專利名稱：：一種利用立體地標(biāo)定位識(shí)別地面立體建筑物的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別與飛行器導(dǎo)航制導(dǎo)交叉的
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種動(dòng)平臺(tái)條件下基于立體地標(biāo)定位識(shí)別地面立體建筑物的方法。飛行器按照預(yù)定航跡導(dǎo)航制導(dǎo)時(shí)，在待識(shí)別建筑物目標(biāo)不可見(jiàn)或可見(jiàn)但成像特征不顯著的情況下，選取飛行航路中特性顯著的立體建筑物地標(biāo)進(jìn)行識(shí)別定位，然后間接定位到待識(shí)別建筑物，此方法可用于飛行器前視導(dǎo)航時(shí)，定位城區(qū)復(fù)雜樓群背景下中等高度的地面立體建筑物。
背景技術(shù)：
：無(wú)人飛行器和有人飛行器在城市地區(qū)的自主精確導(dǎo)航定位是一個(gè)有廣泛應(yīng)用價(jià)值的挑戰(zhàn)性難題。地面立體建筑物作為重要的人造目標(biāo)，其檢測(cè)識(shí)別與精確定位可應(yīng)用于飛行器導(dǎo)航、避撞、地圖特征提取、城市規(guī)劃、監(jiān)督等領(lǐng)域。地面立體建筑物常常處于復(fù)雜的自然背景當(dāng)中，特別在城區(qū)，特定立體建筑物處于復(fù)雜樓群之中。從光學(xué)成像角度考慮，各種地面建筑物的大小、形狀各不相同，建筑物之間存在互相遮擋；另外，在不同時(shí)相、不同氣候、不同光照、不同成像高度、不同成像距離和不同成像角度的情況下，成像器所獲取的光學(xué)圖像中目標(biāo)建筑物呈現(xiàn)不同的成像特性且復(fù)雜多變。飛行器飛行航跡的可變性、飛行器慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的位置偏差和目標(biāo)成像特性的復(fù)雜多變，導(dǎo)致在復(fù)雜樓群背景中準(zhǔn)確定位識(shí)別地面立體建筑物的難題。飛行器導(dǎo)航定位到某立體建筑物的前提條件是必須能準(zhǔn)確檢測(cè)、識(shí)別該建筑物。然而在復(fù)雜樓群背景中檢測(cè)識(shí)別定位立體建筑物非常困難。金泰松，葉聰穎，李翠華等在"一種復(fù)雜場(chǎng)景下建筑目標(biāo)識(shí)別方法"，計(jì)算機(jī)工程，Vol.33No.6March2007中提出一種基于建筑目標(biāo)的豎直線特征尋找圖像中存在建筑目標(biāo)區(qū)域的方法。該方法的核心步驟是提取豎直方向的線特征，并利用目標(biāo)特征的相互關(guān)系，檢測(cè)出圖像中潛在建筑物樓群區(qū)域。但是此方法的局限性在于只適用于樓群區(qū)域的檢測(cè)，而無(wú)法檢測(cè)識(shí)別定位復(fù)雜樓群背景中的各地面立體建筑物。洪志令，姜青山，董槐林等在"復(fù)雜背景下一類建筑目標(biāo)的識(shí)別及變化檢測(cè)"，第十二屆全國(guó)圖像圖形學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議中提出一種在復(fù)雜背景下，正多邊形建筑物進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別的方法。該方法的核心在于線特征的提取，對(duì)線進(jìn)行多層次的感知組合過(guò)程。最后通過(guò)特征匹配步驟實(shí)現(xiàn)建筑物檢測(cè)識(shí)別。該方法的局限性主要在于只能對(duì)正多邊形建筑目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別。上述文件中提到的立體建筑物檢測(cè)識(shí)別方法都是采用直接檢測(cè)識(shí)別與定位目標(biāo)，都需要提取實(shí)時(shí)光學(xué)成像過(guò)程中能顯著表征目標(biāo)建筑物成像特性的線條特征矢量。然而在待識(shí)別地面立體建筑物相對(duì)于其所在城市地區(qū)場(chǎng)景的光學(xué)成像特性不顯著時(shí)，例如周邊建筑物的遮擋、成像距離較遠(yuǎn)、目標(biāo)局部對(duì)比度低、光照條件變化、逆光或順光等，直接檢測(cè)識(shí)別地面立體建筑物不可行。為了解決這一導(dǎo)航定位難題，必須發(fā)明新的立體建筑物檢測(cè)識(shí)別定位方法。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種利用立體地標(biāo)定位識(shí)別地面立體建筑物的方法，目的在于實(shí)現(xiàn)在動(dòng)平臺(tái)條件下，待識(shí)別定位的建筑物在實(shí)時(shí)光學(xué)成像過(guò)程中不可見(jiàn)或可見(jiàn)但成像特性不顯著時(shí)，如目標(biāo)局部對(duì)比度差、目標(biāo)相似模式多的情況下，對(duì)地面立體建筑物進(jìn)行識(shí)別定位。