CN105323485B - 单相机倾斜图像采集装置及采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及单相机倾斜图像采集装置及采集方法。所述装置包括相机、连接飞行器的第一旋转关节以及连接所述相机的第二旋转关节；所述第一旋转关节包括电机一和旋转臂一，所述第二旋转关节包括电机二和旋转臂二；电机一连接旋转臂一固定端，旋转臂一自由端连接电机二，电机二连接旋转臂二固定端，所述相机固定安装在旋转臂二自由端；电机一带动旋转臂一沿第一方向转动，以调整相机的第一倾斜角度；电机二带动旋转臂二沿第二方向转动，以调整相机的第二倾斜角度；所述第一方向面与第二方向垂直。通过本发明能够通过单相机实现多角度的拍摄照片，且体积小、重量轻。

Description

单相机倾斜图像采集装置及采集方法

技术领域

本发明涉及图像采集技术领域，特别是涉及单相机倾斜图像采集装置及采集方法。

背景技术

倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术，它突破了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、四个不同倾斜角等五个不同的角度采集影像，为用户引入了符合人眼视觉的真实直观世界。

航空倾斜影像不仅能够真实地反应地物情况，而且还通过采用先进的定位技术，嵌入精确的地理信息、更丰富的影像信息、更高级的用户体验，极大地扩展了遥感影像的应用领域。因此，倾斜影像技术在很多国家已经广泛应用于应急指挥、国土安全、城市管理、房产税收等行业。

然而针对电力行业，目前应用的倾斜摄影装置存在以下问题：

(1)所需相机的数量多、重量大，搭载不便。由于电力巡线通常是采用中小型无人机，搭载能力有限，而常规的5相机倾斜摄影设备，体积、重量过大难以挂载在无人机上。

(2)由于电网杆塔的高低起伏以及地形的起伏，存在扫描角度盲点。由于无人机的抖动和飞行姿态的变化，到账照片数据的重叠度不够好，视差过大，难以进行测量。

发明内容

基于此，本发明提供的单相机倾斜图像采集装置及采集方法，能够通过单相机实现多角度的拍摄照片，且体积小、重量轻。

本发明采用以下技术方案：

本发明一方面提供单相机倾斜图像采集装置，包括相机、连接飞行器的第一旋转关节以及连接所述相机的第二旋转关节；

所述第一旋转关节包括电机一和旋转臂一，所述第二旋转关节包括电机二和旋转臂二；电机一连接旋转臂一固定端，旋转臂一自由端连接电机二，电机二连接旋转臂二固定端，所述相机固定安装在旋转臂二自由端；

