CN110084887B - 一种空间非合作目标相对导航模型三维重建方法 - Google Patents

一种空间非合作目标相对导航模型三维重建方法 Download PDF

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Abstract

一种空间非合作目标相对导航模型三维重建方法，涉及计算机视觉研究领域；包括如下步骤：步骤一、扫描获得待测目标的三维影像；步骤二、建立测量坐标系oxyz；步骤三、计算基准步长Lbase；步骤四、计算步长L，将三维影像离散成边长为L立方体的离散单元；步骤五、分别计算三维影像沿x、y、z方向的离散单元个数；步骤六、以(i，j，k)方式对所有离散单元编号；步骤七、计算每个离散单元内的影像点个数；步骤八、设定显示阈值a；将所有离散单元内的影像点个数与a比较；对各离散单元筛选显示，完成对目标的模型重建；本发明无需对多序列影像点进行匹配，本质上避免了发生匹配错误，同时简化了分析，缩短了构建时间。

Description

一种空间非合作目标相对导航模型三维重建方法
技术领域
本发明涉及一种计算机视觉研究领域，特别是一种空间非合作目标相对导航模型三维重建方法。
背景技术
三维重构技术就是利用各种数据或图像来构建三维模型。
近年来，随着信息技术和计算机视觉理论的迅猛发展，三维重构成为了计算机视觉领域中一个重要研究方向，得到了突飞猛进的发展。
三维模型重构有基于单目视觉数据重构、基于双目视觉数据重构和基于激光成像数据重构。
由于三维信息的海量数据，使得三维数据的后续处理技术成为应用的瓶颈，发展三维数据处理理论及方法成为研究的焦点。
目前的三维重构技术要么通过人工干预获取特征点要么通过各类算法获取特征点，然后对多序列影像进行特征匹配，最后构建三维模型。人工干预或算法获取特征点都会降低效率，特别是对于特征点不明显的目标，算法甚至无法获取特征点。即使获取了特征点，多序列影像特征匹配也会消耗大量计算资源，甚至发生匹配错误，导致重构模型出错。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种空间非合作目标相对导航模型三维重建方法，无需对多序列影像点进行匹配，本质上避免了发生匹配错误，同时简化了分析，缩短了构建时间。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种空间非合作目标相对导航模型三维重建方法，包括如下步骤：
步骤一、对待测目标的内外轮廓进行扫描，获得待测目标的三维影像；
步骤二、在待测目标三维影像内建立测量坐标系oxyz；
步骤三、计算基准步长Lbase；
步骤四、计算步长L，将三维影像离散成边长为L立方体的离散单元；
步骤五、分别计算三维影像沿x方向的离散单元个数nx、沿y方向的离散单元个数ny、沿z方向的离散单元个数nz；
步骤六、以(i，j，k)方式对所有离散单元编号；i为离散单元沿x方向的序号；j为离散单元沿y方向的序号；k为离散单元沿z方向的序号；1≤i≤nx，且i为正整数；1≤j≤ny，且j为正整数；1≤k≤nz，且k为正整数；
步骤七、将影像点分散至对应的离散单元中，得到每个离散单元内的影像点个数；
步骤八、设定显示阈值a；将所有离散单元内的影像点个数与a比较；对各离散单元筛选显示，完成对目标的模型重建。
在上述的一种空间非合作目标相对导航模型三维重建方法，所述的步骤一中，待测目标的三维影像包括n个影像点；n＞0，且n为正整数。
在上述的一种空间非合作目标相对导航模型三维重建方法，所述的步骤二中，测量坐标系oxyz的建立方法为：原点o为三维影像的质心；x方向为水平沿三维影像的侧边方向；y方向为竖直向上；z方向由右手定则确定。
在上述的一种空间非合作目标相对导航模型三维重建方法，所述的步骤三中，基准步长Lbase的计算方法为：
Figure BDA0002028320800000021
式中，n为影像点个数；
LX为三维影像在测量坐标系oxyz中沿x方向的最长长度；
Ly为三维影像在测量坐标系oxyz中沿y方向的最长长度；
Lz为三维影像在测量坐标系oxyz中沿z方向的最长长度。
在上述的一种空间非合作目标相对导航模型三维重建方法，所述的步骤四中，步长L的计算方法为：L长度为
Figure BDA0002028320800000031
在上述的一种空间非合作目标相对导航模型三维重建方法，所述的步骤五中，离散单元个数nx的计算方法为：
Figure BDA0002028320800000032
式中，
Figure BDA0002028320800000033
的结果向上取整；
离散单元个数ny的计算方法为：
