（地图制图学与地理信息工程专业论文）基于共面条件的ccd相机检校精度分析.pdf

论文题目：基于共面条件的c c d 相机检校精度分析 专业：地图制图学与地理信息系统t 程 硕士生：高琴( 签名)壶整 指导教师：全斌 ( 签名) 全立弦l 摘要 c c d 相机，又称数字相机，它是运用c c d 光电成像技术发展起来的新一代相机。 近年来，c c d 相机逐步应用于近景摄影测量、低空摄影测量。摄影测量的成果精度能 否满足工程要求，取决于相机的技术参数和数据处理的技术方法。因此相机技术参数的 检校是保证成果质量能否满足精度要求的关键问题之一。 对普通非量测型数码相机的检校，一种常用的方法是直接线性变换( d l t ) 模型法， 其基本思想是在空间设置足够数量的控制点，事先测定每个控制点的空间坐标位置，用 相机对控制点进行拍摄，将像点坐标和空间坐标代入构像方程，就可计算出该相机的内 外方位元素。当考虑镜头畸变误差时，就要加上系统误差改正数。从而实现相机主距， 像主点坐标以及因光学畸变等因素引起的系统误差改正数的检校改正。经过大量专家学 者多年的研究分析，d l t 直接线性变换相机检校法已经发展成熟，检校成果点位精度已 达到0 3 5 像素。但是该方法需要建立高精度控制场，给摄影测量的野外工作带来不便。 基于该原因，本文提出了一种新的无需物方控制的相机自检校法，即基于共面条件 的连续像对相对定向的方法，实现相机各参数值的检校。并与d l t 方法的相机检校结 果相比较，以检验各个检校参数的可靠性。实验结果表明，共面条件检校方法是可靠的。 关键词：c c d 相机；检校；共面；畸变差；连续像对；相对定向 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：t h ea c c u r a c ya n a l y s i so fc c dc a m e r ac a l i b r a t i o nb a s e do n c o p l a n e s p e c i a l t y ：t o p o g r a p h i c a lm a p p i n ga n dg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o n e n g i n e e r i n g n a m e：g a oq i n i n s t r u c t o r ：q u a nb i n a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) c c dc a m e r a , h a sa n o t h e rn a n l ec a l l e dd i g i t a lc a m e r a i ti san e w g e n e r a t i o nc a m e r a 、析t l l t h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a li m a g i n gt e c h n o l o g y i nr e c e n ty e a r s ，c c dc a m e r aa p p l i e st oc l o s e r a n g ep h o t o g r a m m e t r ya n dl o wa l t i t u d ep h o t o g r a m m e t r yp r o g r e s s i v e l y w h e t h e rt h ep r e c i s i o n o fp h o t o g r a m m e t r i cr e s u l t sc o u l dm e e tt h e p r o j e c tr e q u e s t , d e p e n d i n go nt h et e c h n i c a l p a r a m e t e ro ft h ec a m e r aa n dd a t ap r o c e s s i n gt e c h n i c a lm e t h o d s s oc a l i b r a t i o no fc a m e r a p a r a m e t e ri sak e yp r o b l e mt og u a r a n t e er e s u l tq u a l i t y a c c o r d i n g t ot h ec a l i b r a t i o no ft h eo r d i n a r yn o n - m e t r i cd i g i t a lc a m e r a , o n ec o m m o n l yu s e d m e t h o di st h ed i r e c tl i n e a rt r a n s f o r m a t i o n ( d l t ) i t sb a s i ct h o u g h ti st h