專利名稱：一種小型地標(biāo)捕獲定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于目標(biāo)識(shí)別與導(dǎo)航制導(dǎo)定位技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種小型地 標(biāo)自動(dòng)捕獲定位方法。
背景技術(shù)：
不斷提高飛行器的導(dǎo)航精度一直是航空航天技術(shù)領(lǐng)域的重要研究課 題。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的積累誤差隨著時(shí)間而逐漸增大，所以單獨(dú)依靠慣性導(dǎo) 航系統(tǒng)不能滿足高精度導(dǎo)航的要求?？衫蔑w行器載光電平臺(tái)成像系統(tǒng)獲 取外界基準(zhǔn)信息，對(duì)地標(biāo)進(jìn)行捕獲定位，從而對(duì)飛行器導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行誤差 修正，實(shí)現(xiàn)飛行器的精確導(dǎo)航定位。
小型地標(biāo)是指地標(biāo)特征所占圖像尺寸在3x3 9x9像素范圍的特征穩(wěn)定 的地物。小型地標(biāo)是一種廣泛存在的地物，其特征一般不容易改變。如果 能夠挖掘小型地標(biāo)應(yīng)用于導(dǎo)航定位的潛力，則飛行器導(dǎo)航系統(tǒng)的自主性將 顯著提高，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全意義重大。小型地標(biāo)不僅是指那些本身 幾何尺寸小的穩(wěn)定地物，還包括那些近距離尺寸比較大，但遠(yuǎn)距離成像時(shí) 尺寸比較小的地物，因此小型地標(biāo)的捕獲定位應(yīng)用廣泛。小型地標(biāo)也是一 種目標(biāo)，對(duì)于動(dòng)平臺(tái)條件下復(fù)雜背景中的小型地標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行識(shí)別定位存 在很多困難首先小型地標(biāo)在整個(gè)背景圖像中占的比例很小，相對(duì)背景圖 像來說特征不顯著；其次背景復(fù)雜且不斷變化(如河流的漲水落水，局部地 物的消失或出現(xiàn))，背景中又存在大量的跟地標(biāo)圖像相似的模式；再次動(dòng)平 臺(tái)本身不穩(wěn)定，飛行器的慣性導(dǎo)航信息有誤差。因此，復(fù)雜背景下小型地 標(biāo)的捕獲定位是一個(gè)難點(diǎn)問題。
Moon Y S,Zhang Tianxu,Zuo Zhengrong在"Detection of sea surface small targets in infrared images based on multi-level filter and minimum risk bayes test"，InternationalJournalof PatternRecognitionand ArtificialIntelligence,2000,14(7):907-918中提出了一種基于多級(jí)濾波的海面紅外小目 標(biāo)檢測(cè)算法，該算法對(duì)背景、小目標(biāo)和噪聲頻譜進(jìn)行分析，利用基本濾波 模板級(jí)連構(gòu)成不同帶寬的濾波模板對(duì)紅外圖像進(jìn)行濾波，從而檢測(cè)出目標(biāo)。 該方法的問題主要是對(duì)于復(fù)雜地面背景中的小型地標(biāo)，由于大量類似模
式的存在，應(yīng)用該方法可能造成大量虛警。
Gianhca Marsiglia,Luea Fortunato,Aurora Ondini在"Template matching techniques for automatic IR target recognition in real and simulated scenarios:tests and evaluations" 'Proceeding of SPIE 2003,5094:159-16中提出
了基于模板匹配的紅外目標(biāo)識(shí)別算法，該方法采用目標(biāo)的結(jié)構(gòu)圖或紋理圖 制作目標(biāo)基準(zhǔn)圖，與傳感器輸出的實(shí)時(shí)圖進(jìn)行匹配識(shí)別目標(biāo)，適用于大型
目標(biāo)識(shí)別。該方法的問題主要是對(duì)于復(fù)雜背景中的小型地標(biāo)，地標(biāo)本身 相對(duì)于其周圍復(fù)雜場(chǎng)景來說，特征不顯著，這樣在利用參考圖進(jìn)行匹配時(shí)， 因?yàn)轭愃颇Ｊ降拇嬖?，造成匹配識(shí)別概率低。
