一種不規(guī)則光點的質(zhì)心定位方法
【專利摘要】一種不規(guī)則光點的質(zhì)心定位方法，交會測量相機(jī)對安裝在目標(biāo)飛行器上的合作目標(biāo)標(biāo)志器進(jìn)行成像，在不同距離下目標(biāo)成像會出現(xiàn)光點融合、光點部分融合、光點分離等不同的成像特點。本發(fā)明在合作目標(biāo)幾何特征匹配的基礎(chǔ)上，利用大光標(biāo)定位出小光標(biāo)模板，并用模板匹配、多次閾值分割的方法對未融合的小光標(biāo)的質(zhì)心進(jìn)行定位。有效地解決了不同的測量距離下目標(biāo)圖像特征變化情況下的目標(biāo)識別問題，增加了敏感器的工作范圍和適應(yīng)性。
【專利說明】一種不規(guī)則光點的質(zhì)心定位方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種不規(guī)則光點的質(zhì)心定位方法，應(yīng)用于空間交會測量相機(jī)的目標(biāo)識別。

【背景技術(shù)】
[0002]交會測量子系統(tǒng)由安裝在飛船上的交會測量相機(jī)和安裝在目標(biāo)飛行器上的合作目標(biāo)標(biāo)志器組成，目標(biāo)標(biāo)志器由外圍三個大光標(biāo)和內(nèi)部五個小光標(biāo)，按照圖1中結(jié)構(gòu)示意圖布置，大小光標(biāo)為近距離備份設(shè)計，全程以大光標(biāo)輸出結(jié)果為主。通過激光光源發(fā)光照射由角反射構(gòu)成的目標(biāo)標(biāo)志器，經(jīng)過角反射器光線原路返回照射平面鏡，光路折返后進(jìn)入測量相機(jī)形成測量圖像，根據(jù)視覺測量原理可以計算得到相機(jī)坐標(biāo)系相對于目標(biāo)標(biāo)志器坐標(biāo)系的相對位置和相對速度、相對姿態(tài)角和相對姿態(tài)角速度，從而為GNCC提供相對導(dǎo)航的測量信息。
[0003]交會測量相機(jī)工作距離范圍較大，在遠(yuǎn)近不同距離下成像后的目標(biāo)光點的間距變化很大。需要保證遠(yuǎn)距離目標(biāo)像點多目標(biāo)融合，又保證近距離目標(biāo)像點不融合時均能正常進(jìn)行目標(biāo)識別，對圖像處理算法提出了很高的要求。
[0004]研制過程中提出了一種不規(guī)則光點的質(zhì)心定位算法以提高相機(jī)在目標(biāo)分離、目標(biāo)融合、分離融合過渡過程均能穩(wěn)定提取計算的能力，是基于傳統(tǒng)圖像處理技術(shù)與圖像形態(tài)學(xué)一體的目標(biāo)定位技術(shù)，為整個測量系統(tǒng)合理設(shè)計、相機(jī)能夠在大測量范圍下穩(wěn)定測量奠定基礎(chǔ)。
[0005]文獻(xiàn)如下:
[0006][I]劉震、尚硯娜等，多尺度光點圖像中心的高精度定位，光學(xué)精密工程，2013年第21卷第6期
[0007][2]WANG C, THORPE C, HEBERT M, et al.Simultaneous Localizat1n, Mappingand Moving Object Tracking[J].The Internat1nal Journal of Robotics Research,2007,26(6).
[0008][3] CUMMINS.M, NEWMAN.P, Probabilistic Localizat1n and Mappingin the Space of Appearance,The Internat1nal Journal of RoboticsResearch, 2008, 27(6):647-665.
