ES2323757T3 - Aparato de medicion de altura. - Google Patents
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Abstract
Aparato para mejorar la precisión de mediciones de altura sobre el suelo que comprende medios (2) de detección de imagen para proporcionar imágenes sucesivas del terreno sobre el que se mueve el aparato, medios (4) de almacenamiento para almacenar al menos de forma temporal dos imágenes sucesivas, medios (10, 12) de transformación para transformar la más reciente de dichas dos imágenes sucesivas en una imagen transformada según las velocidades lineal y angular del aparato, según la actitud de los medios de detección de imagen en relación al plano horizontal y según la distancia focal de los medios de detección de imagen, y según una medición de altura sobre el suelo estimada, medios (6) para comparar la imagen transformada con la última de dichas dos imágenes sucesivas y para estimar el error de registro entre éstas, y medios (8) para generar mediciones de altura sobre el suelo estimadas para reducir el error de registro.
Description
Aparato de medición de altura.
Esta invención se refiere a la mejora de la
precisión de mediciones de altura sobre el suelo, tales como las
que puede requerir una aeronave que se mueve sobre terreno de
altitud variable.
Aunque existen muchos métodos convencionales
para establecer de manera precisa la altura de una aeronave sobre
el suelo, todos ellos son activos, en cuanto a que requieren la
emisión de radiación electromagnética, cuyas emisiones pueden
detectarse y por tanto advertir de la presencia de la aeronave. Por
ejemplo, normalmente se proporcionan estimaciones precisas de
altura de aeronave sobre el terreno mediante altímetros láser o
radar; pero ambas tecnologías requieren la emisión de energía
electromagnética por parte de la aeronave y por tanto pueden
comprometer su presencia. Otras mediciones de altitud pasiva están
disponibles, tales como el sistema de posicionamiento global (GPS),
mediciones barométricas o un sistema de navegación inercial (INS).
Sin embargo, todos proporcionan mediciones de una inaceptablemente
baja precisión, y que son relativas a una referencia abstracta, más
que al terreno
local.
local.
El documento
US-A-5 606 627 describe la
estimación de datos de elevación de terreno a partir de un par de
imágenes estéreo en el que se identifica un punto característico S
en cada una de las imágenes y sus coordenadas separadas en cada
una de estas imágenes se calcula transformando cada una de las
imágenes.
H. Hanaizumi et. al.: "An automated
method for estimating terrain height from spot stereo pair
images"; IEEE, US, Vol. 3, 10 de Julio de 1995, XP000547215; da
a conocer un método para estimar altura de terreno a partir de un
par de imágenes estéreo de terreno. Se utiliza un proceso iterativo
para corregir un giro diferencial entre el par de imágenes
basándose en una aproximación polinomial a las ecuaciones que
describen la geometría de la imagen. Los parámetros de este
polinomio se estiman haciendo corresponder características entre
las dos imágenes utilizando las etapas de normalización,
prerrealización de correspondencia, en relación a la orientación y
realización, de correspondencia de píxeles de las dos imágenes. El
proceso de normalización incluye transformar una imagen y
registrarla con la segunda imagen. Ambas imágenes se transforman
entonces para hacer corresponder la orientación relativa.
Min S. Kang et. al.: "Recovering an
elevation map by stereo modelling of the aerial image sequence";
Optical Engineering, Soc. of Photo-optical
Instrumentation Engineers; Bellingham, US, volumen 33, n° 11, 1
de noviembre de 1994, XP000475122 se refiere a recuperar un mapa
topográfico mediante modelado estéreo de la secuencia de imágenes
aérea. El giro diferencial entre dos imágenes estéreo se corrige,
las características de la imagen se mapean y ambas imágenes se
transforman.
Por consiguiente, en un aspecto la invención
proporciona un aparato para mejorar la precisión de mediciones de
altura sobre el suelo que comprende medios de detección de imagen
para proporcionar imágenes sucesivas del terreno sobre el que se
mueve el aparato, medios de almacenamiento para almacenar al menos
de forma temporal dos imágenes sucesivas, medios de transformación
para transformar la más reciente de dichas dos imágenes sucesivas
en una imagen transformada según las velocidades lineal y angular
del aparato, según la actitud de los medios de detección de imagen
en relación al plano horizontal y según la distancia focal de los
medios de detección de imagen, y según una medición de altura sobre
el suelo estimada, y medios para comparar la imagen transformada
con la última de dichas dos imágenes sucesivas y para estimar el
error de registro entre éstas, proporcionándose medios para generar
mediciones de altura sobre el suelo estimadas para reducir el error
de registro.
