非量測數(shù)碼相機檢校方法的研究

1、第34卷增刊2009年4月測繪科學Sc i ence of Surveying and M app i ngVol 134Suppl20091 作者簡介:楊軍(1968-,男,湖南臨澧人,工程師,現(xiàn)主要從事建筑測量的基礎工作和研究。E 2m ai:l e m a illsl 1631co m 收稿日期:2009202204基金項目:國家自然科學基金(40474003非量測數(shù)碼相機檢校方法的研究楊 軍(河南焦作市政工程公司,河南焦作 454000=摘 要>普通數(shù)碼相機在圖像獲取方面有著很多優(yōu)勢,但它是非量測化相機,不能用普通數(shù)字攝影測量方法對其數(shù)字圖像進行處理。針對這一情況,本文提出了建立

2、三維控制場對非量測數(shù)碼相機進行檢校,采用DLT(直接線性變換方法計算出非量測數(shù)碼相機的內(nèi)外方位元素,實現(xiàn)非量測數(shù)碼相機獲取像對的可量測化。最后通過在河南焦作地理信息產(chǎn)業(yè)園主樓區(qū)域建立三維控制場試驗,進行數(shù)據(jù)采集后獲取了實際的三維模型。=關鍵詞>DLT ;控制場;非量測;相機檢校=中圖分類號>P232;P24 =文獻標識碼>A =文章編號>100922307(200907200892031 引言近年來,除測繪領域之外,其他行業(yè)如機械制造、建筑、醫(yī)學等,對近景攝影測量技術(shù)的需求也越來越大,傳統(tǒng)的量測相機已經(jīng)無法滿足需求,而越來越普及的非量測數(shù)碼相機正好可以填補這個空缺,利用

3、非量測相機進行攝影測量具有非常遠大的應用前景。隨著計算機技術(shù)的進步和數(shù)字圖像處理、模式識別等學科的不斷發(fā)展,數(shù)字攝影已成為當今研究的主要測量方法,而數(shù)字攝影測量的首要任務是獲取原始影像。影像獲取裝置一般分為二種:第一種是由量測攝影機拍攝獲得紙質(zhì)像片后,用掃描儀將像片完全數(shù)字化,再輸入計算機得到數(shù)字影像;第二種是由CCD 非量測數(shù)碼相機直接獲得數(shù)字影像,數(shù)字影像可直接輸入計算機進行處理。顯然第二種方法更簡便,省去了像片掃描數(shù)字化的過程。但普通非量測數(shù)碼相機存在較大的鏡頭畸變,并且內(nèi)方位元素主距f 和像主點(V o ,Åo 都是未知的,必須先對其進行檢校,然后才能進行后續(xù)的像點量測和數(shù)據(jù)

4、處理。針對這種情況,本文提出了基于DLT 方法的非量測數(shù)碼相機的可量測化思路D LT(D irect Li ner Transfor m ati on方法因計算時不需要攝影機內(nèi)外方位元素初值,特別適用于非量測數(shù)碼相機所攝影像的攝影測量處理,所以在近景攝影測量中被廣泛應用。2 非量測數(shù)碼相機的優(yōu)點量測攝影機的內(nèi)方位元素參數(shù)是已知的,其影像具有明確的幾何位置關系。但量測攝影機價格昂貴,儀器笨重,進行外業(yè)拍攝時很不方便。與之相比,非量測數(shù)碼相機作為影像獲取裝置有如下優(yōu)點:1一般非量測相機是不能提供內(nèi)方位元素的,然而由于數(shù)碼相機是以數(shù)字方式存儲像片的,對于每一張像片而言,像素點的數(shù)目及排列都是一定的,

5、這就使得在微機上所量測得到的像平面坐標系參考點全都相同。2軟片壓平誤差是量測攝影機的主要系統(tǒng)誤差之一。而數(shù)碼相機攝影不需要底片,因此不存在此項誤差。3采用量測攝影機,需要沖洗底片、放大像片。這樣不僅消耗人力物力,而且數(shù)據(jù)處理周期較長,效率低,信息反饋慢,不符合一般工程監(jiān)測的快速安全的特點。而非量測數(shù)碼相機采用存儲卡存儲影像,可直接與計算機連接,因而效率高,信息處理周期短。4一體化,體積小,重量輕,適應性強,在地形復雜地區(qū)進行外業(yè)拍攝具有很強的機動靈活性。3 主要研究內(nèi)容建立非量測數(shù)碼相機檢校三維控制場,利用測量儀器設備精確測量出控制場內(nèi)控制點的空間三維坐標,變換共線方程式得出DL T 模型公式

6、,利用DL T 模型公式計算出非量測數(shù)碼相機的鏡頭畸變系數(shù)和相機內(nèi)方位元素值。311 三維控制場的建立在三維空間場地范圍內(nèi)均勻布設一定數(shù)量的控制點,利圖1 前方交會計算平面坐標原理示意圖用測量儀器設備通過前方交會和三角高程方法獲取每一個控制點的三維坐標(X 、Y 、Z 數(shù)據(jù)。1控制點坐標獲取方法和原理前方交會測量控制點的平面坐標,如圖1所示為前方交會計算平面坐標原理示意圖。已知A 點坐標為(X A ,Y A ,B 0點坐標為(X B ,Y B ,夾角N A 、N B 可由經(jīng)緯儀(全站儀測得,P 0點為待求點(X P ,Y P ,可以推導出如下前方交會計算平面坐標通用公式(1:X P =X A

