CN114202981A - 一种用于摄影测量实验的仿真平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于摄影测量实验的仿真平台，通过无人机仿真模块，包括无人机，无人机用于实景测量，操作者设计拍摄路线，拍摄路线中包括特征点，无人机在特征点停留进行360°全景拍摄，得到特征点图像数据，特征点图像数据包括图像、视频与拍摄参数；基于无人机实地拍摄过程的数据建立目标实景模型，目标实景模型用于映射仿真场景，根据教师模块指令，选择仿真无人机模型的实验拍摄路线，系统把实验拍摄路线对应所述拍摄路线，目标实景模型的特征点图像数据输出为仿真无人机在仿真场景的模拟拍摄结果。
Description
技术领域
本发明属于仿真平台技术领域，涉及一种用于摄影测量实验的仿真平台。
背景技术
无人机摄影测量是测绘工程、地理信息系统等专业教学的重点内容，无人机摄影测量相关内容涉及大量的图形与图像表达，仅凭简单程序搭建的仿真模拟平台，学生有限地掌握无人机测绘的操作步骤及方法，现有的仿真模拟平台缺少结果输出的功能，不能提供足够拍摄数据学生无法进行结果分析。学生不能真正地体验到无人机摄影测量的整个过程。
现有的无人机摄影测量的教学仿真平台，与真实世界中的拍摄测量过程的相比缺乏真实性，并且没有真是可信图像结果让学生确认学习拍摄方法是否正确，得到的学生成绩的评估缺乏说服力。对于学生，拍摄测量的技术也很难亲身体验，所以目前的教学环境亟待改善单纯使用程序构建的仿真平台，应该将虚实结合，搭建有个能够输出真实图像结果的教学用仿真平台。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于摄影测量实验的仿真平台，解决上述背景中提到的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种用于摄影测量实验的仿真平台，包括：
教师模块，教师模块发布教学课题，在仿真系统运行时，根据训练实际情况下达测量实验开始、测量实验暂停、测量实验继续、测量实验结束的指令，对测量实验进行实时监控以及仿真环境信息的修改；
视景仿真模块，用于构建仿真场景，根据教师模块发布教学课题，利用仿真程序中生成三维场景模型，所述三维场景模型是仿真无人机测量的环境模型，仿真无人机按照实地测量的路线行进，并在实地测量的路线中特征点停留，进行拍摄，得到模拟拍摄结果，所述仿真无人机是按照实地测量用的无人机数据生成的数据模型；
无人机仿真模块，包括无人机，所述无人机用于实景测量，操作者设计拍摄路线，拍摄路线中包括特征点，无人机在特征点停留进行360°全景拍摄，得到特征点图像数据，所述特征点图像数据包括图像、视频与拍摄参数；基于无人机实地拍摄过程的数据建立目标实景模型，目标实景模型用于映射仿真场景，根据教师模块指令，选择仿真无人机模型的实验拍摄路线，系统把实验拍摄路线对应所述拍摄路线，目标实景模型的特征点图像数据输出为仿真无人机在仿真场景的模拟拍摄结果；
训练成绩评价模块，根据教师评价结果和记录数据，进行学生摄影测量实验综合评价。
本发明的特点还在于：
基于无人机实地拍摄过程的数据建立目标实景模型，包括以下步骤：
步骤1、在待建模区域的地面及物体表面均匀布设标志点组，建立坐标系，测量所述标志点组包含的所有标志点的现实三维坐标；