[0009]文獻(xiàn)情況:
[0010]文獻(xiàn)[I]通過已知探測模板構(gòu)造近似和閾值分割確定光點圖像區(qū)域,初步確定光點圖像大小。計算不同尺度空間下各光點圖像區(qū)域的相似度矩陣，與模板比對獲得不規(guī)則光點質(zhì)心坐標(biāo)；
[0011]文獻(xiàn)[2]的機(jī)理和文獻(xiàn)[I]相似，僅在相似度矩陣與模板比對過程中，不是單幀計算，而是多幀聯(lián)合實現(xiàn)動態(tài)過程的不規(guī)則光點質(zhì)心定位；
[0012]文獻(xiàn)[3]通過分析圖像和已知探測目標(biāo)形態(tài)差異，依據(jù)極大似然技術(shù)，完成目標(biāo)圖像配準(zhǔn)，獲得高精度的融合光點質(zhì)心定位結(jié)果。
[0013]文獻(xiàn)[I]和[2]中需要引入已知目標(biāo)固定探測模板，無法進(jìn)行模板的大范圍變化，不能實現(xiàn)大范圍測量。文獻(xiàn)[3]中極大似然算法雖然引入復(fù)雜的形態(tài)學(xué)處理機(jī)制，能夠獲得高精度的融合光點質(zhì)心坐標(biāo)，但是算法過于復(fù)雜，無法滿足嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種不規(guī)則光點的質(zhì)心定位方法。
[0015]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
[0016]一種不規(guī)則光點的質(zhì)心定位方法，步驟如下:
[0017](I)安裝在飛船上的交會測量相機(jī)對安裝在目標(biāo)飛行器上的合作目標(biāo)標(biāo)志器進(jìn)行成像；目標(biāo)飛行器上的合作目標(biāo)標(biāo)志器包括3個大光標(biāo)和5個小光標(biāo)，均分布在合作目標(biāo)標(biāo)志器坐標(biāo)系中，具體見下表:
[0018]

【權(quán)利要求】
1.一種不規(guī)則光點的質(zhì)心定位方法，其特征在于步驟如下: (1)安裝在飛船上的交會測量相機(jī)對安裝在目標(biāo)飛行器上的合作目標(biāo)標(biāo)志器進(jìn)行成像；目標(biāo)飛行器上的合作目標(biāo)標(biāo)志器包括3個大光標(biāo)和5個小光標(biāo)，均分布在合作目標(biāo)標(biāo)志器坐標(biāo)系中，具體見下表:
(2)通過閾值分割算法對步驟(1)中得到的圖像進(jìn)行光點提取，獲得全局圖像中的基本光點信息；所述基本光點信息包括光點個數(shù)、光點的像元數(shù)和光點位置在成像面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)； (3)判斷步驟(2)中得到的光點個數(shù)是否大于4，如果大于4，則進(jìn)入步驟(4)，否則進(jìn)入步驟(7)； (4)在所有光點中任選5個光點，之后進(jìn)入步驟(5)； (5)如果在所有光點中任選5個光點的組合已經(jīng)遍歷，則進(jìn)入步驟(11);否則進(jìn)入步驟(6)； (6)對選擇出的5個光點進(jìn)行小光標(biāo)匹配,如果匹配成功，則將中央小光標(biāo)作為大光標(biāo)，之后進(jìn)入步驟(7);否則返回步驟⑷； (7)判斷光點個數(shù)是否大于3，如果大于3，則進(jìn)入步驟(8);否則結(jié)束； (8)在除去步驟(6)中所述5個小光標(biāo)之外的所有光點中任選3個光點，之后進(jìn)入步驟(9)； (9)如果所述步驟(8)中任選的3個光點組合已經(jīng)遍歷，則結(jié)束；否則進(jìn)入步驟(10)； (10)對選擇出的3個光點以及步驟(6)中的中央小光點進(jìn)行大光標(biāo)匹配，如果匹配成功，則匹配出的所有的光點即為質(zhì)心可用的光點，否則返回步驟⑶； 進(jìn)行大光標(biāo)匹配具體為: (10.1)將選擇的3個光點，挑選出在圖像中的最上、最下和最右的3個光點； (10.2)以最上和最下兩個光點的連線為直徑，連線中點為圓心畫圓，如果最右的光點到圓心的距離與半徑的差小于3個像素，則進(jìn)入步驟(10.3)，否則說明本次選擇的3個光點不合要求，匹配失?。? (10.3)將最上和最下的光點之間進(jìn)行連線，最右的光點與最上最下連線的中點之間進(jìn)行連線，如果兩條連線互相垂直，誤差在2°以內(nèi)，進(jìn)入步驟(10.4);否則匹配失??