En un segundo aspecto, la invención proporciona
un método para aumentar la precisión de mediciones de altura sobre
el suelo para un estimador que se mueve sobré el suelo,
comprendiendo el método:
- a)
- detectar dos imágenes sucesivas del terreno sobre el que se mueve el estimador;
- b)
- generar una medición aproximada de la altura sobre el suelo;
- c)
- transformar la más reciente de dichas dos imágenes sucesivas en una imagen transformada, según las velocidades lineal y angular del estimador, según la actitud en relación al plano horizontal y la distancia focal de los medios de detección de imagen, y según una medición de altura sobre el suelo estimada;
- d)
- comparar la imagen transformada con la última de dichas dos imágenes sucesivas y estimar el error de registro entre éstas, y
- e)
- producir una segunda imagen transformada de la más reciente de dichas dos imágenes sucesivas según una segunda medición de altura sobre el suelo estimada con el fin de reducir dicho error de registro.
Tales disposiciones permiten una estimación
altamente precisa de la altura de una aeronave sobre el terreno,
sin ninguna emisión de radiación electromagnética, esto es, un
sistema de estimación pasivo. La estimación se genera combinando el
conocimiento preciso de las velocidades de aeronave, una estimación
basta de la altura de aeronave y mediciones de movimiento visual
realizadas sobre imágenes sucesivas registradas por un sensor
orientado adelante.
Preferiblemente, las etapas de transformación,
comparación y producción se iteran hasta que el error de registro
es inferior a un valor predeterminado representativo de la
precisión de medición de altura sobre el suelo deseada.
El movimiento visual en la secuencia de imágenes
a partir de un sensor aerotransportado que visualiza el terreno
sobrevolado depende en gran medida de la altura y velocidad de la
aeronave sobre el terreno. Dadas las mediciones del movimiento
visual en la secuencia de imágenes y el conocimiento de la
velocidad y actitud de la aeronave, es posible deducir la altura de
la aeronave. Resultados experimentales y estudios teóricos indican
que las estimaciones de la altura de aeronave pueden realizarse
utilizando los métodos y el aparato según la invención con una
precisión del 1% o mejor.
La deducción de altura a partir de pseudoestéreo
es una técnica muy conocida en el campo de la fotogrametría [Thomas
D. Williams. "Depth from camera motion in a real world scene".
IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine
Intelligence, 2(6):511-516, 1980]. Sin
embargo, existen problemas considerables para hacer esto de forma
completamente automática. El principal de éstos es el problema de
detectar y rastrear de manera fiable puntos de interés en la
secuencia de imágenes para realizar mediciones precisas y fiables
de movimiento visual requeridas para la estimación de altitud. Se
alude a este problema como el problema de la correspondencia en el
campo de visión por ordenador.
La presente invención no se basa en
correspondencias explícitas entre puntos de interés en imágenes
sucesivas. En su lugar, utiliza un conocimiento de la velocidad y
actitud de la aeronave, junto con una estimación basta de la
altitud para registrar dos imágenes a partir de una secuencia de
imágenes de sensor. Entonces, se realiza una medida simple del
error de registro y se utilizan técnicas iterativas estándares,
(por ejemplo, [Press, Teukolsky et al, "Numerical Recipes
in C", dfpmin(), capítulo 10, págs. 425-4.30,
Cambridge University Press, 1994.] [Numerical Algorithms Group
(NAG) Library, Mark 16, Routine E04FCF() NAg Ltd, Oxford, Reino
Unido.]) para minimizar esta medida de error optimizando la
estimación de altitud. Así, asumiendo el conocimiento preciso de la
velocidad y actitud de la aeronave, junto con una estimación
inicial adecuada de altitud, puede realizarse una estimación
precisa de altura y puede evitarse el difícil problema de
correspondencia asociado con enfoques más convencionales y no
fiables. La solución puede empezar con la estimación de altura a
partir del último par de imágenes procesadas, o utilizando
información de GPS, sensores barométricos o inerciales.
