專利名稱：一種基于星圖匹配的遠(yuǎn)距離空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及航天技術(shù)，具體說(shuō)就是一種基于星圖匹配的遠(yuǎn)距離空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別方法。
背景技術(shù)：
微型航天器主要是對(duì)太空中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)(包括有先驗(yàn)信息和無(wú)先驗(yàn)信息的飛行器)進(jìn)行探測(cè)成像并捕獲。為適應(yīng)微型化的要求，微型航天探測(cè)器的可見(jiàn)光相機(jī)的探測(cè)能力一般較差，探測(cè)距離、探測(cè)范圍、探測(cè)精度十分有限，而且計(jì)算能力有限。在空間環(huán)境下， 星空背景、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)以及探測(cè)器三者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使得微型航天探測(cè)器的可見(jiàn)光相機(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別比較困難。目前，運(yùn)動(dòng)背景中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的主流算法主要有幀間差分法、基于邊緣提取的差分法、圖像配準(zhǔn)與基于邊緣提取的差分法相結(jié)合等方法。幀間差分法是利用前后兩幀圖像直接相減，一般是對(duì)應(yīng)像素的灰度值逐個(gè)相減。這種方法在圖像處理中經(jīng)常用到，特別是在背景不動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)情況下效果較好。利用幀差法將運(yùn)動(dòng)目標(biāo)物體與背景分離，以獲得運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置信息。但是由于飛行器在空中不可能絕對(duì)相對(duì)靜止，因此同一個(gè)恒星在連續(xù)兩幀微型航天探測(cè)器的可見(jiàn)光相機(jī)拍攝的圖像中不肯能完全重合。因此，幀間差分法的應(yīng)用受到限制?；谶吘壧崛〉牟罘址ㄊ菍D像邊緣提取與圖像的差分相結(jié)合而形成的一種算法，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。首先，選擇適當(dāng)?shù)拈撝?，產(chǎn)生二值化的提邊圖像；其次，對(duì)同樣的相鄰兩幀圖像實(shí)施差分運(yùn)算，形成二值圖，從而生成了一幀差分二值圖；再次， 將邊緣提取生成的二值圖和差分生成的二值圖邏輯乘，生成目標(biāo)的邊緣圖像，這樣增強(qiáng)了運(yùn)動(dòng)區(qū)域中后一幅圖像的運(yùn)動(dòng)邊緣，從而識(shí)別出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。由于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度快，拖影的影響較大(灰度不均勻)，使得邏輯乘后很難識(shí)別出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。圖像配準(zhǔn)與基于邊緣提取的差分法相結(jié)合法是對(duì)微型航天探測(cè)器采集的相鄰兩幀圖像進(jìn)行處理，首先對(duì)此兩幀圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，然后進(jìn)行差分運(yùn)算，對(duì)差分后的圖像實(shí)施二值化處理，生成一幀差分二值圖；其次，對(duì)兩幀圖像中的后一幀圖像進(jìn)行邊緣提取和二值化處理，產(chǎn)生一幀目標(biāo)邊緣和背景邊緣共存的二值圖；最后，將兩幀二值圖實(shí)施邏輯乘操作，得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的邊緣圖像?；赗mrier-Mellin圖像配準(zhǔn)與邊緣提取相結(jié)合的差分算法提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的方法是先對(duì)微型航天探測(cè)器的可見(jiàn)光相機(jī)拍攝的圖像幅度譜進(jìn)行對(duì)數(shù)-極變換，在變換空間應(yīng)用相位相關(guān)法求出待配準(zhǔn)圖像的旋轉(zhuǎn)角度和尺度縮放因子；通過(guò)計(jì)算經(jīng)過(guò)規(guī)整的兩幅圖像的互功率譜獲得Rmrier反變換所對(duì)應(yīng)的峰值位置求得它們的相對(duì)平移，從而分別對(duì)前兩幀圖像和后兩幀圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，對(duì)配準(zhǔn)后的兩幀圖像進(jìn)行差分，得到一個(gè)差分圖像。