CN117156282A - 一种基于无人机航摄相片投影的全景图像生成方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无人机技术领域,具体的说是一种基于无人机航摄相片投影的全景图像生成方法及系统。包括以下步骤:步骤一、获取无人机图像数据集;步骤二、对无人机图像数据集进行投影,生成实景三维模型;步骤三、生成目标场景的全景图像。本发明根据无人机的姿态数据对采集到的图像进行立体投影,再根据投影得到的模型对像元实现逆匹配,还原像元在每个图像中的真实位置,该方法不需要图像特征点,也不需要较高的重叠率,经过后续实地试验,10%的重叠率已经能够取得较好的效果。
Description
技术领域
本发明属于无人机技术领域,具体的说是一种基于无人机航摄相片投影的全景图像生成方法及系统。
背景技术
无人机遥感技术已经广泛应用于自然灾害调查,危险地形勘测,建筑物损伤检测等相关领域。在上面这些重要的应用当中,无人机航摄像片的数据处理是计算机视觉领域重点研究的基本问题之一,其中最常用的方法为图像拼接,这种方法需要大量的特征点,用以获取图像中的像对,进而计算相机的位置信息并拼接生成全景图像。
然而对于雪山,水域,沙漠等单一场景,图像特征点稀少导致传统的图像拼接方法无法完成上述的拼接过程,原因是较为稀疏的特征点会造成误匹配或像对的缺失。基于以上原因,开发一种不需要依赖特征点生成全景图像的方法具有非常重要的意义。除此之外,传统的图像拼接算法需要较高的图像重叠率以提供足够多的特征点,通常要求航向重叠率不低于60%,旁向重叠率不低于30%,这不仅导致了无人机执行任务的效率低,后续得到的图像数据集也十分庞大,对其处理起来较为耗时与复杂。
因此,针对于上述的技术弊端,本方法根据无人机的姿态数据对采集到的图像进行立体投影,再根据投影得到的模型对像元实现逆匹配,还原像元在每个图像中的真实位置。该方法不需要图像特征点,也不需要较高的重叠率,经过后续实地试验,10%的重叠率已经能够取得较好的效果。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供了一种基于无人机航摄相片投影的全景图像生成方法及系统,该方法根据无人机的姿态数据对采集到的图像进行立体投影,再根据投影得到的模型对像元实现逆匹配,还原像元在每个图像中的真实位置,该方法不需要图像特征点,也不需要较高的重叠率,经过后续实地试验,10%的重叠率已经能够取得较好的效果。
本发明技术方案结合附图说明如下:
第一方面,本发明提供了一种基于无人机航摄相片投影的全景图像生成方法,包括以下步骤:
步骤一、获取无人机图像数据集;
步骤二、对无人机图像数据集进行投影,生成实景三维模型;
步骤三、生成目标场景的全景图像。
进一步的,所述步骤一的具体方法如下:
11)设定图像重叠率;
12)制订飞行路径,生成飞行策略并执行采集图像数据的任务。
进一步的,所述步骤11)的具体方法如下:
设定重叠率为10%。
进一步的,所述步骤二的具体方法如下:
21)读取XMP字段记录的无人机POS数据;
22)生成三个转换坐标系矩阵;
23)将图像中的每个像素点(ui,vi)根据三个坐标系转换投影到三维点云,生成片状三维模型。
进一步的,所述步骤22)的具体方法如下:
221)将图像像素坐标系OUV转换成图像平面坐标系OXY,转换公式如下:
转换公式将图像像素坐标系中的一点(u,v)转换至图像平面坐标系中的一点(x,y),式中,u和v分别为像元点在原始图像的行号和列号;x和y分别为像元点在图像平面坐标系的横纵坐标;dx和dy为像元尺寸;
222)将图像平面坐标系OXY转换成图像空间坐标系OXcYcZc,转换公式如下:
式中,f为相机焦距;Xc、Yc、Zc分别为像元点在图像空面坐标系的横纵坐标;
223)将图像空间坐标系OXcYcZc转换成世界坐标系OXwYwZw,转换公式如下:
式中,为单位向量;R为转换矩阵:
其中的参数计算公式如下:
b1=cosωsink
b2=cosωcosk
b3=-sinω
式中,为无人机的俯仰角;ω为无人机的翻滚角;k为无人机的偏航角。
进一步的, 所述步骤三的具体方法如下:
31)根据对目标场景清晰度的要求自定义图像分辨率;
32)生成空白的全景图像,然后根据步骤二生成的三维模型做点云逆匹配,解算出全景图像中每一个像素点的像素值。