El procesamiento en las etapas c) a e) puede
llevarse a cabo sólo sobre algunos de los pixeles que constituyen
las dos imágenes sucesivas. Esto reduce de manera significativa el
requisito de procesamiento, permitiendo que se deduzca con más
rapidez una estimación de altura precisa. De manera adicional o
alternativa, pueden llevarse a cabo las etapas c) a e) sólo sobre
parte, o partes, de las dos imágenes sucesivas. Esto permitiría que
se afronte mejor la altura de terreno variable, y permitiría una
estimación útil del perfil de terreno.
La invención se describirá ahora a modo de
ejemplo y con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
la figura 1 es un diagrama esquemático del
proceso de registro de imagen que forma parte de la presente
invención;
la figura 2 es un diagrama esquemático que
muestra el funcionamiento de un aparato según la invención, y
la figura 3 es una comparación de alturas
estimadas según la invención con alturas deducidas de los datos del
altímetro de radar.
Con referencia a la figura 1, una cámara está en
movimiento a lo largo de la trayectoria P con una velocidad lineal
\underline{V}_{T}=(U, V, W), una velocidad angular
\underline{A}=(A, B, C) y de actitud
\underline{\theta}=(\theta, \varphi, \Psi) conocidas en una
altitud H desconocida sobre un terreno. Está disponible una
estimación errónea de H, H_{o}. Una imagen
I_{t} se captura en el tiempo t y posteriormente, otra
imagen It_{\delta t} se captura en el tiempo t+\deltat. Dado el
conocimiento de \underline{V}_{T}, \underline{A},
\underline{\theta} y la estimación H_{o}, es posible deducir
una transformada T que, cuando se aplica a I_{t},
forma una nueva imagen I_{t | T} que se registra de manera
basta con I_{t+\delta t} El error de registro entre estas
dos imágenes es una función del error en H_{o}.
Para cada pixel en I_{t}, que
representa un punto de terreno, se define la transformación T que
va a registrarla con el correspondiente pixel en I_{t+\delta t}
mediante el siguiente procedimiento:
- 1:
- determinar el movimiento visual \dot{\underline{x}} = (\dot{\mathit{x}},\dot{\mathit{y}},0) en el pixel \underline{x} = (x,y) en I_{t+\delta t}, para los valores actuales de \underline{V}_{T}, \underline{A}, \underline{\theta}, distancia f focal de sensor y la estimación H_{o}, a partir de las siguientes expresiones:
donde:
- para situaciones en las que la escena digitalizada puede modelarse por un plano.
- 2.
- Dado \dot{\mathit{x}}, determinar la posición de origen en I_{t} del pixel (x,y) en I_{t+\delta t} a partir de \underline{x}– \dot{\underline{x}}.
- 3.
- Interpolar a partir de las cuatro posiciones de pixel enteras que rodean x- en I_{t} para determinar el valor del nivel de gris de pixel en (x, y) en I_{t+\delta t}.
\vskip1.000000\baselineskip
El error de registro entre imágenes I_{t
| T} e I_{t+\delta t} se cuantifica por la siguiente
expresión, en la que N es el número de pixeles procesados en la
imagen:
El valor de \varepsilon, al que se hace
referencia como la función de coste, se minimiza utilizando un
procedimiento iterativo para elegir el valor óptimo de H y por tanto
proporcionar una estimación de la altitud de aeronave. Están
disponibles procedimientos de software numéricos estándares para
ésta tarea y dos procedimientos de este tipo: E04FCF(),
suministrado por Numerical Algorithms Group [Numerical Algorithms
Group (NAG) Library, Mark 16, Routine E04FCF() NAg Ltd, Oxford,
Reino Unido.] y ddfpmin(), tomado del libro de LexLo [Press,
Teukolsky et al, "Numerical Recipes in C", dfpmin(),
capitulo 10, págs. 425-430, Cambridge University
Press, 1994.] se han utilizado de manera satisfactoria con este
cometido. Otras implementaciones de un procedimiento de
optimización de tipo Newton o cuasi-Newton
probablemente serían aceptables también, en lugar de las dos
rutinas sugeridas.
Para un sensor de luz visible, la corrupción por
ruido en las imágenes puede modelarse frecuentemente por variables
aleatorias gaussianas IID con media cero, (véase para más detalles
[Glenn Healey y Raghava Kondepudy. "CCD Camera Calibration and
Noise Estimation", en Proceedings of the 1993 IEEE Computer
Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition,
págs.90-95,1992.]). En esta situación, minimizar la
expresión en el punto (3) anterior es el estimador de máxima
probabilidad para esta clase de ruido. Este procedimiento de
estimación dará por tanto los resultados más precisos que pueden
conseguirse por cualquier estimador, bajo las condiciones de ruido
de imagen anticipadas.
