一種基于無線信道的目標(biāo)位姿圖像測量方法
【專利摘要】本發(fā)明一種基于無線信道數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的目標(biāo)位姿圖像測量方法，涉及圖像處理與位姿測量技術(shù)。包括設(shè)置發(fā)射端和接收端，發(fā)射端包括攝像機(jī)和圖像處理單元，圖像處理單元提取拍攝圖像的至少3個(gè)特征點(diǎn)，確定其坐標(biāo)，建立所述坐標(biāo)與目標(biāo)的先驗(yàn)特征的匹配關(guān)系，生成圖像特征信息數(shù)據(jù)；圖像特征信息數(shù)據(jù)通過無線信道從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩耍唤邮斩说奈蛔私馑銌卧?，采用接收到的圖像特征信息數(shù)據(jù)進(jìn)行位姿參數(shù)解算。本發(fā)明將位姿的圖像測量分為特征提取和位姿參數(shù)解算兩個(gè)步驟，采用傳輸圖像特征信息數(shù)據(jù)代替整幅圖像，滿足容量較低的無線信道要求。特征提取在高分辨率和高幀率圖像的條件下完成，從而保證了位姿參數(shù)的測量精度。
【專利說明】一種基于無線信道的目標(biāo)位姿圖像測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及圖像處理與位姿測量技術(shù)，尤其涉及一種基于無線信道數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的目標(biāo)位姿圖像測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]位姿圖像測量技術(shù)具有不接觸被測物體的優(yōu)點(diǎn)，在科研、軍事、空間開發(fā)等領(lǐng)域具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。在某些位姿測量的場景中，需要將觀測點(diǎn)設(shè)置在飛行器(例如飛機(jī)、飛船、火箭等)上，測量與飛行器具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的飛行目標(biāo)(例如衛(wèi)星、火箭等)的相對(duì)位姿參數(shù)。設(shè)置在飛行器上的觀測點(diǎn)通過無線信道與地面接收站通信。
[0003]圖像測量的精度高度依賴于圖像分辨率和幀率，當(dāng)圖像分辨率和幀率足夠高時(shí)才能獲得高測量精度。在航天、軍事等領(lǐng)域，測量系統(tǒng)采用無線信道傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，信道容量較低使測量系統(tǒng)的圖像分辨率和幀率較低，需要通過合理的方案設(shè)計(jì)，優(yōu)化位姿圖像測量技術(shù)的各個(gè)步驟，達(dá)到較高的位姿測量精度。
[0004]北京理工大學(xué)航天測控實(shí)驗(yàn)室研制的目標(biāo)位姿遠(yuǎn)程圖像觀測系統(tǒng)，采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在較低的信道容量下圖像的無線傳輸，圖像可用于對(duì)目標(biāo)位姿進(jìn)行定性的觀測。但是受無線信道容量所限，這種系統(tǒng)所傳輸?shù)膱D像分辨率和碼率較低，不能對(duì)目標(biāo)位姿進(jìn)行定量測量。
[0005]國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)對(duì)基于視覺的空間目標(biāo)位姿測量方法進(jìn)行了研究，在論文“基于視覺的空間目標(biāo)位置姿態(tài)測量方法研究”中，提出了在較高圖像分辨率的條件下精確測量目標(biāo)位姿的方法，但是該方法沒有考慮在低信道容量下高分辨率圖像無法傳輸?shù)膯栴}。
[0006]典型無線信道容量不高于2Mbps，上述方法在此較低的信道容量下都不能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)位姿的高精度圖像測量，為此需要針對(duì)此信道容量的較低數(shù)據(jù)傳輸條件設(shè)計(jì)目標(biāo)位姿圖像測量方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對(duì)無線信道的低信道容量的傳輸條件提出一種目標(biāo)位姿圖像測量方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)位姿的高精度圖像測量，適用于具有先驗(yàn)信息的各種類型的合作目標(biāo)。
[0008]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是:
[0009]一種基于無線信道的目標(biāo)位姿圖像測量方法，將位姿測量算法分解為特征提取和位姿參數(shù)解算兩環(huán)節(jié)，且在特征提取環(huán)節(jié)得到的圖像特征信息數(shù)據(jù)的傳輸碼率滿足無線信道的低容量限制。
[0010]本發(fā)明的方法包括，設(shè)置發(fā)射端和接收端；
[0011]所述發(fā)射端包括攝像機(jī)和圖像處理單元；所述攝像機(jī)拍攝飛行目標(biāo)的高分辨率圖像；其中攝像機(jī)拍攝的圖像分辨率高于512 X 512，幀率高于50bps ；
[0012]所述圖像處理單元提取所述攝像機(jī)拍攝圖像的至少3個(gè)特征點(diǎn)，確定特征點(diǎn)在圖像中的坐標(biāo)；并建立所述坐標(biāo)與目標(biāo)的先驗(yàn)特征的匹配關(guān)系，生成圖像特征信息數(shù)據(jù)。
