CN109145897A - 航天器合作靶标及其识别方法和识别装置 - Google Patents

航天器合作靶标及其识别方法和识别装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种航天器合作靶标及其识别方法和识别装置，其中航天器合作靶标包括：板体以及垂直突出于所述板体的柱体；航天器合作靶标上设置3个大小相同的圆形标识点，板体上还设置线段标记和圆环标记，所述圆环标记的圆心与第一标识点的正投影的圆心为同一点，第一标识点的正投影的圆心、第二标识点的圆心以及第三标识点的圆心位于同一线段上且与所述线段标记平行。本发明实施例的航天器合作靶标便于在复杂场景中快速识别，从而提高航天器对接的效率和准确率。

Description

航天器合作靶标及其识别方法和识别装置
技术领域
本发明涉及航天器技术领域，更具体地，涉及航天器合作靶标及其识别方法和识别装置。
背景技术
航空航天器对接、空间站机械臂抓取货物等任务的执行，是通过航天器或机械臂上安装的摄像机对对接或抓取目标上的合作靶标(简称靶标)进行识别并计算相对位姿，继而解算出两者之间的路径规划，最终完成对接或抓捕任务。摄像机对合作靶标的识别精度，直接决定了航空航天器完成对接或抓取任务的成功率。
然而太空环境中场景复杂，航天器与抓捕对象之间的位姿情况多变，现有的合作靶标有时无法被图像传感器所识别，需要人为介入或者重新调整相对位姿后重新识别，这大大影响了航天器对接或抓捕任务完成的效率。因此，需要设计出一种能够被快速识别和定位的合作靶标。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的航天器合作靶标及其识别方法和识别装置。
根据本发明的一个方面，提供一种航天器合作靶标，包括板体和垂直突出于所述板体的柱体，其中，所述航天器合作靶标上设置3个大小相同的圆形标识点，包括设置在所述柱体顶面的第一标识点、设置在所述板体上且对称分布在所述第一标识点两侧的第二标识点和第三标识点；
所述板体上还设置线段标记和圆环标记，所述圆环标记的圆心与所述第一标识点的正投影的圆心为同一点，所述第一标识点的正投影的圆心、所述第二标识点的圆心以及第三标识点的圆心位于同一线段上且与所述线段标记平行。
根据本发明的第二个方面，还提供一种航天器合作靶标的识别方法，包括：
获取空间场景中航天器合作靶标的图像，对所述图像先后进行边缘检测和单像素边缘跟踪，获得所有边缘；
对所有边缘进行圆识别，根据圆识别的结果获得一定数量的圆和线段；
逐个对圆和线段进行约束检测，直至找到满足所述航天器合作靶标中圆环标记和线段标记间制约关系的圆和线段，以确定图像中的线段标记和圆环标记；
根据图像中确定的线段标记和圆环标记，识别图像中的所有标识点。
根据本发明的第三个方面，还提供一种航天器合作靶标的识别装置，包括：
边缘获取模块，用于获取空间场景中航天器合作靶标的图像，对所述图像先后进行边缘检测和单像素边缘跟踪，获得所有边缘；
圆识别模块，用于对所有边缘进行圆识别，根据圆识别的结果获得一定数量的圆和线段；
标记识别模块，用于逐个对圆和线段进行约束检测，直至找到满足所述航天器合作靶标中圆环标记和线段标记间制约关系的圆和线段，以确定图像中的线段标记和圆环标记；
标识点识别模块，用于根据图像中确定的线段标记和圆环标记，识别图像中的所有标识点。
根据本发明的第四个方面，还提供一种电子设备，包括：
至少一个处理器；以及
与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行第二方面的各种可能的实现方式中任一种可能的实现方式所提供的识别方法。
根据本发明的第五个方面，还提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行第二方面的各种可能的实现方式中任一种可能的实现方式所提供的识别方法。
本发明提出的航天器合作靶标及其识别方法和识别装置，其中航天器合作靶标，通过设置与柱体同心的圆环标记和与三个标识点平行的线段标记，使得在识别合作靶标时，先检测图像中的圆形，在根据圆形旁边是否有符合规定条件的一条线段即可进一步判断出靶标上三个标识点的位置，由于圆环包含内外两个圆形边缘，可以确保识别的准确率，加之线段长度较长，便于线段识别。
附图说明
