一种基于视觉和主动光学融合的三维目标欧式空间重建的测量系统技术方案

本发明专利技术一种基于视觉和主动光学融合的三维目标欧式空间重建的测量系统，包括单目视觉模块、测光测距模块、预处理模块、初始三维重建模块、SLAM位姿解算模块、精确3D重建模块以及相关的辅助机构。通过新方法建立单目视觉模块获取的图像序列与激光测距模块获得的单点距离信息的相互关系，计算得所观测目标各个特征点的空间三维信息，并通过迭代优化，最终获得目标精确地三维测量信息和目标的位置姿态信息。该系统的采用高速单目视觉系统及激光测距系统组合，在保证高帧频探测的基础上大大缓解了数据处理压力，尤其适合空间或水下运动目标观测。具有成像速度快；重建精度高；系统简单，体积、质量、功耗小等优点，非常适合空间和水下作业的机器人应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于非合作目标三维重建领域，特别是一种基于视觉和主动测距融合的三维目标欧式空间重建的测量系统。
技术介绍
在空间及水下非合作目标的测量任务中，对目标的近距离重建与测量是其中的关键技术。由于非合作无法提供有效的合作信息，它没有安装通讯应答机制或其他主动传感器的空间目标，其它机器人不能通过电子讯问或发射信号等方式对此类目标识别或定位。在目标运动状态和空间结构未知的情况下，通过视觉等手段对目标进行3D尺度的探测、重构，并对其位姿进行精确测量，为进一步的操作提供条件。传统的基于扫描式激光雷达的测量方法，虽然能够通过获取目标表面密集的三维点云信息，最终实现目标的三维重构，但其测量精度与距离平方成反比，且仅适用于近距离运动平缓的目标测量。目标通常采用Besl等提出的ICP(IterativeClosestPoint)三维点云匹配算法实现对非合作目标的位姿测量。目前许多研究者正在尝试利用扫描式激光雷达图像获取非合作目标的位姿信息。加拿大Neptec公司开发的LCS(LaseCameraSystem)系统利用基于ICP算法的3DLASSO(three-dimensionallasercamerasystemalgorithmsforspacecraftservicingon-orbit)软件能够实现非合作航天器的位姿解算，测量精度与距离平方成反比，适用于近距离运动平缓的目标测量。但目前各种处理方法军不可避免的在测量工作中会存在数据扭曲问题。双目视觉模拟人眼成像原理，通过测量两幅图的视差，能够获取目标的三维信息。P.Jasiobedzk提出首先围绕目标运动，通过双目相机系统建立目标三维模型，并确定目标的相对位置；然后通过几何结构探索的方法确定目标的姿态。近距离跟踪过程中通过三维数据迭代最近点算法(IterativeClosestPoint)进行目标姿态参数的更新，目标相对位置通过双目相机系统三角测量得到。以色列海法理工学院Segal等也建立了基于双目视觉的非合作航天器状态测量系统，首先建立目标特征点的观测模型，之后利用扩展卡尔曼滤波方法实现了对非合作航天器的位姿测量。但由于双目视觉测量精度严重依赖两相机相对位置及夹角，且成像区域仅存在于两相机的交叠区域。很难满足在空间和水下机器人对非合作目标的探测中受探测器尺寸、探测距离及精度的要求。单目视觉是最常见也是最简单的光学传感器，已是大部分航天器上的标准装备。国外研究者将基于单目相机的机器人“即时定位和绘图(SLAM)”方法进行扩展，并成功应用到。目标的测量中。如斯坦福大学空间机器人实验室的Augenstein等仅采用贝叶斯估计方法估计姿态参数，通过陀螺仪、GPS等多种定位测量方式，采用最优化理论估计位置参数，可用于检查和维修损坏卫星或水下科学仪器，也可用于与翻滚卫星的自主教会对接。并成功在蒙特利湾水上研究院进行了外场试验。但单目视觉无法直接获取目标的深度信息，在非合作目标位姿测量中需要与其他多种传感器配合使用，在独立系统应用方面常常受到限制。面阵激光雷达是最近兴起的一种三维信息获取的重要手段，其利用光束从传感器到目标点的飞行时间来计算目标的深度信息，允许多种深度信息一次性平行获取，可以实现目标三维图像的实时获取。麻省理工学院林肯实验室处于领先地位，已完成第三代三维成像激光雷达系统(Gen-Ⅲ系统)，采用盖革模式的32*32像素APD阵列作为探测器，具有单光子探测灵敏度，具有高帧频、高距离分辨率和小型化等优点。但由于目前技术尚不成熟，无法做到高像素、高精度的三维目标测量，且其横向分辨率尚不理想，且受到设备成本高，硬件要求高等限制目前难以普及。有的将单目视觉与激光雷达组合，如斯坦福大学宇航部的JosePadial等人，从而提高测量精度，但整个系统由于相机和转镜系统的存在，体积、功耗和重量较大，难以适应复杂环境应用。
技术实现思路
