无人机用多视角立体航摄装置及其焦距确定的方法

摘要

本发明涉及航空摄影测量领域，具体涉及一种无人机用多视角立体航摄装置，包括：连接支架、设置在该连接支架上的垂直相机和倾斜相机；该垂直相机的主光轴与该倾斜相机的主光轴所形成的倾角αy范围为40°～50°；该垂直相机的焦距f垂直与该倾斜相机的焦距f倾斜的关系为通过精确地限定垂直相机主光轴和倾斜相机主光轴的相对空间位置关系以及焦距关系，可以同时获取建筑物顶部和侧面的纹理信息，同时结构简单，体积和重量都较小，很好地满足轻小型无人机载荷较小的要求。

权利要求

1.一种无人机用多视角立体航摄装置，其特征在于，包括：连接支架、设置在所述连接支架上的垂直相机和倾斜相机；

所述垂直相机的主光轴与所述倾斜相机的主光轴所形成的倾角αy范围为40°～50°；

所述垂直相机的焦距f垂直与所述倾斜相机的焦距f倾斜的关系为 αy为所述垂直相机的主光轴与所述倾斜相机的主光轴所形成的倾角，f垂直为所述垂直相机的焦距，f倾斜为所述倾斜相机的焦距。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述倾斜相机为多个，且多个倾斜相机均匀排布在所述垂直相机的四周。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述连接支架包括连接底板和固定在所述连接底板上的固定框架；

所述固定框架用于固定所述垂直相机和所述倾斜相机。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述固定框架包括万向接头，所述万向接头的一端与所述连接底板固定连接，另一端与所述倾斜相机固定连接。

5.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述连接支架上还设置有滑轨和丝杆，所述滑轨与所述丝杆平行设置，所述倾斜相机与所述滑轨滑动连接，所述丝杆通过旋转卡件与所述倾斜相机可拆卸连接。

6.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述连接支架由航空铝材或者碳纤维材料制成。

7.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，还包括：热沉，所述热沉分别与所述垂直相机和所述倾斜相机的外壳接触。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述热沉由导热塑料制成。

9.一种确定无人机用多视角立体航摄装置焦距的方法，其特征在于，包括：根据无人机飞行高度、垂直相机的焦距f垂直和光敏元尺寸，确定所述垂直相机的分辨率公式；

根据无人机飞行高度、所述垂直相机的主光轴与倾斜相机的主光轴所形成的倾角αy、所述倾斜相机的焦距f倾斜，确定所述倾斜相机的比例尺公式；

根据所述倾斜相机的比例尺公式，确定所述倾斜相机的理想分辨率公式；

根据所述垂直相机的分辨率公式和所述倾斜相机的理想分辨率公式，确定所述垂直相机的焦距f垂直与所述倾斜相机的焦距f倾斜的关系。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述倾斜相机的理想分辨率为所述倾斜相机的视场范围的中点比例尺的分辨率。

说明书

无人机用多视角立体航摄装置及其焦距确定的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及航空摄影测量领域，具体而言，涉及一种无人机用多视角立体航摄装置及其焦距确定的方法。

背景技术

[0002] 近年来，倾斜摄影技术作为一项综合性高新技术，逐步在国际测绘遥感领域发展方面开启了新的篇章。它通过在同一飞行平台上搭载摄影角度不同的多台传感器，同时从垂直、倾斜等不同的角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息。机载倾斜摄影颠覆了传统航拍的垂直摄影模式,它所采集的多角度倾斜影像符合人眼视觉的真实直观世界,空间信息更丰富、完整、友好,具有广泛的应用前景。低空无人机倾斜摄影技术作为通用航空倾斜摄影技术的延伸与发展，逐渐在数字城市等领域发挥重要的作用。倾斜摄影传感器集成作为倾斜摄影技术的一个重要环节，需重点考虑相机的数量和各相机的倾角，以便获取目标物最为详细的纹理信息。目前最为常用的通用航空的五视立体摄影测量结构，但是该类型的结构重量、体积比较大，不能够兼顾轻小型无人机载荷较小的特点，难以在轻小型无人机遥感系统上使用。专利号CN201310019024.7的文献中公开了一种经济型机载倾斜数码航空摄影系统，包括前、后、左、右四个倾斜摄影单元和一个垂直摄影单元，适用于无人机的低空遥感，但该文献中未对轻小型无人机航摄装置中垂直相机和倾斜相机的更精确的相对空间位置关系和焦距关系进行研究，且该文献中的摄影系统通过多个机械固定部件例如扣卡、卡箍等对相机进行固定，结构较复杂，体积和重量都较大，仍无法很好地满足轻小型无人机载荷较小的要求。本发明将基于上述问题发明一种成本低、结构简单的高分辨率机载倾斜数码航空摄影系统。

