行星着陆协同导航特征匹配方法组成比例

本发明专利技术公开的行星着陆协同导航特征匹配方法，属于深空探测领域。本发明专利技术实现方法为：协同探测的导航相机A和B同时对目标区域定向拍摄，分别检测图像中的导航特征边缘点集和光照方向；利用协同导航图像光照方向不变的特点，计算两幅图像间的旋转角，恢复图像旋转变换；基于检测的边缘点集，计算图像I

【技术实现步骤摘要】
from local scale
‑
invariant features[C].Proc of IEEE International Conference on Computer Vision.1999.)，提出了一种尺度不变特征描述符和匹配(SIFT)方法，该方法在不同的尺度空间上通过高斯差分搜索关键点，并基于图像像素梯度信息计算出关键点的方向，利用关键点信息实现图像间的准确匹配，具有角度和尺度不变性。但是SIFT关键点提取计算量较大，无法满足着陆任务实时性的要求，另外SIFT关键点的方向依赖图像灰度信息，对着陆图像的光照变化敏感，对于光照变化较大的两幅图像匹配鲁棒性较差。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种行星着陆协同导航特征匹配方法，在两幅图像中导航特征存在仿射变换的情况下，利用协同导航图像光照方向不变的特点，恢复图像之间的旋转变换，并基于导航特征边缘点集，求解图像之间的缩放系数，恢复两幅图像之间的缩放变换；通过模板匹配提高宽视场相机和窄视场相机的协同导航方案匹配效率；基于边缘点集的相似度距离，确定存在仿射变换的两个导航特征的对应关系，实现协同导航相机拍摄的两幅图像之间的导航特征匹配，并利用导航特征匹配结果解决行星着陆协同导航领域相关技术问题。
[0008]所述仿射变换包括旋转、平移、缩放、剪切。
[0009]所述行星着陆协同导航领域相关技术问题包括行星表面环境感知、障碍规避跟踪、协同光学导航位姿估计。
[0010]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。
[0011]本专利技术公开的行星着陆协同导航特征匹配方法，协同探测的导航相机A和B同时对目标区域定向拍摄，分别检测图像中的导航特征边缘点集和光照方向；利用协同导航图像光照方向不变的特点，计算两幅图像间的旋转角，并恢复图像旋转变换；基于检测的边缘点集，计算图像I
A
所有导航特征边缘点集P
A
与图像I
B
经过旋转后的所有导航特征边缘点集P
B'
在图像u和v方向的缩放系数；解算两幅图像缩放系数，并对旋转后的图像进行缩放恢复；经过旋转缩放后，遍历两幅图像中导航特征边缘点集的相似度距离，得到相似度距离最小的一对导航特征即判定匹配成功，利用全局匹配的导航特征中心点计算图像变换的单应性矩阵T；实现协同导航相机拍摄的两幅图像之间的导航特征匹配。
[0012]本专利技术公开的行星着陆协同导航特征匹配方法，包括如下步骤：
[0013]步骤一：协同探测的两台光学导航相机A和B同时对目标区域定向拍摄，两台光学导航相机A和B分别检测图像中的导航特征边缘点集和光照方向。
[0014]协同探测的两台光学导航相机A和B同时对目标区域定向拍摄，星载计算机检测到相机A拍摄到的行星表面图像I
A
中导航特征的边缘点集为P
A
，图像光照方向为S
A
＝[Sun
Ax
,Sun
Ay
]；同样地，针对相机B拍摄到的行星表面图像I
B
，导航特征的边缘点集为P
B
，图像光照方向为S
B
＝[Sun
Bx
,Sun
By
]。
[0015]步骤二：利用协同导航相机同时拍摄目标行星表面而图像光照方向不变的特点，基于步骤一中两台光学导航相机A和B分别检测图像中光照方向，计算两幅图像间的图像旋转角，并通过恢复图像旋转变换得到旋转后的图像。
