海上航拍圖像目標(biāo)定位算法的數(shù)據(jù)采集

王 維，蘭培真，張浩東

(集美大學(xué)航海學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021)

0 引言

隨著航空技術(shù)和遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)航拍的應(yīng)用領(lǐng)域日趨廣泛．為有效提高海事監(jiān)管搜救能力，解決傳統(tǒng)海事巡航工作中航速慢、巡航半徑較小、巡航船的視野較窄等問(wèn)題，中國(guó)海事局在《海事系統(tǒng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中明確提出:在三大海區(qū)各配置2～3架固定翼飛機(jī)，用于在領(lǐng)海、毗連區(qū)、專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)承擔(dān)海上污染監(jiān)控、海上巡視、目標(biāo)搜尋、信息搜集等任務(wù)[1]．目前部分海事部門(mén) (如長(zhǎng)江海事局、浙江海事局)已開(kāi)始使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行海事巡航工作的嘗試．針對(duì)無(wú)人機(jī)海上航拍圖像的目標(biāo)定位問(wèn)題，文獻(xiàn)[2]提出了基于海上航拍圖像的目標(biāo)定位算法．該算法是根據(jù)無(wú)人機(jī)的空中位置和攝像機(jī)姿態(tài)等數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行海上目標(biāo)定位的，同時(shí)必須確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取與同步存貯．為實(shí)際應(yīng)用該算法，本文對(duì)相關(guān)信息的獲取方法以及采集數(shù)據(jù)的設(shè)備進(jìn)行研究，試從技術(shù)理論和實(shí)際應(yīng)用兩方面提出相應(yīng)解決方案．

1 海上航拍圖像定位算法所需數(shù)據(jù)

海上航拍圖像定位算法源自遙感科學(xué)中的航空攝影測(cè)量學(xué)，算法的實(shí)現(xiàn)依托航拍視頻圖像中單張航攝圖像的解析．確定圖像中目標(biāo)的位置信息，關(guān)鍵要確定航攝器材的攝影中心與圖像在地面設(shè)定的空間坐標(biāo)系中的位置與姿態(tài)，即內(nèi)方位元素和外方位元素．

內(nèi)方位元素是攝影中心與像片之間的位置參數(shù)，即攝影中心S到像片的主距f及圖像中物標(biāo)M在像片框坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，如圖1所示．

外方位元素則是航拍設(shè)備在拍攝成像瞬間所處的空間位置和姿態(tài)參數(shù)，包括三個(gè)直線元素和三個(gè)角元素．三個(gè)直線元素由所選取的地面空間坐標(biāo)系中的Xm，Ym，Zm三個(gè)參數(shù)構(gòu)成，如圖2所示．其中m點(diǎn)為航拍工作進(jìn)行中所拍攝的物標(biāo)所處的空間地理位置，與圖1中M點(diǎn)有別．三個(gè)角元素則由航拍設(shè)備在拍攝成像瞬間所處的姿態(tài)角φ(方向角)、θ(俯仰角)、φ(轉(zhuǎn)動(dòng)角)構(gòu)成，描述了以航拍設(shè)備攝影中心為原點(diǎn)構(gòu)成的航拍設(shè)備系統(tǒng)坐標(biāo)系與地理空間坐標(biāo)系之間的關(guān)系，如圖3所示．航拍設(shè)備系統(tǒng)坐標(biāo)固于設(shè)備，原點(diǎn)位于攝影中心處O，OXb沿設(shè)備橫向軸指向右，OYb沿縱向軸指向前，OZb垂直于 OXb和OYb指向上;同時(shí)，作為對(duì)比參考的地理空間坐標(biāo)系原點(diǎn)選取仍為攝影中心處，OX指向東，OY指向北，OZ沿垂向方向指天，也稱為東北天坐標(biāo)系．

方向角φ為航拍設(shè)備攝影中心縱軸OS在既定坐標(biāo)系水平面上的投影與該坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)的地理子午線之間的夾角，即繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，理論上的角度定義域?yàn)?～360°．

俯仰角θ為航拍設(shè)備攝影中心縱軸OS與既定坐標(biāo)系水平面之間的夾角，即繞X軸上下旋轉(zhuǎn)的角度，理論上的定義域?yàn)椋?0°～+90°．

轉(zhuǎn)動(dòng)角φ為航拍設(shè)備攝影中心橫軸OT與既定坐標(biāo)系水平面之間的夾角，即繞Y軸上下轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，理論上定義域?yàn)椋?80°～+180°．