发明内容

[0003] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无人机用多视角立体航摄装置及其焦距确定的方法，以解决上述的问题和不足并提供至少以下所述的优点。

[0004] 第一方面，本发明实施例提供了一种无人机用多视角立体航摄装置，包括：连接支架、设置在该连接支架上的垂直相机和倾斜相机；该垂直相机的主光轴与该倾斜相机的主光轴所形成的倾角αy范围为40°～50°；该垂直相机的焦距f垂直与该倾斜相机的焦距f倾斜的关系为 αy为所述垂直相机的主光轴与所述倾斜相机的主光轴所形成的倾角，f垂直为所述垂直相机的焦距，f倾斜为所述倾斜相机的焦距。

[0005] 优选地，该倾斜相机为多个，且多个倾斜相机均匀排布在所述垂直相机的四周。

[0006] 优选地，该连接支架包括连接底板和固定在该连接底板上的固定框架；该固定框架用于固定该垂直相机和该倾斜相机。

[0007] 进一步地，该固定框架包括万向接头，该万向接头的一端与所述连接底板固定连接，另一端与所述倾斜相机固定连接。

[0008] 进一步地，该所述连接支架上还设置有滑轨和丝杆，该滑轨与该丝杆平行设置，该倾斜相机与该滑轨滑动连接，该丝杆通过旋转卡件与该倾斜相机可拆卸连接。

[0009] 进一步地，该连接支架由航空铝材或者碳纤维材料制成。

[0010] 进一步地，该装置还包括：热沉，所述热沉分别与该垂直相机和该倾斜相机的外壳接触。

[0011] 进一步地，该热沉由导热塑料制成。

[0012] 第二方面，本发明实施例还提供了一种确定无人机用多视角立体航摄装置焦距的方法，包括：根据无人机飞行高度、垂直相机的焦距f垂直和光敏元尺寸，确定该垂直相机的分辨率公式；根据无人机飞行高度、该垂直相机的主光轴与倾斜相机的主光轴所形成的倾角αy、该倾斜相机的焦距f倾斜，确定该倾斜相机的比例尺公式；根据该倾斜相机的比例尺公式，确定该倾斜相机的理想分辨率公式；根据该垂直相机的分辨率公式和该倾斜相机的理想分辨率公式，确定该垂直相机的焦距f垂直与该倾斜相机的焦距f倾斜的关系为。

[0013] 进一步地，该倾斜相机的理想分辨率为该倾斜相机的视场范围的中点比例尺的分辨率。

[0014] 本发明实施例提供的无人机用多视角立体航摄装置，通过研究垂直摄影GSD(Ground Sample Distance，地面采样间隔，也称为分辨率)和倾斜摄影GSD的关系，从而精确地限定垂直相机主光轴和倾斜相机主光轴的相对空间位置关系以及焦距关系，可以同时获取建筑物顶部和侧面的纹理信息，同时结构简单，体积和重量都较小，很好地满足轻小型无人机载荷较小的要求。

