3D descriptor and its application in contour analysis algorithm for automatic aircraft landing
Authors: Артемьев Е.А. 
Published: July 2024

В статье предлагается метод формирования трехмерного дескриптора объекта, который позволяет выполнять реконструкцию одномерного дескриптора контура и контура объекта. В первую очередь дескриптор предназначен для создания алгоритмов определения положении летательного аппарата по монокулярном изображению с целью повышения целостности навигационной информации на этапе посадки, но также может использоваться для определения ориентации космических аппаратов и других объектов, а также для распознавания. Дескриптор представляет собой трехмерное дискретное преобразование Фурье набора контуров. Процесс формирования 3D дескриптора включает в себя создание сцены при помощи графической библиотеки и вращение камеры вокруг объекта по орбитам с определенным шагом, при этом в каждом положении осуществляется выделение и сохранение контура для формирования набора контуров, из которых затем формируется 3D дескриптор. Для реконструкции одномерного дескриптора контура объекта в определенной пространственной ориентации используется двухмерная тригонометрическая интерполяция, для полной реконструкции контура трехмерная интерполяция. Преимуществом предложенного дескриптора является возможность быстрого вычисления инвариантного к вращению и масштабу одномерного дескриптора контура для определения углового положения и распознавания бестекстурного объекта на изображении. Возможность создания гладкой целевой функции на базе предложенного 3D дескриптора существенно упрощает поиск решения. Моделирование с применением разработанного дескриптора в алгоритме определения пространственного положения летательного аппарата показало более высокое быстродействие по сравнению с известными методами так время вычисление ориентации составило 0.25 мс, при этом среднеквадратичная ошибка определения углов ориентации составила 0.23–0.3°.

The article proposes a method for forming a three-dimensional object descriptor, which allows to reconstruct a one-dimensional contour descriptor and an object contour. Descriptor is designed to create algorithms for estimating the angular position of an aircraft from a monocular image to increase the integrity of navigation data at the landing phase, but it can also be used to estimate the orientation of spacecraft and other objects, as well as for recognition. The descriptor is a three-dimensional discrete Fourier transform of a set of contours. The process of forming a 3D descriptor includes creating a scene using a graphics library and rotating the camera around the object in orbits with a certain step, at each position a contour is extracted and saved to create a set of contours, from which a 3D descriptor is then formed. Two-dimensional trigonometric interpolation is used to reconstruct the one-dimensional contour descriptor of an object in an arbitrary spatial orientation, and three-dimensional interpolation is used for contour reconstruction. The advantage of the proposed descriptor is the ability to quickly calculate a one-dimensional contour descriptor invariant to rotation and scale to determine the angular position and recognize a texture-less object in the image. The ability to create a smooth objective function based on the proposed 3D descriptor greatly simplifies the optimization search.