a te s t a b l i s h i n g e n o u g hc o n t r o lp o i n t si n3 ds p a c e ，d e t e r m i n i n gt h es p a c ec o o r d i n a t e sf o re a c hc o n t r o lp o i n t b e f o r e h a n d ，t a k i n gt h ep h o t o g r a p h yo ft h ec o n t r o lp o i n tw i mt h ec a m e r a , a n dt h e nl e a d i n gt h e p i c t u r ec o o r d i n a t e sa n dt h es p a t i a lc o o r d i n a t e s i n t ot h ed l tc o n f o r m a t i o ne q u a t i o n , c a l c u l a t i n gi n n e ra n de x t e r n a le l e m e n t so ft h i sc a m e r a w h e nc o n s i d e r i n gl e n sd i s t o r t i o ne r r o r , t h es y s t e me r r o rm u s tb ea d d e d t h u sr e a l i z i n gt h ec a l i b r a t i o nc o r r e c t i o no ft h ec a m e r ah o s t ， t h ec o o r d i n a t e so ft h ep r i n c i p a lp o i n ta sw e l la st h es y s t e me r r o rb e c a u s eo ft h el e n sd i s t o r t i o n a f t e rm a n yy e a r s r e s e a r c ha n a l y s i sb ym a n ye x p e r t s ，t h ed l tc a l i b r a t i o nl a wa l r e a d y d e v e l o p e dm a t u r e l y , a n dt h ep o s i t i o np r e c i s i o no fc a l i b r a t i o nr e s u l t si sa l r e a d ya c h i e v i n g0 3 5 p i x e l s b u tt h i sm e t h o dn e e d st oe s t a b l i s ht h eh i g ha c c u r a c yc o n t r o l l i n gf i e l d ，b r i n g i n gg r e a t i n c o n v e n i e n c et ot h ep h o t o g r a p h i cf i e l do p e r a t i o n b a s e do nt h i sr e a s o n ，t h i sa r t i c l ep r o p o s e do n en e wc a m e r ac a l i b r a t i o nm e t h o dw i t h o u tt h e o b j e c tc o n t r o l ，n a m e l ys u c c e s s i v es t e r e o p a i r sr e l a t i v eo r i e n t a t i o nb a s e do nc o p l a n ec o n d i t i o n , r e a l i z i n gt h ec a m e r ac a l i b r a t i o nt ov a r i o u sp a r a m e t e r s ，a n dt h r o u g ht h ed l t m o d e lt oe x a m i n e t h er e l i a b i l i t yo ft h ec a m e r ac a l i b r a t i o nr e s u l t s 刀摇e x p e r i m e n t a lr e s u l ti n d i c a t e dt h a t , c a l i b r a t i o nm e t h o db a s e do nt h ec o p l a n ec o n d i t i o ni sr e l i a b l e k e yw o r d s ：c c dc a m e r a c a l i b r a t i o n c o p l a n eo p t i c a ld i s t