3.随着仿生航行器研究的深入，相似度的提高可以大大提高其稳定性和灵活性。建立仿生航行器仿真度的多视角相似度综合评估方法，可为仿生航行器外形设计方法的制定提供依据。传统的仿生相似度评价方法轮廓点采样不够均匀，无法准确评估相似度。为了衡量仿生相似度，传统方法一般是通过曲率等信息提取轮廓中的特征点进行相似度评价。但是，这种方法只利用了轮廓中某一部分的特定信息，而没有考虑到整个图形的全局信息，导致仿生相似度评价结果难以准确反映仿生航行器与生物原型之间的相似性与差异性，故采用传统的方法进行仿生相似度评价结果不够准确，需要设计一种新的相似度评价方法，为仿生航行器的研究和设计提供科学的决策依据。而在公开的文献中，还未有通过多视角观测获取全局信息来实现相似度综合评估的例子。


技术实现要素：

4.要解决的技术问题
5.为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种仿生航行器多视角相似度综合评估方法，实现仿生航行器与真实生物的仿生相似度评价。
6.方法的特点是：为了确保轮廓的均匀采样，使用jitendra采样方法对轮廓点进行采样。为了利用轮廓图的全局信息进行相似度评价，采用形状上下文算法计算形状上下文距离，并结合三视图对应的相似度值，得到仿生航行器的整体相似度值。
7.技术方案
8.一种仿生航行器多视角相似度综合评估方法，其特征在于步骤如下：
9.步骤1：分别采集真实生物以及该生物的仿生航行器三维外观的三视图，对每个视图分别采用canny算子，得到仿生航行器和真实生物各个视图的轮廓，随后采用jitendra采样方法对每个视图的轮廓进行轮廓点采样，得到各自三视图的轮廓点采样图；
10.步骤2、构建相似度评价矩阵：对每一个轮廓点采样图，以每个轮廓点为中心，构建一个对数极坐标系，将该点与其余采样点间距离的对数值log r分为多个区域；
11.从中心点的正上方开始，沿顺时针方向将360
°
分为多个区域，然后将其余轮廓点映射到每个区域；
12.统计落在每个区域轮廓点的数量，构建形状上下文直方图；
13.将每个区域轮廓点的数量除以落在所有区域的轮廓点的数量以进行归一化，生成
此视图下的形状上下文矩阵；
14.对所有轮廓点采样图实施步骤2，得到三种视图下仿生航行器和生物的形状上下文矩阵。
15.步骤3：将仿生航行器的轮廓图像中的每一点对，对应一个直方图向量，记为gi(k)；真实生物的轮廓图像中的每一点对，对应一个直方图向量，记为hi(k)；采用卡方公式计算相似度评价矩阵，得到不同视图下关于形状上下文的相似度评价矩阵cs：
[0016][0017]
其中：gi和hi代表仿生航行器和真实生物在不同视图下的轮廓点，i表示不同视图；
[0018]
步骤4、计算仿生航行器单一视图相似度：计算仿生航行器与真实生物每一点对间的归一化最短距离dist
min
：
[0019][0020]
步骤5：将相似度度量矩阵cs每行最小损失值之和与每列最小损失值之和相加，然后除以采样轮廓点数n，形状上下文距离d
sc
通过如下公式得到：
[0021][0022]
其中：gi和hi分别代表仿生航行器和真实生物从不同视图下采集的轮廓；
[0023]
步骤6：计算通过形状上下文算法构造的相似度：
[0024][0025]
步骤7：将真实生物与仿生航行器的外形特征相似度设计为三个视图相似度值的加权和，为每个视图分配不同的加权值，计算仿生航行器的总体相似度值：
[0026]ss
＝as0+bs1+cs2[0027]
其中ss代表整体相似度，s0代表俯视图相似度，s1代表侧视图相似度，s2代表前视图相似度，a、b和c分别为俯视图、侧视图和前视图的权值。
[0028]
所述步骤2的对数值log r分为多个区域为5个区域。
[0029]
所述步骤2的将360
°
分为多个区域是：每30
°
划分一个区域，将角度值θ分为12个区域，然后将其余轮廓点映射到每个区域。
[0030]
所述俯视图的权值大于侧视图和前视图的权值。
[0031]
所述俯视图、侧视图和前视图的权值为：a＝0.6、b＝0.2、c＝0.2。
[0032]
有益效果
[0033]
本发明提出的一种仿生航行器多视角相似度综合评估方法，首先从仿生航行器和真实生物的不同角度采集图像，提取它们的轮廓，并通过轮廓点采样方法得到尽可能均匀的轮廓采样点。其次，采用形状上下文算法计算相似度评价矩阵。最后，通过形状上下文距离计算每个视图之间的相似度。对每个视图的相似度进行加权求和，得到仿生航行器的整体外形相似度。该方法基于形状上下文算法计算仿生航行器的相似度值，为其外形和结构
优化指明了方向。
[0034]
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0035]
1、使用jitendra采样方法对轮廓点进行采样，能够保证采样点足够均匀，避免了随机采样可能导致的轮廓采样点过于集中的问题，所得到的采样点能够充分反映整个轮廓包含的特征信息；
[0036]
2、构建形状上下文算子，利用轮廓图形的全局信息而不是某几个特征点的信息进行相似度评价，使得评价结果更加准确；
[0037]
3、采用点对距离进行匹配，所得到的归一化最短距离可以反映仿生航行器和真实生物间的差异程度，便于定量分析两者间外形差异较大的部分；
[0038]
