CN102238986B - 配有识别信标的无人驾驶飞机套件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种各自安装有摄像机(14)的遥控无人驾驶飞机(10，12)的系统(1)，所述系统允许通过在攻击无人驾驶飞机(12)发射虚拟射击时由其摄像机(14)提供的视频图像(17)中识别目标无人驾驶飞机(10)，从而确认从攻击无人驾驶飞机(12)向目标无人驾驶飞机(10)的虚拟射击。识别装置包括安置在目标无人驾驶飞机(10)上且涂有第一色彩的两个第一条纹(18)的信标(15，16)，所述第一色彩反射在590nm至745nm范围内的第一波长的光，所述第一条纹位于第二色彩的至少一个第二条纹(19，20)的两侧，所述第二色彩反射445nm至565nm范围内的第二波长的光。因此，有可能非常可靠地标识在无论户外还是室内的开放空间中飞行的无人驾驶飞机，即使在背景图像中存在可能被摄像机所拾取的极多种的干扰细节。

Description

配有识别信标的无人驾驶飞机套件

本发明涉及配有识别信标的无人驾驶飞机系统。

本发明的尤为先进的应用在于无线电控制的无人驾驶飞机的领域。

无人驾驶飞机是通过无线电控制遥控驾驶的飞行机器。某些无人驾驶飞机被称为旋转翼无人驾驶飞机，且它们可使用任何已知的直升机构造。

已知无线电控制的玩具例如出于再现战斗之目的可配有虚拟射击发生器。在特定环境下，有必要评估攻击玩具向目标玩具发射的每次虚拟射击从而确定游戏是如何进展的。

为此，还已知提供带有摄像机的玩具，摄像机模拟和虚拟射击发生器关联的视野。因此，当攻击玩具发射虚拟射击时，如果在攻击玩具的摄像机提供的图像中检测到了目标玩具，则视为攻击玩具发射的虚拟射击击中了目标玩具。

为了自动地在图像中检测目标，有可能使用识别目标玩具的形状和/或特征点的方法。

一种这样的方法例如被描述于以下文献中：L.Younes″Invariance，déformations et reconnaissances de formes″[恒定性、变形、以及形状识别]，公开于Collection Mathématiques et Applications，2004春季刊(Springer)第44卷。

JP2008-161425A描述了具有用于在摄像机获取的图像中识别目标的这种形状识别装置的玩具。

然而，该技术要求很大的计算能力，并且可能难以在某些形状相对简单和寻常的无人驾驶飞机上实现。结果，这种虚拟射击检测器无法在不致使无人驾驶飞机过于昂贵的前提下安装到无人驾驶飞机上。

例如在FR 2 912 318 A1(鹦鹉股份有限公司(Parrot SA))中描述的第二种方法使用安置在无人驾驶飞机上的发光二极管(LED)以使其更容易在图像中识别，该方法使用此LED特有的特征，例如闪烁速度。

然而，可能发生的发光度的大幅变化(例如，当无人驾驶飞机改变其向太阳和/或人工光源的曝光角度时)将使识别来自LED的光(在实践中意味着识别被白色光晕包围的红点)变得困难。发光度的大幅变化产生LED的错误识别，从而即使当攻击无人驾驶飞机的视野内没有目标无人驾驶飞机时，虚拟射击也被确认。

US6453055B1和JP2004-185630A描述了在地面移动的机器人系统，每个机器人以彩色球或带有不同颜色的平行条纹的圆盘来予以标识，每个机器人以独特的颜色来编码。向下观察地面的摄像机分析场景的图像，由色彩识别系统来标识机器人，并从中推导每个机器人在地面上的位置。

该技术在其考虑的环境下是有效的，即，具有确定的形状和大小的平的地面被其视野覆盖地面的整个表面的摄像机来总体观察。由于背景是一致的，所以相对容易识别在其上找到的机器人，从而随后通过分析每个机器人所携带的色彩图案来标识它们。