o r t i o n e r r o r s u c c e s s i v es t e r e o p a i r sr e l a t i v eo r i e n t a t i o n t h e s i s ：a p p l i e ds t u d y 妻料技太肇 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名向銎眺硎野卅删 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 指导教师签名住刹 劭彤莎年午月 _ c b 1 绪论 l 绪论 1 1 课题来源及选题依据 在近影摄影测量的信息获取手段中，最常选用的仪器是量测摄影机。这类摄影机是 专门为测量目的而设计制造的，它的光学畸变小，具备记录内方位元素的功能或可测定 内方位元素，有框标装置，并配有外部定向装置，这为在测图仪上进行信息处理和成果 输出提供了方便。但是随着近景摄影测量应用范围的日益拓广，近影摄影测量己不仅仅 应用于测量界，还广泛渗透到工业监控、建筑、生物、医学、交通等领域，这样，选择 使用量测摄影机作为获取影像信息的手段就显出诸多限制，如摄影距离受限，调焦范围 有限或不可调焦，机器笨重等。因此，灵活轻便，可任意调焦，价格便宜的普通摄影 摄像机，便被引入近景摄影测量领域。其中数码相机是获取摄影测量数据的重要设备。 近景摄影测量的基本任务就是从摄影机或数码相机获取的图像信息出发计算三维 空间中物体的几何信息，并由此重建和识别物体。而空间物体表面某点的三维几何位置 与其在图像中对应点之间的相互关系，是由摄影机或数码相机成像的几何模型决定的， 这些几何模型参数就是相机参数。 在进行精确近景摄影测量工作前，对于普通的非量测数码相机来说，相机参数必须 通过实验和计算才能得到，确定相机参数的过程就称为相机检校。 普通的非量测数码相机的主距厂和像主点在像片中心坐标系里的坐标( ，y 。) 都 是未知的，必须进行内定向。同时非量测相机由于镜头的光学畸变，使得所量测的像点坐 标产生误差，它造成像点、投影中心和相应的物方点之间的共线关系受到破坏，其结果势 必影响物方坐标的解算精度，因此也必须对畸变差进行校正。 c c d 数码相机作为主要的近景量测设备之一，其量测精度是决定物方的点位精度 的主要因素。衡量相机量测精度和稳定性的指标主要依据相机和镜头的一些参数，如内 方位元素以及镜头畸变等参数【l 】。对相机各个参数进行检校是该项目的主要工作之一。 另一方面，c c d 相机作为比较新兴的事务，在应用于测绘行业过程中，存在一些技术 问题，比如它的量测精度能达到多高，量测的稳定性如何等等，这些都需要做一些深入 的实验和研究工作。 本课题基于以上研究目的，来源于西安科技大学摄影测量实验室科研项目，其中硬 件包括c c d ( c h a r g ec o u p l ed e v i c e ) 、物方转台系统、计算机；软件包括 p h o t o s h o p ，c a d ，v c + + 。本课题主要解决近景摄影测量过程中非量测相机参数检校难以 布设控制场的问题。 西安科技大学硕士学位论文 1 2c c d 相机检校的必要性以及意义 近景摄影测量作为摄影测量的一个重要分支，近一、二十年以来获得了很大的发展， 在高精度三维测量以及变形监测、工业检测等领域有了不少成功的经验。例如我国已将 近景摄影测量应用于文物保护，美国俄亥俄州立大学将近景摄影测量应用于移动测图系 统等【5 】o 近景摄影测量是通过摄影和后处理以获取被摄目标形状、大小和运动状态的一门技 术。与其它的测量手段相比，它有较多的优势，比如不伤及被测物体，信息容量高，信 息可重复使用，精度高，速度快，躲避危险环境而远离摄影对象等。 在近景摄影测量中，摄影一般是在地面上较近距离范围内进行的，摄影距离一般小 于3 0 0 米，所以相对于常规摄影测量比如航空摄影测量，它有自身的一些特点： ( 1 ) 以测定目标物的形状和大小为目的，而不注重目标的绝对位置； ( 2 ) 在目标物的大小，目标物距离摄影机的距离以及目标物的测定精度等方面差别 悬殊； ( 3 ) 产品形式多种多样； ( 4 ) 控制点的布局可能有特殊要求，控制点和待定点大多是人工标志点，为系统误 差的消除提供了有利条件； ( 5 ) 各类非量测用摄影机的应用，以及相应的特殊的理论与处理方法； ( 6 ) 量测动态目标，包括快速运动目标，运动状态的测定： ( 7 ) 有时采用交向摄影、倾斜摄影等大角度大重叠的多重摄影方式【1 】； ( 8 ) 坡度的影响：航空摄影测量的平坦地区，在近景摄影测量中成为9 0 。的坡度； ( 9 ) 摄影深度与高差：在数字近景摄影测量中，其测量的相对深度远远大于航空摄 影测量的相对航高差； ( 1 0 ) 摄影的条件：在近景摄影测量中，无论是遮挡还是摄影场地的限制影响，问题 要比航空摄影测量严重； 近年来近景摄影测量已广泛应用于各类建筑工程、机械制造、汽车制造、城市区域 规划、古建筑与古文物研究、考古等等方面，其发展前景十分广阔。