CN107770437A - 无人机摄影摄像系统及其位移补偿机构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供无人机摄影摄像系统，包括无人机、安装于无人机上的摄影摄像终端以及用户终端，摄像终端包括航拍云台以及单片机，轴航拍云台连接于单片机输出端，单片机输入端连接有陀螺仪、用于定位当前位置或拍摄地理位置的GPS定位模块以及数据收发模块，用户终端包括输入单元、数据传输单元和显示单元，数据传输单元与数据收发模块通信连接，其特征在于：摄像终端包括多摄像头摄像系统，多摄像头摄像系统包括无人机摄像防抖系统和拍摄照片自动拼接系统，降低防抖成本的同时提高了防抖效率；本设计基于特征点的图像拼接方法，它利用图像特征点进行图像配准，利用已经配准的图像，在独立的计算机中，利用图像融合的方法，从而实现对多图像的无缝拼接。
Description
技术领域
本发明涉及摄影摄像，具体是指一种无人机摄影摄像系统及其位移补偿机构。
背景技术
航拍又称空中摄影或航空摄影，是指从空中拍摄地球地貌，获得俯视图，此图即为空照图。航拍的摄像机可以由摄影师控制，也可以自动拍摄或远程控制。航拍所用的平台包括无人机、航空模型、飞机、直升机、热气球、小型飞船、火箭、风筝、降落伞等。航拍图能够清晰的表现地理、建筑形态，因此除了作为摄影艺术之外，也被运用于军事、交通建设、水利工程、生态研究、城市规划等方面。现实运用中考虑到拍摄成本和可行性问题，普遍采用成本最低，技术 要求最简单，最容易实现的无人机进行拍摄，但是由于无人机的智能化还完善，拍摄的照片 或者视频往往都不能将需要拍摄的目标进行清晰完整的呈现，而移动设备的拍照防抖问题一直是个重要问题，抖动产生的影像模糊。
现有技术航拍的全景拼接方法采用一个全局单应矩阵，即以一个单应矩阵来表示输 入的图像之间的透视变换关系。一个全局的单应矩阵不能对图像进行配准，出现拼接误差使得拼接结果图像产生畸变。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述问题，提供一种无人机摄影摄像系统。
本发明的发明目的通过以下方案实现：
无人机摄影摄像系统，包括无人机、安装于无人机上的摄像终端以及用户终端，摄影摄像终端包括航拍云台以及单片机，轴航拍云台连接于单片机输出端，单片机输入端连接有陀螺仪、用于定位当前位置或拍摄地理位置的GPS定位模块以及数据收发模块，用户终端包括输入单元、数据传输单元和显示单元，数据传输单元与数据收发模块通信连接，其特征在于：摄影摄像终端包括多摄像头摄像系统，多摄像头摄像系统包括无人机摄影摄像防抖系统和拍摄照片自动拼接系统，无人机摄影摄像防抖系统包括用于获取启动后第一时刻图像和第二时刻图像的图像获取单元、用于获取第一时刻至第二时刻这段时 间内无人机抖动方向的抖动获取单元、 根据图像获取单元与抖动获取单元获取抖动方向进行计算补偿移动量的计算单元以及补偿单元，补偿单元用于沿着抖动方向的相反方向移动第二时刻的图像，已实现对所述第一时刻的图像进行补偿，其中，所述第二时刻的图像的移动距离为补偿移动量。
进一步的，第一时刻的图像中至少选定第一检测点，在所述第二时刻的图像中至少选定第二检测点，根据所述第一检测点和所述第二检测点，计算补偿移动量，其中，所述补偿移动量是所述第一检测点和所述第二检测点的像素差。
进一步的，拍摄照片自动拼接系统包括
影像预处理，其用于消除摄影摄像在色彩上的差异，对摄影摄像进行色彩平衡处理；
影像数据库建设，用于对影像预处理处理后的将相邻摄影摄像之间进行配对，建设立体像对模型；
特征点匹配，根据对影像数据库建设中设立的立体像对模型进行角点提取，得到不同影像间同名点的相对坐标，以此获取相邻摄影摄像的双线性转换参数；
以及影像拼接。
进一步的，特征点匹配进行Harris角点提取。
进一步的，特征点匹配还进行Ransac平差处理，其用于对计算出数据的数学模型参数，得到有效样本数据。
