二维最大熵和椭圆匹配的月面障碍物识别

月面障碍物识别是月球探测器自主着陆末段一个非常重要的环节.而岩石是月球表面存在较多的一种地理特征,有效地识别岩石既可以保证月球探测器的安全着陆,也可以为探测器选择适合巡视勘查的着陆场提供必要的信息.研究中将二维最大熵方法应用于图像分割,获得图像中由障碍物形成的阴影区域,然后使用椭圆匹配的方法匹配岩石的阴影区域,获得岩石的尺寸和位置.仿真实验结果表明,该算法可在0.3 s内有效地识别出图像中直径0.1 m以上的各种尺寸岩石,符合月球探测器末制导任务的实时性和精确性要求.     

封面图片说明

正第4期封面图片来自本期论文"深空探测着陆过程序列图像自主导航综述",是北京控制工程研究所设计的基于序列图像的着陆过程自主导航示意图.基于序列图像的自主导航技术是实现未来深空探测精确定点着陆任务的关键技术之一.如图中所示,着陆器在下降过程中利用主动或被动成像敏感器获取着陆区域地表的图像序列,通过对该序列图像的处理提取并跟踪着陆表面陆标或其他特征点等导航     

畸变图像的有效配准算法

镜头畸变是导致图像质量降低的主要因素之一.通常在图像存在畸变情况时,要先通过图像畸变校正方法来减小畸变对图像的影响,但校正过程较为复杂.本文提出了一种新的畸变图像的有效配准算法,算法分为初始匹配和松弛优化匹配两步,初始匹配算法采用圆投影匹配算法,松弛匹配算法则以向量旋转角的旋转和缩放不变性特征作为初始匹配对的优化准则,首先计算向量旋转角度差值,然后通过构造支持度函数和剔除策略选出最优匹配对.实验证明,该算法在图像非线性畸变误差较大的情况下也能够实现正确匹配.     

深空着陆器对偶控制策略

以深空着陆任务为背景,针对视觉导航过程中由于有限观测能力引起的估计性能不佳问题,研究了一种深空着陆器对偶控制策略.该策略将导航估计不确定性引入系统状态,给出包含与估计方差相关的二次型性能指标评价方法,利用着陆状态可观测性与着陆轨迹之间的耦合特性,合理优化观测轨迹,克服着陆过程中可观测性缺乏问题,大幅度提高系统的导航估计性能,使深空着陆器导航制导控制整体性能得到保障.     

深空探测着陆过程序列图像自主导航综述

基于序列图像的自主导航作为未来深空探测地外天体精确定点着陆任务的关键技术,是目前深空探测技术的重点发展方向之一.针对未来深空探测地外天体精确着陆自主导航的需求,阐述了发展深空探测着陆过程序列图像自主导航的必要性.首先,分别从主动成像和被动成像两个方向介绍了基于序列图像的深空探测着陆过程自主导航研究现状;然后,总结并分析了基于序列图像的深空探测着陆过程自主导航涉及到的关键技术;最后,根据关键技术分析给出了基于序列图像的深空探测着陆过程自主导航研究目前存在的主要问题并对其后续发展进行了展望.     

基于支持特征点的SAR辅助导航反演点置信度估计

合成孔径雷达(SAR)由于全天候、全天时等特点使得它正成为飞行器导航的理想传感器之一.SAR辅助导航是利用SAR实时获取的目标散射图像与飞行器中存储的参考图像进行匹配运算,进而修正飞行器的位置数据.但由于SAR为侧视雷达,当地形存有较大起伏时,实时图中某些位置的像素将产生偏移,使整个反演精度下降.基于此,以F.Leberl构象模型为基础,提出了基于支持特征点的反演控制点置信度估计方法.实验结果显示,根据置信度对适合精确匹配区域的数据进行优化选取,能较大提高反演飞行器空间位置的精度.     

基于缩放不变矩的鲁棒DCT域图像拷贝检测方法

提出一种基于不变矩的DCT域图像拷贝检测方法, 选取图像亮度分量的整体DCT变换后的中低频系数的符号作为其DCT域特征, 分别计算原始图像及其角度规范化后图像的DCT域特征, 计算并比较查询图像与图像库中图像的两类特征的相关性, 取较大的相关值来判断图像是否存在拷贝. 图像的整体DCT中低频系数已被验证对于信号处理攻击鲁棒性高, 且随着图像缩放攻击呈规律性变化, 因而利用图像的整体DCT中低频系数构建的DCT域特征对于信号处理和图像缩放攻击鲁棒性高; 利用图像的缩放不变矩估算出图像特征角度, 再依据特征角度对图像进行角度规范化可消除旋转失真的影响, 因而利用角度规范化后的图像的DCT域特征能抵抗旋转、以及旋转和等比例缩放的混合攻击. 实验结果证明在抗旋转和包含旋转的混合攻击方面, 该算法的检测效果明显优于已有算法.     