一般来说在近景中 对精度要求都是比较高的，特别对于机械制造、汽车制造等等方面，而量测所能达到的 精度关键在于所选用的设备能提供的精度，在近景摄影测量种指的就是摄影或摄像设 备，如果要保证这些摄影或摄像设备提供较高的量测精度，就必须对其各个参数指标进 行精确的检校。 对于一般的摄影机或摄像机的检校，前人已经作了很多工作，积累了经验。本课题 的研究对象就是针对新兴发展起来的c c d 相机，在借鉴普通相机检校的基础上作一些 探讨工作i l 】。通过c c d 相机检校参数的确定，比如内方位元素，光学畸变参数的确定 2 1 绪论 有两点意义：一方面，它们是衡量c c d 相机“品质的重要指标，也就可以确定用此 相机量测时所能达到的精度，从而可以在施测前对精度作出估计；另一方面，利用这些 参数可以对施测后的数据进行改正，从而也就可以达到较高的量测精度要求。 1 3 国内外研究现状 目前，国内外有关c c d 相机的检校工作做得还不是很多，主要是由于c c d 相机 是新近发展起来的摄影工具，它用于国内测绘行业也刚刚起步。但随着c c d 相机广泛 地应用于各个行业，特别是对精度要求较高的行业，对其各个参数检校的工作日趋迫切。 国内，武汉大学遥感信息工程学院近景摄影测量实验室，主要带头人冯文灏教授， 他们在传统相机检校理论、方法、实现等方面作了较多的研究工作【l 】：通过室内、室外 实验场以及一些活动的控制装置，做了大量的实验研究，积累丰富的经验；通过一些实 地的工程项目，验证了在不同实验条件下所获得的检校数据的真实性和可靠性。武汉大 学李德仁教授在c c d 相机检校方面做了一些重要工作，他提出了在标定c c d 相机的内 部参数如内方位元素、畸变差、比例因子等参数的工程中，分阶段进行标定的思想，这 样就克服了传统的整体标定方法中各个未知参数的相关性的影响，从而保证了标定结果 的数据一致性和精度。清华大学的周国清在c c d 相机畸变的模型方面做了一些探讨工 作，北方交通大学的朱庆详细阐述了c c d 相机检校的d l t 方法，并通过实验分析了控 制点数量与分布，误差模型的选择等因素对标定相机参数的影响【2 j 。 国外有多位专家、学者在传统相机检校方面包括c c d 相机也做了大量的工作。 f a u g e r a s 3 1 ，m a y b a n k 4 】和h a r t l e y 5 】等人提出自检校的概念，证明可以直接从多幅图像中 检校出摄相机的内方位元素，这方面的研究目前已成为计算机视觉领域中重要的研究方 向。澳大利亚的f r y e r ，j g 博士对相机检校的内容、原理和方法做了比较详细的介绍， 而且做了一些试验，并对结果做了一些相关的分析。澳大利亚的墨尔本大学编制了一套 名为( ( a u s t r a l i s ) ) 相机检校软件，该软件具备规则标志点坐标自动获取、空间坐标点的 模拟再现、相机内外方位元素、畸变差计算以及计算结果分析等功能。 总之，国内外在相机检校方面做了大量而且比较全面的工作，但有关c c d 相机检 校方面所作的工作还不全面、系统，主要存在的问题有： ( 1 ) c c d 相机畸变一般较大，是否适用于量测要求，如何精度测定? ( 2 ) 如何提高检校精度? 有哪些方法、途径? 如何进行可靠性分析? 本论文的研究目标是针对以上问题，依据共面条件下连续像对相对定向检校原理， 编制一套检校程序，分析检校方法的特点，检验各检校参数的可靠程度，实现各检校参 数的精度评定。 1 4 课题研究内容 3 西安科技大学硕士学位论文 c c d 相机检校的内容较多，本课题中涉及的检校内容包括：内方位元素的主点位 置( x o ，y 。) 与主距( f ) 的标定，光学畸变系数中径向畸变系数的测定。 本论文应用共面条件下连续像对相对定向检校方法对c c d 相机实施检校。依照论 文的研究目标和相机检校的内容，课题中进行了如下内容的工作： ( 1 ) 共面条件检校方法相比于其它检校方法的优势； ( 2 ) 共面条件下连续像对相对定向检校方法的检校成果与精度分析； ( 3 ) 检校参数可靠性分析类同前方交会方法与d l t 方法比较分析； ( 4 ) 提高检校结果准确性与精度的方法探讨； 1 5 本论文章节安排 本文主要内容和章节安排如下： 第一章：绪论。交代了研究课题的来源依据、研究的目的意义以及该课题国内外的 研究现状。 第二章：c c d 相机结构原理。阐述了本课题研究对象c c d 相机的组成结构和工作 原理以及c c d 相机的性能特点和优势。 第三章：c c d 相机检校内容、方法。阐述了相机检校的内容，介绍了传统的相机 检校方法，同时提出了本课题所采用的检校方法一基于共面条件检校方法的特点以及 优势。 第四章：基于共面条件的c c d 相机检校。详细的介绍了基于共面条件检校方法的 原理、技术特点以及检校方程的推导过程。 第五章：实验过程。结合共面条件检校方法的特点，借助于现有的实验设备，详细 地介绍了本次课题研究的实验过程，包括实验数据的获取，程序的编制以及相机参数的 解算结果。 第六章：检校结果的精度分析与评定。