摘 要： 提出了一種在無人機(jī)進(jìn)場著陸段中根據(jù)機(jī)器視覺所得的數(shù)字圖像獲取無人機(jī)滾轉(zhuǎn)角的方法,。首先對攝像機(jī)所獲得圖像進(jìn)行一系列預(yù)處理（中值濾波,、邊緣檢測等），然后利用Hough變換獲取圖像中的直線,，并根據(jù)其他的約束條件從這些直線中獲得地平線,最后通過最小二乘法獲得無人機(jī)滾轉(zhuǎn)角,。
關(guān)鍵詞： 滾轉(zhuǎn)角； 邊緣檢測,； Hough變換； 最小二乘法
在無人機(jī)進(jìn)場著陸段的機(jī)器視覺導(dǎo)航中,，當(dāng)獲得一幅圖像時,，需要對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后對圖像的內(nèi)容進(jìn)行分析,、理解并從中抽取對無人機(jī)著陸有用的信息,。通過對某型無人機(jī)實際著陸錄像分析，可以看出地平線在圖像中是一個很明顯的特征,。根據(jù)地平線在圖像中的位置,、角度可以解算出無人機(jī)的滾轉(zhuǎn)角，所以,，地平線檢測是用圖像處理的方法獲取無人機(jī)滾轉(zhuǎn)角的重要途徑,。
地平線的檢測方法很多，參考文獻(xiàn)[1]提出了一種基于模式識別的地平線檢測算法,，但其處理的圖像是彩色圖像,，對于灰度圖不適用。參考文獻(xiàn)[2]提出了一種基于圖像紋理的地平線檢測算法,。本文提出一種基于邊緣檢測和Hough變換的地平線檢測算法,，并在此算法的基礎(chǔ)上求解出無人機(jī)滾轉(zhuǎn)角。
數(shù)字圖像的濾波主要采用兩大類方法：一類方法是在空間域中處理,，即在圖像空間中對圖像進(jìn)行各種處理,；另一類方法是對空間圖像進(jìn)行變化(如經(jīng)過傅里葉變換)，使之在頻率域內(nèi)進(jìn)行各種處理,，然后再轉(zhuǎn)換到圖像的空間形成處理后的圖像[3],。第二種方法使用的計算機(jī)內(nèi)存和計算時間的開銷很大，不適于實時系統(tǒng),，因此,，本文采用空間域中的中值濾波處理方法。
中值濾波是一種非線性信號處理方法,，它在一定的條件下,，可以克服線性濾波器如最小均方濾波,、平均值濾波等帶來的圖像細(xì)節(jié)模糊，而且對濾除脈沖干擾及圖像掃描噪聲最為有效[3],。本文采用3×3的模板窗口,，把二維窗口中的數(shù)據(jù)一維化，并采用冒泡法進(jìn)行排序,。之后計算M=median{x11,x12,x13,x21,x22,x23,x31,x32,x33,},并賦值給原來的灰度x22,如圖1所示,。
1 圖像的邊緣檢測
圖2所示為攝像機(jī)獲得的原始圖像?？梢钥闯龅仄骄€是地面與天空的分界線,，因此地平線一定是圖像中的一條邊緣線。在圖像處理中,，邊緣檢測[4,5]的方法很多,，為了消除噪聲信號對邊緣檢測的影響,選用高斯-拉普拉斯邊緣檢測算子Guass-Laplacian，獲得了較好的效果,。
本文使用高斯-拉普拉斯算子卷積核,，如圖3所示的5×5大小的模板。
圖2中的圖像經(jīng)過預(yù)處理,、邊緣算子卷積和二值化處理,，得到如圖4所示的二值圖。通過邊緣檢測可以看到圖像中的主要邊緣（地平線,、跑道邊緣）已經(jīng)提取出來,。
2 清除邊線
從圖4可以看到，圖像的4個邊上存在4條很明顯的直線,，這是邊緣檢測算子與圖像卷積產(chǎn)生的必然結(jié)果,。如果這些直線不清除，在Hough變換檢測直線時這些直線就一定會被檢測出來,，而這些直線會對下一步工作產(chǎn)生很大干擾,。因此，這些直線必須被清除,。清除方法很簡單,，可以將圖像的4個邊上的元素都置為255。
3 利用Hough變換提取直線
