CN110913106B - 一种便携式野外勘查拍摄智能系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种便携式野外勘查拍摄智能系统及其方法，采用如下方式进行：一确定拍摄位置，在地面上安装固定控制器；二根据拍摄位置在被拍摄物后方搭设幕布；三将幕布通过牵引绳与控制器连接，控制器控制幕布的升降高度；四控制器与无人机通过红外激光进行中心定位，并控制无人机拍摄高度；五控制器控制无人机调整至拍摄位置，同时根据无人机反馈的高度，控制幕布升降至相应匹配位置，完成一次拍照；六重复第五步的方式，分段拍摄若干张照片；七将分段拍摄的照片进行全景拼接，最终获得整株植物有背景的单体轮廓照。本发明可以在有限的空间内，完成大型拍摄物的单一成像拍照，同时整套系统结构小巧，方便户外携带。

Description

一种便携式野外勘查拍摄智能系统及其方法

【技术领域】

本发明涉及野外拍摄技术领域，具体指一种便携式野外勘查拍摄智能系统及其方法。

【背景技术】

园林勘察设计者或者植物相关研究者经常接触野外拍摄植物的工作任务。野外拍摄环境不一，背景复杂，条件多变，给拍摄人员带来一定的拍摄难度。

在中国专利ZL201820862606.X中提出了一种便携式自供光源通用植物拍摄装置中，该专利中的技术方案是给植物四周搭建一个矩形的框体，框体上设置有可以夹住幕布的幕布夹，同时在框体顶部上设置有光源。该专利中将植物保护在框体内，提供稳定光源，使得拍摄不受外界光线、温度的改变而影响，最终获得高品质的样品照片。

上述专利中拍摄装置方式适合小株植物拍摄，同时对光线条件要求高。但是实际拍摄中，在野外或者城市内，树木周边的空间距离狭小，背景错综复杂，而树木本身高度较大，无法直接将树木一次性单一拍摄成型，即使采用高端的拍摄相机，也无法将十几米甚至几十米的树木一次拍成。

鉴于上述存在的问题，本发明人经过一番的研究和试验，提出了一种便携式野外勘查拍摄智能系统及其方法，本案由此产生。

【发明内容】

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种便携式野外勘查拍摄智能系统及其方法，在有限的空间内，完成大型拍摄物的单一成像拍照，同时整套系统结构小巧，方便户外携带。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种便携式野外勘查拍摄智能系统，包括有控制器、无人机、幕布；控制器与无人机进行数据通信，控制无人机飞行轨迹和拍摄高度位置；幕布与控制器连接，由控制器控制幕布升降至所需位置。

所述的控制器包括有单片机和与单片机连接的激光对准器、驱动机构、电源；单片机与无人机进行数据通信，收发无人机高度数据，并控制无人机飞行高度；激光对准器检测无人机的高度，校验无人机中心对准，并将数据传递给单片机；驱动机构接收单片机指令，控制弧形幕布上牵引绳的收放长度；电源为控制器供电。

所述的驱动机构，包括有电机、齿轮组、多个同轴转动的收线轮；幕布的每根牵引绳配套一个收线轮，电机通过齿轮组传动，驱动多个收线轮同步转动，实现牵引绳的收放。

所述的幕布为以被拍摄物中心为圆心的弧形幕布；控制器与拍摄物中心形成中心线，弧形幕布以中心线对称分布。

所述的幕布设置有套支撑杆的袋孔；支撑杆包括多节中空杆体和多节中空套管插接拼装而成，在顶部和底部的杆体上开设通孔，在顶部杆体和底部杆体内设置有滑轮；牵引绳的一端与幕布上边固定，另一端从顶部通孔穿入且绕过滑轮向下，再从底部的滑轮绕过从底部通孔穿出，最终绕至控制器的收线轮上。