图1为根据本发明实施例的航天器合作靶标的俯视图；
图2为根据本发明实施例的航天器合作靶标的侧视图；
图3为根据本发明实施例的航天器合作靶标的识别方法的流程示意图；
图4为根据本发明实施例的对图像进行单像素边缘跟踪，获得所有边缘的流程示意图；
图5为根据本发明实施例的八邻域的方向码的示意图；
图6为根据本发明实施例的确定图像中的线段标记和圆环标记的流程示意图；
图7为根据本发明实施例的识别图像中的所有标识点的流程示意图；
图8为根据本发明实施例的识别装置的功能框图；
图9为根据本发明实施例的电子设备的框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
需要注意的是，合作靶标主要是为了测量位姿，因此靶标的形状需要有利机器视觉位姿测量，同时也要考虑宇航员手动控制机械臂抓取货物过程中的视觉感受，靶标中需要按照一定空间结构排列的标记点。作为本领域技术人员可以理解的是，航天器合作靶标通常包括板体以及在板体中心竖向设置一个柱体，柱体的顶面设置一个标识点，同时在板体上设置以柱体为对称中心的两个标识点。
现有技术已经证明当三个标识点构成等腰三角形时，P3P(Perspective-n-Points,PnP)问题具有唯一解，由于复杂空间环境中存在强光、弱光、逆光等影响，而且噪声污染严重，若靶标仅由3个孤立的标识点构成，容易误识甚至无法识别，因此需要加入其它条件进行约束。
本发明实施例提供了一种航天器合作靶标，其发明构思是，通过设置与柱体同心的圆环标记和与三个标识点平行的线段标记，使得在识别合作靶标时，先检测图像中的圆形，在根据圆形旁边是否有符合制约关系的一条线段即可进一步判断出靶标上三个标识点的位置，由于圆环包含内外两个圆形边缘，可以确保识别的准确率，加之线段长度较长，便于线段识别。
具体地，图1和图2分别示出了本发明实施例的航天器合作靶标的俯视图和侧视图，如图所示，航天器合作靶标上设置3个大小相同的圆形标识点，包括设置在柱体106顶面的第一标识点101、设置在板体107上且对称分布在第一标识点两侧的第二标识点102和第三标识点103。
板体107上还设置线段标记104和圆环标记105，圆环标记105的圆心与第一标识点101的正投影的圆心为同一点，第一标识点101的正投影的圆心、第二标识点102的圆心以及第三标识点103的圆心位于同一线段上且与线段标记104平行。
需要说明的是，靶标上的标识点101～103用于测量位姿，其中标识点102和103在板体上，标识点101在柱体上。由于圆形在图像中具有旋转、平移和缩放不变性，易于检测和定位，并且在空间环境中，观测相机视场中出现圆形的几率低，因此在靶标上设置以标识点101的正投影O为圆心的圆环标记105。
为了限定靶标圆，现有技术存在采用在圆环形两侧各加入一条线段进行约束的方式，但这种方式存在的弊端是在进行靶标识别时必须先后识别两条线段，效率较低。本发明实施例为了克服该问题，在圆环的下方设置与标识点101～103所在的线段平行的一条较长的线段(明显大于柱体的高度)，这样仅需在识别圆形时识别一条线段即可，并且线段标记104的作用还可以确定被抓取目标的上、下方向。通过圆环与一条线段的位置的制约关系既提高了靶标识别的准确率，还提高了识别效率。
在本发明实施例的航天器合作靶标中，由于圆环标记的半径显然与标识点不同，同时标识点和圆环标记的圆心距离线段标记的距离均相等，因此圆环标记和圆环标记的半径与圆环标记的圆心至所述线段标记的距离的比值可以作为检测一个圆是否为圆环标记的制约关系；并且为了在靶标的图像中第一标识点可以处于圆环标记的圆内，柱体的长度和圆环标记的半径较为接近，因此线段标记的长度要明显超过柱体的长度，这样，圆环标记的半径与所述线段标记的长度的比值可以作为检测线段是否为线段标记的制约关系，再进一步地，由于圆环标记和线段标记都是有一定宽度的线条，因此圆环标记的圆心至所述线段标记内侧的距离与圆环标记的外径的比值以及圆环标记的圆心至所述线段标记外侧的距离与圆环标记的内径的比值就是用于表示作为圆环标记的圆与作为线段标记的线段间比例的两个极限值，因此也可以作为一种制约关系。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，本发明实施例的线段标记、圆环标记以及3个标识点的表面喷涂白色无光漆，板体中除线段标记、圆环标记、第二标识点和第三标识点之外的部分以及所述柱体的侧面喷涂黑色无光漆。这样设置能够进一步增强对比度，有利于识别。
