無人機視頻流影像的數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

楊娟+賈周云+管續(xù)棟

摘 要 以無人機為飛行平臺，獲取視頻流影像，與傳統(tǒng)航空像片獲取不同。針對流式媒體，本文提出了一種非量測型視頻傳感器的檢校方法，為保證每一幀視頻影像均有對應(yīng)的GPS信息，采用合適的GPS插值算法，為后續(xù)影像處理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞 無人機；視頻流影像；攝像機的標定；GPS插值

中圖分類號 V279+.2 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）161-0078-02

視頻流影像是由一系列空間和時間連續(xù)的視頻幀組成，而視頻幀實質(zhì)是一副靜態(tài)影像，它是構(gòu)成視頻流的最小單元[ 1 ]。獲取無人機視頻流影像數(shù)據(jù)時，由于無人機視頻流影像數(shù)據(jù)與相機影像數(shù)據(jù)格式不同，因此在進行數(shù)據(jù)獲取和預(yù)處理時，可不考慮曝光間隔等因素，只需簡單進行航線規(guī)劃，再檢查獲取的視頻數(shù)據(jù)即可。視頻流數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要包括攝像機的標定、GPS插值計算。與搭載非量測型數(shù)碼相機的無人機數(shù)據(jù)處理流程相同，在對無人機視頻流影像數(shù)據(jù)進行處理之前，需對視頻傳感器進行嚴格檢校，經(jīng)像元畸變改正后，再對影像進行其他處理操作；由于關(guān)鍵幀影像的幀率較高，為保證影像重疊率，每隔一點時間提取一張關(guān)鍵幀影像，而通過無人機搭載的GPS設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)為離散點坐標，為保證后續(xù)處理中提取的關(guān)鍵幀影像均有GPS信息，則對GPS數(shù)據(jù)進行插值處理。

1 無人機視頻流影像數(shù)據(jù)獲取

1.1 飛行前準備

與傳統(tǒng)航空影像獲取方式一樣，在進行無人機視頻流影像數(shù)據(jù)獲取之前，需進行前期工作準備，包括資料收集、測區(qū)踏勘、儀器設(shè)備的檢查等[ 2 ]。此外，對無人機視頻流影像獲取系統(tǒng)而言，還需測試硬件設(shè)備。硬件系統(tǒng)主要包括機上發(fā)射部分（12V電池組、無線圖傳發(fā)射器（VVLINK-C6000-TX）、天線及天線連接線）和地面接收與顯示部分（無線數(shù)字圖傳接收機（VVLINK-C4000-RX）、電源及筆記本電腦）。在靜態(tài)環(huán)境下，測試視頻攝像機、天線、無線圖傳發(fā)射器與地面接收機之間的連通性及數(shù)據(jù)傳輸能力，檢查視頻攝像機、天線、電源系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)等工作是否正常，驗證系統(tǒng)電磁兼容性、數(shù)據(jù)記錄存儲及數(shù)據(jù)輸入輸出功能等。

1.2 飛行計劃

飛行計劃指無人機飛行器的航線設(shè)計，根據(jù)測區(qū)具體情況、應(yīng)急測繪對數(shù)據(jù)的要求及系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，得到無人機外業(yè)作業(yè)時必備參數(shù)，即飛行航高、旁向間隔、航線條數(shù)、航線總長度及飛行時間等。

1.3 外業(yè)飛行數(shù)據(jù)檢查

外業(yè)飛行獲取的數(shù)據(jù)可通過機上實時傳輸系統(tǒng)傳回到地面站[3]，同時對獲取數(shù)據(jù)的質(zhì)量進行檢查。與檢查傳統(tǒng)航空影像質(zhì)量不同，視頻影像的數(shù)據(jù)形式為流媒體，不需要考慮航向方向的重疊度，只需保證視頻影像質(zhì)量清晰，反差適中，顏色飽和，色彩鮮明，色調(diào)一致，無云霧遮擋、有較豐富的層次、能清晰地辨別地物影像、滿足外業(yè)全要素調(diào)繪和室內(nèi)判讀的要求，無需對影像航向重疊度進行檢查。

2 無人機視頻流影像數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.1 攝像機的檢校

攝像機檢校是后續(xù)工作的前提，提高攝像機的檢校精度也是完成視頻流影像地理編碼與拼接的重要步驟。在對攝像機檢校之前，應(yīng)先確認攝像機的機械結(jié)構(gòu)堅固穩(wěn)定，不存在晃動，同時要保證其光學(xué)結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)同樣可靠穩(wěn)定時，才能對其進行檢校[ 4 ]。綜合考慮攝像機標定的室內(nèi)檢定法、恒星攝影檢定法及試驗場攝影檢定法等算法，本文擬采用室外檢校場進行攝影機的幾何標定，再利用Australia軟件解算其參數(shù)。其基本原理為：基于最小二乘平差理論，利用光束法區(qū)域網(wǎng)平差模型對獲取的檢校場數(shù)據(jù)和高精度控制點數(shù)據(jù)進行區(qū)域網(wǎng)空中三角測量，解求出所需的攝像機幾何檢校參數(shù)，即像片內(nèi)方位元素、徑向畸變系數(shù)、切向畸變系數(shù)、CCD非正方形比例系數(shù)以及CCD非正交性的畸變系數(shù)。以中國測繪科學(xué)研究院家屬樓作為檢校場地，具體過程如下：

