專利名稱：工業(yè)數(shù)字攝影測量用像點匹配方法
技術領域：
本發(fā)明涉及工業(yè)數(shù)字攝影測量用像點匹配方法。
背景技術：
像點匹配即確定物方點在不同像片上對應的同名像點，是實現(xiàn)攝影測量自動化的 關鍵技術之一。當采用回光反射標志作為測量點時，各標志的圖像具有基本一致的灰度分 布規(guī)律，故采用基于灰度相關的匹配算法難以實現(xiàn)其自動匹配。因此，在工業(yè)數(shù)字攝影測量 中，像點自動匹配只能利用同名像點間的空間幾何關系完成。核線約束是解決攝影測量同名像點匹配的重要約束條件。圖1所示為一個立體像 對，物方點P在像片i|和上分別成像為,丨和即同名像點；物方點P、投影中心；和^ 三點共面，該平面即為物方點P對應的核面；核面與各像平面的交線(I1J2)稱為核線。顯 然，同名像點Pi和一定在其相應核線/|和I2上。受相機畸變及其它誤差的影響，實際像點 可能不會嚴格位于核線上，而與其有一微小距離^。利用核線約束實施像點匹配，首先要計算出給定像點的同名像點對應核線，其前 提是相機參數(shù)、像片外方位元素和像點坐標均已知。圖1中，記像點&在K1像空間坐標系中的坐標為(XiJl,Z1),在；像空間坐標系中 的坐標為(H2),則有
上式中為像片投影中心在物方空間坐標系中的坐標,M1和M2為像空間 坐標系相對于物方空間坐標系的旋轉矩陣。在&像空間坐標系中，和&的坐標已知，分 別為(0,0,0)和( 凡-/)。根據(jù)上式，可得^和夕丨在象空間坐標系中的坐標，分別記為
(^SD-^112 ^SlI)和(iD ‘ J1U ‘ %) °由;、和；三點共面(核面)，可得核面在^像空間坐標系中的方程為
⑵在&像空間坐標系下，像平面的平面方程為
Z = -J(3)
將式(3)代入式(2),即可得像點Pl在像平面/2上的核線方程
基于核線約束的像點匹配一般以3張像片為一組，分兩步進行匹配首先經(jīng)初始匹配
確定初始匹配像點，然后精確匹配確定唯一的同名像點。以圖2基于3張像片的核線匹配過程為例，物方點ρ在像片ij上的像點Pl為目標
像點，灼渴為其分別在待匹配像片4、4上的同名像點為相應核線。核線匹配的 過程大致如下
(1)初始匹配。如前所述，由于各種誤差的影響，同名像點通常偏離相應核線一定 的距離。因此，在初始匹配過程中，給定距離閾值■，在待匹配像片/纟、^上分別搜索所有 到核線i^ri^pg離小于的像點，分別記為初始匹配像點集合G^Gj。如圖3所示，(2)精確匹配。對01中的所有初始匹配像點，按上述方法分別計算其在像片/3上
的相應核線4-2、4-2-1、4各2、盡-2-3，與的交點記為A =如
圖4所示。找出兩組像點之間距離最小的兩點，則其分別在像片I2和/3上的對應像 點就是像片厶上約點的同名像點。圖4中，最近的兩點為灼和ft,在像片4和4上的對應 像點分別為Plft,即^丨的同名像點為Plft。核線約束是將核面條件轉化到像平面上，即將二維約束簡化為一維約束，其本質(zhì) 是同名像點及其所在像片的投影中心(以及對應物方點)共面。候選像點到核線的距離在一 定程度上反映了同名像點與相應像片投影中心的共面程度，但并非其準確表述。能夠準確 描述其共面程度的是候選像點到相應核面(而非核線)的距離。如圖5所示，候選像點,纟到核線￡的距離記為rfj,到核面PiSp1Sf2的距離記為