为了便于宇航员手动操作时人眼观测，航天器合作靶标的大小应当限定在一个合理的范围，因此基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，本发明实施例的航天器合作靶标中各组成部分的大小为：述标识点的半径为3-5mm；所述第一标识点的圆心与第二标识点的圆心的间距为75-85mm；所述圆环标记的内径为18-22mm，外径为23-27mm；所述线段标记的长度为150-180mm，宽度为3-7mm；所述第一标识点的正投影的圆心至所述线段标记的内侧的距离为35-40mm；所述柱体的高度为43-47mm。
需要说明的是，本发明实施例中圆环标记无论是内径还是外径都要明显小于第一标识点至第二标识点的距离，圆环标记的内径或者外径与第一标识点至第二标识点的距离的比值为1:3～4，而圆环标记至线段标记的距离与圆环标记的内径的比值为1.5～2:1，而线段标记的长度则明显大于柱体的高度，长度比为3～4:1。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，图1和图2所述的航天器合作靶标中标识点的半径为4mm；所述第一标识点的圆心与第二标识点的圆心的间距为80mm；所述圆环标记的内径为20mm，外径为25mm；所述线段标记的长度为170mm，宽度为5mm；所述第一标识点的正投影的圆心至所述线段标记的内侧的距离为37mm；所述柱体的高度为45mm。
在复杂的空间环境下，光学系统捕获的航天器合作靶标的图像会受到多种不利因素影响，导致图像降质，使得靶标自动识别面临极大的挑战，因此基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，本发明实施例还提供了识别上述实施例的航天器合作靶标的方法，如图3所示，包括：
S301、获取空间场景中航天器合作靶标的图像，对所述图像先后进行边缘检测和单像素边缘跟踪，获得所有边缘。
可以理解的是，空间场景中获取的航天器合作靶标的图像存在各种噪声，例如光学热噪声、数字化噪声、离散化噪声等等，会对图像处理产生很大的干扰，既影响图像的处理速度，又降低处理效率，因此在边缘检测前需要尽可能将其消除，减弱噪声的影响。其中滤波处理是指滤除一定的频率分类，一般采用模板与图像进行卷积操作来实现。模板一般是指小尺寸的图像，尺寸为n×n，n一般为奇数，常见的尺寸有3×3、5×5或者7×7。卷积运算时将目标图像在原图像(即灰度图像)中移动，移动过程中对模板所覆盖的区域内的像素值做某种运行，用运算结果替代模板中心位置的像素值，从而得到滤波后的图像。在本发明实施例中，采用高斯滤波方法进行滤波处理，高斯滤波可以获得信噪比(SNR，Signal NoiseRation)较高的图像。
在视觉感知系统中，边缘是区分物体的重要特征。边缘检测的质量直接影响后期操作的有效性。本发明实施例采用canny算子作为边缘检测算子。Canny算子的具体处理过程属于本领域技术人员熟知的技术，在此不再赘述。
边缘跟踪是指在边缘检测的基础上，将连续的边缘点连接起来形成边缘序列以供后续工作使用。本发明实施例是在canny检测结果基础上进行的，在canny检测结果中，边缘已经得到细化，但仍然存在“粗”边缘，并没有实现真正的单像素。这是因为canny算子着重处理的是水平和垂直方向，导致在45°和135°这两个对角线方向上“粗”边缘现象比较严重，而本发明实施例采用单像素边缘跟踪方法有效解决了“粗”边缘，实现了边缘的单像素性，减少了后期处理的运算量。
S302、对所有边缘进行圆识别，根据圆识别的结果获得一定数量的圆和线段。
需要说明的是，圆识别即识别出图像中的所有圆形，同时根据圆识别的结果还可以获知非圆形，即线段。现有的圆识别方法有很多，例如圆Hough变换法，是将图像空间中圆形的抽象检测转换成系数空间的三维累加，峰值为圆系数。还比如随机Hough变换法、模糊Hough变换法、点Hough变换法等等。本发明实施例采用模糊Hough变换法识别圆。在识别圆的同时，还计算每个圆在图像中的半径，该半径用像素来表示。