一種利用立體地標(biāo)定位識(shí)別地面立體建筑物的方法，包括以下步驟(1),識(shí)別立體地標(biāo)形心在實(shí)時(shí)圖中的位置(UJ;(2)將立體地標(biāo)在正射投影圖中投影區(qū)域的形心作為識(shí)別點(diǎn)，計(jì)算識(shí)別點(diǎn)在實(shí)時(shí)圖中的位置(z二:r/)，J^=^，i/=};+/c/2，《為立體地標(biāo)的成像高度；(3)將立體建筑物目標(biāo)在正射投影圖中投影區(qū)域的形心作為目標(biāo)點(diǎn)，利用識(shí)別點(diǎn)在實(shí)時(shí)圖中的位置(;^，r/)、立體地標(biāo)與立體建筑物目標(biāo)在正射投影圖中的相對(duì)位置關(guān)系，計(jì)算得到目標(biāo)點(diǎn)在實(shí)時(shí)圖中的估計(jì)位置(x/,ir);(4)在實(shí)時(shí)圖內(nèi)選取局部感興趣區(qū)，局部感興趣區(qū)的形心位置為(《A)，高度/o/—=x^，寬度/<9/—x，其中，《-X/,i;=V-/2;/c和"分別為立體目標(biāo)的成像高度和寬度，(5)在局部感興趣區(qū)內(nèi)選取目標(biāo)潛在區(qū)域，目標(biāo)潛在區(qū)域的形心位置為(《,i;)，高度為/z;"，寬度為『/"，計(jì)算目標(biāo)潛在區(qū)域的局部反差，若局部反差大于等于反差閾值，進(jìn)入步驟(6)，否則確定目標(biāo)可見(jiàn)表面形心在實(shí)時(shí)圖中的位置為(《,。，結(jié)束；(6)在周部感興趣區(qū)內(nèi)對(duì)立體目標(biāo)進(jìn)行直接定位識(shí)別。在本發(fā)明中，飛行器按照預(yù)定航跡先捕獲立體地標(biāo)，待捕獲到該立體地標(biāo)后，再間接定位到包含待識(shí)別立體建筑物的局部感興趣區(qū)，最后在感興趣區(qū)域內(nèi)直接檢測(cè)識(shí)別定位建筑物目標(biāo)。在現(xiàn)有公告開(kāi)報(bào)道的文獻(xiàn)之中，未見(jiàn)跟本發(fā)明所述識(shí)別思路相同的情況。本發(fā)明與以往的方法相比其最顯著的兩個(gè)特點(diǎn)在于第一，在檢測(cè)識(shí)別定位策略上，預(yù)先檢測(cè)識(shí)別定位立體地標(biāo)，而不是直接檢測(cè)識(shí)別定位建筑物目標(biāo)，本發(fā)明所述的定位識(shí)別思想就體現(xiàn)在這里；第二，在包含待識(shí)別立體建筑物的局部感興趣區(qū)域內(nèi)識(shí)別建筑物目標(biāo)，當(dāng)處理序列圖像時(shí)，在局部感興趣內(nèi)的識(shí)別是一個(gè)時(shí)間序列上的遞推過(guò)程。跟以往的在全圖范圍內(nèi)搜索目標(biāo)的方法相比，我們不僅減少了執(zhí)行建筑物識(shí)別定位任務(wù)所需的時(shí)間開(kāi)銷，還大大降低了建筑物識(shí)別定位的虛警率。圖1為本發(fā)明的總體流程圖2為待識(shí)別立體建筑物附近2000米X2000米，分辨率為2.5米的可見(jiàn)光正射投影圖3為大地坐標(biāo)系下，待識(shí)別建筑物(目標(biāo)點(diǎn)T)與立體地標(biāo)建筑物(識(shí)別點(diǎn)R)的空間位置關(guān)系示意圖4為飛行高度1000米，視場(chǎng)角一定的情況下，待識(shí)別建筑物周邊立體地標(biāo)建筑物(三棟高樓)的特性視圖，其中4(a)距離4000米俯仰角-20。，4(b)距離5000米俯仰角-18°，4(c)距離'6000米俯仰角-16。,4(d)距離7000米俯仰角-14°，4(e)距離8000米俯仰角-12°，4(f)距離10000米俯仰角-14°;圖5為飛行高度1000米，視場(chǎng)角^伊，待識(shí)別建筑物周邊立體地標(biāo)建筑物(三棟高樓)的形態(tài)學(xué)背景抑制結(jié)構(gòu)元素示例，其中5(a)距離4000米俯仰角-20。，5(b)距離5000米俯仰角-18°，5(c)距離6000米俯仰角-16°，5(d)距離7000米俯仰角-14°，5(e)距離8000米俯仰角-12°，5(f)距離10000米俯仰角-14°;圖6為基于形態(tài)學(xué)的立體建筑物檢測(cè)識(shí)別定位方法流程圖；圖7為透視變換示意圖，其中"為方位角，^為俯仰角，0為成像儀縱向視場(chǎng)角，^為成像儀橫向視場(chǎng)角，P為視點(diǎn)位置，A為視點(diǎn)高度；圖8為地面立體建筑物參考坐標(biāo)系示意圖9為前視實(shí)時(shí)圖成像中待識(shí)別建筑物(目標(biāo)點(diǎn)T)與立體建筑物地標(biāo)(識(shí)別點(diǎn)R)的位置關(guān)系示意圖10為飛行高度1000米，視場(chǎng)角^p，進(jìn)入角"待識(shí)別建筑物實(shí)時(shí)光學(xué)圖像序列中某一幀圖像，采用間接識(shí)別定位方法的處理結(jié)果實(shí)例，其中IO(a)為原圖，10(b)為形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)元素，10(c)為形態(tài)學(xué)濾波后的結(jié)果圖，10(d)為10(c)反色結(jié)果圖，10(e)為10(d)反饋分割結(jié)果圖，10(f)為原圖局部感興趣區(qū)，10(g)為10(f)豎直方向線條提取結(jié)果圖，10(h)為立體地標(biāo)識(shí)別結(jié)果圖11為飛行高度1000米，視場(chǎng)角一定的情況下，待識(shí)別建筑物的特性視圖，其中11(a)距離4000米俯仰角-14°，11(b)距離5000米俯仰角-11°，11(c)距離6000米俯仰角-9°，11(d)距離7000米俯仰角-8。，11(e)距離8000米俯仰角-7°，11(f)距離9000米俯仰角-6°;圖12為飛行高度1000米，視場(chǎng)角—p，待識(shí)別建筑物的形態(tài)學(xué)背景抑制結(jié)構(gòu)元素示例，其中12(a)距離4000米俯仰角-14°，12(b)距離5000米俯仰角-11°，12(c)距離6000米俯仰角-9°，12(d)距離7000米俯仰角-8°，12(e)距離8000米俯仰角-7。