[0013]在對(duì)攝像機(jī)拍攝的圖像進(jìn)行特征提取的步驟中，所提取的特征點(diǎn)可以是所述圖像的角點(diǎn)、邊緣等圖像特征。
[0014]在所述步驟中，所述生成的圖像特征信息數(shù)據(jù)需經(jīng)過圖像預(yù)處理、目標(biāo)檢測、特征檢測、特征匹配、圖像特征信息數(shù)據(jù)輸出等環(huán)節(jié)，以上環(huán)節(jié)可選擇與測量場景相適應(yīng)的已成熟的公知算法實(shí)現(xiàn)。
[0015]由于本發(fā)明的方法中待測目標(biāo)為合作目標(biāo)，因此具有先驗(yàn)特征信息，與圖像處理有關(guān)的算法可根據(jù)目標(biāo)特征的不同采取公知的相應(yīng)的特征匹配算法，生成的圖像特征信息數(shù)據(jù)能夠計(jì)算出目標(biāo)位姿參數(shù)。
[0016]所述生成的圖像特征信息數(shù)據(jù)通過無線信道從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩恕?br> [0017]所述接收端包括位姿解算單元，位姿解算單元采用接收到的所述圖像特征信息數(shù)據(jù)進(jìn)行位姿參數(shù)解算。
[0018]數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的無線信道容量較低，不能實(shí)時(shí)傳送高分辨率和高幀率圖像，但是圖像特征信息數(shù)據(jù)的傳輸碼率可以滿足無線信道的容量限制。
[0019]本發(fā)明將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流采用圖像特征信息數(shù)據(jù)代替整幅圖像，從而滿足容量較低的無線信道要求；并將位姿的圖像測量分為特征提取和位姿參數(shù)解算兩個(gè)步驟，特征提取在高分辨率和高幀率圖像的條件下完成，保證了圖像特征信息數(shù)據(jù)的精度，從而保證了位姿參數(shù)的測量精度。
[0020]通過以下結(jié)合附圖以舉例方式對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)的描述后，本發(fā)明的其他特征、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)更加的明顯。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明的一種基于無線信道數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的目標(biāo)位姿圖像測量方法的系統(tǒng)組成框圖。
[0022]圖2是本發(fā)明的一種基于無線信道數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的目標(biāo)位姿圖像測量方法的測量流程圖。
[0023]圖3是本發(fā)明的一種基于無線信道數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的目標(biāo)位姿圖像測量方法的飛行目標(biāo)外觀圖。
[0024]圖4是本發(fā)明的一種基于無線信道數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的目標(biāo)位姿圖像測量方法的飛行目標(biāo)的特征點(diǎn)示意圖。
[0025]圖5是本發(fā)明的一種基于無線信道數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的目標(biāo)位姿圖像測量方法的示意圖。
[0026]圖6是本發(fā)明的一種基于無線信道數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的目標(biāo)位姿圖像測量方法的中心投影模型圖。
[0027]圖7是本發(fā)明的一種基于無線信道數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的目標(biāo)位姿圖像測量方法的圖像特征信息數(shù)據(jù)提取流程圖。
[0028]圖8是本發(fā)明的一種基于無線信道數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的目標(biāo)位姿圖像測量方法中飛行目標(biāo)圖像梯度方向示意圖。
[0029]圖9是本發(fā)明的一種基于無線信道數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的目標(biāo)位姿圖像測量方法的像素坐標(biāo)系與圖像坐標(biāo)系示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖和一個(gè)典型的【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說明。
[0031]參見附圖所示，圖1是本發(fā)明一種基于無線信道數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的目標(biāo)位姿圖像測量方法的系統(tǒng)的組成框圖。本發(fā)明的系統(tǒng)由發(fā)射端和接收端兩部分組成。其中，發(fā)射端由攝像機(jī)、圖像處理單元、調(diào)制及功放器、發(fā)射機(jī)組成；接收端由接收機(jī)、檢測及解調(diào)器、位姿解算單元組成。其中，本發(fā)明的系統(tǒng)發(fā)射端完成圖像采集、圖像特征提取、信號(hào)調(diào)制和放大、信號(hào)發(fā)送等功能；接收端完成信號(hào)接收、信號(hào)解調(diào)、位姿解算、參數(shù)顯示等功能。
