專利名稱：數(shù)碼相機可量測化檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)字攝影測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種數(shù)碼相機可量測化的物理檢測方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)條件下，數(shù)碼相機屬于廠家不提供量測參數(shù)的非量測相機，其影像不具有量測性，不能直接利用未經(jīng)技術(shù)檢測的數(shù)碼相機采樣，以達到地質(zhì)數(shù)碼攝影編錄和數(shù)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(shù)碼相機進行地質(zhì)編錄和數(shù)字攝影測量，量測化是基本前提。的主要目標是使數(shù)字影像具有可控制的精度和可量測性。其主要任務(wù)包括數(shù)碼相機的畸變差校檢、內(nèi)方位元素檢測和外方位元素的控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種精確度高、技術(shù)可靠而又操作簡便的數(shù)碼相機可量測化檢測方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，所述數(shù)碼相機可量測化檢測方法為下述步驟(參見圖1～3)(1)、使用數(shù)碼相機在平坦的垂直面上構(gòu)建一坐標網(wǎng)格，網(wǎng)格單元大小依數(shù)碼相機采用之焦距與景深調(diào)整(參見圖1)；(1.1)、通過相機移位或定位拍攝圖像，然后將圖像傳輸?shù)接嬎銠C進行圖像分析、計算與確定畸變系數(shù)，進行相機畸變系數(shù)檢測；所述畸變系數(shù)的計算方法是采用如下數(shù)學(xué)模型對原始影像進行畸變校正Δx=(x-x0)(k1+k2r2+k3r4)+p1(r2+2(x-x0)2)+2p2(x-x0)(y-y0)Δy=(y-y0)(k1+k2r2+k3r4)+p2(r2+2(y-y0)2)+2p1(x-x0)(y-y0)]]>(1.2)、將設(shè)有數(shù)碼相機的攝影編錄經(jīng)緯儀或地質(zhì)數(shù)碼攝影編錄儀，通過相機移位或定位拍攝圖像，然后將所得圖像傳輸?shù)接嬎銠C進行圖像分析確定其外方位控制元素。
(2)、使用數(shù)碼相機可量測化檢測裝置進行相機內(nèi)方位元素檢測。即在檢測裝置前方架設(shè)兩臺經(jīng)緯儀或全站儀，利用經(jīng)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，然后將圖像傳輸?shù)接嬎銠C進行圖像分析、計算與確定其內(nèi)方位元素，所述內(nèi)方位元素的計算方法是采用如下數(shù)學(xué)模型 本發(fā)明即由上述步驟(1)～(2)，獲得相機畸變系數(shù)和內(nèi)、外方位元素，從而實現(xiàn)了數(shù)碼相機的可數(shù)量化。
上述數(shù)碼相機可量測化檢測裝置為本發(fā)明方法的專用裝置，其結(jié)構(gòu)參見圖2，該裝置具有一個箱形框架1，箱形框架1上具有連桿2、橫梁3、支撐桿4、加強桿5和橫桿6，其中橫桿6位于箱形框架1前框下方且與前框兩側(cè)框條相連，并使前框分為上框與下框。連桿2為二根，該二根連桿交叉分別與上框?qū)窍噙B，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(cè)框兩側(cè)框條相連。支撐桿4亦為二根，該二根支撐桿4一端分別與箱形框架1的左右側(cè)框上部框條相連。加強桿5位于箱形框架1后框，該加強桿5兩端分別與后框上下框條相連。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(fā)明的有益效果是由以上可知，本發(fā)明為一種數(shù)碼相機可量測化方法，該方法設(shè)計簡單，操作方便，檢測準確，且速度快、效率高。由于方法得當(dāng)，界面友好，當(dāng)檢測場內(nèi)實驗拍攝的圖像傳輸?shù)接嬎銠C內(nèi)時，可以快速準確地得到數(shù)碼相機的量測化參數(shù)。此外，本發(fā)明的專用相機可量測化檢測裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，層次分明，經(jīng)濟適用，操作靈活等特點。


圖1為平面網(wǎng)格控制場網(wǎng)點分布示意2為數(shù)碼相機可量測化檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖2所示數(shù)碼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—連桿，3—橫梁， 4—支撐桿，5—加強桿，6—橫桿7—標貼具體實施方式
按照圖1～4所示上述數(shù)碼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(shù)碼相機構(gòu)像畸變系數(shù)的確定數(shù)字影像處理是數(shù)字攝影測量中的關(guān)鍵技術(shù)，數(shù)字影像的質(zhì)量直接決定了數(shù)字攝影測量的精度。對數(shù)字影像的各項誤差處理是必不可少的過程。由于數(shù)碼相機在加工、安裝過程中都存在一定的殘余誤差，這一殘差會引起構(gòu)像畸變。為了改正相機的構(gòu)像畸變差，本發(fā)明設(shè)計了新的算法，以避免像片方位元素和畸變校正參數(shù)在整體解算時因相關(guān)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(wǎng)，利用數(shù)碼相機對其進行拍攝；考慮到相機的像平面與控制網(wǎng)平面不能嚴格平行，根據(jù)控制點的物方坐標，利用投影變換計算出控制網(wǎng)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(dǎo)入輸入計算機，對控制點像片坐標進行量測；根據(jù)控制點的理論坐標與實際量測值的差值，采用合理的數(shù)學(xué)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(gòu)建平面網(wǎng)格控制場。