，12(f)距離9000米俯仰角-6°;圖13為飛行高度1000米，視場(chǎng)角—p，進(jìn)入角z，待識(shí)別建筑物實(shí)時(shí)光學(xué)圖像序列中某一幀圖像，在包含待識(shí)別建筑物的局部感興趣區(qū)內(nèi)進(jìn)行直接檢測(cè)識(shí)別結(jié)果實(shí)例，其中13(a)為包含待識(shí)別建筑物的局部感興趣區(qū)子圖，13(b)為形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)元素，13(c)為形態(tài)學(xué)濾波后的結(jié)果圖，13(d)為13(c)反饋分割結(jié)果圖，13(e)為13(a)線條提取結(jié)果圖，13(f)為直接檢測(cè)識(shí)別結(jié)果圖。具體實(shí)施例方式在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，采用迂回方式進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別定位更加符合生物視覺(jué)導(dǎo)航機(jī)理。即，在飛行器按預(yù)定航跡飛行過(guò)程中，待識(shí)別目標(biāo)相對(duì)其所在自然場(chǎng)景而言成像特性不顯著，此時(shí)我們可以利用所在場(chǎng)景中具有某種顯著性特征的單個(gè)或多個(gè)地面立體建筑物作為立體地標(biāo)識(shí)別點(diǎn)，通過(guò)對(duì)識(shí)別點(diǎn)的定位，逐步修正目標(biāo)導(dǎo)航定位的位置誤差，最終實(shí)現(xiàn)待識(shí)別目標(biāo)的精確導(dǎo)航定位。立體建筑物地標(biāo)在城市地區(qū)中居多，如城區(qū)中的高塔、孤立高大建筑物、外形特征顯著的建筑物等。如何利用這些典型立體建筑物地標(biāo)進(jìn)行城區(qū)樓群背景中各立體建筑物的檢測(cè)識(shí)別定位，構(gòu)成本發(fā)明的核心內(nèi)容。定位前，首先需要做地面準(zhǔn)備工作如圖1所示，地面準(zhǔn)備工作包括按預(yù)定航跡選取特征顯著的立體地標(biāo)建筑物、建立建筑物基準(zhǔn)特征庫(kù)以及制備形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)元素。(01)選取立體建筑物作為立體地標(biāo)依據(jù)預(yù)定航跡，在待識(shí)別建筑物周邊選擇若干個(gè)可見(jiàn)且特征顯著的立體建筑物作為立體地標(biāo)；(01.1)立體地標(biāo)選取原則立體地標(biāo)的選取原則為>在預(yù)定的導(dǎo)航定位點(diǎn)處，立體地標(biāo)建筑物未被周邊1Km范圍內(nèi)的其他建筑物所遮擋；>立體地標(biāo)的幾何外形在整個(gè)建筑物場(chǎng)景中具有唯一。為了保證立體地標(biāo)幾何唯一性，若選擇的單個(gè)地面立體建筑物具有幾何唯一性則可選取它作為立體地標(biāo)；若選擇的單個(gè)地面立體筑物的幾何外形在整個(gè)建筑物場(chǎng)景中的相似模式很多，即不具備幾何唯一性，那么可以選取多個(gè)地面立體建筑物組合作為立體地標(biāo)，建筑物之間的空間位置關(guān)系保證了立體地標(biāo)的幾何唯一性。根據(jù)上述原則選取的立體地標(biāo)為特征顯著的立體建筑物地標(biāo)。(01.2)選取立體地標(biāo)在此我們可以選取待識(shí)別建筑物附近特征顯著的三棟高樓組合作為立體建筑物地標(biāo)。(02)建立建筑物基準(zhǔn)特征庫(kù)(02.1)計(jì)算待識(shí)別建筑物即立體目標(biāo)和各個(gè)立體地標(biāo)在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的幾何特征量，高度特征量和寬度特征量；待識(shí)別建筑物高度//"100，寬度『/=82;待識(shí)別建筑物背面三棟高樓依次記為祝",高度//，,90，寬度《=40;/=1，2，3;(02.2)待識(shí)別建筑物附近2000mX2000m的可見(jiàn)光正射投影圖如圖2所示，獲取待識(shí)別目標(biāo)建筑物在正射投影圖中位置r(;c，力、高樓說(shuō)《在正射投影圖中位置P(;c，力，計(jì)算這兩者之間的相對(duì)位置關(guān)系7P(血,辦)(見(jiàn)圖3);待識(shí)別目標(biāo)建筑物r(401，396);高樓別^:戶(522，285);相對(duì)位置關(guān)系r尸(-121，111);(03)制備形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)元素利用三維建模軟件MultiGenCreator構(gòu)建待識(shí)別建筑物和其背面三棟高樓的地面建筑物三維模型，獲取不同視點(diǎn)、不同高度、不同距離下的特征視圖，如圖4、圖11所示；利用所得特征視圖制備二值形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)元素，即將結(jié)構(gòu)元素中位于三棟高樓的區(qū)域灰度值置為255，其余背景灰度值置為0，如圖5、圖12所示，為了保證所選建筑物在經(jīng)過(guò)形態(tài)學(xué)背景抑制后不被抑制掉，實(shí)際使用的形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)元素比生成的結(jié)構(gòu)元素要小，需要乘以縮放因子后才能為形態(tài)學(xué)處理使用。令地面準(zhǔn)備所生成的形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)元素高度和寬度分別用M。^T^和M。