將這個(gè)差分圖像二值化，最后將這個(gè)差分圖像與經(jīng)過(guò)邊緣提取的后一個(gè)圖像進(jìn)行邏輯乘，從而檢測(cè)識(shí)別出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。這兩種方法可以很較好的祛除背景，但仍有少數(shù)背景點(diǎn)沒(méi)有祛除，主要原因是因?yàn)榕錅?zhǔn)精度低造成的，由于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)圖速度快產(chǎn)生拖影，使得提取出的目標(biāo)邊緣產(chǎn)生變形，會(huì)輕微影響目標(biāo)的識(shí)別和定位。除了上述方法以外，很多學(xué)者把模糊技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到模板匹配中進(jìn)行分層識(shí)別的算法，這些方法對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別效率高，但它們要對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的各種情況下的模板先進(jìn)行訓(xùn)練，然后用運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的模板在圖像中掃描進(jìn)行匹配，因此計(jì)算量大。微型航天器所處環(huán)境的背景比較復(fù)雜，再加上復(fù)雜背景、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)以及微型航天器三者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得微型航天探測(cè)器的可見(jiàn)光相機(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別比較困難。 因此，如何識(shí)別圖像中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)是遠(yuǎn)距離空間交會(huì)對(duì)接研究中首要解決的問(wèn)題。考慮到復(fù)雜背景與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的特性，當(dāng)前的多種經(jīng)典的配準(zhǔn)差分算法，很難適應(yīng)空間背景的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別。微型航天探測(cè)器的可見(jiàn)光相機(jī)拍攝圖像的特點(diǎn)圖像背景主要由恒星組成，恒星之間不能連成線和其他任何圖形，這使常用的配準(zhǔn)方法很難找到配準(zhǔn)依據(jù)； 被拍攝的目標(biāo)在成像小，混雜在恒星之間，因此在微型航天探測(cè)器的可見(jiàn)光相機(jī)拍攝的圖像中沒(méi)有明顯的特征，若按成像面積大小的方法從微型航天探測(cè)器的可見(jiàn)光相機(jī)拍攝的圖像中尋找運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，則必然會(huì)遺失運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，因此，迫切需要尋找識(shí)別率高、計(jì)算量小、可實(shí)用的方法在遠(yuǎn)距離對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行搜索、識(shí)別和跟蹤。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于星圖匹配的遠(yuǎn)距離空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種基于星圖匹配的遠(yuǎn)距離空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別方法，步驟如下步驟一提取所有微型航天探測(cè)器可見(jiàn)光相機(jī)拍攝到原始圖像的像點(diǎn)坐標(biāo)，并保存所有像點(diǎn)能量；步驟二 把所有像點(diǎn)按照能量從大到小的順序排序；步驟三把排序后的像點(diǎn)按照組合的方式組成所有三角形；步驟四讀取微型航天探測(cè)器可見(jiàn)光相機(jī)存儲(chǔ)器中的星表；步驟五采用三角形識(shí)別算法對(duì)像點(diǎn)構(gòu)成的所有三角形進(jìn)行識(shí)別；步驟六剔除所有已經(jīng)識(shí)別像點(diǎn)；步驟七保留未識(shí)別的像點(diǎn)，該未識(shí)別的像點(diǎn)就是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)像點(diǎn)。