數位相機可量測化檢測方法

2023-04-23 00:00:56 1

專利名稱：數位相機可量測化檢測方法
技術領域：
本發明屬於數字攝影測量技術領域，尤其涉及一種數位相機可量測化的物理檢測方法。
背景技術：
在現有技術條件下，數位相機屬於廠家不提供量測參數的非量測相機，其影像不具有量測性，不能直接利用未經技術檢測的數位相機採樣，以達到地質數碼攝影編錄和數字攝影測量的目的。否則不可能有效地控制影像的幾何精度。而利用數位相機進行地質編錄和數字攝影測量，量測化是基本前提。的主要目標是使數字影像具有可控制的精度和可量測性。其主要任務包括數位相機的畸變差校檢、內方位元素檢測和外方位元素的控制。

發明內容
本發明要解決的技術問題是，針對現有技術存在的不足，提供一種精確度高、技術可靠而又操作簡便的數位相機可量測化檢測方法。
本發明的技術解決方案是，所述數位相機可量測化檢測方法為下述步驟(參見圖1～3)(1)、使用數位相機在平坦的垂直面上構建一坐標網格，網格單元大小依數位相機採用之焦距與景深調整(參見圖1)；(1.1)、通過相機移位或定位拍攝圖像，然後將圖像傳輸到計算機進行圖像分析、計算與確定畸變係數，進行相機畸變係數檢測；所述畸變係數的計算方法是採用如下數學模型對原始影像進行畸變校正x=(x-x0)(k1+k2r2+k3r4)+p1(r2+2(x-x0)2)+2p2(x-x0)(y-y0)y=(y-y0)(k1+k2r2+k3r4)+p2(r2+2(y-y0)2)+2p1(x-x0)(y-y0)]]>(1.2)、將設有數位相機的攝影編錄經緯儀或地質數碼攝影編錄儀，通過相機移位或定位拍攝圖像，然後將所得圖像傳輸到計算機進行圖像分析確定其外方位控制元素。
(2)、使用數位相機可量測化檢測裝置進行相機內方位元素檢測。即在檢測裝置前方架設兩臺經緯儀或全站儀，利用經緯儀或全站儀觀測所有標貼代表的控制點，通過前方交會和三角高程法獲得各控制點的物方坐標，通過相機移位或定位拍攝圖像，然後將圖像傳輸到計算機進行圖像分析、計算與確定其內方位元素，所述內方位元素的計算方法是採用如下數學模型 本發明即由上述步驟(1)～(2)，獲得相機畸變係數和內、外方位元素，從而實現了數位相機的可數量化。
上述數位相機可量測化檢測裝置為本發明方法的專用裝置，其結構參見圖2，該裝置具有一個箱形框架1，箱形框架1上具有連杆2、橫梁3、支撐杆4、加強杆5和橫杆6，其中橫杆6位於箱形框架1前框下方且與前框兩側框條相連，並使前框分為上框與下框。連杆2為二根，該二根連杆交叉分別與上框對角相連，橫梁3亦為二根，該二根橫梁3分別與箱形框架1的左右側框兩側框條相連。支撐杆4亦為二根，該二根支撐杆4一端分別與箱形框架1的左右側框上部框條相連。加強杆5位於箱形框架1後框，該加強杆5兩端分別與後框上下框條相連。此外所述箱形框架1的框條上還分布有標有標號的標貼7。標貼7上可標有其所在位置的空間坐標值。
本發明的有益效果是由以上可知，本發明為一種數位相機可量測化方法，該方法設計簡單，操作方便，檢測準確，且速度快、效率高。由於方法得當，界面友好，當檢測場內實驗拍攝的圖像傳輸到計算機內時，可以快速準確地得到數位相機的量測化參數。此外，本發明的專用相機可量測化檢測裝置具有結構簡單，層次分明，經濟適用，操作靈活等特點。


圖1為平面網格控制場網點分布示意2為數位相機可量測化檢測裝置結構示意圖；圖3為圖2所示數位相機可量測化檢測裝置的使用參考4為相機外方位元素改正值示意圖以上圖2～3中1—箱形框架， 2—連杆，3—橫梁， 4—支撐杆，5—加強杆，6—橫杆7—標貼具體實施方式