^^表示，進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理時(shí)實(shí)際使用的形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)元素高度和寬度分別用Mo^Z^和Mw:pK表示，高度方向縮放因子為^(02^21)，寬度方向縮放因子為^(0"^1)，那么M^/^-^xM^Z/g，M"『尸、xMo^『g，可U.9，^=0.9。至此，地面準(zhǔn)備工作完成。在復(fù)雜樓群背景中，飛行器前視三維地面建筑物識(shí)別定位具體實(shí)施流程如圖1所示，下面以飛行器在飛行高度Z/為1000m，視場(chǎng)角^xp，成像大小/CWxCd，進(jìn)入角y，a為方位角，^為俯仰角下，以待識(shí)別建筑物為例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)步驟其中，CO丄為成像實(shí)時(shí)圖的寬度，iCW為成像實(shí)時(shí)圖的高度，-為成像儀視場(chǎng)縱向角度、^為成像儀視場(chǎng)橫向角度。地面準(zhǔn)備完成后，按照如下方式進(jìn)行立體目標(biāo)的檢測(cè)識(shí)別與定位(1)識(shí)別立體地標(biāo)可見(jiàn)表面形心《在實(shí)時(shí)圖中的位置(A,"立體地標(biāo)檢測(cè)識(shí)別與定位具體實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示(流程圖中立體建筑物為所選立體地標(biāo))，詳細(xì)敘述如下(1.1)獲取立體地標(biāo)建筑物在實(shí)時(shí)圖(成像器二維成像平面圖)上的幾何特征，可見(jiàn)表面形心示意圖參考圖8，二維成像平面示意圖參考圖9。根據(jù)真實(shí)場(chǎng)景中三棟高樓的實(shí)際高度//=和寬度<以及慣導(dǎo)參數(shù)(飛行高度//，視場(chǎng)角—p，進(jìn)入角y，"為方位角，^為俯仰角)計(jì)算地面立體建筑物在成像器二維成像平面上幾何特征，包括高度特征量/C，寬度特征量^C，周長(zhǎng)特征量c;,，面積特征量&,和形狀因子F;飽4an(0x3.1415926/18O)xi/=2xatan((/^'/2.0/Z)/W)x180/3.1415926)x/0《=2xatan((『*/2.0/飽)x180/3.1415926)xCO丄/pC=2x/C《，尸=~^，；r為圓周率，/=1，2，3;經(jīng)計(jì)算可得待識(shí)別三棟高樓中每一棟樓的成像大小相近，成像高度//;:=40，『,;"=15，！'二i，2，3。(1.2)形態(tài)學(xué)背景抑制(1.2.1)形態(tài)學(xué)增強(qiáng)，利用高寬比為1X7的結(jié)構(gòu)元素對(duì)原圖進(jìn)行形態(tài)學(xué)灰度閉運(yùn)算，減少待識(shí)別建筑物內(nèi)部紋理信息，增強(qiáng)圖像對(duì)比度。(1.2.2)形態(tài)學(xué)背景抑制，選用(03)中已經(jīng)制備好的立體地標(biāo)建筑物的形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)元素對(duì)形態(tài)學(xué)增強(qiáng)后的圖進(jìn)行形態(tài)學(xué)灰度開(kāi)運(yùn)算。在飛行高度1000m、進(jìn)入角度y、成像距離10km的情況下，地面己制備好的形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)元素如圖5(f)所示，為高45像素X寬110像素的雙色矩形區(qū)域,其中白色區(qū)域表示目標(biāo)，黑色區(qū)域表示背景。將此結(jié)構(gòu)元素乘以縮放比例因子^和^，^=^=0.9，得到形態(tài)學(xué)背景抑制所需結(jié)構(gòu)元素，見(jiàn)圖IO(b)所示，為高40像素X寬99像素的雙色矩形區(qū)域，其中白色區(qū)域表示目標(biāo)，黑色區(qū)域表示背景。用此結(jié)構(gòu)元素對(duì)圖10(a)進(jìn)行形態(tài)學(xué)灰度開(kāi)運(yùn)算，濾除與三棟高樓形狀和尺度明顯不同的建筑物或背景，使得圖像灰度級(jí)別減少，處理結(jié)果如圖10(C)所示，處理結(jié)果反色后如圖10(d)所示；(1.3)遞推分割，對(duì)圖10(d)中形態(tài)學(xué)背景抑制后的圖進(jìn)行灰度級(jí)統(tǒng)計(jì)，將其灰度級(jí)從高到低依次作為分割門限，進(jìn)行灰度級(jí)遞推分割，轉(zhuǎn)換為二值圖像，為了保證目標(biāo)區(qū)域能夠分割出來(lái)，設(shè)置遞推分割次數(shù)為5次。圖10(d)第1次分割結(jié)果如圖10(e);(1.4)感興趣區(qū)特征提取標(biāo)記遞推分割過(guò)程中所生成的二值圖像中的白塊區(qū)域，計(jì)算各標(biāo)記區(qū)域的特征量，包括面積S。,、形心(y。,，4)、周長(zhǎng)C。,、高度/C、寬度^;和形狀因子^，/=1，2，3，。(1.4.1)在飛行高度1000m、進(jìn)入角度r、成像距離10km的情況下，形態(tài)學(xué)背景抑制結(jié)果反色如圖10(d)所示。第一次分割結(jié)果中有三個(gè)感興趣區(qū)域，高度仏";二30，/^2二30，//。；二30,寬度『。？=15，『。？=13，『?！蕉?3，周長(zhǎng)C。，90，C。2=86，C。3=86，面積S。,438，S。2=378，S。3=378，形狀因子^=1.472，"2=1.557，F(xiàn)Q3=1.557;形心坐標(biāo)(義。,，r。,)=(124像素，144像素)，(X。2,&)=(165像素，144像素)，(X。3，r。