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基于全光場(chǎng)相機(jī)的非合作目標(biāo)位姿測(cè)量的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于全光場(chǎng)相機(jī)的非合作目標(biāo)位姿測(cè)量方法，是應(yīng)用于包含星箭對(duì)接環(huán)的非合作目標(biāo)；含星箭對(duì)接環(huán)在非合作目標(biāo)上為圓特征；其特征是按如下步驟行：步驟1.利用全光場(chǎng)相機(jī)獲取具有圓特征的非合作目標(biāo)的光場(chǎng)圖像；步驟2.計(jì)算圓特征在全光場(chǎng)相機(jī)主透鏡坐標(biāo)系下的平面法向量和圓心坐標(biāo)；步驟3.剔除虛假解；步驟4.獲得所述非合作目標(biāo)的位姿。本發(fā)明能有效剔除基于圓的單目視覺位姿估計(jì)中的虛假解，獲得滿足精度要求的非合作目標(biāo)位姿信息。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于全光場(chǎng)相機(jī)的非合作目標(biāo)位姿測(cè)量方法，屬于三維視覺的目 標(biāo)位姿測(cè)量領(lǐng)域。 基于全光場(chǎng)相機(jī)的非合作目標(biāo)位姿測(cè)量

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的不斷發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)視覺的位姿測(cè)量是現(xiàn)代導(dǎo)航、跟蹤、 控制等許多研究領(lǐng)域的一個(gè)重要的問題，在國防、航天、航空、工業(yè)、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域備受重 視。而在航空航天領(lǐng)域，大部分的已在軌服務(wù)航天器是非合作目標(biāo)，因此非合作目標(biāo)相對(duì)位 姿測(cè)量成為在軌服務(wù)技術(shù)的關(guān)鍵。針對(duì)大部分非合作目標(biāo)上普遍都有星箭對(duì)接環(huán)結(jié)構(gòu)，可 以提供單個(gè)圓特征，但是基于圓的傳統(tǒng)單目視覺位姿估計(jì)有兩個(gè)位姿解，無法運(yùn)用到實(shí)際 的工程中。因此基于圓特征的非合作目標(biāo)位姿測(cè)量具有重要的研究價(jià)值與意義。
[0003] 目前基于視覺的圓位姿測(cè)量方法主要有：基于單目視覺和輔助特征測(cè)量、基于雙 目視覺測(cè)量、基于深度傳感器位姿測(cè)量。
[0004] 基于單目視覺和輔助特征測(cè)量主要是利用與圓共面的點(diǎn)、線特征在歐式空間中的 幾何特性不變來剔除基于圓的傳統(tǒng)單目視覺位姿估計(jì)中的虛假解。基于雙目視覺測(cè)量主要 是利用左右兩個(gè)相機(jī)分別估計(jì)圓的位姿，將右相機(jī)獲得的解通過兩個(gè)相機(jī)間的關(guān)系轉(zhuǎn)換到 左相機(jī)下，根據(jù)圓的法向量具有唯一性來消除基于圓的傳統(tǒng)單目視覺位姿估計(jì)中虛假解。 基于深度傳感器的圓位姿測(cè)量主要是利用深度傳感器能夠獲得目標(biāo)的深度信息，從而獲得 目標(biāo)的3維信息，估計(jì)出圓的位姿。
[0005] 以上方法在具體實(shí)現(xiàn)上存在以下不足：
[0006] 1、基于單目視覺和輔助特征測(cè)量利用圓面上的點(diǎn)、線特征進(jìn)行位姿估計(jì)，在測(cè)量 過程中，若所采用的輔助特征不能在像平面上完整成像以及不知道輔助特征在目標(biāo)本體坐 標(biāo)系下的幾何信息，那么就不能剔除傳統(tǒng)單目視覺獲得的虛假解。
[0007] 2、對(duì)基于雙目立體視覺測(cè)量方法，需要利用左右相機(jī)獲取的圖像分別估計(jì)圓的位 姿信息，大大影響測(cè)量的實(shí)時(shí)性。
[0008] 3、對(duì)于基于深度傳感器位姿測(cè)量方法，輸出圖像噪聲大，分辨率低，且測(cè)量距離 短，無法獲取遠(yuǎn)距離的非合作目標(biāo)位姿信息。
[0009] 4、目前基于視覺的圓位姿測(cè)量方法在拍攝非合作目標(biāo)時(shí)，容易失焦，帶來目標(biāo)圖 像模糊問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，提出一種基于全光場(chǎng)相機(jī)的非合作目標(biāo) 位姿測(cè)量方法，能有效剔除基于圓的傳統(tǒng)單目視覺位姿估計(jì)中的虛假解，從而獲得滿足精 度要求的位姿信息。
