一种导航高度误差的图像修正方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种导航高度误差的图像修正方法，包括以下步骤：(1)将飞行器上探测器拍摄的当前图像帧与参考模板匹配，定位图像帧中多个局部显著区域；(2)将图像帧中多个局部显著区域两两组合；(3)计算每一区域组合对应的高度误差和修正评估因子；(4)从多个组合对应的修正评估因子值中选出最小者，将其对应的高度误差作为最佳高度误差；(5)利用最佳高度误差对当前高度H进行修正。本发明将多个图像局部特征匹配结果成对结合起来计算高度误差，并使用相应的评价指标来量化评估高度误差修正结果，提高了飞行器定位精度。
【专利说明】
一种导航高度误差的图像修正方法及系统
技术领域
[0001]本发明属于光学导航与制导技术领域，具体为一种导航高度误差的图像修正方法及系统，用于辅助飞行器精确定位，尤其适用于红外、可见光多种谱段光学导航与制导飞行器的定位过程。
【背景技术】
[0002]在各类飞行器导航与制导时，就会涉及自身准确定位的问题。通常情况下飞行器自带的惯性导航平台输出的位置姿态信息误差会随着时间累积，经过一段时间的累积之后，其位置误差，尤其是高度误差会对光学导航与制导系统的成像目标识别过程造成较大的干扰，且飞行器高度越低，这种误差的影响越大。
[0003]目前，通过GPS、BD和GNSS卫星定位系统、路基导航、天文导航等手段可以实现对惯性导航位置姿态信息的部分修正，但是每种定位手段都存在一定的使用条件的限制。若飞行器导航与制导的过程对这些外部修正手段过分依赖，则会使得光学导航与制导手段难以实现自主独立工作，从而大大削弱其使用性能。因此，有必要依靠容易保障的信息独立完成惯性导航平台位姿信息(主要是相对高度误差)的修正。
[0004]当前成像目标识别算法中应用的一些相对高度误差修正方法大多是采用“试探寻优法”，即在一定范围内按特定步长调节相对高度参数，计算图像中某显著特征的匹配程度或计算多个特征匹配结果位置关系一致性程度，选取最优情况下的相对高度参数作为修正后的结果。这类方法对特征匹配的精度要求较高，且缺乏对修正效果的量化的评估。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种导航高度误差的图像修正方法及系统，将多个图像局部特征匹配结果成对结合起来计算高度误差，并使用相应的评价指标来量化评估高度误差修正结果，提高了飞行器定位精度。
[0006]为了实现本发明技术目的，本发明采用的技术方案如下:
[0007]—种导航高度误差的图像修正方法，包括以下步骤:
[0008](I)将飞行器上探测器拍摄的当前图像帧与参考模板匹配，定位图像帧中多个局部显著区域；
[0009](2)将图像帧中多个局部显著区域两两组合，记区域组合中的两个区域为AO和B0，其对应参考模板中的区和B;
[0010](3)计算每一区域组合对应的高度误差dh = (L0-L)/L*H和修正评估因子Q = H*res/L，其中，L为图像帧中区域AO和BO之间的距离，LO为参考模板中区域A和B的实际距离，H为飞行器惯性导航平台提供的当前高度，res为当前探测器输出图像对应的分辨率；
[0011](4)从多个组合对应的修正评估因子Q值中选出最小者，将其对应的高度误差作为最佳高度误差dh’ ；
[0012](5)对当前高度H进行修正，得到修正后的高度H’ =H+dh’。
[0013]一种导航高度误差的图像修正系统，包括:
[0014]第一模块，用于将当前图像帧与参考模板匹配，定位图像帧中多个局部显著区域；
[0015]第二模块，用于将图像帧中多个局部显著区域两两组合，记组合中的两个区域为AO和BO，其对应参考模板中的区域A和B ；
[0016]第三模块，用于计算每一组合对应的高度误差dh=(L0-L)/L*H和修正评估因子Q= H*res/L，其中，L为图像帧中区域AO和BO之间的距离，LO为参考模板中区域A和B的实际距离，H为飞行器惯性导航平台提供的当前高度，res为当前探测器输出图像对应的分辨率；
[0017]第四模块，用于从多个组合对应的修正评估因子Q值中选出最小者，将其对应的高度误差作为最佳高度误差dh’ ；
[0018]第五模块，用于对当前高度H进行修正，得到修正后的高度H’=H+dh’。
[0019]本发明的有益技术效果体现在:
[0020]本发明针对成像目标识别算法中应用的一些相对高度误差修正方法的不足，采用多个区域局部特征匹配结果和标准参考信息综合构建几何模型，直接计算出高度误差数值。同时采用相应的修正评估因子对高度误差计算结果的准确度进行评估，从而渐进的获得高准确度的高度误差修正结果。
【附图说明】
[0021]图1为本发明区域局部特征匹配示意图，图1(a)为图像帧局部显著区域示意图，图1(b)为参考模板局部显著区域示意图；
[0022]图2为本发明高度误差修正几何模型示意图；
[0023]图3为本发明导航高度误差的图像修正方法流程图。
【具体实施方式】
[0024]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0025]本发明提供的一种导航高度误差的图像修正方法是基于图像目标识别中图像区域局部特征匹配技术，结合容易获取的惯性导航平台提供的飞行器位置姿态信息，以光学探测器拍摄实时图像和飞行器装载的参考模板信息为数据源，完成导航高度误差修正。
