一种基于无线信道的目标位姿图像测量方法
【专利摘要】本发明一种基于无线信道数据传输系统的目标位姿图像测量方法，涉及图像处理与位姿测量技术。包括设置发射端和接收端，发射端包括摄像机和图像处理单元，图像处理单元提取拍摄图像的至少3个特征点，确定其坐标，建立所述坐标与目标的先验特征的匹配关系，生成图像特征信息数据；图像特征信息数据通过无线信道从发射端传输到接收端；接收端的位姿解算单元，采用接收到的图像特征信息数据进行位姿参数解算。本发明将位姿的图像测量分为特征提取和位姿参数解算两个步骤，采用传输图像特征信息数据代替整幅图像，满足容量较低的无线信道要求。特征提取在高分辨率和高帧率图像的条件下完成，从而保证了位姿参数的测量精度。
【专利说明】一种基于无线信道的目标位姿图像测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及图像处理与位姿测量技术，尤其涉及一种基于无线信道数据传输系统的目标位姿图像测量方法。
【背景技术】
[0002]位姿图像测量技术具有不接触被测物体的优点，在科研、军事、空间开发等领域具有十分重要的应用价值。在某些位姿测量的场景中，需要将观测点设置在飞行器(例如飞机、飞船、火箭等)上，测量与飞行器具有相对运动的飞行目标(例如卫星、火箭等)的相对位姿参数。设置在飞行器上的观测点通过无线信道与地面接收站通信。
[0003]图像测量的精度高度依赖于图像分辨率和帧率，当图像分辨率和帧率足够高时才能获得高测量精度。在航天、军事等领域，测量系统采用无线信道传输数据时，信道容量较低使测量系统的图像分辨率和帧率较低，需要通过合理的方案设计，优化位姿图像测量技术的各个步骤，达到较高的位姿测量精度。
[0004]北京理工大学航天测控实验室研制的目标位姿远程图像观测系统，采用数据压缩技术实现了在较低的信道容量下图像的无线传输，图像可用于对目标位姿进行定性的观测。但是受无线信道容量所限，这种系统所传输的图像分辨率和码率较低，不能对目标位姿进行定量测量。
[0005]国防科学技术大学对基于视觉的空间目标位姿测量方法进行了研究，在论文“基于视觉的空间目标位置姿态测量方法研究”中，提出了在较高图像分辨率的条件下精确测量目标位姿的方法，但是该方法没有考虑在低信道容量下高分辨率图像无法传输的问题。
[0006]典型无线信道容量不高于2Mbps，上述方法在此较低的信道容量下都不能够实现对目标位姿的高精度图像测量，为此需要针对此信道容量的较低数据传输条件设计目标位姿图像测量方法。
【发明内容】
[0007]为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明要解决的技术问题是针对无线信道的低信道容量的传输条件提出一种目标位姿图像测量方法，该方法能够实现对目标位姿的高精度图像测量，适用于具有先验信息的各种类型的合作目标。
[0008]本发明解决其技术问题所采取的技术方案是:
[0009]一种基于无线信道的目标位姿图像测量方法，将位姿测量算法分解为特征提取和位姿参数解算两环节，且在特征提取环节得到的图像特征信息数据的传输码率满足无线信道的低容量限制。
[0010]本发明的方法包括，设置发射端和接收端；
[0011]所述发射端包括摄像机和图像处理单元；所述摄像机拍摄飞行目标的高分辨率图像；其中摄像机拍摄的图像分辨率高于512 X 512，帧率高于50bps ；
[0012]所述图像处理单元提取所述摄像机拍摄图像的至少3个特征点，确定特征点在图像中的坐标；并建立所述坐标与目标的先验特征的匹配关系，生成图像特征信息数据。
[0013]在对摄像机拍摄的图像进行特征提取的步骤中，所提取的特征点可以是所述图像的角点、边缘等图像特征。
[0014]在所述步骤中，所述生成的图像特征信息数据需经过图像预处理、目标检测、特征检测、特征匹配、图像特征信息数据输出等环节，以上环节可选择与测量场景相适应的已成熟的公知算法实现。
[0015]由于本发明的方法中待测目标为合作目标，因此具有先验特征信息，与图像处理有关的算法可根据目标特征的不同采取公知的相应的特征匹配算法，生成的图像特征信息数据能够计算出目标位姿参数。
[0016]所述生成的图像特征信息数据通过无线信道从发射端传输到接收端。
[0017]所述接收端包括位姿解算单元，位姿解算单元采用接收到的所述图像特征信息数据进行位姿参数解算。
[0018]数据传输系统的无线信道容量较低，不能实时传送高分辨率和高帧率图像，但是图像特征信息数据的传输码率可以满足无线信道的容量限制。
[0019]本发明将传输的数据流采用图像特征信息数据代替整幅图像，从而满足容量较低的无线信道要求；并将位姿的图像测量分为特征提取和位姿参数解算两个步骤，特征提取在高分辨率和高帧率图像的条件下完成，保证了图像特征信息数据的精度，从而保证了位姿参数的测量精度。
[0020]通过以下结合附图以举例方式对本发明的实施方式进行详细的描述后，本发明的其他特征、特点和优点将会更加的明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是本发明的一种基于无线信道数据传输系统的目标位姿图像测量方法的系统组成框图。
[0022]图2是本发明的一种基于无线信道数据传输系统的目标位姿图像测量方法的测量流程图。
