CN106197377A - 一种无人机对地目标监视及二维三维联动的显示系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无人机对地目标监视及二维三维联动的显示系统。本发明通过实时影像、二维电子地图和三维地形结合的方式，从多角度实现对无人机监视区域的同步观测，相比仅依靠无人机机载相机提供的视角，更能直观地展示无人机监视区域和机动目标在监视区域中的分布情况及监视区域的地形状况，提高无人机操作人员对监控场景的态势感知能力，有利于操作人员在掌握监视区域态势和机动目标运动信息的条件下对无人机下达指令。
Description
技术领域
本发明属于无人机对地面机动目标监视和定位领域，具体涉及一种无人机对地目标监视及二维三维联动的显示系统。
背景技术
随着航空工业和信息技术的迅速发展，无人机在军事领域和民用领域得到越来越广泛的应用。无人机具备造价低廉、机动灵活、滞空时间长等特点，可以从事地面侦察和目标监视任务。通常情况下，无人机上装配有光电吊舱、合成孔径雷达等设备，用于获取地面实时影像、遥测数据等监视信息，装配有惯性测量单元(IMU)、全球定位系统(GPS)、测高仪等设备用于获取无人机位置和姿态信息，并通过地空数据链实现无人机与地面操作人员的通信。
无人机上装配有光电吊舱，通过光电吊舱中的机载摄像头可以实时获取地面的可见光或红外图像序列。随后利用图像跟踪算法、运动检测算法、目标识别等方式检测图像中存在的机动目标，并获取目标的图像坐标、目标类型等信息。
仅获取机动目标的图像坐标则仅能在无人机实时影像中标识出检测的机动目标的图像位置，且无法实现对地面目标的持续跟踪和定位。需要通过目标定位算法获取机动目标的真实地理位置。目前常用的目标定位方式是使用姿态测量/激光测距定位模型，利用激光测距仪沿相机光轴方向测量无人机到目标的距离，结合无人机位姿参数解算目标的相对位置。获得目标的相对位置后，可以结合无人机机载GPS提供的经纬度信息算出目标的地理位置。
在传统的地面监视任务中，需要无人机地面控制站中操作人员的参与。操作人员可以通过无人机拍摄的实时影像了解监控场景状况，需要在无人机影像中自动标识出目标的具体位置，也可以同时在二维电子地图中标识出目标方位，方便操作人员对具体目标执行监视任务。但由于单台无人机的视野限制，无法完整获取监视场景的周边情况，也无法直观地建立起二维电子地图与实时影像之间的对应关系，在场景较为复杂或同时监视目标较多时，将不利于操作人员感知场景态势和做出合理判断，一旦目标从无人机视野中丢失，则很难再找回，而二维电子地图又仅能提供俯视的观察视角，无法直观地判断观察区域及周围环境的地形状况。
发明内容
本发明的目的是提供一种无人机对地目标监视及二维三维联动的显示系统，以便从多角度实现对无人机监视区域的同步观测，直观地展示无人机监视区域和机动目标在监视区域中的分布情况及监视区域的地形状况，提高无人机操作人员对监控场景的态势感知能力，有利于操作人员在掌握监视区域态势和机动目标运动信息的条件下对无人机下达指令。
一种无人机对地目标监视及二维三维联动的显示系统，其特征在于：包括一个数据接收单元，用于实时接收监视获取的实时影像数据、机动目标信息和无人机的状态信息，每个机动目标的信息包括一个唯一的编号、该机动目标当前在实时影像中的图像坐标和真实地理坐标，无人机的状态信息包含无人机的视野范围信息、经纬度信息、飞行高度、航速和飞行姿态；
一个数据存储单元，存储数据接收单元获取的实时影像数据、机动目标位置信息和无人机的状态信息；
一个显示单元，通过二维和三维联动显示的方式显示无人机监视区域和监视区域观测到的地面机动目标信息；显示单元由三台显示屏组成，分别演示实时影像显示区域，二维电子地图显示区域和三维地形显示区域。
实时影像显示区域显示从无人机获取的实时影像数据，并在影像中标识出检测机动目标的图像位置坐标；
三维地形显示区域，用于从地形数据库获取卫星影像、矢量地图、三维地形数据等信息，实时渲染从无人机视角观测的监视区域及其周边环境，并标注出无人机视野和机动目标位置；
