[發明專利]核化距離模糊聚類正交分光成像位姿傳感器標定方法

在審

• 申請號: 201911187628.6
• 申請日: 2019-11-28
• 公開（公告）號: CN110954133A
• 公開（公告）日: 2020-04-03
• 發明（設計）人: 孫長庫;趙娜;王鵬
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00;G06K9/62;G06T7/80
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

本發明涉及空間位姿測量、相關傳感器技術，為解決正交分光成像位姿傳感器采用大量散亂數據進行插值標定時出現的稠密矩陣問題,解決正交分光位姿傳感器的標定問題。為此，本發明采取的技術方案是，采用基于核化距離的模糊聚類算法進行區域劃分；采用全局徑向基函數插值算法擬合各區域局部表達式；采用反距離加權插值Shepard方法構造權函數，Shepard方法采用局部緊支撐徑向基函數進行計算；全局表達式由權函數和各區域局部表達式計算生成，最終實現正交分光位姿傳感器的標定。本發明主要應用于空間位姿測量場合。

技術領域

本發明涉及空間位姿測量、相關傳感器技術，具體涉及核化距離模糊聚類正交分光成像位姿傳感器標定方法。

背景技術

正交分光位姿傳感器采用雙線陣CCD模擬單個面陣CDD實現大范圍、高精度的空間位姿測量。為了配合雙線陣CCD的圖像采集，該位姿傳感器的光學結構較復雜，且裝配結構復雜。因此該位姿傳感器存在各種畸變，例如大視場引起的徑向畸變、柱面鏡引起的單向畸變和裝配引起的非線性畸變等。為了實現高精度測量，必須在標定之前進行畸變校正，楊茜等人采用多項式求解畸變參數的方法進行畸變校正。但是畸變校正無法包含光學系統存在的所有畸變，且畸變校正過程復雜。現有的標定方法無法解決正交分光位姿傳感器的標定問題。

而通用成像模型屬于黑盒模型，采用該模型描述正交分光位姿傳感器世界坐標系和圖像坐標系的映射關系時不需要考慮各種畸變情況。采用徑向基插值的方法即可對該位姿傳感器進行標定，所得相機矩陣包含(M+3)×6個未知參數，其中M為控制點的個數。為了提高標定精度，需要增加數據點的個數，控制點個數就會相應增加，造成相機矩陣行數急劇增大，未知參數的個數增多，運算效率降低。因此正交分光位姿傳感器的標定方法需要解決大量散亂點的插值處理問題。

針對大量散亂數據的插值處理，目前應用比較廣泛的數值方法[5,6]有限元法和無網格法。有限元法的主要思想是將待求區域分成有限個網格，通過每個網格和網格中的點構造局部近似函數，實現將連續型的問題轉化為離散型問題進行求解。該方法對網格的劃分有嚴格的要求，網格劃分占用大量的處理時間，同時在分析大范圍物理變化時，為了保證精度需要不斷的重新劃分網格，因此運算效率低。

無網格法解決了有限元法對網格的依賴問題。根據近似函數不同的構造方法分類，基于無網格數值方法主要有徑向基插值法、移動最小二乘法、再生核粒子法、單位分解法。其中單位分解法是一種介于有限元和無網格之間的方法，可以適用于大量散亂數據的處理。該方法被廣泛應用于圖像分割和三維表面重建等領域。

研究者采用不同的區域劃分方法和權函數構造方法改進單位分解法以適應大量散亂數據的處理。2001年Beatson等人提出采用交替投影法進行區域劃分和權函數構造，提高徑向基插值效率，但是區域劃分和權函數構造過程復雜。2005年Yutaka Ohtake等人提出區域劃分采用八叉樹思想，局部表達式采用分段多項式函數，權函數采用B樣條曲線構造，解決局部信息的表達問題，并應用與三維圖像重建，但是權函數較復雜，不易實現。2007年Michael Macri首次提出了OctPUM方法，該方法基于四叉樹和八叉樹思想分別進行二維和三維的區域劃分，采用局部緊支撐徑向基函數構造四叉樹和八叉樹的葉子節點，解決三維圖像局部信息的模擬重建問題，但是四叉樹和八叉樹的存儲結構復雜，占用內存空間較大，運算效率低。2010年Rio Yokota等人提出采用并行算法實現徑向基插值提高運算效率，但權函數構造仍然較復雜。2016年李森等人采用平均等分的方式進行區域劃分，采用Shepard方法構造權函數，并應用于壓電結構的研究。2017年Vaclav Skala提出將局部緊支撐徑向基函數應用于三角形區域插值。2018年Michal Smolik等人提出區域劃分采用分治算法，劃分后的子區域可以是任意形狀，局部表達式采用局部緊支撐徑向基函數表示，權函數采用雙線性插值構造，但是當子空間不包含數據點或包含所有點的時候，需要重新劃分子空間，步驟復雜。現有的研究方法在進行區域劃分時并沒有考慮散亂數據點的分布情況，因此無法保證劃分的子區域包含適當數量的點來表達局部特征。有些研究中的權函數構造方法比較復雜，不易于實現。