即使是對(duì)于顯著地物特征部位的識(shí)別定位，如橋梁與河流的某個(gè)交叉 點(diǎn)，傳統(tǒng)的方法是采用基于參考圖的匹配，即首先在地面根據(jù)衛(wèi)片制備二 值或三值參考圖，將其存入動(dòng)平臺(tái)計(jì)算機(jī)中，然后根據(jù)動(dòng)平臺(tái)的慣性導(dǎo)航 信息，對(duì)計(jì)算機(jī)中的參考圖進(jìn)行透視變換，將變換后的參考子圖與光電成 像傳感器實(shí)時(shí)圖像匹配，從而捕獲定位特征部位。但是這種方法并不可靠， 因?yàn)樵趶?fù)雜背景中可能存在橋梁與河流的多個(gè)交叉點(diǎn)，且可能存在與交叉 點(diǎn)類似的局部區(qū)域。這樣在識(shí)別定位時(shí)，就可能定位到這些類似區(qū)域，而 不是指定的導(dǎo)航定位點(diǎn)。而如果直接采用小型目標(biāo)的檢測(cè)方法來識(shí)別定位 特征部位，則因?yàn)閺?fù)雜背景中存在大量的跟該導(dǎo)航定位特征點(diǎn)相似的區(qū)域， 造成圖像中出現(xiàn)大量的相似區(qū)域，不能精確定位到指定的地標(biāo)點(diǎn)。因此， 傳統(tǒng)的匹配方法不能達(dá)到飛行器可靠導(dǎo)航定位要求。
復(fù)雜背景中的小型目標(biāo)在整個(gè)背景中占的比例很小，相對(duì)于整個(gè)背景來 說其特征顯著性較弱。采用傳統(tǒng)的全圖檢測(cè)或是全圖匹配來檢測(cè)定位復(fù)雜 背景中的小型地標(biāo)，由于復(fù)雜背景中存在大量的相似模式，會(huì)導(dǎo)致捕獲定 位的這正確率低，不能達(dá)到飛行器導(dǎo)航可靠準(zhǔn)確定位要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種小型地標(biāo)捕獲定位方法，精確捕獲定位復(fù)雜地面場(chǎng)景 中的小型目標(biāo)，從而準(zhǔn)確實(shí)施對(duì)飛行器實(shí)時(shí)導(dǎo)航制導(dǎo)位置修正。
一種小型地標(biāo)自動(dòng)捕獲定位方法，按照以下步驟進(jìn)行
(1) 建立小型地標(biāo)與顯著地物間的空間約束關(guān)系以及顯著地物參考(2) 依據(jù)拍攝的顯著地物實(shí)時(shí)圖像檢測(cè)場(chǎng)景顯著地物；
(3) 依據(jù)小型地標(biāo)與顯著地物間的空間約束關(guān)系限定顯著地物實(shí)時(shí)圖 像的匹配搜索區(qū)域，在這個(gè)匹配搜索區(qū)域內(nèi)對(duì)小型地標(biāo)進(jìn)行匹配，得到小 型地標(biāo)粗匹配點(diǎn)；
(4) 在顯著地物實(shí)時(shí)圖像中，以粗匹配點(diǎn)為中心確定小型地標(biāo)的感興 趣搜索區(qū)域；
(5) 在感興趣搜索區(qū)域進(jìn)行小型地標(biāo)的精確定位。 所述空間約束關(guān)系包括小型地標(biāo)與顯著地物的包含關(guān)系、相鄰關(guān)系以
及間距。
所述步驟(4)的感興趣搜索區(qū)域以粗匹配點(diǎn)為中心，區(qū)域長(zhǎng)度和寬度 由m"/z/tar^)決定，A為飛行高度，S為俯仰角，常量附取值范圍是[O,O.l]。
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有導(dǎo)航定位、匹配定位的缺陷，根據(jù)復(fù)雜背景小型地標(biāo)的 特點(diǎn)，提出一種基于空間約束關(guān)系的動(dòng)平臺(tái)小型地標(biāo)自動(dòng)捕獲定位方法， 該方法的技術(shù)效果體現(xiàn)在
(1 )本發(fā)明預(yù)先在地面建立小型地標(biāo)與顯著地物之間的空間約束關(guān)系 知識(shí)庫(kù)，對(duì)小型地標(biāo)定位時(shí)，首先檢測(cè)顯著地物，再進(jìn)一步根據(jù)空間約束 關(guān)系定位小型地標(biāo)。這種動(dòng)平臺(tái)條件下小型地標(biāo)的遞推捕獲定位方法，具 有很好的魯棒性和精度。這是因?yàn)轱@著地物正確檢測(cè)率高，盡管精度不夠， 然而基于顯著地物參考圖的匹配可靠性高，小型地標(biāo)與各顯著地物的約束 關(guān)系不止一個(gè)，而且可靠。
(2)在地面根據(jù)衛(wèi)片建立地標(biāo)和場(chǎng)景中顯著地物之間的幾何關(guān)系，比如場(chǎng)景中出現(xiàn)機(jī)場(chǎng)，橋梁，大塊水域等地物時(shí)，建立這些地物與地標(biāo)之間
的幾何關(guān)系，得到N個(gè)約束關(guān)系。飛行時(shí)對(duì)實(shí)時(shí)圖像，依次檢測(cè)出圖像中 的顯著地物。根據(jù)這N個(gè)約束關(guān)系，確定進(jìn)行顯著地物實(shí)時(shí)圖像的匹配搜 索區(qū)。這樣一來，搜索區(qū)就不再是全圖了，而是在N個(gè)約束關(guān)系限制下的 局部區(qū)域了，這樣就明顯減小了二義性的影響，同時(shí)提高了匹配正確率。