S303、逐个对圆和线段进行约束检测，直至找到满足所述航天器合作靶标中圆环标记和线段标记间制约关系的圆和线段，以确定图像中的线段标记和圆环标记。所述圆环标记和线段标记间制约关系包括：根据所述圆环标记的半径与所述圆环标记的圆心至所述线段标记的距离的比值确定的第一比例系数k、根据所述圆环标记的半径与所述线段标记的长度的比值确定第二比例系数h、圆环标记的圆心至所述线段标记内侧的距离与圆环标记的外径的比值c1以及圆环标记的圆心至所述线段标记外侧的距离与圆环标记的内径的比值c2。定义所述线段标记的内侧为所述线段标记靠近所述圆环标记的一侧，线段标记的外侧为所述线段标记远离所述圆环标记的一侧。
需要说明的是，由于在图像中至少可能识别出5个圆：3个标识点的圆、圆环标记的内径构成的圆以及圆环标记的外径构成的圆，其中圆环标记对应的两个圆至线段标记距离明显要大于3个标识点至线段标记的距离，而线段标记的长度也明显长于柱体的高度，因此，通过计算识别出的圆的半径以及该圆距离识别出的线段的距离结合制约关系进行判断，即可准备识别出图像中的圆环标记和线段标记。
S304、根据图像中确定的线段标记和圆环标记，识别图像中的所有标识点。
需要说明的是，由于圆环标记和标识点的半径均是已知的，因此圆环标记和标识点的半径的比值也是已知的，在识别出图像中的圆环标记后，根据圆环标记与标识点的半径的比值即可找出图像中实际为标志点的圆，同时利用线段标记与三个标识点的位置关系，标识点与圆环的位置关系，可以准确识别出3个标识点。本发明实施例的识别方法能够在复杂场景中快速识别靶标，从而提高航天器对接的效率和准确率。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，本发明实施例中对图像进行单像素边缘跟踪，获得所有边缘，参见图4，具体为：
S401、将经过边缘检测后的图像作为边缘图像，对所述边缘图像中的每个像素点设置一个跟踪标志；初始化跟踪标志为0，用于表示像素点未被跟踪过；
需要说明的是，边缘图像为一个二值化的图像，即在边缘和非边缘的像素点的灰度分别为0和1，本发明实施例的边缘图像中每个像素点设置有跟踪标志，用来表示像素点是否被跟踪过。在本发明实施例中当一个像素点被作为单像素边缘中的一个像素点时，即认为该像素点属于被跟踪过，同时，如果判断一个像素点不能作为单像素边缘中的像素点，需要从图像上删除，即避免了像素点被重复跟踪(请核实是否有误)。
S402、从边缘图像左上角开始，逐行遍历边缘图像中的像素点，若存在一个像素点对应的跟踪标志为0，则将该像素点作为边缘起始点，并设置该边缘起始点对应的边缘的长度。
需要说明的是，本发明实施例从图像的左上角开始逐行遍历边缘图像中的像素点，即从图像中第一行像素的左起第一个像素点开始遍历，当第一行像素所有像素点遍历后，从第二行像素坐起第一个像素点进行遍历，以此类推。当定义边缘起始点时，同时设置该边缘起始点对应的边缘的长度为1,1表示此时该边缘包含1个像素点。
S403、定义像素点的八邻域方向，若边缘起始点在225°-360°方向的领域内存在未被跟踪过的像素点，则令该像素点作为该边缘的新的边缘点并更新边缘的长度，同时记录该新的边缘点与该边缘中前一边缘点间的方向D，将该新的边缘点其他邻域未被跟踪的像素点删除，更新该新的边缘点的跟踪标志为1，用于表示像素点已被跟踪过。
边缘跟踪时，在像素的八邻域内搜索，借鉴链码的思想，将像素的八邻域方向码规定为1～8，如图5所示。由于遍历方向是由左到右逐行遍历，因此只需对像素点的1～4四个邻域(即225°-360°方向的领域)上搜索即可。若边缘起始点的邻域不存在未被跟踪过的像素点，则认为该边缘起始点为孤立点，因此从图像中删除该点，并返回步骤S402，遍历新的像素点作为新的边缘起始点。若边缘起始点的邻域存在未被跟踪过的像素点，则将该像素点作为该边缘的第二个像素点，并记录边缘起始点和第二个边缘点间的方向D1-2(从第一个点到第二个点的搜索方向，值为1、2、3或4)，同时更新该边缘的长度为2。将当前点八邻域内其他方向其他邻域未被跟踪的像素点删除，以此保证边缘是单像素的，更新当前边缘点的跟踪标志为1，以表示该像素点被跟踪过。
S404、在该新的边缘点的八邻域方向继续搜索边缘点，搜索方向由所述方向D逐渐向两侧邻域扩展，直至该边缘中搜索到的边缘点的邻域内不存在未跟踪过的像素点，若此时该边缘的长度大于预设阈值，则认为该边缘为有效边缘，并继续遍历边缘图像中的像素点，直至边缘图像中不存在未被跟踪过的像素点。
