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，數(shù)碼攝像頭與航空攝影儀組合為一個剛體結(jié)構(gòu)，兩者的主光軸平行，兩者矩形畫幅邊框的航向和旁向均平行，還包括有工業(yè)控制計算機，所述的數(shù)碼攝像頭的影像發(fā)送給工業(yè)控制計算機，工業(yè)控制計算機進行旋偏角度的計算，然后將計算出來的角度值數(shù)字信號發(fā)送給伺服電機，所述的伺服電機帶動該組合剛體結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)該角度，使航空攝影儀航向指向飛機飛行方向。本發(fā)明相比由攝影員識別旋偏角，計算機自動識別具有可靠性好、精度高、實時性強等優(yōu)點，滿足高精度、大比例尺航空攝影測量的需要。
【專利說明】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上，通常安置到運輸機、蜜蜂飛機、大型無人機等飛機上。安置時，將航空攝影儀的航向與飛機機頭指向一致，使得飛機在無風(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。飛機在空中進行拍攝，受到側(cè)向風(fēng)的影響時，為沿起飛前設(shè)計的航線飛行，飛機機頭指向由航線方向向側(cè)風(fēng)吹來的方向偏轉(zhuǎn)一定角度，形成飛機的偏流角。此時如果航空攝影儀航向依然指向飛機機頭方向，所攝取的影像會有旋偏角，航空攝影測量外方位元素的角度方位元素中的旋偏角大，從而形成的多個小影像的分布、影像構(gòu)成狀態(tài)會給后續(xù)影像相關(guān)生產(chǎn)等帶來不便，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頭方向旋轉(zhuǎn)到飛機的實際飛行方向。
[0003]目前，旋偏角的糾正主要通過攝影員觀測，進而進行大致糾正，或者不進行糾正，這就大大降低了攝影儀對天氣的適應(yīng)能力，減少了航攝儀的適用范圍。以國產(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剛體結(jié)構(gòu)，兩者的主光軸平行，兩者矩形畫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，由攝影員通過觀察相鄰影像上同一標(biāo)志地物的連線與畫幅邊框的航向之間的夾角是否為零度，來判斷是否需要調(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)值可以通過觀察數(shù)字羅盤看到，并通過數(shù)字羅盤將調(diào)整的角度傳送給伺服電機，伺服電機帶動航攝儀旋轉(zhuǎn)，使得偏流角得到調(diào)整。其他數(shù)字航攝儀，如LAC，沒有偏流角改正措施，極大限制了其使用條件。國內(nèi)其他數(shù)字航空攝影儀，大多為無人機搭載的航空攝影儀，航空攝影儀裝備簡單，沒有偏流角改正設(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計算數(shù)碼攝像頭與航空攝影儀組合剛體的航向與飛機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，數(shù)碼攝像頭與航空攝影儀組合為一個剛體結(jié)構(gòu)，兩者的主光軸平行，兩者矩形畫幅邊框的航向和旁向均平行，還包括有工業(yè)控制計算機，所述的數(shù)碼攝像頭的影像發(fā)送給工業(yè)控制計算機，工業(yè)控制計算機進行組合剛體的航向與飛機飛行方向的旋偏角度的計算，然后將計算出來的角度值數(shù)字信號發(fā)送給伺服電機，所述的伺服電機帶動該組合剛體結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)該角度，使航空攝影儀航向指向飛機飛行方向。[0006]所述的工業(yè)控制計算機進行旋偏角度的計算的具體步驟為:(I)、獲取相鄰兩幀影像；(2)、對相鄰兩幀影像進行處理從而得到相鄰兩幀影像的同名特征點；(3)、計算所有同名特征點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同名特征點，此對同名特征點為第一幀圖像上的A點和第二幀圖像上的B點；(4)、將第一幀圖像上的A點映射到第二幀影像上，為A'點，則在第二幀影像上的A'點坐標(biāo)為(X1, Y1), B點坐標(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]所述的伺服電機的轉(zhuǎn)子通過皮帶與航空攝影儀的轉(zhuǎn)動盤連接，帶動該組合剛體旋轉(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)控制計算機，(2)、工業(yè)控制計算機進行組合剛體的航向與飛機飛行方向的旋偏角度的計算，(3)、工業(yè)控制計算機將計算出來的角度值數(shù)字信號發(fā)送給伺服電機，所述的伺服電機帶動組合剛體結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)該角度，使航空攝影儀航向指向飛機飛行方向
