基于SfS的小天体三维建模和旋转参数估计方法
发布时间：2021-11-18 19:42
小天体探测是近年来深空探测的研究热点和主要方向,美国、欧洲、日本等国家或组织都相继开展了对小天体的探索任务。小天体探测不仅能帮助科学家探索太阳系的起源、演化,还对提升国家自主研发能力,推动各领域科技发展具有重大意义。由于小天体具有引力小、体积小、观测难度大等特点,相较于月球、火星等大型天体的探测任务,小天体探测在建模、导航、着陆采样等任务环节仍然存在着一些亟需解决的科学技术问题,对科研工作者提出了更大的挑战。小天体的三维模型是小天体的基础数据,对地形相对导航、着陆点选取具有重要的参考价值。如何对小天体进行三维建模,一直是探测任务中的难点,本文提出基于SfS（Shape from Silhouette）的小天体三维建模方法,在无法观测到小天体具体地形特征的情况下,利用图像中小天体的轮廓信息仍可得到较为精细的三维模型,在基于CINEMA-4D的仿真平台上对Bennu小行星进行了仿真实验验证。小天体的运动参数是小天体的科学数据,也是探测器下降、着陆过程中的重要依据,而运动参数估计的难点在于旋转方向和旋转角速度的估计,本文提出基于扩展卡尔曼滤波器的小天体运动参数估计方法,分别在规则的正方体及6...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
结构光系统图
哈尔滨工业大学专业硕士学位论文-9-第2章基于SfS的小天体三维建模方法2.1引言小天体的三维模型对于实现探测器的精准导航着陆具有重要意义。由于惯性导航存在累积误差大，计算不精确等问题，仅仅依靠惯性导航无法实现探测器的安全着陆，需要利用地形相对导航的方法对惯性导航进行修正[53]。而地形相对导航需要观测图像和规划图像间的匹配，规划图像的生成离不开可靠的小天体三维模型。本章对基于SfS的小天体三维建模方法进行了详细阐述，在探测器距离小天体较远时，利用图像中小天体的轮廓信息仍然可以对小天体进行三维重建，为之后的模型精细化和导航着陆提供了有力支持。2.2SfS测量原理SfS(ShapefromSilhouette)是一种利用物体轮廓信息进行三维重建的方法，最早由Baumgart于1974年提出。方法首先需要在不同角度采集物体的图像，然后通过图像处理的方式对图像中物体的轮廓边缘信息进行提取，最后综合这些信息来恢复物体的三维模型[54]。SfS根据重建原理可以分为三类：基于体素的方法，基于表面的方法，体素和表面相结合的方法[55]。图2-1SfS原理示意图[56]基于表面的方法利用锥体相交的思想来得到物体的三维模型。对于一个只有唯一背景光源的系统，如果没有被测物体，那么相机拍摄的图像上的每一个像素点都是由背景光投影得到的白色亮点。一旦在场景中放入物体，那么图像中就会出现由物体遮挡导致的阴影区域。图像中亮色和暗色区域的界限就反映出了物体的轮廓信息。一幅图像中所有的暗色区域与相机光心的连线能够构成一个锥形的体积模型，物体就正好被这一锥体所包裹。对多幅图像形成的多个锥体的体积取交集，就能够得到被测物体的三维信息。
哈尔滨工业大学专业硕士学位论文-10-图2-2体积相交示意图[32]设物体所占据的空间为V，第i幅图像中的阴影区域与相机光心形成的锥体为Vi，那么V可以由公式（2-1）得到：V=∩(=1,2,…,)(2-1)由上述分析可知，随着锥体数量的增加，相交的结果会越来越接近被测物体的真实三维结构。此方法由于只关注物体的表面，执行速度快，但是可能存在得到的多边形模型不完整的问题。一个原因是在某些情况下，当锥体的表面几乎平行时，体积相交会变成不适定问题（ill-posedproblem）；另一个原因是当被测物体的几何结构过于复杂且观测视点分布很密集时，会生成很多琐碎的小平面。基于体素的方法最早由Martin和Aggrawal提出[57]。方法首先需要初始化一个能将被测物体完全包裹的体积模型，然后将这一体积模型划分为许多大小相同的小正方体（体素），将小正方体反向投影到每一幅图像中，如果存在一幅图像中小正方体不在物体的轮廓区域内，则此小正方体的标号为为空，否则标号为被占据，最终所有标号为被占据的体素构成了物体的体素模型。