[0026]在进行本发明具体实施前，结合附图先对区域局部特征匹配技术、高度误差修正计算进行说明:
[0027]一、区域局部特征匹配
[0028]图像中区域局部特征匹配指的是利用前期侦查获取的场景信息，选取其中特征显著局部区域，经特征提取、封装后作为的参考模板(存储于非易失存储器中)，然后在飞行器飞行过程中将参考模板信息中描述的区域局部特征和实时图像中相应特征进行匹配，从而获取该区域在实时探测图像中的精确位置。
[0029]如图1所示，参考模板是前期利用卫星等侦查手段获取的匹配区场景信息制备而来，其中A、B区域为选取的特征显著的区域局部特征，在飞行器飞行过程中，将A、B区域局部特征在探测器实时图像中进行匹配，得到对应区域AO、BO。区域局部特征匹配可以采用不同算法实现(例如采用区域互相关匹配算法)，目的是要在探测器实时图像中找到对应A、B区域的实时匹配区域AO、B0。
[0030]二、高度误差和修正评估因子计算
[0031]如图2所示，在完成一对区域局部特征匹配后，可以得到实际场景区域A、B在探测器实时图像中的区域Α0、Β0。然后依据惯性导航平台提供的位置姿态信息，转化得出探测器位置姿态信息，结合探测器视场角度及图像尺寸，可计算出Α0、Β0点之间的距离L;带误差的高度信息H由惯性导航平台提供的位置姿态信息中提取;A、B点之间的实际距离为L0;由此，计算高度误差的公式如下:
[0032]dh=(L0-L)/L*H (式I)
[0033 ]其中LO的计算通过AO、BO之间的像素距离*像素分辨率(res)得到。
[0034]修正评估因子的计算公式如下:
[0035]Q = H*res/L (式 2)
[0036]Q 单位:米/像素(m/pix)
[0037]其中res为当前探测器输出图像对应的分辨率(单位:米/像素)，可依据探测器视场角度、图像尺寸和当前探测器位置姿态信息计算得出。以256*256图像尺寸，15° *15°视场角，2km高度，-80° 探测器俯仰角情况为例，res = H/sin(80°)*tan(15°/2)/(256/2)。
[0038]下面结合图3对本发明方法的步骤给出详细的说明:
[0039](I)将当前图像帧与参考模板匹配，定位图像帧中多个局部显著区域。
[0040]实时图像帧中区域局部特征的计算原理如前段“区域局部特征匹配”介绍，需要在实时图像中至少完成两个区域局部特征的匹配。
[0041](2)将图像帧中多个局部显著区域两两组合，记区域组合中的两个区域为AO和B0，其对应参考模板中的区和B;
[0042](3)进行高度误差计算及修正评估因子计算
[0043]针对每一组合计算出一个高度误差修正结果和相应的修正评估因子。
[0044]以Α0、Β0组合为例，通过式一和式二分别计算出对应的高度误差修正结果dh和修正评估因子Q。高度误差修正结果的计算是通过探测器图像中区域局部特征匹配结果和参考模板中相应区域局部特征标准位置信息的比对，构建空间几何关系解算得出。修正评估因子指的是一个像素的匹配结果误差所引起的高度修正计算误差。在特征匹配精度稳定的情况下，Q值越小，高度修正结果精度越高。
[0045](4)从多个组合对应的修正评估因子Q值中选出最小者，将其对应的高度误差作为最佳高度误差dh’ ；
[0046](5)对当前高度H进行修正，得到修正后的高度H’ =H+dh’。
[0047]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种导航高度误差的图像修正方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)将飞行器上探测器拍摄的当前图像帧与参考模板匹配，定位图像帧中多个局部显著区域； (2)将图像帧中多个局部显著区域两两组合，记区域组合中的两个区域为AO和B0，其对应参考模板中的区±|^A和B ； (3)计算每一区域组合对应的高度误差dh=(L0-L)/L*H和修正评估因子Q = H*res/L，其中，L为图像帧中区域AO和BO之间的距离，LO为参考模板中区域A和B的实际距离，H为飞行器惯性导航平台提供的当前高度res为当前探测器输出图像对应的分辨率； (4)从多个组合对应的修正评估因子Q值中选出最小者，将其对应的高度误差作为最佳高度误差dh’； (5)对当前高度H进行修正，得到修正后的高度H’=H+dh’。2.一种导航高度误差的图像修正系统，其特征在于，包括: 第一模块，用于将当前图像帧与参考模板匹配，定位图像帧中多个局部显著区域； 第二模块，用于将图像帧中多个局部显著区域两两组合，记组合中的两个区域为AO和BO，其对应参考模板中的区和B; 第三模块，用于计算每一组合对应的高度误差dh=(L0-L)/L*H和修正评估因子Q = H*res/L，其中，L为图像帧中区域AO和BO之间的距离，LO为参考模板中区域A和B的实际距离，H为飞行器惯性导航平台提供的当前高度，res为当前探测器输出图像对应的分辨率； 第四模块，用于从多个组合对应的修正评估因子Q值中选出最小者，将其对应的高度误差作为最佳高度误差dh’； 第五模块，用于对当前高度H进行修正，得到修正后的高度H’ =H+dh’。
【文档编号】G06T7/00GK105825517SQ201610195049
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月31日
【发明人】王春联, 金敏, 陈术涛, 谢晓民, 沈志
【申请人】湖北航天技术研究院总体设计所