顯然，只有當核面05^2與像平面/2垂直時，4 = 否則《>4,且兩平面夾角越小， 與的差值越大。亦即，核面與像平面的夾角越小，則核線約束的誤差越大，而這種誤差將 增大閾值,的選擇難度；另一方面，要得到核線方程，除了計算核面方程外，還要計算像平 面/2的方程及二者的交線方程，這無疑增加了計算量。因此，從匹配準確性和速度兩方面考 慮，選擇核面約束作為像點匹配的約束條件更為合適，即凡是到相應核面的距離小于給定 閾值的所有像點均作為候選相應像點。在近景攝影測量中，一次測量拍攝的像片少則十幾張，多則數(shù)百張，將像片按3張一組進行組合，得到的組合數(shù)量極大，難以對每一種組合都進行匹配。另外，當被測目標尺 寸較大時，多采用部分覆蓋攝影，即有些像片之間沒有重疊區(qū)域，因此對這些像片組合進行匹配非但沒有意義，反而容易造成誤匹配，因此需要一種能夠實現(xiàn)像點快速、準確匹配的方 法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供能夠實現(xiàn)像點快速、準確匹配的工業(yè)數(shù)字攝影測量用像點匹 配方法，以解決現(xiàn)有匹配方法計算量大、誤差大的問題。本發(fā)明的一種基于核面約束的像點匹配方法的步驟如下 (1)將三張像片上的所有像點坐標轉換到物方空間坐標系內(nèi)；
(2)選取一張像片A上的各未匹配像點為目標像點，計算其在另兩張像片/2、/3上的對 應核面5j2、5|3 ；
(3)設定距離閾值‘，分別計算像片/2、/3上各候選像點到相應核面I1^I13的距離^ ，若rf 則將對應的候選像點標記為初始匹配像點，將兩像片/2、/3上的初始匹配像點集 合分別記為初始集合G^G2;
(4)若初始集合G^G2至少有一個為空，則該目標像點匹配失敗，繼續(xù)下一目標像點 的匹配，否則，計算初始集合G 各像點在像片J3上的對應核面Is及初始集合G3中各像 點到核面I2的距離J,若J <￡ ，則將其標記為最終匹配像點，將兩像片/2、/3上的最終匹 配像點集合分別記為最終集合；
(5)若最終集合^pi2*均只有一個像點，則即為目標像點的同名像點，該目標像點 匹配成功；否則，目標像點匹配失敗，繼續(xù)下一目標像點的匹配。本發(fā)明的一種基于已知點和核面約束的像點匹配方法，一次測量共拍攝顯張像片 4 ~is(m>3)，有灣個已知點Ij ξ,則具體匹配過程如下
(1)對于每一個已知點#在像片i|^i1中搜索其所有成像的像片，其集合記為成像集 合 Qi(其中 i=i
(2)對成像集合CJi中的像片，按三張一組進行組合，計算所有組合的像片組幾何質(zhì)量； 選擇幾何質(zhì)量最好的前f個組合，記為最佳像片組集合；
(3)對最佳像片組集合⑩豸中的每一種組合，按三張像片基于核面約束的像點匹配過
程進行匹配，首先由像點到對相應核面的距離進行初始匹配以確定初始匹配像點，然后精 確匹配確定唯一的同名像點，匹配出的所有同名像點對應物方點集合記為匹配物方點集合 Of并通過前方交會計算匹配物方點集合Oi中所有物方點的三維坐標
(4)反算匹配物方點集合Oi中的物方點在其它(；!《-3)張像片上的對應像點坐標，根據(jù) 距離閾值尋找同名像點，直到完成所有已知點的同名像點的匹配。
進一步的，步驟(2)中進行像片組幾何質(zhì)量的定量檢驗，計算公式為
其中:Γ /Λ表示像片Ir Ir //萬組成像片組的幾何質(zhì)量，且 MwjS爾Sr 4分別為像片厶iT 4的投影中心，為的最大內(nèi) 角。進一步的，步驟(3)中三張像片匹配過程如下
(1)將三張像片上的所有像點坐標轉換到物方空間坐標系內(nèi)；
(2)選取一張像片Z1上的各未匹配像點為目標像點，計算其在另兩張像片/2、/3上的對
應核面<SJJ、￡j3 ；
