【正文】 ，對(duì)降落過(guò)程中的飛行姿態(tài)有更加深入的了解， 對(duì)本文的方案設(shè)計(jì)有很大的指導(dǎo)意義 。 由于攝像機(jī)安裝在飛行器的下方，向下拍攝圖片，所以利用地平線檢測(cè)法檢測(cè)姿態(tài)角并不太適合。這樣做雖然提高了算法的實(shí)時(shí)性，但是選擇一系列的特征搜索方向作為試探時(shí)，仍有 很大的計(jì)算量。方案三中 P4P 的方法比較適用于本設(shè)計(jì)中的跑道識(shí)別，可以選取 H形著落平臺(tái)的四個(gè)頂點(diǎn)作為需要的點(diǎn)，但實(shí)際操作中 ，從圖像上識(shí)別出四個(gè)頂點(diǎn)有一定的困難，而且需要求解非線性方程組，計(jì)算量較大，精度不夠高，可能最終會(huì)造成很大的誤差。 圖 無(wú)人直升機(jī)在某一位置拍攝的基準(zhǔn)著陸圖像 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 微型無(wú)人直升機(jī) 因?yàn)轶w積小，在飛行過(guò)程中如果遇到較大風(fēng)速的干擾，易發(fā)生側(cè)翻，滾轉(zhuǎn)角不宜設(shè)置過(guò)大，哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 首先，由本課題 的實(shí)驗(yàn)條件和對(duì)數(shù)據(jù)處理時(shí)間的要求，確定了微型飛行器的機(jī) 型和著陸場(chǎng)景的設(shè)計(jì)；然后，對(duì)已有的視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行對(duì)比研究，了解不同視覺(jué)導(dǎo)航的原理，其中基于地平線的檢測(cè)算法對(duì)本文的研究有很大的借鑒作用；最后，結(jié)合本課題 的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，研究出了適合無(wú)人直升機(jī)著陸過(guò)程中的視覺(jué)導(dǎo)航算法，選用著陸平臺(tái)上的 H在圖像中的位置來(lái)解算降落過(guò)程中的姿態(tài)角。進(jìn)行圖像預(yù)處理可以減少圖像中無(wú)用的信息，增強(qiáng)本課題研究中 需要的信息并抑制噪聲 ，有助于后續(xù)的研究 。 在 RGB模型中，如果 R=G=B 時(shí)，彩色則表示一種灰度顏色，其中 R=G=B的值叫灰度值，因此，灰度圖像中每個(gè)像素只需要一個(gè)字符存放灰度值，灰度范圍為 0255。 16 圖 灰度處理前的圖片 圖 灰度化處理后的圖片 圖像分割 本文研究中 ， 需要識(shí)別 的是著陸區(qū)域上 H 形的著陸平臺(tái)，因此需要將 H從圖像背景中分離出來(lái)，在圖像分割的過(guò)程中，圖像 中的 噪聲會(huì)給圖像分割帶來(lái)一定的干擾，因此 需要先對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理，減小圖像中的噪聲 ，以便進(jìn)行圖像分割 。為了改善視覺(jué)效果或者便于人和機(jī)器對(duì)圖像的理 解和分析， 需要根據(jù)圖像的特點(diǎn)或者存在的問(wèn)題采取簡(jiǎn)單的方法減小 圖像中的噪聲。下列圖片顯示出了不同對(duì)比度范圍 時(shí) 灰度調(diào)整的效果。 平滑濾波對(duì)像素及其領(lǐng)域進(jìn)行了平均化，使圖像看起來(lái)顯得比較平滑 ，用于模糊處理和減小噪聲；中值濾波是把數(shù)字圖像或數(shù)字序列中某一點(diǎn)的值設(shè)置為該點(diǎn)的一個(gè)領(lǐng)域中所有像素點(diǎn)灰哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 中值濾波處理后的圖 像如圖 所示 ： 圖 中值濾波處理后的圖像 上圖顯示，中值濾波已經(jīng)有效地減小了圖像中的噪聲，為了將著陸區(qū)域中的 H 從背景中分離出來(lái)， 還需要對(duì)圖像進(jìn)行分割 處理 。本節(jié)將探討研究如何從整個(gè)場(chǎng)景中提取出跑道區(qū)域的問(wèn)題。 常用的圖像分割方法主要是將圖像按灰度分成不同的等級(jí)，然后通過(guò)設(shè)置閾值的方法確定出有意義的區(qū)域和邊界。 T 為常數(shù)時(shí)，這種方法稱為全局閾值處理。因此，在本文的研究中，選 用全局閾值來(lái)處理圖像。 21 選擇的方法是通過(guò)人眼的觀察，應(yīng)用人對(duì)圖像的知識(shí)，在分析圖像直方圖的基礎(chǔ)上，人工選 擇 出合適的閾值。