發(fā)布時間：2021-11-18 19:42

　　小天體探測是近年來深空探測的研究熱點和主要方向,美國、歐洲、日本等國家或組織都相繼開展了對小天體的探索任務(wù)。小天體探測不僅能幫助科學(xué)家探索太陽系的起源、演化,還對提升國家自主研發(fā)能力,推動各領(lǐng)域科技發(fā)展具有重大意義。由于小天體具有引力小、體積小、觀測難度大等特點,相較于月球、火星等大型天體的探測任務(wù),小天體探測在建模、導(dǎo)航、著陸采樣等任務(wù)環(huán)節(jié)仍然存在著一些亟需解決的科學(xué)技術(shù)問題,對科研工作者提出了更大的挑戰(zhàn)。小天體的三維模型是小天體的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),對地形相對導(dǎo)航、著陸點選取具有重要的參考價值。如何對小天體進行三維建模,一直是探測任務(wù)中的難點,本文提出基于SfS（Shape from Silhouette）的小天體三維建模方法,在無法觀測到小天體具體地形特征的情況下,利用圖像中小天體的輪廓信息仍可得到較為精細的三維模型,在基于CINEMA-4D的仿真平臺上對Bennu小行星進行了仿真實驗驗證。小天體的運動參數(shù)是小天體的科學(xué)數(shù)據(jù),也是探測器下降、著陸過程中的重要依據(jù),而運動參數(shù)估計的難點在于旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)角速度的估計,本文提出基于擴展卡爾曼濾波器的小天體運動參數(shù)估計方法,分別在規(guī)則的正方體及6... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：68 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)圖

哈爾濱工業(yè)大學(xué)專業(yè)碩士學(xué)位論文-9-第2章基于SfS的小天體三維建模方法2.1引言小天體的三維模型對于實現(xiàn)探測器的精準(zhǔn)導(dǎo)航著陸具有重要意義。由于慣性導(dǎo)航存在累積誤差大，計算不精確等問題，僅僅依靠慣性導(dǎo)航無法實現(xiàn)探測器的安全著陸，需要利用地形相對導(dǎo)航的方法對慣性導(dǎo)航進行修正[53]。而地形相對導(dǎo)航需要觀測圖像和規(guī)劃圖像間的匹配，規(guī)劃圖像的生成離不開可靠的小天體三維模型。本章對基于SfS的小天體三維建模方法進行了詳細闡述，在探測器距離小天體較遠時，利用圖像中小天體的輪廓信息仍然可以對小天體進行三維重建，為之后的模型精細化和導(dǎo)航著陸提供了有力支持。2.2SfS測量原理SfS(ShapefromSilhouette)是一種利用物體輪廓信息進行三維重建的方法，最早由Baumgart于1974年提出。方法首先需要在不同角度采集物體的圖像，然后通過圖像處理的方式對圖像中物體的輪廓邊緣信息進行提取，最后綜合這些信息來恢復(fù)物體的三維模型[54]。SfS根據(jù)重建原理可以分為三類：基于體素的方法，基于表面的方法，體素和表面相結(jié)合的方法[55]。圖2-1SfS原理示意圖[56]基于表面的方法利用錐體相交的思想來得到物體的三維模型。對于一個只有唯一背景光源的系統(tǒng)，如果沒有被測物體，那么相機拍攝的圖像上的每一個像素點都是由背景光投影得到的白色亮點。一旦在場景中放入物體，那么圖像中就會出現(xiàn)由物體遮擋導(dǎo)致的陰影區(qū)域。圖像中亮色和暗色區(qū)域的界限就反映出了物體的輪廓信息。一幅圖像中所有的暗色區(qū)域與相機光心的連線能夠構(gòu)成一個錐形的體積模型，物體就正好被這一錐體所包裹。對多幅圖像形成的多個錐體的體積取交集，就能夠得到被測物體的三維信息。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)專業(yè)碩士學(xué)位論文-10-圖2-2體積相交示意圖[32]設(shè)物體所占據(jù)的空間為V，第i幅圖像中的陰影區(qū)域與相機光心形成的錐體為Vi，那么V可以由公式（2-1）得到：V=∩(=1,2,…,)(2-1)由上述分析可知，隨著錐體數(shù)量的增加，相交的結(jié)果會越來越接近被測物體的真實三維結(jié)構(gòu)。此方法由于只關(guān)注物體的表面，執(zhí)行速度快，但是可能存在得到的多邊形模型不完整的問題。一個原因是在某些情況下，當(dāng)錐體的表面幾乎平行時，體積相交會變成不適定問題（ill-posedproblem）；另一個原因是當(dāng)被測物體的幾何結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜且觀測視點分布很密集時，會生成很多瑣碎的小平面�；隗w素的方法最早由Martin和Aggrawal提出[57]。方法首先需要初始化一個能將被測物體完全包裹的體積模型，然后將這一體積模型劃分為許多大小相同的小正方體（體素），將小正方體反向投影到每一幅圖像中，如果存在一幅圖像中小正方體不在物體的輪廓區(qū)域內(nèi)，則此小正方體的標(biāo)號為為空，否則標(biāo)號為被占據(jù)，最終所有標(biāo)號為被占據(jù)的體素構(gòu)成了物體的體素模型。體素模型由于是由許多小立方體組成的，較為粗糙，可以使用Busch提出的網(wǎng)格增長算法來進行表面重建。算法需要設(shè)置一個可容忍的近似誤差，然后根據(jù)這一近似誤差來調(diào)整三角網(wǎng)格的大小，從而重建體素模型的表面。方法首先在體素模型表面放置一個單一的三角網(wǎng)格，在每個開放的邊緣處生成其他新的三角網(wǎng)格，直到整個體素模型被網(wǎng)格完全覆蓋。最終得到的三維模型曲率較大的地方三角網(wǎng)格會更小更密集，而在曲率較小的地方三角網(wǎng)格會更大更稀疏。為了使得到的模型更為逼真，看起來更加自然，需要對模型添加紋理。利用已知的相機參數(shù)，能夠?qū)⒚恳粋�三角網(wǎng)格的頂點投影到像平面上，將包含三角網(wǎng)格投影的矩形圖像定義為紋理貼圖，對每

