基于无人直升机航拍照片的三维目标重建技术

摘要

无人直升机(UAV-unmanned aerial vehicle)由于其特殊的机动性能,在军事、民用领域具有广阔的应用前景。无人机的基本结构包括无人机本体、导航系统、飞行控制系统、无线数据通信系统、地面基站系统以及应用任务系统6个部分组成。在上海交大自主研发的无人直升机“天行者”上,已经初步实现了前5个系统。本文以无人机“天行者”为应用对象,在无人机的第6个应用任务系统这部分进行创新与实现。无人直升机在飞行控制和执行应用任务的过程中,需要感知到前方的障碍,及所执行的应用任务的环境信息。利用机载的双目摄像头所获得的同步2D图像,通过模式识别技术和三维立体重建技术,从理论上可以构建出视场范围的3D环境信息。该3D数据能够有效地支持无人直升机在应用任务执行过程中的避障、路径规划和应用任务的适时控制。因此,研究利用同步航拍2D图像,构建出3D飞行环境模型,具有重要的理论和应用价值。论文重点研究了无人直升机机载环境下的双目航拍技术,基于航拍图片的模式识别技术,以及3D构造技术,研究内容具体包括以下几个方面：1,结合无人机“天行者”的物理特性,利用双目视觉几何原理设计和建立无人直升机双目视觉系统。2,运用图像处理技术,研究提取双目视觉视场范围物体特征点,并将两个摄像头提取到的特征点进行匹配。论文研究和运用了SIFT、SUSAN算法,在MATLAB中实现左右两幅图像中特征点的匹配。3,利用双目视觉的几何原理,将已经匹配成功的特征点进行空间位置信息解算,由两张2维同步照片所提供的信息,计算出物体在3维空间中特征点的坐标值,实现场景的三维重建。论文的双目视觉系统经过试验验证,取得了较好的实验效果,该项技术在无人机视觉导航、地形侦查、飞行避障等方面有很好的应用价值。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 小型无人机航拍技术研究现状

1.2.1 世界各国家的研究现状

1.2.2 国内外高校的研究现状

1.3 研究意义

1.4 研究内容与取得的成果

1.5 论文结构

第二章 无人机航拍照片三维重建的技术分析

2.1 无人机传感设备研究综述

2.3 目前的研究出现的问题

2.4 本文的技术路线

2.5 相关技术知识简介

2.5.1 无人机地面基站航拍信息处理模块

2.5.2 特征点匹配算法

2.6 本章小结

第三章 机载双目视觉系统的建立

3.1 双目视觉几何原理研究

3.2 双目视觉体系建立

3.2.1 摄像头的选型

3.2.2 摄像头的标定

3.2.3 摄像头畸变的校正

3.3 本章小结

第四章 图像预处理及特征点检测

4.1 图像预处理

4.1.1 噪声的产生和类型

4.1.2 图像去噪

4.2 特征点的检测

4.2.1 特征点的检测算法介绍

4.2.2 特征点的提取

4.3 本章小结

第五章 特征点的匹配

5.1 特征点的匹配原理及规则

5.1.1 特征点的匹配原理分析

5.1.2 特征点的匹配规则

5.2 SIFT 和SUSAN 算法的特点

5.2.1 SIFT 算法特点

5.2.2 SUSAN 算法特点

5.3 SIFT 算法和SUSAN 算法的实验对比

5.4 本章小结

第六章 三维重建

6.1 三维重建的设计

6.2 三维重建的实现

6.2.1 场景特征点的三维坐标计算

6.2.2 三维重建的实现

6.2.3 误差统计分析

6.3 本章小结

第七章 总结和展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文