CN106018402B - 一种无人机载折反射全景立体相机的能见度探测系统及方法 - Google Patents

一种无人机载折反射全景立体相机的能见度探测系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种无人机载折反射全景立体相机的能见度探测方法，所述能见度探测系统包括无人机载折反射全景立体相机单元、标准板单元、无线传输单元及数据处理终端单元；所述的无人机载折反射全景立体相机单元由无人机搭载折反射全景立体相机进行全景立体图像的摄取；所述的标准板单元为内黑外白的圆形板，每两板为一组，前后左右摆放，共于四个相互垂直方向摆放四组，每个圆形板都能够在升降轨道上垂直升降；所述的无线传输单元将无人机载折反射全景立体相机单元在空中摄取的全景立体图像传输至地面数据处理终端单元；所述的数据处理终端单元接收全景立体图像并对其进行处理计算得到水平能见度值。

Description

一种无人机载折反射全景立体相机的能见度探测系统及方法
技术领域
本发明涉及一种无人机载折反射全景立体相机的能见度探测系统及方法，尤其是基于全景立体图像处理进行任意大气水平层上的水平能见度值探测的系统及方法。
背景技术
大气能见度作为一个重要的气象观测因素，其预测不仅应用于气象部分的天气分析，更广泛地应用于航空、航海、路上交通、军事及环境监测等领域，是影响航空、航海、路上交通以及军事活动等的重要因素之一。低能见度的天气经常造成延误、堵塞，甚至是封路、停航。目前常用的能见度器测仪主要有前向散射式能见度探测仪和透射式能见度探测仪。随着成像技术和数据处理技术的发展，数字摄像法监测能见度的设计与研究也得到迅速发展。但目前常用的双目标数字摄像监测能见度技术仅能对某一固定高度、固定方向上进行图像摄取，大气代表性不足，适用范围较窄，还需要根据不同情况及时调整目标物距离，操作复杂，探测精度不高，因此需要研究更具代表性、探测精度高的数字摄像监测能见度探测方法。
发明内容
针对上述技术问题，本发明目的是，提供一种结构简单，能够高精度计算不同大气水平层位置处的水平能见度系统及方法。
本发明技术方案：一种无人机载折反射全景立体相机的能见度探测方法，基于无人机载折反射全景立体相机的能见度探测系统，所述能见度探测系统包括无人机载折反射全景立体相机单元、标准板单元、无线传输单元及数据处理终端单元。所述的无人机载折反射全景立体相机单元由无人机搭载折反射全景立体相机进行全景立体图像的摄取；所述的标准板单元为内黑外白的圆形板，每两板为一组，前后左右摆放，共于四个相互垂直方向摆放四组，每个圆形板都能够在升降轨道上垂直升降；所述的无线传输单元将无人机载折反射全景立体相机单元在空中摄取的全景立体图像传输至地面数据处理终端单元；所述的数据处理终端单元接收全景立体图像并对其进行处理计算得到水平能见度值；
能见度探测方法的步骤为：
利用无人机载折反射全景立体相机一次性实时摄取四个不同方向上前后两个标准板的球面全景立体图像，将两幅全景立体图像展开成两幅柱面图像；通过两幅柱面图像计算同向前后两个标准板间的距离差和每个标准板上圆内外的灰度差，进而得到某一方向上的水平能见度，最后由四个方向上的得到的水平能见度得到最终的水平能见度值；
具体步骤如下：
步骤001.将四个方向的所述圆形板即标准板升降至同一需求高度；
步骤002.采用基于球投影方法对无人机载折反射全景立体相机进行内外参数标定；
步骤003.无人机载折反射全景立体相机于四个方向标准板范围内任意位置前后两次采集得到双球面全景立体图像；
步骤004.对采集到的双球面全景立体图像进行彩色图像灰度化；
步骤005.利用中值滤波对灰度图像去噪；
步骤006.将双球面全景立体去噪图像展开成两幅柱面图像1、2，柱面全景图与折反射球面全景图之间的投影变换为：其中P3(X,Y)为柱面全景图上任意点，P(U,V)为球面全景图上对应点，抛物面顶点O1设为空间坐标系的坐标原点，A为抛物面焦点，抛物面的焦距AO1＝λ，k为坐标原点O1到圆柱底面的距离，r为抛物面底面半径；W为球形全景图所在成像底片宽，H为成像底片高；
