CN111846267A - 一种倾斜摄影三维建模的拍摄方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种倾斜摄影三维建模的拍摄方法及其装置，它是采用对目标区进行弓字形航线飞行，在飞行过程中，云台控制器控制俯仰轴电机、横滚轴电机和方向轴电机将相机镜头指向设定角度，触发相机快门拍摄，同时记录拍摄时的空间位置坐标信息，拍摄角度为：前方45度、正下方90度、后方45度、左侧45度、右侧45度，依次循环拍摄；飞行器对目标区进行一次弓字形航线飞行，即可采集五个角度的拍照数据采集，采用单镜头相机安装在有俯仰轴、横滚轴和方向轴可三维旋转的三轴云台上，其体积小、重量轻、造价低，安装在小型无人机上，对目标区进行一次弓字形航线飞行，即可完成三维建模的数据采集。
Description
技术领域
本发明涉及倾斜摄影技术领域，特别是一种倾斜摄影三维建模的拍摄方法及其装置。
背景技术
倾斜摄影技术是国际摄影测量领域近十几年发展起来的一项高新技术，该技术通过从一个垂直、四个倾斜、五个不同的视角同步采集影像，获取到丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理。它不仅能够真实地反映地物情况，高精度地获取物纹理信息，还可通过先进的定位、融合、建模等技术，生成真实的三维城市模型。
目前，运用无人机进行三维地理信息重建时，需要相机以五个不同角度各拍一张相片。这五个角度分别是前45度、后45度、左45度、右45度和垂直向下。传统拍摄方法有以下两种：
在飞行器上同时安装五台相机，分别调整为以上五个角度，无人机飞到拍照点时，五台相机同时曝光得到五张航片。此技术的缺点是五台相机一起安装所占体积和重量都比较大，小型无人机无法安装使用。如在大型固定翼无人机或多旋翼无人机上安装，会因大载重，严重影响无人机的续航时间。
在飞行器上安装一台相机,角度调整至以上五个角度之一，飞完一个架次后，人工将相机调整至另一个角度安装，沿着上一个架次的航线再飞一遍，同一条航线飞行五个架次后即可完成数据采集。此技术的缺点是同一条航线要飞五次才能采集完各角度的相片，效率低下。
发明内容
为解决上述背景技术中的问题，本发明提供一种倾斜摄影三维建模的拍摄方法及其装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种倾斜摄影三维建模的拍摄方法，将单镜头相机安装在设有俯仰轴、横滚轴和方向轴可三维旋转的三轴云台上，搭载三轴云台的飞行器对目标区沿弓字形航线飞行过程中，通过云台控制器分别控制俯仰轴电机、横滚轴电机和方向轴电机将相机镜头指向设定角度后，触发相机快门拍摄，同时记录拍摄时的空间位置坐标信息；相机拍摄方向角度为：前方45度、正下方90度、后方45度、左侧45度、右侧45度五个不同视角的拍摄；飞行器在对目标区进行弓字形航线飞行过程中，连续进行五个视角的拍摄。
进一步，所述五个不同视角的拍摄顺序可以为不同排序，设定拍摄角度排序后，飞行器在对目标区进行弓字形航线飞行过程中，就依此设定拍摄角度排序循环拍摄。
进一步，所述云台控制器根据设置的两次拍摄之间的间隔时长、每个拍摄方向角度的俯仰轴电机、横滚轴电机和方向轴电机的位置参数，分别向俯仰轴电机、横滚轴电机和方向轴电机发出设定的1000～2000us的PWM信号，采用脉冲宽度调制控制方式控制俯仰轴电机、横滚轴电机和方向轴电机做出相应的动作，使相机镜头指向设定角度，然后发出开关信号触发相机快门拍摄，同时记录拍摄时相机的空间位置坐标信息。
