一种基于近距离短弧段图像的对接环圆心提取方法技术

本发明专利技术一种基于近距离短弧段图像的对接环圆心提取方法，步骤包括：对于包含短弧段对接环的双目图像，进行极线校正，采用标准差方法进行阈值分割，利用区域属性进行环面提取,然后提取其内外边缘；利用半全局的匹配方法对提取出的环面区域进行致密重建，得到相机坐标系下的三维点云；计算点云的环面法向量并将坐标投影到与法向量垂直的平面内；在新平面内区分内外边缘，分别进行标准正圆拟合；根据得到的内外边缘中心和半径，采用同心环约束，最终得到对接环准确的圆心坐标。本发明专利技术从对接环的特性出发，直接将三维点云数据投射到正射的空间平面内，将椭圆拟合简化为圆拟合，同时通过内外环的约束条件消除错误点，具有结果准确、计算量小的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及环面提取以及环面圆心估计的方法，具体涉及一种基于近距离短弧段 图像的对接环圆心提取方法。
技术介绍
航天航空领域中，对接环是空间飞行器中常见的目标，只有对对接环目标进行准 确的位姿估计才能进行精确对接，从而进行物资运输、飞行器修理等空间任务。其中环面的 检测和环面圆心的估计是位姿估计中关键的步骤。数十年来，对接环的位姿估计始终是一 个热点问题，学者们提出了许多位姿估计的方法。 当前，空间飞行器的位姿估计主要针对合作目标进行，即可以在合作目标上标注 标志点，在与飞行器进行对接过程中可以根据标志点位置进行位姿估计。基于标志点的飞 行器目标位姿估计需要在飞行器发射前进行仔细的标注，使得飞行器设计工作变得繁琐。 基于标注点的方法不适用于空间未标注标志点的非合作目标。此外，本方法只需要获取目 标飞行器的双目图像，相应的相机装置便携、廉价。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于近距离短弧段图像 的对接环圆心提取方法，该方法能克服传统方法中需要在对接环上手动标记标志点而消耗 大量人力的缺点，同时回避了空间圆环投射到二维平面后的投影变形，不着意解决椭圆或 二次曲线的拟合问题，而是通过双目相机获得的测量图像，恢复其环面及边缘的三维信息 并将其投射到正射的投影平面上，简化空间圆环的投影为二维平面的正圆，简化计算，只需 要根据圆环的局部图像就能准确估计环面中心，在保证一定鲁棒性的前提下，具有估算结 果准确、耗时低的优点。 本专利技术采用的技术方案是：如图1所示 (1)对于近距离获取的包含短弧段对接环目标的双目图像，进行极线校正，然后采 用标准差方法进行二值化阈值分割，得到分割后的二值图像。利用二值图像中的区域属性 进行环面区域提取，环面区域提取之后采用canny算子提取其内外边缘； (2)利用半全局的匹配方法对提取出的环面区域进行致密重建，得到环面上大量 点（就是环面上所有能够配准的像素点，由环面的成像面积大小和配准率确定）的视差值， 从而进行相机坐标系下的三维重建，得到三维点云； (3)对相机坐标系下的三维点云采用多点拟合，最大优化的方法计算环面法向量 并将相机坐标系下表示的三维点云投影到与法向量垂直的平面内； (4)在与法平面垂直的平面内区分内边缘和外边缘，采用多点拟合，结果最优的方 法分别进行标准正圆拟合，得到对接环内外边缘的中心和半径； (5)根据得到的内外边缘中心和半径，采用对接环为同心环的约束条件，判断内外 边缘的中心距离最小，内外边缘的半径相差与对接环宽度相当的结果为最佳结果，最终得 到从包含局部对接环目标的双目图像中计算出的对接环准确的圆心坐标。 上述步骤（1)采用标准差方法进行二值化阈值分割的具体方法为： 1)标准偏差图像的定义为，对图像I的每个像素点计算如下的标准偏差值： 其中，对于任意一个像素点，uk( ·)为以该点为中心的周围（2k+l) X (2k+l)邻域 内取值的平均值，k表示窗口半宽； 2)对标准偏差图像进行直方图统计，采用均值法计算二值化阈值ξ，判断标准偏 差图像的每个像素点，像素值大于等于ξ的记为255,小于ξ的记为0,得到分割后的二值 图像。 上述步骤（1)利用二值图像中的区域属性进行环面区域提取的具体方法为： 1)根据面积设定的约束条件，对于面积过大或过小的区域予以剔除； 2)在除去过大区域或细碎区域后的图像中，环面区域的实心程度比其他区域小， 通过计算实心程度，判断实心程度最小区域为最终提取出的环面区域。实心程度的计算公 式如下： 上述步骤（2)中利用半全局的匹配方法对提取出的环面进行致密重建的具体方 法为： 半全局匹配算法沿着一维路径r，待匹配像素点ρ在视差d条件下的代价值 L1Xp, d)递归定义为： 其中，min表示取最小值，像素对匹配数据项C(p，d)表示待匹配像素 p在视差d 下的匹配代价，匹配代价选用基于Birchfield和Tomasi采样不敏感的方法计算得到像素 亮度差。