圖像分割為后面的直線提取打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。圖像邊緣包 括了機(jī)場(chǎng)圖像的絕大部分有用信息，成功檢測(cè)出機(jī)場(chǎng)著陸區(qū)域的邊緣就成功了一半，因此邊緣檢測(cè)是圖像處理中基礎(chǔ)而又重要的課題。常見(jiàn)的算子主要有 Sobel 算子， Roberts 算子， Laplace 算子等，其中 Sobel 算子， Roberts 算子是一階算子， Laplace 算子是二階算子 。 邊緣算子 Sobel 算子是一組方向算子，從不同的方向檢測(cè)邊緣。 Sobel 算子的模板一共有兩個(gè)，一個(gè)是檢測(cè)水平邊緣的，一個(gè)是檢測(cè)豎直邊緣的。若只關(guān)心邊緣點(diǎn)的位置而不顧其周?chē)膶?shí)際灰度差時(shí)，一般選擇該算子進(jìn)行檢測(cè)。 而且二階微分處理對(duì)細(xì)節(jié)有較強(qiáng)的響應(yīng)，如細(xì)線和孤立點(diǎn)，形成的增強(qiáng)細(xì)節(jié)比一階微分多，不利于 跑道的檢測(cè) 。 平面 Oxy 上的直線方程為： y ux v?? 其中 u 和 v 分別是直線的斜率和截距。平面 Ouv 上的一條直線 v xu y?? ? 與平面 Oxy 上的一點(diǎn) ? ?,xy 也一一對(duì)應(yīng)。坐標(biāo)平面 Oxy 中的一條直線和坐標(biāo)平面 O?? 中的一點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)， Oxy 坐標(biāo)平面中的一點(diǎn) 與 O?? 中的一條直線一一對(duì)應(yīng)，而且很容易看出 Oxy 中的共線點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的 O?? 的曲線交于一點(diǎn)。對(duì) 于 Oxy 平面中的每一點(diǎn)，按 Hough變換的原理可以再 O?? 平面中畫(huà)出它對(duì)應(yīng)的曲線，凡是這條曲線經(jīng)過(guò)的小方格，對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)陣列元素加 1，計(jì)數(shù)陣列元素的數(shù)值等于共線的點(diǎn)數(shù)。圖像在 Oxy 坐標(biāo)系中處于第一象限， ? 角是直線的法線與 x 軸的夾角，所以 ? 的范圍是 ?/ 2, / 2????? ，量化單位為 1176。 圖 Hough 變換 圖像中的亮點(diǎn)對(duì)應(yīng)的就是圖像中的直線，點(diǎn)越亮，表示直線上的像素點(diǎn)越多。只要 找到了 O?? 平面上最亮的三個(gè)點(diǎn)，即為 Oxy平面上的 H所對(duì)應(yīng)的三條邊界。由于最終 要識(shí)別的是著陸區(qū)域中的 H，需要將 H提取出來(lái)，本文 采用 Hough變換來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。但是，這都只是圖像特征提取的過(guò)程，并不是圖像處理的最終目的，圖像處理的目的是通過(guò)對(duì)提取的 圖像 特征進(jìn)行分析，得到對(duì)無(wú)人直升機(jī)著陸有用的導(dǎo)航定位信息。以下幾節(jié)的內(nèi)容會(huì)對(duì)這其中的關(guān)系作深入的探討。 地面坐標(biāo)系與機(jī)體坐標(biāo)系 為描述無(wú)人直升機(jī)相對(duì)地面著陸平臺(tái)的角度關(guān)系，需要建立機(jī)體坐標(biāo)系和地面坐標(biāo)系。 gx gygzbx bybz? ??gO bO 圖 地面坐標(biāo)系與機(jī)體坐標(biāo)系 地面坐標(biāo)系與機(jī)體坐標(biāo)系的關(guān)系，用無(wú)人直升機(jī)的姿態(tài)角來(lái)表示。 其定義如下： wOwxwywz cO cxcy wx?wy?wz ?xycz PpO 圖 攝像測(cè)量的坐標(biāo)系統(tǒng) w w w wOx y z 世界坐標(biāo)系也叫全局坐標(biāo)系，是由研究者 任意定義的一個(gè)三維空間坐標(biāo)系， 將被測(cè)物體和攝像機(jī)作為一個(gè)整體來(lái)考慮。 