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PIE-UAV
無人機低空信息處理平臺PIE-UAV

1. 產品簡介

 PIE-UAV是航天宏圖專門針對無人機低空遙感自主研發的,集無人機影像處理和無人機視頻處理為一體的綜合平臺系統。它提供從數據輸入到產品生成的一體化解決方案,具備對飛行時獲取的影像和視頻進行快速處理的功能。它采用并行處理機制,大幅提高了軟件運行效率,能很好地適應無人機海量數據的處理要求;采用插件架構,具有高度的靈活性和可擴展性。PIE-UAV可廣泛用于災害應急救援、國土資源調查、水資源及環境監測、森林防火、戰場評估、數字城市建設等領域。



2. 無人機影像處理模塊
2.1. 模塊概述
 無人機影像處理模塊可對任何無人飛行器、任何傳感器設備獲取的航拍影像進行拼接處理,具備數字正射影像圖(DOM)、數字高程模型(DEM)、三維景觀的生產能力;在無特征/弱特征區域(如沙漠、綠色植被、水域等)及復雜區域(如海岸線、地形變化劇烈區域等)仍能得到較好的拼接結果。在戰備狀態下,可為指揮中心的決策提供及時的基礎影像數據。
2.2. 主要功能
 (1)影像預處理
    原始影像金字塔分層;
    影像霧霾/噪聲去除;
    影像畸變差改正

    影像幾何校正。


影像去噪前



影像去噪后
 (2)影像全自動拼接
    影像特征點提取
    影像自動連接點匹配;
    方位元素及地面三維點坐標解算;
    DEM自動提取
    影像正射校正;

    影像鑲嵌勻色。


 (3)影像后處理
    圖幅修整;
    影像裁剪分幅;

    KML/KMZ格式導出。



像修正前(圖幅邊緣參差不齊,圖像中存在無效值)




影像修正后



 (4)三維地形景觀快速構建

    基于DEM、DOM生成真實場景三維景觀,可進行三維仿真操作及態勢分析。



三維地形景觀
2.3. 功能特色
 支持有POS數據和無POS數據的無人機影像拼接處理
    一鍵式自動影像拼接,操作流程簡單
    采用插件架構,便于資源配置
    采用CPU/GPU協同并行處理結構,實現數據的高效處理
    支持二次開發

2.4. 關鍵技術
 (1)基于SIFT算法的自動連接點匹配技術

    基于SIFT自動匹配算子研制的影像特征點快速、高精度自動配準技術,能夠全自動提取密集的特征控制點群,自動進行粗差監測,按嚴格的最小二乘法平差進行圖像配準,很好的解決了無人機影像排列不規則、影像變形大的問題。


SIFT特征點自動提取




SIFT自動連接點匹配


 (2)基于多極線幾何約束的自動空三快速解算技術
    基于運動與結構重構(SFM)技術,在無地面控制的條件下,通過多視圖幾何約束實現粗差檢測與剔除,結合稀疏光束法平差算法,完成相機外方位元素與地面三維點坐標的快速解算。

十組相機SFM重構結果



二十組相機SFM重構結果



三十組相機SFM重構結果


 (3)基于多層金字塔分解與多重圖像融合的自動鑲嵌與勻色技術

    基于多層金字塔分解與多重圖像融合技術,首先根據圖像特征的空間變化頻率,將影像進行有效疊加,然后根據曝光度、飽和度、局部對比度、局部熵等因子進行加權,實現疊加影像的有效融合,完成影像無縫自動鑲嵌勻色。


        

                        一般拼接結果                                                                自動鑲嵌與勻色技術結果