3)=(207像素，144像素)；(1.5)感興趣區(qū)驗(yàn)證(1.5.l)線條特征檢測(cè)在原圖中截取位于感興趣區(qū)域的局部原始信息，將所截取的感興趣區(qū)局部原始圖像轉(zhuǎn)化為梯度圖；具體實(shí)現(xiàn)，可以使用一個(gè)垂直線模板和一個(gè)水平線模板分別對(duì)圖像進(jìn)行檢測(cè)，得到水平方向和垂直方向梯度其中垂直線模板為<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>(1.5.2)豎直線條驗(yàn)證，對(duì)感興趣區(qū)局部原始圖像進(jìn)行豎直線條驗(yàn)證，設(shè)置基準(zhǔn)特征庫(kù)中建筑物高度特征量/C的一半作為豎直線條長(zhǎng)度閾值，對(duì)所得的各個(gè)感興趣區(qū)域進(jìn)行豎直線條驗(yàn)證，保留通過(guò)驗(yàn)證的感興趣區(qū)域；若沒(méi)有找到符合條件的感興趣區(qū)域，那么檢測(cè)無(wú)結(jié)果輸出；圖10(f)為感興趣區(qū)局部原始圖像，圖10(g)為局部圖像豎直線條提取結(jié)果；(1.6)特征匹配將通過(guò)感興趣區(qū)域驗(yàn)證的感興趣區(qū)域的特征與建筑物基準(zhǔn)特征庫(kù)進(jìn)行匹配，提取感興趣區(qū)域的局部對(duì)比度特征和豎直線條特征，統(tǒng)計(jì)豎直線條長(zhǎng)度大于待識(shí)別建筑物成像高度Z/;:的0.8倍以上的豎直線條數(shù)，在豎直線條數(shù)大于4條的前提下，尋找局部對(duì)比度最大的感興趣區(qū)作為最終的匹配結(jié)果，最后輸出檢測(cè)結(jié)果；(1.7)識(shí)別與定位將(1.6)所得匹配感興趣區(qū)作為檢測(cè)識(shí)別結(jié)果，將所識(shí)別高樓說(shuō)《的形心作為識(shí)別定位點(diǎn)，識(shí)別定位結(jié)果如圖10(h)中所示，白色十字叉為高樓祝《可見(jiàn)表面形心《在二維成像平面上所處的位置(U):(165，144)。(2)將立體地標(biāo)在正射投影圖中投影區(qū)域的形心R作為識(shí)別點(diǎn)，計(jì)算識(shí)別點(diǎn)在實(shí)時(shí)圖中的位置(j^,;r/)，^=^=165，V=1;+《/2=144+40/2=164，//「為實(shí)時(shí)圖上立體地標(biāo)的成像高度，《=40;(3)計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)在實(shí)時(shí)圖中的估計(jì)位置(X,P,l/);(3.1)目標(biāo)點(diǎn)的選擇待識(shí)別建筑物在大地坐標(biāo)系中投影區(qū)域的形心位置r作為目標(biāo)點(diǎn)。在大地坐標(biāo)系下，識(shí)別點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)在正射投影圖中的位置偏差為r尸(血,辦)二(血,，辦,)二(—121，lll)。(3.2)計(jì)算識(shí)別點(diǎn)R(ZnO與光軸點(diǎn)(COZ/2，iCW/2)在大地坐標(biāo)系下的距離，其中COL為成像實(shí)時(shí)圖寬度，ROW為成像實(shí)時(shí)圖高度。具體實(shí)現(xiàn)為縱向偏差角度為A^07-i0『/2)//CW，橫向偏差角度為A^x(^！7-COZ72)/COi:，其中AP、A^為成像儀視場(chǎng)縱向、橫向角度，"為方位角，0為俯仰角，透視變換示意圖如圖7所示。下式計(jì)算出在大地坐標(biāo)系中識(shí)別點(diǎn)與光軸點(diǎn)距離、aj;。乂/tan(L0)A=+2xtan[Apx(X,-CO丄/2)/CO丄](1.1)AZ,=x,xcosa—乂sinor(1.2)=乂xcosa+x,xsina(1.3)(3.2)根據(jù)正射投影圖中目標(biāo)點(diǎn)T與識(shí)別點(diǎn)R偏差(^,辦計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)與光軸之間的偏差A(yù)^-AX,+血,，Ay2=Ayi+^,，根據(jù)下式計(jì)算待識(shí)別建筑物在實(shí)時(shí)二維光學(xué)圖像中目標(biāo)點(diǎn)T的位置坐標(biāo)(C^)。x2=AX2xcos"+AI^jxsin"(1.4)少2=厶72xcos"—AZ2xsina(1.5)《=(^肌(///;;2)(1.6)15<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>(1.8)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>(1-9)(3.3)根據(jù)二維成像平面上待識(shí)別建筑物成像高度/z;"，待識(shí)別建筑物目標(biāo)點(diǎn)T的位置坐標(biāo)(A7,Y)，得到局部感興趣區(qū)形心G,在實(shí)時(shí)圖中的位置坐標(biāo)(義,,")；其中X,=義,，="p-//,m/2;(4)選取局部感興趣區(qū)，局部感興趣區(qū)的形心位置為(x,，i;)，高度;o/—x^，寬度/o/—r=『,mx^，//,和『/"分別為立體目標(biāo)的成像高度和寬度，1.52^,^^5根據(jù)真實(shí)場(chǎng)景中地面立體建筑物高度/zf和寬度f(wàn)^以及慣導(dǎo)參數(shù)(飛行高度//，視場(chǎng)角—p，進(jìn)入角y，"為方位角，e為俯仰角)計(jì)算地面立體建筑物在成像器二維成像平面上幾何特征，包括成像高度特征量/z;"，寬度特征量『/"，周長(zhǎng)特征量c,，面積特征量s,和形狀<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>本實(shí)施例中，在實(shí)時(shí)圖上，由(^，i;)二(165，144)，立體地標(biāo)建筑物中間那棟高樓的成像高度/^,成像寬度『S，其中/^40，『^=15，可以得到識(shí)別點(diǎn)R在二維成像平面中的位置坐標(biāo)(^7，1T產(chǎn)(165，164)，然后結(jié)合(^,辦,)進(jìn)行解算，得到目標(biāo)點(diǎn)T在二維成像平面中的位置坐標(biāo)(Z/W^(140,138)，從而得到目標(biāo)建筑物可見(jiàn)表面形心在實(shí)時(shí)圖中的位置坐標(biāo)(義")，X,=Z,P=140，K=nm/2=138-40/2=118，即(I,，。