Figure BDA0002028320800000034
式中，
Figure BDA0002028320800000035
的结果向上取整；
离散单元个数nz的计算方法为：
Figure BDA0002028320800000036
式中，
Figure BDA0002028320800000037
的结果向上取整。
在上述的一种空间非合作目标相对导航模型三维重建方法，所述的步骤七中，计算各影像点对应的离散单元的方法为：
Figure BDA0002028320800000038
Figure BDA0002028320800000039
Figure BDA00020283208000000310
式中，Xmin为影像点在x方向的最小值；
Ymin为影像点在y方向的最小值；
Zmin为影像点在y方向的最小值；
i、j、k均向上取整。
在上述的一种空间非合作目标相对导航模型三维重建方法，所述的步骤八中，对离散单元进行筛选显示的方法为：
当该离散单元内的影像点个数小于a时，该离散单元隐藏不显示；当该离散单元内的影像点个数大于等于a时，该离散单元显示。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明采用影像点空间归类来构建模型，无需获取特征影像点，因此能完成无特征目标的模型重构，适用范围大大扩展；
(2)本发明只以影像点位置作为空间归类判据，无需对多序列影像点进行匹配，本质上避免了发生匹配错误，同时简化了分析，缩短了构建时间；
(3)本发明通过计算步长尺度与显示阈值来实现不同精度的模型重构，可满足粗略模型或精细模型的需求。
附图说明
图1为本发明三维重建流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明提供一种空间非合作目标相对导航模型三维重建方法，适用于所有具备三维数据的模型重构，适用于三维表面模型重构和三维实体模型重构。所有的重构模型精度都取决于三维数据数量和三维数据精度，在三维数据数量和三维数据精度一定情况下，本发明的重构模型精度取决于离散步长以及显示阈值。本发明避免了一般模型重构中复杂的图形几何处理，易于程序实现，计算时间大大缩短。
如图1所示为三维重建流程示意图，由图可知，一种空间非合作目标相对导航模型三维重建方法，包括如下步骤：
步骤一、对待测目标的内外轮廓进行扫描，获得待测目标的三维影像；待测目标的三维影像包括n个影像点；n＞0，且n为正整数。
步骤二、在待测目标三维影像内建立测量坐标系oxyz；测量坐标系oxyz的建立方法为：原点o为三维影像的质心；x方向为水平沿三维影像的侧边方向；y方向为竖直向上；z方向由右手定则确定。
步骤三、计算基准步长Lbase；基准步长Lbase的计算方法为：
Figure BDA0002028320800000051
式中，n为影像点个数；
LX为三维影像在测量坐标系oxyz中沿x方向的最长长度；
Ly为三维影像在测量坐标系oxyz中沿y方向的最长长度；
Lz为三维影像在测量坐标系oxyz中沿z方向的最长长度。
步骤四、计算步长L，将三维影像离散成边长为L立方体的离散单元；考虑到物体空间范围一般大于真实物体体积，步长L的计算方法为：L长度为
Figure BDA0002028320800000052
计算步长越大，模型精度越差。后续可根据需要基于前次三维模型效果修改计算步长以调整模型精度。
步骤五、分别计算三维影像沿x方向的离散单元个数nx、沿y方向的离散单元个数ny、沿z方向的离散单元个数nz；
离散单元个数nx的计算方法为：
Figure BDA0002028320800000053
式中，
Figure BDA0002028320800000054
的结果向上取整；
离散单元个数ny的计算方法为：
Figure BDA0002028320800000055
式中，
Figure BDA0002028320800000056
的结果向上取整；
离散单元个数nz的计算方法为：
Figure BDA0002028320800000057
式中，
Figure BDA0002028320800000061
的结果向上取整。
步骤六、以(i，j，k)方式对所有离散单元编号；i为离散单元沿x方向的序号；j为离散单元沿y方向的序号；k为离散单元沿z方向的序号；1≤i≤nx，且i为正整数；1≤j≤ny，且j为正整数；1≤k≤nz，且k为正整数；
步骤七、将影像点分散至对应的离散单元中，得到每个离散单元内的影像点个数；
计算各影像点对应的离散单元的方法为：
Figure BDA0002028320800000062
