CN108896018A - 无人机航拍视频空间分析方法 - Google Patents

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杨骥
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Abstract

本发明涉及一种无人机航拍视频空间分析方法，其包括包括以下步骤：获取无人机相机内方位元素；获取无人机航拍视频的实时外方位元素；获取无人机航拍视频的基本信息；根据无人机相机内方位元素、航拍视频的实时外方位元素和无人机航拍视频的基本信息，使用空间前方交会算法确定航拍视频的每一帧图像的帧坐标；根据每一帧图像的帧坐标实时匹配地图与航测视频。本发明所述的无人机航拍视频空间分析方法具有将航拍视频与地图进行匹配，分析、显示方便直观的优点。

Description

无人机航拍视频空间分析方法
技术领域
本发明涉及无人机航拍领域，特别是涉及一种无人机航拍视频空间分析方法。
背景技术
现有的无人机航拍视频是独立于空间参数的，无法获知航拍视频对应的现实位置，也即无法和地图上的坐标点匹配起来，当人们想要分析无人机航拍视频时，需要对照地图按图索骥进行手动分析，十分麻烦。因此，亟待一种方法或系统能完成航拍视频与空间参数的对标，实现航拍视频与地图的匹配，将传统的手动分析现状变为介入采集端的自动分析。
发明内容
基于此，本发明的目的在于，提供一种无人机航拍视频空间分析方法，其具有将航拍视频与地图进行匹配，分析、显示方便直观的优点。
一种无人机航拍视频空间分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取无人机相机内方位元素、航拍视频的实时外方位元素和航拍视频的基本信息；
根据无人机相机内方位元素、航拍视频的实时外方位元素和无人机航拍视频的基本信息，使用空间前方交会算法确定航拍视频的每一帧图像的帧坐标；
根据每一帧图像的帧坐标实时匹配地图与航测视频。
由上述技术方案可知，本发明根据无人机相机内方位元素、航拍视频的实时外方位元素和无人机航拍视频的基本信息，使用空间前方交会算法确定航拍视频的每一帧图像的帧坐标，再依靠帧坐标实现航拍视频与地图的匹配，使得在播放视频的时候能够看到视频每一帧对应的地图上的位置，或者以航拍视频的方式展示地图上每一个位置的详细信息，从而使人们方便直观地了解航拍视频与地图的对应关系。
进一步地，所述无人机相机内方位元素的获取是由相机检校来完成的。对于定焦的非量测相机，其内方位元素是固定的。相机检校方法是多样化的，常用的检校方法包括基于控制场检校方法(光学实验室检校法、实验场检校法)、在任检校法(即在完成某个测量任务中同时对相机进行检校)、自检校方法、恒星检校法和基于灭点的检校方法等。
进一步地，所述航拍视频的实时外方位元素包括摄影中心的地面坐标、航向倾角、旁向倾角和像片旋角；所述获取无人机航拍视频的实时外方位元素，具体包括以下步骤：在无人机录制航拍视频的同时，通过GPS或北斗模块记录摄影中心的地面坐标；
根据无人机的飞行姿态通过无人机的陀螺仪确定航向倾角、旁向倾角和像片旋角。
进一步地，所述航拍信息包括航拍视频的每一帧图像和视频的宽高信息。视频的宽高信息用于计算航拍视频的四角坐标。
进一步地，述根据每一帧图像的四角坐标实时匹配地图与航测视频，具体包括以下步骤：将所述每一帧图像的帧坐标保存为视频坐标伴随文件；
采用观察者模式播放航拍视频，根据视频坐标伴随文件逐帧在地图上绘制无人机拖线。
通过上述步骤，将航拍视频与地图上的拖线关联起来，在播放航拍视频的时候，逐帧绘制拖线，使得人们了解航拍视频每一帧对应的地图上的位置。
进一步地，所述视频坐标伴随文件为自建坐标文件或DJI字幕文件。
进一步地，所述根据每一帧图像的四角坐标实时匹配地图与航测视频，具体包括以下步骤：
