基于直线特征的空间目标三维结构重建和位姿测量方法研究

论文摘要

本文以空间平台对空间目标采用光测图像方法进行观测为背景,研究了基于直线特征重建空间非合作目标三维结构和测量空间合作目标分离后与空间平台相对位姿的有关算法。空间环境中存在大量不可控制或者不可预知因素,执行空间任务时摄像机系统的参数容易受到影响,因而在轨对摄像机参数进行标定具有实用意义。同时,大部分空间目标包含丰富的直线特征信息。本文充分利用直线特征的性质,展开了以下研究工作。1、空间非合作目标提供的目标特征信息有限,不能简单采用合作目标的光测图像方法进行观测。由于直线之间存在平行、垂直和相交等相互关系,以基于直线特征的中心透视投影方程来描述摄像机成像几何模型,以场景中直线的几何关系作为算法约束,针对单幅图、图像对和序列图像的情况,开发了标定摄像机内外参数并重建空间非合作目标三维结构的新算法。这是全文的重点。1)关于未标定的单幅图,提出了一种标定摄像机内参数的新方法,该方法利用了直线的射影不变性中的平行直线相交以及直线的相似不变性中的正交直线在相似变换中保持正交两个性质。在此基础上,基于直线的仿射不变性中的平行直线在仿射空间保持平行以及直线的相似不变性中的虚圆点在相似变换下保持不变的性质重建平面结构。定量分析了摄像机参数选择对消影点精度的影响,研究了如何合理选择摄像机的拍摄位置和角度来高精度求取消影点。针对近景测量像差畸变大的情况,讨论了基于直线的射影不变性来纠正鱼眼镜头像差畸变的方法。2)关于未标定的图像对,提出了基于直线的射影不变性中的交比不变和极线约束标定摄像机内外参数并重建目标三维结构的算法。3)关于未标定的序列图像,提出了基于直线的相似不变性中的正交直线在相似变换中保持正交和光束法平差标定摄像机内外参数并重建目标三维结构的算法。针对本文研究的空间非合作目标,设计仿真实验研究了空间平台与非合作卫星非共面一般接近以及空间平台绕飞非合作目标时,分别采用基于图像对和序列图像的方法来重建非合作目标三维结构的问题。2、本论文提出了采用固连主副摄像机的测量方案,基于直线特征测量合作目标分离后与空间平台的相对位姿的方法。该方法分别使用主摄像机和与之固连的副摄像机实时拍摄分离系统和空间平台上的基准标定物的图像;通过提取图像中的直线特征,利用合作目标中已知的空间直线精确位置关系,推导分离目标相对合作平台位姿的解算公式,获得合作目标与空间平台的相对位姿。3、作为图像分析的预处理步骤,研究了直线特征的提取和匹配算法。1)提出了一种最大梯度方向Hough变换与一维高斯模板拟合相结合提取直线的两步算法,既合理利用了已有的经典算法,又提高了直线提取的精度。2)针对三维重建的需求,提出了一种基于极线约束和RANSAC算法的直线段匹配方法,有效解决了图像中被部分遮挡直线段的匹配问题。数字仿真和地面实验表明,本文提出的这些采用光测图像的算法对约束条件要求低,易于实现,抗噪性强,具有较高的精度,为解决空间目标观测中的摄像机参数标定、目标位姿解算和结构重建提供了若干种基于目标直线特征的实用算法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 测量空间目标的光测系统的研究进展
• 1.2.2 处理光测图像相关算法的国内外研究进展
• 1.3 本文核心思想及技术贡献
• 1.3.1 本文核心思想
• 1.3.2 本文主要内容
• 1.3.3 本文主要技术贡献
• 1.3.4 几个概念的说明
• 1.3.5 本文名词约定
• 第二章 直线的中心投影模型与几何不变性
• 2.1 中心投影成像模型
• 2.1.1 点的中心投影成像方程
• 2.1.2 直线的中心投影成像方程
• 2.1.3 内参数简化模型的可行性论证