所述的支撑杆底端为可插至地面或者配重块内的尖刺结构。

所述的幕布为多张幕布拼接而成，相邻两张幕布边缘通过连接件连接。

一种便携式野外勘查拍摄智能方法，采用如下方式进行：

第一步，确定拍摄位置，在地面上安装固定控制器；

第二步，根据拍摄位置在被拍摄物后方搭设幕布；

第三步，将幕布通过牵引绳与控制器连接，控制器控制幕布的升降高度；

第四步，控制器采集无人机高度数据，同时通过红外激光进行高度数据读取和中心定位，并控制无人机拍摄高度；

第五步，控制器控制无人机调整至拍摄位置，同时根据无人机反馈的高度，控制幕布升降至相应匹配位置，完成一次拍照；

第六步，重复第五步的方式，分段拍摄若干张照片；

第七步，将分段拍摄的照片进行全景拼接，最终获得整株植物有背景的单体轮廓照。

所述的无人机在正式拍照之前，预先从下到上飞行至被拍摄物顶端，获得被拍摄物的初始高度H₀；通过成像原理公示计算出无人机拍摄每张照片的有效高度H

其中D为无人机与拍摄物中心线垂直距离，h为镜头焦距，f为底片及感光器高度；

每个拍摄位置高度A分别计算得出：

A_N＝A₁+(N-1)(H-ΔH)，

其中ΔH为两张照片重叠高度，拍摄次数N设置为H₀/H取整后加1。

所述的

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明中采用控制器和无人机的配合，可以灵活分段给大型植物树木进行局部拍摄，后期通过全景拼接，得到完整的单株树木轮廓照片，并在有幕布单一背景的图像中，便于植物单体图层的获得，利于在相关设计软件中作为设计素材，进行三维立体模拟。

本发明拍摄方式不受拍摄场地局限，有利于在植物茂盛的丛林野外或者空间有限的城市街道中完成拍摄任务。而且本发明中涉及到的系统架构简单，幕布和支撑杆拆装搭建方便，收纳后体积小，方便户外携带作业。

【附图说明】

图1是本发明较佳实施例的拍摄示意图一；

图2是图1中控制器和无人机放大示意图；

图3是本发明较佳实施例的拍摄示意图二；

图4是本发明较佳实施例的拍摄的后方示意图；

图5是本发明较佳实施例的拍摄俯视示意图；

图6是本发明较佳实施例中支撑杆固定示意图；

图7是本发明较佳实施例中支撑杆顶端和底端滑轮示意图；

图8是本发明较佳实施例中支撑杆拆卸示意图；

图9是本发明较佳实施例中幕布局部展开示意图；

图10是本发明较佳实施例中拍摄位置计算示意图。

【具体实施方式】

请参阅说明书附图1-10所示，本发明为一种便携式野外勘查拍摄智能系统及其方法，主要适用于野外的大型植物单株拍摄，不受地域空间限制，获得完整图片素材。

本实施例中以拍摄树木为例，首先在树木周边的空间位置上选取最佳的拍摄位置，在最佳拍摄位置地面固定控制器1，无人机2拍摄时控制器1配合工作。

以树木中心位置为中心点，围绕中心点绘制圆形，所绘制的圆形需将树木地面投影完整包围在内，例如图5。沿着圆形的圆周设置弧形的幕布3。中心点到控制器1的连线，为中心线，弧形的幕布3沿中心线对称分布。弧形幕布3的大小以半圆为宜，高度要覆盖无人机1的单张有效拍摄高度。

本实施例中的幕布3为可升降幕布，通过控制器1，实现与无人机1的同步升降，确保每个拍摄高度位置都能让幕布3覆盖到。因此将幕布3通过多根牵引绳4连接到控制器1上，由控制器1统一控制收放长度，确保幕布3升降稳定。

幕布3的升降可以采用多种方式，本实施例中采用的是通过支撑杆5配合。结合图6至图8所示，支撑杆5包括多节杆体51和套管52，杆体51、套管52都是空心管，套管52的内径略大，杆体51刚好可以插入套管52内，由此多节杆体51、套管52交替插接，形成支撑杆5的主要部分。在顶端和底端的杆体51上都开设有一个通孔，分别是顶部通孔53和底部通孔54，同时在顶端和底端的杆体内设置有滑轮55。滑轮55主要为了牵引绳4转向、收放顺滑，可以是单个滑轮的形式，也可以是滑轮组的形式。

在使用时，牵引绳4的一端连接固定在幕布3的上边部分，然后牵引绳4从顶部通孔53穿入到支撑杆5的内部，从上往下再从底部通孔54中穿出，穿出后最终卷绕到控制器1上。为了使得幕布3更为贴合，幕布3的背面设置有袋孔31，支撑杆5穿套在袋孔31内，使得幕布3由支撑杆5撑开。每个支撑杆5都沿着以树木中心的圆形轨迹设置，使得幕布3分布成圆弧状。

本实施例中采用的幕布3的规格为12m*2m，但是由于拍摄对象、环境不同，还可以配备不同尺寸的单元幕布，比如常用为3m*2m，6m*2m，9m*2m三种规格，以满足不同大小的植株使用。当一张规格为12m*2m的幕布不够用，可以再加接其他小尺寸单元幕布，可以将更大型的树木完整包围。又或者拍摄较小的植物，直接采用小尺寸单元幕布或者小尺寸拼接等形式。幕布3间隔3m缝制一个支撑杆5穿套的袋孔31。在相邻两张单元幕布两端接触面缝制尼龙魔术贴布进行拼贴粘结，其他能实现拼接连接的方式均可为本发明中所用。