Figure BDA0002028320800000063
Figure BDA0002028320800000064
式中，Xmin为影像点在x方向的最小值；
Ymin为影像点在y方向的最小值；
Zmin为影像点在y方向的最小值；
i、j、k均向上取整。
步骤八、设定显示阈值a；将所有离散单元内的影像点个数与a比较；对各离散单元筛选显示，完成对目标的模型重建。
对离散单元进行筛选显示的方法为：
当该离散单元内的影像点个数小于a时，该离散单元隐藏不显示；当该离散单元内的影像点个数大于等于a时，该离散单元显示。a值越大，重建模型越快，但是重建后的模型缺失部分越多；相反的a值越小，重建模型越慢，但是重建后的模型缺失部分越小，还原精度越高。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种空间非合作目标相对导航模型三维重建方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、对待测目标的内外轮廓进行扫描，获得待测目标的三维影像；
步骤二、在待测目标三维影像内建立测量坐标系oxyz；
步骤三、计算基准步长Lbase；
步骤四、计算步长L，将三维影像离散成边长为L立方体的离散单元；
步骤五、分别计算三维影像沿x方向的离散单元个数nx、沿y方向的离散单元个数ny、沿z方向的离散单元个数nz；
步骤六、以(i，j，k)方式对所有离散单元编号；i为离散单元沿x方向的序号；j为离散单元沿y方向的序号；k为离散单元沿z方向的序号；1≤i≤nx，且i为正整数；1≤j≤ny，且j为正整数；1≤k≤nz，且k为正整数；
步骤七、将影像点分散至对应的离散单元中，计算得到每个离散单元内的影像点个数；
步骤八、设定显示阈值a；将所有离散单元内的影像点个数与a比较；对各离散单元筛选显示，完成对目标的模型重建。
2.根据权利要求1所述的一种空间非合作目标相对导航模型三维重建方法，其特征在于：所述的步骤一中，待测目标的三维影像包括n个影像点；n＞0，且n为正整数。
3.根据权利要求2所述的一种空间非合作目标相对导航模型三维重建方法，其特征在于：所述的步骤二中，测量坐标系oxyz的建立方法为：原点o为三维影像的质心；x方向为水平沿三维影像的侧边方向；y方向为竖直向上；z方向由右手定则确定。
4.根据权利要求3所述的一种空间非合作目标相对导航模型三维重建方法，其特征在于：所述的步骤三中，基准步长Lbase的计算方法为：
Figure FDA0002028320790000021
式中，n为影像点个数；
LX为三维影像在测量坐标系oxyz中沿x方向的最长长度；
Ly为三维影像在测量坐标系oxyz中沿y方向的最长长度；
Lz为三维影像在测量坐标系oxyz中沿z方向的最长长度。
5.根据权利要求4所述的一种空间非合作目标相对导航模型三维重建方法，其特征在于：所述的步骤四中，步长L的计算方法为：L长度为
Figure FDA0002028320790000022
6.根据权利要求5所述的一种空间非合作目标相对导航模型三维重建方法，其特征在于：所述的步骤五中，离散单元个数nx的计算方法为：
Figure FDA0002028320790000023
式中，
Figure FDA0002028320790000024
的结果向上取整；
离散单元个数ny的计算方法为：
Figure FDA0002028320790000025
式中，
Figure FDA0002028320790000026
的结果向上取整；
离散单元个数nz的计算方法为：
Figure FDA0002028320790000027
式中，
Figure FDA0002028320790000028
的结果向上取整。
7.根据权利要求6所述的一种空间非合作目标相对导航模型三维重建方法，其特征在于：所述的步骤七中，计算各影像点对应的离散单元的方法为：
Figure FDA0002028320790000029
Figure FDA00020283207900000210
Figure FDA0002028320790000031
式中，Xmin为影像点在x方向的最小值；
Ymin为影像点在y方向的最小值；
Zmin为影像点在y方向的最小值；
i、j、k均向上取整。
8.根据权利要求7所述的一种空间非合作目标相对导航模型三维重建方法，其特征在于：所述的步骤八中，对离散单元进行筛选显示的方法为：
当该离散单元内的影像点个数小于a时，该离散单元隐藏不显示；当该离散单元内的影像点个数大于等于a时，该离散单元显示。
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