視頻衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)圖像補(bǔ)償方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種視頻衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)圖像補(bǔ)償方法，其根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)信息，得到當(dāng)前幀時(shí)刻相對(duì)于上一幀時(shí)刻的姿態(tài)歐拉角，或者相對(duì)于過(guò)去某一時(shí)刻的姿態(tài)歐拉角，從而對(duì)之前已獲得的圖像或目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡補(bǔ)償姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。該方法算法簡(jiǎn)單，給出了工程實(shí)踐中常見的簡(jiǎn)化情況，運(yùn)算量小。該方法可將已得到的圖像或軌跡變換到當(dāng)前的圖像坐標(biāo)系下，便于進(jìn)行圖像觀察與分析。
【專利說(shuō)明】
視頻衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)圖像補(bǔ)償方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及航天航空領(lǐng)域的圖像補(bǔ)償方法，特指一種為 視頻衛(wèi)星拍攝的視頻圖像補(bǔ)償姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 視頻衛(wèi)星是一種采用視頻成像、視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、人在回路交互式操作工作方 式的新型天基信息獲取類微小衛(wèi)星。與傳統(tǒng)衛(wèi)星相比，視頻衛(wèi)星可提供實(shí)時(shí)視頻圖像，與靜 止單幅圖像相比增加了時(shí)域信息，可獲取目標(biāo)的動(dòng)態(tài)過(guò)程信息，能夠探測(cè)到動(dòng)態(tài)事件的發(fā) 生，并可以基于視頻圖像中的序列圖像進(jìn)行圖像重構(gòu)獲得更高分辨率的圖像，為抗災(zāi)救災(zāi)、 戰(zhàn)時(shí)監(jiān)控、計(jì)劃決策提供第一手資料。
[0003] 基于人在回路交互式操作工作方式，調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)，視頻衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)目標(biāo) 的連續(xù)跟蹤監(jiān)視。但是隨著衛(wèi)星姿態(tài)的變化，圖像也會(huì)發(fā)生變化，這時(shí)已獲得的圖像或目標(biāo) 運(yùn)動(dòng)軌跡就相對(duì)于當(dāng)前圖像發(fā)生了平移或者旋轉(zhuǎn)，有必要將其統(tǒng)一到當(dāng)前的圖像坐標(biāo)系 中，以利于進(jìn)一步的分析。對(duì)此問(wèn)題目前還未見相關(guān)文獻(xiàn)涉及。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)視頻衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)對(duì)圖像的影響，本發(fā)明提出了一種視頻衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)圖像 補(bǔ)償方法。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0006] 根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)信息，得到當(dāng)前幀時(shí)刻相對(duì)于上一幀時(shí)刻的姿態(tài)歐拉角，或者 相對(duì)于過(guò)去某一時(shí)刻的姿態(tài)歐拉角，從而對(duì)之前已獲得的圖像或目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡補(bǔ)償姿態(tài)運(yùn) 動(dòng)。
[0007] 具體地，本發(fā)明一種視頻衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)圖像補(bǔ)償方法，包括以下步驟：
