計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)在目標(biāo)航拍定位中的應(yīng)用

石紅巖， 王江濤

(仰恩大學(xué) a.數(shù)學(xué)系； b.工程技術(shù)學(xué)院，福建 泉州 362014)

計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)在目標(biāo)航拍定位中的應(yīng)用

石紅巖a， 王江濤b

(仰恩大學(xué) a.數(shù)學(xué)系； b.工程技術(shù)學(xué)院，福建 泉州 362014)

目標(biāo)航拍定位通過(guò)航拍采集圖像信息，運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)對(duì)采集的圖像信息進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的定位。根據(jù)定位所需的信息，提出了數(shù)據(jù)的采集內(nèi)容以及實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位的方法，同時(shí)，為目標(biāo)航拍定位工程的實(shí)現(xiàn)提出了目標(biāo)航拍定位的硬件方案。仿真驗(yàn)證了提出的數(shù)據(jù)采集內(nèi)容、目標(biāo)定位方法的有效性。海上救援部門(mén)，可以利用航拍設(shè)備，對(duì)所轄海域進(jìn)行巡邏，一旦發(fā)現(xiàn)船只事故可以立刻掌握其位置信息，展開(kāi)搜救行動(dòng)。

計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)；航拍定位；硬件方案

0 引言

建設(shè)執(zhí)法部門(mén)稽查違章建筑、交警追巡逃逸車(chē)輛、海上救援行動(dòng)等等，很多都需要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位。常用的目標(biāo)定位方法有派遣人員巡視、通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行大致觀測(cè)等手段。這些手段有效率低下、存在盲區(qū)、定位不準(zhǔn)等缺點(diǎn)。目前，隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的快速發(fā)展，通過(guò)圖像或者視頻數(shù)據(jù)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行快速拍攝與快速定位處理成為可能[1]?？罩信臄z(航拍)具有“站得高、看得遠(yuǎn)”的優(yōu)點(diǎn)[2]，而且飛行設(shè)備具有行動(dòng)迅速、不容易遭受破壞干擾等優(yōu)點(diǎn)。如果將計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)與航拍技術(shù)相結(jié)合用于目標(biāo)的定位將具有重要的實(shí)際意義。例如建設(shè)執(zhí)法部門(mén)可以采用遙控航拍設(shè)備，利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)定位技術(shù)，快速尋找在建或者已存在的違章建筑，視野寬廣全覆蓋，巡邏效率高；交警可以在發(fā)現(xiàn)可疑車(chē)輛的時(shí)候迅速使用遙控航拍設(shè)備對(duì)可疑車(chē)輛進(jìn)行跟蹤、定位，避免因?yàn)樾袆?dòng)反應(yīng)較慢、交通堵塞、路口監(jiān)控設(shè)備破壞而造成可疑車(chē)輛逃逸情況的發(fā)生，讓可疑車(chē)輛無(wú)處遁形。鑒于基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)與航拍技術(shù)對(duì)于目標(biāo)定位的重要現(xiàn)實(shí)意義，非常有必要研究一種采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的目標(biāo)航拍定位方法。

1 計(jì)算機(jī)視覺(jué)定位原理

計(jì)算機(jī)視覺(jué)定位技術(shù)越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的重視。從攝像設(shè)備的幾何模型建立視覺(jué)圖像與地球坐標(biāo)系的幾何關(guān)系。首先，輸入想定位的目標(biāo)信息，然后通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)采集的圖像進(jìn)行識(shí)別與匹配，計(jì)算出圖像中目標(biāo)的位置，運(yùn)用視覺(jué)圖像與地球坐標(biāo)系的幾何關(guān)系，最后計(jì)算出目標(biāo)在地球坐標(biāo)系中的絕對(duì)位置。

輸入的目標(biāo)信息主要是圖像特征參數(shù)，包括顏色、形狀等[3]。特征點(diǎn)是圖像的重要局部特征之一，它確定了圖像中目標(biāo)的顏色與形狀，對(duì)采集的圖像進(jìn)行特征點(diǎn)提取是計(jì)算機(jī)視覺(jué)定位中非常重要的一項(xiàng)工作。