(3)設定距離閾值■，分別計算像片/2、/3上各候選像點到相應核面Ij^Ib的距離^ ’ n(i 則將對應的候選像點標記為初始匹配像點，將兩像片/2、/3上的初始匹配像點集 合分別記為初始集合G^G2;
(4)若初始集合G^G2至少有一個為空，則該目標像點匹配失敗，繼續(xù)下一目標像點 的匹配，否則，計算初始集合G 各像點在像片/3上的對應核面Is及初始集合G2中各像 點到核面Ss的距離J,若J <!·,則將其標記為最終匹配像點，將兩像片4、/3上的最終匹 配像點集合分別記為最終集合；
(5)若最終集合 ^ 〗*均只有一個像點，則即為目標像點的同名像點，該目標像點 匹配成功；否則，目標像點匹配失敗，繼續(xù)下一目標像點的匹配。本發(fā)明的基于核面約束的像點匹配方法，利用待匹配像點到相應核面距離作為約 束條件來進行像點的匹配，首先經(jīng)過初始匹配確定初始匹配像點，然后精確匹配確定唯一 的同名像點，該方法能夠快速、準確的完成像點的匹配，而且通過試驗驗證，該方法與基于 核線約束的像點匹配方法相比計算量小、誤差小。本發(fā)明的基于已知點和核面約束的像點匹配方法，利用待匹配像點到相應核面距 離作為約束條件，并按照已知點對像片進行分組，該方法首先按是否含有相同已知物方點 劃分為若干組，然后對每一組像片計算幾何質(zhì)量較好的部分組合進行匹配，最后利用物方 點反算在其它像片上的同名像點，該方法能夠提高匹配速度及匹配準確性，而且通過試驗 驗證，該方法與基于核線約束的像點匹配方法相比計算量小、誤差小。


圖1是核線示意圖； 圖2是核線匹配示意圖3是基于核線約束的像點匹配方法的初始匹配結果示意圖； 圖4是基于核線約束的像點匹配方法的精確匹配結果示意圖；圖5是核線約束與核面約束區(qū)別的示意圖； 圖6實施例一中三像片像點匹配方法示意圖； 圖7是實施例二的像片幾何質(zhì)量示意圖； 圖8是實施例二的幾何質(zhì)量函數(shù)圖。
具體實施例方式實施例一
三張像片的基于核面約束的像點匹配方法，該方法的流程圖如圖5所示，具體步驟如
下
(1)將三張像片上的所有像點坐標轉換到物方空間坐標系內(nèi)；
(2)選取一張像片&上的各未匹配像點為目標像點，計算其在另兩張像片/2、/3上的對
應核面5J2、5J3 ；
(3)設定距離閾值■，分別計算像片/2、/3上各候選像點到相應核面fB、fB的距離^ ，若j <f,則將對應的候選像點標記為初始匹配像點，將兩像片4、^上的初始匹配像點集 合分別記為初始集合Grd2;
(4)若初始集合G^G2至少有一個為空，則該目標像點匹配失敗，繼續(xù)下一目標像點 的匹配，否則，計算初始集合G丨中各像點在像片Z3上的對應核面Is及初始集合G3中各像 點到核面的距離若^<￡-,則將其標記為最終匹配像點，將兩像片/2、/3上的最終匹 配像點集合分別記為最終集合；
(5)若最終集合^pd2*均只有一個像點，則即為目標像點的同名像點，該目標像點 匹配成功；否則，目標像點匹配失敗，繼續(xù)下一目標像點的匹配。以圖6為例，為計算候選像點到核面的距離，首先要將所有像點坐標統(tǒng)一到物方 空間坐標系中，并計算核面方程，設相機主距為/,像主點在像平面內(nèi)的坐標為(％,九),像 點Pl坐標為(X1,⑷，所在像片Jf1攝站坐標為(Iv ),旋轉矩陣為
則像點P丨在物方空間坐標系中的坐標為
候選像點Pl與像片/|、/2投影中心構成的核面方程I為
寫成一般式為
候選像點&到核面￡的距離即為 d |.44Fa + IF2+CIj + ￡)| \jji Hh L· + C
上式中,(I2,!^ J2)為像點灼在物方空間坐標系中的坐標，設定距離閾值·，若是候 選像點] 〗到核面I的距離，且是所有候選像點中到核面的距離最短的，則候選像點
