Parcelas, Rafael2022-04-212022-04-212018-02http://hdl.handle.net/10400.26/40269Alferes Aluno Engenheiro Electrotécnico 138104-A Rafael Parcelas. Supervisor(s): Prof. Doutor Ricardo Adriano Ribeiro; Capt. Gonçalo Charters Santos Cruz; Examination Committee: Chairperson: Brigadier General José Augusto Nunes Vicente Passos Morgado; Supervisor: Doctor Ricardo Adriano Ribeiro; Member of the Committee: Doctor José António da Cruz Pinto GasparVeículos aéreos não tripulados (VANTs) originalmente foram desenvolvidos para aplicações militares que, pela sua natureza não transportam operadores humanos a bordo. Esta dissertação foi realizada no seguimento do projeto Seagull. Este originou da necessidade da geração de um conhecimento situacional marítimo rigoroso e representa um dos esforços da Força Aérea Portuguesa para o cumprimento da sua missão, de acordo com os objetivos definidos pelo Conceito Estratégico de Defesa Nacional. Esta tese tem por objectivo expandir as capacidades já desenvolvidas no projeto Seagull. O trabalho apresentado foi realizado sobre a premissa que o ambiento marítimo é o principal cenário de operação. Assim sendo, um objetivo importante é a capacidade de localizar embarcações a partir dos dados visuais provenientes da aeronave. Cameras equipadas com lentes de parâmetros variáveis revelam-se mais úteis do que as com lentes de parâmetros fixos. As lentes de parâmetros variáveis permitem a um operador obter imagens com melhor qualidade através de ajustes na configuração das lentes, contudo estas não são usualmente usadas em visão computacional devido a dificuldade inerente em modelar variaçães continuas das configurações da camera. Esta tese apresenta uma metodologia para calibração de cameras com zoom variável e a sua utilização numa metodologia de localização geográfica. A metodologia de calibração de cameras apresentada é baseada na técnica de Zhang. Os modelos obtidos dos parâmetros intrínsecos da camera foram testados num equipamento com lentes de zoom numa experiência à escala reduzida do problema da localização geográfica. Utilizando a hipótese da terra-plana, o objetivo desta experiência foi validar tanto os modelos obtidos da calibração como a performance da metodologia para localização de alvos. Identificando a localização em pixeis de um alvo junto com a posição e orientação da camera, as coordenadas de um alvo são determinadas no ”referencial do mundo”. Uma experiência a escala real do problema de localização geográfica foi conduzida na Academia da Força Aérea Portuguesa, onde um conjunto de locais foram selecionados para testar a metodologia desenvolvida. O objetivo desta experiência foi avaliar o trabalho desenvolvido através da determinação das coordenadas geográficas de um alvo nâo cooperativo no solo sob condições reais. Através da comparação de resultados entre as estimativas providenciadas pela metodologia de localização geográfica proposta e as coordenadas GPS dos alvos foi possível identificar fatores e causas de erro possíveis de serem mitigadas. Os resultados obtidos das experiências realizadas revelam uma interdependência entre os parâmetros intrínsecos da camera utilizada e o seu zoom. A metodologia de localização geográfica apresenta resultados promissores para ser utilizada em ambiente marítimo. Contudo, os erros experimentais observados foram categorizados em três fatores. O primeiro fator verificado foi as limitações dos modelos obtidos da calibração da camera. O segundo fator foi a diferença de alturas entre a altitude acima do solo da camera e a altitude acima do alvo. O terceiro e último fator é a influência dos fatores ambientais no ruído da imagem e a sua sensibilidade à prespectiva da imagem para a captura do alvo.Unmanned aerial vehicles (UAVs) were originally designed for military applications, which by nature, did not necessarily required human operators on-board. This thesis was developed following the Seagull Project, which represents one of the Portuguese Air Force attempts to fulfill its mission requirements in compliance with the guidelines of the Strategic National Defense Concept. Developed by the Portuguese Air Force Academy, it originated from a need to generate a more accurate maritime situation awareness of the Portuguese maritime territory. This thesis aims to extend the capabilities previously developed in the Seagull project, which one of the main interests was the ability to geo-locate identified target vessels from the visual data of the aircraft, where the use of camera devices with variable-parameter lenses is more useful than those with fixed-parameter lenses. The variable-parameter lenses enable an operator to obtain better images by adjusting the camera’s lenses to the present conditions of a scene. However, variable parameter lenses are not commonly used in computer vision because they are difficult to model for continuous variations of the lenses configuration. This thesis presents a camera calibration methodology for devices with variable zoom and its employment in a vision-based target geo-location method. The camera calibration method presented in this work is based on Zhang’s technique for camera calibration, were a model of the camera intrinsic parameters is obtained by exploring the interdependence between the camera zoom and its parameters. A small-scale experiment of the geo-location problem was conducted in order to validate both the camera intrinsic parameters models and the proposed geo-location methodology. In this experiment by identifying the pixel location of a target in an image and the measurements of the camera position and pose, the world coordinates of the target are determined. Using the same methodology a full-scale experiment of the geo-location problem was devised. In this a set of location across the Portuguese Air Force Academy Campus were selected to employ the methodology devised. The objective of this experiment was to assess the accuracy of the work presented in this thesis under real-world conditions and the ability to localize an uncooperative ground target using the UAV vision sensor. By comparing the results of the target estimated position obtained from the geo-location methodology with the actual GPS coordinates of the selected locations to identify factors and/or error sources where identified, which can be mitigated. The geo-location methodology developed is a proof of concept that empirically as shown encouraging promises to be employed in a maritime environment. The errors verified in the experimental procedures were mainly caused by three factors. First the precision of the camera variable-parameters models obtained, these are estimates of the real behavior of the lenses and as such are considered empirical approximations. Second the height difference between the camera altitude above ground and altitude above target, which is linked to the flat-earth hypothesis, as such errors can occur from the relative height difference. Third the environmental factors which induce image noise, which with the increasing obliquity of the captured image this errors can be exacerbated as demonstrated in this work.engCalibracão de câmerasLocalização geográficaVANTCamera calibrationGeo-locationVariable-parameter lensesUAVmaster thesis