航空摄影仪智能旋像设备及智能旋像方法
【专利摘要】本发明公开了一种航空摄影仪智能旋像设备，包括数码摄像头、伺服电机，数码摄像头与航空摄影仪组合为一个刚体结构，两者的主光轴平行，两者矩形画幅边框的航向和旁向均平行，还包括有工业控制计算机，所述的数码摄像头的影像发送给工业控制计算机，工业控制计算机进行旋偏角度的计算，然后将计算出来的角度值数字信号发送给伺服电机，所述的伺服电机带动该组合刚体结构旋转该角度，使航空摄影仪航向指向飞机飞行方向。本发明相比由摄影员识别旋偏角，计算机自动识别具有可靠性好、精度高、实时性强等优点，满足高精度、大比例尺航空摄影测量的需要。
【专利说明】航空摄影仪智能旋像设备及智能旋像方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及航空摄影仪领域，尤其涉及一种航空摄影仪智能旋像设备及智能旋像方法。
【背景技术】
[0002]目前，航空摄影仪执行航空摄影任务之前，先在地面上将航空摄影仪安置在飞行平台上，通常安置到运输机、蜜蜂飞机、大型无人机等飞机上。安置时，将航空摄影仪的航向与飞机机头指向一致，使得飞机在无风飞行情况下，航空摄影仪摄得的影像旋偏角度为零，便于影像数据的后期处理。飞机在空中进行拍摄，受到侧向风的影响时，为沿起飞前设计的航线飞行，飞机机头指向由航线方向向侧风吹来的方向偏转一定角度，形成飞机的偏流角。此时如果航空摄影仪航向依然指向飞机机头方向，所摄取的影像会有旋偏角，航空摄影测量外方位元素的角度方位元素中的旋偏角大，从而形成的多个小影像的分布、影像构成状态会给后续影像相关生产等带来不便，因此航空摄影一般要求旋偏角小于14度。为减小或消除旋偏角，应该使航空摄影仪航向平行于航线方向，因此，需要将航空摄影仪航向由机头方向旋转到飞机的实际飞行方向。
[0003]目前，旋偏角的纠正主要通过摄影员观测，进而进行大致纠正，或者不进行纠正，这就大大降低了摄影仪对天气的适应能力，减少了航摄仪的适用范围。以国产的航空摄影仪SWDC数字航空摄影仪为例，数码摄像头与航空摄影仪组合为一个刚体结构，两者的主光轴平行，两者矩形画幅边框的航向和旁向均平行。数码摄像头的影像输出到显示器上，由摄影员通过观察相邻影像上同一标志地物的连线与画幅边框的航向之间的夹角是否为零度，来判断是否需要调节偏流角。如果需要调节偏流角，摄影员采用手动方式概略调节偏流角度，所调节偏流角度数值可以通过观察数字罗盘看到，并通过数字罗盘将调整的角度传送给伺服电机，伺服电机带动航摄仪旋转，使得偏流角得到调整。其他数字航摄仪，如LAC，没有偏流角改正措施，极大限制了其使用条件。国内其他数字航空摄影仪，大多为无人机搭载的航空摄影仪，航空摄影仪装备简单，没有偏流角改正设备。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种航空摄影仪智能旋像设备及智能旋像方法，能够实时计算数码摄像头与航空摄影仪组合刚体的航向与飞机飞行方向的旋偏角度，完成智能旋像功能，精度高。
[0005]本发明采用下述技术方案:一种航空摄影仪智能旋像设备，包括数码摄像头、伺服电机，数码摄像头与航空摄影仪组合为一个刚体结构，两者的主光轴平行，两者矩形画幅边框的航向和旁向均平行，还包括有工业控制计算机，所述的数码摄像头的影像发送给工业控制计算机，工业控制计算机进行组合刚体的航向与飞机飞行方向的旋偏角度的计算，然后将计算出来的角度值数字信号发送给伺服电机，所述的伺服电机带动该组合刚体结构旋转该角度，使航空摄影仪航向指向飞机飞行方向。[0006]所述的工业控制计算机进行旋偏角度的计算的具体步骤为:(I)、获取相邻两帧影像；(2)、对相邻两帧影像进行处理从而得到相邻两帧影像的同名特征点；(3)、计算所有同名特征点到两帧影像的重叠区中心像素的距离，得出距离最小的一对同名特征点，此对同名特征点为第一帧图像上的A点和第二帧图像上的B点；(4)、将第一帧图像上的A点映射到第二帧影像上，为A'点，则在第二帧影像上的A'点坐标为(X1, Y1), B点坐标为(X2, Y2)，则有:ctan Θ = (Y2-Y1) /(X2-X1)，则可求出旋偏角 Θ。
[0007]所述的数码摄像头的分辨率为1000*900。
[0008]所述的伺服电机的转子通过皮带与航空摄影仪的转动盘连接，带动该组合刚体旋转该角度