进一步的, 所述图像分辨率不超过原始航摄相片的图像分辨率。
第二方面,本发明提供了一种基于无人机航摄相片投影的全景图像生成系统,包括:
图像数据采集模块,用于获取无人机图像数据集;
图像数据投影模块,用于对无人机图像数据集进行投影,生成实景三维模型;
全景图像生成模块,用于生成目标场景的全景图像。
进一步的, 所述图形数据采集模块包括:
设定图像重叠率模块, 用于设定图像采集重叠率;
制定飞行路径模块,用于生成飞行策略并执行采集图像数据的任务;
所述图像数据投影模块包括:
读取模块, 用于读取XMP字段记录的无人机POS数据;
第一生成模块, 用于生成三个转换坐标系矩阵;
第二生成模块, 用于将图像中的每个像素点(ui, vi)根据三个坐标系转换投影到三维点云,生成片状三维模型;
所述全景图像生成模块包括:
自定义模块,用于根据对目标场景清晰度的要求自定义图像分辨率;
第三生成模块,用于生成空白的全景图像,然后根据第二生成模块生成的三维模型做点云逆匹配,解算出全景图像中每一个像素点的像素值。
本发明的有益效果为:
本发明提出的全景图像生成方法针对于特征点稀疏的单一场景,一方面解决了传统图像拼接过程中对特征点像对数量要求高、容易出现误匹配的问题;另一方面允许用户自定义生成全景图像的分辨率,可根据实际精度需求自定义图像的分辨率,对精度要求不高的场合可以牺牲一部分分辨率来提高算法的运行速度,在对精度要求高的场合可以为用户提高足够的分辨率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明所述基于无人机航摄相片投影的全景图像生成方法的流程图;
图2为测试桥梁实景图;
图3a和图3b为拍摄点位置与路径规划示意图;
图4为采集到的图像数据集;
图5为像素坐标系到图像平面坐标系的坐标转换示意图;
图6为图像平面坐标系到图像空间坐标系的坐标转换示意图;
图7为图像空间坐标系到世界坐标系的坐标转换示意图;
图8为图像投影的三维点云模型;
图9为像元匹配得到的全景图像;
图10为本发明所述基于无人机航摄相片投影的全景图像生成系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明,而非对本发明的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
参阅图1,本实施例提供了一种基于无人机航摄相片投影的全景图像生成方法,包括以下步骤:
步骤一、获取无人机图像数据集,具体方法如下:
11)设定图像重叠率;设定重叠率为10%,10%的重叠率已经足够满足该方法的建模条件;
12)制订飞行路径,生成飞行策略并执行采集图像数据的任务。
步骤二、对无人机图像数据集进行投影,生成实景三维模型,具体方法如下:
21)读取XMP字段记录的无人机POS数据;
22)生成三个转换坐标系矩阵;其中包括:
221)将图像像素坐标系OUV转换成图像平面坐标系OXY,转换公式如下:
转换公式将图像像素坐标系中的一点(u,v)转换至图像平面坐标系中的一点(x,y),式中,u和v分别为像元点在原始图像的行号和列号;x和y分别为像元点在图像平面坐标系的横纵坐标;dx和dy为像元尺寸;
222)将图像平面坐标系OXY转换成图像空间坐标系OXcYcZc,转换公式如下:
式中,f为相机焦距;Xc、Yc、Zc分别为像元点在图像空面坐标系的横纵坐标;
223)将图像空间坐标系OXcYcZc转换成世界坐标系OXwYwZw,转换公式如下:
式中,为单位向量;R为转换矩阵:
其中的参数计算公式如下:
b1=cosωsink
b2=cosωcosk
b3=-sinω
式中,为无人机的俯仰角;ω为无人机的翻滚角;k为无人机的偏航角。
23)将图像中的每个像素点(ui,vi)根据三个坐标系转换投影到三维点云,生成片状三维模型。
步骤三、生成目标场景的全景图像,具体方法如下:
31)根据对目标场景清晰度的要求自定义图像分辨率;所述图像分辨率不超过原始航摄相片的图像分辨率。
32)生成空白的全景图像,然后根据步骤二生成的三维模型做点云逆匹配,解算出全景图像中每一个像素点的像素值。
实施例二
本实施例以某座实景桥梁为例介绍一种基于无人机航摄相片投影的全景图像生成方法,具体如下:
步骤一、获取无人机图像数据集;
11)设定图像采集重叠率,如图2所示,这是一座实景桥梁,其长度为85米,宽度为7米,采用大疆M300无人机对其进行数据采集的实地实验,相机采用大疆H20可见光相机,采集图像重叠率设置为10%;