进一步的，Ransac平差处理具体操作步骤如下：⑴从匹配点集合中随机采样求出矩阵参数所需要的最少匹配点对数，用⑶步中的方法求解出变换矩阵H=,其中h13和h23表示右片相对于左片的平移量；h11，h12，h21，h22表示尺度和旋转量；h31和h32表示水平和垂直方向的变形量；
⑵对所有匹配点集合中的点根据变换模型H计算误差。当成立时确定该匹配点对位内点，算出所有内点并计内点数为m；
⑶用这m对内点重新解求H，通过H及确定新的内点及内点数m′，当m′>m，继续执行第⑵步；当m′=m，即内点数趋于稳定，则执行第下一步；
⑷经过N次随机采样后选取得到内点数最多的那次所取的内点集合为依据,求解出变换关系H。
进一步的，影像拼接每一对立体像对中都含有相对应的双线性变换参数。利用公式：x′( h31 X+ h32 Y + 1) = h11 X + h12 Y + h13；
y′( h31 X+ h32 Y + 1) = h21 X + h22 Y + h23；
其中x、y是指左影像中点的纵横坐标；x′、y′指位于右影像中与（x、y
）同名的像点坐标；hi,j表示双线性变换参数；
建立以立体像对中左影像为基准的坐标系，并将右片的几何坐标归算到此坐标系下，利用同样的方式可将一条航带中的所有影像的平面坐标都归算到以第一张序列影像为基准的坐标系下。
一种无人机摄影摄像系统的位移补偿机构，其特征在于： 包括安装座、沿着X轴方向移动的X轴运动件、用于驱动X轴运动件活动的X轴驱动器、沿着Y轴方向移动的Y轴运动件以及用于驱动Y轴运动件活动的Y轴驱动器，安装座与X轴运动件之间、X轴运动件与Y轴运动件之间设有霍尔检测单元，安装座上设有与霍尔检测单元相连接的电路板，X轴运动件、Y轴运动件均具有同轴线且用于安装摄像头的内环，X轴运动件内环直径大于Y轴运动件内环直径，X轴运动件、安装座上均设有向上凸起的两对侧板，X轴运动件的两对侧板与安装座的两对侧板相垂直设置，每对侧板包括两个侧板，每个侧板均开有安装孔，两个侧板之间安装有驱动杆，驱动杆通过安装孔固定于侧板上，驱动杆包括丝杆轴，X轴运动件上设有安装在丝杆轴上的X轴丝杆螺母，X轴运动件丝杆螺母通过与安装座丝杆轴配合实现在X轴线上来回滑动；Y轴运动件具有Y轴丝杆螺母，Y轴运动件丝杆螺母通过与安装座丝杆轴配合实现在Y轴线上来回滑动; X轴运动件丝杆螺母上方设有第一磁性块，第一磁性块下方至少放置有上述霍尔检测单元，Y轴运动件丝杆螺母通上方设有第二磁性块，第二磁性块下方至少放置有上述霍尔检测单元，上述方案通过霍尔检测单元、X轴驱动器和 Y轴驱动器的相互配合，有效地补偿了因抖动在 X、Y 轴方向产生的分量，具有防抖目的，其精度高，反应迅速，避免的迟滞现象，保证了补偿及时，进而保证镜头拍摄画面清晰。
本发明的有益效果在于：已有的陀螺仪设备检测移动设备的轻微抖动，根据抖动检测方法，抖动的方向反向调整拍摄画面的图像，从而达到防抖的目的，降低防抖成本的同时提高了防抖效率；本设计基于特征点的图像拼接方法，它利用图像特征点进行图像配准，利用已经配准的图像，在独立的计算机中，利用图像融合的方法，从而实现对多图像的无缝拼接。
附图说明
图1为位移补偿机构的结构示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例
本发明提供的无人机摄影摄像系统，包括无人机、安装于无人机上的摄像终端以及用户终端，摄像终端包括航拍云台以及单片机，轴航拍云台连接于单片机输出端，单片机输入端连接有陀螺仪、用于定位当前位置或拍摄地理位置的GPS定位模块以及数据收发模块，用户终端包括输入单元、数据传输单元和显示单元，数据传输单元与数据收发模块通信连接，其特征在于：摄像终端包括多摄像头摄像系统，多摄像头摄像系统包括无人机摄像防抖系统和拍摄照片自动拼接系统，无人机摄影摄像防抖系统包括用于获取启动后第一时刻图像和第二时刻图像的图像获取单元、用于获取第一时刻至第二时刻这段时 间内无人机抖动方向的抖动获取单元、 根据图像获取单元与抖动获取单元获取抖动方向进行计算补偿移动量的计算单元以及补偿单元，补偿单元用于沿着抖动方向的相反方向移动第二时刻的图像，已实现对所述第一时刻的图像进行补偿，其中，所述第二时刻的图像的移动距离为补偿移动量。