二维电子地图显示区域，用于从地形数据库获取监视区域的卫星影像和矢量地图，展示俯视视角下无人机的监视区域及其周边环境；
一个交互单元，提供操作人员与显示单元的交互操作。
一个地形数据库，存储监视区域的卫星影像、矢量地图、三维地形数据等信息。
所述的实时影像区域显示从无人机获取的实时影像数据，并在实时影像中标识出机动目标影像标识，具体包括：无人机检测的一个或多个机动目标需要在实时影像中标出图像的位置坐标及图像的标号，其中：
当目标处于未选中状态时，以绿色矩形框包围整个目标区域，绿色矩形框的位置为该目标所在位置，矩形框的尺寸取决于检测目标的尺寸，并在矩形框上方显示字符“ID”和数字编号，标注该机动目标的编号；操作人员可以通过交互单元107在检测的目标间进行选择切换；
当机动目标处于选中状态时，以白色矩形框包围整个目标区域，白色矩形框的各边中心绘制有白色短线，白色矩形框的位置为该目标所在位置，矩形框的尺寸取决于检测目标的尺寸，并在矩形框上方显示字符“ID”和数字编号，标注该机动目标的编号。
所述的三维地形显示区域包括无人机视场三维标识301、机动目标三维标识302和三维地形缩放比例，其中：
无人机视场三维标识以半透明灰色填充的不规则四边形区域构成，该四边形区域的形状和尺寸由无人机拍摄实时影像区域在地形上的投影变换决定，反映无人机监视的影像范围，在无人机视场三维标识之外为无人机实时影像无法观察到的周边环境；
机动目标三维标识，同样检测出的机动目标有两种显示方式；当目标处于未选中状态时，以绿色实心球体标注出，实心球体的位置为该目标所在位置并在实心球体上方显示字符“ID”和数字编号，标注该机动目标的编号；当操作人员可以通过交互单元在检测的目标间进行选择切换，将选中与实时影像显示区域中相同ID编号的机动目标；
当机动目标处于选中状态时，需要与未选中的目标加以区分，以白色实心三棱柱标注出，包含整个目标区域，实心三棱柱的位置为该目标所在位置，并在实心三棱柱上方显示字符“ID”和数字编号，标注该机动目标的编号；实心三棱柱后方以白色不规则曲线显示该选中目标的运动轨迹，该轨迹由该选中目标在无人机监视任务期间所有时刻记录下的运动位置连接而成，反映该目标的运动状况；
三维地形缩放比例包括：“+”按钮，选中时推近地形，“-”按钮，选中时缩放地形；比例尺，横线上方线段以数值和单位符号“m”标注公制单位的缩放比例，单位为米，横向下方线段以数值和单位符号“feet”标注英制单位的缩放比例，单位为英寸。
所述的二维电子地图显示区域包括无人机视场二维标识、机动目标二维标识、无人机位置标识和二维地图缩放比例。
无人机视场二维标识以半透明灰色填充的不规则四边形构成，该四边形的形状和尺寸由无人机拍摄实时影像区域在地形上的投影变换决定，反映了无人机监视的影像范围，在无人机视场二维标识之外表示无人机实时影像无法观察到的周边环境情况。
机动目标二维标识有两种显示方式：
当目标处于未选中状态时，以绿色实心圆标注出，包含整个目标区域，实心圆的位置为该目标所在位置并在实心圆上方显示字符“ID”和数字编号，标注该机动目标的编号；操作人员可以通过交互单元在检测的目标间进行选择切换，将选中与实时影像显示区域中相同ID编号的机动目标；
当机动目标处于选中状态时，需要与未选中的目标加以区分，显示方式以白色实心三角形箭头标注，包含整个目标区域，实心三角形箭头的位置为该目标所在位置，并在三角形箭头上方显示字符“ID”和数字编号，标注该机动目标的编号。
三角形箭头后方以白色不规则曲线显示该选中目标的运动轨迹，该轨迹由该选中目标在无人机监视任务期间所有时刻记录下的运动位置连接而成，反映该目标的运动状况。无人机位置标识显示无人机在二维电子地图中的位置，并以字符“U”和数值编号标注出无人机的编号。
二维地图缩放比例，包括“+”按钮，选中时推近地图，“-”按钮，选中时缩放地图。比例尺，横线上方线段以数值和单位符号“m”标注公制单位的缩放比例，单位为米，横向下方线段以数值和单位符号“feet”标注英制单位的缩放比例，单位为英寸。