步骤007.分别对柱面全景图像1和2利用OTSU全局阈值最大化类间方差进行区域分割，得到二值图像；
步骤008.利用canny边缘检测算子对柱面全景图像1和2进行二值图像处理，即柱面全景图像进行边缘处理的二值图像，得到边缘轮廓曲线图像；
步骤009.分别对柱面全景图像1和2的二值图像处理后图像利用Hough变换检测所有标准板上的圆；
步骤0010.分别分离出柱面全景图像1和2二值图像上四组同向前后标准板各自的圆心坐标；前板后板其中i＝1,2,3,4表示四个不同方向，j＝1,2表示柱面1和2；
步骤0011.分别分离出柱面全景图像1和2二值图像上四组同向前后标准板各自圆内外灰度差和
步骤0012.通过柱面全景图像1和2二值图像上对应四组同向前后标准板各自圆心坐标，计算计算出该方向上前后标准板各自与无人机载折反射全景立体相机距离di1和di2(i＝1,2,3,4)，计算公式为：其中B为两个抛物反射镜面(或双曲反射镜面)焦点F1、F2之家的基线长度，柱面半径为r，柱面高度差为L；为柱面全景图像1，2上对应的前板圆心纵坐标，为柱面全景图像1，2上对应的后板圆心纵坐标；
步骤0013.计算柱面全景图像1和2二值图像上对应四组同向前后标准板各自圆内外灰度差的均值作为该向上标准板最终的圆内外灰度差其中k＝1,2为前后板序列号；
步骤0014.根据步骤0012得到的同向前后标准板各自与无人机载折反射全景立体相机距离计算前后板之间的间隔距离的di＝di2-di1；
步骤0015.根据步骤0013获得的某一方向上的前后标准板最终的圆内外灰度差、步骤0014获得的同一方向上的前后板之间的间隔距离的di，计算四个方向上各自的水平能见度值
步骤0016.计算四个方向上各自的水平能见度值的均值作为最终该大气水平层次上的水平能见度值
本发明的有益效果是，本发明提出一种无人机载折反射全景立体相机的能见度探测系统及方法，能够充分利用折反射全景相机的一次性实时获取大视场以及立体成像获取数字摄影法计算能见度的距离深度信息等优点，通过4个不同方向上的能见度探测，获取大范围更具代表性的大气样本，得到更高精度的水平能见度值；同时本探测系统对无人机飞行位置无限制，且标准板可升降获取不同大气水平层上的水平能见度。采用以上技术方案与现有的采用普通地基相机仅获取单一方向的水平能见度方法相比，具有探测精度高、适用范围广、硬件系统实现容易、结构简单、成本低、可靠性高等有益技术效果。基于本发明的无人机载折反射全景立体相机的能见度探测系统及方法，具有获取装置简单、成本低、结果精度高，且适用于不同大气水平层的能见度探测，为飞机的起降、道路交通等领域提供重要信息。
附图说明
图1是本发明无人机载折反射全景立体相机的能见度探测系统功能模块图；
图2是本发明无人机载折反射全景立体相机的能见度探测方法流程示意图；
图3是本发明无人机载折反射全景立体相机的能见度探测方法中折反射球面全景图变换为柱面全景图示意图；
图4是本发明无人机载折反射全景立体相机的能见度探测方法中各计算参数示意图。
图5是本发明无人机载折反射全景立体相机的能见度探测方法柱面全景立体图像对的深度距离估算示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明设计了一种无人机载折反射全景立体相机的能见度探测系统其特征是包括无人机载折反射全景立体相机单元、标准板单元、无线传输单元及数据处理终端单元。所述的无人机载折反射全景立体相机单元由无人机搭载折反射全景立体相机进行全景立体图像的摄取；所述的标准板单元为内黑外白的圆形板，每两板为一组，前后摆放，共于四个相互垂直方向摆放四组，每个板都可以自动垂直升降；所述的无线传输单元将无人机载折反射全景立体相机单元摄取的全景立体图像传输至地面数据处理终端单元；所述的数据处理终端单元接收全景立体图像并对其进行处理计算得到水平能见度值。
所述的标准板单元为内黑外白的圆形板，每两板为一组，前后左右摆放，共于四个相互垂直方向摆放四组，每个圆形板都能够在升降轨道上自动垂直升降；所述的无线传输单元将无人机载折反射全景立体相机单元在空中摄取的全景立体图像传输至地面数据处理终端单元；所述的数据处理终端单元接收全景立体图像并对其进行处理计算得到水平能见度值。相机包括连接件、信号处理与控制板、铝合金外壳、高清摄像头、保护罩、同轴双层抛物面式反射镜的第一反射镜、同轴双层抛物面式反射镜的第二反射镜和无线天线。