利用类同于前方交会以及d l t 方法，对本课 题参数检校结果进行精度的比较与评定分析，得出的结果是：基于共面条件的相机检校 方法是可行的。 第七章：结论与展望。阐述了论文研究成果，存在的问题探讨以及研究课题的发展 前景。 4 2c c d 相机结构原理 2 1c c d 相机简介 2c c d 相机结构原理 电荷藕合器件图像传感器c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) ，它使用一种高感光度的 半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信 号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数 据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想象来修改图像。c c d 由 许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当c c d 表面受到光线照射时，每个感光 单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完 整的画面。 c c d 和传统底片相比，c c d 更接近于人眼对视觉的工作方式。只不过，人眼的视 网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞，分工合作组成视觉感应。c c d 经过长达3 5 年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型。c c d 的组成主要是由一个 类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。 c c d 芯片是数码相机的核心部分，它是一种“金属氧化物一半导体 集成器件，由 许多的光电耦合元件组成，每个光电单元的大小从几微米到几十微米。一个c c d 芯片 有几十万、几百万、几千万到上亿个这样的光电单元组成，面积一般不超过十平方厘米。 将c c d 芯片放在传统照相机放胶片的位置上，构成了数码相机，不是用胶卷，而是把 c c d 芯片所转化的电信号记录在存储卡上如闪存卡、小磁盘或硬盘，或通过连线输出 给计算机，并从监视器上显示出来i l 。 目前主要有两种类型的c c d 光敏元件，分别是线性c c d 和矩阵性c c d l 6 1 。线性 c c d 用于高分辨率的静态照相机，它每次只拍摄图像的一条线，这与平板扫描仪扫描 照片的方法相同。这种c c d 精度高，速度慢，无法用来拍摄移动的物体，也无法使用 闪光灯。 矩阵式c c d ，它的每一个光敏元件代表图像中的一个像素，当快门打开时，整个 图像一次同时曝光。通常矩阵式c c d 用来处理色彩的方法有两种。一种是将彩色滤镜 嵌在c c d 矩阵中，相近的像素使用不同颜色的滤镜。典型的有g r - g b 和c y - g m 两 种排列方式。这两种排列方式成像的原理都是一样的。在记录照片的过程中，相机内部 的微处理器从每个像素获得信号，将相邻的四个点合成为一个像素点。该方法允许瞬间 曝光，微处理器能运算地非常快。这就是大多数数码相机c c d 的成像原理。因为不是 同点合成，其中包含着数学计算。 数码影像技术正以其无限的创造能力、快速的转移能力、精确的复制能力、大量的 5 西安科技大学硕士学位论文 存储能力、高效的检索能力以及图像的直接获取和更少的环境污染，日益受到人们的高 度重视和大力推荐【1 0 1 。 2 2c c d 相机组成结构和工作原理 数码相机是在计算机技术高速发展人们对图像数字化产生迫切要求的情况下应运 而生的。在其发展的过程中，吸取了传统相机长期以来形成的优点。数码相机从外观上 与传统相机区别不大，其中部分结构与普通相机基本相同，如机身、镜头、闪光灯等， 部分结果与传统相机不同，如感光元件，图像存储器、液晶显示器以及输出控制端口等。 这些不同构成了数码相机与传统相机的本质区别。 数码相机主要有五个部分组成，即取景系统、控制系统、成像系统、输出系统和电 源。数码相机的核心部件主要包括：c c d 图像传感器、a d 模数转换器、m p u ( 或d s p ) 数字信号处理器、图像存储器、l c d 液晶显示器以及输出接口等。图2 1 是数码相机的 原理结构刚。 o 一 镜头 内置存储器 渡晶 毁乐器 可移动 存储器 接珏 图2 1c c d 相机的工作原理 f i g 2 1w o r k i n gt h e o r yo fc c d 上图表示的数码相机的工作原理为：当拍摄景物时，通过镜头将光图像信息作用在 c c d 图像传感器上，光图像信息经c c d 转化为模拟电信号，然后经过a d 模数转换器 转换为数字信号，在经过m p u ( 或d s p ) 数字信号处理器存储到存储器中，这些图像信息 可以在数码相机的l c d 显示器上显示出来，最后，通过数字接口或视频接口输出给计 算机、电视机或打印机等。 