CN111460898B - 一种基于月面巡视器单目相机图像的天际线获取方法 - Google Patents

一种基于月面巡视器单目相机图像的天际线获取方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于月面巡视器单目相机图像的天际线获取方法，首先对巡视器单目相机图像进行边缘检测，识别出天际线；然后确定天际线上的每一个像素点在相机坐标系下的空间方位；然后再解算出天际线在世界坐标系下的方位角和高度角；由此可见，本发明能够对巡视器单目相机图像的天际线自动识别和计算，并且计算过程不必使用月面数字高程模型，可在器载计算机上实施，解决了巡视器工作环境下地形遮挡预测问题，确保对月背复杂地形遮挡情况的可靠识别，摆脱了对国外高精度月背地形数据的依赖，为巡视器在轨控制策略制定提供了重要的输入信息。

Description

一种基于月面巡视器单目相机图像的天际线获取方法
技术领域
本发明属于空间探测技术领域，尤其涉及一种基于月面巡视器单目相机图像的天际线获取方法。
背景技术
中国月球探测器实现了人类的首次月背着陆巡视探测，复杂的月背地形给巡视器的月面工作带来了挑战。在探测器着陆点附近，最大高程差为6518m，坡度大于8°的区域占总区域面积比为18.5％，且月背表面的着陆点区域内包含多个撞击坑和盆地。可能的地形遮挡会造成光照阴影和测控阴影，将极大影响巡视器能源和通信条件，为避免不利影响，需事先确定巡视器周围的地形遮挡角(地形和天空的分界线，即天际线的高度角和方位角)。
通过对巡视器全局精确定位和高精度数字高程模型的仿真计算，可实现天际线方位角和高度角的计算。然而，此种方法严重依赖于巡视器的全局定位精度和数字高程模型的精度。目前，国内外的月球遥感卫星影像图难以提供足够精度的数字高程模型。因此，依赖巡视器全局精确定位和高精度数字高程模型的天际线计算方法不再满足要求。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于月面巡视器单目相机图像的天际线获取方法，能够对巡视器单目相机图像的天际线自动识别和计算，确保对月背复杂地形遮挡情况的可靠识别。
一种基于月面巡视器单目相机图像的天际线获取方法，包括以下步骤：
S1：对巡视器单目相机图像进行边缘检测，识别出天际线；
S2：分别获取天际线各像素点在相机坐标系下的高度角h0和方位角
Figure BDA0002399041290000024
S3：分别将各像素点对应的高度角h0和方位角
Figure BDA0002399041290000025
表示成单位空间方向矢量r0，然后对单位空间方向矢量r0进行坐标变换，得到单位空间方向矢量r1；
S4：通过单位空间方向矢量r1分别解算出天际线各像素点在世界坐标系下的高度角h1和方位角
Figure BDA0002399041290000026
进一步地，各像素点在相机坐标系下的高度角h0和方位角
Figure BDA0002399041290000027
的获取方法具体包括以下步骤：
S21：采用畸变模型补偿像素点坐标的系统误差，其中，所述畸变模型为：
Figure BDA0002399041290000021
其中，Δx、Δy分别为像素点坐标(x,y)的系统误差改正数，
Figure BDA0002399041290000022
(x0,y0)为单目相机像主点的坐标偏移量、k1,k2为单目相机镜头的径向畸变参数，p1,p2为单目相机镜头的切向畸变参数；
S22：获取修正后的像素点坐标(x',y')，具体为：
x'＝x-x0-Δx
y'＝y-y0-Δy
S23：获取像素点在相机坐标系下的高度角h0和方位角
Figure BDA0002399041290000023
具体为：
Figure BDA0002399041290000031
Figure BDA0002399041290000032
其中，f为单目相机的焦距。
进一步地，所述单位空间方向矢量r1的获取方法具体为：
r1＝RBDD-B·RB-E·Rexpansion·RE-Y·Ryaw·RY-P·Rpitch·Rp-RM·RRM-S·r0
Figure BDA0002399041290000033
其中，RRM-S为相机坐标系至相机基准镜坐标系的安装姿态矩阵、Rp-RM为相机基准镜坐标系至云台坐标系的安装姿态矩阵、RY-P为零位时云台坐标系至桅杆偏航坐标系的安装姿态矩阵、RE-Y为零位时桅杆偏航坐标系至桅杆展开坐标系的安装姿态矩阵、RB-E为零位时桅杆展开坐标系至巡视器本体系的安装姿态矩阵；Rexpansion为桅杆绕展开坐标系Y轴旋转形成的转换矩阵、Ryaw为桅杆绕偏航坐标系Z轴旋转形成的旋转矩阵、Rpitch为桅杆绕俯仰坐标系Y轴旋转形成的旋转矩阵、RBDD-B为巡视器本体系至月面北东地系的转换矩阵。
进一步地，天际线各像素点在世界坐标系下的高度角h1和方位角
