吳建美

（福州軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福州 350005）

0 引言

無人機(jī)在軍事和民用領(lǐng)域發(fā)揮著非常重要的作用.可長時(shí)間進(jìn)出各種危險(xiǎn)空域，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、靈活性好等優(yōu)點(diǎn)［1-2］.然而，無人機(jī)的駕駛和正常使用是一個(gè)復(fù)雜的過程［3-4］，無人機(jī)目標(biāo)成像過程較為復(fù)雜.

徐偉等［5］以實(shí)現(xiàn)遙感衛(wèi)星設(shè)計(jì)和多光譜成像為研究對象，根據(jù)星載一體化理念和多模式成像理念，完成衛(wèi)星相關(guān)指標(biāo)、方案和關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)和多模式下光學(xué)成像.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)完成過程簡單，但存在成像質(zhì)量較差的問題.蘭富洋等［6］以剪切光束成像技術(shù)為依據(jù)，在二維成像模型基礎(chǔ)上構(gòu)建三維目標(biāo)成像模型，同時(shí)根據(jù)所建模型分析兩剪切光和參考光之間頻差對目標(biāo)成像產(chǎn)生影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)成像后質(zhì)量較高，但存在成像過程靈活性差的問題.張馳等［7］以解決計(jì)算機(jī)視覺相關(guān)問題為目標(biāo)，從4個(gè)角度分析光場成像技術(shù)進(jìn)展：光場成像設(shè)備作為視覺傳感器存在的優(yōu)勢與劣勢；光場相機(jī)是計(jì)算機(jī)視覺傳感器標(biāo)定和解碼與預(yù)處理的一種渠道；四維光場下圖像渲染及重建方法；將四維光場信息數(shù)據(jù)當(dāng)作成像特征表征方式.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)下成像過程穩(wěn)定性較好，但存在成像耗時(shí)長的問題.

成像技術(shù)在遙感、醫(yī)學(xué)等方面均有著十分廣泛的應(yīng)用［8-9］.為了解決成像質(zhì)量低、成像過程靈活性差和成像耗時(shí)長的問題，提出基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的無人機(jī)遠(yuǎn)程激光裝置高質(zhì)量成像方法.

1 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的無人機(jī)遠(yuǎn)程激光裝置高質(zhì)量成像

1.1 無人機(jī)遠(yuǎn)程激光裝置高質(zhì)量成像抗干擾設(shè)計(jì)

利用遠(yuǎn)程激光技術(shù)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)遠(yuǎn)程激光裝置高質(zhì)量成像過程中，激光在大氣傳輸會(huì)受到很多因素干擾，影響成像質(zhì)量和成像效率［10-12］.為降低遠(yuǎn)程激光成像的誤判率，提升成像質(zhì)量和效率，設(shè)計(jì)抗干擾單元.無人機(jī)遠(yuǎn)程激光裝置高質(zhì)量成像抗干擾單元主要是在遠(yuǎn)程激光發(fā)射與接收2個(gè)位置進(jìn)行信號(hào)的編碼，能夠基于不同成像條件實(shí)現(xiàn)特定激光信息編碼，進(jìn)而達(dá)到比較好的成像效果.在該模塊中，對激光信號(hào)實(shí)施二進(jìn)制編碼操作，其中，1代表發(fā)射1個(gè)激光，0代表不發(fā)射激光.接收回波信號(hào)過程中信號(hào)放大設(shè)備能夠讀取最開始發(fā)射時(shí)的信息編碼，假設(shè)回波編碼信息匹配程度低，則不將其當(dāng)作有效回波信號(hào).圖1中，編碼信號(hào)是1，0，1，0，0，在接收系統(tǒng)中，假設(shè)回波信號(hào)調(diào)制編碼不是1，0，1，0，0，那么將其當(dāng)作無效的回波信號(hào)；反之，假設(shè)回波信號(hào)編碼為相同的，則能夠繼續(xù)進(jìn)行成像，以此避免干擾因素對成像過程的影響.

圖1 編碼信號(hào)原理 Fig. 1 Principle of coded signal

1.2 無人機(jī)遠(yuǎn)程激光裝置高質(zhì)量成像

基于1.1抗干擾設(shè)計(jì)，利用遠(yuǎn)程激光完成無人機(jī)遠(yuǎn)程激光裝置高質(zhì)量成像.遠(yuǎn)程激光成像主要以空間幾何為依據(jù)實(shí)現(xiàn)，激光經(jīng)過物體而產(chǎn)生反射，并在攝像機(jī)畫面上形成一個(gè)像點(diǎn)，像點(diǎn)會(huì)隨著激光與物體之間的距離不同，在傳感器上來回移動(dòng)，以此提升成像過程的靈活性.

為了滿足無人機(jī)遠(yuǎn)程激光裝置高質(zhì)量成像需求，在此采用一種線性結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程激光，在成像時(shí)向被測對象投射一個(gè)激光條，因物體表層的曲率不同，相機(jī)拍攝時(shí)的光線中心也不同.利用線結(jié)構(gòu)激光，能夠得到激光條上相應(yīng)點(diǎn)位置信息.圖2為遠(yuǎn)程激光成像模型.