一种新的宽基线图像匹配方法

在宽基线图像匹配中,图像存在3维视角、尺度、旋转和灰度差异.为此,构造了一种新的基于局部二值模式直方图傅里叶特征的特征描述符,并通过对传统宽基线图像匹配算法框架中不同部分算法的对比分析,提出了一种新的宽基线图像匹配方法.首先,提取基准图像和实时图像中具有尺度和仿射不变性的最稳定极值区域,并利用新的特征描述符对这些区域进行图像旋转和灰度不变性描述;然后,根据近邻欧氏距离比值准则提取两图像中匹配的最稳定极值特征区域对;最后,利用顺序抽样一致性算法剔除误匹配特征区域对,估计两图像的外极几何关系,得到匹配结果.仿真结果表明,新算法能够适应待匹配图像间较大的3维视角、尺度、旋转和灰度差异,实现稳定的宽基线图像匹配.     

基于图像几何特征的行星表面参考区域提取与匹配方法

针对探测器在行星表面精确着陆的问题,提出了一种通过提取参考区域光照阴影及其轮廓几何特征进行自主识别、匹配的方法.首先,对图像预处理,包括基于区域斜分的二维最大熵双阈值分割、提取连通区域等操作;然后,提取特征区域阴影的轮廓,针对区域阴影及其轮廓信息进而提取其线状及面状几何特征;最后,利用基于加权欧氏距离的聚类方法进行模板匹配.该方法克服了在以往研究中选取参考区域单一化的缺陷,通过对取样图像大量反复的实验,匹配的正确率在93%以上,从而验证了该方法的可行性和鲁棒性.     

基于细节点频谱的指纹图像匹配算法研究

为了提高指纹识别系统对存在位移、缩放和旋转等线性变化的指纹图像识别率,提出一种基于指纹细节点频谱的指纹匹配算法。首先介绍了从频率域提取指纹细节点的频谱特征,利用傅里叶-梅林变换的特性来消除平移、缩放和旋转等线性变化,从而获得稳定的无需再次校准的指纹特征;由于新的频谱特征是以矩阵形式存储的,因此可以直接用欧氏距离来评估两个指纹特征的相似程度,进而完成指纹图像的匹配;最后利用Matlab搭建了一个系统平台,在FVC2002DB2数据库中进行实验。结果表明:与其他方法相比,笔者提出的方法明显提高了自动指纹识别系统的识别率。     

基于宽基线立体视觉的远距离三维重建

针对月球车视觉导航中远距离场景的三维重建问题,提出一种基于相机自标定的宽基线立体视觉方法.该方法首先提取立体图对的尺寸不变性(SIFT)特征并进行匹配,得到特征点对应关系;再使用外极线几何约束描述立体图像校正的直射变换,对其Sampson误差使用Levenberg-Marquardt(LM)算法求得最小二乘最优解,完成相机参数估计和图像校正;对校正后的图像使用种子像素视差扩张算法进行宽基线立体匹配,根据匹配得到的视差完成目标场景三维重建.实验表明:该方法解决了月球车相机的现场标定难题,并能够解决宽基线立体视觉面临的光照差异、透视畸变、遮挡等问题,对远距离山脉等自然场景的三维重建效果良好,重建精度较高.     

Determining relative position and attitude of a close non-cooperative target based on the SIFT algorithm

A binocular stereo vision positioning method based on the scale-invariant feature transform(SIFT)algorithm is proposed.The SIFT algorithm is for extracting distinctive invariant features from images.First,image median filtering is used to eliminate image noise.Then,according to the characteristics of the target satellite,image map is used to extract the middle part of the target satellite.At last,the feature match point under the SIFT algorithm is extracted,and the three-dimensional position and orientation are calculated.The features are invariant to image scale and rotation,and are shown to provide robust matching across a substantial range of affine distortion,change in 3Dviewpoint,addition of noise,and change in illumination.The experimental result shows that the algorithm works well and the maximum relative error is within 0.02 mand 2.5°.     