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)不管微型航天探測(cè)器可見(jiàn)光相機(jī)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)之間如何運(yùn)動(dòng)，恒星星點(diǎn)之間的幾何關(guān)系不變，因此本發(fā)明不必預(yù)先知道微型航天探測(cè)器可見(jiàn)光相機(jī)與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的特性。由于采用星圖識(shí)別方法來(lái)剔除恒星像點(diǎn)，星表中包含了星空中所有恒星，因此本發(fā)明能高效地獲取目標(biāo)像點(diǎn)。由于星圖識(shí)別方法具有很高的抗干擾性，因此本發(fā)明對(duì)微型航天探測(cè)器可見(jiàn)光相機(jī)拍攝到原始圖像背景的復(fù)雜程度和噪聲不敏感。


圖1為圖像配準(zhǔn)與基于邊緣提取的差分法方框圖；圖2為微型航天探測(cè)器的可見(jiàn)光相機(jī)工作原理示意圖；圖3為微型航天探測(cè)器的可見(jiàn)光相機(jī)拍攝的原始圖像；圖4為微型航天探測(cè)器的目標(biāo)識(shí)別過(guò)程流程圖；圖5為半物理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方框圖；圖6為本發(fā)明基于星圖匹配的遠(yuǎn)距離空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別方法實(shí)施方案流程圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例1 結(jié)合圖6，本發(fā)明一種基于星圖匹配的遠(yuǎn)距離空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別方法， 步驟如下步驟一提取所有微型航天探測(cè)器可見(jiàn)光相機(jī)拍攝到原始圖像的像點(diǎn)坐標(biāo)，并保存所有像點(diǎn)能量；步驟二 把所有像點(diǎn)按照能量從大到小的順序排序；步驟三把排序后的像點(diǎn)按照組合的方式組成所有三角形；步驟四讀取微型航天探測(cè)器可見(jiàn)光相機(jī)存儲(chǔ)器中的星表；步驟五采用三角形識(shí)別算法對(duì)像點(diǎn)構(gòu)成的所有三角形進(jìn)行識(shí)別；步驟六剔除所有已經(jīng)識(shí)別像點(diǎn)；步驟七保留未識(shí)別的像點(diǎn)，該未識(shí)別的像點(diǎn)就是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)像點(diǎn)。實(shí)施例2 結(jié)合圖2-圖4，本發(fā)明所述的微型航天探測(cè)器的可見(jiàn)光相機(jī)工作原理如圖2所示，其拍攝的圖像中的像點(diǎn)幾乎全是恒星像點(diǎn)(如圖幻，恒星像點(diǎn)之間不能連成線和其他任何常規(guī)的圖形，這使常用的配準(zhǔn)方法很難找到配準(zhǔn)依據(jù)。星表包含了天球中所有恒星，所以可以利用星圖識(shí)別算法對(duì)微型航天探測(cè)器的可見(jiàn)光相機(jī)拍攝的圖像中所有星像從星表中找出對(duì)應(yīng)的恒星，剔出已識(shí)別的星像，剩下的就是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)像點(diǎn)。根據(jù)微型航天探測(cè)器的可見(jiàn)光相機(jī)拍攝到的原始圖像，從中提取所有像點(diǎn)的坐標(biāo)(這些像點(diǎn)包括恒星成像像點(diǎn)和目標(biāo)成像像點(diǎn))，利用這些像點(diǎn)構(gòu)成一定的特征(最常用的特征有星等、星對(duì)角距、張角、光譜特征、由多個(gè)星像所構(gòu)成的星座的幾何形狀等)，與保存到微型航天探測(cè)器的可見(jiàn)光相機(jī)存儲(chǔ)器中的星表構(gòu)成的幾何形狀進(jìn)行比較，比較過(guò)程采用典型的星圖識(shí)別算法來(lái)進(jìn)行，星圖識(shí)別算法選取星表中的恒星作為導(dǎo)航星，以所有像點(diǎn)坐標(biāo)作為觀測(cè)星，并識(shí)別這些所有觀測(cè)星。由于星表包含了天球中所有恒星信息，所以運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在微型航天探測(cè)器的可見(jiàn)光相機(jī)拍攝到的原始圖像中的像點(diǎn)，在星表中不可能找出對(duì)應(yīng)關(guān)系。