[0016]利用图像I
A
和图像I
B
的光照方向计算图像旋转角θ。
[0017][0018]其中，|
·
|为向量的模。
[0019]根据图像旋转角θ恢复图像旋转变换，得到旋转后的图像。
[0020]步骤三：基于两台光学导航相机A和B分别检测到的图像导航特征边缘点集，计算图像I
A
所有导航特征边缘点集P
A
与图像I
B
经过旋转后的所有导航特征边缘点集P
B'
在图像u方向和v方向的缩放系数。
[0021]图像I
A
共检测到m个导航特征，边缘点集坐标为i＝1,2,3,
…
,m，图像I
B
共检测到n个导航特征，旋转后的导航特征边缘点集坐标为j＝1,2,3,
…
,n，则图像I
A
中第i个导航特征与图像I
B
中第j个导航特征在图像u和v方向的缩放系数定义为：
[0022][0023]其中，为I
A
中第i个导航特征与I
B
中第j个导航特征在图像u方向的缩放系数，为I
A
中第i个导航特征与I
B
中第j个导航特征在图像v方向的缩放系数，中第j个导航特征在图像v方向的缩放系数，(u,v)为边缘点在图像中的像素坐标。
[0024]步骤四：根据步骤三中的缩放系数和缩放变换关系，解算两幅图像缩放系数，并对旋转后的图像进行缩放恢复，得到缩放后的图像。
[0025]两幅图像与两幅图像中对应的导航特征存在如下缩放变换关系：两幅图像存在缩放变换，则两幅图像中对应的导航特征具有相同的缩放变换。根据步骤三中的缩放系数和上述缩放变换关系，通过搜索估计两幅图像在u方向的缩放系数和v方向的缩放系数根据缩放系数和缩放系数对旋转后的图像进行缩放恢复，得到缩放后的图像。
[0026]作为优选，步骤四具体实现方法为：
[0027]由于观测情况不同，对应的导航特征边缘点集的缩放值不会完全相等，而是呈近似的状态，因此，在m
×
n个缩放数据中，通过随机抽样一致算法(RANSAC)迭代剔除掉数据中异常的缩放值，进而利用相近的数据估计两幅图像在u方向的缩放系数同样地，按照上述估计的方法，估计两幅图像在v方向的缩放系数根据缩放系数和缩放系数对旋转后的图像进行缩放恢复，得到缩放后的图像。
[0028]步骤五：对于图像I
B
经过旋转缩放恢复后的边缘点集图像I
B'
、图像I
A
的边缘点集图像I
A'
，遍历两幅图像中导航特征边缘点集的相似度距离，得到相似度距离最小的一对导
航特征判定匹配成功，并利用全局匹配的导航特征中心点解算图像变换的单应性矩阵T，即实现协同导航相机拍摄的两幅图像之间的导航特征匹配。
[0029]由于深空探测任务的不同，不同探测器所携带的光学敏感器规格也不同，对于搭载宽视场导航相机和窄视场导航相机的协同导航方案，通过模板匹配提高宽视场相机和窄视场相机的协同导航方案匹配效率。由于两种相机视场不同，协同拍照时所能观测的视野范围也不一样，此时窄视场相机图像I
B'
和款市场相机图像I
A'
某一区域图像具有近似的尺度和相同的分辨率，通过模板匹配找到窄视本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.行星着陆协同导航特征匹配方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：协同探测的两台光学导航相机A和B同时对目标区域定向拍摄，两台光学导航相机A和B分别检测图像中的导航特征边缘点集和光照方向；步骤二：利用协同导航相机同时拍摄目标行星表面而图像光照方向不变的特点，基于步骤一中两台光学导航相机A和B分别检测图像中光照方向，计算两幅图像间的图像旋转角，并通过恢复图像旋转变换得到旋转后的图像；步骤三：基于两台光学导航相机A和B分别检测到的图像导航特征边缘点集，计算图像I
A
所有导航特征边缘点集P
A
与图像I
