無人機視頻流影像的數據獲取與預處理

楊娟+賈周云+管續棟

摘 要 以無人機為飛行平臺，獲取視頻流影像，與傳統航空像片獲取不同。針對流式媒體，本文提出了一種非量測型視頻傳感器的檢校方法，為保證每一幀視頻影像均有對應的GPS信息，采用合適的GPS插值算法，為后續影像處理提供基礎數據。

關鍵詞 無人機；視頻流影像；攝像機的標定；GPS插值

中圖分類號 V279+.2 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）161-0078-02

視頻流影像是由一系列空間和時間連續的視頻幀組成，而視頻幀實質是一副靜態影像，它是構成視頻流的最小單元[ 1 ]。獲取無人機視頻流影像數據時，由于無人機視頻流影像數據與相機影像數據格式不同，因此在進行數據獲取和預處理時，可不考慮曝光間隔等因素，只需簡單進行航線規劃，再檢查獲取的視頻數據即可。視頻流數據的預處理主要包括攝像機的標定、GPS插值計算。與搭載非量測型數碼相機的無人機數據處理流程相同，在對無人機視頻流影像數據進行處理之前，需對視頻傳感器進行嚴格檢校，經像元畸變改正后，再對影像進行其他處理操作；由于關鍵幀影像的幀率較高，為保證影像重疊率，每隔一點時間提取一張關鍵幀影像，而通過無人機搭載的GPS設備獲取的數據為離散點坐標，為保證后續處理中提取的關鍵幀影像均有GPS信息，則對GPS數據進行插值處理。

1 無人機視頻流影像數據獲取

1.1 飛行前準備

與傳統航空影像獲取方式一樣，在進行無人機視頻流影像數據獲取之前，需進行前期工作準備，包括資料收集、測區踏勘、儀器設備的檢查等[ 2 ]。此外，對無人機視頻流影像獲取系統而言，還需測試硬件設備。硬件系統主要包括機上發射部分（12V電池組、無線圖傳發射器（VVLINK-C6000-TX）、天線及天線連接線）和地面接收與顯示部分（無線數字圖傳接收機（VVLINK-C4000-RX）、電源及筆記本電腦）。在靜態環境下，測試視頻攝像機、天線、無線圖傳發射器與地面接收機之間的連通性及數據傳輸能力，檢查視頻攝像機、天線、電源系統、存儲系統等工作是否正常，驗證系統電磁兼容性、數據記錄存儲及數據輸入輸出功能等。

1.2 飛行計劃

飛行計劃指無人機飛行器的航線設計，根據測區具體情況、應急測繪對數據的要求及系統相關參數，得到無人機外業作業時必備參數，即飛行航高、旁向間隔、航線條數、航線總長度及飛行時間等。

1.3 外業飛行數據檢查

外業飛行獲取的數據可通過機上實時傳輸系統傳回到地面站[3]，同時對獲取數據的質量進行檢查。與檢查傳統航空影像質量不同，視頻影像的數據形式為流媒體，不需要考慮航向方向的重疊度，只需保證視頻影像質量清晰，反差適中，顏色飽和，色彩鮮明，色調一致，無云霧遮擋、有較豐富的層次、能清晰地辨別地物影像、滿足外業全要素調繪和室內判讀的要求，無需對影像航向重疊度進行檢查。

2 無人機視頻流影像數據預處理

2.1 攝像機的檢校

攝像機檢校是后續工作的前提，提高攝像機的檢校精度也是完成視頻流影像地理編碼與拼接的重要步驟。在對攝像機檢校之前，應先確認攝像機的機械結構堅固穩定，不存在晃動，同時要保證其光學結構和電子結構同樣可靠穩定時，才能對其進行檢校[ 4 ]。綜合考慮攝像機標定的室內檢定法、恒星攝影檢定法及試驗場攝影檢定法等算法，本文擬采用室外檢校場進行攝影機的幾何標定，再利用Australia軟件解算其參數。其基本原理為：基于最小二乘平差理論，利用光束法區域網平差模型對獲取的檢校場數據和高精度控制點數據進行區域網空中三角測量，解求出所需的攝像機幾何檢校參數，即像片內方位元素、徑向畸變系數、切向畸變系數、CCD非正方形比例系數以及CCD非正交性的畸變系數。以中國測繪科學研究院家屬樓作為檢校場地，具體過程如下：

