本論文主要探討利用立體視覺量測微型飛行器(MAVs) 的位置和姿態。由於立體視覺可以獲得三維空間中的位置資訊，使得立體視覺在科學領域中日漸重要。目前微飛行器的感測器發展還不成熟，使得量測微型飛行器的姿態比量測普通飛機還來得困難，因此我們利用外部觀測平台來獲取微型飛行器的位置和姿態。在本文中，我們在飛行器上標註若干記號，再利用立體視覺的原理找出各點於空間中的絕對座標，進而換算成飛行器的姿態。為了降低成本，我們使用市售便宜的網路攝影機，並設計簡單的校正實驗，以減少誤差。此外，我們亦引入四軸平台，用以精確掌握飛行器於每一個時刻的姿態角，以便做為定量分析之用。雖然本文中的探討的主要標的物為一拍翼式微飛行器，但所提之方法可應用於任何形式之微飛行器。

This thesis focuses on the measurement of position and attitude of micro-aerial vehicles (MAVs) using stereo-vision technology. Since stereo-vision can obtain three dimensional (3D) coordinate, it has been widely applied to various fields. Currently, micro-class sensors or nano-class sensors are not mature enough to serve for measurements of MAVs. It is more difficult for us to obtain the attitude of an MAV than that of a regular aerial vehicle. We propose the do the measurements using an outside, non-intrusive equipment. In this thesis, we make some marks on the fuselage or wings of a MAV, and use the stereo-vision to identify their 3D positions. This information can then be converted to the attitude. In order to lower down the cost, commercial webcams are employed in the experiments, and simple calibrations are designed to increase the precision. A four axes platform is also introduce to offer the accurate position and attitude of the MAV, so that quantitative analysis is possible. Though the main investigated target in this thesis is a flapping-wing MAV, the methodology and algorithms proposed in this thesis can be applied to any other type of MAVs.

中文摘要 i
英文摘要 ii
致謝 iv
1 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 動機 1
1.3 文獻回顧 2
1.4 研究方法 2
2 數位影像處理4
2.1 HSI 色彩空間 5
2.1.1 HSI 色彩空間 5
2.1.2 利用查表的方式獲得圖片的H 值 8
2.2 YCbCr 色彩空間 8
2.3 二值化(Threshold) 11
2.4 中值濾波(Medium Filter) 13
2.5 膨脹和侵蝕(Dilation and Erosion) 16
2.6 計算重心座標 18
3 立體視覺及硬體設備介紹 19
3.1 立體視覺辨識位置 21
3.1.1 垂直距離X 的導證 22
3.1.2 影像深度L 的導證 25
3.1.3 垂直距離Z 的導證 26
3.2 立體視覺辨識物體姿態 28
3.3 立體視覺平台校正 31
3.3.1 校正平台介紹 32
3.3.2 校正公式推導 34
3.3.3 視訊平台校正流程 37
3.4 實驗設備 38
3.5 運算軟體 41
4 實驗 42
4.1 拍翼機飛行高度量測實驗 42
4.1.1 實驗過程 42
4.1.2 實驗結果 43
4.2 拍翼機的靜態姿態量測實驗 45
4.2.1 實驗結果 47
4.2.2 分析與討論 51
4.3 拍翼機的動態姿態量測實驗 51
4.3.1 實驗過程 52
4.3.2 實驗結果與討論 55
5 結論 58
6 未來展望 59
6.1 影像處理 59
6.2 程式的改良 59
6.3 硬體的改進 59
6.4 增加輔助量測工具 60


圖目錄
2.1 HSI 色彩空間姿態量測流程圖. . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 YCbCr 色彩空間姿態量測流程圖. . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 HSI 色調轉換示意圖[12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.4 視訊擷圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.5 擷圖以HSI 色彩空間表示. . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.6 以紫色色調為閾值過濾的影像. . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.7 擷圖以YCbCr 色彩空間表示. . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.8 擷圖轉YCbCr 後的彩度Cb 用紫色色調為閾值過濾的影像10
2.9 擷圖轉YCbCr 後的彩度Cr 用紫色色調為閾值過濾的影像10
2.10 HSI 色彩空間用紫色色調過濾後再二值化後的影像. . . . 11
2.11 YCbCr 色彩空間中的Cb 層用紫色色調過濾後在取二值化
的影像. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.12 YCbCr 色彩空間中的Cr 層用紫色色調過濾後在取二值化
的影像. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.13 YCbCr 色彩空間中Cb 和Cr 取交集後的影像. . . . . . . 13
2.14 取出遮罩內的值並排序. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.15 將排序後的值放入像素位置內. . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.16 HSI 部分經過中值濾波處理的影像. . . . . . . . . . . . . 15
2.17 YCbCr 部分經過中值濾波處理的影像. . . . . . . . . . . 15
2.18 HSI 部分經侵蝕後的影像. . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
viii
2.19 HSI 部分膨脹回來後的影像. . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.20 YCbCr 部分經侵蝕後的影像. . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.21 YCbCr 部分膨脹回來後的影像. . . . . . . . . . . . . . . 18
3.1 交錯觀察法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2 平行觀察法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3 立體視覺平台(舊) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.4 立體視覺平台(新) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.5 目標物P 與觀測平台的幾何關係. . . . . . . . . . . . . . 22
3.6 目標物P 與觀測平台中心的幾何關係. . . . . . . . . . . 23
3.7 P1 及P2 距離畫面中心的關係. . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.8 X 方向最大視角及最大像素的關係. . . . . . . . . . . . . 24
3.9 目標物P 與攝影機中心的幾何關係. . . . . . . . . . . . . 27
3.10 Z 方向最大視角及最大像素的關係. . . . . . . . . . . . . 28
3.11 定義姿態所用到的機身向量和機翼向量. . . . . . . . . . . 29
3.12 俯仰角及偏航角定義示意圖. . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.13 拍翼機尾翼三點. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.14 視訊平台座標偏移示意圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.15 校正平台. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.16 水平儀. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.17 圖形化介面(校正平台取點) . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.18 視訊平台校正流程圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.19 羅技C510 網路攝影機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.20 四軸運動平台. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.21 平台軸向定義. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.22 圖形化介面. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.1 拍翼機飛行情況. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
ix
4.2 計算高度和傳送資料地面站之圖形化操作介面. . . . . . . 43
4.3 地面站. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.4 1.2m 觀測高度值. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.5 1.5m 觀測高度值. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.6 標註特殊點的拍翼機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.7 姿態觀測實驗設備. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.8 拍翼機各特徵點的顏色. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.9 拍翼機繞著四軸運動平台旋轉. . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.10 俯仰角. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.11 滾轉角. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.12 偏航角. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

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