2 3c c d 相机的特点及其主要性能指标 c c d 是几乎所有主流数码相机使用的图像传感器，它的作用如同传统相机的胶卷， 负责相机的成像任务，它的性能是影响数码相机成像质量的决定性因素，c c d 的性能 指标主要有两项，即像素数量和尺寸。c c d 像素数量越高，拍摄照片的幅面就越大， 6 2c c d 相机结构原理 细节越丰富；c c d 尺寸越大，成像质量越好，照片噪点越少，画面越干净。 基于c c d 传感器的数码相机是集光学、机械、电子于一体的产品，它集成了影像 信息的转换，影像处理，存储和传输等部件，具有数字化存取模式，与计算机交互处理 和实时拍摄等特点。c c d 数码相机较之普通相机最大的区别就在于它使用c c d 芯片代 替了普通相机的感光胶片，这就形成了数码相机在成像原理上、工作过程以及存储结果 上等方面的特点。较之普通相机，它具备以下几个方面的特点和优势【l j ： ( 1 ) 成像速度快，即拍即显； ( 2 ) 使用图像处理软件，可方便对图片进行编辑、处理； ( 3 ) 复制的无限性和保存的永久性； ( 4 ) 运用网络技术，拍摄的图像可快速远距离传送； ( 5 ) 拍摄图像的同时可记录声音； ( 6 ) 多种游览、观赏方式，广泛的应用范围； ( 7 ) 安全性好，消耗低，明室操作，劳动强度低； ( 8 ) 无化学冲洗过程，不对环境造成污染； c c d 相机的特点和优势给摄影测量与遥感带来一场革命。c c d 相机获取的是数字 图像，使得数据实时处理成为可能，采用c c d 相机采集数据，提高了工作效率，降低 了劳动强度，使得数据永久保存成为可能。 衡量c c d 相机性能的主要指标有：c c d 分辨率、数码影像分辨率、图像存储、取 景器、镜头、数码变焦、镜头焦距、对焦范围、曝光时间范围、光圈范围、程序预设、 连拍、延时、定向感应器、闪光灯、文件格式、视频输出、声频、电源、外形尺寸和重 量等等，多达几十项。其中有些性能指标直观易懂，例如外形尺寸、重量及电源参数等， 有些则专业性较强，如数码变焦、程序预设等。 摄影测量对c c d 相机有特别要求，一般而言，摄影测量中所使用的c c d 相机都是 专业级数码相机或商用级数码相机，应满足摄影测量要求且具备如下的特点： ( 1 ) c c d 分辨率高。高分辨率的c c d 芯片一次可以获得更大范围的清晰影像。 ( 2 ) 镜头质量高。高质量的镜头意味着成像的高质量，影像畸变差小以及易于对图 像进行处理。 ( 3 ) 图像存储介质容量大、存储速度快。对大空间的图像实现快速的存储，这对于 c c d 相机性能的一项重要的指标，可以保证连续、快速拍摄影像。 ( 4 ) 电源质量高。c c d 相机电耗较大，大容量、可充电的电源是摄影测量中所用 c c d 相机的必备条件。 7 西安科技大学硕士学位论文 3c c d 相机检校内容、方法 3 1c c d 相机检校内容 虽然c c d 相机在工作原理和实现方法上较之普通相机有很大的区别，但就其检校 的内容和方法上，可参照传统相机。狭义上来说，检查和校正摄影机( 摄像机) 的内方位 元素和光学畸变系数的过程称之为近景摄影机的检校，广义上讲，近景摄影机的检校的 内容要比上述涉及的内容要宽广，主要包括以下几个方面： ( 1 ) 内方位元素即主点位置( ，y 。) 与主距的测定； ( 2 ) 光学畸变系数包括径向畸变差和偏心畸变差的测定： ( 3 ) 像框坐标系的设定； ( 4 ) 调焦后主距变化的测定与设定； ( 5 ) 调焦后畸变差变化的测定； ( 6 ) 偏心常数e c 的测定； ( 7 ) 比例因子不一的测定； ( 8 ) 成像分辨率的测定； 由于在摄影测量中，摄影机的主点、主距以及光学畸变对测量的精度影响最为明显， 所以本文研究的参数检校主要是对内方位元素以及镜头畸变进行检校，同时，也可得到 每张像片的姿态，即像片的外方位元素。 3 1 1 内方位元素 恢复( 摄影时) 光束形状的要素称为像片的内方位元素。内方位元素是确定摄影中心 s 与所摄像片p 相对位置关系的要素，依据此相对位置即可恢复摄影时光束的形状。对 专用量测摄影机而言，要使数个框标成像在像片p 上，框标的理论位置须经严格测定。 若有四个框标构像在像片p 上，如图3 1 【1 】所示，它们构成一个框标坐标系，也就是像 平面坐标系；而对于c c d 相机所拍摄的影像而言，可将一边中点与对边中点的连线作 为坐标轴而构成像平面坐标系。像主点在此像平面坐标系内的坐标( x 。，y o ) 以及主距厂， 即称之为像片p 的内方位元素。借助内方位元素可唯一地确定摄影中心与所摄像片间的 位置关系，即恢复光束( s a ，s t , ，s 。，) 在摄影时的状态。 8 3c c d 相机检校内容、方法 3 1 2 外方位元素 图3 1 相机内方位元素 f i g 3 ii n n e re l e m e n t so f t h ec a m e r a 外方位元素是确定光束在给定物方空间坐标系d x y z 中位置与朝向的要素。外方 位元素共有六个，三个外方位直线元素和三个外方位角元素。