[0008] 步驟一：由星載傳感器得到衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的角速度ω =( ωχ, ωγ, ωζ)τ，3-2_1歐 拉角(Φ，θ，）。
[0009] 步驟二：分為兩種情況，一種是計(jì)算當(dāng)前幀時(shí)刻衛(wèi)星相對(duì)于上一幀時(shí)刻的姿態(tài)歐 拉角；另一種是計(jì)算當(dāng)前幀時(shí)刻衛(wèi)星相對(duì)于過(guò)去某一時(shí)刻的姿態(tài)歐拉角。
[0010] 情況一:計(jì)算當(dāng)前幀時(shí)刻衛(wèi)星相對(duì)于上一幀時(shí)刻的姿態(tài)歐拉角
[0011] 設(shè)每幀的時(shí)間間隔為At，因At很小，可以認(rèn)為At角速度恒定，則當(dāng)前幀時(shí)刻衛(wèi) 星相對(duì)于上一幀時(shí)刻的姿態(tài)歐拉角可以由ω △ t確定，令
[0012] (1) 其中在物理意義上，e表示旋轉(zhuǎn)軸，沒表示旋轉(zhuǎn)的角度;在數(shù)學(xué)意義上，式（1)左邊得到 一個(gè)三維矢量，將其單位化得到單位矢量e，這個(gè)矢量的模長(zhǎng)就是從，ei，e2，e3表示e的三個(gè)分 量：
[0013] e = (ei，e2，e3)T，| | e | | =1 (2)
[0014] 當(dāng)前幀時(shí)刻衛(wèi)星相對(duì)于上一幀時(shí)刻的姿態(tài)矩陣為
[0016] 其中
[0017] c = cos t9, = sin 9- (4)
[0018] A是個(gè)3乘3矩陣，它的分量是a^，i表示這個(gè)分量所在的行，j表示這個(gè)分量所在的 列；
[0019] 進(jìn)而可得當(dāng)前幀時(shí)刻相對(duì)于上一幀時(shí)刻的3-2-1姿態(tài)歐拉角（Δφ，Δ Θ，Α滬）
[0021] 一般的，跟蹤成像姿態(tài)調(diào)整時(shí)都是衛(wèi)星繞衛(wèi)星體坐標(biāo)系的X軸或y軸旋轉(zhuǎn)，衛(wèi)星的 角速度ω是三維矢量，它的三個(gè)分量分別是ωχ，ωγ，ωζ，這時(shí) [0022]繞χ軸旋轉(zhuǎn)
[0027]情況二:計(jì)算當(dāng)前幀時(shí)刻衛(wèi)星相對(duì)于過(guò)去某一時(shí)刻的姿態(tài)歐拉角
[0028] 過(guò)去某一時(shí)刻的衛(wèi)星姿態(tài)歐拉角為(Φο，θ〇,熱)，當(dāng)前幀時(shí)刻衛(wèi)星相對(duì)于該時(shí)刻的 姿態(tài)矩陣為
[0029] Λ = (-〇0)Rx (-%) = (8)
[0030] 其中&⑷、RY(9)、RZW它們分別表示繞X軸，Υ軸，Ζ軸旋轉(zhuǎn)識(shí)，θ，φ得到的旋轉(zhuǎn)矩陣；
[0033]從而由式(5)即可得當(dāng)前幀時(shí)刻衛(wèi)星相對(duì)于過(guò)去某時(shí)刻的3-2-1姿態(tài)歐拉角（Δφ， Λ θ，Δρ)
[0034]步驟三:對(duì)已獲得的圖像或軌跡補(bǔ)償姿態(tài)運(yùn)動(dòng)
[0035] 定義像素坐標(biāo)系I-xy，它以視頻圖像左上角為坐標(biāo)系原點(diǎn)，以像素為坐標(biāo)單位，x， y分別表示該像素點(diǎn)在視頻圖像中的列數(shù)與行數(shù)。定義圖像坐標(biāo)系〇-XPYP，它以光軸與像平 面的交點(diǎn)為原點(diǎn)，〇Χ Ρ，〇ΥΡ分別與像素坐標(biāo)系的X軸與y軸平行。補(bǔ)償姿態(tài)運(yùn)動(dòng)就是將過(guò)去時(shí) 刻的圖像或軌跡變換到當(dāng)前的像素坐標(biāo)系下。
[0036] 某點(diǎn)在像素坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(m，n)，在圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo)為(xP，yP)，則
[0038]其中d為像元尺寸，(mo，no)為視頻圖像中心的坐標(biāo)。
[0039]設(shè)相機(jī)光軸與衛(wèi)星體坐標(biāo)系Z軸重合，圖像坐標(biāo)系的X軸與Y軸和衛(wèi)星體坐標(biāo)系的X 軸與Y軸平行。若已獲得的圖像或軌跡在圖像坐標(biāo)系和像素坐標(biāo)系的坐標(biāo)分別為(Xp，yP) T， (1111，111)1'，補(bǔ)償后的坐標(biāo)為(1，7)1'與(1112，112) 1'，則