所述的步驟(2)中工業(yè)控制計算機進行旋偏角度的計算的具體步驟為:(21)、獲取相鄰兩幀影像；(22)、對相鄰兩幀影像進行處理從而得到相鄰兩幀影像的同名特征點；(23)、計算所有同名特征點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同名特征點，此對同名特征點為第一幀圖像上的A點和第二幀圖像上的B點；(24)、將第一幀圖像上的A點映射到第二幀影像上，為A'點，則在第二幀影像上的A'點坐標(biāo)為(X1, Y1), B點坐標(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)控制計算機接收數(shù)碼攝像頭的影像，隨著計算機技術(shù)和影像數(shù)據(jù)處理技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)控制計算機已經(jīng)不受飛機震動的影響，在飛機上正常工作。工業(yè)控制計算機利用兩幀或兩幀以上影像，通過自主開發(fā)的旋偏計算軟件，實時計算數(shù)碼攝像頭與航空攝影儀組合剛體的航向與飛機飛行方向的旋偏角度，將該角度的數(shù)字信號傳送給伺服電機，伺服電機帶動該組合剛體旋轉(zhuǎn)該角度，使航空攝影儀航向指向飛機飛行方向。
[0010]本發(fā)明相比由攝影員識別旋偏角，計算機自動識別具有可靠性好、精度高、實時性強等優(yōu)點，滿足高精度、大比例尺航空攝影測量的需要。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明中計算旋偏角度的方法流程圖；
圖3為映射后的同名特征點示意圖。
【具體實施方式】
[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為單相機鏡頭，7為單相機后背。數(shù)碼攝像頭10與航空攝影儀組合為一個剛體結(jié)構(gòu)，兩者的主光軸平行，兩者矩形畫幅邊框的航向和旁向均平行。本發(fā)明還包括有工業(yè)控制計算機5，工業(yè)控制計算機5通過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)控制計算機5，工業(yè)控制計算機5進行組合剛體的航向與飛機飛行方向的旋偏角度的計算，然后將計算出來的角度值數(shù)字信號通過RS232串口發(fā)送給伺服電機4，由伺服電機4的轉(zhuǎn)子3通過皮帶6與航空攝影儀的轉(zhuǎn)動盤8連接，伺服電機4接收到信號后帶動該組合剛體結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)該角度，使航空攝影儀航向指向飛機飛行方向。
[0013]本發(fā)明還公開了利用上述航空攝影儀智能旋像設(shè)備實現(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)控制計算機，(2)、工業(yè)控制計算機進行組合剛體的航向與飛機飛行方向的旋偏角度的計算，(3)、工業(yè)控制計算機將計算出來的角度值數(shù)字信號發(fā)送給伺服電機，所述的伺服電機帶動組合剛體結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)該角度，使航空攝影儀航向指向飛機飛行方向
如圖2所示，步驟(2)中工業(yè)控制計算機進行旋偏角度的計算的具體步驟為:
(1)、獲取相鄰兩幀影像；
(2)、對相鄰兩幀影像進行處理從而得到相鄰兩幀影像的同名特征點；
對相鄰兩幀影像進行處理從而得到相鄰兩幀影像的同名特征點是依據(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，并且運行速度能達到實時性的要求，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，本方法中只需要一對同名點，因此在“基于歐氏距離的相似度測量”步驟中，在計算最近距離和次近距離比值時需要確定少于某個閾值，由于閾值越小，匹配點的正確率就越高，匹配點數(shù)越少。因此本方法中根據(jù)需要和實驗驗證，閾值選取為0.3。此時，匹配點數(shù)較少，正確率較高。