三个直线元素，即坐标值 ( x s ， y s ， z s ) ，如图3 2 1 1 所示，用以表示光束顶点( 摄影中一b ) s 在物方空间坐标系 d - x y z 中的位置；而三个角元素，即三个角度矽，c o ，r 用以表示光束在物方空间坐标 系d x y z 中的朝向。 图3 2 外方位元素示意图 f i g 3 。2e x t e r n a le l e m e n t so ft h ec a m e r a 9 西安科技大学硕士学位论文 3 1 3 光学畸变 光学畸变差是指摄影机物镜系统设计、制作和装配引起的像点偏离其理想位置的点 位误差，它是影响像点坐标质量的一项重要误差【7 1 。光学畸变差分为径向畸变；差( r a d i a l d i s t o r t i o n ) 和偏心畸变差( d e c e n t r i cd i s t o r t i o n ) 两类i s , 9 1 。 a 、径向畸变差：使构像点沿物镜向径方向偏离其准确理想位置的畸变差叫径向畸 变差。 图3 3 径向畸变差 f i g 3 3r a d i a ld i s t o r t i o n 由几何光学可知，物镜系统的径向畸变差可用下述多项式表达： ，= 毛，3 + 七2 ，5 + 式中x r 表示径向畸变差值，七，( i = 1 、3 、5 ) 是描述该物镜系统的径向畸变系数， ，为该像点的向径，它可近似表示为：，2 = o 一) 2 + o y 。) 2 ，该式中( ，y o ) 是像主 点坐标，( x ，y ) 为该像点的坐标。在( x ，y ) 方向上的分量为： x = ( x 一x o ) ( 尼l ，2 + 七2 ，4 + ) ，a y = ( y - y o ) ( 七l ，2 + 七2 ，4 + ) 径向畸变产生的影响如下图所示： 1 0 3c c d 相机检校内容、方法 2 0 0 。 引 l 2 嘎占高高；气1 f 1 占1 苜茹o2 0 0 1 5 0 1 0 0 - 5 00卯1 0 01 5 0 2 0 口 图3 4 径向畸变差对像点的影像 f i g 3 4e 鬻 黎蘩瓣麓露瀚 蠢寨 图3 5 鱼眼畸变 f i g 3 5f i s h - e y ed i s t o r t i o n _ 1 f7 一 _ r “_ 。 “ ： j 磷蕊前搿。霉，。 。一一 t 攀鬈 藏誉i 露鬻嗣瀑藜鏊纛霪簧黼糍髻戮舔翻摧 荔鬟茹镶辫 麟潮蠢攀 凰黛 图3 6 桶形畸变 f i g 3 6b a r r e ld i s t o r t i o n 1 1 瓣 塑熏籍鬏 唆 瓣 0 孥。赫 攀菇， 誓 蓬 搽懑 瓣霉 西安科技大学硕士学位论文 对绝大多数物镜系统，取三个径向畸变系数k ( k l ，k 2k a ) 就可以准确描述它的径 向畸变曲线。对于一些质量较好的物镜系统，需取k l 与k 2 ；对于小像幅的非量测普通相 机可仅取k ；本论文中取畸变系数k l 。 b 、偏心畸变差 由于装配和震动使得物镜系统各单元透镜偏离了轴线或歪斜，从而引起像点偏离其 准确理想位置的畸变差称之为偏心畸变差。 一般情况下，偏心畸变远比径向畸变小，仅为径向畸变的1 5 1 7 t 1 0 】，对于较好的 物镜系统，偏心畸变差影响就更小，所以本论文中偏心畸变差暂且忽略不计。 3 2 相机检校方法 传统相机的检校方法大约可分为五类：光学实验室检校法，基于控制场检校法，无 需控制场检校法和恒星检校法等等【1 】。这些方法各有优缺点，目前而言，c c d 相机检校 涉及到基于控制场检校和无需控制场检校两种方法。其中基于控制场检校法是最为常用 的检校方法，可以达到较高的检校精度。 ( 1 ) 基于控制场的检校法。最为常用，利用物方控制点和共线方程的检校方法，包 括3 d 检校场和2 d 检校场，比如d l t 检校方法。该方法可以达到较高的检校 精度，但需要高精度的物方控制场，费用高昂，不易携带。 ( 2 ) 无需控制场检校法。无需物方控制场，造价低。 主要包括以下几种方法： 基于灭点的方法：直线的灭点是过摄影中心且平行于该直线的直线与像平面的 交点，通俗的说灭点是直线上无穷远点的像，该方法通过灭点直接建立待标定 参数与直线信息之间的关系，从而内外参数联合参与平差。 基于预检校的自检校方法：该方法利用定焦相机的镜头光学结构不随主距变化 而改变的特点，通过预检校获取内方位元素的变化规律，并利用此变化规律来减 少自检校的未知数，简化自检校模型【1 1 17 】。基于k r u p p a 方程的自检校法最为常 用【1 引。 自检校法：利用像片间的关系，比如共面方程解求相机的各检校参数。 本课题研究基于共面条件的相机检校方法。它是一种全新的自检校法，无需物方控 制场，利用目标物的像点坐标通过一系列解算模型即可解求相机的各检校参数。 1 2 4 基于共面条件的c c d 相机检校 4 基于共面条件的c c d 相机检校 4 1 像对相对定向的共面条件 像对的相对定向无论是模拟法或者解析法，都是以同名射线对对相交即完成摄影时 三线共面的条件作为解求的基础。解析法相对定向时，共面条件是借助像空间辅助坐标 系总的坐标关系来表达。