本专利技术提出一种基于视觉和主动光学融合的三维目标欧式空间重建的测量系统。该测量系统通过单目视觉模块对目标成序列图像，并于单点激光测距模块所得的图像中某单一点的深度信息进行融合计算，对目标实现欧式坐标下三维重建，并可以进一步的求得目标的位置、姿态以及相关的运动信息。其体积小、重量轻、功耗低；结构简单，探测距离远，成本低，适用范围广；通过对相机的具体设计具有很高的适应能力。满足于未来空间及水下探测中需要的小型化、精细化、自主化和智能化特性。本专利技术采用的技术方案为：一种基于视觉和主动光学融合的三维目标欧式空间重建的测量系统，该系统由单目视觉模块、激光测距模块、预处理模块、初始三维重建模块、SLAM位姿解算模块、精确3D重建模块、固定支架、转台和标定板等机构组成，其中：所述的单目视觉系统面向目标，用于采集目标的图像序列；所述的激光测距模块与单目视觉模块大致同向放置，用于获取目标上任意一点的真实距离信息；所述的预处理模块集成于该系统内部，用于对单目视觉模块和激光测距模块所得数据进行预处理，为后续重建过程提供基础；所述的初始三维重建模块集成于该系统内部，用于处理上述的图像信息和点的距离信息，从而获得目标三维测量信息的初值；所述的SLAM位姿解算模块集成于该系统内部，采用改进的位姿结算算法，可以解算处目标物体实时的运动状态和位姿信息；所述的精确3D重建模块集成于该系统内部，该模块可实时更新三维模型的信息，保证三维重建的准确性。进一步的，所述预处理模块负责接收、处理所述的单目视觉系统和激光测距系统所得数据，用于对单目视觉系统获取的图像进行畸变矫正、去噪、前景提取处理，并解算处激光测距点在相机坐标系下标识的距离信息。进一步的，所述初始三维重建模块负责目标的三维重建的初始化工作，可实现目标的二维图像序列特征点和单点激光距离信息的高精度配准。进一步的，所述SLAM位姿解算模块和精确3D重建模块只通过单一系统提供的目标体征信息即可进行实时目标的位姿测量，同时可根据实时更新的目标位姿信息反演跟进目标三维模型重建的精度，实时更新所得目标的三维模型信息，从而达到精确3D重建的目的。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术体积小、重量轻、功耗少，单独的单目相机和激光测距仪均为成熟产品，且不需要扫描等大型机械装置。(2)本专利技术采用高分辨率单目视觉系统，对目标的细节特征可以更好的还原。(3)本专利技术采用相位式激光测距系统，可高精度弥补单目相机缺乏具体的深度信息的缺陷。(4)本专利技术采用自编程数据处理模块，使用自编创新计算程序，将单目视觉系统所得图像序列与激光测距系统所得单点距离信息融合，获得目标物体所有特征点的三维空间信息，并且实现最终的三维重建，整体运算速度快，精度高。(5)本专利技术对硬件配置要求低，成像速度快，可以通过激光测距仪所测得的一个随机点的高精度距离信息，精确还原得到目标体全部像素点的深度信息。附图说明图1为本专利技术基于视觉和主动光学融合的三维目标欧式空间重建的测量系统整机机构示意图。图2为本专利技术基于视觉和主动光学融合的三维目标欧式空间重建的测量系统原理示意图。图3为本专利技术基于视觉和主动光学融合的三维目标欧式空间重建的测量系统的测量过程及结论示意图。图中附图标记含义为：100为单目视觉模块，200为激光测距模块，300为预处理模块，310为视觉与激光测距离线联合标本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于视觉和主动光学融合的三维目标欧式空间重建的测量系统，其特征在于：该系统由单目视觉模块、激光测距模块、预处理模块、初始三维重建模块、SLAM位姿解算模块、精确3D重建模块、固定支架、转台和标定板等机构组成，其中：所述的单目视觉系统面向目标，用于采集目标的图像序列；所述的激光测距模块与单目视觉模块大致同向放置，用于获取目标上任意一点的真实距离信息；所述的预处理模块集成于该系统内部，用于对单目视觉系统和激光测距系统所得数据进行预处理，为后续重建过程提供基础；所述的初始三维重建模块集成于该系统内部，用于处理上述的图像信息和点的距离信息，从而获得目标三维测量信息的初值；所述的SLAM位姿解算模块集成于该系统内部，采用改进的位姿结算算法，可以解算处目标物体实时的运动状态和位姿信息；所述的精确3D重建模块集成于该系统内部，该模块可实时更新三维模型的信息，保证三维重建的准确性。

【技术特征摘要】
1.一种基于视觉和主动光学融合的三维目标欧式空间重建的测量系统，其特征在于：该系统由单目视觉模块、激光测距模块、预处理模块、初始三维重建模块、SLAM位姿解算模块、精确3D重建模块、固定支架、转台和标定板等机构组成，其中：所述的单目视觉系统面向目标，用于采集目标的图像序列；所述的激光测距模块与单目视觉模块大致同向放置，用于获取目标上任意一点的真实距离信息；所述的预处理模块集成于该系统内部，用于对单目视觉系统和激光测距系统所得数据进行预处理，为后续重建过程提供基础；所述的初始三维重建模块集成于该系统内部，用于处理上述的图像信息和点的距离信息，从而获得目标三维测量信息的初值；所述的SLAM位姿解算模块集成于该系统内部，采用改进的位姿结算算法，可以解算处目标物体实时的运动状态和位姿信息；所述的精确3D重建模块集...

【专利技术属性】
技术研发人员：张壮，赵汝进，刘恩海，洪裕珍，颜坤，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51