二(140，118)，經(jīng)計(jì)算可得待識(shí)別建筑物成像高度///"=40，W"45，取^，^=2，從而可以得到包含待識(shí)別建筑物的局部感興趣區(qū)。(4)確定感興趣區(qū)選取局部感興趣區(qū)，局部感興趣區(qū)的形心位置為(^,")，高度^9/_//=/cx^，寬度/6>/_『=^"x&，//;"和^7"分別為立體目標(biāo)的成像高度和寬度，1.5"^J5。本實(shí)施例中，—//=//,mX2=80，X2=90，其中//「=40，(=45，￡/)=~=2;(5)計(jì)算目標(biāo)潛在區(qū)域的局部反差在局部感興趣區(qū)內(nèi)選取目標(biāo)潛在區(qū)域，目標(biāo)潛在區(qū)域的形心位置為高度為/z;"，寬度為『/";計(jì)算目標(biāo)潛在區(qū)域相對(duì)局部感興趣區(qū)的局部反差f，若局部反差《大于等于反差閾值4V，進(jìn)入步驟(6)，否則確定目標(biāo)點(diǎn)在實(shí)時(shí)圖中的位置為(z,，j;)，結(jié)束；局部反差閾值取值范圍為[1.2，3]。實(shí)施例中，局部反差閾值"=1.5，目標(biāo)潛在區(qū)域的形心位置為(《，}^)=(140，118)，高度為40,寬度為45,計(jì)算目標(biāo)潛在區(qū)域的局部反差《=1.7。結(jié)果表明^^"，進(jìn)入步驟(6)。局部反差《定義為待識(shí)別感興趣區(qū)內(nèi)目標(biāo)潛在區(qū)的灰度均值A(chǔ)與整個(gè)局部感興趣區(qū)灰度標(biāo)準(zhǔn)差。,的比值，即《=^;°V。，(6)在局部感興趣區(qū)內(nèi)對(duì)立體目標(biāo)進(jìn)行直接定位識(shí)別。在包含待識(shí)別建筑物的局部感興趣內(nèi)直接檢測(cè)識(shí)別定位的具體實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示(流程圖中立體建筑物為待識(shí)別地面立體建筑物)，詳細(xì)敘述如下'(6.1)形態(tài)學(xué)背景抑制(6.1.1)形態(tài)學(xué)增強(qiáng)，利用高寬比為1X7的結(jié)構(gòu)元素對(duì)原圖進(jìn)行形態(tài)學(xué)灰度閉運(yùn)算，減少待識(shí)別建筑物內(nèi)部紋理信息，增強(qiáng)圖像對(duì)比度。17(6.1.2)形態(tài)學(xué)背景抑制，選用(03)中已經(jīng)制備好的待識(shí)別建筑物的形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)元素對(duì)形態(tài)學(xué)增強(qiáng)后的圖進(jìn)行形態(tài)學(xué)灰度開(kāi)運(yùn)算。在飛行高度1000m、進(jìn)入角度y、成像距離10km的情況下，地面已制備好的形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)元素如圖12(f)所示，為高50像素X寬50像素的雙色矩形區(qū)域，其中白色區(qū)域表示目標(biāo)，黑色區(qū)域表示背景。將此結(jié)構(gòu)元素乘以縮放比例因子^和^，此時(shí)~=0.9，^=0.5，得到形態(tài)學(xué)背景抑制所需結(jié)構(gòu)元素，如圖13(b)所示，為高45像素X寬25像素的白色矩形區(qū)域，其中白色區(qū)域表示目標(biāo)。用此結(jié)構(gòu)元素對(duì)包含待識(shí)別建筑物的局部感興趣區(qū)，對(duì)圖13(a)進(jìn)行形態(tài)學(xué)灰度開(kāi)運(yùn)算，濾除與待識(shí)別立體建筑物形狀和尺度明顯不同的建筑物或背景，使得圖像灰度級(jí)別減少，處理結(jié)果如圖13(c)所示；(6.2)遞推分割，對(duì)圖13(c)中形態(tài)學(xué)背景抑制后的圖進(jìn)行灰度級(jí)統(tǒng)計(jì)，將其灰度級(jí)從高到低依次作為分割門限，進(jìn)行灰度級(jí)遞推分割，轉(zhuǎn)換為二值圖像，為了保證目標(biāo)區(qū)域能夠分割出來(lái)，設(shè)置遞推分割次數(shù)為5次。圖13(c)第1次分割結(jié)果如圖13(d);(6.3)感興趣區(qū)特征提取標(biāo)記遞推分割過(guò)程中所生成的二值圖像中的每塊區(qū)域，計(jì)算各標(biāo)記區(qū)域的特征量，包括面積S。,、形心(義。,，4)、周長(zhǎng)Q,、高度//。％寬度『。7和形狀因子尸。,，F(xiàn)l，2，3，…。在飛行高度1000m、進(jìn)入角度y、成像距離10km的情況下，形態(tài)學(xué)背景抑制結(jié)果如圖13(d)所示。第一次分割結(jié)果中只有l(wèi)個(gè)感興趣區(qū)域，高度仏"50，寬度『。^29，周長(zhǎng)C。,158，面積S。