电机一带动旋转臂一沿第一方向转动，以调整相机的第一倾斜角度；电机二带动旋转臂二沿第二方向转动，以调整相机的第二倾斜角度；所述第一方向面与第二方向垂直。

优选的，所述第一旋转关节还包括转轴一，所述第二旋转关节还包括转轴二，电机一通过转轴一连接旋转臂一固定端，电机二通过转轴二连接旋转臂二固定端；

所述转轴一与所述转轴二相互垂直，电机一驱动转轴一转动，转轴一带动旋转臂一绕其沿第一方向转动；电机二驱动转轴二转动，转轴二带动旋转臂二绕其沿第二方向转动。

优选的，以所述单相机倾斜图像采集装置的水平中轴线为参照，所述第一倾斜角度为横滚角度，所述第二倾斜角度为仰俯角度。

本发明还提供单相机倾斜图像采集方法，包括：

获取飞行器的三维位置信息，所述三维位置信息包括飞行高度和飞行位置，所述飞行器挂载有权利要求1所述的单相机倾斜图像采集装置；

获取待监测电力杆塔的杆塔高度及杆塔位置；

根据所述飞行高度和飞行位置、所述杆塔高度和杆塔位置得到所述飞行器与所述待监测电力杆塔的相对位置；

根据所述相对位置控制所述单相机倾斜图像采集装置的电机一和/或电机二，以调节所述单相机倾斜图像采集装置中相机的倾斜角度。

优选的，获取飞行器的三维位置信息，包括：

通过预设的GPS模块获取飞行器的三维位置信息。

优选的，根据所述飞行高度和飞行位置、所述杆塔高度和杆塔位置得到所述飞行器与所述待监测电力杆塔的相对位置，包括：

根据所述飞行位置、所述杆塔位置得到所述飞行器与所述待监测电力杆塔的水平距离，以所述飞行器的飞行方向为参照，所述水平距离包括侧向水平距离和前后水平距离；

根据所述飞行高度、所述杆塔高度得到所述飞行器与所述待监测电力杆塔的垂直距离；

由所述水平距离、所述垂直距离得到所述飞行器与所述待监测电力杆塔的相对位置。

其中，根据所述相对位置控制所述单相机倾斜图像采集装置的电机一和/或电机二，包括：

根据所述相对位置计算所述飞行器与所述待监测电力杆塔的相对角度，以所述飞行器的飞行方向为参照，所述相对角度包括左右侧向角度和前后方角度；

获取所述单相机倾斜图像采集装置中相机的拍摄角度，以所述飞行器的飞行方向为参照，所述拍摄角度包括左右侧拍摄广度和前后方拍摄广度；

将所述相对角度与所述拍摄角度进行比较，根据比较结果控制电机一和/或电机二。

其中，根据所述相对位置计算所述飞行器与所述待监测电力杆塔的相对角度，包括：

飞行器飞行过程中，按照预设时间周期计算所述飞行器与所述待监测电力杆塔的左右侧向角度a21和前后方角度a22分别为，

a21＝arctan(L1/(H1-h2))-arctan(L1/H1)，

a22＝arctan(L2/(H1-h2))-arctan(L2/H1)，

其中，H1为飞行高度，h2为杆塔高度，L1为飞行器与待监测电力杆塔的侧向水平距离，L2为飞行器与待监测电力杆塔的前后水平距离。

其中，将所述相对角度与所述拍摄角度进行比较，根据比较结果控制电机一和/或电机二，包括：

将所述左右侧向角度与所述左右侧拍摄广度进行比较，将所述前后方角度与所述前后方拍摄广度进行比较；

判断a21>a11/2是否成立，a11为所述相机的左右侧拍摄广度；判断a22>a12/2是否成立，a12为所述相机的前后方拍摄广度；

如果a21>a11/2不成立，控制电机一不旋转；如果a21>a11/2成立，控制电机一旋转以带动旋转臂一旋转角度A1，

A1＝a21–a11/2；

如果a22>a12/2不成立，控制电机二不旋转；如果a22>a12/2成立，控制电机二旋转以带动旋转臂一角度A2，

A2＝a22–a12/2。

实施本发明的上述技术方案的有益效果包括：

1)通过单相机即可实现多个角度拍摄，有利于控制设备的体积和重量；

2)避免了多个相机镜头存在不同畸变参数的问题，对所得图片的数据处理减轻负担；

3)可自适应调整单相机的倾斜角度，以获取完整的电力走廊三维数据，保障了拍摄效果。

附图说明

图1为本发明实施例的单相机倾斜图像采集装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的倾斜图像采集方法的流程示意图；

图3为本发明倾斜图像采集方法的一具体应用示意图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的实施例包括单相机倾斜图像采集装置实施例，包括。以下分别进行详细说明。

图1为本发明一实施例的单相机倾斜图像采集装置的示意图。如图1中所示，本实施例的单相机倾斜图像采集装置包括一个相机、可连接飞行器的第一旋转关节以及连接所述相机的第二旋转关节，并且，所述第一旋转关节还与所述第二旋转关节连接。所述第一旋转关节转动将带动所述相机沿第一方向转动，第二旋转关节转动将带动所述相机沿第二方向转动，因此，通过第一旋转关节、第二旋转关节的共同作用可调节所述相机在三维空间的倾斜角度。