Hough變換是一種在圖像中檢測直線和曲線的有效方法,，直線方程可寫為：ρ=xcosθ+ysinθ,，其中?籽表示原點(diǎn)到直線的垂直距離，?茲表示該垂線與X軸的夾角,。這樣在X-Y坐標(biāo)系中的一條直線與ρ-θ坐標(biāo)系中的一個點(diǎn)(ρ,θ)一一對應(yīng),。而X-Y坐標(biāo)系中的一個點(diǎn)(x，y)和?籽-?茲坐標(biāo)系中的一條正弦曲線一一對應(yīng),。e-θ坐標(biāo)系中的多條正弦曲線的交點(diǎn)(?籽,?茲)在X-Y坐標(biāo)系中是一條直線,。下面建立一個計數(shù)數(shù)組：
longDist=(long)(sqrt(lWidth*lWidth+lHeight*lHeight));
long* m_Ipline;
m_Ipline=new long [Dist*180];
其中l(wèi)Width,、lHeight分別為圖像的寬度和高度。
將X-Y坐標(biāo)系中的點(diǎn)映射到ρ-θ坐標(biāo)系中,。從圖5可以看到圖像中不僅僅是地平線,，還包括跑道的邊緣線和地面上的一些邊緣線。因此,，如果僅從m_Ipline數(shù)組中找出最大的元素是不可能找出地平線的,。實驗證明,至少從數(shù)組中找出10個最大元素才能保證得到的直線完全包括地平線,如圖6所示。
4 獲取地平線
從圖6可以看到通過Hough變換得到的直線包括地平線和主,、副跑道的邊緣線等?，F(xiàn)在的問題是如何從這些眾多的直線中提取出地平線。在無人機(jī)進(jìn)場著陸段,，無人機(jī)的滾轉(zhuǎn)角Φ∈[-10°,10°],，因此可以將上述直線中ρ∈[80°,100°]標(biāo)識出來。從圖6可以看到,，除了地平線,，ρ∈[80°,100°]的直線還包括其他一些雜亂的點(diǎn)和線,。
為了清除這些雜亂的點(diǎn)和線,，根據(jù)圖像在內(nèi)存中的存儲特點(diǎn)，從圖6可以得到：像素數(shù)組每列中最后一行被標(biāo)識像素一定是地平線上的像素,。算法表示為：
for (i = 0; i < lWidth; i++)
{ for (j = lHeight; j > 0; j--)
{ if(*(lpDIB Bits+j*lLineBytes+3*i)==111)
{ m_temp [j*lLineBytes+i*3]=0;
break;}}}
處理后得到的圖如圖7所示,。
對圖7再次使用Hough變換，這樣可以完整地檢測出地平線,，如圖8所示,。
5 用最小二乘法獲得地平線參數(shù)
一般來說，認(rèn)為地平線H與圖像坐標(biāo)系中X軸之間的夾角Φ和無人機(jī)的滾轉(zhuǎn)角Φ是相等的,如圖9所示,，具體的證明過程請參照參考文獻(xiàn)[2],。利用Hough變換可以直接讀出無人機(jī)的滾轉(zhuǎn)角,分別為3°、1°和-4°,。但是由于在編寫程序時為了運(yùn)算的快速性,使用的是長整型,，因此，所得到的滾轉(zhuǎn)角誤差較大,。所以,，可以使用最小二乘法[6,7]來擬合地平線方程,擬合后算得無人機(jī)的滾轉(zhuǎn)角分別為2.645 8°、0.892 4°和-3.254 1°,。
地平線檢測算法是本文的關(guān)鍵所在,。本文先后兩次運(yùn)用了改進(jìn)Hough變換提取直線，實驗證明在不過于復(fù)雜的著陸場環(huán)境下,，該算法可以有效地檢測出地平線,，同時利用最小二乘法可以得到滿足無人機(jī)著陸要求的飛機(jī)滾轉(zhuǎn)角,。
參考文獻(xiàn)
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