大斜視角下無人機可見光和紅外圖像目標(biāo)定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于遙感圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大斜視角下無人機可見光和紅 外圖像目標(biāo)定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無人機目標(biāo)定位作為一種先進的偵察數(shù)據(jù)處理技術(shù)，在民用和軍用領(lǐng)域都有重要 的應(yīng)用價值。
[0003] 基于無人機偵察圖像的目標(biāo)定位方法主要有以下三種：1基于圖像匹配模式的目 標(biāo)定位、2基于成像模型的目標(biāo)定位、3基于空間交會的目標(biāo)定位方法。方法1，精度高，計算 耗時，并且依賴控制點或正射影像，不易實時處理和大范圍應(yīng)用。方法2,計算量小，但定位 精度易受參數(shù)誤差、成像姿態(tài)等因素影響。方法3,空間交互定位實施不便，往往進行單點測 距定位，精度不高，并且只能對圖像中的測距點進行定位。
[0004] 在無人機飛行過程中，最常用的實時目標(biāo)定位方法是第二種基于成像模型的目標(biāo) 定位。在誤差一定條件下，這種方法目標(biāo)定位精度斜視角（成像傳感器光軸與豎直向下方 向的夾角）增大而降低。隨無人機依據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，一般情況執(zhí)行偵察任務(wù)過程中，斜視角在 0到30度之間的概率約站20%，在30到60度間的概率約占60%，大于60度的概率約占 20%。在某些特殊偵察情況下斜視角大于70度。大斜視角嚴(yán)重影響了目標(biāo)定位精度，使得 無人機系統(tǒng)目標(biāo)定位能力大打折扣。
[0005] 假如某無人機垂直下視時（斜視角為0度）目標(biāo)定位精度為70mCEP，則隨斜視角 變大，定位誤差隨之增大，尤其是斜視角超過50度時，定位誤差增大趨勢近似指數(shù)曲線，如 圖1。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是為了解決無人機大斜視角條件下目標(biāo)定位的問題，提出一種大斜 視角下無人機可見光和紅外圖像目標(biāo)定位方法，在基于成像模型目標(biāo)定位的基礎(chǔ)上，對目 標(biāo)定位矢量誤差進行預(yù)測和補償，提高目標(biāo)定位精度。
[0007] 本發(fā)明的大斜視角下無人機可見光和紅外圖像目標(biāo)定位方法，包括以下幾個步 驟：
[0008] 第一步：基于成像模型的可見光和紅外圖像目標(biāo)定位。
[0009] 基于成像模型的可見光和紅外圖像目標(biāo)定位，可以分為基于中心投影成像模型構(gòu) 建共線方程、系統(tǒng)幾何校正和目標(biāo)定位結(jié)算。
[0010] 第二步：多因素影響下目標(biāo)定位誤差特征提取與表示。
[0011] 分析影響無人機偵察圖像校正定位精度的各種因素，依據(jù)各因素之間的耦合關(guān) 系，將影響定位誤差的因素進行簡化等效處理，確定最終用于定位誤差預(yù)測補償?shù)奶卣饕?素，并求解等效特征因素的表達式。
[0012] 第三步：變高度、大斜視角下目標(biāo)定位誤差預(yù)測與補償。
[0013] 利用第二步獲取的特征因素建立定位誤差預(yù)測的數(shù)學(xué)模型，并選取足夠已知定位 誤差的充足訓(xùn)練樣本對模型進行訓(xùn)練，獲取預(yù)測模型的參數(shù)。利用此參數(shù)對待校正的偵察 圖像進行定位誤差預(yù)測，得到該圖像的誤差矢量，在第一步目標(biāo)定位基礎(chǔ)上疊加誤差矢量， 最終確定補償后的圖像坐標(biāo)。
[0014] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0015] (1)在大斜視角條件下，本發(fā)明能夠有效地提高無人機目標(biāo)定位精度；
[0016] (2)本發(fā)明提出的目標(biāo)定位和誤差補償方法，計算量小，可以達到機載計算的實時 性要求；
