[发明专利]一种无人机的三维环境建模方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及无人机领域，尤其涉及一种无人机的三维环境建模方法及系统。

背景技术

机器人如何在位置环境的未知位置中实现即时定位和地图构建(Simultaneous LocalizationAnd Mapping，SLAM)是实现机器人自主导航、路径规划、目标识别及跟踪等任务的前提。利用不同传感器所重建出来的三维模型已经被应用到机器导航、增强实现、医学图像处理等多个领域。然而，如何利用单镜头在无人机上进行实时的三维环境建模，进而实现其自主控制是当前研究的一个难点。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种无人机的三维环境建模方法及系统，旨在解决现有技术中无法利用单镜头在无人机上进行实时的三维环境建模的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种无人机的三维环境建模方法，包括：

获取关键帧图像上的点特征、线特征，并划分纹理区域；

选取距离所述关键帧最近的一帧为目标关键帧，在所述目标关键帧中求匹配点和线，利用对极几何三角化得到3D的点和线，并结合纹理区域完成面特征的生成和更新；

在三维空间中将得到的多层次特征进行有效结合，其中，所述多层次特征包括点特征、线特征以及面特征；

利用对偶四元数对多层次特征进行统一描述。

优选的，所述选取距离所述关键帧最近的一帧为目标关键帧，在所述目标关键帧中求匹配点和线，利用对极几何三角化得到3D的点和线，并结合纹理区域完成面特征的生成和更新的步骤包括：

采用FAST-10进行角点检测，并以角点为中心形成8×8的源模板；

将提取的角点进行缩减，然后去除靠近地图中已有特征的角点；

通过对极几何得到在所述目标帧的图像上的对极线，在所述对极线附近搜索角点，将搜索到的多个角点与提取到的角点模板做距离测度计算对比，得到最小距离测度，其中，若所述最小距离测度小于设定的阈值，则将所述最小距离测度作为匹配点；

利用对极几何三角化计算所述匹配点的3D深度信息，并将所述匹配点融入已有地图中。

优选的，所述选取距离所述关键帧最近的一帧为目标关键帧，在所述目标关键帧中求匹配点和线，利用对极几何三角化得到3D的点和线，并结合纹理区域完成面特征的生成和更新的步骤包括：

利用Canny算子提取所述关键帧的图像边缘，根据图像边缘的梯度变化角度信息进行融合生长，并去除短的边缘和弯曲的边缘，同时将剩下的边缘作为图像线元；

将地图中所有特征投影到当前所述关键帧的图像上，并将靠近投影特征的线元去除，以得到候选线元；

获取所述候选线元的中心点在所述目标关键帧的图像上的对极线，以该对极线为中心形成匹配搜索区域，并获取所述匹配搜索区域中的边缘点，去除远离对极线的点、去除与源直线线极性不符的点、去除梯度变化方向与对极线垂直的点、去除短的边缘点以及弯曲的边缘点，形成匹配候选线；

根据匹配候选线三角化得到所述源直线所有可能的3D深度，并通过第三帧关键帧验证，并将只有验证成功的3D线融入到已有地图中。

优选的，所述选取距离所述关键帧最近的一帧为目标关键帧，在所述目标关键帧中求匹配点和线，利用对极几何三角化得到3D的点和线，并结合纹理区域完成面特征的生成和更新的步骤包括：

首先利用图形纹理，将纹理相同的地方分割成一块，并将太小的块去除，形成平面的候选区域；

判断3D的点特征、线特征是否在已有面特征上，若在面特征上，则实现平面的增长，并完成平面初始点和基础向量的更新；

若不在面特征上，则利用已经生成的3D线判断是否存在交线或者平行线，若存在交线则直接生成新的平面，若存在平行线则判断这些平行线是否属于同一个候选区域，若属于同一个候选区域则生成一个新的平面。

优选的，所述利用对偶四元数对多层次特征进行统一描述的步骤包括：

利用对偶四元数对点特征进行描述；

利用对偶四元数对线特征进行描述；

利用对偶四元数对面特征进行描述。

另一方面，本发明还提供一种无人机的三维环境建模系统，所述三维环境建模系统包括：

特征提取模块，用于获取关键帧图像上的点特征、线特征，并划分纹理区域；

地图拓展模块，用于选取距离所述关键帧最近的一帧为目标关键帧，在所述目标关键帧中求匹配点和线，利用对极几何三角化得到3D的点和线，并结合纹理区域完成面特征的生成和更新；