(3)在對(duì)小型地標(biāo)進(jìn)行精確定位時(shí)，不是在全圖進(jìn)行精確定位，而是 在參考圖粗匹配點(diǎn)的感興趣區(qū)域進(jìn)行特征模板匹配，這樣就進(jìn)一步減小了 二義性的影響，同時(shí)提高了檢測(cè)正確率。


圖l是本發(fā)明流程示意圖； 圖2是條帶區(qū)域檢測(cè)流程圖3是條帶檢測(cè)模板圖，圖3(a)為水平模板，圖3(b)為垂直模板，圖 3(c)為45度模板，圖3(d)為135度模板； 圖4是透視變換模型圖； 圖5是含橋梁、河流、陸地的衛(wèi)片圖6是小型地標(biāo)(橋梁與河道交叉點(diǎn))與河流，橋梁，陸地的空間約
束關(guān)系圖； 圖7是橋梁條帶參考圖8是含橋梁、河流，水道、陸地等顯著地物的參考圖9是動(dòng)平臺(tái)上光電成像傳感器獲取的橋梁區(qū)域?qū)崟r(shí)圖例子；
圖IO是從該實(shí)時(shí)圖提取的橋梁區(qū)域二值圖11是橋梁直線段部分Radon變換參考點(diǎn)圖； 圖12是橋梁直線段部分Radon變換得到的條帶區(qū)域圖； 圖13是進(jìn)行顯著地物粗匹配的條帶狀搜索區(qū)圖； 圖14是顯著地物參考圖中用于粗匹配的子參考圖(己根據(jù)飛行慣性導(dǎo)航參 數(shù)進(jìn)行透視變換)；
圖15是粗匹配定位結(jié)果圖16是搜索地標(biāo)的感興趣區(qū)圖；圖17是小型地標(biāo)(橋梁/河道交叉點(diǎn))特征模板圖18是橋梁/河道交叉點(diǎn)在感興趣區(qū)精確匹配定位結(jié)果圖19是含湖中小島、湖岸、條帶地物的衛(wèi)星圖20是小型地標(biāo)(湖中小島)與湖岸、條帶地物的空間約束關(guān)系圖； 圖21是含湖中小島、湖岸、條帶地物的參考圖22是動(dòng)平臺(tái)上光電成像傳感器獲取的含湖中小島的實(shí)時(shí)圖例子；
圖23是條帶地物檢測(cè)結(jié)果圖24是條帶地物Radon變換參考點(diǎn)圖25是條帶地物Radon變換后的直線圖26是進(jìn)行顯著地物粗匹配的條帶狀匹配搜索區(qū)域示意圖27是顯著地物參考圖中用于粗匹配的模板示意圖(已根據(jù)飛行慣性
導(dǎo)航參數(shù)進(jìn)行透視變換)；
圖28是粗匹配定位結(jié)果圖29是湖中小島的感興趣搜索區(qū)域示意圖30是小型地標(biāo)(湖中小島)的二值特征模板圖31是湖中小島在感興趣區(qū)精確匹配定位結(jié)果示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和兩個(gè)實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一歩詳細(xì)的說明。 實(shí)例h
以圖5含橋梁、河流、陸地的衛(wèi)星圖片為例，地標(biāo)點(diǎn)為圖中圓圈部分， 即橋梁與河流的某個(gè)交叉點(diǎn)，可以看出該交叉點(diǎn)與橋梁和河流具有明顯的 空間約束關(guān)系，即它既在橋梁條帶上，又在河岸處。
飛行前處理步驟為
(l)地面準(zhǔn)備
在地面根據(jù)衛(wèi)片建立小型地標(biāo)和背景中顯著地物之間的空間幾何關(guān) 系，顯著地物主要包含三種顯著平面類地物，顯著線條類地物和顯著區(qū) 域類地物。圖5中橋梁為顯著線條類地物，且地標(biāo)點(diǎn)為橋梁與河流的某個(gè) 交叉點(diǎn)，根據(jù)衛(wèi)片建立地標(biāo)點(diǎn)與橋梁，河流之間的空間幾何關(guān)系如圖6所示。圖6中地標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)為A"。，K)，橋梁的兩個(gè)端點(diǎn)坐標(biāo)分別為B"，^和 C"2，h)，且地標(biāo)點(diǎn)A"。，y。)所處的河流區(qū)域?yàn)閕 。建立的空間幾何關(guān)系表 達(dá)式為
(Xo,^)e/且(X，^)ei ，
其中橋梁所在直線Z由"A)和"，^)確定 制備顯著線條類地物的參考圖。參考圖的制備與實(shí)際圖像的類別和目 標(biāo)的種類是緊密相連的，根據(jù)不同實(shí)際類型圖像和不同目標(biāo)，制備不同的 參考圖。對(duì)于光學(xué)圖像來說，對(duì)含有地標(biāo)，目標(biāo)及周邊環(huán)境的可見光圖像 做二值分割，手動(dòng)找到一個(gè)合適門限，后續(xù)的工作是去掉黑、白色的噪聲， 然后根據(jù)原始圖像調(diào)整相應(yīng)的邊緣和區(qū)域，使得需要進(jìn)行匹配的地標(biāo)及目 標(biāo)特征更加得顯著，并盡量按照光學(xué)成像圖像的特點(diǎn)去除相應(yīng)的噪聲及干 擾。