La figura 2 ilustra el funcionamiento de un
aparato según la invención, en la que las imágenes I_{t}t
e I_{t+\delta t} se registran mediante el sensor o cámara
2. Unos medios 4 de almacenamiento/conmutación almacenan ambas
imágenes y pasan la última imagen I_{t+\delta t} a un
comparador 6 para medir la diferencia entre la última imagen
I_{t+\delta t} y la imagen transformada I_{t | T},
diferencia que se procesa entonces para proporcionar un error de
registro \varepsilon y se pasa a otro comparador 8 que evalúa si
el error de registro \varepsilon se ha reducido a, o ha
convergido con, un valor predeterminado (que es indicativo del error
en la medición de altura); si hay convergencia, puede recuperarse
la medición H dé altura precisa, y, en caso contrario, el
comparador 8 ordena al transformador 10 calcular una nueva
transformación según una estimación revisada de altura sobre el
suelo, que se aplica entonces a la primera imagen I_{t} por
medios 12 de transformación, para la comparación con la imagen
intermedia I_{t+\delta t} por el comparador 6.
Un sistema 14 de navegación inercial realiza las
entradas de velocidad angular y lineal instantáneas para el
transformador 10, y los datos de calibración de sensor
representativos de la actitud del sensor se incluyen también en el
transformador 10 para permitirle calcular la transformación en los
puntos (1) y (2) anteriores.
La precisión de las estimaciones de altitud
realizadas según la invención, dado el procedimiento de
optimización numérica elegido, está fuertemente influenciada por
los siguientes factores:
- 1.
- La instalación del sensor en la plataforma, en particular el ángulo "de picada" del sensor con respecto a la referencia horizontal de plataforma. Este ángulo de inclinación debe hacerse tan grande como sea posible mientras se garantice la suficiente similitud entre imágenes sucesivas para que funcione el procedimiento de realización de correspondencia de imagen.
- 2.
- El ruido electrónico introducido en la secuencia de imágenes por el sensor. El ruido en las estimaciones de altitud está relacionado linealmente con el ruido en la secuencia de imágenes.
- 3.
- La distancia focal de sensor. Cuanto más grandes sean los valores de este parámetro, más precisas serán las estimaciones de altitud.
Estudios teóricos indican que la altitud puede
estimarse con una precisión mejor que el 1%, dada una elección
adecuada de sensor e instalación de sensor. Resultados de
experimentos recientes, de los que se muestra un ejemplo en la
figura 3, soportan esta predicción para la precisión, con la que
pueden realizarse estimaciones de altitud. En la figura 3, las
estimaciones de altitud realizadas que utiliza la invención se
muestran mediante una línea (16) discontinua, junto con los datos
de altímetro radar correspondientes (mostrados mediante una línea
(18) gruesa para su comparación.
Habiéndose descrito la invención, los expertos
en la técnica apreciarán ciertas modificaciones ventajosas. Por
ejemplo
- 1.
- La invención tal como se propone actualmente procesa todos los pixeles en la imagen que representan zonas de suelo y no procesa ningún pixel correspondiente al cielo. Dos modificaciones en este método sin refinar de elección de pixeles para su procesamiento pueden ser:
- \bullet
-
\vtcortauna
- \bullet
-
\vtcortauna
- 2.
- Dado que se realizan modificaciones adecuadas en la invención propuesta, tal como se ha comentado anteriormente, el sistema de altímetro pasivo puede utilizarse para generar entradas para un sistema de navegación dé referencia de terreno. Tal desarrollo; si resulta exitoso, proporcionará una capacidad para navegación de precisión completamente pasiva, autónoma.
