無人機(jī)高空?qǐng)D像的識(shí)別技術(shù)

付鄭語

摘 要 近幾年無人駕駛飛機(jī)（以下簡(jiǎn)稱無人機(jī)）在低空、超低空等領(lǐng)域得到長(zhǎng)足的發(fā)展，運(yùn)用范圍也逐步擴(kuò)大，機(jī)器也由高精尖向平民化邁進(jìn)。無人機(jī)高空?qǐng)D像識(shí)別是無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)重要部分，但因需求不一致，導(dǎo)致無人機(jī)拍攝的圖像質(zhì)量參差不齊，很多圖像都不能進(jìn)行存儲(chǔ)和重復(fù)利用，導(dǎo)致人力和機(jī)器的重復(fù)運(yùn)作和資源浪費(fèi)。文章結(jié)合相關(guān)理論，對(duì)無人機(jī)高空?qǐng)D像識(shí)別相關(guān)理論進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】無人機(jī) 高空拍攝 圖像識(shí)別 自動(dòng)成圖

雖然民用無人機(jī)應(yīng)用范圍狹窄，但也給生產(chǎn)和生活帶來了天翻地覆的變化。玩具飛行器讓原來許多不可想的事情變成了現(xiàn)實(shí)，運(yùn)輸讓相關(guān)行業(yè)越來越快捷，航拍和高空攝影增加了生活的多彩性，催生了民用精確導(dǎo)航等相關(guān)行業(yè)。由于無人機(jī)自身的局限性，往往拍攝的成果很難一次成形（成圖）或圖像很難指導(dǎo)下次使用，造成重復(fù)拍攝等資源浪費(fèi)。因此，應(yīng)該加強(qiáng)無人機(jī)拍攝的相關(guān)設(shè)置，形成無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)地圖，或與GPS相應(yīng)系統(tǒng)對(duì)接使無人機(jī)自主飛行、自主著落，或調(diào)整相關(guān)系數(shù)調(diào)控?zé)o人機(jī)的控制范圍等……想拓展無人機(jī)的運(yùn)用范圍，必須進(jìn)行自主導(dǎo)航、自主起落等各方面的研究。筆者曾參與相關(guān)機(jī)器人、無人機(jī)研究小組，在這方面做了大量的學(xué)習(xí)、研究工作。2016年7月3日下午，在德國萊比錫舉行的2016第20屆機(jī)器人世界杯賽決賽。筆者所在的機(jī)器人代表隊(duì)表現(xiàn)優(yōu)異，最終戰(zhàn)勝包括來自德國的33支國際隊(duì)伍，以總分3400超出第二名伊朗隊(duì)730分的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，再次獲得救援項(xiàng)目（RescueLine）單項(xiàng)賽世界冠軍。在清華大學(xué)舉辦的第二屆“登峰杯”全國中學(xué)生學(xué)術(shù)科技創(chuàng)新大賽機(jī)器人競(jìng)賽“室內(nèi)空中機(jī)器人”項(xiàng)目中，就是設(shè)計(jì)一個(gè)四旋翼機(jī)器人，模擬實(shí)現(xiàn)小型四旋翼無人直升機(jī)遙控飛行，并完成精準(zhǔn)定點(diǎn)飛行與飛行避障、航拍等任務(wù)，先將不同顏色但相同形狀的物料分類搬運(yùn)到設(shè)定的目標(biāo)區(qū)域，再“環(huán)游世界”到設(shè)定的目標(biāo)區(qū)域，最后在無人遙控下飛行到設(shè)定的目標(biāo)區(qū)域。筆者也參與了該項(xiàng)目的比賽。

1 測(cè)量相關(guān)理論分析

狹義上的測(cè)量概念，就是指將現(xiàn)場(chǎng)的構(gòu)建筑物按照一定的測(cè)量規(guī)律展布在相關(guān)圖紙上，這里有四個(gè)基本要素，就是測(cè)量對(duì)象、計(jì)量單位、測(cè)量方法、精確度。一般使用無人機(jī)進(jìn)行高空?qǐng)D像掃描測(cè)量，這四個(gè)概念很明確。就是將擬執(zhí)行航行任務(wù)區(qū)域的地形、地貌、建筑物、構(gòu)筑物等均測(cè)量掃描清楚。一般的車用導(dǎo)航GPS系統(tǒng)均為二維系統(tǒng)，即有精度不同的長(zhǎng)度和寬度，根據(jù)衛(wèi)星反射頻率時(shí)差的位置變化起到導(dǎo)航作用。但無人機(jī)導(dǎo)航時(shí)，除確定平面位置外，還需明確周邊相應(yīng)物體的高度，如果物體的高度超越了無人機(jī)的飛行高度，則必須采用相應(yīng)措施（抬升或繞道）。如果人工近距離（視野范圍）操作無人機(jī)可以避免這個(gè)問題，但是如果執(zhí)行距離較遠(yuǎn)、精度要求較高的任務(wù)，則必須采用無人機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)。因此，必須建立三維的立體系統(tǒng)模型，準(zhǔn)確進(jìn)行無人機(jī)導(dǎo)航操作，這是未來無人機(jī)項(xiàng)目發(fā)展的必經(jīng)階段。目前普遍采用的測(cè)量方案為在已有GPS導(dǎo)航的基礎(chǔ)上加上高程方面的測(cè)量，形成全新的三維立體模式。