步骤2、无人机按操作者设计拍摄路线行进，无人机在特征点停留进行360°全景拍摄，得到特征点图像数据，从特征点图像数据筛选视频，把视频裁剪成片段，通过仿真系统把无人机拍摄得到的多个视频片段进行拼接，得到目标全景视频；
步骤3.仿真系统对目标全景视频进行视频帧自适应抽取，得到用于三维重建的目标关键帧组；
步骤4.根据标志点组对所述目标关键帧组进行空中三角测量，根据所述目标关键帧组获取目标多视影像集，并根据所述目标多视影像集进行立体重建，得到目标密集点云；
步骤5、仿真系统对地面密集点云进行点云配准，并对配准后的所述地面密集点云和进行融合，得到目标三维点云，根据所述目标三维点云，构建三维网格模型；
步骤6、对所述三维网格模型的每个网格面片生成映射影像，得到每个网格面片的映射候选影像集，在所述映射候选影像集中选取最佳映射影像，根据所述最佳映射影像进行纹理映射，生成目标实景模型。
无人机内部集成有控制器，控制器记录无人机实地拍摄过程的拍摄路线和特征点图像数据；
摄像机组件，包括固定轴，固定轴一端固接在无人机底部，固定轴的另一端设置有摄像机室，摄像机室为透明材质，摄像机室内部设置有摄像机，摄像机与控制器远程连接，控制器摄像机拍摄得到的特征点图像数据发送给控制器，固定轴与摄像机室之间设置有水平旋转机构，水平旋转机构用于旋转摄像机，让摄像机完成360°全景拍摄。
水平旋转机构包括电机舱，电机舱与固定轴的底端固接，电机舱内设置有伺服电机，伺服电机的输出端连接摄像机室。
电机舱与伺服电机输出轴连接处的内壁设置有阻尼组件。
阻尼组件包括阻槽，阻槽开设在电机舱与伺服电机输出轴连接处的内壁，阻槽数量为多个，阻槽等间距排列在内壁，输出轴外壁向内开设有柱型空腔，柱型空腔底部设置有连接伸缩弹簧底端，伸缩弹簧顶端固接阻块，阻槽与阻块形状相配合，柱型空腔的开口尺寸大于阻块的尺寸，阻块通过开口延伸至柱型空腔的外部，并插入阻槽。
柱型空腔内壁对称开设有限位槽，限位槽内设置有限位块8间隙配合，限位块固接在阻块侧壁上。
本发明的有益效果是：
1、本发明中的仿真系统制作的一个无人机拍摄过程的模型，仿真系统可以模拟无人机拍摄的过程，选取特征点，想要了解特征点拍摄得到的图像或者可以得到的某些数据，或是拍摄操作是否正确，就可以调用无人机拍摄的实际图片作为结果或者是作为原始数据分析运算，用一个真实的模型去为一个虚拟的模型提供真实可靠的结果，比传统的仿真模型多了真实的、清楚的数据结果，让学生能够更准确理解仿真过程。
2、本发明中的水平旋转机构辅助摄像机完成360°全景拍摄，确保摄像机在360°全景拍摄是匀速旋转，并且能人为调节全景拍摄的角度，拍摄固定角度手物理结构决定，比单纯程序控制更为精确。
3、本发明中伺服电机的输出轴外壁开设有柱型空腔，柱型空腔内设置伸缩弹簧和阻块，阻块通过伸缩弹簧的弹力在柱型空腔的内部伸缩，限位块和限位槽使阻块活动更加稳定，同时限制其活动范围，通过电机舱内壁设置有阻槽，阻槽与阻块为相适配的等腰梯形，便于阻块快速插入阻槽的内部，从而实现阻尼的效果，等腰梯形的设计有效的防止了影响旋转座的转动，达到了防护性好的目的。
附图说明
图1是本发明一种用于摄影测量实验的仿真平台的结构示意图；
图2是本发明一种用于摄影测量实验的仿真平台的图1中A部分放大图；
图3是本发明一种用于摄影测量实验的剖视图。
图4是本发明一种用于摄影测量实验仿真平台的图3中B部分放大图。
