基于Pixhawk的四旋翼無人機(jī)光流改進(jìn)算法研究

邱鵬瑞

(1. 昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院， 昆明 650093； 2. 昆明冶金高等專科學(xué)校， 昆明 650033)

0 引言

1 光流算法原理

光流是由于物體表面、邊界和物體本身在被觀察場(chǎng)景中與觀察者之間發(fā)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的表觀運(yùn)動(dòng)方式。光流理論問世于20世紀(jì)80年代，光流中包含了很多的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)信息，因此很多異常檢測(cè)、避障和運(yùn)動(dòng)物體跟蹤都能用到光流信息。光流是由三維空間中的點(diǎn)A=(X，Y，Z)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生[5-6]，如圖1所示。

圖1 計(jì)算光流的投影幾何

其中，O為攝像機(jī)坐標(biāo)原點(diǎn)，f為攝像機(jī)焦距，點(diǎn)A在圖像平面的投影a=(x,y),點(diǎn)A在方程中的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，為式(1)。

(1)

(2)

(3)

(4)

計(jì)算光流的技術(shù)主要基于塊匹配法，具體操作是把圖像序列里相鄰的圖像子塊進(jìn)行匹配來對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行估計(jì)[8-9]。算法將圖像分成若干個(gè)子塊，相同子塊的像素運(yùn)動(dòng)均相同。按照物理學(xué)運(yùn)動(dòng)合成分解的法則，復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)可以分解為若干簡(jiǎn)單平移運(yùn)動(dòng)的和。塊匹配法原理就是將運(yùn)動(dòng)的物體視為多個(gè)或者一個(gè)平移運(yùn)動(dòng)剛體，其前提條件是在圖像場(chǎng)景中沒有大的遮擋物。假定有兩幀圖像，把第一幀圖像分為N*N或者N*M像素的子塊，在(N+2w)*(N+2w)的匹配窗口中把待處理塊同第一幀待處理塊進(jìn)行對(duì)比，按照匹配標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)最佳匹配，確定處理的塊的替代位置。匹配標(biāo)準(zhǔn)采用均方差MSE和平均絕對(duì)值誤差MAE，其定義為式(5)、(6)。

(5)

(6)

式(5)、(6)中，i≥-w，j≤w。I1(m,n)是待處理的塊在第一幀圖像的(m,n)位置，I2(m+i,n+j)是待處理的塊在第二幀圖像的(m+i,n+j)位置。使用全搜索法對(duì)(N+2w)*(N+2w)窗口中的所有圖像計(jì)算最小匹配誤差子塊，對(duì)每個(gè)運(yùn)動(dòng)向量進(jìn)行迭代搜索，次數(shù)為(N+2w)*(N+2w)次。……