• 2.1.4 对点和直线方程的仿真实验与结果分析
• 2.2 直线的几何不变性在三维重建中的应用
• 2.2.1 摄像机自标定和分层重建原理的简单介绍
• 2.2.2 直线的射影不变性
• 2.2.3 直线的仿射不变性
• 2.2.4 直线的相似不变性
• 2.2.5 直线的欧氏不变性
• 2.3 小结
• 第三章 基于直线的几何不变性从未标定单幅图像重建平面结构
• 3.1 基于直线的射影和相似不变性从单幅图像标定摄像机内参数
• 3.1.1 从单幅图像标定内参数的已有算法
• 3.1.2 基于直线的射影不变性相似不变性标定内参数
• 3.1.3 实验结果与分析
• 3.1.4 对摄像机外参数分析
• 3.1.5 对消影点的进一步分析
• 3.2 基于直线的射影、仿射和相似不变性重建平面结构
• 3.2.1 重建平面的已有算法
• 3.2.2 从单幅图重建平面结构的算法思路
• 3.2.3 从单幅图对平面结构重建算法的步骤
• 3.2.4 真实图像实验结果与分析
• 3.3 基于直线的射影不变性标定像差系数
• 3.3.1 标定像差的常用方法
• 3.3.2 基于直线的射影不变性标定摄像机像差系数
• 3.3.3 实验结果与分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于直线的射影不变性和极线约束从未标定图像对重建三维结构
• 4.1 从图像对重建目标三维结构的原理和已有算法
• 4.1.1 对极几何
• 4.1.2 已知摄像机内参数从图像对重建目标三维结构的传统算法
• 4.1.3 从未标定图像对重建目标三维结构的已有算法
• 4.2 基于直线的射影不变性和极线约束重建目标三维结构
• 4.2.1 基于直线的射影不变性和极线约束重建三维结构的算法思路
• 4.2.2 基于直线的射影不变性和极线约束重建三维结构的算法步骤
• 4.2.3 实验结果与分析
• 4.2.4 空间平台与非合作目标轨道非共面的一般接近的仿真实验
• 4.3 小结
• 第五章 基于直线的相似不变性和光束法平差从未标定序列图像重建三维结构
• 5.1 基于序列图像的结构重建方法综述
• 5.1.1 已知摄像机内参数从序列图像重建目标三维结构的传统算法
• 5.1.2 从未标定序列图像重建目标三维结构的已有方法
• 5.2 基于直线的相似不变性和光束法平差重建三维结构
• 5.2.1 基于直线的相似不变性和光束法平差重建三维结构的算法思路
• 5.2.2 基于直线的相似不变性和光束法平差重建三维结构的算法步骤
• 5.2.3 实验结果及分析
• 5.2.4 空间平台绕飞空间非合作目标的仿真试验
• 5.3 小结
• 第六章 基于直线特征的合作目标与空间平台的相对位姿测量方法研究
• 6.1 基于直线特征的相对位姿测量方法研究
• 6.1.1 目标位姿测量方法综述
• 6.1.2 基于直线特征的相对位姿测量方法的思路
• 6.1.3 基于直线特征的相对位姿测量方法的技术要点
• 6.1.4 实验结果及分析
• 6.2 小结
• 第七章 直线特征的提取和匹配方法研究
• 7.1 直线特征提取的“两步法”
• 7.1.1 直线特征的提取原理和传统方法
• 7.1.2 直线提取“两步法”
• 7.1.3 实验结果和精度分析
• 7.2 基于极线约束和RANSAC算法相结合的直线段匹配方法
• 7.2.1 图像匹配原理和传统方法
• 7.2.2 基于极线约束和RANSAC算法的直线段匹配方法
• 7.2.3 实验结果的精度分析
• 7.3 小结
• 结束语
• 本文工作总结
• 进一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录 三维旋转的表示法