根據(jù)含橋梁、河流、陸地的衛(wèi)片和紅外成像傳感器的特點(diǎn)，在地面制 備的橋梁條帶參考圖如圖7所示，含橋梁、河流，水道、陸地等顯著地物 的參考圖如圖8所示。同時(shí)，考慮到該顯著地物為線條類地物，為了在飛 行中更好地確定條帶直線，便于飛行中投影(W"&")變換，在地面選取
i^cfo"變換點(diǎn)。在參考圖上，在地面找出橋梁在長(zhǎng)條部分上的兩個(gè)點(diǎn)"和6，
并記錄這兩個(gè)點(diǎn)在參考圖上的坐標(biāo)"，凡)和"，少J，將其存入飛行器計(jì)算
機(jī)中，如圖11所示(圓圈部分為在地面找的兩個(gè)點(diǎn)a和b)。 飛行中處理步驟為 (2)檢測(cè)顯著線條類地物
圖9為動(dòng)平臺(tái)上光電成像傳感器獲取的橋梁區(qū)域?qū)崟r(shí)圖例子。首先檢
測(cè)圖中的橋梁條帶，檢測(cè)橋梁條帶區(qū)域的流程如圖2所示。
檢測(cè)圖9中的橋梁直線的過程如下首先利用4個(gè)模板(如圖3所示)
對(duì)實(shí)時(shí)圖像做巻積運(yùn)算，可得到4幅巻積結(jié)果圖。對(duì)4幅巻積結(jié)果圖像逐
像素點(diǎn)取4幅圖像中的最大值，得到綜合4個(gè)方向信息且具有抗一定旋轉(zhuǎn)
能力的綜合巻積結(jié)果圖。計(jì)算綜合巻積結(jié)果圖的均值;/和標(biāo)準(zhǔn)差^，取閾 值G:/z + A^，取尺=2作門限，對(duì)綜合巻積結(jié)果圖進(jìn)行二值分割。遍歷分
割后的二值圖像，得到圖中的連通區(qū)域，把構(gòu)成同一個(gè)連通區(qū)域的像素用鏈表的形式記錄下來，并對(duì)每個(gè)連通區(qū)域賦予不同的標(biāo)志值，得到一系列 感興趣區(qū)域。對(duì)這一系列感興趣區(qū)域分別計(jì)算區(qū)域的外接矩形中不在區(qū)域 上的像素點(diǎn)的灰度均值，如果灰度均值與水域均值相差不大，則判定為橋 梁。如果有多個(gè)符合條件的橋梁區(qū)域，則取長(zhǎng)度最長(zhǎng)者為橋梁區(qū)域。得到
的橋梁區(qū)域二值圖如圖io所示。
為了保證檢測(cè)得到的橋梁區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)條形，對(duì)圖10進(jìn)行^&"變換。二
維變換的表達(dá)式為
"為整個(gè)實(shí)時(shí)圖像直角坐標(biāo)平面；7"，力為圖像點(diǎn)(x，少)的灰度值； P為坐標(biāo)原點(diǎn)到直線^^^"" +少sin^的距離；e為直線P""^ + ;;sii^與x 軸的夾角。它使/"力沿直線^"os""in^進(jìn)行積分，^&"變換可以
理解為圖像在^7—^空間的投影，P —^空間的每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)圖像空間一條直 線，而i "cfo"變換是圖像像素點(diǎn)在每一條直線上的積分。根據(jù)不同的P和^
的組合，對(duì)圖像進(jìn)行^&"變換，找出極大值，其對(duì)應(yīng)的^和e就是需要找 的直線參數(shù)。
在進(jìn)行i "&"變換時(shí)，并不是在^所有的角度(0 2;r)都進(jìn)行變換，而 只是在某個(gè)角度范圍之內(nèi)進(jìn)行，考慮到慣測(cè)組合的誤差，該角度范圍由動(dòng) 平臺(tái)慣性導(dǎo)航測(cè)量組合裝置提供，這樣可以兼顧速度和準(zhǔn)確率。
根據(jù)飛行器的導(dǎo)航信息(導(dǎo)引頭的航向角"，俯仰角^和高度/0，便可 以對(duì)圖11所示顯著線條類地物參考圖像中的"和A進(jìn)行透視變換，得到" 和6在實(shí)時(shí)前視圖中的像素點(diǎn)"和6'，其坐標(biāo)分別為"。'《)和"'，&)。透 視變換模型如圖4所示，其中-為成像儀縱向成像視場(chǎng)角，^為成像儀 橫向成像角，前視圖像行數(shù)為^G『，圖像列數(shù)為CGZ ，"為方位角，^為 俯仰角，^為飛行高度。如圖4所示T。。。,)為光軸所在點(diǎn)，石(A,)
為地面的某個(gè)點(diǎn)，則在光電傳感器獲取的前視圖像中^的像素點(diǎn)位置為 (Cd/2， i^『/2)，設(shè)；在光電傳感器獲取的前視圖像中的像素點(diǎn)位置為
(^-C", ^『)，貝U計(jì)算^-C"和^-^『的過程如下(9M = 。ro + V(乂 -^70)2 -xo)2 xcosa
tan(Z0M尸)4/0M
;—i 0PT = (ZOM尸—e) * i <9『/ ^
7; _ CO丄=arctan(V(乂 - y0)2 + (jc, - jc0)2 x sin or /(/z / tan(Z(9M尸》* / p
其中，or。為光軸與大地交點(diǎn)r。與成像儀投影至大地o點(diǎn)的距離，M點(diǎn)為j;點(diǎn) 投影至光軸縱向方向與oj;直線的交點(diǎn)，OM則為點(diǎn)o到點(diǎn)M的距離。