7、#ctg B +X B #ctg A -Y A +Y BY P =Y A #c t g B +Y B +ctg A +X A -X B ctg A +ctg B (1圖2 三角高程測量方法原理示意圖三角高程測量控制點高程值,如圖2所示為三角高程測量方法原理示意圖。由圖中幾何關系可以推導出如下三角高程方法計算高程通用公式(2:Z P =12(h A P +h BP (2測繪科學 第34卷2精度分析數(shù)學模型平面精度分析如公式(3:M P =m 2Q 2#a 2+b 2si n 2C +m 2A (a S 2+m 2B (b S 2(3M A 、M B :測站點A 、B 的點位中誤差;m:內(nèi)角A 、

8、B 的測角中誤差;S :基線A B 的長度;高程精度分析如下公式(4:M h =tan 2A #m 2S +(S cos 2A2#(m A Q 2(4M S :測站點與待定點間的距離中誤差;M a:垂直角的測角中誤差;A :垂直角;C :交會角312 相機鏡頭畸變系數(shù)的解算由于相機物物鏡在加工、安裝和調(diào)試過程中難免存在一定的殘余像差,這一殘差會引起物鏡構(gòu)像畸變,構(gòu)像畸變差是數(shù)碼相機產(chǎn)生誤差的最主要原因。物鏡構(gòu)像畸變有兩種:徑向畸變差和切向畸變差。徑向畸變在以像主點為中心的輔助線上是對稱型畸變,而切向畸變差是一種非對稱型畸變。綜合上述兩種畸變,物鏡構(gòu)像畸變差改正公式(5如下:$x =(x -x

9、0(k 1+k 2r 2+k 3r 4+p 1(r 2+2(x -x 02 +2p 2(x -x 0(y -y $y =(y -y 0(k 1+k 2r 2+k 3r4+p 2(r 2+2(y -y 02 +2p 1(x -x 0(y -y 0(5r =(x -x 02+(y +y 02公式(5中r 為像點的徑向半徑,即為相片上像點到像主點的距離,V ,Å為像點量測坐標,k 1,k 2,k 3為徑向畸變差系數(shù),v x ,v y 為像點坐標改正值,V o ,Åo 為像主點在像平面坐標系中的坐標,p 1,p 2為非對稱型畸變差系數(shù)。利用DLT 模型公式可以進一步解算出k 1,k

10、 2,k 3,p 1,p 2。313 相機內(nèi)方位元素的解算根據(jù)如下構(gòu)像共線方程x -x 0=-f a 1(X -Xs+b 1(Y -Y s+c 1(Z -Zsa 3(X -Xs+b 3(Y -Y s+c 3(Z -Zsy -y 0=-fa 2(X -Xs+b 2(Y -Y s+c 2(Z -Zsa 3(X -Xs+b 3(Y -Y s+c 3(Z -Zs(6(6中a 1,a 2,a 3,b 1,b 2,b 3,c 1,c 2,c 3為方向余弦,X,Y ,Z 為控制點物方坐標,V ,Å為控制點像方坐標。對上式進行進一步的化簡,得到DLT 模型公式(7如下:x =L 1X +L 2Y +

11、L 3Z +L 4L 9X +L 10Y +L 11Z +1y =L 5X +L 6Y +L 7Z +L 8L 9X +L 10Y +L 11Z +1(7公式(7需要解答的參數(shù)總共有11個,如在物方布設6個控制點就可解這11個參數(shù),然后進一步可解得相機的內(nèi)外方位元素。圖3 試驗非量測數(shù)碼相機檢校三維控制場4 實驗情況 在河南焦作地理信息產(chǎn)業(yè)園主樓區(qū)域建立高精度三維控制場(見圖3,該控制場以墻體和柱體為基礎,控制場內(nèi)均勻布設63個索佳測繪儀器附屬反射片材質(zhì)控制點,利用索佳SET230RK3型號2秒級全站儀分兩站通過前方交會測量方法獲取控制點三維坐標數(shù)據(jù)如表1所示。表1 試驗三維控制場控制點三維坐

12、標點號X Y Z 點號X Y Z999128910214809981791321031657平面精度控制Mp (平均值=0131mm 高程精度控制Mh (平均值=0144mm試驗中采用佳能EOS 40D 型號非量測數(shù)碼相機進行檢校試驗,定焦鏡頭。相機具體參數(shù)規(guī)格如表2所示。表2 檢校試驗相機參數(shù)指標序號項目名稱項目指標備注1感光元件C MOS2傳感器尺寸22121418m m C MOS3總像素1050萬4有效像素1010萬5最高分辨率388825926光學變焦固定鏡頭7鏡頭特點f=50mm ,定焦鏡頭相機檢校結(jié)果如表3(V o 、Åo 、f 、k 1單位為像素,X s 、Y s 、