[0017] (3)本發(fā)明適用于可見光圖像、紅外圖像等多種符合中心投影成像模型的圖像目 標(biāo)定位應(yīng)用。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發(fā)明說明定位誤差隨斜視角變化而增大的趨勢圖；
[0019] 圖2是本發(fā)明涉及的幾何校正過程多極坐標(biāo)系變換示意圖；
[0020] 圖3是本發(fā)明建立校正模型所用到的中心共線條件方程示意圖；
[0021] 圖4是本發(fā)明設(shè)計的定位誤差因素等效模型示意圖；
[0022] 圖5是等效的特征因素光軸端點坐標(biāo)求解示意圖；
[0023] 圖6是根據(jù)飛機高度、斜視角和成像方向角進行訓(xùn)練樣本選擇；
[0024] 圖7是在工作飛行高度時訓(xùn)練樣本選擇分布圖；
[0025] 圖8是本發(fā)明的方法流程圖。
【具體實施方式】
[0026] 下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)說明。
[0027] 本發(fā)明是一種大斜視角下無人機可見光和紅外圖像目標(biāo)定位方法，流程如圖8所 示，具體實施步驟如下：
[0028] 第一步：基于成像模型的可見光和紅外圖像目標(biāo)定位；
[0029] 具體為：
[0030] (1)基于坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的偵察圖像系統(tǒng)幾何校正；
[0031] 圖像校正的過程，實際上是圖像坐標(biāo)系向大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的過程。
[0032] 基于中心投影成像模型進行系統(tǒng)級幾何校正，需要建立各個坐標(biāo)系之間的變換關(guān) 系。圖像平面到空間直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換需要經(jīng)歷"像素坐標(biāo)系（I系）一〉相機坐標(biāo)系（C 系）一〉無人機坐標(biāo)系（P系）一〉北東天坐標(biāo)系（N系）一〉空間直角坐標(biāo)系（G系）一〉大 地坐標(biāo)系（E系）"的過程，如圖2,給出了各個坐標(biāo)系的示意圖。
[0033] 其中，像素坐標(biāo)系（I系）與相機坐標(biāo)系（C系）之間存在平移變換以及坐標(biāo)軸 翻轉(zhuǎn)變彳
即將X變?yōu)橄喾磾?shù)。由于安裝原因，相機坐標(biāo)系（C系）中心 與飛機坐標(biāo)系（P系）中心不一致，因此C系和P系之間存在平移變換Te。此外，由于相機 平臺相對飛機平臺有方位和俯仰兩個自由度的轉(zhuǎn)動，故C系到P系之間還存在透視變換Mc。 以P系原點為原點建立北東天坐標(biāo)系（N系），P系相對N系有三個方向的自由度轉(zhuǎn)動，航 向、俯仰、橫滾。P系到N系的變換用透視變換Mp表示。
[0034] I系中的像平面FJxdy。到N系中像平面FN(xN,yN,zN)的變換可以表示為下面 過程，如公式（1):
[0035] FN=MP.MC.TC (1)
[0036] 其中：匕表示圖像轉(zhuǎn)換到N系中后的坐標(biāo)，圖像中的任意一點可由（xN，yN，zN)表 示；
[0037] &表示圖像在I系中的坐標(biāo)，圖像中的任意一點可由（X:，yi，Zl)表示。
[0038] G系的X0Y平面是高斯-克呂格投影面，原點為格林尼治子午線與赤道的交點。X0Y 平面海拔高度為零。Z軸指向天向，XYZ符合左手定則。N系與G系平行，只是原點不一樣， 因此存在平移變換。其三個平移量就是飛機坐標(biāo)系P系原點（認(rèn)為是飛機GPS位置）在G 系的三個坐標(biāo)軸上的投影。G系到E系的變換需要按照規(guī)定的投影模式（高斯-克呂格投 影）進行。
[0039] 綜上所述，利用公式（1)像平面從I系變換到N系后，再根據(jù)N系、G系、E系的關(guān) 系利用空間相似三角形和高斯-克呂格投影理論，最終完成像平面從I系到E系的轉(zhuǎn)換過 程。這一過程為偵察圖像系統(tǒng)幾何校正過程。
[0040] (2)基于共線方程的目標(biāo)定位；