所述每一帧图像的帧坐标包括每一帧图像的左上、左下、右上、右下的四角坐标；
实时更改地图参数，将地图匹配到航拍视频每一帧图像的四角坐标。
通过上述步骤，将航拍视频结合在地图上，航拍视频的播放也即地图的展开，以航拍视频的方式展示地图上每一个位置的详细信息。
进一步地，所述实时更改地图参数的操作包括旋转、缩放和平移。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为本发明的无人机航拍视频空间分析方法的流程图；
图2为本发明的无人机航拍视频空间分析方法的步骤S10的具体流程图；
图3为本发明的无人机航拍视频空间分析方法的空间前方交会算法的示意图；
图4为本发明的无人机航拍视频空间分析方法的步骤S30的一种实施方式的具体流程图；
图5为本发明的无人机航拍视频空间分析方法的步骤S30的另一种实施方式的具体流程图。
具体实施方式
为了弥补现有技术中无人机航拍视频与地图的互相匹配的技术空白，本发明提供一种通过收集无人机航拍时的内方位元素，外方位元素，再结合航拍视频的一些基本信息，采用空间前方交会算法求取每一帧航拍图像对应的地面真实坐标，再根据该地面真实坐标将航拍视频与地图上对应的位置匹配起来，使得在播放视频的时候能够看到视频每一帧对应的地图上的位置，或者以航拍视频的方式展示地图上每一个位置的详细信息，从而使人们方便直观地了解航拍视频与地图的对应关系。
请参阅图1，具体地，本发明的无人机航拍视频空间分析方法，包括以下步骤：
步骤S10：获取无人机相机内方位元素、航拍视频的实时外方位元素和航拍视频的基本信息；
步骤S20：根据无人机相机内方位元素、航拍视频的实时外方位元素和无人机航拍视频的基本信息，使用空间前方交会算法确定航拍视频的每一帧图像的帧坐标；
步骤S30：根据每一帧图像的帧坐标实时匹配地图与航测视频。
在本实施例中，相机内方位元素(elements of interior orientation)是确定摄影光束在像方的几何关系的基本数据，用于表征摄影中心(摄影物镜的像方节点)与像平面的相关位置，包括摄影仪的主距S0(摄影中心至像平面的垂直距离)和像主点在像片平面坐标系中的坐标x0、y0，航空摄影测量中常使航摄仪的主距等于航摄仪的焦距f，此时相机内方位元素为f和x0、Y0共3个数据。所述无人机相机内方位元素的获取是由相机检校来完成的。对于定焦的非量测相机，其内方位元素是固定的。相机检校方法是多样化的，常用的检校方法包括基于控制场检校方法(光学实验室检校法、实验场检校法)、在任检校法(即在完成某个测量任务中同时对相机进行检校)、自检校方法、恒星检校法和基于灭点的检校方法等。
所述航拍视频按照一帧帧地划分开来就是图像的集合，从而所述航拍视频的实时外方位元素实际指航拍视频的每一帧图像的外方位元素，而每一帧图像也即摄影领域中所指的像片，从而所述航拍视频的实时外方位元素也即像片外方位元素。像片外方位元素(elements of exterior orientation)是确定摄影光束在物方的几何关系的基本数据。用于表征摄影光束在摄影瞬间的空间位置，包括摄影中心在某一空间直角坐标系(在本发明中指依靠GPS或北斗模块获得的地面直角坐标系的地面真实坐标)中的三维坐标值和确定摄影光束空间方位的3个角定向元素(航向倾角、旁向倾角和像片旋角)共6个数据。实时的意思是在无人机航拍录制视频的时候同步地记录。具体而言，请参阅图2，步骤S10的具体流程就是为了同步获取所述航拍视频的实时外方位元素，其包括如下子步骤：
步骤S11：在无人机录制航拍视频的同时，通过GPS或北斗模块记录摄影中心的地面真实坐标；
步骤S12：根据无人机的飞行姿态通过无人机的陀螺仪确定航向倾角、旁向倾角和像片旋角。
在步骤S11中，无人机在飞行的时候，无人机的位置相当于摄影中心的位置，因此可以通过GPS或北斗模块直接获得摄影中心的地面真实坐标(地面直角坐标系中的坐标)。