12)制定飞行路径后,在DJI pilot 2软件自动生成拍摄点的位置,如图3a和图3b所示,并设置飞行高度为14米,飞行速度为3米/秒,拍摄方式为悬停拍照,执行飞行任务采集得到图像数据集如图4所示,共计图像数量为15张。
步骤二、将采集到的图像数据投影成三维模型;
21)读取其中一张图像的XMP字段记录的无人机POS数据如下所示,
drone-dji:GpsLatitude=“+43.2259438”
drone-dji:GpsLongitude=“+125.1952525”
drone-dji:AbsoluteAltitude=“+14.028”
drone-dji:GimbalRollDegree=“+0.00”
drone-dji:GimbalYawDegree=“+24.10”
drone-dji:GimbalPitchDegree=“-90.40”;
其中包含:经度(GpsLatitude)、纬度(GpsLongitude)、海拔高度(AbsoluteAltitude)、俯仰角(GimbalPitchDegree)、偏航角(GimbalYawDegree)、翻滚角(GimbalRollDegree);
22)将图像中的每个像元点投影,计算并生成三个转换坐标系矩阵,其中包含:
221)从像素坐标系(OUV)到图像平面坐标系(OXY),坐标转换的示意图如图5所示,像元dx和dy大小只与传感器尺寸有关,传感器尺寸为7.41mm×5.56mm,像元大小为1.43mm,据此按照下式可得每一个像元点对应在图像平面坐标系当中的位置(x,y):
其中,u代表图像的行数,取值范围为0至3888,v代表图像的列数,取值范围为0至5184;
222)从图像平面坐标系(OXY)到图像空间坐标系(OXcYcZc),坐标转换的示意图如图6所示,Zc代表无人机的飞行高度,由在XMP字段中得到的海拔高度得出14m,f为相机的焦距13.97mm,相机的放大倍数为Zc/f=1002倍,据此按照下式可得每一个像元点对应在图像平面坐标系当中的位置(Xc,Yc,Zc):
223)从图像空间坐标系(OXcYcZc)到世界坐标系(OXwYwZw),坐标转换的示意图如图7所示,据此按照下式可得每一个像元点对应在世界坐标系当中的位置(Xw,Yw,Zw),其转换公式如下:
其中,转换矩阵由XMP字段中索引得到的无人机欧拉角数据计算得出;
23)将图像中的每个像素点(ui,vi)根据三个坐标系转换投影到三维点云,生成片状三维模型,如图8所示。
步骤三、生成目标场景的全景图像;
31)根据对目标场景清晰度的要求自定义图像分辨率,此分辨率不能超过原始航摄相片的图像分辨率,在此实例中我们将分辨率设置为0.01m;
32)生成空白的全景图像,然后对上一步生成的三维模型做点云逆匹配,解算出全景图像中每一个像素点的像素值,即还原每一个三维点在原始全景图像中的位置,结果如图9所示。
综上,本发明提出的全景图像生成方法针对于特征点稀疏的单一场景,一方面解决了传统图像拼接过程中对特征点像对数量要求高、容易出现误匹配的问题;另一方面允许用户自定义生成全景图像的分辨率,可根据实际精度需求自定义图像的分辨率,对精度要求不高的场合可以牺牲一部分分辨率来提高算法的运行速度,在对精度要求高的场合可以为用户提高足够的分辨率。
实施例三
参阅图10,本实施例提供了一种基于无人机航摄相片投影的全景图像生成系统,包括:
图像数据采集模块,用于获取无人机图像数据集;
所述图形数据采集模块包括:
设定图像重叠率模块,用于设定图像采集重叠率;
制定飞行路径模块,用于生成飞行策略并执行采集图像数据的任务;
图像数据投影模块,用于对无人机图像数据集进行投影,生成实景三维模型;
所述图像数据投影模块包括:
读取模块,用于读取XMP字段记录的无人机POS数据;
第一生成模块,用于生成三个转换坐标系矩阵;
第二生成模块,用于将图像中的每个像素点(ui,vi)根据三个坐标系转换投影到三维点云,生成片状三维模型;
全景图像生成模块,用于生成目标场景的全景图像。
所述全景图像生成模块包括:
自定义模块,用于根据对目标场景清晰度的要求自定义图像分辨率;