本发明的优点在于通过实时影像、二维电子地图和三维地形结合的方式，从多角度实现对无人机监视区域的同步观测，相比仅依靠无人机机载相机提供的视角，更能直观地展示无人机监视区域和机动目标在监视区域中的分布情况及监视区域的地形状况，提高无人机操作人员对监控场景的态势感知能力，有利于操作人员在掌握监视区域态势和机动目标运动信息的条件下对无人机下达指令。
下而结合实施例附图对本发明作进一步说明：
附图说明
图1为一种无人机对地目标监视及二维三维联动显示系统的组成示意图。
图2为一种无人机对地目标监视及二维三维联动显示系统中实时影像显示区域的示意图。
图3为一种无人机对地目标监视及二维三维联动显示系统中三维地形显示区域的示意图。
图4为一种无人机对地目标监视及二维三维联动显示系统中二维电子地图显示区域的示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种无人机对地目标监视及二维三维联动的显示系统，其特征在于：包括一个数据接收单元101，用于实时接收监视获取的实时影像数据、机动目标信息和无人机的状态信息，每个机动目标的信息包括一个唯一的编号、该机动目标当前在实时影像中的图像坐标和真实地理坐标，无人机的状态信息包含无人机的视野范围信息、经纬度信息、飞行高度、航速和飞行姿态；
一个数据存储单元102，存储数据接收单元101获取的实时影像数据、机动目标位置信息和无人机的状态信息；
一个显示单元103，用于通过二维或三维联动显示的方式显示无人机监视区域和监视区域观测到的地面机动目标信息；显示单元103由三台显示屏组成，分别演示实时影像显示区域104，二维电子地图显示区域106和三维地形显示区域105。
实时影像显示区域104显示从无人机获取的实时影像数据，并在影像中标识出检测机动目标的图像位置坐标；
三维地形显示区域105，用于从地形数据库108获取卫星影像、矢量地图、三维地形数据等信息，实时渲染从无人机视角观测的监视区域及其周边环境，并标注出无人机视野和机动目标位置；
二维电子地图显示区域106，用于从地形数据库108获取监视区域的卫星影像和矢量地图，展示俯视视角下无人机的监视区域及其周边环境；
一个交互单元107，用于提供操作人员与显示单元103的交互操作；
一个地形数据库108，用于存储监视区域的卫星影像、矢量地图、三维地形数据信息。
如图2所示，所述的实时影像区域104显示从无人机获取的实时影像数据，并在实时影像中标识出机动目标影像标识201，具体包括如下步骤：无人机检测的一个或多个机动目标需要在实时影像中标出图像的位置坐标及图像的标号，其中：
当目标处于未选中状态时，以绿色矩形框包围整个目标区域，绿色矩形框的位置为该目标所在位置，矩形框的尺寸取决于检测目标的尺寸，并在矩形框上方显示字符“ID”和数字编号，标注该机动目标的编号；操作人员可以通过交互单元107在检测的目标间进行选择切换；
当机动目标处于选中状态时，以白色矩形框包围整个目标区域，白色矩形框的各边中心绘制有白色短线，白色矩形框的位置为该目标所在位置，矩形框的尺寸取决于检测目标的尺寸，并在矩形框上方显示字符“ID”和数字编号，标注该机动目标的编号。
所述的三维地形显示区域105包括无人机视场三维标识301、机动目标三维标识302和三维地形缩放比例303；图3为三维地形显示区域105的示意图，其中：
无人机视场三维标识301以半透明灰色填充的不规则四边形区域构成，该四边形区域的形状和尺寸由无人机拍摄实时影像区域在地形上的投影变换决定，反映无人机监视的影像范围，在无人机视场三维标识301之外为无人机实时影像无法观察到的周边环境；
机动目标三维标识302，同样检测出的机动目标有两种显示方式；当目标处于未选中状态时，以绿色实心球体标注出，实心球体的位置为该目标所在位置并在实心球体上方显示字符“ID”和数字编号，标注该机动目标的编号；当操作人员可以通过交互单元107在检测的目标间进行选择切换，将选中与实时影像显示区域中相同ID编号的机动目标；