进一步，在所述循环拍摄过程中，采用时间控制方式控制相机快门，两次拍摄之间的间隔时长可根据拍摄重叠度确定，间隔时长的计算公式如下：
间隔时长：T=L/5V
其中L为飞行航线摄影基线长度：L=Bx*Px
式中：T为间隔时长(单位s)；L为飞行航线摄影基线长度（单位m）；V为飞行平均速度（单位m/s）；Bx 为航线基线长度（单位m）；Px为拍摄重叠度（单位％）。
进一步，所述云台控制器内设有STM32FL03C8T6单片机为主控芯片，云台控制器设有一个输入端和四个输出端，所述输入端与飞行器的飞行控制器的拍摄使能端口连接，用于接收拍摄启停信号，当云台控制器接收到拍摄启停信号后，启动或停止俯仰轴电机、横滚轴电机、方向轴电机的机械动作和相机的拍摄动作；
所述云台控制器的第一个输出端连接俯仰轴电机，用于控制俯仰轴旋转到指定角度；第二个输出端连接横滚轴电机，用于控制横滚轴旋转到指定角度；第三个输出端连接方向轴电机，用于控制方向轴旋转到指定角度；第四个输出端连接相机快门触发器和POS数据记录单元，用于触发相机拍摄，同时记录拍摄时相机的空间位置坐标信息。
本发明还提供了一种倾斜摄影三维建模的拍摄装置，包括飞行控制器、云台控制器、俯仰轴电机、横滚轴电机、方向轴电机、相机触发器、POS数据记录单元和单镜头的相机；
所述飞行控制器与云台控制器连接，所述云台控制器分别连接俯仰轴电机、横滚轴电机、方向轴电机、相机触发器、POS数据记录单元，所述相机触发器连接相机；
所述飞行控制器用于控制飞行器到达拍摄位置并沿设定航线飞行；
所述云台控制器用于控制俯仰轴电机、横滚轴电机和方向轴电机将相机镜头指向设定角度；并向相机触发器发出开关信号触发相机拍摄，同时发出开关信号至POS数据记录单元记录拍摄时相机的空间位置坐标信息；
所述相机触发器用于触发相机拍摄。
进一步的，所述云台控制器内设有STM32FL03C8T6单片机作为主控芯片，云台控制器设有一个输入端和四个输出端，其输入端与飞行器的飞行控制器的拍摄使能端口连接，用于接收拍摄启停信号，当云台控制器接收到拍摄启停信号后，启动或停止俯仰轴电机、横滚轴电机、方向轴电机的机械动作和相机拍摄动作；
所述云台控制器的第一个输出端连接俯仰轴电机，用于控制俯仰轴旋转到指定角度；第二个输出端连接横滚轴电机，用于控制横滚轴旋转到指定角度；第三个输出端连接方向轴电机，用于控制方向轴旋转到指定角度；第四个输出端连接相机触发器和POS数据记录单元，用于触发相机拍摄，同时记录拍摄时相机的空间位置坐标信息。
进一步，所述POS数据记录单元用于记录拍摄时相机的空间位置坐标信息包括位置信息和姿态信息，位置信息包括：经度、纬度、海拔高度、气压高度，姿态信息包括：俯仰角、横滚角、航向角。
实施过程：飞行控制器控制飞行器到达拍摄位置，对目标区进行弓字形航线飞行，在飞行过程中，云台控制器控制俯仰轴电机、横滚轴电机和方向轴电机将相机镜头指向设定角度，触发相机快门拍摄，同时记录拍摄时的空间位置坐标信息，相机拍摄方向角为：前方45度、正下方90度、后方45度、左侧45度、右侧45度五个不同视角，飞行器在对目标区进行弓字形航线飞行过程中，依此拍摄顺序不断循环，飞行器对目标区进行一次弓字形航线飞行，即可实现一系列的五个角度的拍摄，完成对目标区的三维建模的数据采集。
