数据驱动的空间目标图像信息感知技术

从空间目标的观测图像中自动感知其类别及工作状态对军事国防及空间探测等具有重要意义。为实现对空间目标图像信息的自动化精确感知,提出了一种数据驱动的空间目标图像信息感知技术。所提技术以深度卷积神经网络为基础,利用海量的模拟数据和少量的真实数据训练神经网络,训练后的神经网络能够直接从空间目标图像中感知空间目标的载荷及工作状态等信息。以两个空间目标图像信息感知任务为例,对技术实用性进行了测试。在空间目标载荷识别任务中,所提技术可以对不同模糊程度及不同噪声水平条件下的未知空间目标图像进行载荷识别。结果表明,对于不同的空间目标载荷,所提技术的平均识别准确率超过80%,检测速度可达50 frame/s。在空间目标状态感知任务中,采用模型组合方法搭建了空间目标工作状态感知专家系统。根据空间目标图像,实现了对空间目标工作状态信息的感知,验证了数据驱动的空间目标图像信息感知技术的有效性。     

空间目标抖动状态红外图像仿真建模研究北大核心CSCD

空间目标容易受到太空垃圾碰撞及干扰从而产生抖动。针对空间抖动目标红外图像的模型构建问题,对天基空间红外成像系统的主要噪声进行分析并考虑杂散光影响,基于Creator与Vega软件平台相结合,提出抖动状态下空间目标表面缺陷的红外图像的建模方法。依据空间目标基本特征分析其红外辐射特性,在Creator中对空间目标缺陷进行三维建模;根据目标以及背景红外辐射特性对三维模型进行温度场分析,将分析所得结果与Vega红外模块相结合获得红外图像模型;确定抖动图像数学模型并对仿真图像施加抖动影响,然后施加杂散光影响获得最终模拟图像。实验结果表明:该方法生成的抖动状态下空间目标红外图像与实验图像相似程度高,能为空间目标探测与态势感知提供一种有效的模拟系统。     

基于LLE的红外成像彩色化处理算法研究

针对红外图像对比度低、细节较差,且一般是黑白图像,不适宜于人眼观察,提出一种利用局部线性映射方法（LLE）的红外成像彩色化方法。该方法寻求灰度空间到色彩空间的映射,实现红外图像到彩色红外图像的转变,先将目标红外图像和彩色模板图像转换至YUV颜色空间,分离亮度和色彩信息;然后将目标红外图像的每个像素及邻域像素的灰度值串接成矢量,并均匀从彩色模板图像选取部分像素按相同方法串接成矢量,采用欧氏距离搜索最近邻并计算最佳的匹配系数,经色彩值（即U和V分量）计算将模板图像的彩色传递给目标红外图像后搜索亮度最大值的像素邻域并经自动阈值伪彩色编码处理,突出显示重要目标,得到处理后的彩色红外图像。将算法应用于实验室自主开发的热像仪,算法作用后的红外图像不但有了适于人眼视觉的彩色信息,而且用红、黄等敏感色突出了重点热目标,提高了人眼发现和识别目标的速度,实验结果表明,算法有利于侦察人员长时间的目标观察和识别目标。     

基于稀疏先验的空间目标图像盲反演方法

针对图像盲反演算法未考虑空间目标图像自身特性,致使对空间目标图像细节信息恢复不理想、重构图像中易产生边界伪像等不足之处,提出了一种基于稀疏表示的联合稀疏先验约束盲反演算法.首先,结合空间目标图像梯度的稀疏特性,采用图像梯度的L 0范数提取有利于模糊核估计的图像显著边缘信息;其次,采用L p范数和L 0范数对图像的梯度分布和空间域进行稀疏约束,以保证反演图像的像素点间具有显著的对比度,同时保证图像中包含边缘和纹理等细节信息;最后,采用拉普拉斯分布先验对模糊核进行约束,以保证模糊核的稀疏特性.采取交替迭代策略对所提出的模型进行优化求解,从而得到模糊核和空间目标图像的估计值.实验结果表明,相比于几种具有代表性的盲反演算法,提出的方法能估计出更准确的模糊核,对图像边缘和纹理等细节信息具有更好的恢复能力,在主观评价和客观评价方面均取得了较好的反演性能.     

一种基于惯量椭圆位姿补偿的扩展目标精确定位方法

针对空间扩展目标成像纹理特征少,背景单一,以及目标旋转、平移、形变等运动特征所导致的目标定位跟踪困难的问题,研究了基于惯量椭圆位姿补偿的目标定位跟踪方法(TTBPC)。通过惯量椭圆测姿法获取目标准确俯仰角姿态,将目标位置、姿态补偿到统一的坐标系下,结合最近距离特征点匹配原则,最终实现对空间扩展目标的精确跟踪定位。通过仿真图像和实际图像对TTBPC方法的有效性进行了验证,平移目标定位误差小于0.26pixel,旋转目标定位误差小于0.28pixel,实际空间扩展目标定位误差小于0.3pixel,这表明该方法应用于空间扩展目标定位的有效性和准确性。     

