付鄭語

摘 要 近幾年無人駕駛飛機（以下簡稱無人機）在低空、超低空等領(lǐng)域得到長足的發(fā)展，運用范圍也逐步擴大，機器也由高精尖向平民化邁進。無人機高空圖像識別是無人機應(yīng)用領(lǐng)域的一個重要部分，但因需求不一致，導(dǎo)致無人機拍攝的圖像質(zhì)量參差不齊，很多圖像都不能進行存儲和重復(fù)利用，導(dǎo)致人力和機器的重復(fù)運作和資源浪費。文章結(jié)合相關(guān)理論，對無人機高空圖像識別相關(guān)理論進行分析。

【關(guān)鍵詞】無人機 高空拍攝 圖像識別 自動成圖

雖然民用無人機應(yīng)用范圍狹窄，但也給生產(chǎn)和生活帶來了天翻地覆的變化。玩具飛行器讓原來許多不可想的事情變成了現(xiàn)實，運輸讓相關(guān)行業(yè)越來越快捷，航拍和高空攝影增加了生活的多彩性，催生了民用精確導(dǎo)航等相關(guān)行業(yè)。由于無人機自身的局限性，往往拍攝的成果很難一次成形（成圖）或圖像很難指導(dǎo)下次使用，造成重復(fù)拍攝等資源浪費。因此，應(yīng)該加強無人機拍攝的相關(guān)設(shè)置，形成無人機導(dǎo)航系統(tǒng)地圖，或與GPS相應(yīng)系統(tǒng)對接使無人機自主飛行、自主著落，或調(diào)整相關(guān)系數(shù)調(diào)控?zé)o人機的控制范圍等……想拓展無人機的運用范圍，必須進行自主導(dǎo)航、自主起落等各方面的研究。筆者曾參與相關(guān)機器人、無人機研究小組，在這方面做了大量的學(xué)習(xí)、研究工作。2016年7月3日下午，在德國萊比錫舉行的2016第20屆機器人世界杯賽決賽。筆者所在的機器人代表隊表現(xiàn)優(yōu)異，最終戰(zhàn)勝包括來自德國的33支國際隊伍，以總分3400超出第二名伊朗隊730分的絕對優(yōu)勢，再次獲得救援項目（RescueLine）單項賽世界冠軍。在清華大學(xué)舉辦的第二屆“登峰杯”全國中學(xué)生學(xué)術(shù)科技創(chuàng)新大賽機器人競賽“室內(nèi)空中機器人”項目中，就是設(shè)計一個四旋翼機器人，模擬實現(xiàn)小型四旋翼無人直升機遙控飛行，并完成精準(zhǔn)定點飛行與飛行避障、航拍等任務(wù)，先將不同顏色但相同形狀的物料分類搬運到設(shè)定的目標(biāo)區(qū)域，再“環(huán)游世界”到設(shè)定的目標(biāo)區(qū)域，最后在無人遙控下飛行到設(shè)定的目標(biāo)區(qū)域。筆者也參與了該項目的比賽。

1 測量相關(guān)理論分析

狹義上的測量概念，就是指將現(xiàn)場的構(gòu)建筑物按照一定的測量規(guī)律展布在相關(guān)圖紙上，這里有四個基本要素，就是測量對象、計量單位、測量方法、精確度。一般使用無人機進行高空圖像掃描測量，這四個概念很明確。就是將擬執(zhí)行航行任務(wù)區(qū)域的地形、地貌、建筑物、構(gòu)筑物等均測量掃描清楚。一般的車用導(dǎo)航GPS系統(tǒng)均為二維系統(tǒng)，即有精度不同的長度和寬度，根據(jù)衛(wèi)星反射頻率時差的位置變化起到導(dǎo)航作用。但無人機導(dǎo)航時，除確定平面位置外，還需明確周邊相應(yīng)物體的高度，如果物體的高度超越了無人機的飛行高度，則必須采用相應(yīng)措施（抬升或繞道）。如果人工近距離（視野范圍）操作無人機可以避免這個問題，但是如果執(zhí)行距離較遠、精度要求較高的任務(wù)，則必須采用無人機自動導(dǎo)航系統(tǒng)。因此，必須建立三維的立體系統(tǒng)模型，準(zhǔn)確進行無人機導(dǎo)航操作，這是未來無人機項目發(fā)展的必經(jīng)階段。目前普遍采用的測量方案為在已有GPS導(dǎo)航的基礎(chǔ)上加上高程方面的測量，形成全新的三維立體模式。

2 無人機航拍成圖系統(tǒng)理論分析

造價昂貴的無人機或軍用無人機，一般配置雷達系統(tǒng)，能直觀的體現(xiàn)空間各物體的相應(yīng)位置。但我們接觸到的民用無人機一般因其低廉的價格，很難獲得較高的配置。結(jié)合目前國內(nèi)相應(yīng)的無人機研究機構(gòu)的研究資料顯示，要想建立無人機高空導(dǎo)航系統(tǒng)，就必須建立航拍成圖系統(tǒng)，充分利用無人機的航拍功能為其導(dǎo)航服務(wù)。