五个不同视角的拍摄顺序可任意排序，设定了拍摄角度排序后，飞行器在对目标区进行弓字形航线飞行整个过程中，就依此设定拍摄角度排序连续循环拍摄。
其中，所述云台控制器根据设置的两次拍摄之间的间隔间长、每个拍摄方向角度的俯仰轴电机、横滚轴电机和方向轴电机的位置参数，分别向俯仰轴电机、横滚轴电机和方向轴电机发出设定的1000～2000us的PWM信号，采用脉冲宽度调制控制方式控制俯仰轴电机、横滚轴电机和方向轴电机做出相应的动作，在到达指定位置时使相机镜头指向设定角度，然后发出开关信号触发相机快门拍摄，同时发出开关信号记录拍摄时相机的空间位置坐标信息。
其中，在所述循环拍摄过程中，采用时间控制方式控制相机快门，两次拍摄之间的间隔时长可根据拍摄重叠度确定，间隔时长的计算公式如下：
间隔时长：T=L/5V
其中L为飞行航线摄影基线长度：L=Bx*Px
式中：T为间隔时长(单位s)；L为飞行航线摄影基线长度（单位m）；V为飞行平均速度（单位m/s）；Bx 为航线基线长度（单位m）；Px为拍摄重叠度（单位％）。
所述云台控制器内设有STM32FL03C8T6单片机作为主控芯片，云台控制器设有一个输入端和四个输出端，其输入端与飞行器的飞行控制器的拍摄使能端口连接，用于接收拍摄启停信号，当云台控制器接收到拍摄启停信号后，启动或停止俯仰轴电机、横滚轴电机、方向轴电机的机械动作和相机拍摄动作；
所述云台控制器的第一个输出端连接俯仰轴电机，用于控制俯仰轴旋转到指定角度；第二个输出端连接横滚轴电机，用于控制横滚轴旋转到指定角度；第三个输出端连接方向轴电机，用于控制方向轴旋转到指定角度；第四个输出端连接相机触发器和POS数据记录单元，用于触发相机拍摄，同时记录拍摄时相机的空间位置坐标信息。
飞行器对目标区进行一次弓字形航线飞行，即可实现一系列的五个角度的拍摄，完成对目标区的三维建模的数据采集。
所述POS数据记录单元记录拍摄时相机的空间位置坐标信息包括位置信息和姿态信息，位置信息包括：经度、纬度、海拔高度、气压高度，姿态信息包括：俯仰角、横滚角、航向角。
本发明的有益效果是：采用对目标区进行弓字形航线飞行，在飞行过程中，云台控制器控制俯仰轴电机、横滚轴电机和方向轴电机将相机镜头指向设定角度，触发相机快门拍摄，同时记录拍摄时的空间位置坐标信息，拍摄角度为：前方45度、正下方90度、后方45度、左侧45度、右侧45度，飞行器对目标区进行一次弓字形航线飞行过程中连续进行五个视角的拍摄，即可采集五个角度的拍照数据采集，完成对目标区的三维建模的倾斜摄影的数据采集。
云台控制器根据设置的两次拍摄之间的间隔时长、每个拍摄方向角度的俯仰轴电机、横滚轴电机和方向轴电机的位置参数，分别向俯仰轴电机、横滚轴电机和方向轴电机发出设定的1000～2000us的PWM信号，采用脉冲宽度调制的控制方式控制俯仰轴电机、横滚轴电机和方向轴电机做出相应的动作，在到达指定位置时使相机镜头指向设定角度，采用时间控制的方式控制相机快门，发出开关信号触发相机快门拍摄，同时发出开关信号记录拍摄时相机的空间位置坐标信息；可实现相机拍摄和空间位置坐标信息的同步。
本发明采用单镜头相机安装在有俯仰轴、横滚轴和方向轴可三维旋转的三轴云台上，其体积小、重量轻、造价低，安装在小型无人机上，对目标区进行一次弓字形航线飞行，即可完成五个角度的三维建模的图像数据采集，大大提高了倾斜摄影的拍摄效率、降低了拍摄成本。