計(jì)算機(jī)視覺(jué)處理模塊需要把圖像中提取的特征點(diǎn)與輸入目標(biāo)信息進(jìn)行匹配才能進(jìn)行目標(biāo)的識(shí)別。圖像匹配也是計(jì)算機(jī)視覺(jué)定位中非常重要的工作之一。由于點(diǎn)特征相對(duì)于線特征以及其他特征更容易提取與使用，所以通常圖像匹配都采用點(diǎn)特征匹配的方法[4]。

圖像中目標(biāo)絕對(duì)位置與目標(biāo)在地球上絕對(duì)位置的幾何模型，不同的攝像設(shè)備存在差異，但是基本都有一個(gè)固定的幾何模型，通過(guò)該模型可以方便地根據(jù)目標(biāo)在圖像中的位置計(jì)算出目標(biāo)在實(shí)際空間相對(duì)于圖像坐標(biāo)系原點(diǎn)的相對(duì)位置。只擁有該位置還不足以得到目標(biāo)的絕對(duì)位置。GPS定位技術(shù)是目前使用最為廣泛的地球坐標(biāo)絕對(duì)位置獲取方法之一[5]，通過(guò)在攝像設(shè)備上加裝GPS可以簡(jiǎn)單快速地得到攝像機(jī)的絕對(duì)位置。通過(guò)圖像坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系之間的關(guān)系，可以方便地得出拍攝某圖片時(shí)，圖像坐標(biāo)系原點(diǎn)的絕對(duì)位置。圖像坐標(biāo)系的原點(diǎn)坐標(biāo)與目標(biāo)實(shí)際在圖像坐標(biāo)系上的空間相對(duì)位置相加便可得到目標(biāo)在地球坐標(biāo)系上的絕對(duì)位置。

2 目標(biāo)航拍定位硬件方案

為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的航拍定位，需要使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)處理模塊、信息傳輸模塊、遙控模塊、GPS模塊、圖像采集模塊、飛行平臺(tái)等功能模塊。計(jì)算機(jī)視覺(jué)處理模塊的作用為：目標(biāo)信息的輸入、圖像處理、GPS位置修正與導(dǎo)入、目標(biāo)定位。常用硬件為單片機(jī)或者嵌入式系統(tǒng)[6-7]。信息傳輸模塊分為控制臺(tái)端信息傳輸模塊與飛行端信息傳輸模塊，其主要負(fù)責(zé)信息的發(fā)送與傳輸。遙控模塊分為控制臺(tái)遙控模塊與飛行端控制模塊?？刂婆_(tái)遙控模塊負(fù)責(zé)遙控指令發(fā)送；飛行端遙控模塊負(fù)責(zé)遙控指令的接收與執(zhí)行。GPS天線的作用是對(duì)圖像采集裝置位置進(jìn)行定位，安裝的時(shí)候應(yīng)安裝與艏艉連線上[8]，最好在圖像采集裝置的正上方。圖像采集模塊負(fù)責(zé)圖像的采集，常用設(shè)備是攝像機(jī)與照相機(jī)，安裝在飛行平臺(tái)的艏艉連線上，最好安裝與GPS天線正下方。飛行平臺(tái)可以是無(wú)人機(jī)、無(wú)人飛艇等設(shè)備。