需要说明的是，搜索方向由方向D逐渐向两侧邻域扩展，即，例如方向为3，则先搜索2和4邻域的像素点，之后再搜索1邻域的像素点。若不存在未被跟踪的像素点，则将此时边缘的长度与预设阈值进行比较，若大于预设阈值，则认为该边缘为有效边缘，并继续遍历边缘图像中的像素点，直至边缘图像中不存在未被跟踪过的像素点，若小于预设阈值，则删除该边缘所有的像素点，并返回步骤S402。若存在未被跟踪的像素点，则将该像素点作为新的边缘点，并记录该新的边缘点与前一个边缘点的方向，重复执行S404。
本发明实施例提供了具体的单像素边缘跟踪方法，保证了图像中边缘的单像素性。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，由于每条边缘的点数不确定，因此将找到的每条边缘存储在动态链表——边缘链表中，链表中节点的数目由边缘点的数目动态确定，不仅节省了存储空间，而且更加灵活。将所有链表的头指针链接成一个动态链表——头指针链表，头指针链表的节点数表示的节点数表示找到的边缘数。边缘链表和头指针链表构成二维存储结构，头指针链表的每个节点为结构体类型，一个域为指针域，存放边缘链表的头枕着，指向边缘链表，另一个域为数据域，存放对应边缘上边缘点的数目，在后期处理时，若某条边缘不符合要求，比如判断不可能为圆形，则将该数据域设为0，对边缘做逻辑删除，在后期处理时，指出了数据域非0的边缘，这样避免了链表中节点的物理删除，节省了处理时间。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，逐个对圆和线段进行约束检测，直至找到满足所述航天器合作靶标中圆环标记和线段标记间制约关系的圆和线段，以确定图像中的线段标记和圆环标记，参见图6，具体为：
S601、定义当前进行约束检测的圆Oi的半径为ri，以圆Oi的圆心为中心，2kri为边长，在所述边缘图像中创建方形窗口。
需要说明的是，由于在圆识别时同时记录了圆的半径，因此当约束检测的圆为圆环标记时，以该圆的圆心为方形窗口的中心，因2kri为边长构建的方形窗口将可以检测到线段标记。而由于圆环标记的半径明显大于标记点的半径，当以标记点的圆对应的2kr构建的方形窗口是无法检测到线段标记的。
以图1所示的合作靶标为例，圆环标记的圆心至线段标记的内侧的距离为37mm，圆环标记的圆心至线段标记的外侧的距离为42mm，而圆环的内外环的半径为20～25mm，因此考虑极限情况，当识别出的圆为内圆环时，而检测到的直线为线段标记的外侧时，那么第一比例系数k＝42/20＝2.1。
本发明实施例设置窗口的目的是为了缩小检测房屋，即只在一个较小范围内进行识别，能够进一步提高识别效率。
S602、在方形窗口中进行线段检测，若检测到所述方形窗口内存在长度大于hri的线段l，且线段l至圆Oi的距离在区间[0.9ric1,1.1ric2]内，则确定圆Oi为所述圆环标记，线段l为所述线段标记，其中d内表示圆环标记的圆心至线段标记内侧的距离，d外表示圆环标记的圆心至线段标记外侧的距离，r内表示圆环标记的内径，r外表示圆环标记的外径。
需要说明的是，一般情况下在太空中很少能够拍摄到靶标标准的俯视图，因此图像中常常会出现另一条线段：柱体的线段，因此为了进一步区分柱体和线段标记，还需要设置第二比例系数。以图1所示的合作靶标为例，柱体的长度远远小于线段标记的长度，因此以圆环标记的内/外环半径与线段标记长度的比值确定第二比例系数h。在图1中圆环标记的半径为20～25mm，而线段标记的长度为170mm，同时考虑到方形窗口的限制，h应当小于2k，因此第二比例系数h为4。
需要说明的是，若在方形窗口中检测到存在长度大于hri的线段l，可以初步判断该线段为线段标记，进一步考虑极限情况，当检测的圆为内圆环，而检测到的线段为线段标记外侧时，该圆的圆心距离线段的距离最远；而当检索到的圆为外圆环，而检测到的线段为线段标记的内侧时，该圆距离线段的距离最近，再进一步设置较宽的范围，即可获得判断区间：[0.9ric1,1.1ric2]，若线段l至圆Oi的距离在区间[0.9ric1,1.1ric2]内，则确定圆Oi为所述圆环标记，则确定圆Oi为所述圆环标记，线段l为线段标记。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，根据图像中确定的线段标记和圆环标记，识别图像中的所有标识点，具体为：根据所述航天器合作靶标中圆环标记、线段标记以及标识点间的制约关系，结合图像中确定的线段标记的线段和确定为圆环标记的圆，对图像中的其他圆进行识别，直至确定图像中的所有标识点；