圖1 內(nèi)方位元素Fig.1 the inside azimuth elements

圖2 外方位元素—直線元素Fig.2 the exterior orientation elements-linear elements

圖3 外方位元素—角元素Fig.3 the exterior orientation elements-angular elements

2 算法數(shù)據(jù)采集方法

算法所需數(shù)據(jù)通過(guò)相關(guān)的傳感器和測(cè)量設(shè)備獲?。畠?nèi)方位元素與航拍設(shè)備有著密切的關(guān)系，在實(shí)際拍攝測(cè)量中一般為已知數(shù)據(jù)，但需要注意的是，像主點(diǎn)在制造航拍設(shè)備時(shí)一般是置于標(biāo)框連線的交點(diǎn)處，在安裝和使用過(guò)程中，往往像主點(diǎn)會(huì)發(fā)生偏移，其偏移的程度直接會(huì)影響到內(nèi)方位元素的測(cè)量值，其測(cè)量精度將受到影響[3]，需要航拍設(shè)備制造廠家或檢測(cè)部門(mén)通過(guò)對(duì)攝像器材進(jìn)行定期檢測(cè)來(lái)確保精度．

外方位元素是用來(lái)確定航拍設(shè)備在拍攝瞬間的空間位置和姿態(tài)．目前，隨著GPS定位技術(shù)的不斷發(fā)展，為獲取空間線元素提供了技術(shù)支持，可以用GPS來(lái)測(cè)定拍攝時(shí)航拍儀器的空間位置坐標(biāo)．

對(duì)于角元素?cái)?shù)據(jù)可用慣性導(dǎo)航系統(tǒng) (INS)來(lái)獲取，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本元件為加速計(jì)和陀螺儀等傳感器，基本原理是通過(guò)傳感器來(lái)測(cè)量載體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而根據(jù)載體的角速度和線性加速度隨時(shí)間的變化，進(jìn)行導(dǎo)航方程式積分計(jì)算得到載體相對(duì)于慣性坐標(biāo)系統(tǒng)上姿態(tài)角．按照慣性量測(cè)單元 (IMU)的不同安裝方式，可分為平臺(tái)式系統(tǒng)和捷聯(lián)式系統(tǒng)，其中平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由于其體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壽命短、耗電量大及價(jià)格昂貴等特性，不適于搭載在小型固定翼飛機(jī)或直升機(jī)上，因此獲取算法所需的數(shù)據(jù)宜采用捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，即將IMU安裝于航拍設(shè)備之上，用數(shù)值計(jì)算來(lái)代替平臺(tái)式導(dǎo)航儀的模擬轉(zhuǎn)換功能[4]．因而其耗能、成本、體積、質(zhì)量都有大幅度的降低．

3 算法數(shù)據(jù)采集設(shè)備選型

由于內(nèi)方位元素與航拍所采用的攝像設(shè)備有著直接的關(guān)系，屬于設(shè)備固有屬性．因此，在選擇拍攝器材時(shí)應(yīng)充分考慮到實(shí)際拍攝的高度、范圍和持續(xù)時(shí)間等，以此來(lái)選擇焦距和拍攝角等屬性較為合適的設(shè)備．其中，為滿足算法應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)圖像內(nèi)方位數(shù)據(jù)與外方位數(shù)據(jù)的同步存儲(chǔ)，航拍設(shè)備應(yīng)有外置錄音功能 (有音頻輸入插孔)或可直接連接視頻采集卡．為了減輕載荷，應(yīng)該選擇輕便的攝像設(shè)備．

在獲取圖像外方位數(shù)據(jù)中線元素?cái)?shù)據(jù) (航拍設(shè)備空間位置信息)時(shí)，可以采用GPS定位設(shè)備，GPS定位設(shè)備的核心芯片是評(píng)價(jià)該設(shè)備優(yōu)劣的重要指標(biāo)，世界上影響較大的GPS芯片制造廠商有SiRF、Garmin、u－blox、索尼、Nemerix、uNav等，其中美國(guó)產(chǎn)的SiRF和歐洲產(chǎn)的u－blox在其性能、市場(chǎng)占有率均十分引人注目[5]．對(duì)SiRFstarⅢ和u－blox G5這兩種較為典型芯片進(jìn)行對(duì)比，兩套定位設(shè)備的定位精度不相上下．由于航拍工作需要GPS模塊具有低功耗、高靈敏度等特點(diǎn)，因此采用u－blox接收機(jī)更為合適．同時(shí)該設(shè)備的硬件和算法對(duì)于微弱信號(hào)的捕獲和跟蹤也有著較為合適的配置．隨著Galileo系統(tǒng)在全球的使用，u－blox芯片其雙模的特點(diǎn)也將擁有更為廣闊的應(yīng)用前景．

獲取圖像外方位數(shù)據(jù)中角元素?cái)?shù)據(jù)可以采用捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng) (SINS)，其工作原理是通過(guò)外部傳感器提供的信息使用捷聯(lián)姿態(tài)算法進(jìn)行姿態(tài)估計(jì)，即解算姿態(tài)矩陣，并通過(guò)方向余弦法、歐拉角法的數(shù)學(xué)方法將姿態(tài)表示出來(lái)[4]．能夠提供姿態(tài)估計(jì)算法信息的傳感器有陀螺儀、加速度計(jì)、GPS、磁強(qiáng)針、電子羅盤(pán)等，其中陀螺儀、加速度計(jì)和電子羅盤(pán)的應(yīng)用較多．

