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，交會測量相機對安裝在目標飛行器上的合作目標標志器進行成像，在不同距離下目標成像會出現(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)明在合作目標幾何特征匹配的基礎(chǔ)上，利用大光標定位出小光標模板，并用模板匹配、多次閾值分割的方法對未融合的小光標的質(zhì)心進行定位。有效地解決了不同的測量距離下目標圖像特征變化情況下的目標識別問題，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的目標識別。

【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和安裝在目標飛行器上的合作目標標志器組成，目標標志器由外圍三個大光標和內(nèi)部五個小光標，按照圖1中結(jié)構(gòu)示意圖布置，大小光標為近距離備份設(shè)計，全程以大光標輸出結(jié)果為主。通過激光光源發(fā)光照射由角反射構(gòu)成的目標標志器，經(jīng)過角反射器光線原路返回照射平面鏡，光路折返后進入測量相機形成測量圖像，根據(jù)視覺測量原理可以計算得到相機坐標系相對于目標標志器坐標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]交會測量相機工作距離范圍較大，在遠近不同距離下成像后的目標光點的間距變化很大。需要保證遠距離目標像點多目標融合，又保證近距離目標像點不融合時均能正常進行目標識別，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在目標分離、目標融合、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)學一體的目標定位技術(shù)，為整個測量系統(tǒng)合理設(shè)計、相機能夠在大測量范圍下穩(wěn)定測量奠定基礎(chǔ)。
[0005]文獻如下:
[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]文獻情況:
[0010]文獻[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；
[0011]文獻[2]的機理和文獻[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[3]通過分析圖像和已知探測目標形態(tài)差異，依據(jù)極大似然技術(shù)，完成目標圖像配準，獲得高精度的融合光點質(zhì)心定位結(jié)果。
[0013]文獻[I]和[2]中需要引入已知目標固定探測模板，無法進行模板的大范圍變化，不能實現(xiàn)大范圍測量。文獻[3]中極大似然算法雖然引入復(fù)雜的形態(tài)學處理機制，能夠獲得高精度的融合光點質(zhì)心坐標，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對安裝在目標飛行器上的合作目標標志器進行成像；目標飛行器上的合作目標標志器包括3個大光標和5個小光標，均分布在合作目標標志器坐標系中，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對安裝在目標飛行器上的合作目標標志器進行成像；目標飛行器上的合作目標標志器包括3個大光標和5個小光標，均分布在合作目標標志器坐標系中，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系中的坐標； (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，則進入步驟(4)，否則進入步驟(7)； (4)在所有光點中任選5個光點，之后進入步驟(5)； (5)如果在所有光點中任選5個光點的組合已經(jīng)遍歷，則進入步驟(11);否則進入步驟(6)； (6)對選擇出的5個光點進行小光標匹配,如果匹配成功，則將中央小光標作為大光標，之后進入步驟(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，則進入步驟(8);否則結(jié)束； (8)在除去步驟(6)中所述5個小光標之外的所有光點中任選3個光點，之后進入步驟(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)中的中央小光點進行大光標匹配，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； 進行大光標匹配具體為: (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行連線，最右的光點與最上最下連線的中點之間進行連線，如果兩條連線互相垂直，誤差在2°以內(nèi)，進入步驟(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行連線，如果該連線與相面坐標系中X軸的夾角在正負13度范圍內(nèi)，則進入步驟(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，最右光點為第二大光標，最下光點為第三大光標； (11)在所有光點中任選4個光點，之后進入步驟(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；否則進入步驟(13)； (13)對選擇出的4個光點進行大光標匹配，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； 進行大光標匹配具體為: (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行連線，最右的光點與最上最下連線的中點之間進行連線，如果兩條連線互相垂直，誤差在2°以內(nèi)，進入步驟(13.4);否則匹配失?。? (13.4)最右的光點與最上最下連線的中點之間進行連線，如果該連線與相面坐標系中X軸的夾角在正負13度范圍內(nèi)，則最上光點為第一大光標，最右光點為第二大光標，最下光點為第三大光標，之后進入步驟(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搜索區(qū)域； (13.6)統(tǒng)計所述小光標搜索區(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，則進入步驟(13.7);如果N為3或者4，則進入(13.8);如果N為I或者2，則進入(13.9)； (13.7)距離所述小光標搜索區(qū)域中心最近的光點為第五小光標，匹配成功； (13.8)進行小光標模板匹配，將匹配成功的小光標、第一大光標，第二大光標和第三大光標放在一個坐標數(shù)組中記錄，匹配成功； (13.9)如果所述小光標搜索區(qū)域中光點的像兀數(shù)大于第一大光標、第二大光標和第三大光標像元數(shù)平均值的兩倍，則進入步驟(13.10)，否則返回步驟(11)； (13.10)在所述小光標搜索區(qū)域內(nèi)，將閾值增加20灰度級，通過閾值分割算法進行光點提取，如果提取出的光點數(shù)大于等于3，則進入(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，第二大光標和第三大光標放在一個坐標數(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)進行小光標匹配具體為: (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??； (2.3)將最上和最下的光點之間進行連線，最左與最右的光點之間進行連線，如果兩條連線互相垂直，誤差在2°以內(nèi)，進入步驟(2.4);否則匹配失?。? (2.4)最左與最右的光點之間進行連線，如果該連線與相面坐標系中X軸的夾角在正負13度范圍內(nèi)，則進入步驟(2.5);否則匹配失敗； (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，最上的光點為第一小光標，最右的光點為第二小光標，最下的光點為第三小光標，最左的光點為第四小光標。
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:所述小光標模板匹配具體為: (3.1)根據(jù)第一大光標、第二大光標、第三大光標的坐標位置確定出小光標模板:第一大光標和第三大光標的連線中點為圓心，圓心位置為第五小光標的模板位置，在圓心到第一大光標的連線上，距圓心為圓心到第一大光標距離的三分之一處，為第一小光標的模板位置；在圓心到第二大光標的連線上，距圓心為圓心到第二大光標距離的三分之一處，為第二小光標的模板位置；在圓心到第三大光標的連線上，距圓心為圓心到第三大光標距離的三分之一處，為第三小光標的模板位置；在圓心到第二大光標連線的反向延長線上，距圓心為圓心到第二大光標距離的三分之一處，為第四小光標的模板位置； (3.2)將在所述小光標搜索區(qū)域中的提取出的光點與所述小光標模板中的五個小光標位置進行比較，如果光點與距離最近的模版中的小光標之間的距離小于0.5個像素，則該光點即為該小光標。
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:所述合作目標標志器坐標系的X軸、Y軸的指向分別與目標飛行器本體坐標系的Y軸和-Z軸相同，合作目標標志器坐標系的Z軸由右手定則確定，合作目標標志器坐標系的原點坐標為五個小光標的坐標均值； 目標飛行器本體坐標系:飛行器的質(zhì)心為原點，飛行器前進方向為+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:所述相面坐標系是指:原點為所述交會測量相機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