眾所周知，由于各種起伏地形地貌的差別，相對于無人機系統(tǒng)來說原始地面高差較大，坐立在原始地面上的各種物體差別也較大。無人機起飛升空后，其攜帶的攝像頭雖然可以實時記錄地面的變化，但無法提前預(yù)知這些變化；如果人工操作，可以根據(jù)這些配備的攝像頭來確定升高、降低或者繞道等各種操作指令，但人工智能系統(tǒng)對此識別度較差，很難自主避開相應(yīng)的障礙物。由于無人機在飛行時，高低起伏不定而所攜帶的攝像頭放大倍數(shù)一般不作調(diào)整，這樣因為前后的高度差、時間差和路程差所拍攝的圖片會出現(xiàn)比例嚴重不一致的現(xiàn)象；相對于固定物體來說，部分大型流動物體（如電車等）、臨時性出現(xiàn)的物體（如大巴或短時施工車輛）均會對成圖系統(tǒng)形成干擾；另外，各種天氣的變化、氣候的變化等均會引起地面標(biāo)志物的些許改變，這都是需要在航拍成圖時需要重點關(guān)注的問題。這就需要我們在航拍成圖時遵循一定的規(guī)律，去避免矛盾與重復(fù)。

3 無人機航拍拼圖理論分析

由于無人機的攝像頭視角范圍有限，經(jīng)過多次拍攝的圖像系統(tǒng)需要在電腦相關(guān)軟件上進行拼圖，才能形成本地區(qū)或本區(qū)域的導(dǎo)航地圖。在拼圖時，應(yīng)嚴格按照測量相關(guān)理論進行多點重復(fù)拼接。例如，兩個比例不同的圖像在進行比例縮放后，應(yīng)至少找3點以上的不同區(qū)域進行拼圖，如果這三點均可以拼圖成功，再進行一些“多余”的檢查，即檢查已經(jīng)拼接成功的部分，是否有重影和協(xié)調(diào)不和諧的部分。圖像拼接完成后，再結(jié)合GPS導(dǎo)航系統(tǒng)建立三維立體的導(dǎo)航系統(tǒng)。

4 “登峰杯”比賽及綜合應(yīng)用

在清華大學(xué)舉辦的第二屆“登峰杯”全國中學(xué)生學(xué)術(shù)科技創(chuàng)新大賽機器人競賽“室內(nèi)空中機器人”項目中，就是設(shè)計一個四旋翼機器人，模擬實現(xiàn)小型四旋翼無人直升機遙控飛行，并完成精準(zhǔn)定點飛行與飛行避障、航拍等任務(wù)，先將不同顏色但相同形狀的物料分類搬運到設(shè)定的目標(biāo)區(qū)域，再“環(huán)游世界”到設(shè)定的目標(biāo)區(qū)域，最后在無人遙控下飛行到設(shè)定的目標(biāo)區(qū)域。這是四旋翼直升機機器人作為無人機高空圖像識別的一個綜合利用案例，尤其是最后的“在無人遙控下飛行到設(shè)定的目標(biāo)區(qū)域”這個小項目。雖然是室內(nèi)比賽，但是項目技術(shù)參數(shù)、技術(shù)指標(biāo)、航拍理論、拼圖理論等均能在比賽中得到應(yīng)用。

該項目要求參賽的機器人為四旋翼無人機，該無人機型旋翼對稱分布在機體的前后、左右四個方向，四個旋翼處于同一高度平面，且四個旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，四個電機對稱的安裝在飛行器的支架端，支架中間空間安放飛行控制計算機和外部設(shè)備。要實現(xiàn)無人遙控下飛行，必須準(zhǔn)確判斷其所通過的障礙物的情況，計算飛行高度。比賽相對比較簡單，如果在野外執(zhí)行無人遙控任務(wù)，這就需要我們在無人機執(zhí)行任務(wù)之前完成航拍進行3D高空圖像識別、航拍成圖、圖像拼接等一系列工作，然后再執(zhí)行任務(wù)。

5 綜述

近幾年，雖然無人機在民用領(lǐng)域取得了長遠的發(fā)展，但是還有很多領(lǐng)域需要我們?nèi)パ芯块_發(fā)，讓其具備更優(yōu)的性能，更好地為生產(chǎn)生活服務(wù)。

參考文獻

[1]王淼等.無人機輔助巡視及絕緣子缺陷圖像識別研究[J].電子測量與儀器學(xué)報，2015（12）：62-69.

[2]謝旻旻.無人機降落地點的智能障礙圖像識別方法仿真[J].計算機仿真，2015（07）：84-87.

作者單位

大連市第八中學(xué) 遼寧省大連市 116021