計算機視覺技術在無人機上的應用

黃潔 唐守鋒 童敏明

摘 要：計算機能力的提高與計算機視覺技術的快速，使無人機從最初的軍事領域擴展到其它行業，得到了廣泛應用。通過查閱文獻，對無人機及計算視覺技術的起源與發展進行全面回顧，總結近年來計算機視覺技術結合無人機在農業、電力、交通、環保、救援、娛樂等領域的相關應用，對相關的調查數據進行分析統計并以圖表的形式展現。通過數據可以清楚發現計算機視覺與無人機的結合在未來還有很大上升空間。

關鍵詞：無人機;計算機視覺;自主應用

DOI：10. 11907/rjdk. 181607

中圖分類號：TP301文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2019）001-0014-03

Abstract： The improvement of computer capabilities and the development of computer vision technology have made important progress in the development of drone technology and applications. These technologies have provided a wide range of applications for drones and have risen from the initial military goals to applications in various industry sectors. This paper reviews and summarizes the origin and development of UAV and computer vision technology. Through reading the literature， the computer vision combined with the autonomous application of drones that has emerged in recent years is summarized，including agriculture，electricity，transportation，environmental protection，rescue，entertainment， etc.， the relevant survey data are analyzed and counted and displayed in the form of charts. Through the data， it can be clearly seen that the combination of computer vision and UAV has much room for growth in the future.

Key Words： UAV; computer vision; autonomous application

0 引言

計算機視覺也是近年興起的科學學科，由大衛·馬爾（David Marr）在20世紀80年代提出，最初獨立于其它學科。基于社會發展需要，無人機成為人工智能領域研究熱點，被廣泛應用于個行業領域。計算機視覺能為無人機提供大量豐富的視覺信息，以便獲取無人機相對位置并調整方位。計算機視覺與無人機的融合在實際應用中已有很多成功的實例。2018年3月，挪威峽灣將無人機用于垃圾清理的計劃已經正式啟動。據《英國衛報》2018年3月8日的報道，美軍一項無人機項目使用谷歌的人工智能技術，以供軍方審查，該項目標志著無人機與計算機視覺技術的成熟融合。

1 計算機視覺技術

計算機視覺技術是一種復雜仿生的過程，相比一般傳感器仿生技術，計算機視覺技術不僅是從環境中搜集圖像及視頻信息，還要通過計算機模擬人類大腦，對視覺傳感器搜集到的信息進行處理分析。計算機視覺技術已在不同的智能應用中顯示出強大的信息處理能力，但與人類帶有感情目標地分析信息相比，還有很大差距。

計算機視覺技術這個概念被馬爾在《視覺》中最早提出，他認為計算機視覺的理論方法首先應該從圖像開始，并提取真實物理場景的內容。在90年代，研究集中于計算機視覺技術在物料表面粗糙度檢測上的相關文獻，趙學增[1]在1992年曾發表《木質材料表面粗糙度計算機視覺檢測技術的研究》。與此同時，計算機視覺技術已經開始滲透各個領域，1997年王潮[2]發表的《基于計算機視覺的實時交通流檢測》中通過計算機視覺技術對車速、車流量等進行實時監測。此時，計算機視覺與無人機的結合還處于幾乎未知的狀態，直到21世紀初，計算機視覺與無人機技術的結合開始掀起一股熱潮，計算機視覺技術與無人機的結合用于無人機的自主著陸[3]、姿態測量[4]、導航避障[5]的研究已經陸續出現。到目前為止，計算機視覺技術與無人機仍是人工智能領域的關注焦點之一，存在巨大發展空間。

2 無人機

無人機最初的起源于第二次世界大戰，帶動了全球航空技術進步。中國的無人機實際上起源于前蘇聯。在20世紀60年代，中國研發了自主產品，被稱作長空一號， 1986年，呂慶風[6]發表的《“長空一號”無人機系列的研制與發展》，提出對長空一號進行一系列性能改進。改進后的長空一號被成功投入軍事領域。

在20世紀末21世紀初，全球無人機發展聚焦于軍事應用，無人機在軍事上的研發[7]及應用較多。隨著經濟的發展，無人機逐級擴展到其它領域。商業上，無人機常被用于監控線路、農業檢測或輔助災難救援等;生活上，一些小型無人機常被用于航拍婚禮、賽事體育等眾多項目。

高遠洋[9]在《“無人機+”時代的生活是什么樣的？》中提到了無人機在各個領域的應用，其中包括農業、電力、交通、環保、救援、娛樂等等。中國報告網根據調查，對全球民用無人機市場規模作出預測，并統計了無人機市場地域占比，如圖1、圖2[10]所示。近年來無人機發展異常迅猛，雖然涉及到的領域明顯擴大，但在性能及要求上還存在很大空間。因此基于人工智能的無人機還有巨大的發展空間和潛力。