其中，所述圆环标记、线段标记以及标识点间的制约关系包括：根据所述线段标记的长度与圆环标记的半径的比值确定的第三比例系数g、根据标识点的半径与圆环标记的内径的比值确定的第四比例系数m、根据标识点的半径与圆环标记的外径的比值确定的第五比例系数n、第一标识点与圆环标记的位置关系、第二标识点和第三标识点与线段标记的位置关系。
需要说明的是，为了减少识别标识点的范围，可以在图像中设置一个合适大小的窗口进行识别，由于合作靶标中线段标记的长度从第二标识点横跨至第三标识点，因此，在确定图像中作为圆形标记的圆后，可以根据圆形标记的半径和线段标记的长度间的比例作为一种制约关系，并将该制约关系应用在获取窗口上。在确定标识点时，一方面圆环标记由内外两个圆形组成，另一方面标识点的半径是固定的，因此在不清楚作为圆环标记的圆是圆环标记的内环还是外环的情况下，可以利用标识点的半径与圆环标记的内外径的比值作为一种制约关系，这样通过寻找符合上述制约关系的圆，即可确定作为标识点的圆。由合作靶标的结构可知，第一标识点应该在圆环的圆的内部，而当限定标记位于图像中的下方时，位于第一标识点左侧的是第二标识点，右侧的是第三标识点，所以第一标识点与圆环标记的位置关系、第二标识点和第三标识点与线段标记的位置关系也是识别标识点的制约条件。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，根据所述航天器合作靶标中圆环标记、线段标记以及标识点间的制约关系，结合图像中确定的线段标记的线段和确定为圆环标记的圆，对图像中的其他圆进行识别，直至确定图像中的所有标识点，，参见图7，具体为：
S701、在图像中创建矩形窗口，矩形窗口以确定为圆环标记的圆Oi的圆心为中心，以确定为线段标记的线段l为矩形的长边方向；所述矩形窗口的长边长度为gri，短边长度为0.5gri。
需要说明的是，在识别出圆环标记和直线标记后，为了识别出图像中的标识点，可以在图像中创建新的窗口，在窗口内识别标识点。本发明实施例根据线段标记的长度与圆环标记的内/外径的比值，确定第三比例系数g，例如图1所示的靶标中，线段标记的长度为170mm，而圆环标记的半径为20～25mm，而170/20＝8.5，第三比例系数g可以取10。这样设置的窗口必然可以将所有的标记点都包含在内。
S702、在所述矩形窗口中寻找半径在区间[nri，mri]内的圆，作为候选圆，记录位于圆Oi内的候选圆为第一标识点，根据线段标记在图像中的位置，从位于圆Oi两侧对称分布的候选圆中确定第二标识点和第三标识点。
需要说明的是，在矩形窗口中寻找半径在区间[nri，mri]内的圆，作为候选圆，即可初步判定为标识点，而为了进一步识别出具体的标识点，还需要结合圆的位置，例如，对于处于圆环标记的Oi内的候选圆，即可判断该圆为第一标识点。而根据直线标记在图像中的位置——当直线标记位于图像中的下方时，位于圆Oi两侧对称分布的候选圆中左侧的候选圆为第二标记点，而位于圆Oi两侧对称分布的候选圆中右侧的候选圆为第三标记点。以图1所示的合作靶标为例，圆环标记的半径为20～25mm，而标识点的半径为4mm，4/20＝0.2，4/25＝0.16，因此可以设置n＝1/7，m＝1/4。
根据本发明的另一个方面，本发明实施例还提供一种航天器合作靶标的识别装置，参见图8，图8示出了本发明实施例的识别装置的功能框图，该识别装置用于识别前述各实施例的合作靶标。因此，在前述各实施例中的识别方法中的描述和定义，可以用于本发明实施例中各执行模块的理解。
如图所示，包括：
边缘获取模块801，用于获取空间场景中航天器合作靶标的图像，对所述图像先后进行边缘检测和单像素边缘跟踪，获得所有边缘；
圆识别模块802，用于对所有边缘进行圆识别，根据圆识别的结果获得一定数量的圆和线段；
标记识别模块803，用于逐个对圆和线段进行约束检测，直至找到满足所述航天器合作靶标中圆环标记和线段标记间制约关系的圆和线段，以确定图像中的线段标记和圆环标记；