图中，1.无人机，2.摄像机组件，3.阻尼组件，4.水平旋转机构，1-1.控制器，2-1.固定轴，2-2.摄像机室，4-1.电机舱，4-2.伺服电机，3-3.阻槽，3-4.柱型空腔，3-5.伸缩弹簧，3-6.阻块，3-7.限位槽，3-8.限位块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种用于摄影测量实验仿真平台，一种用于摄影测量实验的仿真平台，包括：
教师模块，教师模块发布教学课题，在仿真系统运行时，根据训练实际情况下达测量实验开始、测量实验暂停、测量实验继续、测量实验结束的指令，对测量实验进行实时监控以及仿真环境信息的修改；
视景仿真模块，用于构建仿真场景，根据教师模块发布教学课题，利用仿真程序中生成三维场景模型，所述三维场景模型是仿真无人机测量的环境模型，仿真无人机按照实地测量的路线行进，并在实地测量的路线中特征点停留，进行拍摄，得到模拟拍摄结果，所述仿真无人机是按照实地测量用的无人机数据生成的数据模型；
无人机仿真模块，包括无人机，所述无人机用于实景测量，操作者设计拍摄路线，拍摄路线中包括特征点，无人机在特征点停留进行360°全景拍摄，得到特征点图像数据，所述特征点图像数据包括图像、视频与拍摄参数；基于无人机实地拍摄过程的数据建立目标实景模型，目标实景模型用于映射仿真场景，根据教师模块指令，选择仿真无人机模型的实验拍摄路线，系统把实验拍摄路线对应所述拍摄路线，目标实景模型的特征点图像数据输出为仿真无人机在仿真场景的模拟拍摄结果；
训练成绩评价模块，根据教师评价结果和记录数据，进行学生摄影测量实验综合评价。
基于无人机实地拍摄过程的数据建立目标实景模型，包括以下步骤：
步骤1、在待建模区域的地面及物体表面均匀布设标志点组，建立坐标系，测量所述标志点组包含的所有标志点的现实三维坐标；
步骤2、无人机按操作者设计拍摄路线行进，无人机在特征点停留进行360°全景拍摄，得到特征点图像数据，从特征点图像数据筛选视频，把视频裁剪成片段，通过仿真系统把无人机拍摄得到的多个视频片段进行拼接，得到目标全景视频；
步骤3.仿真系统对目标全景视频进行视频帧自适应抽取，得到用于三维重建的目标关键帧组；
步骤4.根据标志点组对所述目标关键帧组进行空中三角测量，根据所述目标关键帧组获取目标多视影像集，并根据所述目标多视影像集进行立体重建，得到目标密集点云；
步骤5、仿真系统对地面密集点云进行点云配准，并对配准后的所述地面密集点云和进行融合，得到目标三维点云，根据所述目标三维点云，构建三维网格模型；
步骤6、对所述三维网格模型的每个网格面片生成映射影像，得到每个网格面片的映射候选影像集，在所述映射候选影像集中选取最佳映射影像，根据所述最佳映射影像进行纹理映射，生成目标实景模型。
如图1、2、3、4所示，无人机1内部集成有控制器，控制器1-1记录无人机实地拍摄过程的拍摄路线和特征点图像数据。
摄像机组件2，包括固定轴2-1，固定轴一端固接在无人机1底部，固定轴 2-1的另一端设置有摄像机室2-2，摄像机室2-2为透明材质，摄像机室2-2内部设置有摄像机，摄像机与控制器1-1远程连接，控制器1-1摄像机拍摄得到的特征点图像数据发送给控制器1-1，常见的无人机进行360°全景拍摄时是转动整个无人机，这就会造成机身摇晃，摇晃导致拍摄得到的全景图片或视频产生图像扭曲，图像扭曲可以造成建模时模型目标实景模型失真。所以在固定轴 2-1与摄像机室2-2之间设置有水平旋转机构4，水平旋转机构4用于旋转摄像机，让摄像机完成360°全景拍摄。
