[发明专利]一种基于四维实数矩阵的三维图像匹配导航方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种精确图像匹配导航技术，尤其是一种基于四维实数矩阵的精确三维图像匹配导航方法。

背景技术

图像匹配最早是美国在上世纪70年代从事飞行器辅助导航系统、武器投射系统的末制导等应用研究中提出的。经过几十年的发展，图像匹配技术已经成为现代信息处理领域中一项极为重要的技术，在自动导航、计算机视觉、图像三维重构、遥感图像处理等领域有着广泛而实际的应用。

传统的基于图像匹配的辅助导航方法是通过传感器实时获取平面二维图像与飞行器存储的图像数据库进行匹配，在图像匹配成功基础上，得出飞行器的位置信息，推算出飞行器相对航向角、高度变化等信息。

由于用于图像匹配的实测图和数字地图直接有着不同程度的旋转和尺度变化，而且这两种图像之间的匹配为非相似性匹配，因此匹配算法的精确性成为提高导航效能的关键；同时，飞行器是一种刚体，在空间具有6个自由度，分别用三个自由度表示平移和旋转，当飞行器同时存在6个自由度的变化时，一般的图像匹配方法是针对二维图像的，难以同时克服这些自由度造成的影响。而且大多数图像匹配算法得出的精度是象素级的，这对于粗匹配来说是可以的，但对于要求日益增高的精确导航系统来说，图像匹配的精度太低，对惯导的辅助作用也很小。另一方面，也难以仅仅通过二维图像来精确确定图像之间的平移、旋转等参数变化。因此，传统的基于图像匹配辅助导航方法将无法精确确定飞行器的位置与姿态变化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于四维实数矩阵的图像匹配导航方法，采用四维实数矩阵方法建立立体三维图像之间的变换关系，对实测三维图像和参考三维图像之间的一一对应点对利用最小二乘算法计算得到飞行器的三个姿态角和平移量，从而精确确定飞行器的位置与姿态变化。

本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种基于四维实数矩阵的三维图像匹配导航方法，该方法首先通过飞行器实时采集三维实测图，并与预先存储的三维参考图进行图像匹配，获取实测图与参考图之间的所有一一对应点对；在每次采集图像时，将飞行器的理想位置定义为初始位置，将飞行器的当前位置定义为目标位置；还包括如下过程：

飞行器的初始位置用r₁表示，目标位置用r₁′表示，飞行器由初始位置到目标位置的向量方程表示为：

r₁′=Rr₁+t  (1)

其中R表示正交实数旋转矩阵，t表示初始位置到目标位置的位移，r₁=(x,y,z)^T，r₁′=(x′,y′,z′)^T，令R=a11a12a13a21a22a23a31a32a33,]]>t=(t₁,t₂,t₃)^T

飞行器的初始位置r₁在四维空间内表示为r₂，目标位置r₁′在四维空间内表示为r₂′，则飞行器由初始位置到目标位置的向量方程在四维空间内表示为：