1）檢查工作。在攝像機檢校之前，先將攝像機加固，固定拍攝距離保持不變。攝像機視頻拍攝時，應(yīng)檢查攝像機是否清晰、設(shè)置攝像機參數(shù)是否正確等，確認無誤后進行視頻拍攝。

2）視頻拍攝。首先在檢校場對面五樓樓頂進行視頻拍攝。每隔一定距離按-90°、90°、180°旋轉(zhuǎn)攝像機獲取的視頻數(shù)據(jù)。拍攝時采取凹凸形式路線行走，上下路線相差大致1m左右，再進行樓下的視頻拍攝。拍攝時要求盡量保證所攝視頻的大幅面中均含有標志點。

3）幾何檢校數(shù)據(jù)處理。其內(nèi)業(yè)處理流程如下：導(dǎo)入影像、設(shè)置相機參數(shù)、同名點提取、人工選取名點、自動匹配同名點、光束法平差、查看結(jié)果和輸出報告等步驟。

2.2 GPS數(shù)據(jù)預(yù)處理

為使輕小型無人機視頻關(guān)鍵幀影像與GPS信息的時間同步，利用時間可將GPS信息與關(guān)鍵幀影像一一對應(yīng)。在輕小型無人機飛行平臺上主要安裝用于測圖的雙頻GPS和飛行控制系統(tǒng)中用于導(dǎo)航的單頻GPS。其中，單頻GPS導(dǎo)出的數(shù)據(jù)，能與相應(yīng)視頻影像數(shù)據(jù)時間相對應(yīng)，而從雙頻GPS中導(dǎo)出的數(shù)據(jù)本身含有GPS時間信息。利用兩者時間，視頻影像與雙頻GPS數(shù)據(jù)可對應(yīng)。由于雙頻GPS數(shù)據(jù)不連續(xù)，因此需構(gòu)造數(shù)學(xué)模型使其能計算每一個時刻的雙頻GPS數(shù)據(jù)。方法如下：

采用牛頓插值算法，以時間變化量Δt為變量，三維坐標（X，Y，Z）為因量，擬合GPS軌跡信息。其中，以雙頻GPS和單頻GPS的時間坐標軸相對應(yīng)的起始時刻T0為時間起點，定義與此時刻的時間間隔為變量Δt，與此時刻相對應(yīng)的GPS坐標為因變量（X，Y，Z）。記GPS坐標信息（T0，X0，Y0，Z0），（T1，X1，Y1，Z1），…，（Tn，Xn，Yn，Zn）等為GPS數(shù)據(jù)插值計算的已知數(shù)據(jù)，依次求出X、Y、Z 3個坐標方向的插值函數(shù)。以X坐標方向為例，具體過程如下：

首先，求X坐標方向的各階均差，定義插值函數(shù)為X，則各階均差計算式為：

由此便可得出視頻流影像數(shù)據(jù)采集過程中，任意時刻的GPS信息。在進行無人機視頻流影像數(shù)據(jù)處理研究時，重點應(yīng)用GPS定位數(shù)據(jù)，保證提取的任何時間點的關(guān)鍵幀影像均有GPS信息，應(yīng)對GPS數(shù)據(jù)進行插值處理，為后續(xù)視頻影像地理編碼與拼接工作做準備。

3 結(jié)論

針對應(yīng)急測繪的需求，以無人機為飛行平臺，搭載視頻攝像頭為傳感器，利用集成的無人機視頻流遙感系統(tǒng)實時獲取應(yīng)急數(shù)據(jù)，通過視頻數(shù)據(jù)實時查看，能夠獲取災(zāi)區(qū)實時情況。區(qū)別于傳統(tǒng)航空影像數(shù)據(jù)的獲取與處理，針對視頻流數(shù)據(jù)的獲取與處理，在無POS信息和地面控制點數(shù)據(jù)的情況下，實現(xiàn)了影像的地理編碼與拼接。

參考文獻

[1]畢凱.無人機數(shù)碼遙感測繪系統(tǒng)集成及影像處理研究[D].中國測繪科學(xué)研究院，2009.

[2]林宗堅，崔紅霞，孫杰，等.數(shù)碼相機的畸變差檢測研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報：信息科學(xué)版，2005，30（2）：122-125.

[3]趙小松，張宏偉，張國雄，等.攝像機標定技術(shù)的研究[J].機械工程學(xué)報，2002，38（3）：149-151.

[4]向珉江，高厚磊，安艷秋，等.一種提高數(shù)據(jù)同步精度的自適應(yīng)插值算法[J].電力系統(tǒng)自動化，2012，36（8）：77-81，91.