[0011] 本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：
[0012] 本發(fā)明一種基于全光場(chǎng)相機(jī)的非合作目標(biāo)位姿測(cè)量方法，是應(yīng)用于包含星箭對(duì)接 環(huán)的非合作目標(biāo)；所述含星箭對(duì)接環(huán)在所述非合作目標(biāo)上為圓特征；其特點(diǎn)是按如下步驟 行：
[0013] 步驟1、利用全光場(chǎng)相機(jī)獲取具有圓特征的非合作目標(biāo)的光場(chǎng)圖像；所述全光場(chǎng) 相機(jī)的結(jié)構(gòu)包括：主透鏡、微透鏡陣列和傳感器；
[0014] 步驟2、計(jì)算所述圓特征在全光場(chǎng)相機(jī)主透鏡坐標(biāo)系o-xyz下的平面法向量和圓 心坐標(biāo)：
[0015] 步驟2. 1、利用時(shí)域重聚焦算法對(duì)所述光場(chǎng)圖像進(jìn)行計(jì)算獲得主透鏡重聚焦目標(biāo) 圖像；
[0016] 步驟2. 2、對(duì)所述主透鏡重聚焦目標(biāo)圖像利用canny邊緣檢測(cè)算法進(jìn)行邊緣檢測(cè)， 獲得邊緣圖像，并對(duì)所述邊緣圖像利用最小二乘法進(jìn)行橢圓檢測(cè)，從而獲得如式（1)所示 的橢圓方程：
[0017] a1u2+a2v2+a3uv+a 4u+a5v+a6 = 0 (1)
[0018] 式（1)中，（u，v)為所述圓特征在所述主透鏡重聚焦目標(biāo)圖像的像素坐標(biāo)系OfUV 中的坐標(biāo)；
[0019] 步驟2. 3、利用式（2)所示的相機(jī)投影模型，將所述橢圓方程反向投影到所述全光 場(chǎng)相機(jī)主透鏡坐標(biāo)系o-xyz下，從而獲得如式（3)所述的橢圓錐方程：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于全光場(chǎng)相機(jī)的非合作目標(biāo)位姿測(cè)量方法，是應(yīng)用于包含星箭對(duì)接環(huán)的非合 作目標(biāo)；所述含星箭對(duì)接環(huán)在所述非合作目標(biāo)上為圓特征；其特征是按如下步驟行： 步驟1、利用全光場(chǎng)相機(jī)獲取具有圓特征的非合作目標(biāo)的光場(chǎng)圖像；所述全光場(chǎng)相機(jī) 的結(jié)構(gòu)包括：主透鏡、微透鏡陣列和傳感器； 步驟2、計(jì)算所述圓特征在全光場(chǎng)相機(jī)主透鏡坐標(biāo)系〇-xyz下的平面法向量和圓心坐 標(biāo)： 步驟2. 1、利用時(shí)域重聚焦算法對(duì)所述光場(chǎng)圖像進(jìn)行計(jì)算獲得主透鏡重聚焦目標(biāo)圖 像； 步驟2. 2、對(duì)所述主透鏡重聚焦目標(biāo)圖像利用canny邊緣檢測(cè)算法進(jìn)行邊緣檢測(cè)，獲得 邊緣圖像，并對(duì)所述邊緣圖像利用最小二乘法進(jìn)行橢圓檢測(cè)，從而獲得如式（1)所示的橢 圓方程： a1u2+a2v2+a3uv+a 4u+a5v+a6 = 0 (1) 式（1)中，（U，v)為所述圓特征在所述主透鏡重聚焦目標(biāo)圖像的像素坐標(biāo)系OfUV中的 坐標(biāo)； 步驟2. 3、利用式（2)所示的相機(jī)投影模型，將所述橢圓方程反向投影到所述全光場(chǎng)相 機(jī)主透鏡坐標(biāo)系ο-xyz下，從而獲得如式（3)所述的橢圓錐方程：
A1x2+A2y2+A3z 2+A4xy+A5xz+A6yz = 0 (3) 式（2)和式（3)中，（xn，yn)為所述圓特征在所述主透鏡重聚焦目標(biāo)圖像的物理坐標(biāo)系 〇「xnyn中的坐標(biāo)，f。為所述全光場(chǎng)相機(jī)主透鏡的焦距，（x，y，z)為所述圓特征在所述全光場(chǎng) 相機(jī)主透鏡坐標(biāo)系Ο-xyz下的坐標(biāo)； 步驟2. 4、利用式（4)將所述橢圓錐方程轉(zhuǎn)換為矩陣乘積形式： [x y z]Q[x y ζ]τ = 0 (4) 式⑷中，Q為對(duì)稱矩陣； 步驟2. 5、利用式（5)將所述對(duì)稱矩陣Q進(jìn)行對(duì)角化： Ρ、Ρ = diaglKnl^ig (5) 式（5)，P為正交矩陣；Κρ K2和K3為所述對(duì)稱矩陣Q的特征值； 步驟2. 6、利用式（6)將所述橢圓錐方程進(jìn)行簡化，獲得如式（7)所示的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系 o-x'y'z'下的橢圓錐方程： [x y ζ]τ = P[x' y' z' ]T (6) KlX2+K2y 2+K3z'2 = 0(7) 式（6)中，（x'，y'，z'）為所述圓特征在標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系o-x' y' z'下的坐標(biāo)； 步驟2. 7、利用所述對(duì)稱矩陣Q的特征值Ki、K2和K3獲得如式（8)所示的與所述標(biāo)準(zhǔn)坐 標(biāo)系下y'軸相互平行的平面方程：