附图说明
图1是本发明的拍摄方法的流程示意图；
图2是本发明的装置的结构示意图。
图中零部件及编号：
1-飞行控制器；2-云台控制器；3-俯仰轴电机；4-横滚轴电机；5-方向轴电机；6-相机触发器；7-POS数据记录单元；8-相机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，一种倾斜摄影三维建模的拍摄方法，将单镜头相机安装在设有俯仰轴、横滚轴和方向轴可三维旋转的三轴云台上，搭载三轴云台的飞行器对目标区沿弓字形航线飞行过程中，通过云台控制器分别控制俯仰轴电机、横滚轴电机和方向轴电机将相机镜头指向设定角度后，触发相机快门拍摄，同时记录拍摄时的空间位置坐标信息；相机拍摄方向角度为：前方45度、正下方90度、后方45度、左侧45度、右侧45度五个不同视角的拍摄；飞行器在对目标区进行弓字形航线飞行过程中，连续进行五个视角的拍摄。
如图2所示，一种倾斜摄影三维建模的拍摄装置，包括飞行控制器1、云台控制器2、俯仰轴电机3、横滚轴电机4、方向轴电机5、相机触发器6、POS数据记录单元7和单镜头的相机8；
飞行控制器1与云台控制器2连接，所述云台控制器2分别连接俯仰轴电机3、横滚轴电机4、方向轴电机5、相机触发器6、POS数据记录单元7，相机触发器6连接相机8；
飞行控制器1用于控制飞行器到达拍摄位置并沿设定航线飞行；
云台控制器2用于控制俯仰轴电机3、横滚轴电机4和方向轴电机5将相机8镜头指向设定角度；并向相机触发器6发出开关信号触发相机8拍摄，同时发出开关信号至POS数据记录单元7记录拍摄时相机8的空间位置坐标信息；
相机触发器6用于触发相机8拍摄。
本发明具体实施过程：
首先按照《低空数字航空摄影规范》（CHZ3005-2010）设定飞行航高和航线间隔距离，规划出符合标准的拍摄弓字型航线，再根据航向相片重叠度所需距离计算出两次拍摄之间的间隔时长：
间隔时长：T=L/5V
其中L为飞行航线摄影基线长度：L=Bx*Px
式中：T为间隔时长(单位s)；L为飞行航线摄影基线长度（单位m）；V为飞行平均速度（单位m/s）；Bx 为航线基线长度（单位m）；Px为拍摄重叠度（单位％）。
再把两次拍摄之间的间隔时长数值输入云台控制器2，云台控制器2将按此间隔时长控制相机8的角度和拍摄。
飞行控制器1控制搭载三轴云台的飞行器到达拍摄位置，对目标区进行弓字形航线飞行，在飞行过程中，云台控制器2控制俯仰轴电机3、横滚轴电机4和方向轴电机5将相机8镜头指向设定角度，触发相机8快门拍摄，同时记录拍摄时的空间位置坐标信息，拍摄顺序为：前方45度、正下方90度、后方45度、左侧45度、右侧45度，飞行控制器1在对目标区进行弓字形航线飞行过程中，依此拍摄顺序不断循环。
其中，云台控制器2根据设置的两次拍摄之间的间隔时长、每个拍摄方向角度的俯仰轴电机3、横滚轴电机4和方向轴电机5的位置参数，分别向俯仰轴电机3、横滚轴电机4和方向轴电机5发出设定的1000～2000us的PWM信号，采用脉冲宽度调制控制方式控制俯仰轴电机3、横滚轴电机4和方向轴电机5做出相应的动作，在到达指定位置时使相机8镜头指向设定角度，采用时间控制的方式控制相机8快门，发出开关信号触发相机8快门拍摄，同时发出开关信号至POS数据记录单元7，记录拍摄时相机8的空间位置坐标信息。