根据支撑杆5的固定处的地面多数为土质地面，支撑杆5的底端设置为尖刺结构56，可以是外接一个尖刺部，也可以是杆体直接形成，目的是为了可以直接插入泥土地面中固定。如若碰到岩石等硬质地面，给支撑杆5的底部配备带孔的配重块57，支撑杆5插入配重块57的孔中，直接放置在平整的硬质地面上。

为了方便拆卸收纳支撑杆5，可以将牵引绳4分割成三段，分别为与幕布连接的上段41、位于支撑杆5内部的中段42和收卷至控制器1的下段43。中段42的牵引绳，在支撑杆5的杆体51和套管52拆开后，还可以作为软索把整个杆体51和套管52有序串在一起，不至于分散，中段42的两头尽量保持露在外面，既可以用来捆绑支撑杆5，又方便与上段41和下段43的连接。

控制器1是一个控制中心，主要包括有单片机11、激光对准器12、驱动机构13、电源14。单片机11是控制器1中的核心，主要由单片机11来实现程序运行和控制，电源14主要是给控制器1上的部件供电。单片机11与激光对准器12和驱动机构13连接，通过两者分别掌握无人机2和幕布3的状态，实行智能控制。

通常来说单片机11可以直接读取无人机2上自带的高度检测仪数据。但是为了使得无人机2的拍摄位置精准，特意配备了激光对准器12来物理读取无人机2的飞行高度。激光对准器12的原理就是采用激光发射器和接收器之间的距离，计算出无人机2的位置高度，同时还可以通过激光对准器12让无人机2能沿着精准的激光定位线路上升，不偏离预定拍摄飞行路线。若拍摄中检测到无人机2不在预定射线位置，则控制器1上发出偏离信号，直至无人机2归回至准确线路。

驱动机构13主要包括有电机131、齿轮组132、多个同轴转动的收线轮133。单片机11控制电机131转动的速度和角度，通过齿轮组132传递后，驱动收线轮133转动。收线轮133收卷幕布3的牵引绳4，主要是牵引绳4的下段43绕至收线轮133上。当收线轮133收卷牵引绳4时，外部的牵引绳4缩短，幕布3上升，收线轮133放线时，外部的牵引绳4变长，幕布3借助自重匀速下降。由于幕布需要多根牵引绳4的牵引，因此收线轮133垂直分割成多个，每根牵引绳4收卷在独立的收线轮133上。本实施例中是通过往外延伸的分隔棒134将收线轮133独立隔成多个收卷单元，防止牵引绳4相互缠绕。由于所有的牵引绳4都同步同轴转动，因此放线或者收线的长度相同，使得幕布3的几个牵引点都升降一致。

在控制器1安装、幕布3搭设连接完成后，控制器1与无人机2进行定位和无线通信。无人机2沿着激光对准器12预设路线执行拍摄任务。

参见图10，本实施例中，为了寻找无人机精准拍摄高度和方便后期图片拼接，本实施中在正式拍摄之前，无人机2从下到上飞行至树木的顶端，读取一个预估的高度值H₀，根据摄影成像原理，镜头焦距(f)和无人机与拍摄物中心线垂直距离(D)、底片及感光器高度(h)和照片中所包含的景物高度即每张照片的有效高度(H)之间的关系为

上述公式中D依据每次的拍摄场地条件许可选择，通常为树高的1-3倍距离为佳，野外往往因植物密集，没有足够远的距离可供选择，故在每次拍摄前，拍摄距离通常由植物生长环境周边的空间大小决定，可理解为是由环境决定的可变值。

h和f则通常由无人机镜头出厂时镜头组的光学参数所确定，以当前常见无人机为例，大疆御2专业版无人机，其焦距f＝28mm，h＝9.6mm(1’英寸CCD)，可理解为是由产品确定的定值。

在控制器1中单片机11程序内输入无人机的参数f、h和实际现场的拍摄距离D，然后再通过下列公式可以精准计算出每一个拍摄位A，A₁……A_N为从下到上依次拍摄的位置高度：

A_N＝A₁+(N-1)(H-ΔH)，其中ΔH为两张照片重叠高度，拍摄次数N设置为H₀/H取整后加1。通常相邻两张照片重叠的高度不小于十分之一的重复区域，这样有利于后期软件拼接，本实施例中

在本发明中预估的高度值H₀获取方式可以为多种，本实施例中是采用无人机直接飞行，在显示屏上观察飞行高度。由于肉眼的观察存在一定的误差，所以在高度计算中，拍摄次数N设置为H₀/H取整后加1，最后一次的拍摄用来弥补树木预判高度误差。如若在正式拍摄中，最后一次拍摄后，还需要再补充拍摄，可以手动设置增加一次飞行高度拍摄。

为了采集精准的预估的高度值H₀还可以在无人机水平方向上增加红外激光扫描，直线上升过程中通过红外激光点判断无人机飞行的高度是否达到树木顶端。这从硬件上增加装置，也可以减少软件中手动设置加拍的几率。

