面向非合作目标的自主空间飞行器图像信息处理关键技术研究

论文摘要

随着空间技术的发展,交会对接、卫星服务和卫星捕获等空间飞行器近场操作活动的需求越来越多,其发展趋势是研制面向非合作目标的、不依赖外部导航设备的自主空间飞行器,因此需要研究非合作目标飞行器运动和结构信息获取技术。以此为背景,研究了面向非合作目标的、基于图像特征的信息处理方法,按信息处理任务的不同分为远距离图像信息处理和近距离图像信息处理两部分,对其中的关键技术进行了研究,提出了解决方法并设计了部分硬件电路。远距离图像信息处理任务是进行目标飞行器的检测、识别和跟踪,研究的关键技术是弱小目标检测和面目标提取。设计了基于能量积累和轨迹关联的弱小目标检测方法,通过对能量积累后的图像进行非最大值抑制提高了检测性能;提出了基于图像灰度熵的面目标提取方法,能够完整准确地提取出图像中的目标区域。近距离图像信息处理任务是估计非合作目标飞行器的相对运动参数和结构参数,关键技术是图像特征的提取和对应、运动与结构参数的估计。提出了Harris算子实现的硬件加速技术和改进的预存储权值矩阵Hough变换,实现了角点和直线的快速提取,设计的图像灰度直方图统计电路模块和邻域提取电路模块可以用于许多图像处理算法;提出了基于光流预测的角点和直线对应算法,通过光流预测提高了建立特征初始对应的计算效率,通过相似度判决能够得到可靠的对应;针对近距离绕飞情况,系统地提出了利用直线估计运动和结构参数的算法,包括直接线性变换算法、鲁棒性算法和光束法平差等,利用目标飞行器丰富的直线特征得到了高精度的、可靠的相对运动参数和目标结构参数。研究成果除用于自主空间飞行器近场操作目标信息获取问题外,还可以用于其他基于角点和直线估计运动和结构参数的场合,如建筑物模型重建、移动机器人定位与导航、虚拟现实等。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景与研究意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 空间近场操作飞行试验的历史和现状
• 1.2.2 NFAS 图像信息处理的研究进展
• 1.2.3 NFAS 图像信息处理面临的挑战
• 1.3 论文的主要内容和研究思路
• 1.4 论文的内容安排
• 第二章 空间弱小目标检测方法和面目标提取方法
• 2.1 引言
• 2.2 基于能量积累和轨迹关联的空间弱小目标检测方法
• 2.2.1 检测方法和实现步骤
• 2.2.2 抑制能量扩散的方法
• 2.2.3 仿真实验和结果分析
• 2.3 基于图像灰度熵的空间面目标提取方法
• 2.3.1 图像灰度熵的定义和性质
• 2.3.2 提取方法和实现步骤
• 2.3.3 仿真实验和结果分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 空间目标图像角点和直线提取技术研究
• 3.1 引言
• 3.2 Harris 算子及其硬件加速技术
• 3.2.1 角点检测算法综述
• 3.2.2 Harris 角点检测算法分析
• 3.2.3 Harris 角点检测算法硬件加速技术
• 3.2.4 小结
• 3.3 基于预存储权值矩阵的Hough 变换
• 3.3.1 直线提取算法综述
• 3.3.2 预存储权值矩阵的快速Hough 变换
• 3.3.3 权值矩阵的压缩编码方法
• 3.3.4 基于Hough 变换的直线提取算法
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于光流预测的序列图像角点和直线对应算法
• 4.1 引言
• 4.2 图像角点和直线对应问题研究情况综述
• 4.3 改进的Lucas-Kanade 光流估计算法
• 4.3.1 Lucas-Kanade 光流估计算法分析
• 4.3.2 算法改进原理
• 4.3.3 仿真实验和结果分析
• 4.3.4 角点光流估计的精度
• 4.4 基于光流预测的序列图像角点对应算法
• 4.4.1 角点相似度测度
• 4.4.2 角点支持度测度
• 4.4.3 仿真实验和结果分析
• 4.5 基于光流预测的序列图像直线对应算法
• 4.5.1 基于光流估计的直线预测
• 4.5.2 直线相似度测度
• 4.5.3 算法描述和实验分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于直线特征的目标运动和结构参数估计技术研究
• 5.1 引言
• 5.2 基于特征的运动和结构参数估计技术研究情况综述
• 5.2.1 运动与结构参数的最大似然估计法
• 5.2.2 基于特征的运动与结构参数估计算法综述
• 5.3 空间直线的参数表示及其在SFM 问题中的应用
• 5.3.1 空间直线的完全表示方式
• 5.3.2 空间直线的非完全表示方式
• 5.3.3 空间直线表示方式总结
• 5.4 基于直线特征的运动和结构参数估计最优准则
• 5.5 基于空间直线最少参数表示的光束法平差
• 5.5.1 观测数据和待估参数的表示
• 5.5.2 雅克比矩阵的计算
• 5.6 基于直线对应估计运动和结构参数的低复杂度算法
• 5.6.1 基于直线对应的三焦张量鲁棒性算法
• 5.6.2 由三焦张量计算相机的位置和姿态
• 5.6.3 针对空间直线参数的光束法平差
• 5.6.4 参数序列配准的直接线性变换算法
• 5.7 运动和结构参数估计算法的仿真实验和结果分析
• 5.7.1 计算机合成图像直线数据的实验和分析
• 5.7.2 RadarSat-2 卫星模型图像序列的实验和分析
• 5.7.3 城堡图像序列的实验和分析
• 5.8 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 论文的主要成果和创新点
• 6.2 需要进一步研究的问题
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 点目标轨迹判决的最大后验概率准则
• 附录B 角点对应算法实验结果（提取角点数目为50）
• 附录C 旋转矩阵和旋转角
• 附录 D Levenberg-Marquardt 非线性最小化算法
• 附录E 英文缩写词表