按照圖1～4所示上述數位相機可量測化方法及其專用檢測裝置，具體實施分述如下1.數位相機構像畸變係數的確定數字影像處理是數字攝影測量中的關鍵技術，數字影像的質量直接決定了數字攝影測量的精度。對數字影像的各項誤差處理是必不可少的過程。由於數位相機在加工、安裝過程中都存在一定的殘餘誤差，這一殘差會引起構像畸變。為了改正相機的構像畸變差，本發明設計了新的算法，以避免像片方位元素和畸變校正參數在整體解算時因相關性造成求解精度下降的不足。其原理是建立一個高精度的平面控制網，利用數位相機對其進行拍攝；考慮到相機的像平面與控制網平面不能嚴格平行，根據控制點的物方坐標，利用投影變換計算出控制網中每個控制點的理論像片坐標(無誤差的像片坐標)；將拍攝影像導入輸入計算機，對控制點像片坐標進行量測；根據控制點的理論坐標與實際量測值的差值，採用合理的數學模型對其進行改正，以達到所有控制點的理論坐標與實際量測值的差值的平方和最小。
(1)構建平面網格控制場。在平坦的牆面或空間垂直面上設計坐標方格網，例如將整個方格網為10*16格，每格150mm*150mm，在方格上布29個點，以中心點0(1350，1050)為原點，，建立右手坐標系，可得到每點的坐標值。如圖1所示。
(2)投影變換參數的計算對網格面進行拍攝，由於拍攝時不能保證相機與網格面嚴格平行，這會引起像點構像透視變形。為獲得構像畸變差，先將牆面上的格網點通過透視變換公式投影到成像平面上，其與相應格網點的實際構像位置的差可認為是物鏡構像畸變差。透視變換公式為X=a2x+a3y+a4a1x+a8y+1-----Y=a5x+a6y+a7a1x+a8y+1]]>(式1-1)理論上，要用沒有構像畸變差的控制點像片坐標來反算8個投影變換參數，但由於沒有畸差的控制點像片坐標不可得，又由於在像片中心附近的控制點的構像畸變差比較小，可選取格網上四個對稱點，因為對稱關係有利於抵消構像畸變差對解算8個透視變換參數的影響。同時，對稱點也不要選在太靠格網外圍的位置，因為離中心點越遠，其構像畸變差也越大。如圖1，可取9、10、11、12號點，求出8個投影變換係數的初始值[a1(0)a2(0)a3(0)a4(0)a5(0)a6(0)a7(0)a8(0)]列出線性化後的誤差方程式V2n1=B2nXXX1-L2n1]]>(式1-2)求出8個投影變換係數的最小二乘解。
(3)畸變係數求解根據求得的8個投影變換係數，就可以確定控制場物方坐標與像方坐標的對應關係，即利用這8個投影變換係數，根據控制點的物方坐標，便可計算出每個控制點的像片坐標理論值，控制點的理論像片坐標與實際量測的像片坐標差值Δx、Δy認為是物鏡構像畸變差。根據畸變差的特點，即①物鏡構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射線上是對稱型畸變，而切向畸變差是一種非對稱型畸變。
②距離像片中心像元越近，構像畸變差越小，誤差基本上關於中心像元呈對稱分布。
綜合上述構像畸變差的特點，採用如下數學模型對原始影像進行畸變校正
x=(x-x0)(k1+k2r2+k3r4)+p1(r2+2(x-x0)2)+2p2(x-x0)(y-y0)y=(y-y0)(k1+k2r2+k3r4)+p2(r2+2(y-y0)2)+2p1(x-x0)(y-y0)]]>(式1-3)其中Δx，Δy為像片坐標改正值，x0，y0為像主點在像平面坐標系中的坐標，r為像點的徑向半徑，即為像片上像點到像主點的距離r=(x-x0)2+(y-y0)2,]]>k1，k2，k3為徑向畸變係數，也稱對稱型畸變係數，p1，p2為非對稱型畸變係數。
利用任意三個控制點列出五個方程，計算畸變係數k1，k2，k3，p1，p2的初始值，然後根據所有點列出誤差方程式，求出k1，k2，k3，p1，p2的最小二乘解。
2.數位相機內方位元素的測定(1)製作數位相機可量測化檢測裝置在利用單張像片進行空間後方交會解算相機內方位元素時，必須在空間分布合理的高精度的物方控制點，因此需建立一個高精度而穩定的專用檢測裝置，用以鑑定相機的內方位元素及研究近景攝影測量的精度。
