基于影像匹配与明暗恢复形状的巡视器不完备数据区地形恢复

High precision topography information of detection area is very critical for lunar rover’s safety in moon discovery. To solve the problems of accurate topography reconstruction in incomplete data area, such as, texture repeated area, texture lack area, shelter area and shaded area, high-resolution images obtained from the cameras of lunar lander and rover are used in this project. Then, a new pertinence algorithm is proposed for three-dimensional topography reconstruction, which combined multi-source image matching and shape from shading (SFS) technology. On the basis of a full analysis of redundant information in multi-source images, high-precision feature matching is carried out; SFS technology with multi-source images is studied based on the best reflection model under the lunar environment. To make up for the lack of precision matching points in texture repeated or lack area in navigation camera images, SFS is carried out to assist feature matching; Multi-source images are used to supplement shelter and shaded area in images obtained from the rover navigation camera, edge feature point matching is studied to assist SFS, and then, topography reconstruction problem is solved in these areas. The research results can be used directly for the mission of lunar path planning in later moon discovery, and provides a new method for three-dimensional reconstruction using a special data source. It enriches the research in photogrammetry and computer vision field.

巡视探测区高精度地形信息直接关系到探月工程巡视探测器的安全。项目利用着陆器、巡视探测器携带相机获取的多源高分辨率影像，解决巡视探测区中不完备数据区（包括纹理重复、匮乏、遮挡、阴影区域）的精准地形恢复问题。为此，提出具有针对性的多源影像匹配与明暗恢复形状（shape from shading，SFS）相结合的三维地形恢复算法。在充分分析多源影像冗余信息的基础上，研究高精度特征匹配；基于最佳反射模型，研究月面环境下多源影像SFS技术。利用SFS辅助特征匹配，以期弥补导航相机影像中纹理重复、匮乏区域高精度匹配点匮乏的弱点；利用多源影像对导航相机影像中遮挡、阴影区域进行补充，并研究边缘特征点匹配辅助的SFS方法，最终解决该区域地形恢复难题。项目研究成果可以直接用于探月后期巡视探测器的路径规划，同时为利用特殊数据源进行三维重建提供了新方法，丰富了摄影测量和计算机视觉领域的研究内容。

探月工程中巡视探测区高精度地形信息将发挥至关重要的作用。利用巡视探测器导航相机影像进行地形恢复时，由于月表材质的特殊性，月面纹理信息匮乏或者重复导致直接采用传统方法无法很好的完成地形重建。嫦娥三号探月过程中携带了大量的相机，为项目后续地形重建提供了丰富的数据来源。项目研究了多种相机及其成像特征分析，通过重构成像时刻的几何模型，提出了具有严格约束的特征匹配方法，大幅提高影像匹配效率。研究了遮挡或阴影区域的地形重建问题，考虑到着陆区阴影和遮挡主要出现在撞击坑部分，提出了一种基于图像灰度特征的撞击坑自动提取方法，以双阈值影像分割结果中的阴影区为种子点，光照方向作为约束条件，结合透视投影下的物体表面反射模型，通过明暗恢复形状（SFS）技术完成了着陆区的三维地形重建。降落相机在着陆区上方呈近似垂直状态拍摄，因此，研究了下降序列影像的地形重建，提出了SFS与影像匹配相结合的三维地形恢复方法。以改进透视Lommel-Seeliger模型为基础，建立反射方程。然后进行影像边缘提取，并求解边缘上各点的梯度，得到与边缘点相邻像素的法向量方向，利用表面光滑模型约束，演化得到影像中剩余点的梯度。将每个点的梯度作为反射方程的约束条件，消除了反射方程的不适定性，求解即可得到每个点的三维法向量，通过向量场迭代得到相对意义下的三维地形，然后通过匹配特征点将其转换至绝对坐标系下。为进一步发挥两种方法各自的优势，提出了一种优化的着陆区三维地形恢复方法。采用上文中提出的特征匹配方法得到初步的匹配结果，并根据特征匹配结果得到初步的低精度着陆区初始地形和每个像素的法向量。以该法向量为中心，以一定微小的步距进行变化，得到一组新的向量，结合光照方向相与透视条件下的反射模型，得到新的一系列灰度值。当灰度值与影像最接近时，记录新的优化后的法向量。最终，通过迭代后得到优化地形。项目的研究成果可以为我国后续探月任务或火星探测任务中的着陆区地形重建提供参考。