在遠(yuǎn)程激光成像中，需要先考慮處在水平面上激光點(diǎn)A，利用計(jì)算激光點(diǎn)在投影平面產(chǎn)生的像素點(diǎn)x的值，能夠得到點(diǎn)A至遠(yuǎn)程激光成像體系平面上距離d和照射點(diǎn)至板面中心距離L.RtΔABC與RtΔDEC在一個(gè)平面，角ACB和角DCE相等，根據(jù)三角形相似可知ΔABC和ΔDEC相似，進(jìn)而可得：

其中，依據(jù)圖2中存在的等量關(guān)系能夠得到式（2）和式（3）：

圖2 遠(yuǎn)程激光成像模型Fig. 2 Remote laser imaging model

其中，s代表激光到相機(jī)中心距離，f代表相機(jī)焦距，ω代表相機(jī)像素值，N代表圖像橫向像素?cái)?shù)量.

根據(jù)上述計(jì)算，能夠得到距離d與L表達(dá)式：

針對水平面之外的點(diǎn)A′，引入補(bǔ)償角γ.在遠(yuǎn)程激光成像過程中，A與A′ 至板面中心產(chǎn)生的夾角和至相機(jī)中心產(chǎn)生的夾角α近似，則有：

依據(jù)式（6）可知：

其中，y代表投影點(diǎn)A′ 在相機(jī)畫面中占據(jù)的行數(shù)，N′ 代表圖像縱向像素?cái)?shù)量.

得到補(bǔ)償角γ之后，能夠獲取點(diǎn)A′ 至成像中心之間的距離L′.以此類推，能夠獲取激光帶上隨機(jī)點(diǎn)至成像中心之間的距離：

利用操控舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角ε，將板面中心軸作為轉(zhuǎn)動(dòng)軸，以此帶動(dòng)遠(yuǎn)程激光相機(jī)實(shí)現(xiàn)距離深度測量，進(jìn)而得到光點(diǎn)在空間坐標(biāo)中三維坐標(biāo)，通過三維坐標(biāo)可準(zhǔn)確定點(diǎn)成像位置，完成無人機(jī)遠(yuǎn)程激光裝置高質(zhì)量成像.

其中，θ代表照射點(diǎn)到中心和遠(yuǎn)程激光成像平面產(chǎn)生的夾角，ε代表遠(yuǎn)程成像采集板面與橫軸產(chǎn)生的夾角.

基于式（10）的計(jì)算，得到的最終成像結(jié)果可表示為：

1.3 無人機(jī)遠(yuǎn)程激光裝置高質(zhì)量成像結(jié)果優(yōu)化

為了使成像結(jié)果更好地呈現(xiàn)，需要對成像結(jié)果進(jìn)行處理.在此，利用圖像分割法處理成像結(jié)果，使圖像區(qū)域劃分明確，特征點(diǎn)更加突出.

當(dāng)前，比較常見的圖像分割方式有：以圖像灰度特性為依據(jù)的方差法，還有以圖像方向信息為依據(jù)的方向圖法.其中的方差法比較適合分割背景區(qū)域，對于灰度變化比較小的區(qū)域，該方法有誤判現(xiàn)象.方向圖法對變化較小區(qū)域有著比較好的分割效果，但背景區(qū)域分割效果不是十分理想.在無人機(jī)遠(yuǎn)程激光裝置高質(zhì)量成像結(jié)果處理中，將方向圖法與方差法結(jié)合，然后通過簡單閾值法將邊緣效應(yīng)消除，最終得到較為理想的圖像分割效果.詳細(xì)分割過程如下：

假設(shè)z(i,j)代表無人機(jī)遠(yuǎn)程激光裝置高質(zhì)量成像結(jié)果中各塊灰度方差，g(i,j)代表無人機(jī)遠(yuǎn)程激光裝置高質(zhì)量成像結(jié)果中各個(gè)像素點(diǎn)灰度值，a(i,j)代表根據(jù)方向圖法分割之后無人機(jī)遠(yuǎn)程激光裝置高質(zhì)量成像結(jié)果中各個(gè)像素點(diǎn)灰度值，b(i,j)代表根據(jù)方差法分割之后成像結(jié)果中各像素點(diǎn)灰度值，c(i,j)代表通過簡單閾值法分割之后成像結(jié)果中各像素點(diǎn)灰度值，G(i,j)代表根據(jù)結(jié)合法分割之后成像結(jié)果中各像素點(diǎn)灰度值，即最終分割結(jié)果.

根據(jù)上述參數(shù)設(shè)置則有：

式（12）中，V代表灰度方差閾值，在成像結(jié)果分割實(shí)現(xiàn)中，將該值取值設(shè)置為無人機(jī)遠(yuǎn)程激光裝置高質(zhì)量成像結(jié)果中各塊灰度方差均值.R代表灰度閾值，該值取值為無人機(jī)遠(yuǎn)程激光裝置高質(zhì)量成像結(jié)果平均灰度值.