第一时刻的图像中至少选定第一检测点，在所述第二时刻的图像中至少选定第二检测点，根据所述第一检测点和所述第二检测点，计算补偿移动量，其中，所述补偿移动量是所述第一检测点和所述第二检测点的像素差。
可以采用如下方式计算第一检测点和第二检测点的像素差，首先，确定步长；其次，沿着抖动方向的相反方向，移动第二时刻的图像，每次移动的像素数即为上述确定的步长，例如，步长可以为 3个像素，或者也可以为 1 个像素 ； 移动 n(n 为大于或等于 1 的自然数 ) 次之后，如果第一检测点和第二检测点正好重合，则第一检测点和第二检测点的像素差为步长乘以 n。 。
摄像防抖系统还包括监测单元，收集所述检测数据以实时监测所述，摄像模组的振动角度，同时删选出不符合要求的所述检测数据 ；以及 警报单元，所述警报单元通信地连接于所述监测单元以对应不符合要求的所述检测 数据发出警报，便于用户终端进行调节。
进一步的，拍摄照片自动拼接系统包括
影像预处理，其用于消除摄影摄像在色彩上的差异，对摄像进行色彩平衡处理；
影像数据库建设，用于对影像预处理处理后的将相邻摄像之间进行配对，建设立体像对模型；
特征点匹配，根据对影像数据库建设中设立的立体像对模型进行角点提取，得到不同影像间同名点的相对坐标，以此获取相邻摄影摄像的双线性转换参数；
以及影像拼接。
进一步的，特征点匹配进行Harris角点提取。
进一步的，特征点匹配还进行Ransac平差处理，其用于对计算出数据的数学模型参数，得到有效样本数据。
进一步的，Ransac平差处理具体操作步骤如下：⑴从匹配点集合中随机采样求出矩阵参数所需要的最少匹配点对数，用⑶步中的方法求解出变换矩阵H=,其中h13和h23表示右片相对于左片的平移量；h11，h12，h21，h22表示尺度和旋转量；h31和h32表示水平和垂直方向的变形量；
⑵对所有匹配点集合中的点根据变换模型H计算误差。当成立时确定该匹配点对
位内点，算出所有内点并计内点数为m；
⑶用这m对内点重新解求H，通过H及确定新的内点及内点数m′。当m′>m，继续执行第⑵步；当m′=m，即内点数趋于稳定，则执行第下一步；
⑷经过N次随机采样后选取得到内点数最多的那次所取的内点集合为依据,求解出变换关系H。
进一步的，影像拼接每一对立体像对中都含有相对应的双线
性变换参数。利用公式：x′( h31 X+ h32 Y + 1) = h11 X + h12 Y + h13；
y′( h31 X+ h32 Y + 1) = h21 X + h22 Y + h23；
其中x、y是指左影像中点的纵横坐标；x′、y′指位于右影像中与（x、y
）同名的像点坐标；hi,j表示双线性变换参数；
建立以立体像对中左影像为基准的坐标系，并将右片的几何坐标归算到此坐标系下，利用同样的方式可将一条航带中的所有影像的平面坐标都归算到以第一张序列影像为基准的坐标系下。
具体的实现步骤为：⑴将第一个模型中的右影像的平面坐标利用双线变换归算到以左影像为基准的坐标系下。⑵利用IDL中的PolyWarp函数计算两幅影像的几何纠正系数Kx(i,j)和Ky(i,j)。PolyWarp函数是一种基于最小二乘原理的多项式空间扭曲函数，⑶利用IDL中的Poly_2D函数来完成当前像对的影像拼接。该函数将根据⑵中计算得到的纠正系数来执行图像间的几何变换。变换后的数组定义为：g [x, y] = f [x', y'] = f [a [x,y], b [x, y]]，其中：g(x,y)表示输出影像中点(x,y)的像素值；f [x', y']指的是输入影像中点[x', y']的像素值并以此求解g(x,y)；函数a [x, y], b [x, y]则表示x、y的N阶多项式；（4）遍历所有立体像对，并重复步骤⑵直至无人机拍摄影像全部拼接完成。