基于梯度和小波变换的水下距离选通图像去噪

水体的散射效应、激光光斑、成像器件的非理想化等因素使得图像出现大量无规律粒状噪声,它们增加了水下距离选通图像的背景噪声,模糊了目标轮廓,掩盖了目标细节,降低了图像的信噪比。针对上述问题本文提出了一种基于梯度和小波变换的去噪方法。首先对图像进行余弦小波变换,得到不同频率空间的图像集。低频空间引入新的图像梯度强化方法以提高图像的纹理信息量;对应非均匀性条带的LH或HL空间做曲面拟合处理以消除非均匀性条带的影响;在HH空间去噪过程中,低层空间做非局部均值处理以保留图像相似信息,高层空间做分数阶积分处理以保留图像细节信息。最后小波逆变换得到结果图像。从实验水槽中采集水下图像进行算法验证,将改进方法与已有算法比对分析。实验表明,本文所研究的水下去噪算法,能够平滑噪声且更大限度地保留图像细节纹理,在客观评价指标上提升了6%。     

基于单站地基望远镜的空间目标姿态估计方法

为实现从单站光测图像中估计出已知3D模型的空间目标姿态,利用Vega Prime提出了一种采用仿真图像进行相关度局部最优搜索的姿态估计方法,该方法无需建立2D-3D特征投影关系和大量的模型匹配库。首先,对输入图像进行图像预处理,获得目标原始图像。然后,利用Vega Prime加载目标3D模型生成仿真匹配图像,并进行图像预处理获得目标匹配图像,计算两幅图像相关度。最后,更新3D目标模型姿态,直至仿真匹配图像与目标原始图像的相关度值取得局部最优,输出目标模型姿态。仿真实验结果表明,采用本文所提方法的观测仿真图像姿态平均估计误差为3.85°,仿真原图可实现姿态准确估计,表明该方法是一种空间目标姿态估计的有效方法。     

基于轨迹预判的空间小目标在轨检测方法研究

空间目标监视和检测是维护空间环境安全的重要保障，天基观测是其中的一个重要观测手段。在天基观测图像中，恒星和空间小目标形状、大小相似，影响空间小目标的检测。且空间环境复杂，图像的噪声也会对空间小目标检测造成干扰。针对以上问题，提出了一种基于轨迹预判的空间小目标在轨检测方法。首先对图像进行预处理，包含使用图像滤波剔除坏像元和背景影响以及阈值分割。对相机进行畸变误差校正，再进行坐标系转换以及匹配星表剔除大部分恒星。然后采集多帧图像，对候选目标进行轨迹关联、预判，确定搜索范围。最后实现对空间小目标的检测。本检测方法具有以下几方面的优势：在低信噪比下，实现高检测精度和低虚警率；减少搜索范围，提高在轨实时检测能力；具备对连续帧图像上目标不连续出现的检测能力，适应更复杂的空间环境下目标检测需求。本检测方法的检测能力在硬件系统上得到了验证，实验结果表明，该算法在检测信噪比为2的目标时也具有99.9%的检测率和0.002%的虚警率，为在轨空间小目标检测提供参考。     

基于遥感图像的城市道路自动测绘方法研究

为更有效地将空间观测技术应用于城市地理信息系统等领域,提出了一种新的基于遥感图像的城市道路自动测绘方法.该方法通过构建对象网络来表达图像结构,获取客观的处理单元.在此基础上,针对感兴趣特征,利用无监督学习来综合分析遥感图像中道路目标的各类可视及非可视化信息,快速标记并定位目标区域.方法中还结合上下文信息进行空间平滑处理,大大消除了噪声、遮挡等影响.矢量标绘后可以量测得到城市道路的准确轮廓及相关参数.实验表明,该方法准确率高、鲁棒性好,适用于绝大多数高分辨率城市遥感图像中道路目标的自动测绘,在地理信息系统和数字城市系统建设中具有较大的实用价值.     

基于星图识别的空间目标检测算法研究

从恒星背景中检测出空间目标是空间目标天基光学测量相机所要解决的关键技术难题之一。提出了一种基于星图识别的空间目标检测算法,利用背景星图的平移、旋转、比例伸缩不变性,应用星图识别原理,根据识别恒星在不同帧图像中的坐标变化估计背景运动参数,进行探测图像序列的配准,然后在配准后的图像序列中检测出空间目标。通过仿真验证,该方法对于运动恒星背景中运动小目标的检测具有比较好的效果。     

Evaluating 3D position and velocity of subject in parabolic flight experiment by use of the binocular stereo vision measurement

<正>A practical method for evaluating the three-dimensional(3D) position and velocity of a moving object used in the parabolic flight experiment is developed by using the binocular stereo vision measurement theory. The camera calibration mathematic model without considering the lens distortion is introduced.The direct linear transformation(DLT) algorithm is improved to accomplish the camera calibration.The camera calibration result and optimization algorithm are used to calculate the object's world coordinate from image coordinate.The 3D position and the velocity of the moving object are obtained.The standard uncertainty in estimating the velocity is 0.0024 m/s,which corresponds to 1%level of the velocity of the object in the experiment.The results show that this method is very useful for the parabolic flight experiments.     