本發明實施例的數位相機可量測化檢測裝置，參見圖2。該裝置的箱形框架1取材鋁合金型材裁製成杆，杆長取值範圍1～4米，採用焊接工藝製作而成。該箱形框架1包括有連杆2、橫梁3、支撐杆4、加強杆5和橫杆6，其中橫杆6位於箱形框架1前框下方且與前框兩側框條相連，並使前框分為上框與下框。連杆2為二根，該二根連杆交叉分別與上框對角相連，橫梁3亦為二根，該二根橫梁3分別與箱形框架1的左右側框兩側框條相連。支撐杆4亦為二根，該二根支撐杆4一端分別與箱形框架1的左右側框上部框條相連。加強杆5位於箱形框架1後框，該加強杆5兩端分別與後框上下框條相連。此外所述箱形框架1的框條上還分布有標有標號的不乾膠標貼7。
使用該裝置進行數位相機實例參數檢測過程如圖3所示，圖中S1、S2依次分別為拍攝時的相機左、右攝站點位置；S1、S2的連線為拍攝基線；圖中直線L1、L2依次分別為相機在左、右攝站點位置上的主光軸；圖中平面P1、P2依次分別為拍攝時的左、右像片；圖中點M為該裝置中的一個控制點即一個標貼；圖中m1、m2依次分別為點M在左、右像片上的成像點。具體檢測步驟如下①將用於檢測的數位相機設置成光圈優先模式，將焦距調至無窮遠，使之保證拍攝時相機的內方位元素保持固定；②在距控制場3～4米處選擇兩拍攝站點，該兩拍攝站點連線的中點與點M的連線構成中軸線。上述兩拍攝站點連線的長度為中軸線長度的1/8～1/5；③在左攝站點(如圖3所示S1)，用相機瞄準檢測裝置進行拍攝，然後在右攝站點(如圖3所示S2)，用相機瞄準檢測裝置進行拍攝，兩次拍攝時相機距地面高度一致。然後將上述拍攝到的圖像傳輸到計算機，利用配套軟體進行圖像分析計算，即可確定相機內方位元素。
為了得到控制點的物方坐標，利用在控制場前方同時架設的兩臺經緯儀觀測所有控制點，由經緯儀前方交會和三角高程法獲得各點坐標。公式如下(以p點為例)Xp=ldsinsin(90-)/sin(180--)Yp=ldsincos(90-)/sin(180--)Zp=Xp2+Yp2tg]]>(式2-1)式中l為基線規化係數，α，β分別為兩測站觀測同一點的方向角，γ為p點的豎直角，d為兩測站間的距離。
由兩點法前方交會精度公式及本次檢測的實際情況(兩測站是已知的)可知p點的量測精度為Mp=Mra2+b2/(sinr)]]>(式2-2)其中a，b分別為兩測站到p點的距離，r為p點交會夾角，Mr為測角中誤差，Mp為p點的點位中誤差。因為採用的T2經緯儀方向中誤差(基線方向)為±2″，所以Mr=22.]]>基線長度精度為0.1mm，再由所有控制點各項指標的平均值，計算得到Mp＝0.3mm。即控制場的平面點位精度為0.3mm，這為內方位元素的測定精度提供了保障。
(2)相機內方位元素的解算首先利用以上求得的畸變係數對量測得到的檢測裝置上各控制點的像方坐標進行構像畸變差改正，然後根據構像共線方程x-x0=-fa1(X-Xs)+b1(Y-Ys)+c1(Z-Zs)a3(X-Xs)+b3(Y-Ys)+c3(Z-Zs)y-y0=-fa2(X-Xs)+b2(Y-Ys)+c2(Z-Zs)a3(X-Xs)+b3(Y-Ys)+c3(Z-Zs)]]>(式2-3)式中，a1，a2，a3，b1，b2，b3，c1，c2，c3為方向餘弦，X，Y，Z為控制點物方坐標，x，y為控制點像方坐標。對其線性化，得 (式2-4)其中x0，y0，f即為像片內方位元素，Xs，Ys，Zs，ω，，κ為像片外方位元素。
在解算過程中，需要先給出內、外方位元素的初值，以及5個以上的控制點的物方坐標和經過畸變改正的像方坐標。通過以下具體過程求解①輸入內外方位元素初始值、控制點物方坐標和畸變改正後的像方坐標②組成旋轉矩陣及誤差方程③組成法方程，求解方位元素改正值④計算改正後的內外方位元素⑤判斷改正值是否小於限差。
