在軌掠飛成像對空間目標三維重建與測量方法與流程
2023-10-28 10:04:12 1
本發明設計了一種面向空間目標的三維重建與測量新技術，屬於立體視覺測量與空間目標感知領域。
背景技術：
為滿足空間目標在軌偵查與維護需求，需要對空間目標形貌進行拍攝與測量。傳統方法分地面觀測和在軌測量兩種。受大氣折射、雲霧遮擋等因素影響，地面觀測難以獲得理想效果，而傳統在軌測量要求相機平臺可提供精確的位姿信息，極大增加了任務難度。若能在不依賴拍攝平臺提供相機參數的條件下，完成在軌目標測量任務，將極大提高我國目前的空間目標感知能力。
多視三維重建是一種利用不同視角圖像對目標物體進行三維重建的技術，利用所重建三維模型，可以實現對目標的非接觸式測量。若能將多視三維重建的思想引入空間目標感知領域，建立目標三維模型，將極大提高在軌目標偵查能力。
技術實現要素：
本發明提供一種不依賴攝像平臺提供相機參數的空間目標測量技術。為實現上述目的，本發明採用的技術方案是一種基於多視圖重建的空間目標三維重建、測量方法，利用不同視角圖像對目標物體進行三維重建，具體包括：
1、空間掠飛拍攝，獲取掠飛圖像
受空間軌道環境制約，攝像平臺無法對待測目標進行自由拍攝，採用一種基於釋放拍攝單元掠飛空間目標的掠飛拍攝系統來獲取掠飛圖像，該掠飛拍攝系統包括拍攝單元、在軌偵查平臺、空間數據傳輸中繼站以及地面數據處理站，
所述拍攝單元由高清拍攝模塊、存儲模塊、傳輸模塊、姿態保持模塊及供電模塊構成，當在軌偵查平臺接近待測目標時，拍攝單元被釋放並掠飛經過目標完成近距離全覆蓋拍攝，並將拍攝數據傳送至空間數據傳輸中繼站。
該拍攝單元近似微納衛星，具備高解析度拍攝及數據傳輸能力，由在軌偵查平臺搭載。當出現空間目標偵查及測量需求時，偵查平臺通過變軌接近空間目標，並釋放拍攝單元掠飛經過目標，完成對目標的全覆蓋拍攝。拍攝圖像由拍攝單元的數據傳輸模塊傳送，經空間數據傳輸中繼站，發往地面數據處理終端。
所述在軌偵查平臺，可以是長期停留在指定軌道待命的衛星平臺，也可以是實時發射的衛星平臺，其通過軌道機動變軌接近待測目標後，沿指定方向釋放拍攝單元，以保證拍攝單元全覆蓋近距離完成對目標的拍攝。
所述空間數據傳輸中繼站接收拍攝單元獲取的目標圖像，並轉發至地面數據處理站，進行後續處理與測量。
2、掠飛圖像重建
在無平臺提供相機參數的情況下，需要通過幀間匹配關係，計算求得每幀圖像對應相機位姿信息。本發明結合空間目標特點，選取基於Surf特徵的圖像匹配方法實現幀間匹配；再利用運動結構恢復技術（Struct From Motion），實現相機的組網定向。結合所得相機定向信息以及Patchmatch密集匹配方法，構建目標空間點雲。最後利用點雲進行網格構建以及目標紋理粘貼。該方法在不依賴平臺提供相機精確位姿信息的前提下，可以獲取空間目標的精確三維模型，以便後續對目標進行測量與研究。
3、空間目標三維模型的尺度恢復
上述提到的基於運動結構恢復的相機組網標定方法，獲得的是相對定向數據，即最終重建模型與實際目標相差一個比例縮放因子。對合作目標而言，本發明通過識別目標點雲上若干合作標誌點，結合標誌點間固定距離，求得縮放倍數，從而將目標三維模型精確轉換到絕對尺度下。對非合作目標而言，設計利用定位目標上的特定物體和結構，如太陽能帆板等，以及這些物體和結構的常見尺寸，大致計算出目標尺度信息，從而獲得一個與實際目標大小接近的重建結果。利用獲得的目標三維點雲數據以及帶紋理重建結果，即可實現對目標的測量與分析。
