楊娟+賈周云+管續(xù)棟

摘 要 以無(wú)人機(jī)為飛行平臺(tái)，獲取視頻流影像，與傳統(tǒng)航空像片獲取不同。針對(duì)流式媒體，本文提出了一種非量測(cè)型視頻傳感器的檢校方法，為保證每一幀視頻影像均有對(duì)應(yīng)的GPS信息，采用合適的GPS插值算法，為后續(xù)影像處理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞 無(wú)人機(jī)；視頻流影像；攝像機(jī)的標(biāo)定；GPS插值

中圖分類號(hào) V279+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2016）161-0078-02

視頻流影像是由一系列空間和時(shí)間連續(xù)的視頻幀組成，而視頻幀實(shí)質(zhì)是一副靜態(tài)影像，它是構(gòu)成視頻流的最小單元[ 1 ]。獲取無(wú)人機(jī)視頻流影像數(shù)據(jù)時(shí)，由于無(wú)人機(jī)視頻流影像數(shù)據(jù)與相機(jī)影像數(shù)據(jù)格式不同，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取和預(yù)處理時(shí)，可不考慮曝光間隔等因素，只需簡(jiǎn)單進(jìn)行航線規(guī)劃，再檢查獲取的視頻數(shù)據(jù)即可。視頻流數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要包括攝像機(jī)的標(biāo)定、GPS插值計(jì)算。與搭載非量測(cè)型數(shù)碼相機(jī)的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理流程相同，在對(duì)無(wú)人機(jī)視頻流影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之前，需對(duì)視頻傳感器進(jìn)行嚴(yán)格檢校，經(jīng)像元畸變改正后，再對(duì)影像進(jìn)行其他處理操作；由于關(guān)鍵幀影像的幀率較高，為保證影像重疊率，每隔一點(diǎn)時(shí)間提取一張關(guān)鍵幀影像，而通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載的GPS設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)為離散點(diǎn)坐標(biāo)，為保證后續(xù)處理中提取的關(guān)鍵幀影像均有GPS信息，則對(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理。

1 無(wú)人機(jī)視頻流影像數(shù)據(jù)獲取

1.1 飛行前準(zhǔn)備

與傳統(tǒng)航空影像獲取方式一樣，在進(jìn)行無(wú)人機(jī)視頻流影像數(shù)據(jù)獲取之前，需進(jìn)行前期工作準(zhǔn)備，包括資料收集、測(cè)區(qū)踏勘、儀器設(shè)備的檢查等[ 2 ]。此外，對(duì)無(wú)人機(jī)視頻流影像獲取系統(tǒng)而言，還需測(cè)試硬件設(shè)備。硬件系統(tǒng)主要包括機(jī)上發(fā)射部分（12V電池組、無(wú)線圖傳發(fā)射器（VVLINK-C6000-TX）、天線及天線連接線）和地面接收與顯示部分（無(wú)線數(shù)字圖傳接收機(jī)（VVLINK-C4000-RX）、電源及筆記本電腦）。在靜態(tài)環(huán)境下，測(cè)試視頻攝像機(jī)、天線、無(wú)線圖傳發(fā)射器與地面接收機(jī)之間的連通性及數(shù)據(jù)傳輸能力，檢查視頻攝像機(jī)、天線、電源系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)等工作是否正常，驗(yàn)證系統(tǒng)電磁兼容性、數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)輸入輸出功能等。

1.2 飛行計(jì)劃

飛行計(jì)劃指無(wú)人機(jī)飛行器的航線設(shè)計(jì)，根據(jù)測(cè)區(qū)具體情況、應(yīng)急測(cè)繪對(duì)數(shù)據(jù)的要求及系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，得到無(wú)人機(jī)外業(yè)作業(yè)時(shí)必備參數(shù)，即飛行航高、旁向間隔、航線條數(shù)、航線總長(zhǎng)度及飛行時(shí)間等。

1.3 外業(yè)飛行數(shù)據(jù)檢查

外業(yè)飛行獲取的數(shù)據(jù)可通過(guò)機(jī)上實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)傳回到地面站[3]，同時(shí)對(duì)獲取數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行檢查。與檢查傳統(tǒng)航空影像質(zhì)量不同，視頻影像的數(shù)據(jù)形式為流媒體，不需要考慮航向方向的重疊度，只需保證視頻影像質(zhì)量清晰，反差適中，顏色飽和，色彩鮮明，色調(diào)一致，無(wú)云霧遮擋、有較豐富的層次、能清晰地辨別地物影像、滿足外業(yè)全要素調(diào)繪和室內(nèi)判讀的要求，無(wú)需對(duì)影像航向重疊度進(jìn)行檢查。

2 無(wú)人機(jī)視頻流影像數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.1 攝像機(jī)的檢校

攝像機(jī)檢校是后續(xù)工作的前提，提高攝像機(jī)的檢校精度也是完成視頻流影像地理編碼與拼接的重要步驟。在對(duì)攝像機(jī)檢校之前，應(yīng)先確認(rèn)攝像機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)堅(jiān)固穩(wěn)定，不存在晃動(dòng)，同時(shí)要保證其光學(xué)結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)同樣可靠穩(wěn)定時(shí)，才能對(duì)其進(jìn)行檢校[ 4 ]。綜合考慮攝像機(jī)標(biāo)定的室內(nèi)檢定法、恒星攝影檢定法及試驗(yàn)場(chǎng)攝影檢定法等算法，本文擬采用室外檢校場(chǎng)進(jìn)行攝影機(jī)的幾何標(biāo)定，再利用Australia軟件解算其參數(shù)。其基本原理為：基于最小二乘平差理論，利用光束法區(qū)域網(wǎng)平差模型對(duì)獲取的檢校場(chǎng)數(shù)據(jù)和高精度控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量，解求出所需的攝像機(jī)幾何檢校參數(shù)，即像片內(nèi)方位元素、徑向畸變系數(shù)、切向畸變系數(shù)、CCD非正方形比例系數(shù)以及CCD非正交性的畸變系數(shù)。以中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院家屬樓作為檢校場(chǎng)地，具體過(guò)程如下：