Figure BDA0002399041290000035
的获取方法具体为：
h1＝-arcsin[r1(3)]
Figure BDA0002399041290000034
其中，r1(1)为单位空间方向矢量r1中的第一个元素、r1(2)为单位空间方向矢量r1中的第一个元素、r1(3)为单位空间方向矢量r1中的第一个元素。
有益效果：
本发明提供一种基于月面巡视器单目相机图像的天际线获取方法，首先对巡视器单目相机图像进行边缘检测，识别出天际线；然后确定天际线上的每一个像素点在相机坐标系下的空间方位；然后再解算出天际线在世界坐标系下的方位角和高度角；由此可见，本发明能够对巡视器单目相机图像的天际线自动识别和计算，并且计算过程不必使用月面数字高程模型，可在器载计算机上实施，解决了巡视器工作环境下地形遮挡预测问题，确保对月背复杂地形遮挡情况的可靠识别，摆脱了对国外高精度月背地形数据的依赖，为巡视器在轨控制策略制定提供了重要的输入信息。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于月面巡视器单目相机图像的天际线获取方法的流程图；
图2为本发明提供的巡视器及单目相机安装示意图；
图3为本发明提供的巡视器单目相机采集的月面图像；
图4为本发明提供的天际线计算结果示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种基于月面巡视器单目相机图像的天际线获取方法，应用于巡视器，其中单目相机通过桅杆安装于巡视器，具体如图2所示；
所述方法包括以下步骤：
S1：对巡视器单目相机图像进行边缘检测，识别出天际线；
如图3所示，由于月球没有大气，在月球白昼天空为纯黑色，月面由于反射光线的存在呈现灰白色；对于相机图像，可以进行边缘检测，通过设置图像灰度阈值提取天际线。
S2：分别获取天际线各像素点在相机坐标系下的高度角h0和方位角
Figure BDA0002399041290000054
具体包括以下步骤：
S21：首先对像素点进行畸变纠正，即采用畸变模型补偿像素点坐标的系统误差，其中，所述畸变模型为：
Figure BDA0002399041290000051
其中，Δx、Δy分别为像素点坐标(x,y)的系统误差改正数，
Figure BDA0002399041290000052
(x0,y0)为单目相机像主点的坐标偏移量、k1,k2为单目相机镜头的径向畸变参数，p1,p2为单目相机镜头的切向畸变参数；
S22：获取修正后的像素点坐标(x',y')，具体为：
x'＝x-x0-Δx
y'＝y-y0-Δy
S23：将(x',y',-f)视为像素点在相机坐标系下的三维坐标，单位为像素，则可获取像素点在相机坐标系下的高度角h0和方位角
Figure BDA0002399041290000053
具体为：
Figure BDA0002399041290000061
Figure BDA0002399041290000062
其中，f为单目相机的焦距。
S3：分别将各像素点对应的高度角h0和方位角
Figure BDA0002399041290000064
表示成单位空间方向矢量r0，然后对单位空间方向矢量r0进行坐标变换，得到单位空间方向矢量r1；
所述单位空间方向矢量r1的获取方法具体为：
r1＝RBDD-B·RB-E·Rexpansion·RE-Y·Ryaw·RY-P·Rpitch·Rp-RM·RRM-S·r0
Figure BDA0002399041290000063
其中，RRM-S为相机坐标系至相机基准镜坐标系的安装姿态矩阵、Rp-RM为相机基准镜坐标系至云台坐标系的安装姿态矩阵、RY-P为零位时云台坐标系至桅杆偏航坐标系的安装姿态矩阵、RE-Y为零位时桅杆偏航坐标系至桅杆展开坐标系的安装姿态矩阵、RB-E为零位时桅杆展开坐标系至巡视器本体系的安装姿态矩阵；Rexpansion为桅杆绕展开坐标系Y轴旋转形成的转换矩阵、Ryaw为桅杆绕偏航坐标系Z轴旋转形成的旋转矩阵、Rpitch为桅杆绕俯仰坐标系Y轴旋转形成的旋转矩阵、RBDD-B为巡视器本体系至月面北东地系的转换矩阵。
也就是说，单位空间方向矢量r0进行的一系列坐标系变换，涉及到的坐标系统包括相机坐标系、相机基准镜坐标系、云台坐标系、桅杆偏航坐标系、桅杆展开坐标系、巡视器本体坐标系以及月面北东地坐标系。
进一步地，RRM-S、Rp-RM、RY-P、RE-Y、RB-E由精测获得，Rexpansion的表达式如下：
Figure BDA0002399041290000071
Ryaw的表达式如下：
Figure BDA0002399041290000072
Rpitch的表达式如下：
Figure BDA0002399041290000073
当巡视器偏航角为θyaw、俯仰角为θpitch，滚动角为θroll(转序3-2-1，即按坐标轴zyx的顺序转动)时，RBDD-B计算方法如下：
