航空攝影儀智能旋像設(shè)備及智能旋像方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種航空攝影儀智能旋像設(shè)備，包括數(shù)碼攝像頭、伺服電機(jī)，數(shù)碼攝像頭與航空攝影儀組合為一個(gè)剛體結(jié)構(gòu)，兩者的主光軸平行，兩者矩形畫(huà)幅邊框的航向和旁向均平行，還包括有工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，所述的數(shù)碼攝像頭的影像發(fā)送給工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行旋偏角度的計(jì)算，然后將計(jì)算出來(lái)的角度值數(shù)字信號(hào)發(fā)送給伺服電機(jī)，所述的伺服電機(jī)帶動(dòng)該組合剛體結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)該角度，使航空攝影儀航向指向飛機(jī)飛行方向。本發(fā)明相比由攝影員識(shí)別旋偏角，計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別具有可靠性好、精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，滿足高精度、大比例尺航空攝影測(cè)量的需要。
【專利說(shuō)明】航空攝影儀智能旋像設(shè)備及智能旋像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航空攝影儀領(lǐng)域，尤其涉及一種航空攝影儀智能旋像設(shè)備及智能旋像方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，航空攝影儀執(zhí)行航空攝影任務(wù)之前，先在地面上將航空攝影儀安置在飛行平臺(tái)上，通常安置到運(yùn)輸機(jī)、蜜蜂飛機(jī)、大型無(wú)人機(jī)等飛機(jī)上。安置時(shí)，將航空攝影儀的航向與飛機(jī)機(jī)頭指向一致，使得飛機(jī)在無(wú)風(fēng)飛行情況下，航空攝影儀攝得的影像旋偏角度為零，便于影像數(shù)據(jù)的后期處理。飛機(jī)在空中進(jìn)行拍攝，受到側(cè)向風(fēng)的影響時(shí)，為沿起飛前設(shè)計(jì)的航線飛行，飛機(jī)機(jī)頭指向由航線方向向側(cè)風(fēng)吹來(lái)的方向偏轉(zhuǎn)一定角度，形成飛機(jī)的偏流角。此時(shí)如果航空攝影儀航向依然指向飛機(jī)機(jī)頭方向，所攝取的影像會(huì)有旋偏角，航空攝影測(cè)量外方位元素的角度方位元素中的旋偏角大，從而形成的多個(gè)小影像的分布、影像構(gòu)成狀態(tài)會(huì)給后續(xù)影像相關(guān)生產(chǎn)等帶來(lái)不便，因此航空攝影一般要求旋偏角小于14度。為減小或消除旋偏角，應(yīng)該使航空攝影儀航向平行于航線方向，因此，需要將航空攝影儀航向由機(jī)頭方向旋轉(zhuǎn)到飛機(jī)的實(shí)際飛行方向。
[0003]目前，旋偏角的糾正主要通過(guò)攝影員觀測(cè)，進(jìn)而進(jìn)行大致糾正，或者不進(jìn)行糾正，這就大大降低了攝影儀對(duì)天氣的適應(yīng)能力，減少了航攝儀的適用范圍。以國(guó)產(chǎn)的航空攝影儀SWDC數(shù)字航空攝影儀為例，數(shù)碼攝像頭與航空攝影儀組合為一個(gè)剛體結(jié)構(gòu)，兩者的主光軸平行，兩者矩形畫(huà)幅邊框的航向和旁向均平行。數(shù)碼攝像頭的影像輸出到顯示器上，由攝影員通過(guò)觀察相鄰影像上同一標(biāo)志地物的連線與畫(huà)幅邊框的航向之間的夾角是否為零度，來(lái)判斷是否需要調(diào)節(jié)偏流角。如果需要調(diào)節(jié)偏流角，攝影員采用手動(dòng)方式概略調(diào)節(jié)偏流角度，所調(diào)節(jié)偏流角度數(shù)值可以通過(guò)觀察數(shù)字羅盤(pán)看到，并通過(guò)數(shù)字羅盤(pán)將調(diào)整的角度傳送給伺服電機(jī)，伺服電機(jī)帶動(dòng)航攝儀旋轉(zhuǎn)，使得偏流角得到調(diào)整。其他數(shù)字航攝儀，如LAC，沒(méi)有偏流角改正措施，極大限制了其使用條件。國(guó)內(nèi)其他數(shù)字航空攝影儀，大多為無(wú)人機(jī)搭載的航空攝影儀，航空攝影儀裝備簡(jiǎn)單，沒(méi)有偏流角改正設(shè)備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種航空攝影儀智能旋像設(shè)備及智能旋像方法，能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算數(shù)碼攝像頭與航空攝影儀組合剛體的航向與飛機(jī)飛行方向的旋偏角度，完成智能旋像功能，精度高。
[0005]本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:一種航空攝影儀智能旋像設(shè)備，包括數(shù)碼攝像頭、伺服電機(jī)，數(shù)碼攝像頭與航空攝影儀組合為一個(gè)剛體結(jié)構(gòu)，兩者的主光軸平行，兩者矩形畫(huà)幅邊框的航向和旁向均平行，還包括有工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，所述的數(shù)碼攝像頭的影像發(fā)送給工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行組合剛體的航向與飛機(jī)飛行方向的旋偏角度的計(jì)算，然后將計(jì)算出來(lái)的角度值數(shù)字信號(hào)發(fā)送給伺服電機(jī)，所述的伺服電機(jī)帶動(dòng)該組合剛體結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)該角度，使航空攝影儀航向指向飛機(jī)飛行方向。