当机动目标处于选中状态时，需要与未选中的目标加以区分，以白色实心三棱柱标注出，包含整个目标区域，实心三棱柱的位置为该目标所在位置，并在实心三棱柱上方显示字符“ID”和数字编号，标注该机动目标的编号；实心三棱柱后方以白色不规则曲线显示该选中目标的运动轨迹，该轨迹由该选中目标在无人机监视任务期间所有时刻记录下的运动位置连接而成，反映该目标的运动状况；
三维地形缩放比例303包括：“+”按钮304，选中时推近地形，“-”按钮306，选中时缩放地形；比例尺305，横线上方线段以数值和单位符号“m”标注公制单位的缩放比例，单位为米，横向下方线段以数值和单位符号“feet”标注英制单位的缩放比例，单位为英寸。
所述的二维电子地图显示区域106包括无人机视场二维标识401、机动目标二维标识402、无人机位置标识403和二维地图缩放比例404；图4为二维电子地图显示区域106的示意图，其中：
无人机视场二维标识401以半透明灰色填充的不规则四边形构成，所述四边形的形状和尺寸由无人机拍摄实时影像区域在地形上的投影变换决定，反映了无人机监视的影像范围，在无人机视场二维标识401之外表示无人机实时影像无法观察到的周边环境情况。
机动目标二维标识402有两种显示方式：
当目标处于未选中状态时，以绿色实心圆标注出，包含整个目标区域，实心圆的位置为该目标所在位置并在实心圆上方显示字符“ID”和数字编号，标注该机动目标的编号；操作人员可以通过交互单元107在检测的目标间进行选择切换，将选中与实时影像显示区域中相同ID编号的机动目标；
当机动目标处于选中状态时，需要与未选中的目标加以区分，显示方式以白色实心三角形箭头标注，包含整个目标区域，实心三角形箭头的位置为该目标所在位置，并在三角形箭头上方显示字符“ID”和数字编号，标注该机动目标的编号。
三角形箭头后方以白色不规则曲线显示该选中目标的运动轨迹，该轨迹由该选中目标在无人机监视任务期间所有时刻记录下的运动位置连接而成，反映该目标的运动状况。无人机位置标识403显示无人机在二维电子地图中的位置，并以字符“U”和数值编号标注出无人机的编号。
当前二维地图缩放比例404，包括“+”按钮405，选中时推近地图，“-”按钮407，选中时缩放地图。比例尺406，横线上方线段以数值和单位符号“m”标注公制单位的缩放比例，单位为米，横向下方线段以数值和单位符号“feet”标注英制单位的缩放比例，单位为英寸。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。
Claims (4)
1.一种无人机对地目标监视及二维三维联动的显示系统，其特征在于：包括一个数据接收单元(101)，用于实时接收监视获取的实时影像数据、机动目标信息和无人机的状态信息，每个机动目标的信息包括一个唯一的编号、该机动目标当前在实时影像中的图像坐标和真实地理坐标，无人机的状态信息包含无人机的视野范围信息、经纬度信息、飞行高度、航速和飞行姿态；
一个数据存储单元(102)，存储数据接收单元(101)获取的实时影像数据、机动目标位置信息和无人机的状态信息；
一个显示单元(103)，通过二维和三维联动显示的方式显示无人机监视区域和监视区域观测到的地面机动目标信息；显示单元(103)由三台显示屏组成，分别演示实时影像显示区域(104)，二维电子地图显示区域(106)和三维地形显示区域(105)。
实时影像显示区域(104)显示从无人机获取的实时影像数据，并在影像中标识出检测机动目标的图像位置坐标；
三维地形显示区域(105)，用于从地形数据库(108)获取卫星影像、矢量地图、三维地形数据信息，实时渲染从无人机视角观测的监视区域及其周边环境，并标注出无人机视野和机动目标位置；
二维电子地图显示区域(106)，用于从地形数据库(108)获取监视区域的卫星影像和矢量地图，展示俯视视角下无人机的监视区域及其周边环境；
一个交互单元(107)，提供操作人员与显示单元(103)的交互操作；
一个地形数据库(108)，存储监视区域的卫星影像、矢量地图、三维地形数据等信息。
2.根据权利要求1所述的一种无人机对地目标监视及二维三维联动的显示系统，其特征在于：所述的实时影像区域(104)显示从无人机获取的实时影像数据，并在实时影像中标识出机动目标影像标识(201)，具体包括：无人机检测的一个或多个机动目标需要在实时影像中标出图像的位置坐标及图像的标号，其中：