即為Pl的同名像點，匹配成功，否則匹配失敗，繼續(xù)下一目標像點的匹配。實施例二
從前述匹配過程可以看出，理論上只要利用2張像片就可進行匹配，但由于誤差的干 擾，需利用第3張像片消除由誤差引起的誤匹配。而如何選擇這3張像片，即如何對所有像 片實施分組，則要考慮像片間的幾何關系。如圖7所示，第3張像片I3之所以能消除誤匹配，是因為核面pfpl與P2;;相交， 反映在像片/3上即為核線￡B與Z23相交于同名像點灼。若在核面1^|^2上存在干擾像點 時，其在像片/3上的同名像點g1不在核面；內(nèi)，因此，不會出現(xiàn)誤匹配。IIUVp^r^2 、^四點共面，則核面朽I^2與P1^f3重合,像點將處在核面P1^f3內(nèi)，從而使終) 、(Λ，, )都有可能是同名像點，導致無法正確匹配。亦即，如果核面Pi^l與P2I^3重 合，則第3張像片Z3不能提供更多的約束，此時，相當于只利用像片/i、/2進行匹配。為避免這一問題，應使選擇的3張像片I1、I2、I3以及物方點ρ不共面，而在實際匹 配中，物方點P的坐標是未知的?？紤]到在像片拍攝過程中，各像片的攝影距離基本一致， 即]^點一般不會位于平面ζ;;內(nèi)，為滿足上述不共面條件，可令iSi、;、;盡可能不共線， 一般便可保證Ι ρ不共面。為此，選擇ΔΑ;;的最大內(nèi)角Qjlfic作為對像片I1、I2、I3幾何質(zhì)量^%|1進行定
量檢驗的依據(jù)，具體公式為
該函數(shù)圖形如圖8所示。當
為等邊三角形)時，幾何質(zhì)量最好，7稱=1;當{^ = ISOg^共線〉時，幾何質(zhì)量最差，Tw =O0根據(jù)經(jīng)驗，當幾何質(zhì) mTm >04, IiIiqie DP時，匹配效果較好，基本不會產(chǎn)生誤匹配。在近景攝影測量中，一次測量拍攝的像片少則十幾張，多則數(shù)百張，將像片按3張 一組進行組合，得到的組合數(shù)量極大，難以對每一種組合都進行匹配。另外，當被測目標尺 寸較大時，多采用部分覆蓋攝影，即有些像片之間沒有重疊區(qū)域，因此對這些像片組合進行 匹配非但沒有意義，反而容易造成誤匹配。綜上考慮，為提高匹配速度及匹配準確性，采用基于已知物方點的像片分組方法， 將像片按是否含有相同已知物方點劃分為若干組，然后對每一組像片計算幾何質(zhì)量較好的 部分組合進行匹配，最后利用物方點反算在其它像片上的同名像點。此處采用的已知物方 點為定向靶點和編碼標志點，由于同一組像片中都含有相同的已知點，可以保證其一定有 重疊區(qū)域。假定一次測量共拍攝■張像片Ii ^ls,有■個已知點巧則具體匹配過程如 下
(1)對于每一個已知點在像片/i中搜索其所有成像的像片，其集合記為成像集 合Qi(其中!=!4);
(2)對成像集合中的像片，按三張一組進行組合，計算所有組合的像片組幾何質(zhì)量； 選擇幾何質(zhì)量最好的前g個組合，記為最佳像片組成像集合
(3)對最佳像片組成像集合0@中的每一種組合，按三張像片基于核面約束的像點匹配
過程進行匹配，首先由像點到對相應核面的距離進行初始匹配以確定初始匹配像點，然后 精確匹配確定唯一的同名像點，匹配出的所有同名像點對應物方點集合記為匹配物方點集
合Oi,并通過前方交會計算匹配物方點集合中所有物方點的三維坐標；
(4)反算匹配物方點集合Oi中的物方點在其它3)張像片上的對應像點坐標，根據(jù)
距離閾值尋找同名像點，直到完成所有已知點的同名像點的匹配。上述方法的步驟(3)中基于核面約束的像點匹配過程具體步驟如下
(1)將三張像片上的所有像點坐標轉換到物方空間坐標系內(nèi)；
