非量测数码相机检校方法的研究

1、第34卷增刊2009年4月测绘科学Sc i ence of Surveying and M app i ngVol 134Suppl20091 作者简介:杨军(1968-,男,湖南临澧人,工程师,现主要从事建筑测量的基础工作和研究。E 2m ai:l e m a illsl 1631co m 收稿日期:2009202204基金项目:国家自然科学基金(40474003非量测数码相机检校方法的研究杨 军(河南焦作市政工程公司,河南焦作 454000=摘 要>普通数码相机在图像获取方面有着很多优势,但它是非量测化相机,不能用普通数字摄影测量方法对其数字图像进行处理。针对这一情况,本文提出了建立

2、三维控制场对非量测数码相机进行检校,采用DLT(直接线性变换方法计算出非量测数码相机的内外方位元素,实现非量测数码相机获取像对的可量测化。最后通过在河南焦作地理信息产业园主楼区域建立三维控制场试验,进行数据采集后获取了实际的三维模型。=关键词>DLT ;控制场;非量测;相机检校=中图分类号>P232;P24 =文献标识码>A =文章编号>100922307(200907200892031 引言近年来,除测绘领域之外,其他行业如机械制造、建筑、医学等,对近景摄影测量技术的需求也越来越大,传统的量测相机已经无法满足需求,而越来越普及的非量测数码相机正好可以填补这个空缺,利用

3、非量测相机进行摄影测量具有非常远大的应用前景。随着计算机技术的进步和数字图像处理、模式识别等学科的不断发展,数字摄影已成为当今研究的主要测量方法,而数字摄影测量的首要任务是获取原始影像。影像获取装置一般分为二种:第一种是由量测摄影机拍摄获得纸质像片后,用扫描仪将像片完全数字化,再输入计算机得到数字影像;第二种是由CCD 非量测数码相机直接获得数字影像,数字影像可直接输入计算机进行处理。显然第二种方法更简便,省去了像片扫描数字化的过程。但普通非量测数码相机存在较大的镜头畸变,并且内方位元素主距f 和像主点(V o ,Åo 都是未知的,必须先对其进行检校,然后才能进行后续的像点量测和数据

4、处理。针对这种情况,本文提出了基于DLT 方法的非量测数码相机的可量测化思路D LT(D irect Li ner Transfor m ati on方法因计算时不需要摄影机内外方位元素初值,特别适用于非量测数码相机所摄影像的摄影测量处理,所以在近景摄影测量中被广泛应用。2 非量测数码相机的优点量测摄影机的内方位元素参数是已知的,其影像具有明确的几何位置关系。但量测摄影机价格昂贵,仪器笨重,进行外业拍摄时很不方便。与之相比,非量测数码相机作为影像获取装置有如下优点:1一般非量测相机是不能提供内方位元素的,然而由于数码相机是以数字方式存储像片的,对于每一张像片而言,像素点的数目及排列都是一定的,

5、这就使得在微机上所量测得到的像平面坐标系参考点全都相同。2软片压平误差是量测摄影机的主要系统误差之一。而数码相机摄影不需要底片,因此不存在此项误差。3采用量测摄影机,需要冲洗底片、放大像片。这样不仅消耗人力物力,而且数据处理周期较长,效率低,信息反馈慢,不符合一般工程监测的快速安全的特点。而非量测数码相机采用存储卡存储影像,可直接与计算机连接,因而效率高,信息处理周期短。4一体化,体积小,重量轻,适应性强,在地形复杂地区进行外业拍摄具有很强的机动灵活性。3 主要研究内容建立非量测数码相机检校三维控制场,利用测量仪器设备精确测量出控制场内控制点的空间三维坐标,变换共线方程式得出DL T 模型公式

6、,利用DL T 模型公式计算出非量测数码相机的镜头畸变系数和相机内方位元素值。311 三维控制场的建立在三维空间场地范围内均匀布设一定数量的控制点,利图1 前方交会计算平面坐标原理示意图用测量仪器设备通过前方交会和三角高程方法获取每一个控制点的三维坐标(X 、Y 、Z 数据。1控制点坐标获取方法和原理前方交会测量控制点的平面坐标,如图1所示为前方交会计算平面坐标原理示意图。已知A 点坐标为(X A ,Y A ,B 0点坐标为(X B ,Y B ,夹角N A 、N B 可由经纬仪(全站仪测得,P 0点为待求点(X P ,Y P ,可以推导出如下前方交会计算平面坐标通用公式(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图2 三角高程测量方法原理示意图三角高程测量控制点高程值,如图2所示为三角高程测量方法原理示意图。由图中几何关系可以推导出如下三角高程方法计算高程通用公式(2:Z P =12(h A P +h BP (2测绘科学 第34卷2精度分析数学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 :测站点A 、B 的点位中误差;m:内角A 、