当目标处于未选中状态时，以绿色矩形框包围整个目标区域，绿色矩形框的位置为该目标所在位置，矩形框的尺寸取决于检测目标的尺寸，并在矩形框上方显示字符“ID”和数字编号，标注该机动目标的编号；操作人员可以通过交互单元(107)在检测的目标间进行选择切换；
当机动目标处于选中状态时，以白色矩形框包围整个目标区域，白色矩形框的各边中心绘制有白色短线，白色矩形框的位置为该目标所在位置，矩形框的尺寸取决于检测目标的尺寸，并在矩形框上方显示字符“ID”和数字编号，标注该机动目标的编号。
3.根据权利要求1所述的一种无人机对地目标监视及二维三维联动的显示系统，其特征在于：所述的三维地形显示区域(105)包括无人机视场三维标识(301)、机动目标三维标识(302)和三维地形缩放比例(303)，其中：
无人机视场三维标识(301)以半透明灰色填充的不规则四边形区域构成，该四边形区域的形状和尺寸由无人机拍摄实时影像区域在地形上的投影变换决定，反映无人机监视的影像范围，在无人机视场三维标识(301)之外为无人机实时影像无法观察到的周边环境；
机动目标三维标识(302)，同样检测出的机动目标有两种显示方式；当目标处于未选中状态时，以绿色实心球体标注出，实心球体的位置为该目标所在位置并在实心球体上方显示字符“ID”和数字编号，标注该机动目标的编号；当操作人员可以通过交互单元(107)在检测的目标间进行选择切换，将选中与实时影像显示区域中相同ID编号的机动目标；
当机动目标处于选中状态时，需要与未选中的目标加以区分，以白色实心三棱柱标注出，包含整个目标区域，实心三棱柱的位置为该目标所在位置，并在实心三棱柱上方显示字符“ID”和数字编号，标注该机动目标的编号；实心三棱柱后方以白色不规则曲线显示该选中目标的运动轨迹，该轨迹由该选中目标在无人机监视任务期间所有时刻记录下的运动位置连接而成，反映该目标的运动状况；
三维地形缩放比例(303)包括：“+”按钮(304)，选中时推近地形，“-”按钮(306)，选中时缩放地形；比例尺(305)，横线上方线段以数值和单位符号“m”标注公制单位的缩放比例，单位为米，横向下方线段以数值和单位符号“feet”标注英制单位的缩放比例，单位为英寸。
4.根据权利要求1所述的一种无人机对地目标监视及二维三维联动的显示系统，其特征在于：所述的二维电子地图显示区域(106)包括无人机视场二维标识(401)、机动目标二维标识(402)、无人机位置标识(403)和二维地图缩放比例(404)，其中：
无人机视场二维标识(401)以半透明灰色填充的不规则四边形构成，该四边形的形状和尺寸由无人机拍摄实时影像区域在地形上的投影变换决定，反映了无人机监视的影像范围，在无人机视场二维标识(401)之外表示无人机实时影像无法观察到的周边环境情况；
机动目标二维标识(402)有两种显示方式：
当目标处于未选中状态时，以绿色实心圆标注出，包含整个目标区域，实心圆的位置为该目标所在位置并在实心圆上方显示字符“ID”和数字编号，标注该机动目标的编号；操作人员可以通过交互单元(107)在检测的目标间进行选择切换，将选中与实时影像显示区域中相同ID编号的机动目标；
当机动目标处于选中状态时，需要与未选中的目标加以区分，显示方式以白色实心三角形箭头标注，包含整个目标区域，实心三角形箭头的位置为该目标所在位置，并在三角形箭头上方显示字符“ID”和数字编号，标注该机动目标的编号；
无人机位置标识(403)显示无人机在二维电子地图中的位置，并以字符“U”和数值编号标注出无人机的编号；
二维地图缩放比例(404)，包括“+”按钮(405)，选中时推近地图，“-”按钮(407)，选中时缩放地图；比例尺(406)，横线上方线段以数值和单位符号“m”标注公制单位的缩放比例，单位为米，横向下方线段以数值和单位符号“feet”标注英制单位的缩放比例，单位为英寸。
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