在所有提取的像點(diǎn)中，剔出已識(shí)別的像點(diǎn)(能識(shí)別的像點(diǎn)全是恒星在微型航天探測(cè)器的可見(jiàn)光相機(jī)拍攝到的原始圖像中的像點(diǎn))，剩下的就是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的像點(diǎn)。具體過(guò)程如下首先提取所有微型航天探測(cè)器可見(jiàn)光相機(jī)拍攝到原始圖像的像點(diǎn)坐標(biāo)，并保存所有像點(diǎn)能量，為了便于識(shí)別，把所有像點(diǎn)按照能量從大到小的順序排序，把排序后的像點(diǎn)按照組合的方式組成所有三角形；其次讀取微型航天探測(cè)器可見(jiàn)光相機(jī)存儲(chǔ)器中的星表，采用三角形識(shí)別算法對(duì)像點(diǎn)構(gòu)成的所有三角形進(jìn)行識(shí)別；再次剔除所有已經(jīng)識(shí)別像點(diǎn)，同時(shí)保留未識(shí)別的像點(diǎn)，該未識(shí)別的像點(diǎn)就是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)像點(diǎn)。實(shí)施例3:本發(fā)明的主要性能指標(biāo)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)主要觀測(cè)面約為anxaii。在 15km 30km的遠(yuǎn)距離段，由陽(yáng)光照射和地球反照提供照明，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的星等相當(dāng)于2等星 6等星。拍攝目標(biāo)的微型航天探測(cè)器的可見(jiàn)光相機(jī)分辨率為10MX10M，視場(chǎng)角為 14° X 14°，可探測(cè)6等星以上，對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的成像為專門散焦成多個(gè)像素，微型航天探測(cè)器的可見(jiàn)光相機(jī)有一定的擾動(dòng)，對(duì)地定向或?qū)T性定向時(shí)，姿態(tài)指向誤差0. 1°，姿態(tài)穩(wěn)定度0.05° /s;在對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)定向時(shí)，姿態(tài)指向誤差最大0.5°，姿態(tài)穩(wěn)定度0.1° /s。微型航天探測(cè)器的可見(jiàn)光相機(jī)中的導(dǎo)航星庫(kù)來(lái)自于SKY2000星表，使用了可視星等在6. 0等星以上的所有恒星，一共有5062顆。分別把運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的星等相當(dāng)于2等星、2. 5等星、3等星、3. 5等星、4等星、4. 5等星、5等星、5. 5等星和6等星。實(shí)施例4 半物理仿真實(shí)驗(yàn)裝置包括軌道發(fā)生器，星空模擬系統(tǒng)(包括多星模擬硬件和軟件)，微型航天探測(cè)器的可見(jiàn)光相機(jī)，終端顯示計(jì)算機(jī)。用戶輸入微型航天探測(cè)器與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，根據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律計(jì)算微型航天探測(cè)器的可見(jiàn)光相機(jī)慣性坐標(biāo)系下的相對(duì)姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在慣性坐標(biāo)系下的位置，并通過(guò)RS422接口把該姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在慣性坐標(biāo)系下的位置傳送給星空模擬系統(tǒng)，星空模擬系統(tǒng)根據(jù)該姿態(tài)搜索出視場(chǎng)內(nèi)所有恒星，并計(jì)算所有恒星和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在像平面內(nèi)的像點(diǎn)坐標(biāo)，并且根據(jù)像點(diǎn)坐標(biāo)的位置關(guān)系實(shí)時(shí)顯示出包含所有像點(diǎn)(包括恒星像點(diǎn)和目標(biāo)像點(diǎn))的圖像，微型航天探測(cè)器的可見(jiàn)光相機(jī)實(shí)時(shí)拍攝該圖像，利用重心法從拍攝的圖像中提取所有像點(diǎn)坐標(biāo)，利用保存的星表對(duì)這些像點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，把識(shí)別結(jié)果發(fā)送給終端顯示計(jì)算機(jī)，為了驗(yàn)證微型航天探測(cè)器的可見(jiàn)光相機(jī)內(nèi)識(shí)別方法的可行性，星空模擬系統(tǒng)把視場(chǎng)內(nèi)所有恒星信息和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信息通過(guò)有線發(fā)送給終端顯示計(jì)算機(jī)，終端顯示計(jì)算機(jī)利用星空模擬系統(tǒng)的已知結(jié)果與微型航天探測(cè)器的可見(jiàn)光相機(jī)的識(shí)別結(jié)果進(jìn)行比較。