【參考文獻】：
期刊論文
[1]小行星探測進展及技術(shù)特點分析[J]. 廖慧兮,王彤,賈曉宇.  國際太空. 2017(07)
[2]非接觸式三維重建測量方法綜述[J]. 丁少聞,張小虎,于起峰,楊夏.  激光與光電子學(xué)進展. 2017(07)
[3]慣性/視覺組合導(dǎo)航在不同應(yīng)用場景的發(fā)展[J]. 李豐陽,賈學(xué)東,董明.  導(dǎo)航定位學(xué)報. 2016(04)
[4]三維重建技術(shù)及其軍事應(yīng)用[J]. 吳彤,傅中力.  國防科技. 2015(01)
[5]基于序列影像的小天體三維形狀重建方法研究[J]. 藍朝楨,耿迅,徐青,崔平遠.  深空探測學(xué)報. 2014(02)
[6]非接觸測量技術(shù)發(fā)展研究綜述[J]. 羅勝彬,宋春華,韋興平,李航.  機床與液壓. 2013(23)
[7]基于CMVS/PMVS多視角密集匹配方法的研究與實現(xiàn)[J]. 何豫航,岳俊.  測繪地理信息. 2013(03)
[8]嫦娥二號衛(wèi)星為“圖塔蒂斯”拍照[J]. 云影.  衛(wèi)星應(yīng)用. 2013(01)
[9]慣導(dǎo)融合特征匹配的小天體著陸導(dǎo)航算法[J]. 邵巍,常曉華,崔平遠,崔祜濤.  宇航學(xué)報. 2010(07)
[10]基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的建筑物三維建模[J]. 吳靜,靳奉祥,王健.  測繪工程. 2007(05)

博士論文
[1]基于圖像信息的小天體參數(shù)估計及探測器自主導(dǎo)航研究[D]. 邵巍.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2009

碩士論文
[1]基于點云數(shù)據(jù)的案件現(xiàn)場三維重建方法研究[D]. 姜子鵬.中國人民公安大學(xué) 2019
[2]基于光學(xué)特征的小天體著陸自主導(dǎo)航方法研究[D]. 王驥琛.北京理工大學(xué) 2015
[3]小天體探測中的光學(xué)自主導(dǎo)航與可視化技術(shù)研究[D]. 陳景偉.解放軍信息工程大學(xué) 2008
[4]多視角背影輪廓3D測量方法的研究[D]. 何麗.天津大學(xué) 2006



本文編號：3503500