[0006]所述的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行旋偏角度的計(jì)算的具體步驟為:(I)、獲取相鄰兩幀影像；(2)、對(duì)相鄰兩幀影像進(jìn)行處理從而得到相鄰兩幀影像的同名特征點(diǎn)；(3)、計(jì)算所有同名特征點(diǎn)到兩幀影像的重疊區(qū)中心像素的距離，得出距離最小的一對(duì)同名特征點(diǎn)，此對(duì)同名特征點(diǎn)為第一幀圖像上的A點(diǎn)和第二幀圖像上的B點(diǎn)；(4)、將第一幀圖像上的A點(diǎn)映射到第二幀影像上，為A'點(diǎn)，則在第二幀影像上的A'點(diǎn)坐標(biāo)為(X1, Y1), B點(diǎn)坐標(biāo)為(X2, Y2)，則有:ctan Θ = (Y2-Y1) /(X2-X1)，則可求出旋偏角 Θ。
[0007]所述的數(shù)碼攝像頭的分辨率為1000*900。
[0008]所述的伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過(guò)皮帶與航空攝影儀的轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)連接，帶動(dòng)該組合剛體旋轉(zhuǎn)該角度
利用一種航空攝影儀智能旋像設(shè)備實(shí)現(xiàn)的航空攝影儀智能旋像方法，包括以下步驟: (I)、數(shù)碼攝像頭的影像發(fā)送給工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，(2)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行組合剛體的航向與飛機(jī)飛行方向的旋偏角度的計(jì)算，(3)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)將計(jì)算出來(lái)的角度值數(shù)字信號(hào)發(fā)送給伺服電機(jī)，所述的伺服電機(jī)帶動(dòng)組合剛體結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)該角度，使航空攝影儀航向指向飛機(jī)飛行方向
所述的步驟(2)中工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行旋偏角度的計(jì)算的具體步驟為:(21)、獲取相鄰兩幀影像；(22)、對(duì)相鄰兩幀影像進(jìn)行處理從而得到相鄰兩幀影像的同名特征點(diǎn)；(23)、計(jì)算所有同名特征點(diǎn)到兩幀影像的重疊區(qū)中心像素的距離，得出距離最小的一對(duì)同名特征點(diǎn)，此對(duì)同名特征點(diǎn)為第一幀圖像上的A點(diǎn)和第二幀圖像上的B點(diǎn)；(24)、將第一幀圖像上的A點(diǎn)映射到第二幀影像上，為A'點(diǎn)，則在第二幀影像上的A'點(diǎn)坐標(biāo)為(X1, Y1), B點(diǎn)坐標(biāo)為(?, Y2)，則有:ctan Θ = (Y2-Y1) / (X2-X1)，則可求出旋偏角Θ。
[0009]本發(fā)明采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)接收數(shù)碼攝像頭的影像，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和影像數(shù)據(jù)處理技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)已經(jīng)不受飛機(jī)震動(dòng)的影響，在飛機(jī)上正常工作。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)利用兩幀或兩幀以上影像，通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的旋偏計(jì)算軟件，實(shí)時(shí)計(jì)算數(shù)碼攝像頭與航空攝影儀組合剛體的航向與飛機(jī)飛行方向的旋偏角度，將該角度的數(shù)字信號(hào)傳送給伺服電機(jī)，伺服電機(jī)帶動(dòng)該組合剛體旋轉(zhuǎn)該角度，使航空攝影儀航向指向飛機(jī)飛行方向。
[0010]本發(fā)明相比由攝影員識(shí)別旋偏角，計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別具有可靠性好、精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，滿足高精度、大比例尺航空攝影測(cè)量的需要。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明中計(jì)算旋偏角度的方法流程圖；