具体的，所述第一旋转关节包括电机一和旋转臂一(图1中标识为10)，所述第二旋转关节包括电机二和旋转臂二(图1中标识为20)；电机一连接旋转臂一固定端，旋转臂一自由端连接电机二，电机二连接旋转臂二固定端，所述相机固定安装在旋转臂二自由端。基于上述连接关系，通过电机一可带动旋转臂一沿第一方向转动，进而带动相机沿第一方向转动，达到调整相机的第一倾斜角度的效果；通过电机二带动旋转臂二沿第二方向转动，进而带动相机沿第二方向转动，达到调整相机的第二倾斜角度的效果；所述第一方向面与第二方向垂直。

作为一优选实施方式，所述第一旋转关节还包括转轴一，所述第二旋转关节还包括转轴二，电机一通过转轴一连接旋转臂一固定端，电机二通过转轴二连接旋转臂二固定端；并且，所述转轴一与转轴二相互垂直设置。电机一驱动转轴一转动，转轴一带动旋转臂一绕其沿第一方向转动；电机二驱动转轴二转动，转轴二带动旋转臂二绕其沿第二方向转动。

作为一优选实施方式，以所述单相机倾斜图像采集装置的水平中轴线为参照，所述第一倾斜角度为横滚角度，所述第二倾斜角度为仰俯角度。一般定义载体的右、前、上三个方向构成右手系，绕向前的轴旋转就是横滚角，绕向右的轴旋转就是俯仰角，绕向上的轴旋转就是航向角。

将上述单相机倾斜图像采集装置挂载到飞行器(例如无人机)上，可实现对地面待监测电力杆塔的多角度倾斜拍摄。如图2所示，本发明提供的基于单相机的倾斜图像采集方法包括如下步骤：

S1、获取飞行器的三维位置信息，所述三维位置信息包括飞行高度和飞行位置，所述飞行器挂载有上述实施例所述的单相机倾斜图像采集装置；

优选的，可通过预设的GPS模块获取飞行器的三维位置信息。所述GPS模块可设置于飞行器本体，也可以设置于单相机倾斜图像采集装置的控制云台。

S2、获取待监测电力杆塔的杆塔高度及杆塔位置；

本步骤的具体实现方式可为：飞行器向地面待监测电力杆塔请求获取杆塔高度及杆塔位置等信息，或者，预先将地面待监测电力杆塔请求获取杆塔高度及杆塔位置存储在飞行器中，结合飞行器当前的飞行位置读取其中为当前待监测电力杆塔的杆塔高度及杆塔位置。

S3、根据所述飞行高度和飞行位置、所述杆塔高度和杆塔位置得到所述飞行器与所述待监测电力杆塔的相对位置；

优选的，本步骤的实现方式可为：根据所述飞行位置、所述杆塔位置得到所述飞行器与所述待监测电力杆塔的水平距离，所述水平距离包括垂直于飞行器飞行方向的侧向水平距离和平行于飞行器飞行方向的前后水平距离；根据所述飞行高度、所述杆塔高度得到所述飞行器与所述待监测电力杆塔的垂直距离；由所述水平距离、所述垂直距离得到所述飞行器与所述待监测电力杆塔的相对位置。