由于外方位角元素?cái)?shù)據(jù)的獲取僅僅靠一種設(shè)備單獨(dú)來(lái)進(jìn)行是有局限性的，所以需要將各個(gè)設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)聯(lián)合起來(lái)，相互補(bǔ)充．另外，陀螺儀的漂移誤差存在隨時(shí)間累積，且不易消除這一缺陷，在各個(gè)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行融合時(shí)也需要有一種算法對(duì)陀螺儀這一缺陷進(jìn)行不斷修正，以此來(lái)獲得更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)．隨著時(shí)代的進(jìn)步，微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS)的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了將各個(gè)傳感器結(jié)合的設(shè)想，它是微電子技術(shù)結(jié)合精密機(jī)械技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新領(lǐng)域，MEMS把低成本、功能可靠、復(fù)雜的微機(jī)電系統(tǒng)置于一塊很小的芯片上，并將傳感器和控制器與微電子元器件集成為一體，航姿參考系統(tǒng) (AHRS)便是由微陀螺儀和微加速度計(jì)等MEMS慣性測(cè)量元件構(gòu)成的微小型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，它利用微陀螺儀和微加速度計(jì)測(cè)出載體的角速度和加速度信號(hào)，經(jīng)解算輸出載體的實(shí)時(shí)姿態(tài)和航向等信息[6－7]．另外，由于其成本低、體積小、質(zhì)量輕、功耗低的優(yōu)勢(shì)也十分適合航拍工作．所以，獲取角元素?cái)?shù)據(jù)選用了

生產(chǎn)的Slim AHRS II型航姿參考系統(tǒng)慣性測(cè)量單元，其不僅具備了微三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)和三軸電子羅盤(pán)一系列MEMS慣性測(cè)量元件，并且在其芯片中載入了針對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)的在線零點(diǎn)漂移和加速度干擾過(guò)濾算法．同時(shí)，在數(shù)據(jù)融合時(shí)采用了擴(kuò)展卡爾曼濾波器算法，使得各元件之間的數(shù)據(jù)得到不斷修正，保證了航向和姿態(tài)的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)輸出[8]．其工作原理如圖4所示．

圖4 Slim AHRS II型航姿參考系統(tǒng)工作原理圖Fig.4 Working principle of Slim AHRS II

由于無(wú)人機(jī)搭載航拍器材進(jìn)行拍攝時(shí)的機(jī)械抖動(dòng)會(huì)影響到所拍攝的圖像質(zhì)量，因此，在工作中應(yīng)注意:1)搭載前期通過(guò)機(jī)械振動(dòng)測(cè)量的辦法，找出無(wú)人機(jī)振動(dòng)源點(diǎn)，搭載攝像設(shè)備時(shí)盡量避免與其重合，遠(yuǎn)離振動(dòng)源點(diǎn);2)通過(guò)機(jī)械防抖軟件 (如SteadyMove Pro)處理拍攝完成后的圖像，使其質(zhì)量合乎算法的標(biāo)準(zhǔn)要求．

無(wú)人機(jī)航拍過(guò)程中實(shí)現(xiàn)海上航拍圖像目標(biāo)定位算法的數(shù)據(jù)采集設(shè)備應(yīng)具有:1)體積小、質(zhì)量輕．2)功耗低．由于無(wú)人機(jī)海上航拍歷時(shí)長(zhǎng)，因此在海上航拍應(yīng)保持充足的電能保障，相關(guān)設(shè)備必須具有低功耗的特性，從而保證海上航拍工作的順利進(jìn)行．

4 結(jié)語(yǔ)

隨著無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)的不斷發(fā)展，以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，無(wú)人駕駛的固定翼飛機(jī)或直升機(jī)將成為海事監(jiān)管搜救工作當(dāng)中的“尖兵”，而海上航拍圖像目標(biāo)定位算法的研究很好地解決了在參照物稀少的海上環(huán)境中對(duì)航拍相關(guān)目標(biāo)的定位難題．本文列出了應(yīng)用該算法的關(guān)鍵數(shù)據(jù)種類(lèi)，并提出了數(shù)據(jù)的采集方案，還從實(shí)際應(yīng)用角度闡述了采集設(shè)備的選型原則．

海上航拍圖像目標(biāo)定位算法要求內(nèi)、外方位元素?cái)?shù)據(jù)在時(shí)間節(jié)點(diǎn)上必須保持高度同步，因而，視頻圖像和相關(guān)數(shù)據(jù)同步存儲(chǔ)是下一階段研究的重點(diǎn)．

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