Vision navigation for aircrafts based on 3D reconstruction from real-time image sequences

In this paper,we propose a novel vision navigation method based on three-dimensional(3D)reconstruction from real-time image sequences.It adapts 3D reconstruction and terrain matching to establish the correspondence between image points and3D space points and the terrain reference(by using a digital elevation map(DEM)).An adaptive weighted orthogonal iterative pose estimation method is employed to calculate the position and attitude angle of the aircraft.Synthesized and real experiments show that the proposed method is capable of providing accurate navigation parameters for a long-endurance flight without using a global positioning system or an inertial navigation system(INS).Moreover,it can be combined with an INS to achieve an improved navigation result.     

基于SIFT特征点的双目视觉定位

提出了一种结合了SIFF特征点的双目立体视觉定位方法.介绍了对尺度、旋转、视角等变化具有良好鲁棒性的SIFT特征向量,利用SIFT特征向量匹配算法在双目视觉系统采集的左、右图片中分别检测目标、获取匹配的目标SIFT特征点.经过空间匹配点选择、标定点坐标计算等步骤获取左、右图片中具有空间位置一致性的目标标定点,并在摄像机坐标系中恢复目标标定点三维信息.实验结果表明,利用该方法进行目标定位具有较强的适应性.有一定的实用价值.     

基于ASIFT改进算法的无人机图像特征匹配方法研究

无人机图像纹理丰富、特征显著,在机器视觉三维重建及机器人导航中应用广泛,但其视角变化大,且易倾斜。传统的尺度不变特征变换(SIFT)算法和Affine SIFT(ASIFT)算法等图像特征匹配算法误差较大,难以满足应用要求。针对该问题,提出了一种基于ASIFT的改进算法。首先用ASIFT算法模拟图形畸变,然后利用SIFT算法中的k d树算法对最邻近特征点进行快速搜索匹配,最后加入随机抽样一致算法,得到匹配对的参数模型,同时对不符合模型的误差匹配对进行剔除。实验结果表明,该算法可以优化匹配效果,提高匹配速度。     

基于立体视觉的月球车运动估计算法

为了满足月球车自主导航的需要,提出了一种仅仅依靠月球车视觉系统提供的图像序列实现月球车六自由度运动状态估算的定位方法。对尺度不变特征转换点(Scale invariantfeature transform,SIFT)特征点跟踪匹配方法和运动参数估计方法进行了研究。在特征跟踪匹配时,引入了两个新的匹配约束条件以准确建立月球车运动前后环境特征点的对应关系。根据获得的特征点对应关系求解月球车的运动参数时,提出了一种鲁棒的估计方法,即首先用随机抽样一致性(Random sampling consensus,RANSCN)结合单位四元数方法剔除数据中的误匹配点,并求出车体运动参数的预估值,然后以此预估值并利用Levenberg-Marquardt非线性优化算法对运动参数进行精确求解。最后,通过模拟场地试验验证了该运动参数估计算法的有效性。     

基于图像力场理论的ORB特征优化方法

针对现有的移动机器人视觉图像ORB特征受图像尺度、光照和旋转影响比较大的问题,提出了一种基于图像力场理论转换的优化ORB算法.通过计算图像熵值确定图像金字塔尺度,构建稳定的ORB特征,以此解决ORB特征点的尺度不变性.采用ORB特征点的引力方向作为特征点描述子的主方向,优化ORB算法的旋转不变性.利用PROSAC算法剔除冗余ORB特征点.结果表明,本文方法在一定程度上提高了ORB特征点描述子的准确度和匹配正确率.     

基于迭代最近点算法的地形匹配算法可靠性分析

根据迭代最近点算法的原理,从几何直观的角度研究了地形辅助导航系统匹配的可靠性,推导了旋转和平移的可靠性公式,并进行了数字仿真,结果表明,本文推导的可靠性结论是正确的.     

面向大尺度三维重建的多核并行SIFT算法

针对大尺度三维重建中图像数据集较大、其特征提取和匹配时间消耗过长等问题,提出了一种针对有序图像数据集的滑动窗口匹配算法.该算法采用并行计算实现了对SIFT特征提取和匹配算法的加速,并在图形处理器上得以实现,减少了匹配计算量.实验结果表明,算法大大提高了特征提取和匹配的运算速度,保证了特征的稳定性和匹配精度,有效地缩短了大尺度三维重建的运算时间,确保了重建精度.     

特征光斑单目视觉空间定位方法

为了满足地面试验中运动目标位姿参数视觉测量系统的研制需求,基于单目视觉原理设计了大视场条件下实际平面上特征光斑的精确空间定位方法.建立了特征光斑的成像模型,给出了实际平面对特征光斑空间位置的约束,进而提出了特征光斑的单目视觉空间定位方法,并依据实际平面的特点设计了高阶曲面型、分块平面型和分块曲面型等三种类型实际平面上特...