S4、根据所述相对位置控制所述单相机倾斜图像采集装置的电机一和/或电机二，以调节所述单相机倾斜图像采集装置中相机的倾斜角度。

优选的，根据所述相对位置控制所述单相机倾斜图像采集装置的电机一和/或电机二的实现方式可包括：

根据所述相对位置计算所述飞行器与所述待监测电力杆塔的相对角度，以飞行器飞行方向为参照，所述相对角度包括左右侧向角度和前后方角度；

获取所述单相机倾斜图像采集装置中相机的拍摄角度，以飞行器飞行方向为参照，所述拍摄角度包括的左右侧拍摄广度和前后方拍摄广度；

将所述相对角度与所述拍摄角度进行比较，根据比较结果控制电机一和/或电机二。

进一步的，作为一优选实施方式，上述根据所述相对位置计算所述飞行器与所述待监测电力杆塔的相对角度的方式可为：

在飞行器飞行过程中，按照预设时间周期(例如2秒)计算所述飞行器与所述待监测电力杆塔的左右侧向角度a21和前后方角度a22分别为：

a21＝arctan(L1/(H1-h2))-arctan(L1/H1)，

a22＝arctan(L2/(H1-h2))-arctan(L2/H1)，

其中，H1为飞行高度，h2为杆塔高度，L1为飞行器与待监测电力杆塔的侧向水平距离，L2为飞行器与待监测电力杆塔的前后水平距离。

进一步的，将所述相对角度与所述拍摄角度进行比较，根据比较结果控制电机一和/或电机二的具体方式可为：

将所述左右侧向角度与所述左右侧拍摄广度进行比较，将所述前后方角度与所述前后方拍摄广度进行比较；

判断a21>a11/2是否成立，a11为所述相机的左右侧拍摄广度；判断a22>a12/2是否成立，a12为所述相机的前后方拍摄广度；

如果a21>a11/2不成立，控制电机一不旋转；如果a21>a11/2成立，控制电机一旋转以带动旋转臂一旋转角度A1，

A1＝a21–a11/2；

如果a22>a12/2不成立，控制电机二不旋转；如果a22>a12/2成立，控制电机二旋转以带动旋转臂一角度A2，

A2＝a22–a12/2。

如图3所示，当飞行器挂载单相机倾斜图像采集装置进行实际数据采集时，三角形区域是单相机倾斜图像采集装置中相机的侧向拍摄区域，当飞行器从位置1移动到位置2的时候，三角形侧向拍摄区域也会随之侧移，导致待监测电力杆塔不完全处于相机的曝光角度范围之内。这时通过电机一进行相机横滚角度调整，使得三角形侧向拍摄区域能够完全覆盖杆塔，如图3虚线所示的范围，确保相机能自动锁定杆塔方向。下面以横滚角自动锁定为例，进行如下说明：

已知条件：杆塔高和杆塔自身位置已知，飞行器的高度和位置从GPS模块获取，可得出飞行器离杆塔的侧向水平距离。相机的侧向拍摄覆盖广度通过镜头型号获取。根据飞行器与杆塔的相对位置，可知，飞行器的飞行位置与杆塔的塔顶连成一条直线L，只需要调整相机的横滚角度，使其的侧向拍摄广度能够覆盖该直线L，就可以确保杆塔重要部位覆盖在相机的拍摄范围之内(即该直线L落入相机的三角形侧向拍摄区域)；具体计算方式如上述实施例所述。同理，还可进行相机俯仰角度的调整

根据本发明的上述实施例，通过单相机即可实现多个角度拍摄，有利于控制设备的体积和重量；同时还避免了多个相机镜头存在不同畸变参数的问题，对所得图片的数据处理减轻负担；并且由于可自适应调整单相机的倾斜角度，以获取完整的电力走廊三维数据，保障了拍摄效果。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上为对本发明所提供的单相机倾斜图像采集装置及图像采集方法的描述，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.单相机倾斜图像采集装置，其特征在于，包括相机、连接飞行器的第一旋转关节以及连接所述相机的第二旋转关节；

所述第一旋转关节包括电机一和旋转臂一，所述第二旋转关节包括电机二和旋转臂二；电机一连接旋转臂一固定端，旋转臂一自由端连接电机二，电机二连接旋转臂二固定端，所述相机固定安装在旋转臂二自由端；

电机一带动旋转臂一沿第一方向转动，以调整相机的第一倾斜角度；电机二带动旋转臂二沿第二方向转动，以调整相机的第二倾斜角度；所述第一方向面与第二方向垂直；

以所述单相机倾斜图像采集装置的水平中轴线为参照，所述第一倾斜角度为横滚角度，所述第二倾斜角度为仰俯角度。

2.如权利要求1所述单相机倾斜图像采集装置，其特征在于，所述第一旋转关节还包括转轴一，所述第二旋转关节还包括转轴二，电机一通过转轴一连接旋转臂一固定端，电机二通过转轴二连接旋转臂二固定端；