2 無人機(jī)航拍成圖系統(tǒng)理論分析

造價(jià)昂貴的無人機(jī)或軍用無人機(jī)，一般配置雷達(dá)系統(tǒng)，能直觀的體現(xiàn)空間各物體的相應(yīng)位置。但我們接觸到的民用無人機(jī)一般因其低廉的價(jià)格，很難獲得較高的配置。結(jié)合目前國內(nèi)相應(yīng)的無人機(jī)研究機(jī)構(gòu)的研究資料顯示，要想建立無人機(jī)高空導(dǎo)航系統(tǒng)，就必須建立航拍成圖系統(tǒng)，充分利用無人機(jī)的航拍功能為其導(dǎo)航服務(wù)。

眾所周知，由于各種起伏地形地貌的差別，相對(duì)于無人機(jī)系統(tǒng)來說原始地面高差較大，坐立在原始地面上的各種物體差別也較大。無人機(jī)起飛升空后，其攜帶的攝像頭雖然可以實(shí)時(shí)記錄地面的變化，但無法提前預(yù)知這些變化；如果人工操作，可以根據(jù)這些配備的攝像頭來確定升高、降低或者繞道等各種操作指令，但人工智能系統(tǒng)對(duì)此識(shí)別度較差，很難自主避開相應(yīng)的障礙物。由于無人機(jī)在飛行時(shí)，高低起伏不定而所攜帶的攝像頭放大倍數(shù)一般不作調(diào)整，這樣因?yàn)榍昂蟮母叨炔睢r(shí)間差和路程差所拍攝的圖片會(huì)出現(xiàn)比例嚴(yán)重不一致的現(xiàn)象；相對(duì)于固定物體來說，部分大型流動(dòng)物體（如電車等）、臨時(shí)性出現(xiàn)的物體（如大巴或短時(shí)施工車輛）均會(huì)對(duì)成圖系統(tǒng)形成干擾；另外，各種天氣的變化、氣候的變化等均會(huì)引起地面標(biāo)志物的些許改變，這都是需要在航拍成圖時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。這就需要我們?cè)诤脚某蓤D時(shí)遵循一定的規(guī)律，去避免矛盾與重復(fù)。

3 無人機(jī)航拍拼圖理論分析

由于無人機(jī)的攝像頭視角范圍有限，經(jīng)過多次拍攝的圖像系統(tǒng)需要在電腦相關(guān)軟件上進(jìn)行拼圖，才能形成本地區(qū)或本區(qū)域的導(dǎo)航地圖。在拼圖時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照測(cè)量相關(guān)理論進(jìn)行多點(diǎn)重復(fù)拼接。例如，兩個(gè)比例不同的圖像在進(jìn)行比例縮放后，應(yīng)至少找3點(diǎn)以上的不同區(qū)域進(jìn)行拼圖，如果這三點(diǎn)均可以拼圖成功，再進(jìn)行一些“多余”的檢查，即檢查已經(jīng)拼接成功的部分，是否有重影和協(xié)調(diào)不和諧的部分。圖像拼接完成后，再結(jié)合GPS導(dǎo)航系統(tǒng)建立三維立體的導(dǎo)航系統(tǒng)。

4 “登峰杯”比賽及綜合應(yīng)用

在清華大學(xué)舉辦的第二屆“登峰杯”全國中學(xué)生學(xué)術(shù)科技創(chuàng)新大賽機(jī)器人競(jìng)賽“室內(nèi)空中機(jī)器人”項(xiàng)目中，就是設(shè)計(jì)一個(gè)四旋翼機(jī)器人，模擬實(shí)現(xiàn)小型四旋翼無人直升機(jī)遙控飛行，并完成精準(zhǔn)定點(diǎn)飛行與飛行避障、航拍等任務(wù)，先將不同顏色但相同形狀的物料分類搬運(yùn)到設(shè)定的目標(biāo)區(qū)域，再“環(huán)游世界”到設(shè)定的目標(biāo)區(qū)域，最后在無人遙控下飛行到設(shè)定的目標(biāo)區(qū)域。這是四旋翼直升機(jī)機(jī)器人作為無人機(jī)高空?qǐng)D像識(shí)別的一個(gè)綜合利用案例，尤其是最后的“在無人遙控下飛行到設(shè)定的目標(biāo)區(qū)域”這個(gè)小項(xiàng)目。雖然是室內(nèi)比賽，但是項(xiàng)目技術(shù)參數(shù)、技術(shù)指標(biāo)、航拍理論、拼圖理論等均能在比賽中得到應(yīng)用。

該項(xiàng)目要求參賽的機(jī)器人為四旋翼無人機(jī)，該無人機(jī)型旋翼對(duì)稱分布在機(jī)體的前后、左右四個(gè)方向，四個(gè)旋翼處于同一高度平面，且四個(gè)旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，四個(gè)電機(jī)對(duì)稱的安裝在飛行器的支架端，支架中間空間安放飛行控制計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備。要實(shí)現(xiàn)無人遙控下飛行，必須準(zhǔn)確判斷其所通過的障礙物的情況，計(jì)算飛行高度。比賽相對(duì)比較簡(jiǎn)單，如果在野外執(zhí)行無人遙控任務(wù)，這就需要我們?cè)跓o人機(jī)執(zhí)行任務(wù)之前完成航拍進(jìn)行3D高空?qǐng)D像識(shí)別、航拍成圖、圖像拼接等一系列工作，然后再執(zhí)行任務(wù)。

5 綜述

近幾年，雖然無人機(jī)在民用領(lǐng)域取得了長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展，但是還有很多領(lǐng)域需要我們?nèi)パ芯块_發(fā)，讓其具備更優(yōu)的性能，更好地為生產(chǎn)生活服務(wù)。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

大連市第八中學(xué) 遼寧省大連市 116021