在平坦的墻面或空間垂直面上設(shè)計坐標方格網(wǎng)，例如將整個方格網(wǎng)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(shù)的計算對網(wǎng)格面進行拍攝，由于拍攝時不能保證相機與網(wǎng)格面嚴格平行，這會引起像點構(gòu)像透視變形。為獲得構(gòu)像畸變差，先將墻面上的格網(wǎng)點通過透視變換公式投影到成像平面上，其與相應(yīng)格網(wǎng)點的實際構(gòu)像位置的差可認為是物鏡構(gòu)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(gòu)像畸變差的控制點像片坐標來反算8個投影變換參數(shù)，但由于沒有畸差的控制點像片坐標不可得，又由于在像片中心附近的控制點的構(gòu)像畸變差比較小，可選取格網(wǎng)上四個對稱點，因為對稱關(guān)系有利于抵消構(gòu)像畸變差對解算8個透視變換參數(shù)的影響。同時，對稱點也不要選在太靠格網(wǎng)外圍的位置，因為離中心點越遠，其構(gòu)像畸變差也越大。如圖1，可取9、10、11、12號點，求出8個投影變換系數(shù)的初始值[a1(0)a2(0)a3(0)a4(0)a5(0)a6(0)a7(0)a8(0)]列出線性化后的誤差方程式V2n×1=B2n×XXX×1-L2n×1]]>(式1-2)求出8個投影變換系數(shù)的最小二乘解。
(3)畸變系數(shù)求解根據(jù)求得的8個投影變換系數(shù)，就可以確定控制場物方坐標與像方坐標的對應(yīng)關(guān)系，即利用這8個投影變換系數(shù)，根據(jù)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(gòu)像畸變差。根據(jù)畸變差的特點，即①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(gòu)像畸變差越小，誤差基本上關(guān)于中心像元呈對稱分布。
綜合上述構(gòu)像畸變差的特點，采用如下數(shù)學(xué)模型對原始影像進行畸變校正
Δx=(x-x0)(k1+k2r2+k3r4)+p1(r2+2(x-x0)2)+2p2(x-x0)(y-y0)Δy=(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為徑向畸變系數(shù)，也稱對稱型畸變系數(shù)，p1，p2為非對稱型畸變系數(shù)。
利用任意三個控制點列出五個方程，計算畸變系數(shù)k1，k2，k3，p1，p2的初始值，然后根據(jù)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(shù)碼相機內(nèi)方位元素的測定(1)制作數(shù)碼相機可量測化檢測裝置在利用單張像片進行空間后方交會解算相機內(nèi)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(wěn)定的專用檢測裝置，用以鑒定相機的內(nèi)方位元素及研究近景攝影測量的精度。
本發(fā)明實施例的數(shù)碼相機可量測化檢測裝置，參見圖2。該裝置的箱形框架1取材鋁合金型材裁制成桿，桿長取值范圍1～4米，采用焊接工藝制作而成。該箱形框架1包括有連桿2、橫梁3、支撐桿4、加強桿5和橫桿6，其中橫桿6位于箱形框架1前框下方且與前框兩側(cè)框條相連，并使前框分為上框與下框。連桿2為二根，該二根連桿交叉分別與上框?qū)窍噙B，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(cè)框兩側(cè)框條相連。支撐桿4亦為二根，該二根支撐桿4一端分別與箱形框架1的左右側(cè)框上部框條相連。加強桿5位于箱形框架1后框，該加強桿5兩端分別與后框上下框條相連。此外所述箱形框架1的框條上還分布有標有標號的不干膠標貼7。
使用該裝置進行數(shù)碼相機實例參數(shù)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將用于檢測的數(shù)碼相機設(shè)置成光圈優(yōu)先模式，將焦距調(diào)至無窮遠，使之保證拍攝時相機的內(nèi)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(gòu)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，然后在右攝站點(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。然后將上述拍攝到的圖像傳輸?shù)接嬎銠C，利用配套軟件進行圖像分析計算，即可確定相機內(nèi)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(shè)的兩臺經(jīng)緯儀觀測所有控制點，由經(jīng)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=l·dsinβsin(90-α)/sin(180-α-β)Yp=l·dsinβcos(90-α)/sin(180-α-β)Zp=Xp2+Yp2·tgγ]]>(式2-1)式中l(wèi)為基線規(guī)化系數(shù)，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·ρ)]]>(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。因為采用的T2經(jīng)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(nèi)方位元素的測定精度提供了保障。