第二项表示路径中相邻像素在当前像素 P视差为d条件下的最小代价值，p-r表 示当前路径下P的上一点。当邻近像素的视差发生一个像素单元的变化时，代价值为P 1，当 视差变化超过一个像素单位时，代价值为P2，Pr^ P2S给定值。上式中的最后一项，与当前 像素 P选取的视差d无关，仅仅为了防止L过大，以满足L < C_+P2的计算结果，C _表示 匹配代价的最大取值。i和k表不视差的遍历从dmin到dmax，d min表不视差最小值，dmax表不 视差最大值。 最后，每一像素点的代价值为所有路径^的代价值之和S(p，d) =Σ人(p，d)，每一 点像素的匹配结果为最小代价值所对应的视差，从而完成环面内每个点的三维坐标计算， 即致密重建。 上述步骤（2)中进行相机坐标系下的三维重建过程为：在相机坐标系下根据视差 结果计算每个点的三维坐标，其中相机坐标系定义为：过相机光心，平行像平面水平方向向 右的为X。轴，平行像平面垂直方向向下的为y。轴，Z。轴满足右手定则。 上述步骤（3)中采用多点拟合，最大优化的方法计算环面法向量为： 在环面的三维点云数据中任意取三个点，进行平面拟合，得到平面方程的法向量 表示，然后计算其它点到平面的距离，距离和最小时的法向量作为最终的输出，就是环面的 法向量。 上述步骤⑶中将相机坐标系下表示的三维点云投影到与法向量垂直的平面内 为： 平面的法向量为（ph，qh，rh) (ph，qh，4分别代表沿当前坐标系XYZ三个方向的方向 数）且（ph 2+qh2+rh2) = 1，三维点云的坐标为（Xi, yi，Zi) i = 0, 1，…η-1，η为三维点云的总 数目。则对三维点云进行如下坐标变换： 上述步骤（4)中在与法平面垂直的平面内区分内边缘和外边缘，采用多点拟合， 结果最优的方法分别进行标准正圆拟合，得到对接环内外边缘的中心和半径，具体为： 根据canny算子得到的内边缘和外边缘，采用点的对应关系得到内边缘和外边缘 点的三维坐标，计算内边缘和外边缘两组点之间的平均距离；然后分别在内边缘点组或外 边缘点组中随机选取三个点进行正圆中心和半径的拟合，判断该组内其它点与拟合圆环的 距离，距离总和最小的认为是最佳结果，分别输出，得到对接环内外边缘的中心和半径。 本专利技术与现有技术相比具有的有益效果是：本专利技术克服了传统方法中需要在对接 环上手动标记标志点而消耗大量人力的缺点，同时回避了空间圆环投射到二维平面后的投 影变形，不着意解决椭圆或二次曲线的拟合问题，而是通过双目相机获得的测量图像，恢复 其环面及边缘的三维信息并将其投射到正射的投影平面上，简化空间圆环的投影为二维平 面的正圆，简化计算，只需要根据圆环的局部图像就能准确估计环面中心，在保证一定鲁棒 性的前提下，具有估算结果准确、耗时低的优点。【附图说明】 图1为本专利技术的方法的步骤示意图； 图2(a)_(i)为实施例1采用基于近距离短弧段图像的对接环圆心提取方法提取 对接环圆心的处理过程；其中（a)为输入的短弧段对接环目标左右图像对，（b)为极线校正 后效果图，（c)为标准偏差图像，（d)标准偏差图的二值化效果图，（e)利用实心程度的区域 属性进行环面区域提取后的效果图，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于近距离短弧段图像的对接环圆心提取方法，其特征在于实现步骤如下：(1)对于近距离获取的包含短弧段对接环目标的双目图像，进行极线校正，然后采用标准差方法进行二值化阈值分割，得到分割后的二值图像，利用二值图像中的区域属性进行环面区域提取,环面区域提取之后采用canny算子提取其内外边缘；(2)利用半全局的匹配方法对提取出的环面区域进行致密重建，得到环面上大量点的视差值，从而进行相机坐标系下的三维重建，得到三维点云；所述大量点是环面上所有能够配准的像素点，由环面的成像面积大小和配准率确定；(3)对相机坐标系下的三维点云采用多点拟合，最大优化的方法计算环面法向量并将相机坐标系下表示的三维点云投影到与法向量垂直的平面内；(4)在与法平面垂直的平面内区分内边缘和外边缘，采用多点拟合，结果最优的方法分别进行标准正圆拟合，得到对接环内外边缘的中心和半径；(5)根据得到的内外边缘中心和半径，采用对接环为同心环的约束条件，判断内外边缘的中心距离最小，内外边缘的半径相差与对接环宽度相当的结果为最佳结果，最终得到从包含局部短弧段对接环目标的双目图像中计算出的对接环准确的圆心坐标。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：毛晓艳，何英姿，魏春岭，胡海东，朱志斌，唐强，张海博，徐栓峰，龚小谨，江文婷，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11