利用一种航空摄影仪智能旋像设备实现的航空摄影仪智能旋像方法，包括以下步骤: (I)、数码摄像头的影像发送给工业控制计算机，(2)、工业控制计算机进行组合刚体的航向与飞机飞行方向的旋偏角度的计算，(3)、工业控制计算机将计算出来的角度值数字信号发送给伺服电机，所述的伺服电机带动组合刚体结构旋转该角度，使航空摄影仪航向指向飞机飞行方向
所述的步骤(2)中工业控制计算机进行旋偏角度的计算的具体步骤为:(21)、获取相邻两帧影像；(22)、对相邻两帧影像进行处理从而得到相邻两帧影像的同名特征点；(23)、计算所有同名特征点到两帧影像的重叠区中心像素的距离，得出距离最小的一对同名特征点，此对同名特征点为第一帧图像上的A点和第二帧图像上的B点；(24)、将第一帧图像上的A点映射到第二帧影像上，为A'点，则在第二帧影像上的A'点坐标为(X1, Y1), B点坐标为(?, Y2)，则有:ctan Θ = (Y2-Y1) / (X2-X1)，则可求出旋偏角Θ。
[0009]本发明采用工业控制计算机接收数码摄像头的影像，随着计算机技术和影像数据处理技术的快速发展，工业控制计算机已经不受飞机震动的影响，在飞机上正常工作。工业控制计算机利用两帧或两帧以上影像，通过自主开发的旋偏计算软件，实时计算数码摄像头与航空摄影仪组合刚体的航向与飞机飞行方向的旋偏角度，将该角度的数字信号传送给伺服电机，伺服电机带动该组合刚体旋转该角度，使航空摄影仪航向指向飞机飞行方向。
[0010]本发明相比由摄影员识别旋偏角，计算机自动识别具有可靠性好、精度高、实时性强等优点，满足高精度、大比例尺航空摄影测量的需要。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中计算旋偏角度的方法流程图；
图3为映射后的同名特征点示意图。
【具体实施方式】
[0012]如图1所示，本发明提供了一种航空摄影仪智能旋像设备，包括数码摄像头10、伺服电机4，其中数码摄像头10安置在航空摄影仪上，I为航空摄影仪顶部，2为航空摄影仪底部，9为单相机镜头，7为单相机后背。数码摄像头10与航空摄影仪组合为一个刚体结构，两者的主光轴平行，两者矩形画幅边框的航向和旁向均平行。本发明还包括有工业控制计算机5，工业控制计算机5通过USB线与数码摄像头10通信，所述的数码摄像头10的影像发送给工业控制计算机5，工业控制计算机5进行组合刚体的航向与飞机飞行方向的旋偏角度的计算，然后将计算出来的角度值数字信号通过RS232串口发送给伺服电机4，由伺服电机4的转子3通过皮带6与航空摄影仪的转动盘8连接，伺服电机4接收到信号后带动该组合刚体结构旋转该角度，使航空摄影仪航向指向飞机飞行方向。
[0013]本发明还公开了利用上述航空摄影仪智能旋像设备实现的航空摄影仪智能旋像方法，包括以下步骤:(1)、数码摄像头的影像发送给工业控制计算机，(2)、工业控制计算机进行组合刚体的航向与飞机飞行方向的旋偏角度的计算，(3)、工业控制计算机将计算出来的角度值数字信号发送给伺服电机，所述的伺服电机带动组合刚体结构旋转该角度，使航空摄影仪航向指向飞机飞行方向
如图2所示，步骤(2)中工业控制计算机进行旋偏角度的计算的具体步骤为:
(1)、获取相邻两帧影像；
(2)、对相邻两帧影像进行处理从而得到相邻两帧影像的同名特征点；
对相邻两帧影像进行处理从而得到相邻两帧影像的同名特征点是依据SIFT (ScaleInvariant Feature Transform)算子的基本理论,该算子能保证特征在旋转、尺度缩放、仿射变换、视角变化、光照变化等图像变化因素保持一定的不变性，并且运行速度能达到实时性的要求，属于图像处理领域的公知技术。
[0014]但是该算子能获得大量的同名特征点，本方法中只需要一对同名点，因此在“基于欧氏距离的相似度测量”步骤中，在计算最近距离和次近距离比值时需要确定少于某个阈值，由于阈值越小，匹配点的正确率就越高，匹配点数越少。因此本方法中根据需要和实验验证，阈值选取为0.3。此时，匹配点数较少，正确率较高。
[0015](3)、分别计算所有同名特征点到两帧影像的重叠区中心像素的距离，得出距离最小的一对同名特征点，为我们寻找的目标点。此对同名特征点为第一帧图像上的A点和第二帧图像上的B点；