13、Z s 單位為mm ,其余角度單位為弧度所示。表3 相機檢校結(jié)果項目名稱項目數(shù)值項目名稱項目數(shù)值V o 1921104Y s10141042Åo1285147Z s 1011018f 1830152U 01004868k 141210-8X 11663216Xs10011301J01353254利用相機的檢校參數(shù)對控制場內(nèi)部分控制點坐標進行計算,并與全站儀測得的點位坐標進行比較結(jié)果見表4。90增刊 楊 軍 非量測數(shù)碼相機檢校方法的研究表4 誤差值比較誤差點號$X 1$Y 1$Z 1$=$X 21+$Y 21+$Z 210107011101160121 圖4 立柱三維模型顯示可將全站儀

14、測得的點位三維坐標數(shù)值看作真值,故相機測的值與全站儀測得的相應點坐標之差即可看作測量誤差,由表4看出試驗測定點位誤差精度達到0149mm 。利用上述試驗中使用的相機對河南焦作地理信息產(chǎn)業(yè)園主樓前的立柱拍攝了一對立體像對,提取影像上的特征點和特征直線,通過連續(xù)法相對定向和空間前方交會,建立了立柱的相對模型,并在計算機上實現(xiàn)了該模型的三維虛擬仿真顯示,如圖4所示。5 總結(jié)通過建立三維高精度控制場完成對普通非量測數(shù)碼相機畸變系數(shù)檢校、內(nèi)方位元素獲取和外方位元素獲取,完成了對其的可量測化的應用,并使用檢校后的非量測數(shù)碼相機對黑龍江省地理信息產(chǎn)業(yè)園主樓的立柱拍攝了一對立體像對,完成了三維重建。有效地提高

15、了數(shù)字攝影測量數(shù)據(jù)采集的效率,為數(shù)字攝影開拓了更大的應用前景。參考文獻1王之卓1攝影測量原理M 1武漢:武漢大學出版社,200712M icrosoft V isual St udio 2005幫助文檔K13馮文灝1近景攝影測量M 1武漢:武漢大學出版社,200214同濟大學教學研究室1工程數(shù)學線性代數(shù)M 1北京:高等教育出版社,199115馮文灝,李欣,等1準二維控制場的建立及其應用J1武漢大學學報,2005,30(216美M ahesh Chand ,著1韓江,等譯1GDI+圖形程序設計M 1電子工業(yè)出版社,20061R esea r ch m ethod of non 2sur vey

16、d igita l cam er a ca li br a tionAbstr ac t :General d i gita l cam era has m any virt ues i n ga i ning i m age ,but it i s not non 2survey digital ca m era ,and do n .t treat d i g 2ita l i m age processi ng with genera l d i gita l photography survey m ethod 。In response ,the paper provi des t h

17、at it processes to cali brate no n 2survey digital ca m era estab lishing 3D co ntrol field ,adopts direct li ner transfor m ati on m ethod t o co m pute i nner and exterior orienta tio n factors ,realizes i m age m easureab l e processi ng 1F i na lly,t hro ugh estab lishing 3D control fil ed of m

18、a i n bu ild area H enan Ji aozuo geo 2graph i c i n f or m ati on product park ,processes data ga t her and establishes real 3D m o de l 1K ey word s :DLT ;control fi e l d ;non 2survey ;cam era ca li bra ti on Y A NG Jun (H enan Jiaoz uo C ity Engi neering L TD 1,H enan Jiaozuo 454000,Ch i na(上接第1

19、70頁4 結(jié)論與展望總之,我們對上述模型的優(yōu)劣性進行了分析,只有充分了解建立模型的數(shù)學方法,才能不斷完善各種海圖制圖模型,從而建立更加適合海圖制圖發(fā)展的先進模型。當前,海圖制圖模型還在不斷的擴展和建立中,我們要利用正確的數(shù)學方法來設計和建立海圖制圖模型,除了以上的數(shù)學方法外,我們還應該在圖論、模糊集合論以及灰色系統(tǒng)理論和方法等現(xiàn)代應用數(shù)學的基礎上,著重研究數(shù)學模型與海圖制圖模型的/接口0問題。參考文獻1王家耀,鄒建華1地圖制圖數(shù)據(jù)處理的模型方法M 1北京:解放軍出版社,199212朱長青,史文中1空間分析建模與原理M 1北京:科學出版社,200613王厚祥,李進杰1海圖制圖綜合M 1北京:測繪

20、出版社,199914杜景海1海圖編輯設計M 1北京:測繪出版社,199615何宗宜1地圖數(shù)據(jù)處理模型的原理與方法M 1武漢:武漢大學出版社,200416祝國瑞1用等比數(shù)列法選取河流J1測繪通報,19811T he r esear ch and ana l ysis of cha r t ca r tograph ic m od elAbstr ac t :Th i s paper firstl y i ntro duces the defi n iti on of cartograph ic mode,l and ana lyses the deve l op m ent trend of chart cartog 2raph i c m ode l curren tly ,t hen su mma rizes current existi ng ma t he m a ti ca lmodel of chart cartograp