像空间辅助坐标系采用s 一, u u w 符号表示，今后用a ，y ，c 0 表示 像点在像空间辅助坐标系中的坐标，而模型点在此坐标系中的坐标相应地用u 、v 、w 表示。 w 7 ， u 图4 1 三线共面 f i g 4 1t h r e ec o p l a n e s 图4 1 表示摄影过程中的一个像对。其中s 、s 为左、右摄影站，地面点a 在左、 右像片上的构像为口，口。若射线勋用向量一s a 表示，射线s 口用向量砑表示，而空间基 线b 用向量西表示，那么当同名射线相交时，三个向量应在同一平面内。根据向量代 数，三向量共面，它们的混合积等于零，即： s s ( s a s a 3 = 0 上式是共面条件的严密式。该式为零的条件是完成相对定向的标准【1 9 】。 1 3 西安科技大学硕士学位论文 像对的相对定向，常用的有连续像对相对定向和单独像对相对定向两种方式，本论 文实验采用连续像对相对定向的方式。像对的相对定向元素都是相对于所取得像空间辅 助坐标系而言的。 4 2 共面条件下连续像对的相对定向原理 4 2 1 检校参数的确定 连续相对的相对定向是以左方像片为基准，求出右方像片相对于左方像片的相对方 位元素。设左、右摄站s 和s 处建立左右像空间辅助坐标系s 一t t , - w 和s l t ，两 者的相应坐标轴平行。此时取左方像片为基准，即左方像片相对于像空间辅助坐标系 s 一t t , w 的外方位元素认为是已知的。因而欲确定右方像片相对于左方像片的空间相对 位置，只需要确定出右方像片相对于像空间辅助坐标系s k t t 删的外方位元素，进而求 得像对的相对定向元素。 此时右方像片待求的相对定向元素为、0 、和b 。和吃。 当同名光线对对相交时，三向量共面条件的坐标表达为【1 9 】： l b 曰。 b 。l f = l u0 3l = 0 式( 4 1 ) l u t 缈l 式中： 爿 见、b 。、b o , 是右摄站s 在左片像空间辅助坐标系中的坐标，即摄影基线b 在 s 一洲坐标系中的分量。 州；二鞠 a x = ( x 一x o ) ( 七l ，2 + | j 2 ，4 + ) ，缈= ( 少- y o ) ( 毛，2 + 七2 ，4 + ) ， 其中，2 = ( x 一) 2 + ( y 一) 2 本论文中取系数毛。 个未知数b p ，吃，矿，f ，蜘，毛，欲解求这些未知参数，就要推导解算方程。 1 4 4 基于共面条件的c c d 相机检校 f ( b o b o , p 0 9 t o 幻 ) = 磊+ 薏蛾+ 薏蛾 式( 4 2 ) + 石a f 缈+ 笔划+ a 刍f a 誓t + 望+ 堡缸。+ 堡a y 。+ 要她：o a 缈7a 矽 a k c y 7 t g x o”a y o”a 后l 1 式中：f o 为用近似值代入严密共面条件( 4 1 ) 后求得的函数值；a b o ，a b e , ， a c o ，a t e ，a f ，瓴，a y 。，a k 。是相对定向元素近似值的改正数，为待定值。 项，所以其各系数值可以用近似式演化得到1 9 1 。各点像空间辅助坐标系和像空间坐标系 兰 = r ；二三；_ = 三! 三i 三；3 x x y 。f + + a 茄y 其旋转矩阵r ，取以u 轴为主轴的转角系统伊，国，x - - 个角度为独立参数，当矿， r = 瞄习 兰 = r ；二兰己；冬 = 耋j 子 ；二至| j ；箸 望：厂，塑：o ，塑：一y ，望：o ，坐：一l ，丝：o ，竺：x 3 + 驯2 a 伊 。a 缈a k 7 a f钆7 砂o7 越l 7 嚣- o ，嚣2 ，芸钉，爹一o ，詈a x 一o ，嚣一l 詈2 2 + y 3 8 够：a 一8 k ；耕 。 1 却、一弧 丝：五塑：儿塑：0 ，a w 一1 ，塑：0 ，a w ：0 ，盟：0 1 = x ，= 1 ，= ，= 一，= ，= ，2 a 缈 a 。7a r a f7 苏o7 钞oa k l ：1 j = r l i y x 一- 2 x o 。+ 声箸 = 三：二； ；毫箸 1 5 西安科技大学硕士学位论文 i 暑i i 暑宣i ；宣i 暑宣暑暑暑置i i ；宣i i i i i i i i 暑昌i i i i i i i 昌暑昌置暑i 宣；i j 宣i i i 宣暑宣暑暑宣暑i ii 宣萱i 暑i ；i ；i i i 宣暑暑暑宣i 宣置宣置 兰吒凳_ o ，笺：砒等- 0 ，娑：1 ，掣- 0 型利，“y 以a k a 一a 国 a 7 7 可 7 叙o。勿o 。 1 。 器一o ，嚣= 厂，筹纠，等一o ，筹一o ，豢一，甏叫拶3 a w - - ：一，型：y ，型：o ，型一1 ，竺：0 ，型：0 ，掣：0 a 矿钉丽2 y 。瓦刈可一瓦2 瓦2 两2 a 。a 缈a r 。彭。锄。勿。佻 从而可以求得右片检校参数的偏导系数值为： = 医 = 巨 a f = l a a f 勘 8 f 叙o 8 f 砂o 8 f a k l o h 习2 l i 1h 习2 i 一3 + r j ，2 1 6 b o d y x 2 + y 3 式( 4 3 ) 矧习 既w r既w少吃w 0 吃w o 吃w 0 吃