3 計算機視覺與無人機的結合

計算機視覺技術與無人機的結合逐漸從最初的航拍擴展到其它項目。2010年，王迪偉[11]提出了無人機航拍在外業調繪上的應用，指出無人機不僅縮短了作業周期，還極大提高了調繪精度。隨著社會發展需求的需要，無人機與計算機視覺相結合不僅用于地形測繪，還常用于自然災害災情獲取，通過自主應用對災區進行食物、水的投遞。

3.1 基于計算機視覺的無人機自主加油

2011年，丁萌等[12]提出使用無人機進行空中加油，空中加油指飛機在飛行過程中給其它飛機加油，當前世界上有兩種自主空中加油技術，一種是插頭—錐管式，被稱為軟式加油，通過加油吊艙放出加油軟管，受油機飛行員操縱飛機使受油探頭與加油錐套對接，頂開錐套內的單向活門實現加油。其優點是可以同時為多架飛機加油，還可以給直升機加油，缺點是加油速度較慢，受空氣亂流影響較大，對受油機飛行員技術要求較高。另一種是伸縮套管式，加油也稱為硬式加油，它是由控制機構、伸縮式加油管以及壓力供油機構組成，加油對接主要由員完成。其優點是加油速度較快，對受油機飛行員的技術要求較低，但一次只能為一架飛機加油，而且無法給直升機加油。第一種技術的關鍵之處就在于準確地估計探頭相對于錐套的位置和姿態，對此，已經有人提出基于單目視覺測量位置和方向的方法[13]。

3.2 基于視覺的無人機自主著陸

自主起飛與著陸是其最基本也是關鍵的技術之一。即使沒有操控員操作，無人機也可以通過慣性導航[14]、GPS導航[15]以及計算機視覺技術導航[16]等方法實現著陸，其中慣性導航誤差大，而GPS導航相對比較成熟，計算機視覺技術是新興技術。2003年，劉新華[17]提出在無人機的自主著陸過程中，通過計算機視覺技術獲取無人機姿態角的方法。通過使用MATLAB對拍攝到的灰度圖進行處理，從而檢測出圖像中的地平線，以便控制無人機著陸[17]。計算機視覺技術剛被用于無人機的著陸時魯棒性不好，近年來發展迅速，無人機著陸的魯棒性不斷被改善。劉暢等[18]提出利用結合視覺和慣性的導航算法獲取高精度的自主著陸中的導航信息。

3.3 基于視覺的無人機自主著陸

無人機與計算機視覺技術的結合不僅用于實現飛機加油、起飛、降落技術，還被用于眾多其它行業。2015年，周輝[19]提出計算機視覺技術在無人機進行電力巡檢中的應用，其中無人機利用計算機視覺的視頻跟蹤技術對絕緣子等特定目標進行定位跟蹤，實現自動導航，該應用有效地解決了惡劣環境下人工巡檢的安全問題。2016年，王昌[20]提出模擬無人機平臺，通過計算機視覺技術對油菜田中的雜草進行識別處理，并且通過試驗技術其精度證明很高，研究發現基于全波段和特征波段反射率的分類模型預測精度均高達100%。除了對雜草進行檢測，還有研究者提出利用安裝在無人機上的紅外設備監測農作物蟲害和缺水缺肥的問題，甚至可以預判森林火災的可能性，并將地理位置信息通過無人機系統準確反饋給控制平臺，這是計算機視覺與無人機結合在農業成功應用的典范[21]。2017年，賈其臣[22]提出以無人機為平臺，搭載視覺系統，對行人流量進行檢測與跟蹤，在特定場合中，該應用可以幫助避免人多區域的踩踏及其他危險事件，幫助維護公共安全。

4 結語

計算機視覺和無人機前景十分廣闊，隨著技術不斷深入發展，無人機技術有望在深度學習方面產生更大突破，例如：無人機取代快遞員人工投遞的方式，進行定點投遞。在安防行業，通過無人機的攝像頭讀取捕獲到的信息并通過無人機系統送回控制臺，實現單人對多片區的安全監控，或者是結合街道攝像頭用于追蹤逃犯及失蹤婦女小孩等。本文對無人機及計算機視覺技術作出回顧及評估，有助于幫助人們加深對無人機的認識，文中提出的新穎應用可以為無人機科研愛好者提供創新點。目前用于礦井災后無人機救援定位等相關文獻不多，在該方面的研究還不夠深入，針對還未成熟的領域如何更加智能地實現無人機與計算機視覺技術結合是未來研究的重點和難點。

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（責任編輯：江 艷）