摄像机室2-2选用透明外壳，可以预防雨雪天，雨水沾湿镜头，从而影响拍摄质量或无法拍摄出所需图像数据，进而无法对影片进行仿真处理，不能完成图像测量模拟实验。
电机舱4-1与伺服电机4-2输出轴连接处的内壁设置有阻尼组件3，阻尼组件3包括阻槽3-3，阻槽3-3开设在电机舱4-1与伺服电机4-2输出轴连接处的内壁，阻槽3-3数量为多个，数量根据摄像机室2-2旋转的最小角度而定，具体为30度、45度、60度、120度，摄像机室2-2以最小角度进行微调摄像机拍摄角度，不用像以往的无人机，要调整无人机飞行方向改变拍摄角度。
阻槽等间距排列在内壁，输出轴外壁向内开设有柱型空腔3-4，柱型空腔 3-4底部设置有连接伸缩弹簧3-5底端，伸缩弹簧3-5顶端固接阻块3-6，阻槽3-3与阻块3-6形状相配合，阻槽3-3与阻块3-6均为相适配的等腰梯形，柱型空腔3-4的开口尺寸大于阻块3-6的尺寸，阻块3-6通过开口延伸至柱型空腔的外部，并插入阻槽3-3，柱型空腔3-4内壁对称开设有限位槽3-7，限位槽3-7 内设置有限位块3-8间隙配合，限位块3-8固接在阻块3-6侧壁上。
本发明一种用于摄影测量实验的仿真平台，其有益效果在于：本发明中的仿真平台制作的一个无人机拍摄过程的模型，仿真系统可以模拟无人机拍摄的过程，选取特征点，想要了解特征点拍摄得到的图像或者可以得到的某些数据，就可以调用无人机拍摄的实际图片作为结果或者是作为原始数据分析运算，用一个真实的模型去为一个虚拟的模型提供真实可靠的结果，比传统的仿真模型多了真实的、清楚的数据结果，让学生能够更准确理解仿真过程。
本发明中的水平旋转机构辅助摄像机完成360°全景拍摄，确保摄像机在 360°全景拍摄是匀速旋转，并且能人为调节全景拍摄的角度，拍摄固定角度手物理结构决定，比单纯程序控制更为精确，伺服电机的输出轴外壁开设有柱型空腔，柱型空腔内设置伸缩弹簧和阻块，阻块通过伸缩弹簧的弹力在柱型空腔的内部伸缩，限位块和限位槽使阻块活动更加稳定，同时限制其活动范围，通过电机舱内壁设置有阻槽，阻槽与阻块为相适配的等腰梯形，便于阻块快速插入阻槽的内部，从而实现阻尼的效果，等腰梯形的设计有效的防止了影响旋转座的转动，达到了防护性好的目的。
Claims (7)
1.一种用于摄影测量实验的仿真平台，其特征在于，包括：
教师模块，教师模块发布教学课题，在仿真系统运行时，根据训练实际情况下达测量实验开始、测量实验暂停、测量实验继续、测量实验结束的指令，对测量实验进行实时监控以及仿真环境信息的修改；
视景仿真模块，用于构建仿真场景，根据教师模块发布教学课题，利用仿真程序中生成三维场景模型，所述三维场景模型是仿真无人机测量的环境模型，仿真无人机按照实地测量的路线行进，并在实地测量的路线中特征点停留，进行拍摄，得到模拟拍摄结果，所述仿真无人机是按照实地测量用的无人机(1)数据生成的数据模型；
无人机仿真模块，包括无人机(1)，所述无人机用于实景测量，操作者设计拍摄路线，拍摄路线中包括特征点，无人机(1)在特征点停留进行360°全景拍摄，得到特征点图像数据，所述特征点图像数据包括图像、视频与拍摄参数；基于无人机实地拍摄过程的数据建立目标实景模型，目标实景模型用于映射仿真场景，根据教师模块指令，选择仿真无人机模型的实验拍摄路线，系统把实验拍摄路线对应所述拍摄路线，目标实景模型的特征点图像数据输出为仿真无人机在仿真场景的模拟拍摄结果；
训练成绩评价模块，根据教师评价结果和记录数据，进行学生摄影测量实验综合评价。
