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第1章 绪论1

1.1 光流场计算技术发展及研究现状3

1.1.1 光流计算技术历史与计算方法现状3

1.1.2 基于匹配的光流计算方法概述4

1.1.3 球面光流计算方法概述10

1.2 光流辅助飞行器导航与控制概述10

1.2.1 传统微小型飞行器导航与控制技术发展现状10

1.2.2 光流在飞行器导航控制中的应用12

1.3 本章小结16

参考文献16

第2章 光流场基本计算方法及图像预处理21

2.1 引言21

2.2 光流计算基本原理及算法21

2.2.1 光流场和运动场21

2.2.2 光流约束方程22

2.2.3 光流场经典计算方法23

2.3 图像预处理28

2.3.1 图像缩放29

2.3.2 图像平滑滤波30

2.3.3 图像畸变校正33

2.3.4 图像去雾增强35

2.4 本章小结38

第3章 稀疏直线匹配光流场计算方法及其应用39

3.1 引言39

3.2 基于参数-卡尔曼滤波的序列图像间快速直线匹配方法40

3.3 稀疏直线光流场计算方法及其仿真算例45

3.3.1 稀疏直线光流场计算方法45

3.3.2 稀疏直线光流场仿真算例48

3.4 稀疏直线光流场飞行器姿态估计技术54

3.4.1 摄像机的透视投影模型55

3.4.2 基于稀疏直线光流场的飞行器姿态估计方法56

3.4.3 基于暗原色通道的地平线提取方法58

3.4.4 基于地平线直线稀疏光流场的姿态估计算例61

3.4.5 基于灰度投影的跑道线提取方法64

3.4.6 基于跑道线稀疏光流场的姿态估计算例72

3.5 稀疏直线光流场飞行器着陆控制技术75

3.5.1 飞行器进近-着陆阶段特性分析76

3.5.2 基于直线稀疏光流场的飞行器进近段对准控制77

3.5.3 基于直线光流场的飞行器下滑段垂直控制81

3.5.4 飞行器进近段对准控制仿真87

3.5.5 飞行器下滑段控制仿真89

3.6 本章小结92

参考文献92

第4章 基于张量黎曼度量的块匹配光流场计算方法及其应用94

4.1 引言94

4.2 序列图像的灰度-时空张量描述94

4.3 结构张量的黎曼度量95

4.4 基于改进Hausdorff黎曼度量的匹配准则97

4.4.1 模型建立97

4.4.2 性能仿真测试99

4.5 图像旋转的描述102

4.6 多分辨率搜索策略105

4.7 块匹配光流场算例与分析107

4.7.1 计算精度分析107

4.7.2 抗噪声能力分析110

4.7.3 旋转图像光流场计算112

4.7.4 大位移光流场计算113

4.8 基于改进光流场的运动目标检测114

4.8.1 目标检测算法设计指标分析114

4.8.2 基于光流的运动目标检测算法总体框架114

4.8.3 全局运动估计和运动补偿115

4.8.4 基于光流矢量聚类的感兴趣区域提取118

4.8.5 目标区域分割与检测120

4.8.6 仿真算例与分析122

4.9 本章小结124

第5章 基于时空兴趣点匹配的光流场计算方法125

5.1 引言125

5.2 时空张量定义与兴趣点检测125

5.3 图像几何变换下判据函数的稳定性分析128

5.4 时空兴趣点提取测试130

5.4.1 旋转不变性与仿射不变性测试算例130

5.4.2 与Harris角点提取算子的对比测试算例131

5.4.3 加噪图像测试算例133

5.5 时空兴趣点的PCA-FLSS特征描述子构造134

5.5.1 LSS描述子原理135

5.5.2 PCA-FLSS描述子设计136

5.5.3 PCA-FLSS描述子的构造算例136

5.6 时空兴趣点匹配光流场计算方法139

5.7 时空兴趣点匹配算法计算大位移图像光流场算例140

5.8 本章小结144

参考文献144

第6章 基于匹配光流场的飞行器自主避障145

6.1 引言145

6.2 光流避障技术总体架构145

6.3 平移光流场计算146

6.4 基于速度信息的FOE估计147

6.5 景深估计与相对背景静止障碍提取150

6.6 相对背景运动的障碍区域提取151

6.7 避障策略设计154

6.8 本章小结155

第7章 球面光流场计算方法156

7.1 引言156

7.2 坐标系定义156

7.3 常见的成像模型158

7.3.1 平面透视投影成像模型158

7.3.2 非透视投影成像模型160

7.4 ORIFL190-3鱼眼镜头的成像模型163

7.5 鱼眼图像的球面映射166

7.6 球面光流场基本计算方法169

7.6.1 透视投影模型下的图像场169

7.6.2 球面屈光成像模型下的图像场170

7.6.3 透视投影模型下光流场的基本约束方程172

7.6.4 基于时空梯度的透视投影光流算法173

7.6.5 球面光流场基本约束方程174

7.6.6 黎曼空间中的梯度约束176

7.7 基于时空梯度的球面光流算法176

7.7.1 基于全局平滑约束的S-HS算法176

7.7.2 基于局部平滑约束的S-LK算法179

7.7.3 存在的问题180

7.7.4 基本算法的优化180

7.7.5 优化算法183

7.8 实验仿真与结果分析184

7.8.1 光流计算误差评价指标184

7.8.2 球面光流场测试序列185

7.8.3 最大响应幅值性能比较186

7.8.4 矢量角误差比较189

7.8.5 算法性能小结195

7.8.6 真实序列仿真195

7.9 本章小结195

参考文献196

第8章 图像光流仿真与实验系统197

8.1 基于光流信息感知的计算机仿真实验系统197

8.1.1 仿真实验平台及子系统搭建197

8.1.2 基于改进光流场的目标检测仿真实验与分析197

8.1.3 基下地平线特征光流的飞行器姿态估计仿真实验与分析200

8.2 基于匹配光流的避障计算机仿真实验系统204

8.2.1 基于匹配光流的避障仿真实验系统204

8.2.2 光流避障仿真实验207

8.2.3 光流场提取算法对避障算法效能影响的验证208

8.3 光流避障信息提取半实物仿真实验系统210

8.3.1 光流避障信息提取半实物仿真实验系统总体架构210

8.3.2 硬件系统组成210

8.3.3 软件部分组成212

8.3.4 平移光流场提取与FOE估计实验214

8.3.5 障碍提取实验216

8.4 本章小结220