在步骤S12中，无人机在飞行的时候，相机摄像头因为飞行姿势会与摄影中心产生一定的倾角，表征为摄影方向相对地面直角坐标轴的两个角度航向倾角、旁向倾角，以及像片绕摄影方向选状的一个角度称为像片旋角，这些角度的确定可以依靠无人机的陀螺仪进行。
步骤S20：根据无人机相机内方位元素、航拍视频的实时外方位元素和无人机航拍视频的基本信息，使用空间前方交会算法确定航拍视频的每一帧图像的帧坐标。下面详细说明如何由空间前方交会算法确定航拍视频的每一帧图像的帧坐标。
本发明的实质是将航拍视频转化为一帧帧的图像，依靠摄影的原理，确定每一帧图像对应的地面空间点的地面真实坐标。请参阅图3，这里所指的摄影的原理指空间前方交会，摄影的理想数学模型就是从摄影中心向像片和地面空间点作中心投影，当无人机在多个不同角度对同一地面空间点P进行航拍，获得多个像点P1～P3(多帧图像上的点)，并且摄影光束汇于一点(该同一地面空间点P)，这些像点P1～P3称为同名点，由摄影中心点O1～O3穿过像点P1～P3到达同一地面空间点P的摄影光束称为同名光线。而空间前方交会，是指恢复立体像对摄影时的光束和建立几何模型后，利用同名光线的交会确定模型点空间位置的方法。
共线方程决定了摄影中心点(O1～O3)、像点(P1～P3)和物点(P)间严格的关系。由共线方程可得:
(x-x0)[a2(X-XS)+b3(Y-YS)+C3(Z-ZS)]＝-f[a1(X-XS)+b1(Y-YS)+c1(Z-ZS)](y-y0)[a3(X-XS)+b3(Y-YS)+C3(Z-ZS)]＝-f[a2(X-XS)+b2(Y-YS)+c1(Z-ZS)]
推得：
l1X+l2Y+l3Z-lx＝0
l4X+l5Y+l6Z-ly＝0
其中，(X0，Y0)是所述相机内方位元素，(Xs，Ys，Zs)是所述航拍视频外方位元素，(X，Y，Z)为每一帧图像对应地面空间点的地面真实坐标，也称每一帧图像的帧坐标。
对左、右像片上的一对同名点，可以列出4个上述的线性方程，而未知数个数为3，故可以用最小二乘法求解。若n幅影像中含有同一空间点，则可由总共2n个线性方程解求X,Y,Z3个未知数。从而每一帧图像的同名点都能确定其对应地面空间点的地面真实坐标，也即帧坐标。
在一个实施例中，所述航拍信息包括航拍视频的每一帧图像和视频的宽高信息。
利用视频的宽高信息和空间前方交会算法，确定视频的四角(左上，左下，右上，右下)对应的地面真实坐标。
至于在确定了每一帧图像的同名点都能确定其对应地面空间点的帧坐标之后，将航拍视频与地图进行匹配有如下两种实施方式。
请参阅图4，其为本发明的无人机航拍视频空间分析方法的步骤S30的一种实施方式的具体流程图。其包括如下步骤：
步骤S31a：将所述每一帧图像的帧坐标保存为视频坐标伴随文件；
步骤S32a：采用观察者模式播放航拍视频，根据视频坐标伴随文件逐帧在地图上绘制无人机拖线。
在步骤S31a中，所述视频坐标伴随文件为自建坐标文件或DJI字幕文件。坐标伴随文件是以帧坐标形式记录数据的，将以二进制方式直接读入；DJI字幕文件，是以文本方式记录数据的，将使用正则解析帧坐标。
在步骤S32a中，观察者模式指当被观察者发生改变的时候，观察者就会观察到这样的变化，并且做出相应的响应。在本发明中，航测视频播放，每一帧图像改变，根据视频坐标伴随文件在地图上画线段，最终连接形成无人机拖线，也即无人机相对应与航拍视频的历史飞行轨迹。
该种实施方式，是在航测视频播放的时候在地图展示无人机飞行轨迹，在播放视频的时候能够看到视频每一帧对应的地图上的位置。
请参阅图5，其为本发明的无人机航拍视频空间分析方法的步骤S30的另一种实施方式的具体流程图。其包括如下步骤：
步骤S31b：实时更改地图参数，将地图匹配到航拍视频每一帧图像的四角坐标。
