空中飞行器飞行引导程序设计讲义

2015秋季创新实践课程研究报告作者: 袁佳泉学号：912110200330学院:自动化专业(方向):自动化题目: 空中飞行器飞行引导程序设计指导者：戚国庆(姓名) (专业技术职务)(姓名) (专业技术职务)评阅者：(姓名) (专业技术职务)2015 年 12 月2015秋季创新实践课程研究报告第I页目次1引言 (1)2基本概念与原理 (2)2.1 OpenCV简介 (2)2.2 图像与视频 (5)3基于OpenCV的飞行器引导程序设计 (8)3.1 总体算法流图 (8)3.2 各部分具体算法 (8)3.3成果展示 (12)4空中飞行器引导程序设计总结 (13)致谢 (14)参考文献 (16)1 引言1.1 课程设计具体要求利用摄像头和视频采集软件实现地面引导线的识别和无人机飞行引导，地面引导线结构如下图1.1所示：BB CC DD EE图1.1 地面引导线图1.1.1 要求无人机从A 点开始，逆时针方向沿引导线飞行一圈回到A 点，假定摄像头一直能够观察到引导线，且摄像头方向可以一直不变，即无人机偏航方向一直不变;也可以改变摄像头方向,使摄像头前端一直正对直线,根据对转折点的识别,给出摄像头旋转方向的指令。

1.1.2 设计过程采用手持摄像头在画有引导线（黑色）的A4纸上方平移，或手持A4纸在摄像头前平移，摄像头采集地面引导线，视频处理软件每采集一帧图像，首先辨识出引导线，然后决策出飞行器应当飞行的方向（飞行方向控制指令，即“向左走”、“向右走”、“向前走”、“向后走”，“停止”），并将指令显示于人机界面。

1.1.3 要求采用“Visual Studio 201x ”版可视化程序设计软件开发飞行器引导控制程序，提供基础的图像采集程序（亦可自行开发图像采集程序）1.2 课程设计的开发工具软件：Visual Studio 是一套基于组件的软件开发工具和其他技术，可用于构建功能强大、性能出众的应用程序。

函数库:开放源代码的计算机视觉类库OpenCV (Intel Open Source Computer VisionLibrary)．它是一套可免费获得的由一些C 函数和C++类所组成的库，用来实现一些常用的图像处理及计算机视觉算法。

2 基本概念与原理2.1 OpenCV简介开放源代码的计算机视觉类库OpenCV (Intel Open Source Computer Vision Library)由英特尔公司开发．它是一套可免费获得的由一些C函数和C++类所组成的库，用来实现一些常用的图像处理及计算机视觉算法。

OpenCV主要用于对图像进行一些高级处理，比如说特征检测与跟踪、运动分析、目标分割与识别以及3D重建等。

它有以下特点；开放C源码，基于Intel处理器指令集开发的优化代码，统一的结构和功能定义，强大的图像和矩阵运算能力，方便灵活的用户接口，同时支持WINDOWS、LINUX平台等。

2.1.1 OpenCV的数据结构OpenCV提供了多种基本数据类型，虽然这些数据类型在C语言中不是基本类型，但结构都很简单，可将它们作为原子类型。

在运用OpenCV函数库进行编程的过程中，常常会需要用到这些结构类型，只有真正了解这些结构才能够很好地利用OpenCV函数库来解决问题基础的数据类型包括：CvPoint基于二维整形坐标轴的点．CvSize矩形框大小。

CvRect矩形框的偏移和大小，以像素为精度，CvMat多通道矩阵等。

OpenCV提供了多种基本数据类型，虽然这些数据类型在C语言中不是基本类型，但结构都很简单，可将它们作为原子类型。

在运用OpenCV函数库进行编程的过程中，常常会需要用到这些结构类型，只有真正了解这些结构才能够很好地利用OpenCV函数库来解决问题。

下面对几个比较常用的简单结构进行介绍。

1）Point结构在这些数据类型中最简单的就是Point，它表示二维坐标系下的点，类型为整型，定义如下：typedef struct Point{int x; /* x坐标, 通常以0为基点 */int y; /* y坐标, 通常以0为基点 */} Point;2）Size结构Size结构用来表示矩形框大小，以像素为精度，结构体中分别定义了矩形的宽高和高度，定义如下：typedef struct size{int width； /*矩形宽度，单位为像素*/int height； /*矩形高度，单位为像素*/}Size;3）Scalar 结构该结构是用来定义存放1- 4个数值的数组。

typedef struct scalar{double val[4];}Scalar; //可用来表示RGBA的值，A＝alpha透明度4）Image 结构OpenCV库主要是使用“Image”结构体来创造和处理图像。

定义如下：typedef struct Image{int nSize; /*Image大小*/int ID; /*版本（=0）*/int Channels; /*大多数opencv函数支持1~4个信道*/int depth; /*像素的位深度*/int dataOrder; /*0:交叉存取颜色信道。

1:分开的颜色信道。

只有CreateImage可以创建交叉存取图像*/int origin; /*0:顶—左结构，1:底—左结构*/int width; /* 图像宽像素 */int heighet; /*图像高像素*/struct_IplROI *roi; /*图像感兴趣区域*/int imageSize; /*图像数据大小*/int widthStep; /*排列的图像大小，以字节为单位*/}Image；2.1.2 OpenCV的函数体系OpenCV中每个函数的命名都已“cv”开始，然后是该函数的行为及目标。