[0032]參見圖2所示，本發(fā)明的測量流程如下:采用高分辨率攝像機(jī)拍攝目標(biāo)圖像，攝像機(jī)的圖像分辨率高于512 X 512，幀率高于50bps ;所拍攝的圖像傳給圖像處理器，圖像處理器對(duì)圖像進(jìn)行特征提取，并將圖像特征信息數(shù)據(jù)，經(jīng)調(diào)制及功放后通過發(fā)射機(jī)發(fā)送?？梢越?jīng)過信道容量不高于2Mbps的低帶寬的無線信道傳送給接收端。接收端的接收機(jī)接收圖像特征信息數(shù)據(jù)后，經(jīng)檢測及解調(diào)器傳給位姿解算單元進(jìn)行位姿參數(shù)解算。
[0033]本發(fā)明的核心步驟在于，將目標(biāo)的位姿測量算法分為圖像特征提取和位姿參數(shù)求解兩部分，分別在系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端完成，從而使系統(tǒng)完成對(duì)目標(biāo)的位姿參數(shù)測量。 [0034]下面以待測目標(biāo)為帶有標(biāo)記圖案的錐形目標(biāo)為例，具體說明本發(fā)明的目標(biāo)位姿測量的方法。
[0035]圖3為待測飛行目標(biāo)的外觀圖，圖4為飛行目標(biāo)的特征點(diǎn)示意圖，以圖4所示的類梯形的4個(gè)頂點(diǎn)作為目標(biāo)的特征點(diǎn)。
[0036](一)位姿參數(shù)與坐標(biāo)系定義
[0037]圖5為本發(fā)明的位姿測量系統(tǒng)簡圖，圖6為本發(fā)明的測量方法的中心投影模型圖。對(duì)待測飛行目標(biāo)的位姿測量過程中共定義5個(gè)坐標(biāo)系:
[0038]( I)目標(biāo)坐標(biāo)系O-XYZ
[0039](2 )測量坐標(biāo)系 Ow-XwYwZw
[0040](3 )攝像機(jī)坐標(biāo)系Oc-XcTcZc
[0041](4)圖像坐標(biāo)系o-xy
[0042]( 5 )像素坐標(biāo)系o’ -UV
[0043]同時(shí)，設(shè)特征點(diǎn)Pi在上述5個(gè)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分別為％=(\，Yi, Zi)'W；l'=(X；',Y；\Zrf ,W: =(X;, W)r ,W= (Xi, yi)T，W’ =(Ui，Vi)T。(本專利默認(rèn) i=l, 2，3，4)
[0044]WiZ間存在以下關(guān)系:
[0045]= RWi +T(1)
[0046]1'為平移向量，是一個(gè)三維向量1=[1')(，1\，1^]1。表示兩坐標(biāo)系之間的相對(duì)位置，即目標(biāo)坐標(biāo)系的原點(diǎn)在測量坐標(biāo)系的坐標(biāo)。
[0047]R為旋轉(zhuǎn)矩陣,是三個(gè)角度(a, P，y )的三角函數(shù)組合。繞X軸旋轉(zhuǎn)角a，繞Y軸旋轉(zhuǎn)角3，繞Z軸旋轉(zhuǎn)角Y。目標(biāo)坐標(biāo)系按順序分別繞三個(gè)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)，就達(dá)到三條坐標(biāo)軸分別與測量坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)的三條坐標(biāo)軸方向一致的姿態(tài)。R用來描述目標(biāo)坐標(biāo)系相對(duì)于測量坐標(biāo)系的姿態(tài)。R與(a，(6, Y)的關(guān)系為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于無線信道的目標(biāo)位姿圖像測量方法，其特征在于， 設(shè)置發(fā)射端和接收端； 所述發(fā)射端包括攝像機(jī)和圖像處理單元； 所述攝像機(jī)拍攝合作飛行目標(biāo)的高分辨率圖像； 所述圖像處理單元提取所述攝像機(jī)拍攝高分辨率圖像的至少3個(gè)特征點(diǎn)，確定特征點(diǎn)在圖像中的坐標(biāo)；并建立所述坐標(biāo)與所述合作飛行目標(biāo)的先驗(yàn)特征的匹配關(guān)系，生成圖像特征信息數(shù)據(jù)； 每幀圖像的圖像特征信息數(shù)據(jù)包括特征點(diǎn)的坐標(biāo)和編號(hào)； 所述生成的圖像特征信息數(shù)據(jù)通過無線信道從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩耍? 所述接收端包括位姿解算單元； 位姿解算單元采用接收到的所述圖像特征信息數(shù)據(jù)進(jìn)行位姿參數(shù)解算。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無線信道的目標(biāo)位姿圖像測量方法，其特征在于，攝像機(jī)拍攝的圖像分辨率高于512X512，幀率高于50bps。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于無線信道的目標(biāo)位姿圖像測量方法，其特征在于，所述特征點(diǎn)提取、建立圖像特征點(diǎn)與合作目標(biāo)先驗(yàn)特征的匹配關(guān)系，生成圖像特征信息數(shù)據(jù)的全部環(huán)節(jié)由以DSP芯片為核心的圖像處理單元完成。
【文檔編號(hào)】H04N7/18GK103528568SQ201310464818
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月8日
【發(fā)明者】諶德榮, 王長元, 周廣銘, 蔣玉萍, 高翔霄, 楊曉樂, 關(guān)詠梅, 董齊齊, 趙燕 申請人:北京理工大學(xué), 北京宇航系統(tǒng)工程研究所