[0023]图3是本发明的一种基于无线信道数据传输系统的目标位姿图像测量方法的飞行目标外观图。
[0024]图4是本发明的一种基于无线信道数据传输系统的目标位姿图像测量方法的飞行目标的特征点示意图。
[0025]图5是本发明的一种基于无线信道数据传输系统的目标位姿图像测量方法的示意图。
[0026]图6是本发明的一种基于无线信道数据传输系统的目标位姿图像测量方法的中心投影模型图。
[0027]图7是本发明的一种基于无线信道数据传输系统的目标位姿图像测量方法的图像特征信息数据提取流程图。
[0028]图8是本发明的一种基于无线信道数据传输系统的目标位姿图像测量方法中飞行目标图像梯度方向示意图。
[0029]图9是本发明的一种基于无线信道数据传输系统的目标位姿图像测量方法的像素坐标系与图像坐标系示意图。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图和一个典型的【具体实施方式】对本发明做详细说明。
[0031]参见附图所示，图1是本发明一种基于无线信道数据传输系统的目标位姿图像测量方法的系统的组成框图。本发明的系统由发射端和接收端两部分组成。其中，发射端由摄像机、图像处理单元、调制及功放器、发射机组成；接收端由接收机、检测及解调器、位姿解算单元组成。其中，本发明的系统发射端完成图像采集、图像特征提取、信号调制和放大、信号发送等功能；接收端完成信号接收、信号解调、位姿解算、参数显示等功能。
[0032]参见图2所示，本发明的测量流程如下:采用高分辨率摄像机拍摄目标图像，摄像机的图像分辨率高于512 X 512，帧率高于50bps ;所拍摄的图像传给图像处理器，图像处理器对图像进行特征提取，并将图像特征信息数据，经调制及功放后通过发射机发送。可以经过信道容量不高于2Mbps的低带宽的无线信道传送给接收端。接收端的接收机接收图像特征信息数据后，经检测及解调器传给位姿解算单元进行位姿参数解算。
[0033]本发明的核心步骤在于，将目标的位姿测量算法分为图像特征提取和位姿参数求解两部分，分别在系统的发送端和接收端完成，从而使系统完成对目标的位姿参数测量。 [0034]下面以待测目标为带有标记图案的锥形目标为例，具体说明本发明的目标位姿测量的方法。
[0035]图3为待测飞行目标的外观图，图4为飞行目标的特征点示意图，以图4所示的类梯形的4个顶点作为目标的特征点。
[0036](一)位姿参数与坐标系定义
[0037]图5为本发明的位姿测量系统简图，图6为本发明的测量方法的中心投影模型图。对待测飞行目标的位姿测量过程中共定义5个坐标系:
[0038]( I)目标坐标系O-XYZ
[0039](2 )测量坐标系 Ow-XwYwZw
[0040](3 )摄像机坐标系Oc-XcTcZc
[0041](4)图像坐标系o-xy
[0042]( 5 )像素坐标系o’ -UV
[0043]同时，设特征点Pi在上述5个坐标系中的坐标分别为％=(\，Yi, Zi)'W；l'=(X；',Y；\Zrf ,W: =(X;, W)r ,W= (Xi, yi)T，W’ =(Ui，Vi)T。(本专利默认 i=l, 2，3，4)
[0044]WiZ间存在以下关系:
[0045]= RWi +T(1)
[0046]1'为平移向量，是一个三维向量1=[1')(，1\，1^]1。表示两坐标系之间的相对位置，即目标坐标系的原点在测量坐标系的坐标。
[0047]R为旋转矩阵,是三个角度(a, P，y )的三角函数组合。绕X轴旋转角a，绕Y轴旋转角3，绕Z轴旋转角Y。目标坐标系按顺序分别绕三个坐标轴旋转，就达到三条坐标轴分别与测量坐标系对应的三条坐标轴方向一致的姿态。R用来描述目标坐标系相对于测量坐标系的姿态。R与(a，(6, Y)的关系为:
【权利要求】
1.一种基于无线信道的目标位姿图像测量方法，其特征在于， 设置发射端和接收端； 所述发射端包括摄像机和图像处理单元； 所述摄像机拍摄合作飞行目标的高分辨率图像； 所述图像处理单元提取所述摄像机拍摄高分辨率图像的至少3个特征点，确定特征点在图像中的坐标；并建立所述坐标与所述合作飞行目标的先验特征的匹配关系，生成图像特征信息数据； 每帧图像的图像特征信息数据包括特征点的坐标和编号； 所述生成的图像特征信息数据通过无线信道从发射端传输到接收端； 所述接收端包括位姿解算单元； 位姿解算单元采用接收到的所述图像特征信息数据进行位姿参数解算。
2.根据权利要求1所述的基于无线信道的目标位姿图像测量方法，其特征在于，摄像机拍摄的图像分辨率高于512X512，帧率高于50bps。
3.根据权利要求1或2所述的基于无线信道的目标位姿图像测量方法，其特征在于，所述特征点提取、建立图像特征点与合作目标先验特征的匹配关系，生成图像特征信息数据的全部环节由以DSP芯片为核心的图像处理单元完成。
【文档编号】H04N7/18GK103528568SQ201310464818
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月8日 优先权日:2013年10月8日
【发明者】谌德荣, 王长元, 周广铭, 蒋玉萍, 高翔霄, 杨晓乐, 关咏梅, 董齐齐, 赵燕 申请人:北京理工大学, 北京宇航系统工程研究所