体素模型由于是由许多小立方体组成的，较为粗糙，可以使用Busch提出的网格增长算法来进行表面重建。算法需要设置一个可容忍的近似误差，然后根据这一近似误差来调整三角网格的大小，从而重建体素模型的表面。方法首先在体素模型表面放置一个单一的三角网格，在每个开放的边缘处生成其他新的三角网格，直到整个体素模型被网格完全覆盖。最终得到的三维模型曲率较大的地方三角网格会更小更密集，而在曲率较小的地方三角网格会更大更稀疏。为了使得到的模型更为逼真，看起来更加自然，需要对模型添加纹理。利用已知的相机参数，能够将每一个三角网格的顶点投影到像平面上，将包含三角网格投影的矩形图像定义为纹理贴图，对每
【参考文献】：
期刊论文
[1]小行星探测进展及技术特点分析[J]. 廖慧兮,王彤,贾晓宇. 国际太空. 2017(07)
[2]非接触式三维重建测量方法综述[J]. 丁少闻,张小虎,于起峰,杨夏. 激光与光电子学进展. 2017(07)
[3]惯性/视觉组合导航在不同应用场景的发展[J]. 李丰阳,贾学东,董明. 导航定位学报. 2016(04)
[4]三维重建技术及其军事应用[J]. 吴彤,傅中力. 国防科技. 2015(01)
[5]基于序列影像的小天体三维形状重建方法研究[J]. 蓝朝桢,耿迅,徐青,崔平远. 深空探测学报. 2014(02)
[6]非接触测量技术发展研究综述[J]. 罗胜彬,宋春华,韦兴平,李航. 机床与液压. 2013(23)
[7]基于CMVS/PMVS多视角密集匹配方法的研究与实现[J]. 何豫航,岳俊. 测绘地理信息. 2013(03)
[8]嫦娥二号卫星为“图塔蒂斯”拍照[J]. 云影. 卫星应用. 2013(01)
[9]惯导融合特征匹配的小天体着陆导航算法[J]. 邵巍,常晓华,崔平远,崔祜涛. 宇航学报. 2010(07)
[10]基于三维激光扫描数据的建筑物三维建模[J]. 吴静,靳奉祥,王健. 测绘工程. 2007(05)
博士论文
[1]基于图像信息的小天体参数估计及探测器自主导航研究[D]. 邵巍.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]基于点云数据的案件现场三维重建方法研究[D]. 姜子鹏.中国人民公安大学 2019
[2]基于光学特征的小天体着陆自主导航方法研究[D]. 王骥琛.北京理工大学 2015
[3]小天体探测中的光学自主导航与可视化技术研究[D]. 陈景伟.解放军信息工程大学 2008
[4]多视角背影轮廓3D测量方法的研究[D]. 何丽.天津大学 2006
本文编号：3503500
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
结构光系统图
哈尔滨工业大学专业硕士学位论文-9-第2章基于SfS的小天体三维建模方法2.1引言小天体的三维模型对于实现探测器的精准导航着陆具有重要意义。由于惯性导航存在累积误差大，计算不精确等问题，仅仅依靠惯性导航无法实现探测器的安全着陆，需要利用地形相对导航的方法对惯性导航进行修正[53]。而地形相对导航需要观测图像和规划图像间的匹配，规划图像的生成离不开可靠的小天体三维模型。本章对基于SfS的小天体三维建模方法进行了详细阐述，在探测器距离小天体较远时，利用图像中小天体的轮廓信息仍然可以对小天体进行三维重建，为之后的模型精细化和导航着陆提供了有力支持。2.2SfS测量原理SfS(ShapefromSilhouette)是一种利用物体轮廓信息进行三维重建的方法，最早由Baumgart于1974年提出。方法首先需要在不同角度采集物体的图像，然后通过图像处理的方式对图像中物体的轮廓边缘信息进行提取，最后综合这些信息来恢复物体的三维模型[54]。SfS根据重建原理可以分为三类：基于体素的方法，基于表面的方法，体素和表面相结合的方法[55]。图2-1SfS原理示意图[56]基于表面的方法利用锥体相交的思想来得到物体的三维模型。对于一个只有唯一背景光源的系统，如果没有被测物体，那么相机拍摄的图像上的每一个像素点都是由背景光投影得到的白色亮点。一旦在场景中放入物体，那么图像中就会出现由物体遮挡导致的阴影区域。图像中亮色和暗色区域的界限就反映出了物体的轮廓信息。一幅图像中所有的暗色区域与相机光心的连线能够构成一个锥形的体积模型，物体就正好被这一锥体所包裹。对多幅图像形成的多个锥体的体积取交集，就能够得到被测物体的三维信息。