(4)、将第一帧图像上的A点映射到第二帧影像上，映射的具体过程为把A点在第一帧影像上的坐标(X1, Y1),按坐标展到第二帧影像上，并把第二帧影像上该点记为A'点，即A'在第二帧影像上坐标也为(X1, Y1X B点坐标为(X2，Y2)，如图3所示，则有:ctan0 =(Y2-Y1)/ (X2-X1)，则可求出旋偏角Θ。
[0016]计算出的旋偏角有正负方向，顺时针方向为正角度，逆时针方向为负角度。正角度时，伺服电机带动航摄仪的转动盘向逆时针方向转动，负角度时，伺服电机带动航摄仪的转动盘向顺时针方向转动，使旋偏角度减小为零，达到纠正旋偏角的目的。
[0017]为确保旋偏角计算速度，摄像头单帧数据量不宜过大，分辨率不宜过高；同时为摄像头的分辨率能满足计算机自动识别和匹配特征点的需要，摄像头分辨率选择为1000X900。
[0018]本发明相比由摄影员肉眼识别旋偏角，计算机自动识别具有可靠性好，精度高，实时性强等优点，并可以实时输出待调节的偏流角，由伺服电机带动航空摄影仪的旋转，实现对航摄仪偏流角的实时修正，满足高精度、大比例尺航空摄影测量的需要。
[0019]当理解的是，本发明的具体实例仅仅是出于示例性说明的目的，其不以任何方式限定本发明的保护范围，本领域的技术人员可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
【权利要求】
1.一种航空摄影仪智能旋像设备，包括数码摄像头、伺服电机，数码摄像头与航空摄影仪组合为一个刚体结构，两者的主光轴平行，两者矩形画幅边框的航向和旁向均平行，其特征在于:还包括有工业控制计算机，所述的数码摄像头的影像发送给工业控制计算机，工业控制计算机进行组合刚体的航向与飞机飞行方向的旋偏角度的计算，然后将计算出来的角度值数字信号发送给伺服电机，所述的伺服电机带动该组合刚体结构旋转该角度，使航空摄影仪航向指向飞机飞行方向。
2.根据权利要求1所述的航空摄影仪智能旋像设备，其特征在于:所述的工业控制计算机进行旋偏角度的计算的具体步骤为:(1)、获取相邻两帧影像；(2)、对相邻两帧影像进行处理从而得到相邻两帧影像的同名特征点；(3)、计算所有同名特征点到两帧影像的重叠区中心像素的距离，得出距离最小的一对同名特征点，此对同名特征点为第一帧图像上的A点和第二帧图像上的B点；(4)、将第一帧图像上的A点映射到第二帧影像上，为A'点，则在第二帧影像上的A'点坐标为(X1, Y1XB点坐标为(X2, Y2)，则有:ctan Θ = (Y2-Y1)/(X2-X1)，则可求出旋偏角Θ。
3.根据权利要求1所述的航空摄影仪智能旋像设备，其特征在于:所述的数码摄像头的分辨率为1000*900。
4.根据权利要求3所述的航空摄影仪智能旋像设备，其特征在于:所述的伺服电机的转子通过皮带与航空摄影仪的转动盘连接，带动该组合刚体旋转该角度。
5.根据权利要求1所述的一种航空摄影仪智能旋像设备实现的航空摄影仪智能旋像方法，其特征在于:包括以下步骤:(1)、数码摄像头的影像发送给工业控制计算机，(2)、工业控制计算机进行组合刚体的航向与飞机飞行方向的旋偏角度的计算，(3)、工业控制计算机将计算出来的角度值数字信号发送给伺服电机，所述的伺服电机带动组合刚体结构旋转该角度，使航空摄影仪航向指向飞机飞行方向。
6.根据权利要求5所述的航空摄影仪智能旋像方法，其特征在于:所述的步骤(2)中工业控制计算机进行旋偏角度的计算的具体步骤为:(21)、获取相邻两帧影像；(22)、对相邻两帧影像进行处理从而得到相邻两帧影像的同名特征点；(23)、计算所有同名特征点到两帧影像的重叠区中心像素的距离，得出距离最小的一对同名特征点，此对同名特征点为第一帧图像上的A点和第二帧图像上的B点；(24)、将第一帧图像上的A点映射到第二帧影像上，为A'点,则在第二巾贞影像上的A'点坐标为(X1, Y1), B点坐标为(X2, Y2),则有:ctan Θ =(Y2-Y1)/(X2-X1)，则可求出旋偏角Θ。
【文档编号】G05D3/12GK103760917SQ201310746670
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】李天子, 邹友峰, 郭增长, 刘昌华, 成小倩, 韩瑞梅 申请人:河南理工大学