無人機高空圖像的識別技術

付鄭語

摘 要 近幾年無人駕駛飛機（以下簡稱無人機）在低空、超低空等領域得到長足的發展，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用領域的一個重要部分，但因需求不一致，導致無人機拍攝的圖像質量參差不齊，很多圖像都不能進行存儲和重復利用，導致人力和機器的重復運作和資源浪費。文章結合相關理論，對無人機高空圖像識別相關理論進行分析。

【關鍵詞】無人機 高空拍攝 圖像識別 自動成圖

雖然民用無人機應用范圍狹窄，但也給生產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實，運輸讓相關行業越來越快捷，航拍和高空攝影增加了生活的多彩性，催生了民用精確導航等相關行業。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）或圖像很難指導下次使用，造成重復拍攝等資源浪費。因此，應該加強無人機拍攝的相關設置，形成無人機導航系統地圖，或與GPS相應系統對接使無人機自主飛行、自主著落，或調整相關系數調控無人機的控制范圍等……想拓展無人機的運用范圍，必須進行自主導航、自主起落等各方面的研究。筆者曾參與相關機器人、無人機研究小組，在這方面做了大量的學習、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優異，最終戰勝包括來自德國的33支國際隊伍，以總分3400超出第二名伊朗隊730分的絕對優勢，再次獲得救援項目（RescueLine）單項賽世界冠軍。在清華大學舉辦的第二屆“登峰杯”全國中學生學術科技創新大賽機器人競賽“室內空中機器人”項目中，就是設計一個四旋翼機器人，模擬實現小型四旋翼無人直升機遙控飛行，并完成精準定點飛行與飛行避障、航拍等任務，先將不同顏色但相同形狀的物料分類搬運到設定的目標區域，再“環游世界”到設定的目標區域，最后在無人遙控下飛行到設定的目標區域。筆者也參與了該項目的比賽。

1 測量相關理論分析

狹義上的測量概念，就是指將現場的構建筑物按照一定的測量規律展布在相關圖紙上，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。就是將擬執行航行任務區域的地形、地貌、建筑物、構筑物等均測量掃描清楚。一般的車用導航GPS系統均為二維系統，即有精度不同的長度和寬度，根據衛星反射頻率時差的位置變化起到導航作用。但無人機導航時，除確定平面位置外，還需明確周邊相應物體的高度，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，但是如果執行距離較遠、精度要求較高的任務，則必須采用無人機自動導航系統。因此，必須建立三維的立體系統模型，準確進行無人機導航操作，這是未來無人機項目發展的必經階段。目前普遍采用的測量方案為在已有GPS導航的基礎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，能直觀的體現空間各物體的相應位置。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。結合目前國內相應的無人機研究機構的研究資料顯示，要想建立無人機高空導航系統，就必須建立航拍成圖系統，充分利用無人機的航拍功能為其導航服務。

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，但無法提前預知這些變化；如果人工操作，可以根據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，但人工智能系統對此識別度較差，很難自主避開相應的障礙物。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一般不作調整，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比例嚴重不一致的現象；相對于固定物體來說，部分大型流動物體（如電車等）、臨時性出現的物體（如大巴或短時施工車輛）均會對成圖系統形成干擾；另外，各種天氣的變化、氣候的變化等均會引起地面標志物的些許改變，這都是需要在航拍成圖時需要重點關注的問題。這就需要我們在航拍成圖時遵循一定的規律，去避免矛盾與重復。

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，經過多次拍攝的圖像系統需要在電腦相關軟件上進行拼圖，才能形成本地區或本區域的導航地圖。在拼圖時，應嚴格按照測量相關理論進行多點重復拼接。例如，兩個比例不同的圖像在進行比例縮放后，應至少找3點以上的不同區域進行拼圖，如果這三點均可以拼圖成功，再進行一些“多余”的檢查，即檢查已經拼接成功的部分，是否有重影和協調不和諧的部分。圖像拼接完成后，再結合GPS導航系統建立三維立體的導航系統。

4 “登峰杯”比賽及綜合應用

在清華大學舉辦的第二屆“登峰杯”全國中學生學術科技創新大賽機器人競賽“室內空中機器人”項目中，就是設計一個四旋翼機器人，模擬實現小型四旋翼無人直升機遙控飛行，并完成精準定點飛行與飛行避障、航拍等任務，先將不同顏色但相同形狀的物料分類搬運到設定的目標區域，再“環游世界”到設定的目標區域，最后在無人遙控下飛行到設定的目標區域。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定的目標區域”這個小項目。雖然是室內比賽，但是項目技術參數、技術指標、航拍理論、拼圖理論等均能在比賽中得到應用。

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，且四個旋翼的結構和半徑都相同，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備。要實現無人遙控下飛行，必須準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，如果在野外執行無人遙控任務，這就需要我們在無人機執行任務之前完成航拍進行3D高空圖像識別、航拍成圖、圖像拼接等一系列工作，然后再執行任務。

5 綜述

近幾年，雖然無人機在民用領域取得了長遠的發展，但是還有很多領域需要我們去研究開發，讓其具備更優的性能，更好地為生產生活服務。

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 遼寧省大連市 116021