為了防止數位相機在每次使用時產生不同的內方位元素，固定調焦距，並在實驗中多次重複，測出每次的內方位元素。經過多次比較，發現數位相機的內方位比較穩定，其圖像能夠進行量測。
3.相機外方位元素改正值的測定為滿足某些數碼攝影地質測繪編錄的需要，例如對採用像方控制的數碼攝影，還必須將其改造成能夠安置影像外方位元素的專用攝影裝置。根據傳統近景攝影機的模式，「數碼攝影地質測繪編錄系統」中採用了兩種改造裝置，其一是將數位相機連接至經緯儀上，利用經緯儀的軸系關係來安置相機外方位的方案，即形成「攝影編錄經緯儀」。其二是設計一種獨立於經緯儀之外，用於安置數位相機和攝影定位的專門儀器，即「數碼攝影地質編錄儀」。這兩種裝置安置數位相機後如果未經實驗檢測，同樣不能直接應用於數碼攝影地質測繪編錄。因為像方控制的拍攝模式必須已知拍攝裝置的外方位元素，否則幾何精度無法控制。
外方位元素改正值共有六個。角元素改正值是由支架加工安裝誤差引起的，其中Δφ是由相機物鏡主光軸與望遠鏡視準軸不共豎直面造成的偏角改正值，Δω是因兩軸不平行造成的傾角改正值，Δκ是因影像構像行方向與經緯儀豎軸不垂直造成的旋角改正值，如圖4中(a)、(b)、(c)所示。線元素改正值則是相機物鏡節點與經緯儀橫豎軸交點之間的三個偏心值ΔXs、ΔYs、ΔZs，如圖4中(d)、(e)所示。一般約定，Δφ順時針轉角為正，Δω朝上轉角為正，Δκ逆時針轉角為正。
本發明中外方位元素的六個參數均由實驗檢測軟體計算得到，其方法是將「攝影編錄經緯儀」或「數碼攝影地質編錄儀」安置數位相機，對平面網格場進行定位拍攝，然後將圖像傳輸到計算機，利用軟體進行圖像分析計算確定外方位控制元素。
權利要求
1.一種數位相機可量測化檢測方法，該方法為下述步驟(1)、使用數位相機在平坦的垂直面上構建一坐標網格，網格單元大小依數位相機採用之焦距與景深調整，(1.1)、通過相機移位或定位拍攝圖像，然後將圖像傳輸到計算機進行圖像分析、計算與確定畸變係數，進行相機畸變係數檢測，所述畸變係數的計算方法是採用如下數學模型對原始影像進行畸變校正x=(x-x0)(k1+k2r2+k3r4)+p1(r2+2(x-x0)2)+2p2(x-x0)(y-y0)y=(y-y0)(k1+k2r2+k3r4)+p2(r22(y-y2)2)+2p1(x-x0)(y-y0)]]>(1.2)、將設有數位相機的攝影編錄經緯儀或地質數碼攝影編錄儀，通過相機移位或定位拍攝圖像，然後將所得圖像傳輸到計算機進行圖像分析確定其外方位控制元素，(2)、使用數位相機可量測化檢測裝置進行相機內方位元素檢測，即在檢測裝置前方架設兩臺經緯儀或全站儀，利用經緯儀或全站儀觀測所有標貼代表的控制點，通過前方交會和三角高程法獲得各控制點的物方坐標，通過相機移位或定位拍攝圖像，然後將圖像傳輸到計算機進行圖像分析、計算與確定其內方位元素，所述內方位元素的計算方法是採用如下數學模型
全文摘要
一種數位相機可量測化檢測方法，該方法為下述步驟(1)使用數位相機在平坦的垂直面上構建一坐標網格，網格單元大小依數位相機採用之焦距與景深調整；(2)使用數位相機可量測化檢測裝置進行相機內方位元素檢測。本發明即由上述步驟獲得相機畸變係數和內、外方位元素，實現數位相機可數量化。該方法設計簡單，操作方便，檢測準確，且速度快、效率高。由於方法得當，界面友好，當檢測場內實驗拍攝的圖像傳輸到計算機內時，可以快速準確地得到數位相機的量測化參數。
文檔編號G01M11/00GK1793811SQ20051003231
公開日2006年6月28日 申請日期2005年10月28日 優先權日2005年10月28日
發明者李 浩, 劉新中, 張友靜, 夏宏良, 楊彪, 鄒文志 申請人:中國水電顧問集團中南勘測設計研究院, 河海大學