第三生成模块,用于生成空白的全景图像,然后根据第二生成模块生成的三维模型做点云逆匹配,解算出全景图像中每一个像素点的像素值。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种基于无人机航摄相片投影的全景图像生成方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一、获取无人机图像数据集;
步骤二、对无人机图像数据集进行投影,生成实景三维模型;
步骤三、生成目标场景的全景图像。
2.根据权利要求1所述的一种基于无人机航摄相片投影的全景图像生成方法,其特征在于,所述步骤一的具体方法如下:
11)设定图像重叠率;
12)制定飞行路径,生成飞行策略并执行采集图像数据的任务。
3.根据权利要求2所述的一种基于无人机航摄相片投影的全景图像生成方法,其特征在于,所述步骤11)的具体方法如下:
设定重叠率为10%。
4.根据权利要求1所述的一种基于无人机航摄相片投影的全景图像生成方法,其特征在于,所述步骤二的具体方法如下:
21)读取其中一张图像的XMP字段记录的无人机POS数据;
22)生成三个转换坐标系矩阵;
23)将图像中的每个像素点(ui,vi)根据三个坐标系转换投影到三维点云,生成片状三维模型。
5.根据权利要求4所述的一种基于无人机航摄相片投影的全景图像生成方法,其特征在于,所述步骤22)的具体方法如下:
221)将图像像素坐标系OUV转换成图像平面坐标系OXY,转换公式如下:
转换公式将图像像素坐标系中的一点(u,v)转换至图像平面坐标系中的一点(x,y),式中,u和v分别为像元点在原始图像的行号和列号;x和y分别为像元点在图像平面坐标系的横纵坐标;dx和dy为像元尺寸;
222)将图像平面坐标系OXY转换成图像空间坐标系OXcYcZc,转换公式如下:
式中,f为相机焦距;Xc、Yc、Zc分别为像元点在图像空面坐标系的横纵坐标;
223)将图像空间坐标系OXcYcZc转换成世界坐标系OXwYwZw,转换公式如下:
式中,为单位向量;R为转换矩阵:
其中的参数计算公式如下:
b1=cosωsink
b2=cosωcosk
b3=-sinω
式中,为无人机的俯仰角;ω为无人机的翻滚角;k为无人机的偏航角。
6.根据权利要求1所述的一种基于无人机航摄相片投影的全景图像生成方法,其特征在于,所述步骤三的具体方法如下:
31)根据对目标场景清晰度的要求自定义图像分辨率;
32)生成空白的全景图像,然后根据步骤二生成的三维模型做点云逆匹配,解算出全景图像中每一个像素点的像素值。
7.根据权利要求6所述的一种基于无人机航摄相片投影的全景图像生成方法,其特征在于,所述图像分辨率不超过原始航摄相片的图像分辨率。
8.一种基于无人机航摄相片投影的全景图像生成系统,其特征在于,包括:
图像数据采集模块,用于获取无人机图像数据集;
图像数据投影模块,用于对无人机图像数据集进行投影,生成实景三维模型;
全景图像生成模块,用于生成目标场景的全景图像。
9.根据权利要求8所述的一种基于无人机航摄相片投影的全景图像生成系统,其特征在于,
所述图形数据采集模块包括:
设定图像重叠率模块,用于设定图像采集重叠率;
制定飞行路径模块,用于生成飞行策略并执行采集图像数据的任务;
所述图像数据投影模块包括:
读取模块,用于读取XMP字段记录的无人机POS数据;
第一生成模块,用于生成三个转换坐标系矩阵;
第二生成模块,用于将图像中的每个像素点(ui,vi)根据三个坐标系转换投影到三维点云,生成片状三维模型;
所述全景图像生成模块包括:
自定义模块,用于根据对目标场景清晰度的要求自定义图像分辨率;
第三生成模块,用于生成空白的全景图像,然后根据第二生成模块生成的三维模型做点云逆匹配,解算出全景图像中每一个像素点的像素值。
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CN117830554A (zh) * | 2024-01-19 | 2024-04-05 | 中国建筑第五工程局有限公司 | 一种无人机镜头姿态复现的建筑再生实景合成方法和系统 |
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2023
- 2023-09-14 CN CN202311182342.5A patent/CN117156282A/zh active Pending
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