2.根据权利要求1所述的一种用于摄影测量实验的仿真平台，其特征在于，基于无人机实地拍摄过程的数据建立目标实景模型，包括以下步骤：
步骤1、在待建模区域的地面及物体表面均匀布设标志点组，建立坐标系，测量所述标志点组包含的所有标志点的现实三维坐标；
步骤2、无人机按操作者设计拍摄路线行进，无人机(1)在特征点停留进行360°全景拍摄，得到特征点图像数据，从特征点图像数据筛选视频，把视频裁剪成片段，通过仿真系统把无人机(1)拍摄得到的多个视频片段进行拼接，得到目标全景视频；
步骤3.仿真系统对目标全景视频进行视频帧自适应抽取，得到用于三维重建的目标关键帧组；
步骤4.根据标志点组对所述目标关键帧组进行空中三角测量，根据所述目标关键帧组获取目标多视影像集，并根据所述目标多视影像集进行立体重建，得到目标密集点云；
步骤5、仿真系统对地面密集点云进行点云配准，并对配准后的所述地面密集点云和进行融合，得到目标三维点云，根据所述目标三维点云，构建三维网格模型；
步骤6、对所述三维网格模型的每个网格面片生成映射影像，得到每个网格面片的映射候选影像集，在所述映射候选影像集中选取最佳映射影像，根据所述最佳映射影像进行纹理映射，生成目标实景模型。
3.根据权利要求2所述的一种用于摄影测量实验的仿真平台，其特征在于，所述无人机(1)内部集成有控制器，所述控制器(1-1)记录无人机实地拍摄过程的拍摄路线和特征点图像数据；
摄像机组件(2)，包括固定轴(2-1)，所述固定轴一端固接在无人机(1)底部，固定轴(2-1)的另一端设置有摄像机室(2-2)，摄像机室(2-2)为透明材质，摄像机室(2-2)内部设置有摄像机，所述摄像机与控制器(1-1)远程连接，控制器(1-1)把摄像机拍摄得到的特征点图像数据发送给控制器(1-1)，所述固定轴(2-1)与摄像机室(2-2)之间设置有水平旋转机构(4)，水平旋转机构(4)用于旋转摄像机，辅助摄像机完成360°全景拍摄。
4.根据权利要求3所述的一种用于摄影测量实验的仿真平台，其特征在于，所述水平旋转机构(4)包括电机舱(4-1)，所述电机舱(4-1)与固定轴(2-1)的底端固接，电机舱(4-1)内设置有伺服电机(4-2)，所述伺服电机(4-2)的输出端连接摄像机室(2-2)。
5.根据权利要求4所述的一种用于摄影测量实验的仿真平台，其特征在于，电机舱(4-1)与伺服电机(4-2)输出轴连接处的内壁设置有阻尼组件(3)。
6.根据权利要求5所述的一种用于摄影测量实验的仿真平台，其特征在于，所述阻尼组件(3)包括阻槽(3-3)，所述阻槽(3-3)开设在电机舱(4-1)与伺服电机(4-2)输出轴连接处的内壁，阻槽(3-3)数量为多个，所述阻槽等间距排列在内壁，输出轴外壁向内开设有柱型空腔(3-4)，所述柱型空腔(3-4)底部设置有连接伸缩弹簧(3-5)底端，所述伸缩弹簧(3-5)顶端固接阻块(3-6)，所述阻槽(3-3)与阻块(3-6)形状相配合，柱型空腔(3-4)的开口尺寸大于阻块(3-6)的尺寸，阻块(3-6)通过所述开口延伸至柱型空腔的外部，并插入阻槽(3-3)。
7.根据权利要求6所述的一种用于摄影测量实验的仿真平台，其特征在于，所述柱型空腔(3-4)内壁对称开设有限位槽(3-7)，限位槽(3-7)内设置有限位块(3-8)间隙配合，所述限位块(3-8)固接在阻块(3-6)侧壁上。
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