如果微型航天探測(cè)器的可見(jiàn)光相機(jī)輸出的識(shí)別星號(hào)與星空模擬系統(tǒng)的已知星號(hào)相同，說(shuō)明該像點(diǎn)就是恒星，如果微型航天探測(cè)器的可見(jiàn)光相機(jī)輸出的識(shí)別星號(hào)為-1，說(shuō)明該像點(diǎn)就是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)像點(diǎn)。表1-表9分別把運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的星等相當(dāng)于2等星、2. 5等星、3等星、3. 5等星、4 等星、4. 5等星、5等星、5. 5等星和6等星中隨機(jī)選取某時(shí)刻的識(shí)別結(jié)果(表中如果相機(jī)輸出的識(shí)別星號(hào)與星空模擬系統(tǒng)輸出原始星號(hào)一致，說(shuō)明該像點(diǎn)是恒星，為了便于區(qū)分， 把識(shí)別后的目標(biāo)像點(diǎn)相機(jī)輸出的識(shí)別星號(hào)為-1，星空模擬系統(tǒng)輸出的目標(biāo)像點(diǎn)原始星號(hào)為10000000)，獲取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)像點(diǎn)的時(shí)間分別為152. 97毫秒，184. 75毫秒，166. 31毫秒， 127. 83毫秒，1. 642000毫秒，119. 65毫秒，157. 30毫秒，197. 63毫秒，191. 30毫秒，滿足工程上的實(shí)時(shí)性。表1目標(biāo)的星等相當(dāng)于2等星時(shí)終端顯示計(jì)算機(jī)接收的結(jié)果
權(quán)利要求
1. 一種基于星圖匹配的遠(yuǎn)距離空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別方法，其特征在于步驟如下 步驟一提取所有微型航天探測(cè)器可見(jiàn)光相機(jī)拍攝到原始圖像的像點(diǎn)坐標(biāo)，并保存所有像點(diǎn)能量；步驟二 把所有像點(diǎn)按照能量從大到小的順序排序； 步驟三把排序后的像點(diǎn)按照組合的方式組成所有三角形； 步驟四讀取微型航天探測(cè)器可見(jiàn)光相機(jī)存儲(chǔ)器中的星表； 步驟五采用三角形識(shí)別算法對(duì)像點(diǎn)構(gòu)成的所有三角形進(jìn)行識(shí)別； 步驟六剔除所有已經(jīng)識(shí)別像點(diǎn)；步驟七保留未識(shí)別的像點(diǎn)，該未識(shí)別的像點(diǎn)就是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)像點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于星圖匹配的遠(yuǎn)距離空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別方法。方法步驟包括提取所有微型航天探測(cè)器可見(jiàn)光相機(jī)拍攝到原始圖像的像點(diǎn)坐標(biāo)；把排序后的像點(diǎn)按照組合的方式組成所有三角形；讀取微型航天探測(cè)器可見(jiàn)光相機(jī)存儲(chǔ)器中的星表，采用三角形識(shí)別算法對(duì)像點(diǎn)構(gòu)成的所有三角形進(jìn)行識(shí)別；剔除所有已經(jīng)識(shí)別像點(diǎn)，同時(shí)保留未識(shí)別的像點(diǎn)，該未識(shí)別的像點(diǎn)就是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)像點(diǎn)。本發(fā)明不必預(yù)先知道微型航天探測(cè)器可見(jiàn)光相機(jī)與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的特性，采用星圖識(shí)別方法來(lái)剔除恒星像點(diǎn)，星表中包含了星空中所有恒星，因此本發(fā)明能高效地獲取目標(biāo)像點(diǎn)，星圖識(shí)別方法具有很高的抗干擾性。
文檔編號(hào)G06T7/20GK102254147SQ20111009582
公開(kāi)日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月18日
發(fā)明者奚伯奇, 李清華, 李葆華, 陳希軍 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)