标识点识别模块804，用于根据图像中确定的线段标记和圆环标记，识别图像中的所有标识点。
本发明实施例的识别装置能够在复杂场景中快速识别靶标，从而提高航天器对接的效率和准确率。
图9示出了本发明实施例的电子设备的结构示意图，如图9所示，处理器(processor)901、存储器(memory)902和总线903；
其中，处理器901及存储器902分别通过总线903完成相互间的通信；处理器901用于调用存储器902中的程序指令，以执行上述实施例所提供的控制方法，例如包括：获取空间场景中航天器合作靶标的图像，对所述图像先后进行边缘检测和单像素边缘跟踪，获得所有边缘；对所有边缘进行圆识别，根据圆识别的结果获得一定数量的圆和线段；逐个对圆和线段进行约束检测，直至找到满足所述航天器合作靶标中圆环标记和线段标记间制约关系的圆和线段，以确定图像中的线段标记和圆环标记；根据图像中确定的线段标记和圆环标记，识别图像中的所有标识点。其中，所述圆环标记和线段标记间制约关系包括：根据所述圆环标记的半径与所述圆环标记的圆心至所述线段标记的距离的比值确定的第一比例系数k、根据所述圆环标记的半径与所述线段标记的长度的比值确定第二比例系数h、圆环标记的圆心至所述线段标记内侧的距离与圆环标记的外径的比值c1以及圆环标记的圆心至所述线段标记外侧的距离与圆环标记的内径的比值c2。
本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，该计算机指令使计算机执行上述实施例所提供的控制方法，例如包括：获取空间场景中航天器合作靶标的图像，对所述图像先后进行边缘检测和单像素边缘跟踪，获得所有边缘；对所有边缘进行圆识别，根据圆识别的结果获得一定数量的圆和线段；逐个对圆和线段进行约束检测，直至找到满足所述航天器合作靶标中圆环标记和线段标记间制约关系的圆和线段，以确定图像中的线段标记和圆环标记；根据图像中确定的线段标记和圆环标记，识别图像中的所有标识点。其中，所述圆环标记和线段标记间制约关系包括：根据所述圆环标记的半径与所述圆环标记的圆心至所述线段标记的距离的比值确定的第一比例系数k、根据所述圆环标记的半径与所述线段标记的长度的比值确定第二比例系数h、圆环标记的圆心至所述线段标记内侧的距离与圆环标记的外径的比值c1以及圆环标记的圆心至所述线段标记外侧的距离与圆环标记的内径的比值c2。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种航天器合作靶标，其特征在于，包括：板体以及垂直突出于所述板体的柱体；
其中，所述航天器合作靶标上设置3个大小相同的圆形标识点，包括设置在所述柱体顶面的第一标识点、设置在所述板体上且对称分布在所述第一标识点两侧的第二标识点和第三标识点；
所述板体上还设置线段标记和圆环标记，所述圆环标记的圆心与所述第一标识点的正投影的圆心为同一点，所述第一标识点的正投影的圆心、所述第二标识点的圆心以及第三标识点的圆心位于同一线段上且与所述线段标记平行。
2.根据权利要求1所述的航天器合作靶标，其特征在于，所述标识点的半径为3-5mm；所述第一标识点的圆心与第二标识点的圆心的间距为75-85mm；所述圆环标记的内径为18-22mm，外径为23-27mm；所述线段标记的长度为150-180mm，宽度为3-7mm；所述第一标识点的正投影的圆心至所述线段标记的内侧的距离为35-40mm；所述柱体的高度为43-47mm。
3.一种根据权利要求1或2所述的航天器合作靶标的识别方法，其特征在于，包括：
获取空间场景中航天器合作靶标的图像，对所述图像先后进行边缘检测和单像素边缘跟踪，获得所有边缘；
对所有边缘进行圆识别，根据圆识别的结果获得一定数量的圆和线段；
逐个对圆和线段进行约束检测，直至找到满足所述航天器合作靶标中圆环标记和线段标记间制约关系的圆和线段，以确定图像中的线段标记和圆环标记；
根据图像中确定的线段标记和圆环标记，识别图像中的所有标识点；
其中，所述圆环标记和线段标记间制约关系包括：根据所述圆环标记的半径与所述圆环标记的圆心至所述线段标记的距离的比值确定的第一比例系数k、根据所述圆环标记的半径与所述线段标记的长度的比值确定第二比例系数h、圆环标记的圆心至所述线段标记内侧的距离与圆环标记的外径的比值c1以及圆环标记的圆心至所述线段标记外侧的距离与圆环标记的内径的比值c2。