對(duì)于參考圖中已知的兩個(gè)點(diǎn)"，力)和"，A)，它們?cè)诠怆姵上駛鞲衅鳙@ 取的實(shí)時(shí)圖像上的位置為"。'，&)和"'，&)，則可以通過透視變換模型，根 據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)的方位角"，俯仰角e，高度、計(jì)算~; 如下(將坐標(biāo)
分別代入透視變換模型公式即可)
jc . :arctan(^y。->>0) +(jc?！猨c0) xsinor/(/z/tane + V(凡—少0) x0) xcosa)*COZ/p
_y。. = (arctan(/j/ tan ^ + :O?！?)2+0。 _^)2 x cos a)) — */ ^
jca. = arctan(V(;^ _少。)2 _x。)2 xsinor/^/tanP + Vo^ —_y。)2 —x。)2 x cos or) * COL / p
>>A. = (arctan(A /(/ / tan <9 + ^/oA -_y0 )2 + (x6 — jc0 )2 x cos ")) — 6>) * / ^
已知兩個(gè)點(diǎn)，便可以確定一條直線，計(jì)算出實(shí)時(shí)圖像中長(zhǎng)條形的斜率
"即是在飛行^慣性導(dǎo)航信息精確無^的情況下的橋梁條帶 直線參數(shù)，也就是說，如果飛行器的慣性導(dǎo)航信息準(zhǔn)確無誤，則"就是實(shí) 時(shí)圖像中直線斜率。但由于飛行器的慣性導(dǎo)航信息還存在誤差，定義誤差 為A^AorA^M， A ， A^， ^分別為航向角"，俯仰角^，高度A的誤差。
因此，需要進(jìn)行^&"變換，來確定實(shí)時(shí)圖像中直線參數(shù)，^"^"變換的角 度應(yīng)該在以"(轉(zhuǎn)化為弧度形式)為中心的一個(gè)范圍內(nèi)變動(dòng)[C7-d,cr + d]， 其中c為常量，c的取值范圍是
，本實(shí)施例取為20，為了兼顧準(zhǔn)確 率和運(yùn)算速度，^&"變換的步長(zhǎng)設(shè)定為2。 ^^"變換后得到直線方程為
對(duì)圖10中所有的白像素點(diǎn)進(jìn)行如下處理對(duì)于所有灰度值等于255的點(diǎn)，計(jì)算這些點(diǎn)到直線P"②s""si，的距離，如果距離大于^ (如 取^為3)，則將距離大于zW的點(diǎn)的灰度值置為O，否則保持不變。Radon 變換結(jié)果得到的條帶區(qū)域如圖12所示，包含該區(qū)域的最小矩形就是匹配 搜索區(qū)域，如圖13所示。
(3)沿線條區(qū)域方向的顯著地物參考圖匹配
依據(jù)小型地標(biāo)與顯著地物間的空間約束關(guān)系限定顯著地物實(shí)時(shí)圖像 的匹配搜索區(qū)域，在這個(gè)匹配搜索區(qū)域內(nèi)對(duì)小型地標(biāo)進(jìn)行粗定位，得到小 型地標(biāo)粗匹配點(diǎn)，以該粗匹配點(diǎn)為中心，確定一個(gè)適當(dāng)大小的局部區(qū)域， 在該局部區(qū)域內(nèi)檢測(cè)地標(biāo)特征進(jìn)行精定位。
對(duì)于實(shí)時(shí)圖像，參見圖9，導(dǎo)引頭的姿態(tài)參數(shù)為俯仰角^，航向角"， 高度"根據(jù)姿態(tài)參數(shù)，對(duì)顯著線條類地物參考圖進(jìn)行透視變換，得到參 考圖的前視變換圖。在變換后的顯著地物參考圖選取方形的匹配模板，匹 配模板的中心為小型地標(biāo)，模板的長(zhǎng)度和寬度由^^確定，其中^為俯仰 角，^為高度，^為常量，A的取值范圍是
，本實(shí)施例取為0.005。 將選取的匹配模板沿著圖13中的白色條帶區(qū)域與實(shí)時(shí)圖像相關(guān)匹配。
選取的顯著地物參考圖子圖模板如圖14所示。根據(jù)在地面準(zhǔn)備階段 得到小型地標(biāo)與周圍顯著地物之間的空間約束關(guān)系，可以知道待檢測(cè)的小 型地標(biāo)位于橋梁與河道的某個(gè)交叉處。直接采用全圖檢測(cè)或全圖匹配的方 法來檢測(cè)小型地標(biāo)會(huì)很困難，因?yàn)闃蛄号c河道的交叉口有很多，且該小型 地標(biāo)特征不顯著。但是根據(jù)地面準(zhǔn)備階段得到的小型地標(biāo)與周圍顯著地物 之間的空間約束關(guān)系，可以先把顯著的橋梁地物檢測(cè)出來，然后沿著橋梁 條帶方向進(jìn)行針對(duì)小型地標(biāo)的參考圖匹配，不僅減少了計(jì)算量，而且這樣 會(huì)明顯提高檢測(cè)準(zhǔn)確率。前一步驟己經(jīng)檢測(cè)定位到了橋梁條帶區(qū)域，可以 知道小型地標(biāo)點(diǎn)就在這個(gè)條帶區(qū)域上，但還不知道該小型地標(biāo)在條帶上的 具體位置，于是根據(jù)空間約束關(guān)系(小型地標(biāo)在橋梁上)，沿著條帶方向 進(jìn)行含小型地標(biāo)的顯著地物參考圖匹配，進(jìn)行匹配的搜索區(qū)如圖13中的 白色條帶區(qū)域所示。如果是全圖搜索，則會(huì)由于圖像中存在的大量的類似 小型地標(biāo)的區(qū)域而造成檢測(cè)不準(zhǔn)確，而采用基于小型地標(biāo)與周圍顯著地物 的空間約束關(guān)系的匹配，則限定了匹配搜索區(qū)范圍，從而提高了檢測(cè)準(zhǔn)確率。