4、通过多个视角进行相似度综合评估，能够充分采集到仿生航行器和真实生物的外形特征，评价结果更加科学合理。
附图说明
[0039]
图1是本发明基于形状上下文算法的仿生航行器相似度评价流程图。
[0040]
图2是仿蝠鲼航行器的侧视轮廓点采样图。
[0041]
图3是以仿蝠鲼航行器轮廓采样点中的一点为中心得到的对数极坐标系。
[0042]
图4是以仿蝠鲼航行器轮廓采样点中的一点为中心得到的形状上下文直方图。
[0043]
图5是仿蝠鲼航行器的前视图。
[0044]
图6是仿蝠鲼航行器的侧视图。
[0045]
图7是仿蝠鲼航行器的俯视图。
[0046]
图8是仿蝠鲼航行器前视轮廓与蝠鲼前视轮廓间的差异示意图。
[0047]
图9是仿蝠鲼航行器侧视轮廓与蝠鲼侧视轮廓间的差异示意图。
[0048]
图10是仿蝠鲼航行器俯视轮廓与蝠鲼俯视轮廓间的差异示意图。
具体实施方式
[0049]
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
[0050]
本发明采用的技术方案是通过采集仿生航行器和真实生物的三视图，将三维外观转换为二维视图；进行轮廓提取和轮廓点采样，获得仿生航行器和真实生物相对均匀的轮廓采样结果；构建形状上下文算子，得到形状上下文矩阵，以便于进行形状上下文距离的计算；利用形状上下文距离计算仿生航行器每一视图的仿生相似度，进而进行整体相似度值的计算。
[0051]
为使本发明的目的、技术方案和优点全面、清晰的展现出来，下面将结合附图对仿生航行器多视角相似度综合评估方法的具体实施方式做进一步的详细说明。需要提前说明的是，为了便于描述，所给出的附图仅是本发明相关的部分结构示意图，并非是本发明的全部实施例。其具体步骤为：
[0052]
参阅图1，一种仿生航行器多视角相似度综合评估方法，包括以下步骤：
[0053]
1：对仿生航行器和真实生物的三维外观进行三视图的采集，将其转换为二维视图，使用canny算子来获取仿生航行器和真实生物的三视图轮廓。随后使用jitendra采样方法对三视图轮廓进行轮廓点采样
[0054]
从俯视图、正视图和侧视图三个角度收集仿生航行器和真实生物的二维视图，将三维模型转换为二维视图。
[0055]
使用canny算子来获取仿生航行器和真实生物的三视图轮廓。随后使用jitendra采样方法对三视图轮廓进行100个轮廓点采样。图2展示了仿蝠鲼航行器的侧视轮廓点采样图。
[0056]
2.构建相似度评价矩阵。对于每个轮廓点，构建一个以它为中心的对数极坐标系。统计落在每个区域的轮廓点的数量，以构建形状上下文算子。最后除以落在所有区域的轮廓点的数量以进行归一化，生成形状上下文矩阵。
[0057]
具体的，对于仿生航行器和真实生物的某个视图的每个轮廓点，构建一个以它为中心的对数极坐标系，将该点与其余采样点间距离的对数值log r分为5个区域，从中心点的正上方开始，沿顺时针方向每30
°
划分一个区域，将角度值θ分为12个区域，然后将其余轮廓点映射到每个区域。图3展示了以仿蝠鲼航行器轮廓采样点中的一点为中心得到的对数极坐标系。图4展示了以仿蝠鲼航行器轮廓采样点中的一点为中心得到的形状上下文直方图。
[0058]
进一步的，最后将每个区域轮廓点的数量除以落在所有区域的轮廓点的数量以进行归一化，生成此视图下的形状上下文矩阵。
[0059]
对三视图的每个轮廓点都进行上述操作，得到三种视图下仿生航行器和生物的形状上下文矩阵。
[0060]
进一步的，对于仿生航行器和生物的轮廓图像中的每一点对，都有一个直方图向量，分别记为gi(k)和hi(k)。代入卡方公式计算相似度度量矩阵，可以得到关于形状上下文的相似度评价矩阵cs：
[0061][0062]
其中gi和hi代表仿生航行器和真实生物在不同视图下的轮廓点。
[0063]
3.定义仿生航行器与真实生物每一点对间的归一化最短距离dist
min
如下：
[0064][0065]
对于相似度度量矩阵cs，将每行最小损失值之和与每列最小损失值之和相加，然后除以采样轮廓点数n。形状上下文距离d
sc
通过如下公式得到：
[0066][0067]
其中gi和hi分别代表仿生航行器和真实生物从不同视图下采集的轮廓。
[0068]
通过形状上下文算法构造的相似度计算方法如下：
[0069][0070]
4.将真实生物与仿生航行器的外形特征相似度设计为三个视图相似度值的加权和。图5、图6、图7展示了采集的仿蝠鲼航行器前视图、侧视图、俯视图。
[0071]
通过为每个视图分配不同的加权值，计算仿生航行器的总体相似度值，如下所示：
[0072]ss
＝as0+bs1+cs2[0073]
其中ss代表整体相似度，s0代表俯视图相似度，s1代表侧视图相似度，s2代表前视图相似度，a＝0.6、b＝0.2、c＝0.2为各视图的权重。附表1给出了本实施例仿蝠鲼航行器各视图及整体相似度值。
[0074]
结合仿生航行器各视图的dist
min
值可得到仿生航行器三维模型与真实生物差异较大的部分。图8、图9、图10展示了仿蝠鲼航行器三视图与真实蝠鲼三视图间的差异。
[0075]
以上所述的具体实施例仅为对本发明的技术思想进行展示和说明，不能用于限定本发明，凡在本发明的设计思想和原则之内，在技术方案上所做的任何修改、替换及改进等，均应在本发明的保护范围之内。
[0076]
表1仿蝠鲼航行器相似度值
[0077]