[0015] 为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

[0016] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

[0017] 图1示出了本发明实施例提供的一种无人机用多视角立体航摄装置；

[0018] 图2示出了本发明实施例提供的垂直摄影GSD计算方法示意图；

[0019] 图3(a)和(b)示出了本发明实施例提供的倾斜摄影GSD计算方法示意图；

[0020] 图4示出了本发明实施例提供的某相机倾角αy在45°时的GSD变化曲线。

[0021] 图5示出了本发明实施例提供的一种无人机用多视角立体航摄装置的镜头组合示意图；

[0022] 图6示出了本发明实施例提供的第二种无人机用多视角立体航摄装置中垂直相机的滑轨和丝杆结构示意图；

[0023] 图7示出了本发明实施例还提供了一种无人机用多视角立体航摄装置焦距关系的设计方法的流程图；

[0024] 附图中标记含义：

[0025] 1 连接支架

[0026] 2 垂直相机

[0027] 3 倾斜相机

[0028] 4 倾斜相机

[0029] 5 倾斜相机

[0030] 6 倾斜相机

[0031] 13 滑轨

[0032] 14 丝杆

具体实施方式

[0033] 下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0034] 如图1所示为本发明实施例提供的一种无人机用多视角立体航摄装置，包括：连接支架1、设置在该连接支架上的垂直相机2和倾斜相机3、4、5、6，该倾斜相机也可以设置为两个、三个、四个等，本发明实施例仅以四个为例进行说明，具体数量不进行具体限制；其中，倾斜相机3、4、5、6的参数例如焦距、分辨率等均相同，且在垂直相机2的四周均匀对称分布，同时，倾斜相机3、4、5、6相对于垂直相机2倾斜放置。例如以倾斜相机3为例，倾斜相机4、5、6的设置与倾斜相机3相同：垂直相机2的主光轴与倾斜相机3的主光轴形成倾角αy(图中未示出)αy的范围为40°～50°；垂直相机2的焦距f垂直与倾斜相机3的焦距f倾斜的关系为相机倾角αy指倾斜放置相机主光轴与垂直放置相机主光轴在它们所确定的平面内所形成的夹角，根据经验及模拟测试，当倾角在40°～50°之间时，所获得的影像更接近人眼对立面纹理信息(本发明中的纹理，既包括通常意义上物体表面的纹理，即使物体表面呈现凹凸不平的沟纹，同时也包括在物体的光滑表面上的彩色图案，通常我们更多地称之为花纹)的真实视觉体验，此范围角度为摄影测量大倾角范围，倾斜角度的绝对值并不直接对影像产生影响，而是通过改变分辨率、有效像幅等参数改变所获取的影像。

[0035] 图2示出了本发明实施例提供的垂直摄影GSD计算方法示意图，图3(a)和(b)示出了本发明实施例提供的倾斜摄影GSD计算方法示意图，本实施例将在图1的基础上结合图2和图3，对垂直相机的焦距f垂直与该倾斜相机的焦距f倾斜的关系进行详述。垂直影像和倾斜影像的地面采样间隔是立体航摄装置最为直观与重要的参数之一，也是直接决定后续三维建模质量的关键因素，因此须对垂直与倾斜视角的影像分辨率进行组合分析。如图2中所示，分辨率的具体计算公式如下：

[0036] 垂直相机的拍摄影像GSD垂直计算公式：

[0037]

[0038] 式(1)中：d为相机CCD(Charge Coupled Device，电器耦合器件)光敏元尺寸大小，h为飞行高度，f垂直为垂直相机焦距。

[0039] 倾斜影像近点、中心、远点的比例尺计算公式如下：

[0040]

[0041] 式中：αy为倾角，βy为半个视场范围，

[0042] 如图3中所示，由比例尺的计算可知，倾斜影像的比例尺实指各像元观测光线沿主光轴分量处的比例尺，因此该像元的GSD如下所示：

[0043] 倾斜影像的GSD倾斜计算公式为：

[0044]

[0045]

[0046]

[0047] 一般情况下，垂直下视相机的GSD垂直应与倾斜相机的视场范围的中点比例尺mmid的分辨率GSDmid相当，即

[0048]

[0049] 由式(2)可以推算出如下关系式：

[0050]