(2)選取一張像片I1上的各未匹配像點為目標像點，計算其在另兩張像片/2、/3上的對
應核面《^、私；
(3)設定距離閾值■，分別計算像片/2、/3上各候選像點到相應核面fj2、IB的距離^ ，若J <f,則將對應的候選像點標記為初始匹配像點，將兩像片&、/3上的初始匹配像點集 合分別記為初始集合G ^G2;
(4)若初始集合G^G2至少有一個為空，則該目標像點匹配失敗，繼續(xù)下一目標像點的匹配，否則，計算初始集合G1*各像點在像片J3上的對應核面I2s及初始集合Cl2中各像 點到核面的距離 !,若J 則將其標記為最終匹配像點，將兩像片Z2 J3上的最終匹配像點集合分別記為最終集合；
(5)若最終集合ir^g*均只有一個像點，則即為目標像點的同名像點，該目標像點 匹配成功；否則，目標像點匹配失敗，繼續(xù)下一目標像點的匹配。
權利要求
一種基于核面約束的像點匹配方法，其特征在于，該方法的步驟如下(1) 將三張像片上的所有像點坐標轉換到物方空間坐標系內(nèi)；(2) 選取一張像片 上的各未匹配像點為目標像點，計算其在另兩張像片、上的對應核面、；(3) 設定距離閾值，分別計算像片、上各候選像點到相應核面、的距離，若，則將對應的候選像點標記為初始匹配像點，將兩像片、上的初始匹配像點集合分別記為初始集合、；(4) 若初始集合、至少有一個為空，則該目標像點匹配失敗，繼續(xù)下一目標像點的匹配，否則，計算初始集合中各像點在像片上的對應核面及初始集合中各像點到核面的距離，若，則將其標記為最終匹配像點，將兩像片、上的最終匹配像點集合分別記為最終集合、；(5) 若最終集合、中均只有一個像點，則即為目標像點的同名像點，該目標像點匹配成功；否則，目標像點匹配失敗，繼續(xù)下一目標像點的匹配。2010102019894100001dest_path_image002aa.jpg,2010102019894100001dest_path_image004aaaaaaaa.jpg,dest_path_image006aaaaaaaaaa.jpg,dest_path_image008aaaa.jpg,dest_path_image010aaaa.jpg,dest_path_image012aaa.jpg,2010102019894100001dest_path_image004aaaaaaaaa.jpg,dest_path_image006aaaaaaaaaaa.jpg,dest_path_image008aaaaa.jpg,dest_path_image010aaaaa.jpg,dest_path_image014aa.jpg,dest_path_image016aa.jpg,dest_path_image004aaaaaaaaaa.jpg,dest_path_image006aaaaaaaaaaaa.jpg,dest_path_image018aaaaaa.jpg,dest_path_image020aaaaaa.jpg,dest_path_image018aaaaaaa.jpg,dest_path_image020aaaaaaa.jpg,dest_path_image018aaaaaaaa.jpg,dest_path_image006aaaaaaaaaaaaa.jpg,dest_path_image022aaaa.jpg,dest_path_image020aaaaaaaa.jpg,dest_path_image022aaaaa.jpg,dest_path_image024aa.jpg,dest_path_image026aa.jpg,dest_path_image004aaaaaaaaaaa.jpg,dest_path_image006aaaaaaaaaaaaaa.jpg,dest_path_image028aaaa.jpg,dest_path_image030aaaa.jpg,dest_path_image028aaaaa.jpg,dest_path_image030aaaaa.jpg