圖3為映射后的同名特征點(diǎn)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]如圖1所示，本發(fā)明提供了一種航空攝影儀智能旋像設(shè)備，包括數(shù)碼攝像頭10、伺服電機(jī)4，其中數(shù)碼攝像頭10安置在航空攝影儀上，I為航空攝影儀頂部，2為航空攝影儀底部，9為單相機(jī)鏡頭，7為單相機(jī)后背。數(shù)碼攝像頭10與航空攝影儀組合為一個(gè)剛體結(jié)構(gòu)，兩者的主光軸平行，兩者矩形畫(huà)幅邊框的航向和旁向均平行。本發(fā)明還包括有工業(yè)控制計(jì)算機(jī)5，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)5通過(guò)USB線與數(shù)碼攝像頭10通信，所述的數(shù)碼攝像頭10的影像發(fā)送給工業(yè)控制計(jì)算機(jī)5，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)5進(jìn)行組合剛體的航向與飛機(jī)飛行方向的旋偏角度的計(jì)算，然后將計(jì)算出來(lái)的角度值數(shù)字信號(hào)通過(guò)RS232串口發(fā)送給伺服電機(jī)4，由伺服電機(jī)4的轉(zhuǎn)子3通過(guò)皮帶6與航空攝影儀的轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)8連接，伺服電機(jī)4接收到信號(hào)后帶動(dòng)該組合剛體結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)該角度，使航空攝影儀航向指向飛機(jī)飛行方向。
[0013]本發(fā)明還公開(kāi)了利用上述航空攝影儀智能旋像設(shè)備實(shí)現(xiàn)的航空攝影儀智能旋像方法，包括以下步驟:(1)、數(shù)碼攝像頭的影像發(fā)送給工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，(2)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行組合剛體的航向與飛機(jī)飛行方向的旋偏角度的計(jì)算，(3)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)將計(jì)算出來(lái)的角度值數(shù)字信號(hào)發(fā)送給伺服電機(jī)，所述的伺服電機(jī)帶動(dòng)組合剛體結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)該角度，使航空攝影儀航向指向飛機(jī)飛行方向
如圖2所示，步驟(2)中工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行旋偏角度的計(jì)算的具體步驟為:
(1)、獲取相鄰兩幀影像；
(2)、對(duì)相鄰兩幀影像進(jìn)行處理從而得到相鄰兩幀影像的同名特征點(diǎn)；
對(duì)相鄰兩幀影像進(jìn)行處理從而得到相鄰兩幀影像的同名特征點(diǎn)是依據(jù)SIFT (ScaleInvariant Feature Transform)算子的基本理論,該算子能保證特征在旋轉(zhuǎn)、尺度縮放、仿射變換、視角變化、光照變化等圖像變化因素保持一定的不變性，并且運(yùn)行速度能達(dá)到實(shí)時(shí)性的要求，屬于圖像處理領(lǐng)域的公知技術(shù)。
[0014]但是該算子能獲得大量的同名特征點(diǎn)，本方法中只需要一對(duì)同名點(diǎn)，因此在“基于歐氏距離的相似度測(cè)量”步驟中，在計(jì)算最近距離和次近距離比值時(shí)需要確定少于某個(gè)閾值，由于閾值越小，匹配點(diǎn)的正確率就越高，匹配點(diǎn)數(shù)越少。因此本方法中根據(jù)需要和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，閾值選取為0.3。此時(shí)，匹配點(diǎn)數(shù)較少，正確率較高。
[0015](3)、分別計(jì)算所有同名特征點(diǎn)到兩幀影像的重疊區(qū)中心像素的距離，得出距離最小的一對(duì)同名特征點(diǎn)，為我們尋找的目標(biāo)點(diǎn)。此對(duì)同名特征點(diǎn)為第一幀圖像上的A點(diǎn)和第二幀圖像上的B點(diǎn)；
(4)、將第一幀圖像上的A點(diǎn)映射到第二幀影像上，映射的具體過(guò)程為把A點(diǎn)在第一幀影像上的坐標(biāo)(X1, Y1),按坐標(biāo)展到第二幀影像上，并把第二幀影像上該點(diǎn)記為A'點(diǎn)，即A'在第二幀影像上坐標(biāo)也為(X1, Y1X B點(diǎn)坐標(biāo)為(X2，Y2)，如圖3所示，則有:ctan0 =(Y2-Y1)/ (X2-X1)，則可求出旋偏角Θ。
[0016]計(jì)算出的旋偏角有正負(fù)方向，順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎嵌?，逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)樨?fù)角度。正角度時(shí)，伺服電機(jī)帶動(dòng)航攝儀的轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)向逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，負(fù)角度時(shí)，伺服電機(jī)帶動(dòng)航攝儀的轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)向順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，使旋偏角度減小為零，達(dá)到糾正旋偏角的目的。
[0017]為確保旋偏角計(jì)算速度，攝像頭單幀數(shù)據(jù)量不宜過(guò)大，分辨率不宜過(guò)高；同時(shí)為攝像頭的分辨率能滿足計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別和匹配特征點(diǎn)的需要，攝像頭分辨率選擇為1000X900。
[0018]本發(fā)明相比由攝影員肉眼識(shí)別旋偏角，計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別具有可靠性好，精度高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并可以實(shí)時(shí)輸出待調(diào)節(jié)的偏流角，由伺服電機(jī)帶動(dòng)航空攝影儀的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)航攝儀偏流角的實(shí)時(shí)修正，滿足高精度、大比例尺航空攝影測(cè)量的需要。