[0044]式(11)代入式(10)可得補(bǔ)償后的像素坐標(biāo)系坐標(biāo)(m2，n2 )τ。
[0050] 由此對(duì)圖像補(bǔ)償了姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。
[0051] 本發(fā)明的有益效果是：
[0052] 1)該方法算法簡(jiǎn)單，給出了工程實(shí)踐中常見的簡(jiǎn)化情況，運(yùn)算量小。
[0053] 2)該方法可將已得到的圖像或軌跡變換到當(dāng)前的圖像坐標(biāo)系下，便于進(jìn)行圖像觀 察與分析。
【附圖說(shuō)明】
[0054] 圖1為本發(fā)明所述的像素坐標(biāo)系。
[0055] 圖2為本發(fā)明視頻衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)圖像補(bǔ)償方法的流程圖
[0056] 圖3為實(shí)施例1中當(dāng)前時(shí)刻的圖像。
[0057]圖4為實(shí)施例1中to時(shí)刻的圖像。
[0058]圖5為圖4補(bǔ)償姿態(tài)運(yùn)動(dòng)后得到的圖像。
[0059]圖6為實(shí)施例2中30秒鐘750幀圖像疊加得到的圖像。
[0000]圖7為實(shí)施例2中實(shí)時(shí)補(bǔ)償衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)得到的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡。
【具體實(shí)施方式】
[0061] 以下將結(jié)合兩個(gè)具體實(shí)施例和說(shuō)明書附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0062] 實(shí)施例一:欲分析過(guò)去某時(shí)刻圖像中的一目標(biāo)與當(dāng)前圖像中目標(biāo)的關(guān)系，需對(duì)to 時(shí)刻的圖像補(bǔ)償姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。
[0063]步驟一：由星載傳感器得到當(dāng)前視頻衛(wèi)星的3-2-1姿態(tài)歐拉角為(5°，6°，3°)，當(dāng)前 時(shí)刻圖像如圖3所示，衛(wèi)星搭載相機(jī)拍攝圖像的分辨率為800 X 600。
[0064]步驟二:計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻相對(duì)于過(guò)去某時(shí)刻to的相對(duì)歐拉角
[0065] to時(shí)刻衛(wèi)星的3-2-1姿態(tài)歐拉角為（5°，5°，4° )，則當(dāng)前時(shí)刻衛(wèi)星相對(duì)于該時(shí)刻的 姿態(tài)矩陣為
[0066] A = Rx(3°)RY(6°)Rz(5°)Rz(-5°)RY(-5°)Rx(-4°) = (aij)3X3 (16)
[0067] 其中
[0070] 可得當(dāng)前時(shí)刻相對(duì)于to時(shí)刻的3-2-1姿態(tài)歐拉角（Δφ，Δ θ，Δρ)
[0072]步驟三:對(duì)to時(shí)刻的圖像補(bǔ)償姿態(tài)運(yùn)動(dòng)
[0073] to時(shí)刻衛(wèi)星拍攝的圖像如圖4所示。衛(wèi)星搭載相機(jī)的像元尺寸為8.33μπι。這里（Δ φ，ΔΘ，Δ辦)可以認(rèn)為是小量，可以直接使用式（15)對(duì)圖4進(jìn)行補(bǔ)償。這里選擇式（13)進(jìn)行補(bǔ) 償。
[0074]圖4中三角形的三個(gè)頂點(diǎn)為六(500,300)，8(400,500)，(：(600,500)，補(bǔ)償姿態(tài)運(yùn)動(dòng) 后得到Α'（-1591 ,-1796)，Β'（-1691 ,-1597)，C'（-1491 ,-1596)，將補(bǔ)償姿態(tài)運(yùn)動(dòng)后的圖像 放到當(dāng)前的像素坐標(biāo)系下，得到了圖5。由圖5可見，統(tǒng)一到當(dāng)前的像素坐標(biāo)系后，可以很方 便的判斷當(dāng)前圖像與過(guò)去圖像的關(guān)系。