在步骤S31b中，实时更改地图参数的操作包括旋转、缩放和平移。所述每一帧图像的四角坐标包括每一帧图像的左上、左下、右上、右下的四角坐标，是由视频的宽高信息和空间前方交会算法获得的。
以该种实施方式匹配地图和航拍视频，相当于在地图上面播放航拍视频或称航拍视频在地图上运动，以航拍视频的方式展示地图上每一个位置的详细信息。
以上的两种实施方式可以使人们方便直观地了解航拍视频与地图的对应关系。
在本发明的一个实施例中，还提供一种计算机可读储存介质，其上储存有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述任意一项所述的无人机航拍视频空间分析方法的步骤。
在本发明的一个实施例中，还提供一种计算机设备，包括储存器、处理器以及储存在所述储存器中并可被所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任意一项所述的无人机航拍视频空间分析方法的步骤。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种无人机航拍视频空间分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取无人机相机内方位元素、航拍视频的实时外方位元素和航拍视频的基本信息；
根据无人机相机内方位元素、航拍视频的实时外方位元素和无人机航拍视频的基本信息，使用空间前方交会算法确定航拍视频的每一帧图像的帧坐标；
根据每一帧图像的帧坐标实时匹配地图与航测视频。
2.根据权利要求1所述的无人机航拍视频空间分析方法，其特征在于：所述无人机相机内方位元素的获取是由相机检校来完成的。
3.根据权利要求1所述的无人机航拍视频空间分析方法，其特征在于：所述航拍视频的实时外方位元素包括摄影中心的地面坐标、航向倾角、旁向倾角和像片旋角；
所述获取无人机相机内方位元素、航拍视频的实时外方位元素和航拍视频的基本信息，具体包括以下步骤：
在无人机录制航拍视频的同时，通过GPS或北斗模块记录摄影中心的地面真实坐标；
根据无人机的飞行姿态通过无人机的陀螺仪确定航向倾角、旁向倾角和像片旋角。
4.根据权利要求1所述的无人机航拍视频空间分析方法，其特征在于：所述航拍信息包括航拍视频的每一帧图像和视频的宽高信息。
5.根据权利要求1所述的无人机航拍视频空间分析方法，其特征在于：所述根据每一帧图像的四角坐标实时匹配地图与航测视频，具体包括以下步骤：
将所述每一帧图像的帧坐标保存为视频坐标伴随文件；
采用观察者模式播放航拍视频，根据视频坐标伴随文件逐帧在地图上绘制无人机拖线。
6.根据权利要求5所述的无人机航拍视频空间分析方法，其特征在于：所述视频坐标伴随文件为自建坐标文件或DJI字幕文件。
7.根据权利要求1所述的无人机航拍视频空间分析方法，其特征在于：
所述每一帧图像的帧坐标包括每一帧图像的左上、左下、右上、右下的四角坐标；
所述根据每一帧图像的四角坐标实时匹配地图与航测视频，具体包括以下步骤：实时更改地图参数，将地图匹配到航拍视频每一帧图像的四角坐标。
8.根据权利要求7所述的无人机航拍视频空间分析方法，其特征在于：所述实时更改地图参数的操作包括旋转、缩放和平移。
9.一种计算机可读储存介质，其上储存有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8任意一项所述的无人机航拍视频空间分析方法的步骤。
10.一种计算机设备，包括储存器、处理器以及储存在所述储存器中并可被所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至8任意一项所述的无人机航拍视频空间分析方法的步骤。
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