4.根据权利要求3所述的识别方法，其特征在于，对所述图像进行单像素边缘跟踪，获得所有边缘，具体为：
将经过边缘检测后的图像作为边缘图像，对所述边缘图像中的每个像素点设置一个跟踪标志；初始化跟踪标志为0，用于表示像素点未被跟踪过；
从边缘图像左上角开始，逐行遍历边缘图像中的像素点，若存在一个像素点对应的跟踪标志为0，则将该像素点作为边缘起始点，并设置该边缘起始点对应的边缘的长度；
定义像素点的八邻域方向，若边缘起始点在225°-360°方向的领域内存在未被跟踪过的像素点，则令该像素点作为该边缘的新的边缘点并更新边缘的长度，同时记录该新的边缘点与该边缘中前一边缘点间的方向D，将该新的边缘点其他邻域未被跟踪的像素点删除，更新该新的边缘点的跟踪标志为1，用于表示像素点已被跟踪过；
在该新的边缘点的八邻域方向继续搜索边缘点，搜索方向由所述方向D逐渐向两侧邻域扩展，直至该边缘中搜索到的边缘点的邻域内不存在未跟踪过的像素点，若此时该边缘的长度大于预设阈值，则认为该边缘为有效边缘，并继续遍历边缘图像中的像素点，直至边缘图像中不存在未被跟踪过的像素点。
5.根据权利要求3所述的识别方法，其特征在于，所述逐个对圆和线段进行约束检测，直至找到满足所述航天器合作靶标中圆环标记和线段标记间制约关系的圆和线段，以确定图像中的线段标记和圆环标记，具体为：
定义当前进行约束检测的圆Oi的半径为ri，以圆Oi的圆心为中心，2kri为边长，在图像中创建方形窗口；
在所述方形窗口中进行线段检测，若检测到所述方形窗口内存在长度大于hri的线段l，且线段l至圆Oi的距离在区间[0.9ric1,1.1ric2]内，则确定圆Oi为所述圆环标记，线段l为所述线段标记。
6.根据权利要求3所述的识别方法，其特征在于，所述根据图像中确定的线段标记和圆环标记，识别图像中的所有标识点，具体为：
根据所述航天器合作靶标中圆环标记、线段标记以及标识点间的制约关系，结合图像中确定的线段标记的线段和确定为圆环标记的圆，对图像中的其他圆进行识别，直至确定图像中的所有标识点；
其中，所述圆环标记、线段标记以及标识点间的制约关系包括：根据所述线段标记的长度与圆环标记的半径的比值确定的第三比例系数g、根据标识点的半径与圆环标记的内径的比值确定的第四比例系数m、根据标识点的半径与圆环标记的外径的比值确定的第五比例系数n、第一标识点与圆环标记的位置关系、第二标识点和第三标识点与线段标记的位置关系。
7.根据权利要求6所述的识别方法，其特征在于，所述根据所述航天器合作靶标中圆环标记、线段标记以及标识点间的制约关系，结合图像中确定的线段标记的线段和确定为圆环标记的圆，对图像中的其他圆进行识别，直至确定图像中的所有标识点，具体为：
在图像中创建矩形窗口，所述矩形窗口以确定为圆环标记的圆Oi的圆心为中心，以确定为线段标记的线段l为矩形的长边方向；所述矩形窗口的长边长度为gri，短边长度为0.5gri；
在所述矩形窗口中寻找半径在区间[nri，mri]内的圆，作为候选圆，记录位于圆Oi内的候选圆为第一标识点，根据第二标识点和第三标识点与线段标记的位置关系，从位于圆Oi两侧对称分布的候选圆中确定第二标识点和第三标识点。
8.一种根据权利要求1或2所述的航天器合作靶标的识别装置，其特征在于，包括：
边缘获取模块，用于获取空间场景中航天器合作靶标的图像，对所述图像先后进行边缘检测和单像素边缘跟踪，获得所有边缘；
圆识别模块，用于对所有边缘进行圆识别，根据圆识别的结果获得一定数量的圆和线段；
标记识别模块，用于逐个对圆和线段进行约束检测，直至找到满足所述航天器合作靶标中圆环标记和线段标记间制约关系的圆和线段，以确定图像中的线段标记和圆环标记；
标识点识别模块，用于根据图像中确定的线段标记和圆环标记，识别图像中的所有标识点。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及
与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求3至7任意一项所述的检测方法。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如权利要求3至7任一所述的检测方法。
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