例如用来创建图像的函数“Createlmage”，载入图像的函数“Loadlmage”。

OpenCV是为图像处理及计算机视觉在实际工程中的应用而设计的一个类库。

其中所有的函数都有与其在实际应用中所实现的不同功能而分属不同的类型。

主要函数类型有：(1)基本的图像处理与分析函数图像处理和分析的一些函数。

其中大多数函数都是针对两维象素数组的，这里我们称这些数组为“图像”，但是它们不一定非得是lmage结构．也可以是Mat或者MatND结构。

这个类型的函数主要用于实现一些基本的图像处理与分析功能。

例如图像平滑函数smooth，Sobel算子Sobel，Canny边缘分割函数Canny。

创建直方图CreateHist等。

(2)结构分析函数例如用多边形曲线逼近Freeman 链函数ApprexChains，函数MaxRect寻找包含两个输入矩形的具有最小面积的矩形边界等。

(3)运动分析与对象跟踪函数包括有高级图形用户接口highGUI用以实现对图像的载入、显示及保存等基本操作以及用以实现视频输入输出及处理的函数。

根据上述的函数体系。

程序开发者可以根据自己所开发应用程序所要实现的功能来方便地选择所需的库函数．从而大大减少开发时间和精力。

缩短程序开发的周期。

2.1.3 OpenCV的常用函数下面介绍一下OpenCV中常用的几个函数，也是利用OpenCV进行特定目标体识别的过程中常用到的函数，分别说明如下。

1）LoadImage( )：载入图像IplImage* LoadImage(const char* filename,int iscolor=CV_LOAD_IMAGE_COLOR);filename：要被读入的文件的文件名。

iscolor：指定读入图像的颜色和深度。

指定的颜色可以将输入的图片转为3信道(CV_LOAD_IMAGE_COLOR)，单信道(CV_LOAD_IMAGE_GRAYSCALE)，或者保持不变(CV_LOAD_IMAGE_ANYCOLOR)。

2）ShowImage( )：在指定窗口中显示图像void ShowImage(const char* name,const Arr* image);name：窗口的名字。

image：被显示的图像。

2.2 图像与视频2.2.1 图像种类计算机的图像分为两大类，即位图图像和矢量图形。

位图：采用点阵方式构成图像，可以表现丰富的图像色彩，但是文件占用存储空间较大。

矢量图：以数学矢量方式记录图像，适合表示色彩较少的图像，但是可以表现和保持清晰的图像曲线，缩小、放大不会失真，文件占用存储空间较小。

像素：位图图像是由许多个离散的点组成，它们是组成图像的基本单元，被称为像素。

2.2.2 图像通道1通道：描述一个像素点，如果是灰度，那么只需要一个数值来描述它，就是单通道，为1。

2通道：2通道图像不常见，通常在程序处理中会用到，如傅里叶变换，可能会用到，一个通道为实数，一个通道为虚数，主要是编程方便；还有一种情况就是16位图像，本来是3通道，但是为了减少数据量，压缩为16位，刚好两个通道，常见格式有RGB555或RGB565，也就是说R 占5位，G占5或6位，B占5位，也有RGBA5551格式。

3通道：如果一个像素点，由RGB三种颜色来描述它，就是三通道，为3。

4通道：windows的bmp有时候是一个四通道图像，R、G、B加上一个A通道，一般叫做alpha通道，表示透明度。

2.3 OpenCV基本功能2.3.1 图片显示利用opencv中自带的函数打开一张图片。

代码:#include "highgui.h"int main(int argc, char* argv[]){//创建一lImage指针，使用LoadImage函数打开一个视频，第一个参数是视频的路径，第二个参数是指Image* src = LoadImage("C:\\Documents and Settings\\Administrator\\My Documents\\图像\\2j.jpg" , 1);//给打开的窗口命名NamedWindow("show_image");//显示这张图片ShowImage("show_image",src);WaitKey(0);return 0;}2.3.2获取摄像头，显示图像(1)与其相关的说明在获取摄像头之前先来熟悉以下opencv中视频获取的数据结构的管理方式。

1.Capture：视频获取结构说明：OpenCV中的视频获取结构。

结构Capture没有公共接口，它只能用来作视频获取函数中实用的一个参数。

2.CreateFileCapture:初始化文件中获取视频语法：Capture * CreateFileCapture(const char *filename);参数类型说明Filename const char* 使用视频文件名说明：该函数给指定文件的视频流分配和初始化Capture.返回值;分配的Capure3.CaptureFromCAM：从摄像头中获取视频语法：Capture * CaptureFromCAM(int index)参数类型说明Index in t index指的是摄像头的索引，当只有一个摄像头时，index设为-14. QueryFrame：从摄像头或者文件中抓取并返回一帧语法： Image* QueryFrame(Capture * capture)参数类型说明Capture Capture* 视频获取结构QueryFrame:从摄像头或者文件中抓取一帧，然后解压并返回一帧。