[0051] 该公式(3)可作为计算垂直相机和倾斜相机的焦距的关系参考。实际操作中，允许在公式(3)的基础上做适当修正。

[0052] 由于存在大的倾角αy，倾斜影像各区域的GSD成非线性变化，以某型号相机为例，该相机分辨率为9288×6000，像元大小：6.0um，焦距70mm，图4给出了本发明实施例提供的该相机倾角αy在45°时的GSD变化曲线，可以看出，倾斜相机由于大倾角的存在导致近点和远点的分辨率有很大差异，这种差异将引起影像部分像素畸变过大而不可用，因此GSD指标的控制对相机选型、以及镜头匹配至关重要。可见，除飞行高度、焦距、光敏元大小之外，倾角也是影响倾斜影像GSD的一个重要因素，倾角越小，其远点的分辨率越高，同时近点、远点GSD差异也就越小。

[0053] 倾斜影像由于其大倾角特性，导致影像边缘的分辨率较低，地物变形较大，不满足使用要求，因此在实际处理过程中将会对其进行裁减，裁减后可用的像幅称为倾斜影像有效像幅，有效像幅界定标准为影像内GSD达到指标要求的影像范围，并且在满足标准航拍航线设计要求下所有倾斜影像的有效像幅联合起来能覆盖到整个测区。有效像幅占倾斜影像原始像幅的比例越大则相机参数的设计越合理。

[0054] 由于无人机在载荷重量上有其特定的限定，本发明通过在市面上调研几款相机，最终确定在sony nex7和alpha 7R系列间组合，相机均为非量测型数码相机，相比量测型数码相机具有重量轻、体积小、价格低、操作简单的特点，通过相机检校，能够很好的适用于轻小型无人机遥感系统。确定相机品牌和基本参数后，综合前述设计原则，最终组合参数如下表：

[0055]

[0056] 本发明实施例提供的该无人机用多视角立体航摄装置，通过精确地限定垂直相机主光轴和倾斜相机主光轴的相对空间位置关系以及焦距关系，可以同时获取建筑物顶部和侧面的纹理信息，同时结构简单，体积和重量都较小，很好地满足轻小型无人机载荷较小的要求。

[0057] 图5示出了本发明实施例提供的一种无人机用多视角立体航摄装置的镜头组合示意图，该图中箭头所指方向为无人机飞行方向，以四个倾斜相机为例，该多视角立体航摄装置包括一个垂直相机和四个倾斜相机，中央一个垂直相机2垂直对地观测，获取垂直影像，且四个倾斜相机以垂直相机2为中心，在垂直相机2周围均匀对称排布，该实施例中以垂直相机2的四个正交方位为例，四个倾斜相机可以同时获取建筑物前、后、左、右侧的纹理信息。依据前述实施例的推算结果，该实施例中，垂直相机2的主光轴与任意一个倾斜相机的主光轴形成的倾角为45°，垂直相机2的焦距例如为16mm，四周四个倾斜相机的焦距例如分别为35mm。目前市售可见光全色面阵式相机多为长方形，长宽比通常为3:2、4:3、5:4，极少数相机具有相同的长度和宽度。由于倾斜航摄仪拍摄模式的特殊性，相机排布模式(即四个倾斜相机长短边相对于中间垂直相机放置的相对关系)对于地物覆盖范围、倾斜影像分辨率变化范围、相邻曝光点影像重叠度、集成系统空间尺寸乃至后续数据处理算法都会产生影响，因此确定相机间排布模式是首要解决的问题之一。针对多种排布可能，通过对地物覆盖范围、倾斜影像分辨率等因素进行计算与仿真，本发明仅给出了综合指标较优的排布模式如下：五相机中，下视影像长边跨航线、前视、后视影像长边跨航线、左视、右视影像短边跨航线。