然而，无人驾驶飞机在无论户外或室内的开放空间内飞行时，可能被摄像机所拾取的极多种类的背景图像构成了对识别色彩的不可忽视的干扰。图像不光具有包括大量干扰细节和极强可变对比度差别的室内或户外背景，而且图像在比色方面，无论户外(树和草坪、天空、车辆、建筑或背景中的其它物体…)还是室内(带有较暖或较冷色温的光照，家居、墙、以及地表覆盖物的颜色…)，也是非常复杂和多变的。

本发明的目的之一是提供一种无人驾驶飞机识别系统，其允许无人驾驶飞机在其机载摄像机所摄取的图像中高度可靠地被检测到，从而确认在其之间发射的虚拟射击，并且本发明的目的是在可能非常不同且可能包括多种可能干扰识别的元素的诸多环境中实现这一点。

为达此目的，本发明提供各自安装有摄像机的遥控无人驾驶飞机的系统，其允许通过在攻击无人驾驶飞机发射虚拟射击时其摄像机所提供的视频图像中识别目标无人驾驶飞机，从而确认从攻击无人驾驶飞机到目标无人驾驶飞机的虚拟射击，该系统的特征在于：识别装置包括安置在目标无人驾驶飞机上并涂有第一色彩的两个第一条纹的信标，所述第一色彩反射位于590纳米(nm)到745nm范围内的第一波长的光，并且第一条纹位于第二色彩的至少一个第二条纹的两侧，所述第二色彩反射位于445nm到565nm范围内的第二波长的光。

一种无人驾驶飞机系统，每个无人驾驶飞机具有此处所述的信标，允许在视频图像内容易且简便地确认射击，同时还确保该确认是非常可靠的。将涂有不同颜色的条纹的信标安置在无人驾驶飞机上使得该无人驾驶飞机和可简便且迅速地检测的图案相关联。此外，让第一色彩的两个条纹将第二色彩的中间条纹置于中间使得无人驾驶飞机和特定的交错条纹相关联，从而在检测中可能标识哪个无人驾驶飞机被检测到了。

具体来说，有可能非常可靠地标识在无论户外还是室内的开放空间中飞行的无人驾驶飞机，即使在背景图像中存在可能被摄像机所拾取的极多种的干扰细节。

在一个实施例中，信标的形状是圆柱形。在此情况下，圆柱形信标的轴和目标无人驾驶飞机的主平面垂直。

在一个实施例中，条纹在信标的表面上，在与圆柱的轴垂直的相互共面的平面内圆周式延展。

在一个实施例中，两个第一条纹的第一色彩是荧光的。

在一个实施例中，信标呈现至少两个第二条纹。

在一个实施例中，攻击无人驾驶飞机包括用于分析在发射虚拟射击时摄取的图像的装置，该装置实现以下装置：

用于检测图像中第一色彩的第一像素的装置；

用于检测所述第一色彩的第一组像素的装置，所述第一组像素包括以前检测的像素；

用于在第一色彩的第一组像素的邻近检测第二色彩的一组像素的装置；

用于识别第一色彩的第二组像素的装置；以及

用于在所检测的各组像素中验证识别和一致性条件的装置。

在此情况下，用于验证所述各组像素的识别和一致性条件的装置包括至少：

用于验证所述各组像素的水平连通性的装置；以及

用于验证所述各组像素的垂直准连通性的装置，所述垂直准连通性使得不属于组的一行像素在不同组之间是可接受的。

还有可能，用于验证所述各组像素的识别和一致性条件的装置包括至少：

用于为每组像素分析发光度变化的装置；

用于在V图像编码通道(红)中分析第一色彩的第一条纹和第二色彩的第二条纹之间的色差的装置；

用于在U图像编码通道(蓝)中分析第一色彩的两个第一条纹之间的色差的装置；以及

用于分析两个第一条纹和第二条纹的最小色度的装置。

本发明还提供了配有摄像机的无人驾驶飞机，其允许通过在发射虚拟射击时在其摄像机所提供的视频图像中识别目标无人驾驶飞机，从而确认向目标无人驾驶飞机的虚拟射击，该无人驾驶飞机的特征在于：其包括识别装置，该识别装置允许其被用于根据上述实施例之一的系统中以作为目标无人驾驶飞机以及作为攻击无人驾驶飞机。