Claims (9)
1. Aparato para mejorar la precisión de
mediciones de altura sobre el suelo que comprende medios (2) de
detección de imagen para proporcionar imágenes sucesivas del
terreno sobre el que se mueve el aparato, medios (4) de
almacenamiento para almacenar al menos de forma temporal dos
imágenes sucesivas, medios (10, 12) de transformación para
transformar la más reciente de dichas dos imágenes sucesivas en una
imagen transformada según las velocidades lineal y angular del
aparato, según la actitud de los medios de detección de imagen en
relación al plano horizontal y según la distancia focal de los
medios de detección de imagen, y según una medición de altura sobre
el suelo estimada, medios (6) para comparar la imagen transformada
con la última de dichas dos imágenes sucesivas y para estimar el
error de registro entre éstas, y medios (8) para generar
mediciones de altura sobre el suelo estimadas para reducir el error
de registro.
2. Sistema de navegación autónoma para un
vehículo aerotransportado, comprendiendo el sistema un aparato
según la reivindicación 1 que está adaptado para producir señales
según mediciones de altura sobre el suelo sucesivas de áreas
discretas dentro del campo de visión de los medios de detección de
imagen y que comprende medios sensibles a las señales para
proporcionar un perfil estimado del terreno por debajo del vehículo
aerotransportado, y medios para comparar el perfil estimado del
terreno con un terreno almacenado y estimar la posición en el aire
a partir de
esto.
esto.
3. Método para mejorar la precisión de
mediciones de altura sobre el suelo para un estimador que se mueve
sobre el suelo, comprendiendo el método:
- a)
- detectar dos imágenes sucesivas (I_{t\delta} I_{t+\delta t}) del terreno sobre el que se mueve el estimador;
- b)
- generar una medición aproximada de la altura (H_{o}) sobre el suelo;
- c)
- transformar la más reciente de dichas dos imágenes sucesivas en una imagen (T) transformada, según las velocidades lineal y angular del estimador, según la actitud en relación al plano horizontal y la distancia focal de los medios de detección de imagen, y según una medición de altura sobre el suelo estimada;
- d)
- comparar la imagen transformada con la última de dichas dos imágenes sucesivas y estimar el error de registro (\varepsilon) entre éstas, y
- e)
- producir una segunda imagen transformada de la más reciente de dichas dos imágenes sucesivas según una segunda medición de altura sobre el suelo estimada con el fin de reducir dicho error de registro.
4. Método según la reivindicación 3, que
comprende etapas iterativas c) a e) hasta que el error de registro
es inferior a un valor predeterminado.
5. Método según la reivindicación 3 ó 4, en el
que la medición aproximada de la altura sobre el suelo se genera
por una aplicación o iteración anterior de las etapas c) a e)
realizada sobre dos imágenes sucesivas previamente detectadas.
6. Método según cualquiera de las
reivindicaciones 3, 4 ó 5, en el que las etapas c) a e) se llevan a
cabo sólo sobre algunos de los pixeles que constituyen las dos
imágenes detectadas sucesivas.
7. Método según una cualquiera de las
reivindicaciones 3 a 6, en el que las etapas c) a e) se llevan a
cabo sólo sobre parte de las dos imágenes detectadas sucesivas.
8. Método según una cualquiera de las
reivindicaciones 3 a 7, en el que la transformación de la más
reciente de dos imágenes sucesivas, I_{t} e
I_{t+\delta t'}, para formar una imagen transformada
I_{t | T} se efectúa determinando el movimiento visual
\dot{\underline{i}} = (\dot{\mathit{x}}, \dot{\mathit{y}},
0) en el pixel x = (x,y) para los valores de
velocidad lineal V_{T} = (U, V, W), velocidad
angular \underline{A}= (A,B,C), actitud de los medios de
detección de imagen \theta=(\theta,\phi,\Psi) y distancia f
focal, y altura H sobre el suelo, para la que está
disponible un valor H_{o} erróneo o impreciso, según la
expresión:
\vskip1.000000\baselineskip
\newpage
en la
que:
para situaciones en las que la
escena digitalizada puede modelarse mediante un plano, determinando
la posición de origen en I_{t} del pixel (x, y) en
I_{t+\delta t} partir de \underline{x} -
\dot{\mathit{x}}, e interpolando a partir de las cuatro
posiciones de pixel enteras que rodean \dot{\mathit{x}} -
\dot{\mathit{x}} en I_{t} para determinar el valor del
nivel de gris de pixel en (x, y) en I_{t+\delta
t'}.
9. Método según la reivindicación 8, en el que
el error de registro entre las imágenes I_{t | T} e
I_{t+\delta t} se cuantifica mediante la siguiente
expresión, en la que N es el número de pixeles procesados en la
imagen:
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