33 c c c cOxyz 攝像機(jī)坐標(biāo)系的原點(diǎn)為攝像機(jī)的光心， cz 軸與攝像機(jī)的光軸重合， 取攝 影方向?yàn)檎? cOcxcycziO uvOxy? ?00,uvPp 圖 圖像與攝像機(jī)坐標(biāo)系 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 圖像物理坐標(biāo)系 Oxy ：圖像物理坐標(biāo)系是以光軸與像平面的交點(diǎn)為原點(diǎn)，以毫米為單位的直角坐標(biāo)系。它們與 0x ， 0y ， 0z 共哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 xf 、yf 、 0u 、 0v 均為攝像機(jī)的內(nèi)部 參數(shù)，只與攝像機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。 偏航角的估計(jì) 從上述的坐標(biāo)系設(shè)定和角度的定義中可以看出，著陸平臺(tái)上的 H 的 橫向中心線的直線傾斜角與無(wú)人直升機(jī)的偏航角有直接的聯(lián)系。當(dāng)攝像機(jī)坐標(biāo)系和機(jī)體坐標(biāo)系之間只有平移關(guān)系時(shí)，其角度關(guān)系不變 。 無(wú)人直升機(jī)在著陸過(guò)程中，其偏航角是有一定范圍的，本課題中 假定偏航角的范圍為 ? ?/ 4, / 4? ? ??? ，直線 l 和圖像物理坐標(biāo)系的 x 軸的夾角 ? 也是這個(gè)范圍。以 日常經(jīng)驗(yàn)可以想象，當(dāng)無(wú)人直升機(jī)緩慢抬頭時(shí)， 直線 l 逐漸向圖像的下端移動(dòng)，直至消失不見(jiàn)；當(dāng)無(wú)人直升機(jī)緩慢低頭時(shí)，直線 l 在圖像中的位置將逐漸上移，直至消失不見(jiàn)。其運(yùn)動(dòng)包括： (1)光軸在 c c cOxz 面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)， (2)光軸在c c cOyz 面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)， (3)光軸自身的轉(zhuǎn)動(dòng) 。下面本文 將研 究俯仰角 ? 與直線 l 的位置關(guān)系。 38 角的大小， 即無(wú)人直升機(jī)偏航角的大小 ? 。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 在無(wú)人直升機(jī)飛行過(guò)程中，機(jī)載攝像設(shè)備安裝在無(wú)人直升機(jī)質(zhì)心的正下方 ，且攝像機(jī)的像平面與無(wú)人直 升機(jī)的 b b bOxy 平面平行，假設(shè)攝像機(jī)坐標(biāo)系的原點(diǎn)在無(wú)人直升機(jī)的 bbOz 軸上，則從無(wú)人直升機(jī)的正上方 沿?zé)o人直升機(jī)的機(jī)體軸 bbOz 向下看，幾個(gè)主要的坐標(biāo)系、平面和直線如圖 所示 。 36 0 11 12 13 031 32 33 0w w wx w w wu u r x r y r z xXf f r x r y r z z? ? ? ??? ? ? ? （ ） 0 2 1 2 2 2 3 03 1 3 2 3 3 0wwy w w wv v r x r y r yYf f r x r y r z z? ? ? ??? ? ? ? （ ） 上式又叫共線方程， 表征了空間物點(diǎn)的坐標(biāo) ? ?,w w wx y z 與對(duì)應(yīng)像點(diǎn) ? ?,xy之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。 坐標(biāo)系之間的關(guān)系 如圖 所示，攝像機(jī)坐標(biāo)系中的 物點(diǎn) P 在圖像物理坐標(biāo)系中的像點(diǎn) p 的坐標(biāo)為： /ccX fx z? （ ） /ccY fy z? （ ） 將上式的圖像物理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為圖像像素坐標(biāo)系 ： 0 / xxu u X d s X? ? ? （ ） 0 / yyv v Y d s Y? ? ? （ ） 其中， 0u ， 0v 是圖像中心的坐標(biāo)， xd 和 yd 分別是一個(gè)像素在 x 軸和 y 軸上的物理尺寸， 1/xxsd? ， 1/yysd? 分別為 x 軸和 y 軸方向上的采樣頻率。 