[0019]當(dāng)理解的是，本發(fā)明的具體實(shí)例僅僅是出于示例性說(shuō)明的目的，其不以任何方式限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)上述說(shuō)明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種航空攝影儀智能旋像設(shè)備，包括數(shù)碼攝像頭、伺服電機(jī)，數(shù)碼攝像頭與航空攝影儀組合為一個(gè)剛體結(jié)構(gòu)，兩者的主光軸平行，兩者矩形畫(huà)幅邊框的航向和旁向均平行，其特征在于:還包括有工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，所述的數(shù)碼攝像頭的影像發(fā)送給工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行組合剛體的航向與飛機(jī)飛行方向的旋偏角度的計(jì)算，然后將計(jì)算出來(lái)的角度值數(shù)字信號(hào)發(fā)送給伺服電機(jī)，所述的伺服電機(jī)帶動(dòng)該組合剛體結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)該角度，使航空攝影儀航向指向飛機(jī)飛行方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的航空攝影儀智能旋像設(shè)備，其特征在于:所述的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行旋偏角度的計(jì)算的具體步驟為:(1)、獲取相鄰兩幀影像；(2)、對(duì)相鄰兩幀影像進(jìn)行處理從而得到相鄰兩幀影像的同名特征點(diǎn)；(3)、計(jì)算所有同名特征點(diǎn)到兩幀影像的重疊區(qū)中心像素的距離，得出距離最小的一對(duì)同名特征點(diǎn)，此對(duì)同名特征點(diǎn)為第一幀圖像上的A點(diǎn)和第二幀圖像上的B點(diǎn)；(4)、將第一幀圖像上的A點(diǎn)映射到第二幀影像上，為A'點(diǎn)，則在第二幀影像上的A'點(diǎn)坐標(biāo)為(X1, Y1XB點(diǎn)坐標(biāo)為(X2, Y2)，則有:ctan Θ = (Y2-Y1)/(X2-X1)，則可求出旋偏角Θ。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的航空攝影儀智能旋像設(shè)備，其特征在于:所述的數(shù)碼攝像頭的分辨率為1000*900。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的航空攝影儀智能旋像設(shè)備，其特征在于:所述的伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過(guò)皮帶與航空攝影儀的轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)連接，帶動(dòng)該組合剛體旋轉(zhuǎn)該角度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種航空攝影儀智能旋像設(shè)備實(shí)現(xiàn)的航空攝影儀智能旋像方法，其特征在于:包括以下步驟:(1)、數(shù)碼攝像頭的影像發(fā)送給工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，(2)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行組合剛體的航向與飛機(jī)飛行方向的旋偏角度的計(jì)算，(3)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)將計(jì)算出來(lái)的角度值數(shù)字信號(hào)發(fā)送給伺服電機(jī)，所述的伺服電機(jī)帶動(dòng)組合剛體結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)該角度，使航空攝影儀航向指向飛機(jī)飛行方向。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的航空攝影儀智能旋像方法，其特征在于:所述的步驟(2)中工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行旋偏角度的計(jì)算的具體步驟為:(21)、獲取相鄰兩幀影像；(22)、對(duì)相鄰兩幀影像進(jìn)行處理從而得到相鄰兩幀影像的同名特征點(diǎn)；(23)、計(jì)算所有同名特征點(diǎn)到兩幀影像的重疊區(qū)中心像素的距離，得出距離最小的一對(duì)同名特征點(diǎn)，此對(duì)同名特征點(diǎn)為第一幀圖像上的A點(diǎn)和第二幀圖像上的B點(diǎn)；(24)、將第一幀圖像上的A點(diǎn)映射到第二幀影像上，為A'點(diǎn),則在第二巾貞影像上的A'點(diǎn)坐標(biāo)為(X1, Y1), B點(diǎn)坐標(biāo)為(X2, Y2),則有:ctan Θ =(Y2-Y1)/(X2-X1)，則可求出旋偏角Θ。
【文檔編號(hào)】G05D3/12GK103760917SQ201310746670
【公開(kāi)日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】李天子, 鄒友峰, 郭增長(zhǎng), 劉昌華, 成小倩, 韓瑞梅 申請(qǐng)人:河南理工大學(xué)