标准板单元前后左右摆放，共于四个相互垂直方向摆放四组，标准板的支撑立柱为双层结构，可实现标准板不同高度的升降。
如图2所示，一种无人机载折反射全景立体相机的能见度探测方法，利用无人机载折反射全景立体相机飞在空中不同的高度，一次性实时摄取四个不同方向上前后两个标准板的球面全景立体图像(如两台抛物线反射镜的折反射全景立体相机同时两次成像)；通过将全景立体图像展开成柱面图像，通过两幅柱面图像计算同向前后两个标准板间的距离差和每个标准板上圆内外的灰度差，进而得到某一方向上的水平能见度，最后由四个方向上的水平能见度得到最终的水平能见度值。
具体步骤如下：
步骤001.将四个方向的所述圆形板即标准板升降至同一需求高度；
步骤002.采用基于球投影方法对无人机载折反射全景立体相机进行内外参数标定；
步骤003.无人机载折反射全景立体相机于四个方向标准板范围内任意位置前后两次采集得到双球面全景立体图像；
步骤004.对采集到的双球面全景立体图像进行彩色图像灰度化；
步骤005.利用中值滤波对灰度图像去噪；
步骤006.将双球面全景立体去噪图像展开成两幅柱面图像1、2，柱面全景图与折反射球面全景图之间的投影变换为：其中P3(X,Y)为柱面全景图上任意点，P(U,V)为球面全景图上对应点，抛物面顶点O1设为空间坐标系的坐标原点，A为抛物面焦点，抛物面的焦距AO1＝λ，k为坐标原点O1到圆柱底面的距离，r为抛物面底面半径；W为球形全景图所在成像底片宽，H为成像底片高；
步骤007.分别对柱面全景图像1和2利用OTSU全局阈值最大化类间方差进行区域分割，得到二值图像；
步骤008.利用canny边缘检测算子对柱面全景图像1和2进行二值图像处理，即柱面全景图像进行边缘处理的二值图像，得到边缘轮廓曲线图像；
步骤009.分别对柱面全景图像1和2的二值图像处理后图像利用Hough变换检测所有标准板上的圆；
步骤0010.分别分离出柱面全景图像1和2二值图像上四组同向前后标准板各自的圆心坐标；前板后板其中i＝1,2,3,4表示四个不同方向，j＝1,2表示柱面1和2；
步骤0011.分别分离出柱面全景图像1和2二值图像上四组同向前后标准板各自圆内外灰度差和
步骤0012.通过柱面全景图像1和2二值图像上对应四组同向前后标准板各自圆心坐标，计算计算出该方向上前后标准板各自与无人机载折反射全景立体相机距离di1和di2(i＝1,2,3,4)，计算公式为：其中B为两个抛物反射镜面(或双曲反射镜面)焦点F1、F2之家的基线长度，柱面半径为r，柱面高度差为L；为柱面全景图像1，2上对应的前板圆心纵坐标，为柱面全景图像1，2上对应的后板圆心纵坐标；
步骤0013.计算柱面全景图像1和2二值图像上对应四组同向前后标准板各自圆内外灰度差的均值作为该向上标准板最终的圆内外灰度差其中k＝1,2为前后板序列号；
步骤0014.根据步骤0012得到的同向前后标准板各自与无人机载折反射全景立体相机距离计算前后板之间的间隔距离的di＝di2-di1；
步骤0015.根据步骤0013获得的某一方向上的前后标准板最终的圆内外灰度差、步骤0014获得的同一方向上的前后板之间的间隔距离的di，计算四个方向上各自的水平能见度值
步骤0016.计算四个方向上各自的水平能见度值的均值作为最终该大气水平层次上的水平能见度值
本发明设计的一种无人机载折反射全景立体相机的能见度探测系统及方法，可以代替传统普通地基相机摄取单一方向水平能见度的方法，由无人机飞入标准板范围内部快速获取周围360度的全景立体图像，并自动计算出四个方向上的水平能见度，从中进行不同方向上水平能见度的误差分析，并获得最终水平能见度。相对于传统数字摄影获取能见度方法，本发明设计的方法具有探测精度高、速度快、适用范围广、可靠性高、易于实现，且成本低廉的优点。