坐標(biāo)系變換關(guān)系 上一節(jié)， 定義了各種空間直角坐標(biāo)系，為達(dá)到攝像測(cè)量的目的，需要建立各坐標(biāo)系間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。兩者之間的關(guān)系就是像點(diǎn)和對(duì)應(yīng)空間位置的相互換算，其定義分別為： 圖像像素坐標(biāo)系 iOuv ：圖像像素坐標(biāo)系就是以圖像左上角的頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以像素為坐標(biāo)單位的直角坐標(biāo)系。 無(wú)人直升機(jī)飛行過(guò)程中，機(jī)載攝像設(shè)備固定在無(wú)人直升機(jī)上，攝像機(jī)的像平面與無(wú)人直升機(jī)的 b b bOxy 平面平行 。實(shí)際應(yīng)用中，可以 把地面坐標(biāo)系看成是攝像測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)中的世界坐標(biāo)系。 32 向右傾斜時(shí)為正。 31 方， ggOz垂直于地面指向地心。成像的原理是將地面上的一點(diǎn)通過(guò)成像原理最終在圖像上 形成成像點(diǎn)， 為了描述這一過(guò)程， 需要建立不同坐標(biāo)系間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。 第 2 章中， 曾分析過(guò)，機(jī)載 攝像設(shè)備安裝在無(wú)人直升機(jī)質(zhì)心的正下方，向下拍攝圖片時(shí)， 如果 無(wú)人直升機(jī)有偏航角， 則 著陸平臺(tái)上 H的橫向中心線在圖像坐標(biāo)系中的斜率會(huì)發(fā)生變化；無(wú)人直升機(jī)有俯仰角 時(shí) ，著陸平臺(tái)上的H在圖像坐標(biāo)系中縱軸的位置不同。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 29 本章小結(jié) 本章主要介紹了算法中圖像預(yù)處理的部分，包括圖像的灰度化，人工選擇的方法 進(jìn)行全局閾值處理，三種圖像邊緣檢測(cè)算子的原理與對(duì)比。 本文設(shè)計(jì)中 使用 houghpeaks函數(shù) 來(lái) 尋找 Hough變換矩陣的峰值 ，在 Hough變換結(jié)果圖上疊加峰值標(biāo)志，程序的運(yùn)行結(jié)果如下： 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 27 22m ax MN? ?? （ ） ? 的范圍是 ? ?max0,? ，量化單位為 1個(gè)像素。 本文要識(shí)別的是著陸區(qū)域中的 H，而且需要檢測(cè)出 H的橫向中心線在圖片中的斜率和位置，用 Hough 變換進(jìn)行直線檢測(cè)是一種很好的方法。如果對(duì)這一點(diǎn)的曲線進(jìn)行計(jì)數(shù)，結(jié)果會(huì)是比較大的數(shù)值。利用這個(gè)性質(zhì)可以檢測(cè)共點(diǎn)線。即平面 Oxy 上的直線 y ux v??和平面 Ouv 上的一個(gè)點(diǎn) ? ?,uv 一一對(duì)應(yīng)，這種關(guān)系稱為 Hough哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 結(jié)合閾值分割的 Sobel 算子圖像邊緣檢測(cè)的結(jié)果如下所示： 圖 Sobel算子邊緣檢測(cè)的結(jié)果 Hough 變換 利用 Hough 變換法提取直線是一種變換域提取直線的方法，它將直線上的點(diǎn)坐標(biāo)變換到過(guò)點(diǎn)的直線系數(shù)域，巧妙地利用了共線和直線相交的關(guān)系，使直線的提取問(wèn)題轉(zhuǎn)化為計(jì)數(shù)問(wèn)題。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 邊緣算子 Laplace 算子是一個(gè)二階導(dǎo)數(shù)算子，前面提到的兩種算子均為一階導(dǎo)數(shù)算子。該算子通常由下列計(jì)算公式表示： ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?, 1 , 1 2 , 1 1 , 11 , 1 2 , 1 1 , 1xf x y f x y f x y f x yf x y f x y f x y? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?