8、B 的测角中误差;S :基线A B 的长度;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 :测站点与待定点间的距离中误差;M a:垂直角的测角中误差;A :垂直角;C :交会角312 相机镜头畸变系数的解算由于相机物物镜在加工、安装和调试过程中难免存在一定的残余像差,这一残差会引起物镜构像畸变,构像畸变差是数码相机产生误差的最主要原因。物镜构像畸变有两种:径向畸变差和切向畸变差。径向畸变在以像主点为中心的辅助线上是对称型畸变,而切向畸变差是一种非对称型畸变。综合上述两种畸变,物镜构像畸变差改正公式(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 为像点的径向半径,即为相片上像点到像主点的距离,V ,Å为像点量测坐标,k 1,k 2,k 3为径向畸变差系数,v x ,v y 为像点坐标改正值,V o ,Åo 为像主点在像平面坐标系中的坐标,p 1,p 2为非对称型畸变差系数。利用DLT 模型公式可以进一步解算出k 1,k

10、 2,k 3,p 1,p 2。313 相机内方位元素的解算根据如下构像共线方程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为方向余弦,X,Y ,Z 为控制点物方坐标,V ,Å为控制点像方坐标。对上式进行进一步的化简,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需要解答的参数总共有11个,如在物方布设6个控制点就可解这11个参数,然后进一步可解得相机的内外方位元素。图3 试验非量测数码相机检校三维控制场4 实验情况 在河南焦作地理信息产业园主楼区域建立高精度三维控制场(见图3,该控制场以墙体和柱体为基础,控制场内均匀布设63个索佳测绘仪器附属反射片材质控制点,利用索佳SET230RK3型号2秒级全站仪分两站通过前方交会测量方法获取控制点三维坐标数据如表1所示。表1 试验三维控制场控制点三维坐

12、标点号X Y Z 点号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试验中采用佳能EOS 40D 型号非量测数码相机进行检校试验,定焦镜头。相机具体参数规格如表2所示。表2 检校试验相机参数指标序号项目名称项目指标备注1感光元件C MOS2传感器尺寸22121418m m C MOS3总像素1050万4有效像素1010万5最高分辨率388825926光学变焦固定镜头7镜头特点f=50mm ,定焦镜头相机检校结果如表3(V o 、Åo 、f 、k 1单位为像素,X s 、Y s 、

13、Z s 单位为mm ,其余角度单位为弧度所示。表3 相机检校结果项目名称项目数值项目名称项目数值V o 1921104Y s10141042Åo1285147Z s 1011018f 1830152U 01004868k 141210-8X 11663216Xs10011301J01353254利用相机的检校参数对控制场内部分控制点坐标进行计算,并与全站仪测得的点位坐标进行比较结果见表4。90增刊 杨 军 非量测数码相机检校方法的研究表4 误差值比较误差点号$X 1$Y 1$Z 1$=$X 21+$Y 21+$Z 210107011101160121 图4 立柱三维模型显示可将全站仪

14、测得的点位三维坐标数值看作真值,故相机测的值与全站仪测得的相应点坐标之差即可看作测量误差,由表4看出试验测定点位误差精度达到0149mm 。利用上述试验中使用的相机对河南焦作地理信息产业园主楼前的立柱拍摄了一对立体像对,提取影像上的特征点和特征直线,通过连续法相对定向和空间前方交会,建立了立柱的相对模型,并在计算机上实现了该模型的三维虚拟仿真显示,如图4所示。5 总结通过建立三维高精度控制场完成对普通非量测数码相机畸变系数检校、内方位元素获取和外方位元素获取,完成了对其的可量测化的应用,并使用检校后的非量测数码相机对黑龙江省地理信息产业园主楼的立柱拍摄了一对立体像对,完成了三维重建。有效地提高

15、了数字摄影测量数据采集的效率,为数字摄影开拓了更大的应用前景。参考文献1王之卓1摄影测量原理M 1武汉:武汉大学出版社,200712M icrosoft V isual St udio 2005帮助文档K13冯文灏1近景摄影测量M 1武汉:武汉大学出版社,200214同济大学教学研究室1工程数学线性代数M 1北京:高等教育出版社,199115冯文灏,李欣,等1准二维控制场的建立及其应用J1武汉大学学报,2005,30(216美M ahesh Chand ,著1韩江,等译1GDI+图形程序设计M 1电子工业出版社,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页4 结论与展望总之,我们对上述模型的优劣性进行了分析,只有充分了解建立模型的数学方法,才能不断完善各种海图制图模型,从而建立更加适合海图制图发展的先进模型。当前,海图制图模型还在不断的扩展和建立中,我们要利用正确的数学方法来设计和建立海图制图模型,除了以上的数学方法外,我们还应该在图论、模糊集合论以及灰色系统理论和方法等现代应用数学的基础上,着重研究数学模型与海图制图模型的/接口0问题。参考文献1王家耀,邹建华1地图制图数据处理的模型方法M 1北京:解放军出版社,199212朱长青,史文中1空间分析建模与原理M 1北京:科学出版社,200613王厚祥,李进杰1海图制图综合M 1北京:测绘

20、出版社,199914杜景海1海图编辑设计M 1北京:测绘出版社,199615何宗宜1地图数据处理模型的原理与方法M 1武汉:武汉大学出版社,200416祝国瑞1用等比数列法选取河流J1测绘通报,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