,1450，形狀因子^=1.37，形心坐標(biāo)(義。,，4)=(44像素，41像素)；(6.4)感興趣區(qū)驗(yàn)證(6.4.l)線條特征檢測(cè)將局部感興趣區(qū)內(nèi)原始局部圖像，如圖13(a)所示，轉(zhuǎn)化為梯度圖；具體實(shí)現(xiàn)，可以使用一個(gè)垂直線模板和一個(gè)水平線模板分別對(duì)圖像進(jìn)行檢測(cè)，得到水平方向和垂直方向梯度圖；其中垂直線模板為_(kāi)12_1_12_1-12-1_12_1_12_1其中水平線模板為:-l-l_1_1-l22222-l-1-l_1_1(6.4.2)線條驗(yàn)證，首先對(duì)感興趣區(qū)局部原始圖像進(jìn)行豎直線條驗(yàn)證，設(shè)置基準(zhǔn)特征庫(kù)中建筑物高度特征量/C的一半作為豎直線條長(zhǎng)度閾值，對(duì)所得的各個(gè)感興趣區(qū)域進(jìn)行豎直線條驗(yàn)證，保留通過(guò)驗(yàn)證的感興趣區(qū)域；再對(duì)感興趣區(qū)局部原始圖像進(jìn)行水平線條驗(yàn)證，設(shè)置基準(zhǔn)特征庫(kù)中建筑物寬度特征量^r的一半作為水平線條長(zhǎng)度閾值，對(duì)所得的各個(gè)感興趣區(qū)域進(jìn)行水平線條驗(yàn)證，保留通過(guò)驗(yàn)證的感興趣區(qū)域；若經(jīng)過(guò)線條驗(yàn)證沒(méi)有找到符合條件的感興趣區(qū)域，那么檢測(cè)無(wú)結(jié)果輸出；圖13(e)為局部圖像豎直線條提取結(jié)果；(6.5)特征匹配將通過(guò)感興趣區(qū)域驗(yàn)證的感興趣區(qū)域的特征與建筑物基準(zhǔn)特征庫(kù)進(jìn)行匹配，提取感興趣區(qū)域的局部對(duì)比度特征和豎直線條特征，統(tǒng)計(jì)豎直線條長(zhǎng)度大于待識(shí)別建筑物成像高度/C的0.8倍以上的豎直線條數(shù)，以及水平線條長(zhǎng)度大于待識(shí)別建筑物成像寬度『/"的0.8倍19以上的水平線條數(shù)，若存在符合要求的線條，則尋找局部對(duì)比度最大的感興趣區(qū)作為最終的匹配結(jié)果，最后輸出檢測(cè)結(jié)果；若不存在符合要求的線條，則最后無(wú)檢測(cè)結(jié)果輸出。(6.6)識(shí)別與定位步驟(6.5)所得匹配感興趣區(qū)的形心位置就是對(duì)目標(biāo)的直接識(shí)別結(jié)果，即立體目標(biāo)的可見(jiàn)表面形心在實(shí)時(shí)圖中的位置為匹配感興趣區(qū)的形心位置。識(shí)別定位結(jié)果如圖13(f)中所示，其中白色矩形框?yàn)榇R(shí)別建筑物在二維成像平面上的位置。權(quán)利要求1、一種利用立體地標(biāo)定位識(shí)別地面立體建筑物的方法，包括以下步驟(1)識(shí)別立體地標(biāo)形心在實(shí)時(shí)圖中的位置(Xr，Yr)；(2)將立體地標(biāo)在正射投影圖中投影區(qū)域的形心作為識(shí)別點(diǎn)，計(jì)算識(shí)別點(diǎn)在實(shí)時(shí)圖中的位置(Xrp，Yrp)，<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><msubsup><mi>X</mi><mi>r</mi><mi>p</mi></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>X</mi><mi>r</mi></msub><mo>,</mo></mrow>]]></math>id="icf0001"file="A2009100636240002C1.tif"wi="17"he="4"top="72"left="110"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths><mathsid="math0002"num="0002"><math><![CDATA[<mrow><msubsup><mi>Y</mi><mi>r</mi><mi>p</mi></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>Y</mi><mi>r</mi></msub><mo>+</mo><msubsup><mi>H</mi><mi>r</mi><mi>m</mi></msubsup><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>,</mo></mrow>]]></math>id="icf0002"file="A2009100636240002C2.tif"wi="29"he="4"top="72"left="130"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>Hrm為立體地標(biāo)的成像高度；(3)將立體建筑物目標(biāo)在正射投影圖中投影區(qū)域的形心作為目標(biāo)點(diǎn)，利用識(shí)別點(diǎn)在實(shí)時(shí)圖中的位置(Xrp，Yrp)、立體地標(biāo)與立體建筑物目標(biāo)在正射投影圖中的相對(duì)位置關(guān)系TP(dx，dy)，計(jì)算得到目標(biāo)點(diǎn)在實(shí)時(shí)圖中的估計(jì)位置(Xtp，Ytp)；(4)在實(shí)時(shí)圖內(nèi)選取局部感興趣區(qū)，局部感興趣區(qū)的形心位置為(Xt，Yt)，高度<mathsid="math0003"num="0003"><math><![CDATA[<mrow><mi>ROI</mi><mo>_</mo><mi>H</mi><mo>=</mo><msubsup><mi>H</