2.一種基于已知點和核面約束的像點匹配方法，其特征在于，一次測量共拍攝 張像 片Z1 4(πι>3)，有《個已知點巧則具體匹配過程如下(1)對于每一個已知點盡在像片Z1-Zm中搜索其所有成像的像片，其集合記為成像集 合Q (其中(2)對成像集合仏中的像片，按三張一組進行組合，計算所有組合的像片組幾何質(zhì)量； 選擇幾何質(zhì)量最好的前5個組合，記為最佳像片組集合^ ；(3)對最佳像片組集合 中的每一種組合，按三張像片基于核面約束的像點匹配過程 進行匹配，首先由像點到對相應核面的距離進行初始匹配以確定初始匹配像點，然后精確 匹配確定唯一的同名像點，匹配出的所有同名像點對應物方點集合記為匹配物方點集，并通過前方交會計算匹配物方點集合Oi中所有物方點的三維坐標；(4)反算匹配物方點集合Oi中的物方點在其它(m-3)張像片上的對應像點坐標，根據(jù)距 離閾值E尋找同名像點，直到完成所有已知點的同名像點的匹配。
3.根據(jù)權利要求2所述的基于已知點和核面約束的像點匹配方法，其特征在于，步驟(2)中進行像片組幾何質(zhì)量的定量檢驗，計算公式為 其中 T表示像片^ h 4所組成像片組的幾何質(zhì)量，且 ,務^ &分別為像片 h、h 4的投影中心，ι^Λ^^Λ的最大內(nèi)角。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的基于已知點和核面約束的像點匹配方法，其特征在于，步 驟(3)中三張像片匹配過程如下(1)將三張像片上的所有像點坐標轉換到物方空間坐標系內(nèi)；(2)選取一張像片Z1上的各未匹配像點為目標像點，計算其在另兩張像片4、4上的對應 核面 ^12、SB ；(3)設定距離閾值&分別計算像片/2、4上各候選像點到相應核面在、￡B的距離d，若 d <f，則將對應的候選像點標記為初始匹配像點，將兩像片4、4上的初始匹配像點集合分 別記為初始集合GpG2;(4)若初始集合01、02至少有一個為空，則該目標像點匹配失敗，繼續(xù)下一目標像點的匹配，否則，計算初始集合G1*各像點在像片/3上的對應核面Js及初始集合G」中各像點到 核面的距離J，若J ,則將其標記為最終匹配像點，將兩像片/2、4上的最終匹配像點集 合分別記為最終集合(5)若最終集合化、02中均只有一個像點，則即為目標像點的同名像點，該目標像點匹 配成功；否則，目標像點匹配失敗，繼續(xù)下一目標像點的匹配。
全文摘要
本發(fā)明涉及工業(yè)數(shù)字攝影測量用像點匹配方法，該方法利用待匹配像點到相應核面距離作為約束條件，并按照已知點對像片進行分組，該方法首先按是否含有相同已知物方點劃分為若干組，然后對每一組像片計算幾何質(zhì)量較好的部分組合進行匹配，最后利用物方點反算在其它像片上的同名像點，該方法能夠提高匹配速度及匹配準確性，而且通過試驗驗證，該方法與基于核線約束的像點匹配方法相比計算量小、誤差小。
文檔編號G06T7/00GK101846514SQ201010201989
公開日2010年9月29日 申請日期2010年6月17日 優(yōu)先權日2010年6月17日
發(fā)明者馮其強, 李宗春, 李廣云 申請人:中國人民解放軍信息工程大學