步驟2. 8、根據(jù)所述平面方程分別獲得所述圓特征在標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系o-x' y' z'下的平面法 向量（η' x, n' y, η' z)以及圓心點(diǎn)坐標(biāo)（X。'，y。'，z。'）的一組歧義解：
式（9)和式（10)中，R為所述圓特征的半徑； 步驟2. 9、利用式（11)和式（12)將所述解Γ和解2'分別轉(zhuǎn)換到所述全光場(chǎng)相機(jī)主 透鏡坐標(biāo)系ο-xyz下，獲得所述全光場(chǎng)相機(jī)主透鏡坐標(biāo)系o-xyz下的平面法向量（nx，ny，n z) 以及圓心點(diǎn)坐標(biāo)（x^y^z。）：
步驟3、剔除虛假解： 步驟3. 1、利用所述全光場(chǎng)相機(jī)的深度重構(gòu)法獲得所述非合作目標(biāo)上各點(diǎn)的深度； 步驟3. 2、利用式（2)獲得所述圓特征上各點(diǎn)在所述全光場(chǎng)相機(jī)主透鏡坐標(biāo)系o-xyz下 的三維坐標(biāo)（X，y, z); 步驟3. 3、利用式（13)所示的圓特征的平面方程建立如式（14)所示的目標(biāo)函數(shù)f: (nx, ny, nz)τ [ (x, y, z) - (x0, y0, z0) ] = 0 (13) f = (nx, ny, nz)T [ (x, y, z) - (x0, y0, z0) ] (14) 步驟3. 4、將所述解1和解2分別代入（14)，獲得?·Λ?1和f解2 ;若fΛ?1 < ?*2成立，則 所述圓特征的圓心坐標(biāo)和法向量的虛假解為解2 ;正確解為解1 ;否則，圓特征的圓心坐標(biāo) 和法向量的虛假解為解1 ;正確解為解2 ; 步驟4、獲得所述非合作目標(biāo)的位姿： 步驟4. 1、根據(jù)所述步驟3獲得的正確解，則非合作目標(biāo)本體坐標(biāo)系h-ΧΛΛ相對(duì)于所 述全光場(chǎng)相機(jī)主透鏡坐標(biāo)系ο-xyz的平移向量為T = (X。，y。，ζ。)，通過式（15)獲得所述非 合作目標(biāo)本體坐標(biāo)系Oo-XJcA相對(duì)于所述全光場(chǎng)相機(jī)主透鏡坐標(biāo)系ο-xyz的距離D :
式（15)中，所述^，2。分別為所述非合作目標(biāo)本體坐標(biāo)系0(|_\￥(|2 (|相對(duì)于所述全光 場(chǎng)相機(jī)主透鏡坐標(biāo)系ο-xyz在X軸、y軸、z軸上的平移量； 步驟4. 2、利用式（16)獲得俯仰角Φ和偏航角Θ :
所述距離D、俯仰角Φ和偏航角Θ即為所述非合作目標(biāo)的位姿。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全光場(chǎng)相機(jī)的非合作目標(biāo)位姿測(cè)量方法，其特征是，所 述步驟3. 1的深度z是按如下步驟獲得： 步驟a、利用多基線SSD立體匹配算法對(duì)所述光場(chǎng)圖像進(jìn)行立體匹配獲得最佳匹配像 素對(duì)L和i2 ; 步驟b、計(jì)算所述最佳匹配圖像對(duì)h和i2的像素視差| | iri21 | ; 步驟c、利用式（17)獲得虛擬深度λ :
式（17)中，cT為所述最佳匹配像素對(duì)h和i2的中心距離； 步驟d、利用式（18)獲得所述微透鏡陣列到主透鏡像的距離a : a = λ b (18) 式（18)中，b為所述全光場(chǎng)相機(jī)中微透鏡陣列到所述傳感器的距離； 步驟e、利用式（19)獲得所述主透鏡到所述主透鏡像的距離 bL = h~a (19) 式（19)中，h為所述主透鏡到所述微透鏡陣列的距離； 步驟f、根據(jù)式（20)獲得所述圓特征到主透鏡的距離\ :
所述距離A即為所述深度z。
【文檔編號(hào)】G01C11/00GK104101331SQ201410356860
【公開日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】張旭東, 胡良梅, 高雋, 陳欣, 王一, 李夢(mèng)娜, 徐小紅, 涂義福, 許林 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)