本发明还提供在根据上述实施例之一的系统中使用的遥控无人驾驶飞机的识别方法。

本发明的以下实施例的描述参考以下附图给出，其中：

图1示出根据本发明的无人驾驶飞机游戏系统；以及

图2是表示根据本发明的用于检测配有信标的无人驾驶飞机的方法的图表。

参照图1，根据本发明的系统1包括典型地由小尺寸的飞行机器构成的无人驾驶飞机10或12(图1)。在优选的实施例中，无人驾驶飞机10和12是“四旋翼直升机”，即是旋翼设备，每个具有四个旋翼11。

无人驾驶飞机10和12的每一个安装有摄像机14，其传送图像到各自的无线电控制器11和13，无线电控制器11和13在其各自屏幕上显示图像。

通过这些屏幕，用户可查看他们的无人驾驶飞机的运动和/或当目标无人驾驶飞机看来进入了他们自己的攻击无人驾驶飞机的视野中时触发虚拟射击，所述视野由摄像机14所模拟。

为了验证来自攻击无人驾驶飞机的虚拟射击确实在目标无人驾驶飞机在视野内时发生，有必要自动确定当发射射击时目标无人驾驶飞机是否存在于所显示的图像17内。

为此，根据本发明，无人驾驶飞机10和12安装有各自的信标15和16，其在摄像机14所产生的图像中被容易地检测。

举例来说，信标15和16可为圆柱形状，各自有和主表面5垂直的轴3。信标15和16涂有两个第一条纹18，其包围着第二色彩的至少一个条纹19，第二色彩不同于第一条纹18的第一色彩。

第一条纹18的第一色彩典型地为诸如橙色的暖色，来自该色彩的辐射波长在590nm到745nm的范围内。这种橙色便于在图像中识别信标，因为其是一种相对不常见的颜色，尤其是在户外不常见，无论是在市区还是在乡间。

相反，第二条纹19的第二色彩典型为蓝色(λ通常位于445nm到490nm范围内)或绿色(λ通常位于520nm到565nm范围内)。然后，通过在第一条纹和第二条纹间的至少两次色彩交替的存在来帮助在图像中识别信标。

这种独特的色彩对比，作为本发明的特点，已经被发现在发明者所测试的无论室内还是户外的多种环境中非常不常见。这使得有可能确保无人驾驶飞机以极为可靠的方式被识别，而不管可能被摄像机拾取的背景图像的色彩复杂性。

识别信标15或16要求在图像中识别到所述的两次交替。

然而，当超过两个无人驾驶飞机可能被作为攻击无人驾驶飞机的目标时，优选地使用呈现至少两个第二条纹19和19’的信标，如信标16上所示。

在此情况下，不同的色彩交替可用于标识不同的无人驾驶飞机。例如，考虑到具有四个无人驾驶飞机的游戏，和每个无人驾驶飞机关联的信标可呈现两个橙色的第一条纹，而每个无人驾驶飞机的第二条纹可呈现蓝、绿、或橙色条纹的特定组合：蓝/蓝；绿/绿；绿/橙；或橙/绿(当第二条纹是橙色时，则该设备需要对各条纹的高度加以考虑)。

如上所述，发光度的大幅变化可使色彩识别变得困难。为了限制发光度的变化的影响，本发明的实施例中所实施的色彩条纹是荧光的，因此确保了信标的高发光度。

识别具有根据本发明的信标的无人驾驶飞机是相对容易的，因此无人驾驶飞机可机载对摄像机14所输送的图像进行分析所需的装置。

为了在当从攻击无人驾驶飞机12向目标无人驾驶飞机10发射虚拟射击时摄取的图像17中识别信标15，根据本发明的一种方法通过在图像17中搜索色彩橙色来开始。

识别目标的原理是：扫描图像以寻找第一色彩的第一像素，其可能对应于信标的两个末端条纹18中的一个的图像。

该搜索可基于符合YUV模型的信号使用图像17中的像素编码来进行，其中在YUV模型中比色空间由三个分量来定义：

第一分量Y表示亮度；以及

两个第二分量UV表示色度。

关于色度的信息足以表征色彩，即使关于亮度的信息根据场景的亮度有大幅变化。

这就是为什么对于图像中色彩的搜索仅使用涉及像素的色度的信息来进行，因此使得有可能减少需要处理的信息量，特别由于传送此信息所需的带宽仅仅是传送关于亮度的信息所需的带宽的四分之一。