1）檢查工作。在攝像機檢校之前，先將攝像機加固，固定拍攝距離保持不變。攝像機視頻拍攝時，應檢查攝像機是否清晰、設置攝像機參數是否正確等，確認無誤后進行視頻拍攝。

2）視頻拍攝。首先在檢校場對面五樓樓頂進行視頻拍攝。每隔一定距離按-90°、90°、180°旋轉攝像機獲取的視頻數據。拍攝時采取凹凸形式路線行走，上下路線相差大致1m左右，再進行樓下的視頻拍攝。拍攝時要求盡量保證所攝視頻的大幅面中均含有標志點。

3）幾何檢校數據處理。其內業處理流程如下：導入影像、設置相機參數、同名點提取、人工選取名點、自動匹配同名點、光束法平差、查看結果和輸出報告等步驟。

2.2 GPS數據預處理

為使輕小型無人機視頻關鍵幀影像與GPS信息的時間同步，利用時間可將GPS信息與關鍵幀影像一一對應。在輕小型無人機飛行平臺上主要安裝用于測圖的雙頻GPS和飛行控制系統中用于導航的單頻GPS。其中，單頻GPS導出的數據，能與相應視頻影像數據時間相對應，而從雙頻GPS中導出的數據本身含有GPS時間信息。利用兩者時間，視頻影像與雙頻GPS數據可對應。由于雙頻GPS數據不連續，因此需構造數學模型使其能計算每一個時刻的雙頻GPS數據。方法如下：

采用牛頓插值算法，以時間變化量Δt為變量，三維坐標（X，Y，Z）為因量，擬合GPS軌跡信息。其中，以雙頻GPS和單頻GPS的時間坐標軸相對應的起始時刻T0為時間起點，定義與此時刻的時間間隔為變量Δt，與此時刻相對應的GPS坐標為因變量（X，Y，Z）。記GPS坐標信息（T0，X0，Y0，Z0），（T1，X1，Y1，Z1），…，（Tn，Xn，Yn，Zn）等為GPS數據插值計算的已知數據，依次求出X、Y、Z 3個坐標方向的插值函數。以X坐標方向為例，具體過程如下：

首先，求X坐標方向的各階均差，定義插值函數為X，則各階均差計算式為：

由此便可得出視頻流影像數據采集過程中，任意時刻的GPS信息。在進行無人機視頻流影像數據處理研究時，重點應用GPS定位數據，保證提取的任何時間點的關鍵幀影像均有GPS信息，應對GPS數據進行插值處理，為后續視頻影像地理編碼與拼接工作做準備。

3 結論

針對應急測繪的需求，以無人機為飛行平臺，搭載視頻攝像頭為傳感器，利用集成的無人機視頻流遙感系統實時獲取應急數據，通過視頻數據實時查看，能夠獲取災區實時情況。區別于傳統航空影像數據的獲取與處理，針對視頻流數據的獲取與處理，在無POS信息和地面控制點數據的情況下，實現了影像的地理編碼與拼接。

參考文獻

[1]畢凱.無人機數碼遙感測繪系統集成及影像處理研究[D].中國測繪科學研究院，2009.

[2]林宗堅，崔紅霞，孫杰，等.數碼相機的畸變差檢測研究[J].武漢大學學報：信息科學版，2005，30（2）：122-125.

[3]趙小松，張宏偉，張國雄，等.攝像機標定技術的研究[J].機械工程學報，2002，38（3）：149-151.

[4]向珉江，高厚磊，安艷秋，等.一種提高數據同步精度的自適應插值算法[J].電力系統自動化，2012，36（8）：77-81，91.