2 實(shí)例測試與分析

為驗(yàn)證基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的無人機(jī)遠(yuǎn)程激光裝置高質(zhì)量成像方法有效性，測試選用無人機(jī)如圖3所示，實(shí)驗(yàn)場地為某無人機(jī)試飛區(qū).

圖3 測試選用無人機(jī)Fig. 3 UAV selected for experiment

實(shí)驗(yàn)之前的準(zhǔn)備工作為：確保各個(gè)實(shí)驗(yàn)需要的傳感器能夠正常獲取數(shù)據(jù)；將計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)開啟；初始化調(diào)試體系；對相機(jī)進(jìn)行白平衡操作；開啟激光.

準(zhǔn)備工作完成后，成像前，為使成像結(jié)果更為精確，要將整個(gè)成像體系標(biāo)定好，保障所得數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù).

依據(jù)上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)定，在以下方面驗(yàn)證所提技術(shù)：

（1）成像結(jié)果質(zhì)量；（2）成像過程靈活性；（3）成像耗時(shí).

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

由圖4可知，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的無人機(jī)遠(yuǎn)程激光裝置高質(zhì)量成像方法下的成像結(jié)果有效像素?cái)?shù)量要高于當(dāng)前相關(guān)研究成果，這表示該技術(shù)具有很高的可靠性.該技術(shù)在成像之前，分析了成像過程中存在的干擾因素，并設(shè)計(jì)了抗干擾模塊，初步增強(qiáng)了成像質(zhì)量，以抗干擾設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，通過遠(yuǎn)程激光技術(shù)完成了無人機(jī)遠(yuǎn)程激光裝置高質(zhì)量成像，為了進(jìn)一步提升成像結(jié)果質(zhì)量，將方向圖法與方差法結(jié)合，通過簡單閾值法將邊緣效應(yīng)消除，以此得到的成像結(jié)果更為理想.

圖4 不同技術(shù)成像結(jié)果質(zhì)量對比Fig. 4 Quality comparison of imaging results of different technologies

分析圖5，所提技術(shù)運(yùn)行過程靈活性明顯優(yōu)于文獻(xiàn)［6］技術(shù)和文獻(xiàn)［7］技術(shù)，因?yàn)樵摷夹g(shù)以空間幾何為成像依據(jù)，激光經(jīng)過物體而產(chǎn)生反射，會(huì)在攝像機(jī)畫面上形成一個(gè)像點(diǎn)，而像點(diǎn)會(huì)隨著激光與物體之間的距離不同，在傳感器上自適應(yīng)性地來回移動(dòng)，該智能性操作有效提升了無人機(jī)遠(yuǎn)程激光裝置高質(zhì)量成像過程的靈活性.

圖5 不同技術(shù)成像過程靈活性對比Fig. 5 Comparison of flexibility of imaging process of different technologies

表1中，H1代表待成像對象編號(hào).H2代表文獻(xiàn)［7］技術(shù)成像耗時(shí)，單位為s.H3代表文獻(xiàn)［5］技術(shù)成像耗時(shí)，單位為s.H4代表基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的無人機(jī)遠(yuǎn)程激光裝置高質(zhì)量成像方法成像耗時(shí)，單位為s.

表1 不同技術(shù)成像耗時(shí)對比Tab. 1 Comparison of imaging time of different technologies s

從表1中可以看出，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的無人機(jī)遠(yuǎn)程激光裝置高質(zhì)量成像方法整體運(yùn)行耗時(shí)最短，因?yàn)樵摷夹g(shù)考慮到無人機(jī)遠(yuǎn)程激光裝置高質(zhì)量成像過程中，激光在大氣傳輸時(shí)會(huì)受到眾多因素干擾，降低成像效率，設(shè)計(jì)了成像過程抗干擾模塊，以此減少成像耗時(shí)，增強(qiáng)成像性能.

3 結(jié)論

提出基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的無人機(jī)遠(yuǎn)程激光裝置高質(zhì)量成像方法.分別通過抗干擾設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程激光成像、處理成像結(jié)果完成整個(gè)無人機(jī)遠(yuǎn)程激光裝置高質(zhì)量成像過程，并通過實(shí)驗(yàn)證明了所提技術(shù)的有效性.

針對下一步研究，提出以下建議：數(shù)據(jù)采集是激光成像中的重點(diǎn)內(nèi)容，可引入GPS等技術(shù)更多地采集無人機(jī)運(yùn)行環(huán)境信息數(shù)據(jù)，以提升無人機(jī)遠(yuǎn)程激光裝置高質(zhì)量成像精度；數(shù)據(jù)處理和匹配是得到高質(zhì)量成像結(jié)果的重中之重，可結(jié)合性能較為優(yōu)越的數(shù)據(jù)處理方法和匹配算法，進(jìn)一步完善成像技術(shù).