[0058] 根据本发明的实施例，固定框架还可以包括万向接头，用于将倾斜相机连接到连接支架，该万向接头的一端例如主动轴侧与连接底板固定连接，另一端例如从动轴侧与倾斜相机固定连接，以此实现四个倾斜相机3、4、5、6的任意角度扭转，从而使倾斜相机3、4、5、6可以更加灵活地从任意角度进行拍摄，以此可实时、灵活地获取任意视角的高清倾斜影像数据。进一步地，可以采用万能角尺或者带角度测量功能的万向轴，例如通过旋转变压器将万向轴的角度变化转变成幅值随角位移变化而发生变化的电信号，根据该电信号可精确地设置或调整各个倾斜相机的倾斜角度，以得到更加精确的倾斜相机的倾斜角度数据，以进一步提高事件记录的精度，从而为后续的处理工作奠定精度基础。

[0059] 图6示出了本发明实施例提供的第二种无人机用多视角立体航摄装置中垂直相机2与滑轨和丝杆的连接结构示意图，倾斜相机的设置与该图中垂直相机的设置类似。其中，滑轨13和丝杆14通过螺钉固定连接于连接支架1(图中未示出)上，滑轨13与丝杆14平行设置，图6仅示出了滑轨13与丝杆14的一种设置方式，还可以将丝杆14设置在滑轨13外部，本发明不做具体限定。垂直相机2通过例如螺钉固定连接在滑轨13的滑块上，与滑轨13形成滑动连接，丝杆14通过旋转卡件(位于滑块内部)与垂直相机2可拆卸连接，通过旋转卡件在丝杆14上的移动，实现倾斜相机3的在滑轨13上精密或者微距离移动。进一步地，还可以采用如图6中所示的相互垂直的两根滑轨13以及相应的丝杆14，从而将倾斜相机3可以更加灵活地调节到多个位置，进而使垂直相机2可以更加灵活地在多个位置进行拍摄。

[0060] 同时，在保证强度、韧性、抗疲劳性能和塑性的前提下，选择材质较轻的材料制作连接支架，还能够进一步降低航摄装置的总重量，例如本发明中的连接支架1选用航空铝材或者碳纤维材料制成。本发明实施例提供的该立体航摄装置，体积小，重量轻(约3.75公斤)，可以装入载荷5公斤级的固定翼无人机、旋翼无人机和无人直升机使用。

[0061] 另外，考虑到航摄装置的工作环境和工作状况，相机需要长时间进行瞬时的大容量放电，因此相机感光元件和电池发热问题也不容忽视，本发明为了解决该问题，通过在相机外壳固定热沉装置以环帮助热量散发从而使相机的工作更加稳定，例如由于航摄装置的重量限制，本发明采用导热塑料制成热沉，并通过导热硅胶将塑料热沉固定与相机外壳表面，可以显著改善相机工作过程中的发热问题。

[0062] 第二方面，本发明实施例还提供了一种无人机用多视角立体航摄装置焦距关系的设计方法，包括：步骤S102，根据无人机飞行高度h、垂直相机的焦距f垂直和光敏元尺寸d，确定该垂直相机2的分辨率公式 步骤S104，根据无人机飞行高度h、该垂直相机2的主光轴与倾斜相机3的主光轴所形成的倾角αy、该倾斜相机3的焦距f倾斜，确定该倾斜相机3的比例尺公式 步骤S106，
根据该倾斜相,3的比例尺公式，确定该倾斜相机的理想分辨率公式；步骤S108，根据该垂直相机的分辨率公式 和该倾斜相机的理想分辨率公式，确定该垂直相机的焦
距f垂直与该倾斜相机的焦距f倾斜的关系为 本发明中，该倾斜相机3的理想分辨率例如为该倾斜相机3的视场范围的中点比例尺 的分辨率 详
细的推算过程，可参见前述实施例部分。

[0063] 本发明实施例提供的立体航摄装置焦距关系的设计方法，通过研究推算无人机飞行高度h、垂直相机的焦距f垂直、光敏元尺寸d，以及倾角αy、倾斜相机的焦距f倾斜等诸多物理量之间的关系，推导出垂直相机的焦距f垂直与倾斜相机的焦距f倾斜的关系为 为实际操作中垂直相机和倾斜相机的选择提供了依据，为航摄装置能够同时获取建筑物顶部和侧面的可靠的纹理信息奠定了基础。

[0064] 附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

[0065] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。