综上，通过建立并实施本发明设计的基于无人机载折反射全景立体相机的能见度探测系统及方法，能够实现对任意大气水平层不同方向上的水平能见度探测功能，对于飞机起降、道路交通、航路运输等领域具有重要意义，具有广阔的市场应用前景与经济价值。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (1)

1.一种无人机载折反射全景立体相机的能见度探测方法，其特征是基于无人机载折反射全景立体相机的能见度探测系统，所述能见度探测系统包括无人机载折反射全景立体相机单元、标准板单元、无线传输单元及数据处理终端单元；立体相机单元包括连接件、信号处理与控制板、铝合金外壳、高清摄像头、保护罩、同轴双层抛物面式反射镜的第一反射镜、同轴双层抛物面式反射镜的第二反射镜；所述的无人机载折反射全景立体相机单元由无人机搭载折反射全景立体相机进行全景立体图像的摄取；所述的标准板单元为内黑外白的圆形板，每两板为一组，前后左右摆放，共于四个相互垂直方向摆放四组，每个圆形板都能够在升降轨道上垂直升降；所述的无线传输单元将无人机载折反射全景立体相机单元在空中摄取的全景立体图像传输至地面数据处理终端单元；所述的数据处理终端单元接收全景立体图像并对其进行处理计算得到水平能见度值；
能见度探测的步骤为：
利用无人机载折反射全景立体相机一次性实时摄取四个不同方向上前后两个标准板的球面全景立体图像，将两幅全景立体图像展开成两幅柱面图像；通过两幅柱面图像计算同向前后两个标准板间的距离差和每个标准板上圆内外的灰度差，进而得到某一方向上的水平能见度，最后由四个方向上的得到的水平能见度得到最终的水平能见度值；
具体步骤如下：
步骤001.将四个方向的所述圆形板即标准板升降至同一需求高度；
步骤002.采用球投影方法对无人机载折反射全景立体相机进行内外参数标定；
步骤003.利用无人机载折反射全景立体相机一次性实时摄取四个不同方向上前后两个标准板的球面全景立体图像；
步骤004.对采集到的球面全景立体图像进行彩色图像灰度化；
步骤005.利用中值滤波对灰度图像去噪；
步骤006.将球面全景立体图像去噪展开成两幅柱面全景图像1、2，设P3(X,Y)为柱面全景图上任意点，P(U,V)为球面全景图上对应点，抛物面顶点O1设为空间坐标系的坐标原点，A为抛物面焦点，抛物面的焦距AO1＝λ，k为坐标原点O1到圆柱底面的距离，r为抛物面底面半径；W为球形全景图所在成像底片宽，H为成像底片高；柱面全景图像与折反射球面全景图之间的投影变换为：
步骤007.分别对柱面全景图像1和2利用OTSU全局阈值最大化类间方差进行区域分割，得到二值图像；
步骤008.利用canny边缘检测算子对柱面全景图像1和2进行二值图像处理，得到边缘轮廓曲线图像；
步骤009.分别对柱面全景图像1和2的二值图像利用Hough变换检测所有标准板上的圆；
步骤0010.分别分离出柱面全景图像1和2二值图像上四组同向前后标准板各自的圆心坐标；前板后板其中i＝1,2,3,4表示四个不同方向，j＝1,2表示柱面1和2；
步骤0011.分别分离出柱面全景图像1和2二值图像上四组同向前后标准板各自圆内外灰度差和
步骤0012.通过柱面全景图像1和2二值图像上对应四组同向前后标准板各自圆心坐标，计算出该向上前后标准板各自与无人机载折反射全景立体相机距离di1和di2，计算公式为：
其中B为两个抛物反射镜面焦点F1、F2之间的基线长度，柱面半径为r，柱面高度差为L；为柱面全景图像1，2上对应的前板圆心纵坐标，为柱面全景图像1，2上对应的后板圆心纵坐标；
步骤0013.计算柱面全景图像1和2二值图像上对应四组同向前后标准板各自圆内外灰度差的均值作为该向上标准板最终的圆内外灰度差其中k＝1,2为前后板序列号；
步骤0014.根据步骤0012得到的同向前后标准板各自与无人机载折反射全景立体相机距离计算前后板之间的间隔距离的di＝di2-di1；
步骤0015.根据步骤0013获得的某一方向上的前后标准板最终的圆内外灰度差、步骤0014获得的同一方向上的前后板之间的间隔距离的di，计算四个方向上各自的水平能见度值
步骤0016.计算四个方向上各自的水平能见度值的均值作为最终该高度上的水平能见度值
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