天津市市政工程设计研究院 天津 300457
摘要：随着无人机技术的发展，交通流数据获取方式有了新的工具。传统视频检测方法由于相机架设角度限制，图像中距离测量存在一定的误差，影响视频检测在交通领域的进一步应用。本文根据多旋翼无人机悬停俯拍的特点，提出了此状态下的相机标定简化测距公式。根据实验结果及误差分析，得出结论：该公式在飞行高度处于70-100米的条件下有较高的精度。
关键词：无人机 视频 俯拍 标定简化
一、传统视频交通参数获取方法
流量与速度是交通调查最常获取的参数，传统的道路监控视频中，获取交通参数的方法按原理来说主要分为两种，分别是虚拟线圈法和车辆追踪法[35]。道路监控视频应用较多检测误差较小的方法是虚拟线圈法。
无论是虚拟线圈检测还是车辆追踪方法其误差都来源于两点，第一点是相机标定的误差，即在相机标定时内外参矩阵与真实的差距导致像素坐标与真实坐标对应的误差。第二点是单目成像标定方法原理问题，该误差为系统误差，在单目成像中每一个像素点对应的是空间中的一条线，而在标定过程中选取标定点选取为道路上的一点，这样就将问题简化为图像中第一个像素点都对唯一对应世界坐标中的一点，该点为空间一条线与路面的交点。然而现实中车辆往往具有一定高度，而且监控摄像与路面往往具有一定角度，且摄像头位置不高，此时这种误差有可能会对结果造成很大影响。
而在航拍中，误差情况与监控视频中的结论则有很大区别，在航拍中，飞行高度往往可达80米以上，同时可以做到光轴与路面垂直的俯拍，这样几乎避免了车辆间的遮挡的影响，也会很大程度的减少内外参矩阵求解带来的误差。
二、俯拍平面图像标定的简化算法
航拍采集交流参数往往采取水平俯拍的角度，当相机成像面与道路平面相平行时，相机的标定往往可以简化操作，利用图像坐标与世界坐标的比例一致性快速获取长度及速度等参数。
2.1可简化情况判断
2.3简化方法误差分析
为了验证水平视角下简化方法的准确程度，本文在道路环境不同高度下对相同标定物进行拍摄，具体操作为:将四旋翼无人飞行器从地面飞行到100M高空，出于拍摄稳定性考虑，每10米悬停一分钟进行拍摄，飞行高度根据机载GPS数据进行确定。拍摄的标定物为道路上已知长度为4米的人行横道线。
拍摄时采取16×9W1080P模式，参数如下a=1920，b=1080，且 118.2，GOPRO HERO3+采用的感光元件尺寸为1/2.5英寸，对应尺寸为5.38mm×4.39mm，当采取16：9模式拍摄时，感光区域尺寸为 =5.38mm、 =3.02mm。
由于相机的高度是由无人机机载GPS获得，为了防止GPS在获取高度时产生较大误差，首先在拍摄过程中每个整10m的记录点悬停一分钟，避免连续升降过程中GPS产生的漂移。
实验结果整理如表2：
三、实验结果分析及结论
从简化公式的精度而言，在高度较低时，三组实验的计算结果差异较大，随着高度的增加，实验结果的差异变小且与真实长度的差异变小。误差来源主要来自以下方面：GPS高度定位误差、光轴并非完全垂直道路平面误差（包括相机抖动产生的光轴方向改变及云台设定飞行状态时产生的误差）、简化公式本身的误差（镜头并非完全符合小孔成像原理）等。由于并没有研究表明GPS的误差会随着高度的降低而增大，所以在低高度情况下计算结果的较大差异主要来源于光轴并非完全垂直于路面而产生的误差，在相机抖动情况相似的情况下，由于低高度下相同长度所占图像中的比例较大，故在较低的高度下抖动对于简化公式的影响较大。以实验为例，测量4米的标线时，当高度在70米到100之间时，误差可以控制在0.3米以内，按误差百分比小于10%。故在应用此公式时，应在保证目标可辨的情况下，使飞行高度保持较高的高度，结合多旋翼无人机的性能及镜头视角，以100米左右为宜。
参考文献
[35] Lenz R, Fritsch D. Accuracy of videometry with CCD sensors[J]. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing. 1990, 45(2): 90-110.
[22] Zhang Z. Flexible Camera Calibration by Viewing a Plane from Unknown Orientations[J]. Computer Vision, IEEE International Conference on. 1999, 1: 666.
作者简介：杨雪峰（1989-），汉族，黑龙江省哈尔滨人，硕士。从事道路设计工作。
论文作者:杨雪峰
论文发表刊物:《基层建设》2016年36期
论文发表时间:2017/3/29
标签：误差论文; 高度论文; 无人机论文; 相机论文; 光轴论文; 方法论文; 公式论文; 《基层建设》2016年36期论文;