； (10.4)最右的光點與最上最下連線的中點之間進(jìn)行連線，如果該連線與相面坐標(biāo)系中X軸的夾角在正負(fù)13度范圍內(nèi)，則進(jìn)入步驟(10.5);否則匹配失??； (10.5)如果所述中央小光點與所述圓心的距離小于所述半徑的四分之一，則匹配成功，最上光點為第一大光標(biāo)，最右光點為第二大光標(biāo)，最下光點為第三大光標(biāo)； (11)在所有光點中任選4個光點，之后進(jìn)入步驟(12)； (12)如果所述步驟(11)中任選的4個光點組合已經(jīng)遍歷，則結(jié)束；否則進(jìn)入步驟(13)； (13)對選擇出的4個光點進(jìn)行大光標(biāo)匹配，如果匹配成功，則匹配出的所有的光點即為質(zhì)心可用的光點，否則返回步驟⑶； 進(jìn)行大光標(biāo)匹配具體為: (13.1)在選擇出的4個光點中，挑選出在圖像中的最上、最下和最右的3個光點；(13.2)以最上和最下兩個光點的連線為直徑，連線中點為圓心畫圓，如果最右的光點到圓心的距離與半徑的差小于3個像素，則進(jìn)入步驟(13.3)，否則說明本次選擇的3個光點不合要求，匹配失??； (13.3)將最上和最下的光點之間進(jìn)行連線，最右的光點與最上最下連線的中點之間進(jìn)行連線，如果兩條連線互相垂直，誤差在2°以內(nèi)，進(jìn)入步驟(13.4);否則匹配失敗； (13.4)最右的光點與最上最下連線的中點之間進(jìn)行連線，如果該連線與相面坐標(biāo)系中X軸的夾角在正負(fù)13度范圍內(nèi)，則最上光點為第一大光標(biāo)，最右光點為第二大光標(biāo)，最下光點為第三大光標(biāo)，之后進(jìn)入步驟(13.5);否則匹配失敗； (13.5)以最上最下光點連線的中點為圓心，以最上最下光點連線長度的1/8為半徑，確定出圓形的小光標(biāo)搜索區(qū)域； (13.6)統(tǒng)計所述小光標(biāo)搜索區(qū)域中所有光點的數(shù)量N，如果N小于等于0，則返回步驟(11);如果N>4，則進(jìn)入步驟(13.7);如果N為3或者4，則進(jìn)入(13.8);如果N為I或者2，則進(jìn)入(13.9)； (13.7)距離所述小光標(biāo)搜索區(qū)域中心最近的光點為第五小光標(biāo)，匹配成功； (13.8)進(jìn)行小光標(biāo)模板匹配，將匹配成功的小光標(biāo)、第一大光標(biāo)，第二大光標(biāo)和第三大光標(biāo)放在一個坐標(biāo)數(shù)組中記錄，匹配成功； (13.9)如果所述小光標(biāo)搜索區(qū)域中光點的像兀數(shù)大于第一大光標(biāo)、第二大光標(biāo)和第三大光標(biāo)像元數(shù)平均值的兩倍，則進(jìn)入步驟(13.10)，否則返回步驟(11)； (13.10)在所述小光標(biāo)搜索區(qū)域內(nèi)，將閾值增加20灰度級，通過閾值分割算法進(jìn)行光點提取，如果提取出的光點數(shù)大于等于3，則進(jìn)入(13.8)，否則將閾值再次增加20灰度級，重復(fù)執(zhí)行本步驟；如果閾值增加的次數(shù)大于2并且提取出的光點數(shù)量小于3，則將所述小光標(biāo)搜索區(qū)域內(nèi)所有光點合成為一個中央大光點，將中央大光點、第一大光標(biāo)，第二大光標(biāo)和第三大光標(biāo)放在一個坐標(biāo)數(shù)組中記錄，匹配成功。