首先获的两个图像的匹配特征点，所匹配特征点即两特征点在空间上表示同一点然后根据获取的匹配特征点，最后，根据该单应矩阵将其中一幅图像上的所有像素点进行变换，确定在另一幅图像所在平面的对应位置，即得到两幅图的拼接结果。本方法结合了Harris角点提取算法和Ransac 一致性随机抽样算法的优点，并使用递归思想将同一航带中的多张影像自动地拼接起来。Harris算子 不仅可以在带有旋转、扭曲的影像上快速地进行点 特征检测和提取，还能自定义输出点的数量，可满足多种图像的拼接需求。Ransac算法具有稳健的平差特性，保证了拼接结果的可靠性。
参考图1，一种无人机摄影摄像系统的位移补偿机构，包括安装座2、沿着X轴方向移动的X轴运动件3、用于驱动X轴运动件活动的X轴驱动器5、沿着Y轴方向移动的Y轴运动件4以及用于驱动Y轴运动件活动的Y轴驱动器，Y轴驱动器与X轴驱动器相同，安装座2设有霍尔检测单元8，安装座上设有与霍尔检测单元相连接的电路板1，X轴运动件、Y轴运动件均具有同轴线且用于安装摄像头的内环，X轴运动件内环直径大于Y轴运动件内环直径，X轴运动件3、安装座2上均设有向上凸起的两对侧板6，X轴运动件的两对侧板与安装座的两对侧板相垂直设置，呈相交为90度设置，这种形式更好实现精确调节移动量，每对侧板包括两个侧板6，每个侧板均开有安装孔，两个侧板之间安装有驱动杆7，驱动杆7通过安装孔固定于侧板上，驱动杆包括丝杆轴，X轴运动件上设有安装在丝杆轴上的X轴丝杆螺母，X轴运动件丝杆螺母通过与安装座丝杆轴配合实现在X轴线上来回滑动；Y轴运动件具有Y轴丝杆螺母以及两个固定端11，Y轴丝杆螺母安装在固定端中，Y轴运动件丝杆螺母通过与X轴运动件丝杆轴配合实现在Y轴线上来回滑动; X轴运动件丝杆螺母上方设有第一磁性块10，第一磁性块10位于安装座2上的霍尔检测单元上方，Y轴运动件丝杆螺母通上方设有第二磁性块9，第二磁性块9位于X轴运动件3上的霍尔检测单元上方，霍尔检测单元其会实时检测 X 轴运动件与安装座 、 Y 轴运动单元与 X轴运动单元 的相对位置，主要是通过利用两组磁石与其对应的霍尔检测单元之间产生的位置变化，霍尔检测单元则感应到磁通量的变化，进而将相应向 Y轴驱动器 或 X轴驱动器发出检测信号，并作出相应快速动作，以补偿镜头在 X、Y轴方向抖动分量，从而达到有效防抖目的。
虽然本发明已通过参考优选的实施例进行了图示和描述，但是，本领域普通技术人员应当了解，可以不限于上述实施例的描述，在权利要求书的范围内，可作出形式和细节上的各种变化。
Claims (9)
1.无人机摄影摄像系统，包括无人机、安装于无人机上的摄像终端以及用户终端，摄像终端包括航拍云台以及单片机，轴航拍云台连接于单片机输出端，单片机输入端连接有陀螺仪、用于定位当前位置或拍摄地理位置的GPS定位模块以及数据收发模块，用户终端包括输入单元、数据传输单元和显示单元，数据传输单元与数据收发模块通信连接，其特征在于：摄像终端包括多摄像头摄像系统，多摄像头摄像系统包括无人机摄像防抖系统和拍摄照片自动拼接系统，无人机摄影摄像防抖系统包括用于获取启动后第一时刻图像和第二时刻图像的图像获取单元、用于获取第一时刻至第二时刻这段时间内无人机抖动方向的抖动获取单元、根据图像获取单元与抖动获取单元获取抖动方向进行计算补偿移动量的计算单元以及补偿单元，补偿单元用于沿着抖动方向的相反方向移动第二时刻的图像，已实现对所述第一时刻的图像进行补偿，其中，所述第二时刻的图像的移动距离为补偿移动量。
2.根据权利要求1所述的无人机摄影摄像系统，其特征在于：第一时刻的图像中至少选定第一检测点，在所述第二时刻的图像中至少选定第二检测点，根据所述第一检测点和所述第二检测点，计算补偿移动量，其中，所述补偿移动量是所述第一检测点和所述第二检测点的像素差。