         
 (4)CPU并行處理技術
    鑒于無人機數據的海量特性,結合當前計算機硬件的高性能特點,軟件基于OpenMP技術,在算法層面采用CPU并行處理技術,同時,考慮到硬盤I/O的瓶頸,采取“先處理后寫入”的方式提高軟件整體運行效率。
2.5. 技術指標
 (1)處理圖像格式及類型
    圖像格式:JPEG
    圖像類型:8位灰度、24位彩色。
 (2)可處理傳感器類型
    小幅面傳感器:EOS 5D Mark II、EOS 400D、LEICA X1等;
    中幅面傳感器:H4D 60、P65+等;
    大幅面傳感器:SWDC等。

 (3)處理效率



備注:為解決普通硬盤I/O瓶頸,建議數據存儲設備采用固態硬盤或PCIE存儲卡,以提高效率。

2.6. 典型案例

 2.6.1. 小幅面傳感器



小幅面影像拼接
(傳感器:LEICA X1 圖片大小:4272*2856 數據量:275張
總耗時:2.5h 平均: <30S/張)

 2.6.2. 中幅面傳感器


中幅面影像拼接
(傳感器:H4D 60 圖片大小:8956*6708 數據量:27張

總耗時:0.4h 平均: <50S/張)



中幅面影像拼接
(傳感器:P65+ 圖片大小:8984*6732 數據量:244張

總耗時:4.8h 平均: <70S/張)


 2.6.3. 大幅面傳感器


大幅面影像拼接
(傳感器:SWDC 圖片大小:10500*15000 數據量:33張

總耗時:0.52h 平均: <60S/張)


3. 無人機視頻處理模塊
3.1. 模塊概述
 無人機視頻處理模塊將多媒體視頻處理技術應用到無人機低空平臺中,為無人機平臺裝上靈活的“眼睛”,可實現“看的穩、看的清、看的準”的目的,使無人機監控、偵察更準確、有效、便捷。無人機視頻處理模塊可廣泛用于邊防巡檢、道路/電力沿線巡查、目標搜索、森林防火、森林病蟲害監測、目標跟蹤、打擊效果評估等多個領域。
3.2. 主要功能
 1) 實時視頻接收、存儲
    終端機器通過網絡接收到實時視頻數據包后,通過解析模塊處理成單幀圖像,與遙測數據綁定后同步送往視頻顯示模塊和壓縮存儲模塊。
 2) 實時遙測數據接收與同步
    遙測數據通過接收設備接入到程序中,通過遙測解析模塊解析有效的遙測數據之后傳輸給視頻處理模塊進行和圖像的同步。
 3) 視頻回放
    接收的視頻數據和AVI,MPEG2等通用格式的視頻都可以通過視頻回放功能進行播放。
 4) 視頻增穩
    對實時接收的抖動視頻進行穩像處理,使得視頻觀察人員更容易進行目標的判讀分析。
 5) 視頻定位

    視頻播放時可進行地理定位,并同時在地圖上疊加顯示。



視頻定位
 6) 視頻拼接

    視頻播放時可進行自動拼接,并生成拼接后的TIFF圖像文件。


視頻拼接
 7) 運動目標跟蹤

    對視頻幀上的運動目標進行跟蹤與定位。



運動目標跟蹤
 8) 實時顯示無人機航跡信息。

3.3. 功能特色
實時獲取無人機航拍視頻流,進行原始視頻的播放控制;
    實時獲取無人機航拍視頻流,進行原始視頻的播放控制;
    對無人機視頻進行一些基本的處理,如防抖等,使視頻質量更高;
    對視頻流進行定位,同時在二維或三維地理環境中進行拼接、鑲嵌,實時顯示飛行過程中相機的視角內情況,精準體現位置信息;
    對視頻信息中的特定動目標進行跟蹤,定位;

    對原始視頻及處理后的產品結果進行有效存儲管理。


3.4. 技術指標
可實時接收、存儲、處理探查的視頻信息;
    支持的拼接視頻類型包括但不限于:AVI、MPEG2;
    能處理的視頻單幀最大分辨率不小于1920*1080;
    視頻平均拼接速率:≥6幀/秒;
    實時視頻拼接延遲:≤10s;
    視頻圖像解碼平均速率:≥15幀/秒。
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