mi><mi>t</mi><mi>m</mi></msubsup><mo>×</mo><msub><mi>ϵ</mi><mi>h</mi></msub><mo>,</mo></mrow>]]></math>id="icf0003"file="A2009100636240002C3.tif"wi="38"he="4"top="137"left="60"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>寬度<mathsid="math0004"num="0004"><math><![CDATA[<mrow><mi>ROI</mi><mo>_</mo><mi>W</mi><mo>=</mo><msubsup><mi>W</mi><mi>t</mi><mi>m</mi></msubsup><mo>×</mo><msub><mi>ϵ</mi><mi>w</mi></msub><mo>,</mo></mrow>]]></math>id="icf0004"file="A2009100636240002C4.tif"wi="39"he="4"top="137"left="114"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>其中，<mathsid="math0005"num="0005"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>X</mi><mi>t</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>X</mi><mi>t</mi><mi>p</mi></msubsup><mo>,</mo></mrow>]]></math>id="icf0005"file="A2009100636240002C5.tif"wi="16"he="4"top="148"left="25"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths><mathsid="math0006"num="0006"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>Y</mi><mi>t</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>Y</mi><mi>t</mi><mi>p</mi></msubsup><mo>-</mo><msubsup><mi>H</mi><mi>t</mi><mi>m</mi></msubsup><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>;</mo></mrow>]]></math>id="icf0006"file="A2009100636240002C6.tif"wi="29"he="4"top="148"left="42"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>Htm和Wtm分別為立體目標(biāo)的成像高度和寬度，1.5≤εh，εw≤5；(5)在局部感興趣區(qū)內(nèi)選取目標(biāo)潛在區(qū)域，目標(biāo)潛在區(qū)域的形心位置為(Xt，Yt)，高度為Htm，寬度為Wtm，計(jì)算目標(biāo)潛在區(qū)域的局部反差，若局部反差大于等于反差閾值，進(jìn)入步驟(6)，否則確定目標(biāo)可見(jiàn)表面形心在實(shí)時(shí)圖中的位置為(Xt，Yt)，結(jié)束；(6)在局部感興趣區(qū)內(nèi)對(duì)立體目標(biāo)進(jìn)行直接定位識(shí)別。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用立體地標(biāo)定位識(shí)別地面立體建筑物的方法，其特征在于，所述立體地標(biāo)由一個(gè)以上的立體建筑物組合而成。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用立體地標(biāo)定位識(shí)別地面立體建筑物的方法，其特征在于，所述反差閾值取值范圍為[1.2，3]。全文摘要一種利用立體地標(biāo)進(jìn)行定位識(shí)別地面立體建筑物的方法，具體為首先對(duì)立體建筑物地標(biāo)檢測(cè)識(shí)別定位，再結(jié)合飛行器的當(dāng)前成像姿態(tài)參數(shù)、地標(biāo)與待識(shí)別建筑物在正射投影圖中的空間位置約束關(guān)系，利用透視變換解算待識(shí)別建筑物在當(dāng)前幀圖像中的潛在位置，以其為中心選取局部感興趣區(qū)，獲取局部感興趣區(qū)內(nèi)目標(biāo)潛在區(qū)域的局部反差，在局部反差足夠大時(shí)，說(shuō)明目標(biāo)相對(duì)背景突出，則在局部感興趣區(qū)域內(nèi)進(jìn)行待識(shí)別建筑物的直接檢測(cè)識(shí)別，否則該潛在位置即為最終定位結(jié)果。本發(fā)明有效解決了在待識(shí)別建筑物成像特征不顯著情況下的識(shí)別定位問(wèn)題，顯著提高了識(shí)別精度，可靠性好，適用于飛行器前視導(dǎo)航定位城區(qū)復(fù)雜樓群背景中的中等高度地面立體建筑物。文檔編號(hào)G06K9/00GK101620672SQ20091006362公開(kāi)日2010年1月6日申請(qǐng)日期2009年8月14日優(yōu)先權(quán)日2009年8月14日發(fā)明者萬(wàn)美君,孫思遠(yuǎn),張?zhí)煨?敖國(guó)慶,成李,楊效余,麟毛,汪小平,曼王,王登位,鄭璐璐申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)