B
经过旋转后的所有导航特征边缘点集P
B
'在图像u方向和v方向的缩放系数；步骤四：根据步骤三中的缩放系数和缩放变换关系，解算两幅图像缩放系数，并对旋转后的图像进行缩放恢复，得到缩放后的图像；步骤五：对于图像I
B
经过旋转缩放恢复后的边缘点集图像I
B'
、图像I
A
的边缘点集图像I
A'
，遍历两幅图像中导航特征边缘点集的相似度距离，得到相似度距离最小的一对导航特征判定匹配成功，并利用全局匹配的导航特征中心点解算图像变换的单应性矩阵T，即实现协同导航相机拍摄的两幅图像之间的导航特征匹配。2.如权利要求1所述的行星着陆协同导航特征匹配方法，其特征在于：还包括步骤六，利用导航特征匹配结果解决行星着陆协同导航领域相关技术问题，所述行星着陆协同导航领域相关技术问题包括行星表面环境感知、障碍规避跟踪、协同光学导航位姿估计。3.如权利要求1或2所述的行星着陆协同导航特征匹配方法，其特征在于：步骤一实现方法为，协同探测的两台光学导航相机A和B同时对目标区域定向拍摄，星载计算机检测到相机A拍摄到的行星表面图像I
A
中导航特征的边缘点集为P
A
，图像光照方向为S
A
＝[Sun
Ax
,Sun
Ay
]；同样地，针对相机B拍摄到的行星表面图像I
B
，导航特征的边缘点集为P
B
，图像光照方向为S
B
＝[Sun
Bx
,Sun
By
]。4.如权利要求3所述的行星着陆协同导航特征匹配方法，其特征在于：步骤二实现方法为，利用图像I
A
和图像I
B
的光照方向计算图像旋转角θ；其中，|
·
|为向量的模；根据图像旋转角θ恢复图像旋转变换，得到旋转后的图像。5.如权利要求4所述的行星着陆协同导航特征匹配方法，其特征在于：步骤三实现方法为，图像I
A
共检测到m个导航特征，边缘点集坐标为图像I
B
共检测到n个导航特征，旋转后的导航特征边缘点集坐标为j＝1,2,3,
…
,n，则图像I
A
中第i个导航特征与图像I
B
中第j个导航特征在图像u和v方向的缩放系数定义为：
其中，为I
A
中第i个导航特征与I
B
中第j个导航特征在图像u方向的缩放系数，为I
A
中第i个导航特征与I
B
中第j个导航特征在图像v方向的缩放系数，(u,v)为边缘点在图像中的像素坐标。6.如权利要求5所述的行星着陆协同导航特征匹配方法，其特征在于：步骤四实现方法为，两幅图像与两幅图像中对应的导航特征存在如下缩放变换关系：两幅图像存在缩放变换，则两幅图像中对应的导航特征具有相同的缩放变换；根据步骤三中的缩放系数和上述缩放变换关系，通过搜索估计两幅图像在u方向的缩放系数和v方向的缩放系数根据缩放系数和缩放系数对旋转后的图像进行缩放恢复，得到缩放后的图像。7.如权利要求6所述的行星着陆协同导航特征匹配方法，其特征在于：由于深空探测任务的不同，不同探测器所携带的光学敏感器规格也不同，对于搭载宽视场导航相机和窄视场导航相机的协同导航方案，通过模板匹配提高宽视场相机和窄视场相机的协同导航方案匹配效率；由于两种相机视场不同，协同拍照时所能观测的视野范围也不一样，此时窄视场相机图像I
B'
和款市场相机图像I
A'
某一区域图像具有近似的尺度和相同的分辨率，通过模板匹配找到窄视场相机图像I
B'
在宽视场相机图像I
A'
中的位置范围，对应的区域记为I
A”；利用相机A的边缘点集子图I
A”和相机B恢复后的边缘点集图像I
B'
，遍历导航特征边缘点集并计算相似度距离；如果协同导航相机规格相同，则不需要进行模板匹配；直接利...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱圣英，修义，崔平远，徐瑞，梁子璇，葛丹桐，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：