[0015](3)、分別計算所有同名特征點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同名特征點，為我們尋找的目標(biāo)點。此對同名特征點為第一幀圖像上的A點和第二幀圖像上的B點；
(4)、將第一幀圖像上的A點映射到第二幀影像上，映射的具體過程為把A點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記為A'點，即A'在第二幀影像上坐標(biāo)也為(X1, Y1X B點坐標(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]計算出的旋偏角有正負方向，順時針方向為正角度，逆時針方向為負角度。正角度時，伺服電機帶動航攝儀的轉(zhuǎn)動盤向逆時針方向轉(zhuǎn)動，負角度時，伺服電機帶動航攝儀的轉(zhuǎn)動盤向順時針方向轉(zhuǎn)動，使旋偏角度減小為零，達到糾正旋偏角的目的。
[0017]為確保旋偏角計算速度，攝像頭單幀數(shù)據(jù)量不宜過大，分辨率不宜過高；同時為攝像頭的分辨率能滿足計算機自動識別和匹配特征點的需要，攝像頭分辨率選擇為1000X900。
[0018]本發(fā)明相比由攝影員肉眼識別旋偏角，計算機自動識別具有可靠性好，精度高，實時性強等優(yōu)點，并可以實時輸出待調(diào)節(jié)的偏流角，由伺服電機帶動航空攝影儀的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對航攝儀偏流角的實時修正，滿足高精度、大比例尺航空攝影測量的需要。
[0019]當(dāng)理解的是，本發(fā)明的具體實例僅僅是出于示例性說明的目的，其不以任何方式限定本發(fā)明的保護范圍，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。
【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，數(shù)碼攝像頭與航空攝影儀組合為一個剛體結(jié)構(gòu)，兩者的主光軸平行，兩者矩形畫幅邊框的航向和旁向均平行，其特征在于:還包括有工業(yè)控制計算機，所述的數(shù)碼攝像頭的影像發(fā)送給工業(yè)控制計算機，工業(yè)控制計算機進行組合剛體的航向與飛機飛行方向的旋偏角度的計算，然后將計算出來的角度值數(shù)字信號發(fā)送給伺服電機，所述的伺服電機帶動該組合剛體結(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)控制計算機進行旋偏角度的計算的具體步驟為:(1)、獲取相鄰兩幀影像；(2)、對相鄰兩幀影像進行處理從而得到相鄰兩幀影像的同名特征點；(3)、計算所有同名特征點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同名特征點，此對同名特征點為第一幀圖像上的A點和第二幀圖像上的B點；(4)、將第一幀圖像上的A點映射到第二幀影像上，為A'點，則在第二幀影像上的A'點坐標(biāo)為(X1, Y1XB點坐標(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:所述的伺服電機的轉(zhuǎn)子通過皮帶與航空攝影儀的轉(zhuǎn)動盤連接，帶動該組合剛體旋轉(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)控制計算機，(2)、工業(yè)控制計算機進行組合剛體的航向與飛機飛行方向的旋偏角度的計算，(3)、工業(yè)控制計算機將計算出來的角度值數(shù)字信號發(fā)送給伺服電機，所述的伺服電機帶動組合剛體結(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)控制計算機進行旋偏角度的計算的具體步驟為:(21)、獲取相鄰兩幀影像；(22)、對相鄰兩幀影像進行處理從而得到相鄰兩幀影像的同名特征點；(23)、計算所有同名特征點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同名特征點，此對同名特征點為第一幀圖像上的A點和第二幀圖像上的B點；(24)、將第一幀圖像上的A點映射到第二幀影像上，為A'點,則在第二巾貞影像上的A'點坐標(biāo)為(X1, Y1), B點坐標(biāo)為(X2, Y2),則有:ctan Θ =(Y2-Y1)/(X2-X1)，則可求出旋偏角Θ。
【文檔編號】G05D3/12GK103760917SQ201310746670
【公開日】2014年4月30日 申請日期: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, 劉昌華, 成小倩, 韓瑞梅 申請人:河南理工大學(xué)