[0075] 實(shí)施例二:視頻衛(wèi)星通過(guò)調(diào)整姿態(tài)對(duì)目標(biāo)跟蹤成像，欲得到目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，需要 實(shí)時(shí)對(duì)已獲得的軌跡補(bǔ)償姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，更新軌跡。
[0076]圖6是由一段30s視頻的750幀疊加得到的圖像，白框內(nèi)為目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡，右側(cè)兩條 軌跡是背景恒星成像因姿態(tài)修正形成的軌跡。目標(biāo)成像原本是往左下運(yùn)動(dòng)，為保持目標(biāo)在 視野中，衛(wèi)星繞體坐標(biāo)系X軸轉(zhuǎn)動(dòng)，因而目標(biāo)產(chǎn)生了一段往左上的運(yùn)動(dòng)軌跡，恒星成像產(chǎn)生 了一段向上的運(yùn)動(dòng)軌跡。
[0077]目標(biāo)檢測(cè)的方法已在專利201510507109.9中論述，在對(duì)每一幀圖像處理前，由星 載傳感器得到衛(wèi)星的角速度ω，因?yàn)槭抢@X軸旋轉(zhuǎn)，可直接由式(6)得到相對(duì)歐拉角，然后由 (15)對(duì)已經(jīng)得到的軌跡補(bǔ)償姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，簡(jiǎn)單快速，最終可以得到目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖7所 不。
[0078]以上包含了本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的說(shuō)明，這是為了詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)特征，并 不是想要將
【發(fā)明內(nèi)容】
限制在實(shí)施例所描述的具體形式中，依據(jù)本
【發(fā)明內(nèi)容】
主旨進(jìn)行的其他 修改和變型也受本專利保護(hù)。本
【發(fā)明內(nèi)容】
的主旨是由權(quán)利要求書所界定，而非由實(shí)施例的 具體描述所界定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種視頻衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)圖像補(bǔ)償方法，其特征在于，包括以下步驟： 51、 由星載傳感器得到衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的角速度ω = ( ωχ，ωγ，ωζ)τ，3-2-1歐拉角 (y/,Ο,φ), 52、 根據(jù)步驟SI中得到的衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)信息，計(jì)算當(dāng)前幀時(shí)刻衛(wèi)星相對(duì)于上一幀時(shí)刻 或者過(guò)去某一時(shí)刻的姿態(tài)歐拉角； 53、 對(duì)已獲得的圖像或軌跡補(bǔ)償姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的視頻衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)圖像補(bǔ)償方法，其特征在于，步驟S2中，根 據(jù)Sl中得到的衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)信息計(jì)算當(dāng)前幀時(shí)刻衛(wèi)星相對(duì)于上一幀時(shí)刻的姿態(tài)歐拉角的 方法為： 設(shè)每幀的時(shí)間間隔為△ t，且△ t角速度恒定，則當(dāng)前幀時(shí)刻衛(wèi)星相對(duì)于上一幀時(shí)刻的 姿態(tài)歐拉角可以由ω At確定，令(1) 其中 e=(ei，e2，e3)T，I |e| I =1 (2) 當(dāng)前幀時(shí)刻衛(wèi)星相對(duì)于上一幀時(shí)刻的姿態(tài)矩陣為其中(4) 進(jìn)而可得當(dāng)前幀時(shí)刻相對(duì)于上一幀時(shí)刻的3-2-1姿態(tài)歐拉角爲(wèi)A的(5)3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的視頻衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)圖像補(bǔ)償方法，其特征在于，在步驟S2中， 