当然为了确保照片质量，可以在同一个高度位置处，拍摄多张照片，最终选取其中最佳一张。

所有的位置高度数据单片机1计算出来后，无人机的拍摄任务按照该数据执行。当第一个高度位置拍摄完成后，控制器1让无人机2飞行至第二个拍摄位置，同时发送指令给驱动机构13，驱动机构13根据无人机2上升高度，对应收卷一定长度的牵引绳4，一般幕布3升降的高度和牵引绳4收放的长度相同，保持两者同步上下。幕布3配合无人机2上升至第二个拍摄位置的背景处，等待第二次拍摄。

当所有高度位置都拍摄完成时，获得所有位置的若干张最佳图片，将图片通过处理软件，可以运用Photoshop软件“Photomerge”自动处理功能，把相邻图片依次重叠，重叠位置为原先预留1/10，经过全景拼接后获得树木的完整单体照片，且具有统一整洁的背景，并运用Photoshop软件“魔棒”和“蒙版”等功能，实现一键选取幕布背景，抠图获取植物单体轮廓图像，方便后期的使用和设计。

以上的具体实施方式仅为本创作的较佳实施例，并不用以限制本创作，凡在本创作的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本创作的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种便携式野外勘查拍摄智能系统，其特征在于：包括有控制器、无人机、幕布；控制器与无人机进行数据通信，控制无人机飞行轨迹和拍摄高度位置；幕布与控制器连接，由控制器控制幕布升降至所需位置；

所述的控制器包括有单片机和与单片机连接的激光对准器、驱动机构、电源；单片机与无人机进行数据通信，收发无人机高度数据，并控制无人机飞行高度；激光对准器检测无人机的高度，校验无人机中心对准，并将数据传递给单片机；驱动机构接收单片机指令，控制弧形幕布上牵引绳的收放长度；电源为控制器供电。

2.如权利要求1所述的一种便携式野外勘查拍摄智能系统，其特征在于：所述的驱动机构，包括有电机、齿轮组、多个同轴转动的收线轮；幕布的每根牵引绳配套一个收线轮，电机通过齿轮组传动，驱动多个收线轮同步转动，实现牵引绳的收放。

3.如权利要求1所述的一种便携式野外勘查拍摄智能系统，其特征在于：所述的幕布为以被拍摄物中心为圆心的弧形幕布；控制器与拍摄物中心形成中心线，弧形幕布以中心线对称分布。

4.如权利要求1所述的一种便携式野外勘查拍摄智能系统，其特征在于：所述的幕布设置有套支撑杆的袋孔；支撑杆包括多节中空杆体和多节中空套管插接拼装而成，在顶部和底部的杆体上开设通孔，在顶部杆体和底部杆体内设置有滑轮；牵引绳的一端与幕布上边固定，另一端从顶部通孔穿入且绕过滑轮向下，再从底部的滑轮绕过从底部通孔穿出，最终绕至控制器的收线轮上。

5.如权利要求4所述的一种便携式野外勘查拍摄智能系统，其特征在于：所述的支撑杆底端为可插至地面或者配重块内的尖刺结构。

6.如权利要求1所述的一种便携式野外勘查拍摄智能系统，其特征在于：所述的幕布为多张幕布拼接而成，相邻两张幕布边缘通过连接件连接。

7.一种便携式野外勘查拍摄智能方法，其特征在于：采用如下方式进行：

第一步，确定拍摄位置，在地面上安装固定控制器；

第二步，根据拍摄位置在被拍摄物后方搭设幕布；

第三步，将幕布通过牵引绳与控制器连接，控制器控制幕布的升降高度；

第四步，控制器采集无人机高度数据，同时通过红外激光进行高度数据读取和中心定位，并控制无人机拍摄高度；

第五步，控制器控制无人机调整至拍摄位置，同时根据无人机反馈的高度，控制幕布升降至相应匹配位置，完成一次拍照；

第六步，重复第五步的方式，分段拍摄若干张照片；

第七步，将分段拍摄的照片进行全景拼接，最终获得整株植物有背景的单体轮廓照。

8.如权利要求7所述的一种便携式野外勘查拍摄智能方法，其特征在于：所述的无人机在正式拍照之前，预先从下到上飞行至被拍摄物顶端，获得被拍摄物的初始高度H₀；通过成像原理公式计算出无人机拍摄每张照片的有效高度H：

，其中D为无人机与拍摄物中心线垂直距离，h为底片及感光器高度，f为镜头焦距；

每个拍摄位置高度A分别计算得出：

，

，

其中

为两张照片重叠高度，拍摄次数N设置为H₀/H取整后加1。

9.如权利要求8所述的一种便携式野外勘查拍摄智能方法，其特征在于：所述的

。

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