3.根据权利要求1或2所述的无人机摄影摄像系统，其特征在于：拍摄照片自动拼接系统包括
影像预处理，其用于消除摄影摄像在色彩上的差异，对摄像进行色彩平衡处理；
影像数据库建设，用于对影像预处理处理后的将相邻摄像之间进行配对，建设立体像对模型；
特征点匹配，根据对影像数据库建设中设立的立体像对模型进行角点提取，得到不同影像间同名点的相对坐标，以此获取相邻摄影摄像的双线性转换参数；
以及影像拼接。
4.根据权利要求3所述的无人机摄影摄像系统，其特征在于：特征点匹配进行Harris角点提取。
5.根据权利要求4所述的无人机摄影摄像系统，其特征在于：特征点匹配还进行Ransac平差处理，其用于对计算出数据的数学模型参数，得到有效样本数据。
6.根据权利要求5所述的无人机摄影摄像系统，其特征在于：Ransac平差处理具体操作步骤如下：⑴从匹配点集合中随机采样求出矩阵参数所需要的最少匹配点对数，用⑶步中的方法求解出变换矩阵H=,其中h13和h23表示右片相对于左片的平移量；h11，h12，h21，h22表示尺度和旋转量；h31和h32表示水平和垂直方向的变形量；
⑵对所有匹配点集合中的点根据变换模型H计算误差;当成立时确定该匹配点对
位内点，算出所有内点并计内点数为m；
⑶用这m对内点重新解求H，通过H及确定新的内点及内点数m′;当m′>m，继续执行第⑵步；当m′=m，即内点数趋于稳定，则执行第下一步；
⑷经过N次随机采样后选取得到内点数最多的那次所取的内点集合为依据,求解出变换关系H。
7.根据权利要求1所述的无人机摄影摄像系统，其特征在于：影像拼接每一对立体像对中都含有相对应的双线性变换参数;利用公式：x′( h31 X+ h32 Y + 1) = h11 X + h12 Y+ h13；
y′( h31 X+ h32 Y + 1) = h21 X + h22 Y + h23；
其中x、y是指左影像中点的纵横坐标；x′、y′指位于右影像中与（x、y）同名的像点坐标；hi,j表示双线性变换参数；
建立以立体像对中左影像为基准的坐标系，并将右片的几何坐标归算到此坐标系下，利用同样的方式可将一条航带中的所有影像的平面坐标都归算到以第一张序列影像为基准的坐标系下。
8.根据权利要求2所述的无人机摄影摄像系统，其特征在于：摄像防抖系统还包括监测单元，收集所述检测数据以实时监测所述摄像模组的振动角度，同时删选出不符合要求的所述检测数据；以及警报单元，所述警报单元通信地连接于所述监测单元以对应不符合要求的所述检测数据发出警报，便于用户终端进行调节。
9.一种无人机摄影摄像系统的位移补偿机构，其特征在于：包括安装座、沿着X轴方向移动的X轴运动件、用于驱动X轴运动件活动的X轴驱动器、沿着Y轴方向移动的Y轴运动件以及用于驱动Y轴运动件活动的Y轴驱动器，安装座与X轴运动件之间、X轴运动件与Y轴运动件之间设有两个霍尔检测单元，安装座上设有与霍尔检测单元相连接的电路板，X轴运动件、Y轴运动件均具有同轴线且用于安装摄像头的内环，X轴运动件内环直径大于Y轴运动件内环直径，X轴运动件、安装座上均设有向上凸起的两对侧板，X轴运动件的两对侧板与安装座的两对侧板相垂直设置，每对侧板包括两个侧板，每个侧板均开有安装孔，两个侧板之间安装有驱动杆，驱动杆通过安装孔固定于侧板上，驱动杆包括丝杆轴，X轴运动件上设有安装在丝杆轴上的X轴丝杆螺母，X轴运动件丝杆螺母通过与安装座丝杆轴配合实现在X轴线上来回滑动；Y轴运动件具有Y轴丝杆螺母，Y轴运动件丝杆螺母通过与安装座丝杆轴配合实现在Y轴线上来回滑动; X轴运动件丝杆螺母上方设有第一磁性块，第一磁性块下方至少放置有上述霍尔检测单元，Y轴运动件丝杆螺母通上方设有第二磁性块，第二磁性块下方至少放置有上述霍尔检测单元。
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