[0041] 從成像模型分析，可見光和紅外圖像屬于中心投影，成像瞬間，物點、攝影中心、像 點，三點位于一條直線上，即滿足共線條件。因此，像點與對應(yīng)地面點之間的空間映射關(guān)系 可通過共線條件構(gòu)建方程，從而確定像點的位置，實現(xiàn)圖像的目標(biāo)定位。
[0042] 如圖3,假設(shè)像點a在I系的坐標(biāo)為（u，v)，貝帳據(jù)公式⑴坐標(biāo)系的變換，可以求 得像點a在N系的坐標(biāo)（Xda，Yda，Zda)，設(shè)與像點a相對應(yīng)的物點A在G系坐標(biāo)為（XA，YA，ZA)， 攝影中心S的G系坐標(biāo)為（Xs，Ys，Zs)，由于飛機當(dāng)?shù)豊系與G系相互平行，根據(jù)相似三角形 關(guān)系可以得到像點的N系（Xda，Yda，Zda)與對應(yīng)物點的G系坐標(biāo)（XA，YA，ZA)之間的關(guān)系為：
[0043]
[0044] 將上式寫成矩陣形式為：
[0045]
[0046] 式中入為比例因子，（Xs，Ys，Zs)是由飛機所在的E系坐標(biāo)（B，L，H)經(jīng)高斯-克呂 格投影變換得到的。
[0047] 假設(shè)偵察目標(biāo)在校正影像中的I系坐標(biāo)為（u。，V。)，則偵察目標(biāo)的E系坐標(biāo)（x。，y。） 可由下式計算得到：
[0048]
[0049] 其中，Lat_th、LatSC]Uth、Lngeast、Lng_^別為校正影像的北煒、南煒、東經(jīng)和西經(jīng)邊 界值，Width、Height分別為校正影像的寬和高。
[0050] 第二步：多因素影響下目標(biāo)定位誤差特征提取與表示；
[0051] 具體為：
[0052] (1)選擇目標(biāo)定位誤差特征
[0053] 由于目標(biāo)定位方程中引入了圖像大小、成像高度、成像位置、像元尺寸、焦距、飛機 航向角、飛機俯仰角、飛機橫滾角、平臺方位角、平臺高低角等多元數(shù)據(jù)。多元因素的綜合作 用增加了目標(biāo)定位誤差分析的難度。
[0054] 分析得知，飛行的過程中飛機姿態(tài)角（飛機航向角、飛機俯仰角、飛機橫滾角）和 平臺姿態(tài)角（平臺方位角、平臺高低角）的變化最終影響綜合體現(xiàn)在傳感器光軸在三維空 間的指向上。當(dāng)無人機的高度、飛機俯仰角、飛機橫滾角、平臺高低角保持不變時，隨著無人 機航向角及平臺方位角的變化（0-360度），光軸的指向在地面上的投影是以無人機中心點 投影為圓心的圓。當(dāng)光軸指向與豎直向下方向的夾角（斜視角）從〇度逐漸增大時圓的半 徑也不斷增大。在不同高度下，斜視角不同時，兩個光軸的指向也可能在同一圓上，如圖4。
[0055] 從上圖得出結(jié)論，隨斜視角和高度的變化，同心圓的半徑的取值范圍可以是0到 無窮大。這就證明了，光軸指向和高度的影響對整個偵察區(qū)域都具有代表性，可以用光軸指 向和高度兩個因素分析偵察區(qū)域范圍和目標(biāo)定位位置。考慮到方向性要求，將光軸指向分 解成斜視角（圖4中a)以及光軸在水平面與正北方向的夾角（圖4中，方向角0)。因 此，將斜視角、成像方向角、高度作為基本影響參數(shù)進行后續(xù)分析，即將設(shè)置斜視角、成像方 向角、高度設(shè)為目標(biāo)定位誤差特征。
[0056] (2)目標(biāo)定位誤差特征表示
[0057] 當(dāng)無人機不存在任何姿態(tài)角的情況下，飛機機體坐標(biāo)系與東北天坐標(biāo)系是重合 的，在這種情況下，假設(shè)光軸長度為單位值1，如圖5粗線所示，推算出光軸端點在北東天坐 標(biāo)系中的三維坐標(biāo)表示（X，y,z)，如圖5所示
[0058]
[0059] 式中表示平臺高低角；k表示平臺方位角。
[0060] 當(dāng)無人機自身發(fā)生姿態(tài)變化時，也就是由N系轉(zhuǎn)換到P系，機體的轉(zhuǎn)動將帶動光軸 指向發(fā)生變化。此時，可以根據(jù)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換（坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)）重新獲得光軸端點在新的坐標(biāo)系 下（？系）的三維坐標(biāo)表示（1'， 7'