如图1所示，倾斜摄影过程具体如下：按设定的拍摄顺序，云台控制器2先控制俯仰轴电机3、横滚轴电机4和方向轴电机5，将相机8镜头指向设定角度，然后触发相机8快门，同时给POS数据记录单元7发出记录信号，让POS数据记录单元7记录拍摄时相机8的空间位置坐标信息；之后转到下一个拍摄角度重复以上步骤。
本实施例设定相机8拍摄方向角度控制步骤为：前方45度、正下方90度、后方45度、左侧45度、右侧45度五个不同视角进行拍摄，飞行器在对目标区进行弓字形航线飞行过程中，依此顺序不断循环拍摄。
五个不同视角的拍摄顺序可任意排序，设定了拍摄角度排序后，飞行器在对目标区进行弓字形航线飞行整个过程中，就依此设定拍摄角度排序连续循环拍摄。
其中，云台控制器2内设有STM32FL03C8T6单片机作为主控芯片，云台控制器2设有一个输入端和四个输出端，其输入端与飞行器的飞行控制器1的拍摄使能端口连接，用于接收拍摄启停信号，当云台控制器2接收到拍摄启停信号后，启动或停止俯仰轴电机3、横滚轴电机4、方向轴电机5的机械动作和相机8拍摄动作。
云台控制器2的第一个输出端连接俯仰轴电机3，用于控制俯仰轴旋转到指定角度；第二个输出端连接横滚轴电机4，用于控制横滚轴旋转到指定角度；第三个输出端连接方向轴电机5，用于控制方向轴旋转到指定角度；第四个输出端连接相机触发器6和POS数据记录单元7，用于触发相机8拍摄，POS数据记录单元7同时记录拍摄时相机8的空间位置坐标信息。
POS数据记录单元7记录拍摄时相机8的空间位置坐标信息包括位置信息和姿态信息，位置信息包括：经度、纬度、海拔高度、气压高度，姿态信息包括：俯仰角、横滚角、航向角。
飞行控制器1控制飞行平台对目标区进行一次弓字形航线飞行，即可实现系列的五个角度的拍摄，完成对目标区的三维建模的倾斜摄影数据的采集。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种倾斜摄影三维建模的拍摄方法，其特征在于，将单镜头相机安装在设有俯仰轴、横滚轴和方向轴可三维旋转的三轴云台上，搭载三轴云台的飞行器对目标区沿弓字形航线飞行过程中，通过云台控制器分别控制俯仰轴电机、横滚轴电机和方向轴电机将相机镜头指向设定角度后，触发相机快门拍摄，同时记录拍摄时的空间位置坐标信息；相机拍摄方向角度为：前方45度、正下方90度、后方45度、左侧45度、右侧45度五个不同视角的拍摄；飞行器在对目标区进行弓字形航线飞行过程中，连续进行五个视角的拍摄。
2.根据权利要求1所述的一种倾斜摄影三维建模的拍摄方法，其特征在于，所述五个不同视角的拍摄顺序可以为不同排序，设定拍摄角度排序后，飞行器在对目标区进行弓字形航线飞行过程中，就依此设定拍摄角度的排序循环拍摄。
3.根据权利要求1所述的一种倾斜摄影三维建模的拍摄方法，其特征在于，所述云台控制器根据设置的两次拍摄之间的间隔时长、每个拍摄方向角度的俯仰轴电机、横滚轴电机和方向轴电机的位置参数，分别向俯仰轴电机、横滚轴电机和方向轴电机发出设定的1000～2000us的PWM信号，采用脉冲宽度调制控制方式控制俯仰轴电机、横滚轴电机和方向轴电机做出相应的动作，使相机镜头指向设定角度，然后发出开关信号触发相机快门拍摄，同时记录拍摄时相机的空间位置坐标信息。
4.根据权利要求1所述的一种倾斜摄影三维建模的拍摄方法，其特征在于，在所述拍摄过程中，采用时间控制方式控制相机快门，两次拍摄之间的间隔时长可根据拍摄重叠度确定，间隔时长的计算公式如下：