當(dāng)前幀時(shí)刻相對(duì)于上一幀時(shí)刻是衛(wèi)星繞衛(wèi)星體坐標(biāo)系的X軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)前幀時(shí)刻相對(duì)于上 一幀時(shí)刻的3-2-1姿態(tài)歐拉角(Δ yy, Δ認(rèn)Δ識(shí))如下：當(dāng)前幀時(shí)刻相對(duì)于上一幀時(shí)刻是衛(wèi)星繞衛(wèi)星體坐標(biāo)系的y軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)前幀時(shí)刻相對(duì) 于上一幀時(shí)刻的3-2-1姿態(tài)歐拉角(Δρ,Δ試Δ的如下：4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的視頻衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)圖像補(bǔ)償方法，其特征在于，步驟S2中，根 據(jù)Sl中得到的衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)信息計(jì)算當(dāng)前幀時(shí)刻衛(wèi)星相對(duì)于過(guò)去某一時(shí)刻的姿態(tài)歐拉角 的方法為： 過(guò)去某一時(shí)刻的衛(wèi)星姿態(tài)歐拉角為(％，私，％)，當(dāng)前幀時(shí)刻衛(wèi)星相對(duì)于該時(shí)刻的姿態(tài)矩 陣為從而由下式可得當(dāng)前幀時(shí)刻衛(wèi)星相對(duì)于過(guò)去某時(shí)刻的3-2-1姿態(tài)歐拉角(ΔΑΔ?λΔρ):5.根據(jù)權(quán)利要求2、3或4所述的視頻衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)圖像補(bǔ)償方法，其特征在于，步驟S3 的方法為： 定義像素坐標(biāo)系I-xy，像素坐標(biāo)系I-xy以視頻圖像左上角為坐標(biāo)系原點(diǎn)，以像素為坐 標(biāo)單位，x，y分別表示該像素點(diǎn)在視頻圖像中的列數(shù)與行數(shù)； 定義圖像坐標(biāo)系O-Xp Yp，圖像坐標(biāo)系O-Xp Yp以光軸與像平面的交點(diǎn)為原點(diǎn)，OXp，(^!^分別 與像素坐標(biāo)系的X軸與y軸平行； 補(bǔ)償姿態(tài)運(yùn)動(dòng)就是將過(guò)去時(shí)刻的圖像或軌跡變換到當(dāng)前的像素坐標(biāo)系下，方法如下： 某點(diǎn)在像素坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(m，n)，在圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo)為(xP，yP)，則(8) 兵甲d艿傢兀KT，Um，no)為視頻圖像中心的坐標(biāo)； 設(shè)相機(jī)光軸與衛(wèi)星體坐標(biāo)系Z軸重合，圖像坐標(biāo)系的X軸與Y軸和衛(wèi)星體坐標(biāo)系的X軸與 Y軸平行;若已獲得的圖像或軌跡在圖像坐標(biāo)系和像素坐標(biāo)系的坐標(biāo)分別為(xP，yP)T，（nu， m) T，補(bǔ)償后的坐標(biāo)為&，7廣與〇112，112廣，則 其中 (9)由此對(duì)圖像補(bǔ)償了姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的視頻衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)圖像補(bǔ)償方法，其特征在于，步驟S3中：當(dāng) (Δν,Δ久Δ爐)為小于1°時(shí)，近似為：由此對(duì)圖像補(bǔ)償了姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。
【文檔編號(hào)】H04N7/20GK106027904SQ201610494336
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年6月29日
【發(fā)明人】項(xiàng)軍華, 張學(xué)陽(yáng), 張琦, 曾國(guó)強(qiáng), 李泰博, 崔凱凱, 稅海濤, 吳國(guó)福, 李志軍, 袁福, 高玉東, 連君, 連一君, 韓大鵬
【申請(qǐng)人】中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)