1）檢查工作。在攝像機(jī)檢校之前，先將攝像機(jī)加固，固定拍攝距離保持不變。攝像機(jī)視頻拍攝時(shí)，應(yīng)檢查攝像機(jī)是否清晰、設(shè)置攝像機(jī)參數(shù)是否正確等，確認(rèn)無(wú)誤后進(jìn)行視頻拍攝。

2）視頻拍攝。首先在檢校場(chǎng)對(duì)面五樓樓頂進(jìn)行視頻拍攝。每隔一定距離按-90°、90°、180°旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)獲取的視頻數(shù)據(jù)。拍攝時(shí)采取凹凸形式路線行走，上下路線相差大致1m左右，再進(jìn)行樓下的視頻拍攝。拍攝時(shí)要求盡量保證所攝視頻的大幅面中均含有標(biāo)志點(diǎn)。

3）幾何檢校數(shù)據(jù)處理。其內(nèi)業(yè)處理流程如下：導(dǎo)入影像、設(shè)置相機(jī)參數(shù)、同名點(diǎn)提取、人工選取名點(diǎn)、自動(dòng)匹配同名點(diǎn)、光束法平差、查看結(jié)果和輸出報(bào)告等步驟。

2.2 GPS數(shù)據(jù)預(yù)處理

為使輕小型無(wú)人機(jī)視頻關(guān)鍵幀影像與GPS信息的時(shí)間同步，利用時(shí)間可將GPS信息與關(guān)鍵幀影像一一對(duì)應(yīng)。在輕小型無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)上主要安裝用于測(cè)圖的雙頻GPS和飛行控制系統(tǒng)中用于導(dǎo)航的單頻GPS。其中，單頻GPS導(dǎo)出的數(shù)據(jù)，能與相應(yīng)視頻影像數(shù)據(jù)時(shí)間相對(duì)應(yīng)，而從雙頻GPS中導(dǎo)出的數(shù)據(jù)本身含有GPS時(shí)間信息。利用兩者時(shí)間，視頻影像與雙頻GPS數(shù)據(jù)可對(duì)應(yīng)。由于雙頻GPS數(shù)據(jù)不連續(xù)，因此需構(gòu)造數(shù)學(xué)模型使其能計(jì)算每一個(gè)時(shí)刻的雙頻GPS數(shù)據(jù)。方法如下：

采用牛頓插值算法，以時(shí)間變化量Δt為變量，三維坐標(biāo)（X，Y，Z）為因量，擬合GPS軌跡信息。其中，以雙頻GPS和單頻GPS的時(shí)間坐標(biāo)軸相對(duì)應(yīng)的起始時(shí)刻T0為時(shí)間起點(diǎn)，定義與此時(shí)刻的時(shí)間間隔為變量Δt，與此時(shí)刻相對(duì)應(yīng)的GPS坐標(biāo)為因變量（X，Y，Z）。記GPS坐標(biāo)信息（T0，X0，Y0，Z0），（T1，X1，Y1，Z1），…，（Tn，Xn，Yn，Zn）等為GPS數(shù)據(jù)插值計(jì)算的已知數(shù)據(jù)，依次求出X、Y、Z 3個(gè)坐標(biāo)方向的插值函數(shù)。以X坐標(biāo)方向?yàn)槔唧w過(guò)程如下：

首先，求X坐標(biāo)方向的各階均差，定義插值函數(shù)為X，則各階均差計(jì)算式為：

由此便可得出視頻流影像數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，任意時(shí)刻的GPS信息。在進(jìn)行無(wú)人機(jī)視頻流影像數(shù)據(jù)處理研究時(shí)，重點(diǎn)應(yīng)用GPS定位數(shù)據(jù)，保證提取的任何時(shí)間點(diǎn)的關(guān)鍵幀影像均有GPS信息，應(yīng)對(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，為后續(xù)視頻影像地理編碼與拼接工作做準(zhǔn)備。

3 結(jié)論

針對(duì)應(yīng)急測(cè)繪的需求，以無(wú)人機(jī)為飛行平臺(tái)，搭載視頻攝像頭為傳感器，利用集成的無(wú)人機(jī)視頻流遙感系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取應(yīng)急數(shù)據(jù)，通過(guò)視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查看，能夠獲取災(zāi)區(qū)實(shí)時(shí)情況。區(qū)別于傳統(tǒng)航空影像數(shù)據(jù)的獲取與處理，針對(duì)視頻流數(shù)據(jù)的獲取與處理，在無(wú)POS信息和地面控制點(diǎn)數(shù)據(jù)的情況下，實(shí)現(xiàn)了影像的地理編碼與拼接。

參考文獻(xiàn)

[1]畢凱.無(wú)人機(jī)數(shù)碼遙感測(cè)繪系統(tǒng)集成及影像處理研究[D].中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，2009.

[2]林宗堅(jiān)，崔紅霞，孫杰，等.數(shù)碼相機(jī)的畸變差檢測(cè)研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2005，30（2）：122-125.

[3]趙小松，張宏偉，張國(guó)雄，等.攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)的研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2002，38（3）：149-151.

[4]向珉江，高厚磊，安艷秋，等.一種提高數(shù)據(jù)同步精度的自適應(yīng)插值算法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，36（8）：77-81，91.