间隔时长：T=L/5V
其中L为飞行航线摄影基线长度：L=Bx*Px
式中：T为间隔时长(单位s)；L为飞行航线摄影基线长度（单位m）；V为飞行平均速度（单位m/s）；Bx 为航线基线长度（单位m）；Px为拍摄重叠度（单位％）。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的一种倾斜摄影三维建模的拍摄方法，其特征在于，所述云台控制器内设有STM32FL03C8T6单片机为主控芯片，云台控制器设有一个输入端和四个输出端，所述输入端与飞行器的飞行控制器的拍摄使能端口连接，用于接收拍摄启停信号，当云台控制器接收到拍摄启停信号后，启动或停止俯仰轴电机、横滚轴电机、方向轴电机的机械动作和相机的拍摄动作；
所述云台控制器的第一个输出端连接俯仰轴电机，用于控制俯仰轴旋转到指定角度；第二个输出端连接横滚轴电机，用于控制横滚轴旋转到指定角度；第三个输出端连接方向轴电机，用于控制方向轴旋转到指定角度；第四个输出端连接相机快门触发器和POS数据记录单元，用于触发相机拍摄，同时记录拍摄时相机的空间位置坐标信息。
6.一种倾斜摄影三维建模的拍摄装置，其特征在于，包括，飞行控制器（1）、云台控制器（2）、俯仰轴电机（3）、横滚轴电机（4）、方向轴电机（5）、相机触发器（6）、POS数据记录单元（7）和单镜头的相机（8）；
所述飞行控制器（1）与云台控制器（2）连接，所述云台控制器（2）分别连接俯仰轴电机（3）、横滚轴电机（4）、方向轴电机（5）、相机触发器（6）、POS数据记录单元（7），所述相机触发器（6）连接相机（8）；
所述飞行控制器（1）用于控制飞行器到达拍摄位置并沿设定航线飞行；
所述云台控制器（2）用于控制俯仰轴电机（3）、横滚轴电机（4）和方向轴电机（5）将相机（8）镜头指向设定角度；并向相机触发器（6）发出开关信号触发相机（8）拍摄，同时发出开关信号至POS数据记录单元（7）记录拍摄时相机（8）的空间位置坐标信息；
所述相机触发器（6）用于触发相机（8）拍摄。
7.根据权利要求6所述的一种倾斜摄影三维建模的拍摄装置，其特征在于，所述云台控制器（2）内设有STM32FL03C8T6单片机作为主控芯片，云台控制器（2）设有一个输入端和四个输出端，其输入端与飞行器的飞行控制器（1）的拍摄使能端口连接，用于接收拍摄启停信号，当云台控制器（2）接收到拍摄启停信号后，启动或停止俯仰轴电机（3）、横滚轴电机（4）、方向轴电机（5）的机械动作和相机（8）拍摄动作；
所述云台控制器（2）的第一个输出端连接俯仰轴电机（3），用于控制俯仰轴旋转到指定角度；第二个输出端连接横滚轴电机（4），用于控制横滚轴旋转到指定角度；第三个输出端连接方向轴电机（5），用于控制方向轴旋转到指定角度；第四个输出端连接相机触发器（6）和POS数据记录单元（7），用于触发相机（8）拍摄，同时记录拍摄时相机（8）的空间位置坐标信息。
8.根据权利要求6所述的一种倾斜摄影三维建模的拍摄装置，其特征在于，所述POS数据记录单元（7）用于记录拍摄时相机的空间位置坐标信息包括位置信息和姿态信息，位置信息包括：经度、纬度、海拔高度、气压高度，姿态信息包括：俯仰角、横滚角、航向角。
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