匹配采用的度量為去均值歸一化灰度互相關(guān)，去均值歸一化灰度互相
關(guān)匹配算法的定義如下設(shè)實(shí)時(shí)圖為《，其大小為M"x乂，參考圖為《，
其大小為^x乂，且風(fēng)<仏，乂<乂。則實(shí)時(shí)圖中以(",v)為左上角、大小 為M,A^的子圖G^，v)與參考圖《間的去均值歸一化互相關(guān)度量p("，v)
為
^^[<^(/+"，/+"-《(" /，刀-5]
v) = , ,=1產(chǎn)1 —, —
、S Z [《o.+"， /+"—《(",v)]2 2 [Gr (/，力_巧2
V '=i y=i Y '=i 乂=1
其中與$分別為《"v)與《的灰度均值。由M"，v)構(gòu)成的相關(guān)
系數(shù)矩陣就是相關(guān)面。再?gòu)挠?jì)算出的匹配相關(guān)面數(shù)據(jù)^"，v)中選取極值點(diǎn) 得到匹配定位點(diǎn)，互相關(guān)匹配算法的運(yùn)算量主要集中在相關(guān)面數(shù)據(jù)^"，v)
的計(jì)算上。
匹配結(jié)果如圖15所示。
這樣就粗略地得到了小型地標(biāo)的位置，但是還不精確，以該粗匹配點(diǎn)
為中心，選取一個(gè)局部區(qū)域(區(qū)域大小由"^/tan^)決定，A為飛行高度， ^為俯仰角，M為常量，取值范圍是[O,O.l]，本實(shí)施例取為O.Ol)，該局部 區(qū)域就是感興趣區(qū)(小型地標(biāo)的潛在位置區(qū)域)，如圖16所示。 (4)檢測(cè)和精確定位小型地標(biāo)
經(jīng)過前面的步驟，己經(jīng)確定了小型地標(biāo)所在的感興趣區(qū)域，但還不能 精確定位小型地標(biāo)在感興趣區(qū)域中的具體位置。因此還需要在該感興趣區(qū) 中進(jìn)行小型地標(biāo)的精確定位。本實(shí)施例采用的方法是在前一步驟經(jīng)過透視 變換，將顯著地物參考圖透視變換為顯著地物參考圖的前視圖。在顯著地 物參考圖的前視圖中以小型地標(biāo)點(diǎn)為中心選取一個(gè)特征小模板，用該模板 與實(shí)時(shí)圖的感興趣區(qū)進(jìn)行特征匹配，以得到小型地標(biāo)的精確位置。選取的 小模板大小根據(jù)卵s決定，其中^為俯仰角，A為高度，s為常量，s的取值 范圍是
，本實(shí)施例取為0.0025。選取的地標(biāo)參考模板例子如圖17 所示，地標(biāo)檢測(cè)定位結(jié)果如圖18所示。實(shí)例2:
以如圖19所示的某湖中小島的衛(wèi)星圖片為例，地標(biāo)點(diǎn)為圖中圓圈包 含的小島，地標(biāo)小島包含于湖泊中，可以看到小島旁邊由一個(gè)明顯的條帶 地物，湖中小島與該條帶地物和湖岸之間具有顯著空間約束關(guān)系。
飛行前處理步驟為
(1)地面準(zhǔn)備
在地面根據(jù)衛(wèi)片建立小型地標(biāo)和場(chǎng)景中顯著地物之間的空間幾何關(guān) 系，顯著地物主要包含三種顯著平面類地物，顯著線條類地物和顯著 區(qū)域類地物。圖19中小島附近有一座橋梁，且小島與湖岸有明顯的幾何 關(guān)系，建立小島的空間約束關(guān)系如圖20所示。
根據(jù)湖中小島衛(wèi)星圖片和光學(xué)圖像的特點(diǎn)，在地面制備的顯著地物二 值參考圖如圖21所示。同時(shí)，考慮到該顯著地物為線條類地物，為了在 飛行中更好地確定條帶直線，便于飛行中^^o"變換，在地面選取^&"變 換點(diǎn)。在參考圖上，在地面找出橋梁在長(zhǎng)條部分上的兩個(gè)點(diǎn)"和6，并記 錄這兩個(gè)點(diǎn)在參考圖上的坐標(biāo)"，夂)和"，A)，將其存入飛行器計(jì)算機(jī)
中，如圖24所示。
飛行中處理步驟為
(2)檢測(cè)顯著線條類地物
圖22為光電成像傳感器獲取的湖中小島的實(shí)時(shí)圖像，小島附近的條
帶狀橋梁地物特征很顯著，對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)定位。