所述转轴一与所述转轴二相互垂直，电机一驱动转轴一转动，转轴一带动旋转臂一绕其沿第一方向转动；电机二驱动转轴二转动，转轴二带动旋转臂二绕其沿第二方向转动。

3.单相机倾斜图像采集方法，其特征在于，包括：

获取飞行器的三维位置信息，所述三维位置信息包括飞行高度和飞行位置，所述飞行器挂载有权利要求1所述的单相机倾斜图像采集装置；

获取待监测电力杆塔的杆塔高度及杆塔位置；

根据所述飞行高度和飞行位置、所述杆塔高度和杆塔位置得到所述飞行器与所述待监测电力杆塔的相对位置；

根据所述相对位置控制所述单相机倾斜图像采集装置的电机一和/或电机二，以调节所述单相机倾斜图像采集装置中相机的倾斜角度。

4.如权利要求3所述单相机倾斜图像采集方法，其特征在于，获取飞行器的三维位置信息，包括：

通过预设的GPS模块获取飞行器的三维位置信息。

5.如权利要求3所述单相机倾斜图像采集方法，其特征在于，根据所述飞行高度和飞行位置、所述杆塔高度和杆塔位置得到所述飞行器与所述待监测电力杆塔的相对位置，包括：

根据所述飞行位置、所述杆塔位置得到所述飞行器与所述待监测电力杆塔的水平距离，以所述飞行器的飞行方向为参照，所述水平距离包括侧向水平距离和前后水平距离；

根据所述飞行高度、所述杆塔高度得到所述飞行器与所述待监测电力杆塔的垂直距离；

由所述水平距离、所述垂直距离得到所述飞行器与所述待监测电力杆塔的相对位置。

6.如权利要求5所述单相机倾斜图像采集方法，其特征在于，根据所述相对位置控制所述单相机倾斜图像采集装置的电机一和/或电机二，包括：

根据所述相对位置计算所述飞行器与所述待监测电力杆塔的相对角度，以所述飞行器的飞行方向为参照，所述相对角度包括左右侧向角度和前后方角度；

获取所述单相机倾斜图像采集装置中相机的拍摄角度，以所述飞行器的飞行方向为参照，所述拍摄角度包括左右侧拍摄广度和前后方拍摄广度；

将所述相对角度与所述拍摄角度进行比较，根据比较结果控制电机一和/或电机二。

7.如权利要求6所述单相机倾斜图像采集方法，其特征在于，根据所述相对位置计算所述飞行器与所述待监测电力杆塔的相对角度，包括：

飞行器飞行过程中，按照预设时间周期计算所述飞行器与所述待监测电力杆塔的左右侧向角度a21和前后方角度a22分别为，

a21＝arctan(L1/(H1-h2))-arctan(L1/H1)，

a22＝arctan(L2/(H1-h2))-arctan(L2/H1)，

其中，H1为飞行高度，h2为杆塔高度，L1为飞行器与待监测电力杆塔的侧向水平距离，L2为飞行器与待监测电力杆塔的前后水平距离。

8.如权利要求7所述单相机倾斜图像采集方法，其特征在于，将所述相对角度与所述拍摄角度进行比较，根据比较结果控制电机一和/或电机二，包括：

将所述左右侧向角度与所述左右侧拍摄广度进行比较，将所述前后方角度与所述前后方拍摄广度进行比较；

判断a21>a11/2是否成立，a11为所述相机的左右侧拍摄广度；判断a22>a12/2是否成立，a12为所述相机的前后方拍摄广度；

如果a21>a11/2不成立，控制电机一不旋转；如果a21>a11/2成立，控制电机一旋转以带动旋转臂一旋转角度A1，

A1＝a21–a11/2；

如果a22>a12/2不成立，控制电机二不旋转；如果a22>a12/2成立，控制电机二旋转以带动旋转臂一角度A2，

A2＝a22–a12/2。