[发明专利]基于轮廓点集的行星表面导航路标匹配方法

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1.基于轮廓点集的行星表面导航路标匹配方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：探测器利用携带的光学相机对目标区域定向拍摄，星载计算机读取光学相机拍摄到的目标天体表面地形图像A之后，对图像A进行导航路标边缘的检测；同样地，针对数据库中的地图B，进行导航路标边缘的检测；

步骤二：分别对导航路标检测边缘进行拟合，通过导航路标拟合轮廓离散化，获得轮廓点集坐标；

对图A中检测到的m个导航路标中的第i(i＝1,2,3,…,m)个导航路标检测边缘进行拟合，并对拟合轮廓进行离散化，计算并存储第i个导航路标拟合轮廓的离散点集坐标为

同样地，数据库地图B中检测到的n个导航路标中的第j(j＝1,2,3,…,n)个导航路标边缘点集坐标为

步骤三：计算步骤二所得的离散点集P_i^A,的相似度距离F；

相似度距离用于判断两组点集数据的相似性，计算图像A和地图B中不同的两个导航路标轮廓点集之间的相似度距离，作为匹配方法中导航路标形状相似性的判断依据；对于检测图像A中第i个导航路标轮廓点集P_i和数据库地图B中第j个导航路标轮廓点集Q_j，相似度距离表示为

若检测图像A中共提取到m个导航路标，数据库地图B中储存了n个导航路标，将图像A中所有导航路标和数据库地图B中所有导航路标的相似度距离存储在一个m×n的点集相似度矩阵F中

步骤三实现方法为：

在完成两幅图像导航路标的边缘检测以及轮廓离散点集的获取后，对两组轮廓点集采取Fréchet距离描述路径相似性；Fréchet距离是在度量空间中任意两个集合之间定义的一种距离，着重考虑路径的空间距离，能够有效描述两组点集之间的相似程度；对于检测图像A中第i个导航路标轮廓点集P_i和数据库地图B中第j个导航路标轮廓点集Q_j，Fréchet距离定义为：

其中inf(·)表示数据的下界，max(·)表示数据中的最大值，为检测图像中第i个导航路标轮廓点集P_i和数据库地图中第j个导航路标轮廓点集的欧氏距离，和分别为图A中第i个导航路标轮廓点集坐标和图B中第j个导航路标的轮廓点集坐标；

步骤四：选取点集相似度矩阵F中数值最小的三对导航路标作为有效匹配路标，并计算单应性变换矩阵T；

令点集相似度矩阵F中最小的3个值所对应的行列序号为(i₁,j₁)，(i₂,j₂)和(i₃,j₃)，则有效匹配的三对路标所对应的图A和图B的导航路标中心像素坐标分别为和由这三对坐标计算仿射变换的单应性变换矩阵为T：

其中和分别为点集相似度矩阵F中最小值所对应的图A中第i₁个导航路标的中心像素坐标和图B中第j₁个导航路标的中心像素坐标，同样地，和分别为点集相似度矩阵F中次小值和第三小值所对应的图A中第i₂和i₃个导航路标的中心像素坐标，和分别为点集相似度矩阵F中次小值和第三小值所对应的图B中第j₂和j₃个导航路标的中心像素坐标；

步骤五：由步骤四得到的单应性变换矩阵求取待匹配图像导航路标中心坐标的仿射变换坐标，利用图B的导航路标中心像素坐标计算距离偏差D，构造匹配距离矩阵H并搜索匹配距离最小的导航路标作为匹配路标；

通过步骤四的单应性变换矩阵T，对图像A所有导航路标中心的像素坐标C^A进行单应性变换，令图像A变换后的路标中心为C^A'：

地图B的导航路标中心为C^B:

其中为图A中第i个导航路标中心的像素坐标，为经过单应性变换后的像素坐标，为图B中第j个导航路标中心的像素坐标；

由于误差的存在，图像A所有变换后的路标中心C^A'与地图B中对应的导航路标中心不会完全重合，因此计算变换路标中心与地图B中导航路标中心的距离偏差为D:

为图像A单应性变换后第i个导航路标中心坐标和数据库地图B中第j个导航路标中心坐标之间的欧氏距离；

通过相似度距离矩阵F和偏差距离D中相应元素点积的形式计算匹配距离，并将其存储于m×n的匹配距离矩阵H中：

将匹配问题数学化，构造匹配矩阵W如下：

匹配矩阵W中的元素w_ij为决策变量，其取值为0和1，w_ij＝0表示图A中的第i个导航路标和图B中的第j个导航路标不匹配，而w_ij＝1则表示图A中的第i个导航路标和图B中的第j个导航路标互相匹配

由于检测到的导航路标数量少于数据库中路标的数量，因此匹配问题设定为由图像A到地图B的单向搜索，则图像A和地图B不同导航路标的匹配搜索问题如下：

w_ij＝{0,1} (11)

通过计算不同导航路标轮廓点集相似度和中心坐标偏差的匹配距离，搜索w_ij使性能指标J最小化，从而确定匹配矩阵W，W矩阵中w_ij＝1的元素所在第i行和第j列的位置，表示待匹配图像A中的第i(i＝1,2,3,…,m)个导航路标和地图B中第j(j＝1,2,3,…,n)个导航路标互相匹配；

还包括步骤六：基于步骤五匹配的导航路标确定深空探测器的位置姿态，从而提高深空探测器位置姿态的导航精度。