因此，对于在UV空间中被定义为矩形的色彩的搜索是非常快速的。色彩表征可由数据库执行，该数据库是由不同发光度条件下的目标图像生成的。例如，在本发明的一个实施例中，绿色在色度通道中由以下值表征：79＜U＜120和34＜V＜115，而橙色由以下值表征：65＜U＜146和159＜V＜252。

参考图2，第一步骤20表示识别装置的活动状态，其不断地分析每个送达的图像17以检测图像中的橙色像素。

可通过沿着螺旋扫描图像来执行此搜索。

如果使用超过两个无人驾驶飞机来玩一个游戏，更为有利的是使用图像的线性扫描，从左上角到右下角以确定色彩条纹的高度，此高度可用于区别如上所述的橙色和绿色信标。

根据搜索的结果22，只要没有橙色像素被识别到，则图像的螺旋扫描由指令23来维持。

否则，当橙色像素被识别时，由信号24发起对第一组橙色像素的搜索25。

对于橙色像素组的搜索25是在最初检测到的橙色像素的邻近执行的。

根据搜索25的结果27，如果没有检测到橙色像素组，可由信号28发起返回20到图像的螺旋扫描。

然而，可能检测到了橙色像素组，在此情况下由信号29发起对第二像素组的搜索30。

更准确地说，基于和中间条纹19或19’的潜在第二色彩对应的色彩标准，进行对第二组的搜索。

取决于对第二色彩的像素组的搜索结果32，当没有这样的第二像素组时，可由信号33发起返回到图像的螺旋扫描。

在适当时，由信号34发起对潜在第二橙色像素组的搜索35。

根据搜索35的结果37，如果没有检测到第二橙色像素组，可由信号38发起返回到图像的螺旋扫描。

在适当时，检测到第二橙色像素组，然后由信号39发起，对三个检测到的像素组的连通性和一致性条件进行验证40。

更准确地说，连通性条件要求像素组的水平连通性和垂直准连通性。因此，不属于任何检测到的组的一行像素存在于这些不同组之间是可接受的。

准连通性可通过使用用于检测信标条纹的色彩矩形来解释。这些矩形可超过图像上所显示的条纹的实际大小，并生成并非必要连接的结合线。

此外，一致性条件要求考虑发光度的变化，在此情况下诸如橙色或绿色的色彩会显著变化。例如，根据其照度，橙色的条纹可呈现为偏粉红色、偏红色、或偏褐色。

因此，一致性条件如下：

像素组之间平均亮度的变化很小(例如，两个组之间的亮度变化小于60)；

在V通道(红)中第一色彩条纹和第二色彩的中间条纹之间的色差很强，例如大于阈值(在一个实施例中为58)；

在U通道(蓝)中第一色彩的两个条纹之间的色差很小(例如，色差小于45)；以及

两个第一条纹的V通道(红)中的平均色度的至少某最小值(大于167)。

当验证的结果40满足连通性和一致性的条件时，信号42指示该识别是经确认的44。否则，信号41导致返回图像的螺旋扫描。

实际上，本发明的一实施例采用使用四分之一通用中间格式(QCIF)类型的图像分辨率的视频摄像机14来实现，每个图像由144行176列的像素组成，并且摄像机的工作速度是每秒15个图像。

因此，机载图像处理器装置具有60毫秒级的时间周期来检测图像中信标15的存在，该图像可以用相对简单和低成本的装置来获得。

为了确保信标被可靠地识别，专用于每个极端条纹18的敏感度阈值为每个图像一个色度像素和四个亮度像素，假定在无人驾驶飞机上所载的可用简单设备，该敏感度阈值使得有可能在达2米(m)的距离上检测高度7.5厘米(cm)，直径5.2cm，每个条纹的高度为2.5cm的信标。本发明可以多种方式修改。具体来说，有可能使用其它的方法来分析图像17，例如，通过在八个像素的块内处理图像，从而可在图像被获取时逐渐地分析图像。