首先利用4個(gè)模板(如圖3所示)對(duì)圖像做巻積運(yùn)算，可得到4幅巻 積結(jié)果圖。對(duì)4幅巻積結(jié)果圖像逐像素點(diǎn)取4幅圖像中的最大值，得到 綜合4個(gè)方向信息且具有抗一定旋轉(zhuǎn)能力的綜合巻積結(jié)果圖。計(jì)算綜 合巻積結(jié)果圖的均值A(chǔ)和標(biāo)準(zhǔn)差^，取閾值Gz/z + A^，取尺=2作門限， 對(duì)綜合巻積結(jié)果圖進(jìn)行二值分割。遍歷分割后的二值圖像，得到圖中的 連通區(qū)域，把構(gòu)成同一個(gè)連通區(qū)域的像素用鏈表的形式記錄下來，并對(duì) 每個(gè)連通區(qū)域賦予不同的標(biāo)志值，得到一系列感興趣區(qū)域。對(duì)這一系列 感興趣區(qū)域分別計(jì)算區(qū)域的外接矩形中不在區(qū)域上的像素點(diǎn)的灰度均 值，如果灰度均值與水域均值相差不大，則判定為條帶。如果有多個(gè)符合條件的條帶區(qū)域，則取長(zhǎng)度最長(zhǎng)者為條帶區(qū)域。得到的條帶區(qū)域如圖
23所示。
為了得到直線方程，對(duì)圖23進(jìn)行^&"變換。根據(jù)實(shí)時(shí)參數(shù)(俯仰 角^，航向角"，高度A)分別對(duì)圖23中的點(diǎn)a和b進(jìn)行變換，得到對(duì) 應(yīng)的實(shí)時(shí)圖中點(diǎn)的坐標(biāo)位置(氣'，&)和"'^)。通過『^-:。計(jì)算出實(shí)時(shí) 圖像中條帶地物的斜率，J即是在飛行器導(dǎo)航信息精^^無^的情況下的 條帶地物參數(shù)。但由于飛行器的導(dǎo)航信息存在誤差，定義誤差為 A二AaA6M， △"， △ ^分別航向角，俯仰角，高度的誤差。因此，W"&"
變換的角度應(yīng)該在以"(轉(zhuǎn)化為弧度形式)為中心的一個(gè)范圍內(nèi)變動(dòng) [cx-cit，a + dt]，其中c為常量，本實(shí)施例取為30，為了兼顧準(zhǔn)確率和運(yùn)算 速度，^&"變換的步長(zhǎng)設(shè)定為2。對(duì)圖中的白色像素點(diǎn)進(jìn)行^^"變換
= J" f/(義，>0^(^ — x cos P — y sin P)i;a^
變換后得到直線的極坐標(biāo)表達(dá)式.-
^cfo"變換后得到的直線r如圖25所示。 (3)沿線條區(qū)域方向的顯著地物參考圖匹配
根據(jù)飛行參數(shù)(俯仰角氣航向角"，高度^)對(duì)參考圖進(jìn)行透視變換， 得到參考圖的實(shí)時(shí)前視變換圖。選取一定大小的參考子圖(選取大小由 P^確定，其中^為俯仰角，^為飛行高度，//為常量，本實(shí)施例/z取為 0.005)，選取的參考子圖如圖27所示。
根據(jù)湖中小島與顯著條帶地物之間的空間約束關(guān)系，可以知道湖中小 島與顯著條帶地物之間存在一定的幾何關(guān)系，湖中小島不在條帶地物上， 而是與條帶地物有一定的距離。如圖20所示的湖中小島與顯著地物之間 的空間約束關(guān)系中，對(duì)湖中小島與條帶橋梁地物之間的距離z進(jìn)行透視變 換，得到實(shí)時(shí)圖像中的/'。于是可以知道實(shí)時(shí)圖中的湖中小島應(yīng)該在與顯 著條帶地物的距離不超過/'的條帶區(qū)域中。于是定義湖中小島參考圖匹配 的搜索區(qū)域?yàn)?-其中&表示實(shí)時(shí)圖像中像素點(diǎn)x到^""。"變換得到的直線"之間的距 離。這樣就不是全圖搜索了，而是利用了湖中小島與顯著線條地物之間的
空間約束關(guān)系，大大限定了匹配搜索區(qū)，提高了檢測(cè)準(zhǔn)確率。圖26為匹 配搜索區(qū)。
本實(shí)施例采用的匹配方法為去均值歸一化灰度互相關(guān)算法
22[Gr(/ + "，7, + v) —G(")]x[G力,力-
/ 人 ,=1 乂=1
/ (W， V) = j j =
廣、 , |a^, w, _ |a/《w, 一
、E 2 [《(! + ",/ + " — ^^]2 、 2 S [《("力—5]2
進(jìn)行湖中小島參考圖匹配后的結(jié)果如圖28所示。
這樣就粗略地得到了湖中小島的位置，但是還不精確，以匹配點(diǎn)為中 心，選取一個(gè)局部區(qū)域(區(qū)域大小由^^/tai^)決定，A為飛行高度，0為俯 仰角，w為常量，本實(shí)施例取m為0.01)，該局部區(qū)域就是感興趣區(qū)(湖中 小島的潛在位置區(qū)域)，如圖29所示。
(4)檢測(cè)小型地標(biāo)
經(jīng)過前面的步驟，己經(jīng)確定了湖中小島的感興趣區(qū)域，但還不能精確 定位湖中小島在感興趣區(qū)域中的具體位置。因此還需要在該感興趣區(qū)中進(jìn) 行湖中小島的精確定位。本實(shí)施例采用的方法是在前一步驟經(jīng)過透視變 換，將顯著地物參考圖透視變換為顯著地物參考圖的前視圖。在顯著地物 參考圖的前視圖中以小型地標(biāo)點(diǎn)(湖中小島)為中心選取一個(gè)小模板，用 該模板與實(shí)時(shí)圖的感興趣區(qū)進(jìn)行匹配，以得到小型地標(biāo)的精確位置。選取 的小模板大小根據(jù)臉決定，其中^為俯仰角，^為高度，常量s的取值范圍 是