本發明的有益效果是，對任意空間目標，可以快速響應偵查需要，展開高清拍攝與測量，相比地面偵查，沒有嚴苛的觀測氣候條件和觀測窗口；同時不需拍攝平臺提供相機參數，只需要若干組包含待測空間目標的序列圖像，即可實現目標的重建及非接觸測量，大大降低了在軌測量的難度及成本。
附圖說明
圖1為主視圖，
圖2為拍攝單元的構成圖。
具體實施方式
一種基於多視圖重建的空間目標三維重建與測量方法，具體步驟如下：
1、空間掠飛拍攝，獲取掠飛圖像
採用一種基於釋放拍攝單元掠飛空間目標的掠飛拍攝系統來獲取掠飛圖像，該掠飛拍攝系統包括拍攝單元、在軌偵查平臺、空間數據傳輸中繼站以及地面數據處理站，
當出現空間目標偵查及測量需求時，偵查平臺（衛星）通過軌道機動接近空間目標，並釋放拍攝單元掠飛經過目標，完成對目標的多角度掠飛拍攝，獲取掠飛圖像。掠飛圖像由拍攝單元的數據傳輸模塊傳送，經空間數據傳輸中繼站，發往地面數據處理終端。
拍攝單元搭載在偵查平臺上，當接近空間目標時，將拍攝單元按照一定方向彈射釋放，拍攝單元在掠飛過目標的過程中連續採圖，得到待測空間目標不同角度圖像。採圖完成後，通過回收繩將拍攝單元收回偵查平臺以供再次使用。
2、掠飛圖像重建
利用拍攝單元採集獲得的空間目標不同視角的掠飛圖像，重建得到目標三維模型。
（1）圖像特徵點提取與匹配。通過拍攝單元對空間目標多角度拍攝採圖，獲得包含目標並互有重疊的一組圖像。通過空間目標上SIFT特徵點的檢測提取及圖像間匹配，獲得任兩幀圖像的特徵點匹配對，建立圖像間的匹配關係。
（2）序列圖像相機定向。依據指定原則選取重合度高且適合兩視圖交會的兩幀圖像，以其中一幅圖像對應相機坐標係為參考坐標系，由匹配關係計算另一幅圖像對應相機位姿信息，並進行標誌點匹配對交會計算，獲得特徵點初始空間點雲。搜索與點雲中同名點最多的第三幅圖像，由同名點空間位置及在第三幅圖上的對應圖像坐標進行後方交會獲得第三幅圖像對應相機在參考坐標系中的位姿初值，再利用光束法平差對相機位姿進行迭代優化。在坐標系中新增第三個相機位置後，與前兩幀進行空間交會，對空間點雲進行擴充更新。同樣方法依次將其餘幀圖像對應相機位置依次加入到參考坐標系中。通過以上流程，獲得掠飛序列圖像對應相機間的位置及光軸指向關係，即完成相機定向。
（3）構建三維模型。獲得所得相機定向信息後，即可由Patchmatch方法進行圖像間密集匹配，進而通過空間交會計算獲得目標密集點雲。利用點雲進行網格構建以及目標紋理粘貼，得到空間目標三維模型。
3、尺度恢復
通過計算尺度縮放因子，將重建所得三維模型恢復到實際尺寸
（1）對合作目標而言，通過在圖像中識別兩個實際距離已知的合作標誌點，計算其在重建三維點雲中的對應點間距離，結合標誌點間實際固定距離，求得尺度縮放因子，從而將目標三維模型精確縮放到絕對尺度下，此時該重建模型具有測量意義。
（2）對非合作目標而言，設計利用定位目標上的特定物體和結構，如太陽能帆板等，以及這些物體和結構的常見尺寸，大致計算出目標尺度信息，從而獲得一個與實際目標大小接近的重建結果。