哈尔滨工业大学专业硕士学位论文-10-图2-2体积相交示意图[32]设物体所占据的空间为V，第i幅图像中的阴影区域与相机光心形成的锥体为Vi，那么V可以由公式（2-1）得到：V=∩(=1,2,…,)(2-1)由上述分析可知，随着锥体数量的增加，相交的结果会越来越接近被测物体的真实三维结构。此方法由于只关注物体的表面，执行速度快，但是可能存在得到的多边形模型不完整的问题。一个原因是在某些情况下，当锥体的表面几乎平行时，体积相交会变成不适定问题（ill-posedproblem）；另一个原因是当被测物体的几何结构过于复杂且观测视点分布很密集时，会生成很多琐碎的小平面。基于体素的方法最早由Martin和Aggrawal提出[57]。方法首先需要初始化一个能将被测物体完全包裹的体积模型，然后将这一体积模型划分为许多大小相同的小正方体（体素），将小正方体反向投影到每一幅图像中，如果存在一幅图像中小正方体不在物体的轮廓区域内，则此小正方体的标号为为空，否则标号为被占据，最终所有标号为被占据的体素构成了物体的体素模型。体素模型由于是由许多小立方体组成的，较为粗糙，可以使用Busch提出的网格增长算法来进行表面重建。算法需要设置一个可容忍的近似误差，然后根据这一近似误差来调整三角网格的大小，从而重建体素模型的表面。方法首先在体素模型表面放置一个单一的三角网格，在每个开放的边缘处生成其他新的三角网格，直到整个体素模型被网格完全覆盖。最终得到的三维模型曲率较大的地方三角网格会更小更密集，而在曲率较小的地方三角网格会更大更稀疏。为了使得到的模型更为逼真，看起来更加自然，需要对模型添加纹理。利用已知的相机参数，能够将每一个三角网格的顶点投影到像平面上，将包含三角网格投影的矩形图像定义为纹理贴图，对每
【参考文献】：
期刊论文
[1]小行星探测进展及技术特点分析[J]. 廖慧兮,王彤,贾晓宇. 国际太空. 2017(07)
[2]非接触式三维重建测量方法综述[J]. 丁少闻,张小虎,于起峰,杨夏. 激光与光电子学进展. 2017(07)
[3]惯性/视觉组合导航在不同应用场景的发展[J]. 李丰阳,贾学东,董明. 导航定位学报. 2016(04)
[4]三维重建技术及其军事应用[J]. 吴彤,傅中力. 国防科技. 2015(01)
[5]基于序列影像的小天体三维形状重建方法研究[J]. 蓝朝桢,耿迅,徐青,崔平远. 深空探测学报. 2014(02)
[6]非接触测量技术发展研究综述[J]. 罗胜彬,宋春华,韦兴平,李航. 机床与液压. 2013(23)
[7]基于CMVS/PMVS多视角密集匹配方法的研究与实现[J]. 何豫航,岳俊. 测绘地理信息. 2013(03)
[8]嫦娥二号卫星为“图塔蒂斯”拍照[J]. 云影. 卫星应用. 2013(01)
[9]惯导融合特征匹配的小天体着陆导航算法[J]. 邵巍,常晓华,崔平远,崔祜涛. 宇航学报. 2010(07)
[10]基于三维激光扫描数据的建筑物三维建模[J]. 吴静,靳奉祥,王健. 测绘工程. 2007(05)
博士论文
[1]基于图像信息的小天体参数估计及探测器自主导航研究[D]. 邵巍.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]基于点云数据的案件现场三维重建方法研究[D]. 姜子鹏.中国人民公安大学 2019
[2]基于光学特征的小天体着陆自主导航方法研究[D]. 王骥琛.北京理工大学 2015
[3]小天体探测中的光学自主导航与可视化技术研究[D]. 陈景伟.解放军信息工程大学 2008
[4]多视角背影轮廓3D测量方法的研究[D]. 何丽.天津大学 2006
本文编号：3503500
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