圖1 目標(biāo)航拍定位硬件方案

目標(biāo)航拍定位硬件可以有兩種結(jié)構(gòu)方案，如圖1所示。方案一為：控制臺(tái)由計(jì)算機(jī)視覺(jué)處理模塊、信息傳輸模塊以及遙控模塊組成；飛行端由GPS模塊、信息傳輸模塊、圖像采集模塊、遙控模塊及飛行平臺(tái)組成。方案一的優(yōu)點(diǎn)為飛行端結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，且任務(wù)較少，圖像的處理目標(biāo)的定位都交由地面控制臺(tái)完成，處理速度快速，人機(jī)交互方便，成本較低；缺點(diǎn)是圖像傳輸工作量大，容易受干擾，信息傳輸模塊負(fù)擔(dān)較重。方案二為：控制臺(tái)由信息傳輸模塊與遙控模塊組成，飛行端由計(jì)算機(jī)視覺(jué)處理模塊、GPS模塊、信息傳輸模塊、圖像采集模塊、遙控模塊及飛行平臺(tái)組成。方案二的優(yōu)點(diǎn)為信息傳輸模塊工作量少，不容易受干擾，圖像可以不用全部傳輸，可以只傳輸一些相對(duì)敏感的圖像，除了控制臺(tái)還可以發(fā)展多終端接收設(shè)備，接收目標(biāo)定位的結(jié)果信息，可擴(kuò)展性強(qiáng)；缺點(diǎn)為飛行端結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作量大，成本較高。兩種硬件方案各具優(yōu)缺點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)實(shí)際需求確定采用何種方案，例如：違章建筑搜尋，需要頻繁的人機(jī)交互，采用方案一更加便捷；可疑車(chē)輛搜尋最終希望處于不同位置的不同人都能實(shí)時(shí)掌握信息，需要多接收終端，采用方案二更為適合。

使用時(shí)，第一步應(yīng)該首先讓飛行端在標(biāo)校飛行高度，對(duì)攝像頭角度進(jìn)行調(diào)整，對(duì)圖像與實(shí)際距離的比例進(jìn)行記錄。第二步，通過(guò)控制臺(tái)載入目標(biāo)信息以及初始飛行參數(shù)等信息。第三步，放飛飛行端，通過(guò)控制臺(tái)控制飛行端的飛行，并通過(guò)控制臺(tái)或者其他接收終端接收飛行端傳輸過(guò)來(lái)的信息進(jìn)行目標(biāo)的定位，以此實(shí)現(xiàn)區(qū)域的巡查、追蹤或者搜救等目的。

3 航拍定位方法

3.1 坐標(biāo)系的建立

研究基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的目標(biāo)航拍定位，需要在大地上和圖像上建立坐標(biāo)系。涉及到地球坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系與圖像坐標(biāo)系，因?yàn)橹豢紤]地面目標(biāo)的定位，坐標(biāo)系可以只采用水平面坐標(biāo)系。 地球坐標(biāo)系是目標(biāo)空間位置的絕對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)，它是全局坐標(biāo)系， 可以用來(lái)描述地球上的任何位置。 攝像機(jī)坐標(biāo)系是以攝像機(jī)位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，以正北方向?yàn)閅軸的坐標(biāo)系。圖像坐標(biāo)系以圖像中心為原點(diǎn)，以飛行平臺(tái)艏向?yàn)閅軸。圖像坐標(biāo)系可以由攝像機(jī)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)ψ(艏向角)得到。

3.2 目標(biāo)相對(duì)航拍器的位置計(jì)算

通過(guò)航拍圖像標(biāo)校，得到兩目標(biāo)相距l(xiāng)0時(shí)，在h0的高度上，對(duì)應(yīng)攝像頭圖像上面的距離為c0，當(dāng)高度不變時(shí)有：

其中：l為兩目標(biāo)相距距離，c為兩目標(biāo)在航拍圖像上的距離。

當(dāng)高度變?yōu)閔時(shí)則有兩目標(biāo)距離l為：

設(shè)航行器的艏向?yàn)棣祝瑒t有攝像頭坐標(biāo)系中，目標(biāo)在地面上實(shí)際的位置坐標(biāo)(x,y)為:

即：

3.3 目標(biāo)絕對(duì)位置計(jì)算

圖2 目標(biāo)絕對(duì)位置計(jì)算

圖3 采用航拍器在高空中拍攝的圖像

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該方法的有效性，在武漢某上空利用航拍器進(jìn)行了實(shí)測(cè)檢驗(yàn)。步驟如下： (1)調(diào)整攝像頭角度，使航拍器水平飛行時(shí)，攝像頭恰好位于拍攝區(qū)域正上方即最中心；(2)調(diào)整航拍器飛行姿態(tài)，保持其在1米高度水平動(dòng)態(tài)定位，拍攝水平面上1米長(zhǎng)度標(biāo)尺，得到的圖像中標(biāo)尺長(zhǎng)度為0.0165米并進(jìn)行記錄；(3)采用航行器在2900米高空拍攝的圖像，并記錄拍攝該照片時(shí)航拍器的艏向與GPS獲取的位置坐標(biāo)。其中黃色的坐標(biāo)系標(biāo)識(shí)為圖像坐標(biāo)系標(biāo)識(shí)，矩形框中心為待定位目標(biāo)。圖像尺寸大小為(15cm＊15cm)，航拍器記錄拍攝圖片時(shí)飛行平臺(tái)艏向角為35deg，飛行端攝像頭的位置為(30°37′22.50″'N,114°17′43.43″)。計(jì)算機(jī)視覺(jué)處理模塊第一步處理得到目標(biāo)在圖像中的位置為(-6.6688cm，2.8442cm)，第二步處理得到目標(biāo)在攝像頭坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)為(-1246.8466m,-262.7988m)，第三步，對(duì)攝像頭位置坐標(biāo)進(jìn)行高斯坐標(biāo)轉(zhuǎn)換并與目標(biāo)在攝像頭坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)相加，并經(jīng)高斯坐標(biāo)到地球坐標(biāo)反變換，得到目標(biāo)的位置為(30°37′36.99″N,114°16′58.69″E)。

5 結(jié)語(yǔ)

基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的目標(biāo)定位技術(shù)研究在國(guó)內(nèi)還處于起步階段，在稽查違章建筑、交警追巡逃逸車(chē)輛、海上救援行動(dòng)等領(lǐng)域均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 由于地面或者海面上物體的位置與航拍圖像上的相點(diǎn)存在幾何對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)研究它們的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立目標(biāo)在圖像上的位置以及目標(biāo)在攝像頭坐標(biāo)系中的位置的幾何關(guān)系模型，并通過(guò)GPS導(dǎo)入攝像頭的絕對(duì)位置，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的手段獲取目標(biāo)較為精確的地球坐標(biāo)位置。仿真實(shí)驗(yàn)表明:應(yīng)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的目標(biāo)航拍定位方法切實(shí)可行，能夠通過(guò)航拍手段，快速、便捷、精確的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的定位，可滿足稽查違章建筑、交警追巡逃逸車(chē)輛、海上救援行動(dòng)等領(lǐng)域目標(biāo)定位的需求。目前只研究了攝像頭位于待拍攝區(qū)域正上方拍攝圖像的定位方法，該種方法對(duì)于航拍器的飛行姿態(tài)要求較高，如果飛行姿態(tài)存在誤差，也會(huì)影響定位的精度。今后，還需要深入研究任意角度拍攝情況下的目標(biāo)定位方法，并對(duì)定位誤差的來(lái)源進(jìn)行優(yōu)化，降低對(duì)拍攝姿態(tài)的要求，使得對(duì)飛行平臺(tái)的控制性能降低，以期達(dá)到便捷、快速、簡(jiǎn)單以及低成本的使用要求。

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責(zé)任編輯：程艷艷

ApplicationofComputerVisionTechnologyinTargetAerialShotLocation

SHIHongyana,WANGJiangtaob

(a．DepartmentofMathematics;b.CollegeofEngineeringTechnology,Yang-EnUniversity,Quanzhou362014,China)

Target aerial shot positioning captures the image information by aerial shot, and then uses the computer vision technology to process the collected image information so as to achieve the target location. According to the information needed for positioning, this paper puts forward the method of data acquisition and target localization. At the same time, it gives the hardware scheme for the target aerial shot positioning. The simulation results verify the effectiveness of the contents of the collected data and the method of the target location. Maritime rescue departments can use the aerial equipment to patrol the waters within the jurisdiction and immediately grasp the location information of the ship to search and rescue if there is an accident happened.

computer vision technology; aerial positioning; hardware scheme

2017-03-12

福建省教育廳中青年教師教育科研項(xiàng)目(JA15581)

石紅巖(1983-)，男，山東鄆城人，講師，碩士，主要從事密碼學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)方面研究；王江濤(1980-)，男 ，山東威海人，副教授，碩士，主要從事密碼學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)方面研究。

TP391

A

1009-3907(2017)04-0008-04