(2)相機內(nèi)方位元素的解算首先利用以上求得的畸變系數(shù)對量測得到的檢測裝置上各控制點的像方坐標進行構(gòu)像畸變差改正，然后根據(jù)構(gòu)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為方向余弦，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(nèi)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(nèi)、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(jīng)過畸變改正的像方坐標。通過以下具體過程求解①輸入內(nèi)外方位元素初始值、控制點物方坐標和畸變改正后的像方坐標②組成旋轉(zhuǎn)矩陣及誤差方程③組成法方程，求解方位元素改正值④計算改正后的內(nèi)外方位元素⑤判斷改正值是否小于限差。
為了防止數(shù)碼相機在每次使用時產(chǎn)生不同的內(nèi)方位元素，固定調(diào)焦距，并在實驗中多次重復(fù)，測出每次的內(nèi)方位元素。經(jīng)過多次比較，發(fā)現(xiàn)數(shù)碼相機的內(nèi)方位比較穩(wěn)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(shù)碼攝影地質(zhì)測繪編錄的需要，例如對采用像方控制的數(shù)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(jù)傳統(tǒng)近景攝影機的模式，“數(shù)碼攝影地質(zhì)測繪編錄系統(tǒng)”中采用了兩種改造裝置，其一是將數(shù)碼相機連接至經(jīng)緯儀上，利用經(jīng)緯儀的軸系關(guān)系來安置相機外方位的方案，即形成“攝影編錄經(jīng)緯儀”。其二是設(shè)計一種獨立于經(jīng)緯儀之外，用于安置數(shù)碼相機和攝影定位的專門儀器，即“數(shù)碼攝影地質(zhì)編錄儀”。這兩種裝置安置數(shù)碼相機后如果未經(jīng)實驗檢測，同樣不能直接應(yīng)用于數(shù)碼攝影地質(zhì)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(gòu)像行方向與經(jīng)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(jié)點與經(jīng)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(zhuǎn)角為正，Δω朝上轉(zhuǎn)角為正，Δκ逆時針轉(zhuǎn)角為正。
本發(fā)明中外方位元素的六個參數(shù)均由實驗檢測軟件計算得到，其方法是將“攝影編錄經(jīng)緯儀”或“數(shù)碼攝影地質(zhì)編錄儀”安置數(shù)碼相機，對平面網(wǎng)格場進行定位拍攝，然后將圖像傳輸?shù)接嬎銠C，利用軟件進行圖像分析計算確定外方位控制元素。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)碼相機可量測化檢測方法，該方法為下述步驟(1)、使用數(shù)碼相機在平坦的垂直面上構(gòu)建一坐標網(wǎng)格，網(wǎng)格單元大小依數(shù)碼相機采用之焦距與景深調(diào)整，(1.1)、通過相機移位或定位拍攝圖像，然后將圖像傳輸?shù)接嬎銠C進行圖像分析、計算與確定畸變系數(shù)，進行相機畸變系數(shù)檢測，所述畸變系數(shù)的計算方法是采用如下數(shù)學(xué)模型對原始影像進行畸變校正Δx=(x-x0)(k1+k2r2+k3r4)+p1(r2+2(x-x0)2)+2p2(x-x0)(y-y0)Δy=(y-y0)(k1+k2r2+k3r4)+p2(r22(y-y2)2)+2p1(x-x0)(y-y0)]]>(1.2)、將設(shè)有數(shù)碼相機的攝影編錄經(jīng)緯儀或地質(zhì)數(shù)碼攝影編錄儀，通過相機移位或定位拍攝圖像，然后將所得圖像傳輸?shù)接嬎銠C進行圖像分析確定其外方位控制元素，(2)、使用數(shù)碼相機可量測化檢測裝置進行相機內(nèi)方位元素檢測，即在檢測裝置前方架設(shè)兩臺經(jīng)緯儀或全站儀，利用經(jīng)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，然后將圖像傳輸?shù)接嬎銠C進行圖像分析、計算與確定其內(nèi)方位元素，所述內(nèi)方位元素的計算方法是采用如下數(shù)學(xué)模型
全文摘要
一種數(shù)碼相機可量測化檢測方法，該方法為下述步驟(1)使用數(shù)碼相機在平坦的垂直面上構(gòu)建一坐標網(wǎng)格，網(wǎng)格單元大小依數(shù)碼相機采用之焦距與景深調(diào)整；(2)使用數(shù)碼相機可量測化檢測裝置進行相機內(nèi)方位元素檢測。本發(fā)明即由上述步驟獲得相機畸變系數(shù)和內(nèi)、外方位元素，實現(xiàn)數(shù)碼相機可數(shù)量化。該方法設(shè)計簡單，操作方便，檢測準確，且速度快、效率高。由于方法得當(dāng)，界面友好，當(dāng)檢測場內(nèi)實驗拍攝的圖像傳輸?shù)接嬎銠C內(nèi)時，可以快速準確地得到數(shù)碼相機的量測化參數(shù)。
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(yōu)先權(quán)日2005年10月28日
發(fā)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(shè)計研究院, 河海大學(xué)