Claims (12)

1.一种各自安装有摄像机（14）的遥控无人驾驶飞机（10，12）的系统（1），所述系统允许通过在攻击无人驾驶飞机（12）发射虚拟射击时由其摄像机（14）提供的视频图像（17）中识别目标无人驾驶飞机（10），从而确认从攻击无人驾驶飞机（12）向目标无人驾驶飞机（10）的虚拟射击，

该系统的特征在于识别装置包括安置在目标无人驾驶飞机（10）上且涂有第一色彩的两个第一条纹（18）的信标（15，16），所述第一色彩反射第一波长的光，所述第一条纹位于第二色彩的至少一个第二条纹（19，20）的两侧，所述第二色彩反射不同于第一波长的第二波长的光；以及

其中两个第一条纹（18）的第一色彩的发射谱在590nm到745nm范围内，而至少一个第二条纹（19，20）的发射谱在445nm到565nm范围内。

2.根据在前权利要求所述的系统，其特征在于，所述信标（15，16）的形状是圆柱形。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述圆柱形信标（15，16）的轴（3）垂直于所述目标无人驾驶飞机的主平面（5）。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一条纹（18）和至少一个所述第二条纹（19，20）在信标（15，16）的表面在和圆柱体的轴（3）垂直的圆周方向上圆周地延伸。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，其特征在于，所述两个第一条纹（18）的第一色彩是荧光的。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，其特征在于，所述信标（16）呈现至少两个第二条纹（19，20）。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，其特征在于，所述攻击无人驾驶飞机（12）包括用于对在发射虚拟射击时摄取的图像进行分析的装置，该装置包括以下装置：

用于检测图像中第一色彩的第一像素的装置；

用于检测第一色彩的第一组像素的装置，所述第一组像素包括此前检测到的第一色彩的第一像素；

用于在第一色彩的第一组像素的邻近检测第二色彩的一组像素的装置；

用于检测第一色彩的第二组像素的装置；以及

用于在所检测的各组像素中验证识别和一致性条件的装置。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述用于验证各组像素的识别和一致性条件的装置包括至少：

用于验证所述各组像素的水平连通性的装置；以及

用于验证所述各组像素的垂直准连通性的装置，所述垂直准连通性使得不属于组的一行像素在不同组之间是可接受的。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述用于验证各组像素的识别和一致性条件的装置包括至少：

用于为每组像素分析发光度变化的装置；

用于在YUV模型的V图像编码通道中分析第一色彩的第一条纹和第二色彩的第二条纹之间的色差的装置；

用于在YUV模型的U图像编码通道中分析第一色彩的两个第一条纹之间的色差的装置；以及

用于分析两个第一条纹和第二条纹的最小色度的装置。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述用于验证各组像素的识别和一致性条件的装置包括至少：

用于为每组像素分析发光度变化的装置；

用于在YUV模型的V图像编码通道中分析第一色彩的第一条纹和第二色彩的第二条纹之间的色差的装置；

用于在YUV模型的U图像编码通道中分析第一色彩的两个第一条纹之间的色差的装置；以及

用于分析两个第一条纹和第二条纹的最小色度的装置。

11.一种配有摄像机（14）的无人驾驶飞机（10，12），其允许通过在发射虚拟射击时在其摄像机所提供的视频图像（17）中识别目标无人驾驶飞机（10），从而确认向目标无人驾驶飞机（10）的虚拟射击，该无人驾驶飞机的特征在于：其包括识别装置，该识别装置允许其被用于（12）根据任何在前权利要求的系统中以作为目标无人驾驶飞机（10）以及作为攻击无人驾驶飞机（12）。

12.一种在根据权利要求1至10中任一项的系统中实施的遥控无人驾驶飞机（10）的识别方法。

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