本研究指在探討如何利用光流的方法，量測微飛行器的速度跟航向。傳統上對於無人飛行器的飛行資訊量測，多倚賴慣性量測元件或其它感測器。然而，這些量測元件大部份都很重，且體積龐大，並不適合安裝在微型飛行器上。本研究則探討利用光流來來獲取這些資訊的可行性。本文首先介紹影像處理的基本流程，接著經由影像處理的結果與光流理論，來計算飛行資訊，並以實驗結果來驗證此方法的可行性。

This thesis investigates the acquisition of velocity and heading of micro aerial vehicles (MAVs) using optical-flow method. Conventionally, the measurement of flight information of an unmanned aerial vehicle(UAV), including velocity and attitude angles, requires an inertial measurement unit or some other sensors. However, those sensor are large in size and heavy in weight. They are not suitable to install on an MAV.In this thesis, we investigate the feasibility to apply optical flow to acquire these information. We first review the basics of image processing.Then, the results from image processing, collaborated with algorithms of optical flow method, are used to compute the velocity and heading angle. Experiments are also designed to demonstrate the feasibility of the method.

目錄
致謝i
中文摘要i
英文摘要iii
1 緒論1
1.1 研究動機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 文獻回顧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 研究方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2 影像計算3
2.1 RGB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 灰階. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.3 銳利化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.4 座標定義. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.5 極座標轉換. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3 光流11
3.1 距離變化和影像格點變化的關係. . . . . . . . . . . . 12
3.2 目標物速度計算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3 偏航角計算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4 實驗方法和設備22
4.1 實驗方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.2 實驗設備. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.2.1 數位攝影機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.2.2 慣性量測組件. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
5 實驗26
5.1 計算速度視訊影像. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
5.2 偏航角視訊影像. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
6 結論與未來展望49
圖目錄
1.1 光流獲取姿態實驗流程圖. . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.1 原始圖片. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 以灰階呈現的圖片. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.3 範例圖片. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.4 圖2.3 之灰階分佈直方圖. . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.5 銳利化後的圖片. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.6 圖2.5 的相對應灰階. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.7 常用座標系. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.8 影像的座標定義. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.9 3 乘3 陣列. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.10 轉完極座標後的位置. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.11 用一張只有對角線的圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.12 經過極座標轉換後，可以得到45◦ 和135◦ 的結果. . . 10
3.1 光流示意圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2 攝影機拍攝第一秒. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.3 攝影機拍攝第二秒. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.4 光流法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.5 攝影機和物體間位置. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.6 拍攝畫面上物體位置變化情形. . . . . . . . . . . . . . 13
3.7 攝影機和物體間位置. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.1 實驗平台. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.2 Sanyo VPC-HD1010 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.3 JVC GZ-MG840STW . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.4 慣性量測元件(IMU) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
5.1 台車上攝影機第一秒所攝得畫面. . . . . . . . . . . . 27
5.2 台車上攝影機第二秒所攝得畫面. . . . . . . . . . . . 27
5.3 速度計算流程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
5.4 實驗ㄧ光流和慣性導航儀(IMU) . . . . . . . . . . . . 29
5.5 實驗ㄧ光流和慣性導航儀(IMU) 比較誤差. . . . . . . 29
5.6 實驗二光流和慣性導航儀(IMU) . . . . . . . . . . . . 30
5.7 實驗二光流和慣性導航儀(IMU) 比較誤差. . . . . . . 30
5.8 實驗三光流和慣性導航儀(IMU) . . . . . . . . . . . . 31
5.9 實驗三光流和慣性導航儀(IMU) 比較誤差. . . . . . . 31
5.10 實驗四光流和慣性導航儀(IMU) . . . . . . . . . . . . 32
5.11 實驗四光流和慣性導航儀(IMU) 比較誤差. . . . . . . 32
5.12 實驗五光流和慣性導航儀(IMU) . . . . . . . . . . . . 33
5.13 實驗五光流和慣性導航儀(IMU) 比較誤差. . . . . . . 33
5.14 實驗六光流和慣性導航儀(IMU) . . . . . . . . . . . . 34
5.15 實驗六光流和慣性導航儀(IMU) 比較誤差. . . . . . . 34
5.16 實驗七光流和慣性導航儀(IMU) . . . . . . . . . . . . 35
5.17 實驗七光流和慣性導航儀(IMU) 比較誤差. . . . . . . 35
5.18 實驗八光流和慣性導航儀(IMU) . . . . . . . . . . . . 36
5.19 實驗八光流和慣性導航儀(IMU) 比較誤差. . . . . . . 36
5.20 實驗九光流和慣性導航儀(IMU) . . . . . . . . . . . . 37
5.21 實驗九光流和慣性導航儀(IMU) 比較誤差. . . . . . . 37
5.22 偏航角計算流程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.23 中間一條橫向的白線. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.24 對角線一條白線. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.25 橫線轉完極座標. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.26 對角線轉完極座標. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.27 交叉相關法計算結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.28 轉完灰階的影像. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.29 做完銳利化的影像. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.30 轉到極座標平面. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.31 交叉相關法結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.32 交叉相關法結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.33 累加結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.34 直角實驗一. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.35 直角實驗二. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.36 直角實驗三. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.37 直角實驗四. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.38 直角實驗五. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.39 光流法求得速度. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.40 光流法求得偏航角. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

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