一种基于线结构光的三维视觉曲面测量方法

为了建立物体的整体三维模型,在一般线结构光三维视觉系统结构的基础上,提出了一种三维视觉扫描方式———被动模式。这种模式是基于摄像机不动,使物体旋转,实现对物体的全方位扫描,解决了物体三维模型周视扫描的问题。给出了物体旋转轴心坐标的标定方法和物体的三维重建过程。     

基于序列图像的几何参数测量方法研究

随着测量技术的不断发展,现代工业对物体尺寸检测的准确性及快速性要求越来越高.文中提出了一种利用序列图像来测量物体几何尺寸的方法.使用数码相机获得标定模板的序列图像,通过直接线性变换(DLT)方法来标定相机内部参数,结合透镜成像的知识,对使用数码相机采集到的物体序列图像进行处理和测量,最终计算出物体的宽度和高度.实验证明...     

Three-core fiber-based shape-sensing application

By using specially designed three-core fiber, a microstructured light-pattern generator for sensing 3-D shapes has been demonstrated. The square or hexagon grid-interferometric fringe pattern formed by the fiber-optic interferometric grid generator is projected onto an object's surface. The deformed grid pattern containing information of the object's surface topography is captured by a CCD camera and is analyzed using 2-D Fourier transforming profilometry. The use of the fiber-optic grid-interferogram technique greatly simplifies the holographic interferometry system, and the carrier grid interferogram can be conveniently generated without the use of excessive auxiliary components or sophisticated experimental devices; moreover, the three-core fiber can be used in very narrow places, owing to its small size. Finally, the square or hexagon grid-interferometric fringe pattern provides a data-fusion ability that could further improve the accuracy of the 3-D shape-sensing results.     

聚焦形貌恢复方法模型设计

采用基于拉普拉斯算符聚焦形貌恢复方法,提出了模拟目标深度测量的数值模型。数值模拟的核心是基于通过几何光学预测的理想图像的卷积与透镜广义孔径函数的多色点扩散函数,即用聚焦误差替代抛物线圆柱形貌或高斯函数。该模型可以使用基于聚焦形貌恢复方法的传感器真实组件参数、光源光谱、光学系统离差、相机的光谱灵敏度。提出了光学系统离差（消球差、消色差、色差）对确定目标表面形貌的精确度和可靠性的影响。结果表明,该模型可以有效提高实验效率,缩短时滞,降低成本。     

Three-dimensional optical profilometry using a four-core optical fibre

This paper describes the use of a four-core optical fibre for measurements of three-dimensional rigid-body shapes. A fringe pattern, which is generated by interference of four wavefronts emitted from the four-core optical fibre, is projected on an object's surface. The deformed fringe pattern containing information of the object's surface topography is captured by a digital CCD camera and is analysed using a two-dimensional Fourier transform profilometry. It is demonstrated for the first time that the use of such a four-core optical fibre increases the compactness and the stability of the fringe projection system.     

Multiframe full-field heterodyne digital holographic microscopy

Digital holographic microscopy using multiframe full-field heterodyne technology is discussed in which two acousto-optic modulators are applied to generate low-frequency heterodyne interference and a high-speed camera is applied to acquire multiframe full-field holograms. We use a temporal frequency spectrum analysis algorithm to extract the object's information. The twin-image problem can be solved and the random noise can be significantly suppressed. The relationship between the frame number and the reconstruction accuracy is discussed. The typical objects of microlenses and biology cells are reconstructed well with 100-frame holograms for illustration.     

Three-dimensional shape measurement for an underwater object based on two-dimensional grating pattern projection

In this paper, a practical method using phase tracking and ray tracing algorithms is proposed for measuring the three-dimensional (3D) shape of an underwater object. A 2D projected sinusoidal fringe goes through the water and illuminates the tested object. Firstly, the phase tracking algorithm is employed to identify homologous points in phase distributions of the deformed fringe captured by the camera and these of the fringe pattern projected by the projector. The projector is regarded as a special camera as regards the stereovision principle. In the calibrated system, both ray directions of the homologous points can be easily figured out. Secondly, the ray tracing algorithm is used to trace the propagation path of each ray and to calculate the 3D coordinates of each point on the tested object's surface. Finally, the whole shape of the tested object can be reconstructed.     

位相相关在大尺寸物体三维重构中的应用

提出了一种对大尺寸物体进行三维重构的方法.将一正弦光栅投影到物体表面,通过摄像机得到有变形条纹的二维子区域强度像.在频域中完成各二维子区域强度像之间的相关,根据输出的相关峰值位置即可得出平移量,通过图像拼接获得有变形条纹的整个物体的二维强度像.运用傅里叶变换轮廓术可得到大尺寸物体的三维型面,给出了实验结果.