RBDD-B＝Rx(θroll)Ry(θpitch)Rz(θyaw)
其中：
Figure BDA0002399041290000074
需要说明的是，Rx(x)、Ry(x)、Rz(x)是指对括号中的变量作相关的矩阵运算，例如，在本步骤中，Rx(θroll)具体为：
Figure BDA0002399041290000075
同理可得Ry(θpitch)和Rz(θyaw)。
S4：通过单位空间方向矢量r1分别解算出天际线各像素点在世界坐标系下的高度角h1和方位角
Figure BDA0002399041290000076
具体计算公式如下：
h1＝-arcsin[r1(3)]
Figure BDA0002399041290000081
其中，r1(1)为单位空间方向矢量r1中的第一个元素、r1(2)为单位空间方向矢量r1中的第一个元素、r1(3)为单位空间方向矢量r1中的第一个元素。
需要说明的是，将天际线上所有的像素点均进行上述操作，就可以得出巡视器周围的地形遮挡情况，以对应方位角下的高度角表示，如图4所示。
由此可见，本发明首先对巡视器单目相机图像进行边缘检测，识别出天际线；然后针对天际线上的每一个像素点，引入相机的内外参数确定其空间方位；接着依据巡视器姿态、相机桅杆机构的安装姿态矩阵，计算天际线在世界坐标系下的方位角和高度角，由此解决了巡视器工作环境下地形遮挡预测问题，并且计算过程不必使用月面数字高程模型，可在器载计算机上实施。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于月面巡视器单目相机图像的天际线获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对巡视器单目相机图像进行边缘检测，识别出天际线；
S2：分别获取天际线各像素点在相机坐标系下的高度角h0和方位角
Figure FDA0002820562070000011
S3：分别将各像素点对应的高度角h0和方位角
Figure FDA0002820562070000012
表示成单位空间方向矢量r0，然后对单位空间方向矢量r0进行坐标变换，得到单位空间方向矢量r1；
S4：通过单位空间方向矢量r1分别解算出天际线各像素点在世界坐标系下的高度角h1和方位角
Figure FDA0002820562070000013
具体为：
h1＝-arcsin[r1(3)]
Figure FDA0002820562070000014
其中，r1(1)为单位空间方向矢量r1中的第一个元素、r1(2)为单位空间方向矢量r1中的第二个元素、r1(3)为单位空间方向矢量r1中的第三个元素。
2.如权利要求1所述的一种基于月面巡视器单目相机图像的天际线获取方法，其特征在于，各像素点在相机坐标系下的高度角h0和方位角
Figure FDA0002820562070000015
的获取方法具体包括以下步骤：
S21：采用畸变模型补偿像素点坐标的系统误差，其中，所述畸变模型为：
Figure FDA0002820562070000021
其中，Δx、Δy分别为像素点坐标(x,y)的系统误差改正数，
Figure FDA0002820562070000022
(x0,y0)为单目相机像主点的坐标偏移量、k1,k2为单目相机镜头的径向畸变参数，p1,p2为单目相机镜头的切向畸变参数；
S22：获取修正后的像素点坐标(x',y')，具体为：
x'＝x-x0-Δx
y'＝y-y0-Δy
S23：获取像素点在相机坐标系下的高度角h0和方位角
Figure FDA0002820562070000023
具体为：
Figure FDA0002820562070000024
Figure FDA0002820562070000025
其中，f为单目相机的焦距。
3.如权利要求1所述的一种基于月面巡视器单目相机图像的天际线获取方法，其特征在于，所述单位空间方向矢量r1的获取方法具体为：
r1＝RBDD-B·RB-E·Rexpansion·RE-Y·Ryaw·RY-P·Rpitch·Rp-RM·RRM-S·r0
Figure FDA0002820562070000026
其中，RRM-S为相机坐标系至相机基准镜坐标系的安装姿态矩阵、Rp-RM为相机基准镜坐标系至云台坐标系的安装姿态矩阵、RY-P为零位时云台坐标系至桅杆偏航坐标系的安装姿态矩阵、RE-Y为零位时桅杆偏航坐标系至桅杆展开坐标系的安装姿态矩阵、RB-E为零位时桅杆展开坐标系至巡视器本体系的安装姿态矩阵；Rexpansion为桅杆绕展开坐标系Y轴旋转形成的转换矩阵、Ryaw为桅杆绕偏航坐标系Z轴旋转形成的旋转矩阵、Rpitch为桅杆绕俯仰坐标系Y轴旋转形成的旋转矩阵、RBDD-B为巡视器本体系至月面北东地系的转换矩阵。
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