，本實(shí)施例取為0.0025。選取的地標(biāo)參考模板例子如圖30所示， 地標(biāo)檢測(cè)定位結(jié)果如圖31所示。
權(quán)利要求
1、一種小型地標(biāo)自動(dòng)捕獲定位方法，按照以下步驟進(jìn)行(1)建立小型地標(biāo)與顯著地物間的空間約束關(guān)系以及顯著地物參考圖；(2)依據(jù)拍攝的顯著地物實(shí)時(shí)圖像檢測(cè)場(chǎng)景顯著地物；(3)依據(jù)小型地標(biāo)與顯著地物間的空間約束關(guān)系限定顯著地物實(shí)時(shí)圖像的匹配搜索區(qū)域，在這個(gè)匹配搜索區(qū)域內(nèi)對(duì)小型地標(biāo)進(jìn)行匹配，得到小型地標(biāo)粗匹配點(diǎn)；(4)在顯著地物實(shí)時(shí)圖像中，以粗匹配點(diǎn)為中心確定小型地標(biāo)的感興趣搜索區(qū)域；(5)在感興趣搜索區(qū)域進(jìn)行小型地標(biāo)的精確定位。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種小型地標(biāo)自動(dòng)捕獲定位方法，其特征在 于，所述空間約束關(guān)系包括小型地標(biāo)與顯著地物的包含關(guān)系、相鄰關(guān)系以及 間距。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種小型地標(biāo)自動(dòng)捕獲定位方法，其特征在 于，所述步驟(4)的感興趣搜索區(qū)域以粗匹配點(diǎn)為中心，區(qū)域長(zhǎng)度和寬度 由附，/tan0決定，A為飛行高度，^為俯仰角，常量附取值范圍是[O,O.l〗。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種小型地標(biāo)自動(dòng)捕獲定位方法， 其特征在于，所述步驟(3)在對(duì)小型地標(biāo)的匹配前，首先按照如下方式確 定顯著地物參考圖的第一匹配模板對(duì)顯著地物參考圖作透視變換得到前 視圖，在前視中選取第一匹配模板，第一匹配模板是以小型地標(biāo)位置 為中心，模板長(zhǎng)度和寬度由^*//*//確定，其中^為俯仰角，A為飛行高度， 常量//的取值范圍是
。
5、根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種小型地標(biāo)自動(dòng)捕獲定位方法， 其特征在于，所述步驟(5)在精確定位前，首先按照如下方式確定顯著地 物參考圖的第二匹配模板對(duì)顯著地物參考圖作透視變換得到前視圖，在 前視中選取第二匹配模板，第二匹配模板是以小型地標(biāo)位置為中心， 模板長(zhǎng)度和寬度由^""確定，其中^為俯仰角，A為飛行高度，常量s的 取值范圍是
。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種小型地標(biāo)捕獲定位方法，屬于目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別與導(dǎo)航制導(dǎo)定位領(lǐng)域，其步驟為1)建立小型地標(biāo)與場(chǎng)景顯著地物間的空間約束關(guān)系以及顯著地物參考圖；2)依據(jù)獲取的顯著地物實(shí)時(shí)圖像檢測(cè)場(chǎng)景顯著地物；3)依據(jù)小型地標(biāo)與顯著地物間的空間約束關(guān)系限定顯著地物實(shí)時(shí)圖像的匹配搜索區(qū)域，在這個(gè)匹配搜索區(qū)域內(nèi)對(duì)小型地標(biāo)進(jìn)行匹配，得到小型地標(biāo)粗匹配點(diǎn)；4)在顯著地物實(shí)時(shí)圖像中，以粗匹配點(diǎn)為中心確定小型地標(biāo)的感興趣搜索區(qū)域；5)在感興趣搜索區(qū)域進(jìn)行小型地標(biāo)的精確定位。本發(fā)明精確捕獲定位復(fù)雜地面場(chǎng)景中的小型目標(biāo)，從而準(zhǔn)確實(shí)施對(duì)飛行器實(shí)時(shí)導(dǎo)航制導(dǎo)位置修正。
文檔編號(hào)G01C21/30GK101509782SQ20091006109
公開日2009年8月19日 申請(qǐng)日期2009年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月9日
發(fā)明者萬(wàn)美君, 張?zhí)煨? 密 李, 李耀波, 楊衛(wèi)東, 楊效余, 農(nóng) 桑, 澤 王, 賀永剛, 勝 鐘, 陽(yáng)豐俊, 顏露新, 云 黎 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)