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種不規(guī)則光點的質(zhì)心定位方法，其特征在于:所述步驟(6)進(jìn)行小光標(biāo)匹配具體為: (2.1)將選擇的5個光點，挑選出在圖像中的最上、最下、最左和最右的四個光點； (2.2)以最上和最下兩個光點的連線為直徑，連線中點為圓心畫圓，如果最左和最右兩個光點到圓心的距離與半徑的差小于3個像素，則進(jìn)入步驟(2.3)，否則說明本次選擇的5個光點不合要求，匹配失敗； (2.3)將最上和最下的光點之間進(jìn)行連線，最左與最右的光點之間進(jìn)行連線，如果兩條連線互相垂直，誤差在2°以內(nèi)，進(jìn)入步驟(2.4);否則匹配失??； (2.4)最左與最右的光點之間進(jìn)行連線，如果該連線與相面坐標(biāo)系中X軸的夾角在正負(fù)13度范圍內(nèi)，則進(jìn)入步驟(2.5);否則匹配失??； (2.5)如果剩余的一個光點與步驟(2.2)中所述圓心的距離小于所述半徑的四分之一，則匹配成功，該剩余的一個光點為第五小光標(biāo)，最上的光點為第一小光標(biāo)，最右的光點為第二小光標(biāo)，最下的光點為第三小光標(biāo)，最左的光點為第四小光標(biāo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種不規(guī)則光點的質(zhì)心定位方法，其特征在于:所述小光標(biāo)模板匹配具體為: (3.1)根據(jù)第一大光標(biāo)、第二大光標(biāo)、第三大光標(biāo)的坐標(biāo)位置確定出小光標(biāo)模板:第一大光標(biāo)和第三大光標(biāo)的連線中點為圓心，圓心位置為第五小光標(biāo)的模板位置，在圓心到第一大光標(biāo)的連線上，距圓心為圓心到第一大光標(biāo)距離的三分之一處，為第一小光標(biāo)的模板位置；在圓心到第二大光標(biāo)的連線上，距圓心為圓心到第二大光標(biāo)距離的三分之一處，為第二小光標(biāo)的模板位置；在圓心到第三大光標(biāo)的連線上，距圓心為圓心到第三大光標(biāo)距離的三分之一處，為第三小光標(biāo)的模板位置；在圓心到第二大光標(biāo)連線的反向延長線上，距圓心為圓心到第二大光標(biāo)距離的三分之一處，為第四小光標(biāo)的模板位置； (3.2)將在所述小光標(biāo)搜索區(qū)域中的提取出的光點與所述小光標(biāo)模板中的五個小光標(biāo)位置進(jìn)行比較，如果光點與距離最近的模版中的小光標(biāo)之間的距離小于0.5個像素，則該光點即為該小光標(biāo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種不規(guī)則光點的質(zhì)心定位方法，其特征在于:所述合作目標(biāo)標(biāo)志器坐標(biāo)系的X軸、Y軸的指向分別與目標(biāo)飛行器本體坐標(biāo)系的Y軸和-Z軸相同，合作目標(biāo)標(biāo)志器坐標(biāo)系的Z軸由右手定則確定，合作目標(biāo)標(biāo)志器坐標(biāo)系的原點坐標(biāo)為五個小光標(biāo)的坐標(biāo)均值； 目標(biāo)飛行器本體坐標(biāo)系:飛行器的質(zhì)心為原點，飛行器前進(jìn)方向為+X軸，飛行器的對地面的方向為+Z軸，Y軸由右手定則確定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種不規(guī)則光點的質(zhì)心定位方法，其特征在于:所述相面坐標(biāo)系是指:原點為所述交會測量相機(jī)的成像芯片的左上角第一個像素位置，X軸為沿水平方向向右為正，y軸為沿垂直方向向下為正。
【文檔編號】G06K9/00GK104134212SQ201410354415
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月23日
【發(fā)明者】郭紹剛, 趙春暉, 諶穎, 劉魯, 劉啟海, 華寶成, 龔德鑄 申請人:北京控制工程研究所