基于Windows CE的多相机测量控制系统的研究与设计
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摘要
在数字城市发展和建设的过程中，3D城市实景模型的建立是整个数字城市系统的基础，而如何快速、高效的获取城市建筑物外立面纹理是整个3D城市建模的基础和关键技术之一。以前人工地面拍摄的方式，由于工作量大、效率低，已经不能满足数字城市建设的需要。随着数字航空摄影测量技术在国内的广泛应用，为如何快速、高效的获取建筑物纹理提出了新的思路。在本课题中，以数字航空摄影测量技术为依托，研究设计了基于Windows CE的多相机测量控制系统，该系统是由多相机图像获取系统和嵌入式控制系统组成。本文将对多相机测量控制系统进行论述，所包含的主要内容如下：
1.通过对国内外航空摄影测量领域相关资料的查阅和类似产品设备的研究分析，提出了多相机测量控制系统研究方案及系统的总体设计流程。
2.进行多相机图像获取系统设计。系统设计主要包括大幅面非测量相机的量测化改进、单相机改进后镜头畸变的纠正、多相机的组合方案设计及集成技术。
3.构建了以PC104嵌入式计算机为核心的测控系统硬件平台，完成了系统的电源模块、LCD显示、触摸屏模块、键盘和USB等各种通讯接口的设计，扩展了并行I/O口，实现了GPS接收机、PC104工控机以及多相机图像获取系统之间的通信，完成了多相机的同步曝光控制硬件平台设计。
4.定制了基于本硬件平台的Windows Embedded CE操作系统，包括BSP的改进、Boot Loader的开发、OAL的开发以及LCD显示驱动程序和触摸屏驱动程序的移植与修改，测试证实该操作平台具有极高的稳定性。
5.利用Visual Studio.NET2005完成应用程序开发，实现了试曝光、定时曝光和飞行过程中GPS辅助定点多相机同步曝光控制、飞行状态实时显示、曝光状态实时显示等功能。最后，在实验室用示波器做曝光同步性测试，测试结果表明系统曝光同步时间达到1ms以内，满足航空摄影测量的要求。
With the development and construction of the digital city,3D model of the realcity is the foundation of the digital city system, and how to get the facade texture of thecity building quickly and effectually is the foundation and one of key technical of3DCity model. The method of getting the building photographs by people long before isinefficient and is a heavy work, it will not be able to meet the needs of the digital cityconstruction. With digital photogrammetry technology widely used in our country, itgives a new method of how to get the facade texture of the city building quickly andeffectually. In this project, we researched and designed multi-camera measure andcontrol system based on Windows CE rely on digital photogrammetry technology. Thissystem is composed of multi-camera image capturing system and embedded controlsystem. This paper is a description of the multi-camera measure and control system,which included main content such as:
1. After consulted relative information and then researched and analysised Similarequipments in navigation of photogrammetry home and abroad, put forward the researchprogramme and the overall design process of the multi-camera measure and controlsystem.
2. Proceeded design of the multi-camera Image capturing system. System designmain includes improve large format non-metric camera to metric camera, correct lensdistortion of the improved camera, design multi-camera’s combination regimens andintegrate it.
3. Constructed the hardware platform of the measurement and control systembased on PC104embedded computer, designed Power Module, LCD Display, TouchScreen Module, Keyboard and USB Communication Interface and so on, Extended I/Oparallel interface, achieved the communication between GPS receiver, PC104embeddedcomputer and multi-camera image capturing system.
4. we custom-designed a Windows CE Operating System based on our hardwareplatform, include the improvement of BSP, the development of Boot Loader and OAL,transplanted and modified the driver of LCD Display and Touch Screen, Tested verifiedthat the Operating System has high stability.
5. Used Visual Studio.NET2005accomplished Application program Development,achieved testing exposure, timing exposure, GPS-supported multi-camera synchronisedexposure control during the flight, display flight status and exposure status real time andso on. At last, we test exposure synchronism with an oscilloscope in the laboratory, theresult shows that simultaneous exposure time of this system is less than1ms, it satisfythe requirement of aerial photography.
1.通过对国内外航空摄影测量领域相关资料的查阅和类似产品设备的研究分析，提出了多相机测量控制系统研究方案及系统的总体设计流程。
2.进行多相机图像获取系统设计。系统设计主要包括大幅面非测量相机的量测化改进、单相机改进后镜头畸变的纠正、多相机的组合方案设计及集成技术。
3.构建了以PC104嵌入式计算机为核心的测控系统硬件平台，完成了系统的电源模块、LCD显示、触摸屏模块、键盘和USB等各种通讯接口的设计，扩展了并行I/O口，实现了GPS接收机、PC104工控机以及多相机图像获取系统之间的通信，完成了多相机的同步曝光控制硬件平台设计。
4.定制了基于本硬件平台的Windows Embedded CE操作系统，包括BSP的改进、Boot Loader的开发、OAL的开发以及LCD显示驱动程序和触摸屏驱动程序的移植与修改，测试证实该操作平台具有极高的稳定性。
5.利用Visual Studio.NET2005完成应用程序开发，实现了试曝光、定时曝光和飞行过程中GPS辅助定点多相机同步曝光控制、飞行状态实时显示、曝光状态实时显示等功能。最后，在实验室用示波器做曝光同步性测试，测试结果表明系统曝光同步时间达到1ms以内，满足航空摄影测量的要求。
With the development and construction of the digital city,3D model of the realcity is the foundation of the digital city system, and how to get the facade texture of thecity building quickly and effectually is the foundation and one of key technical of3DCity model. The method of getting the building photographs by people long before isinefficient and is a heavy work, it will not be able to meet the needs of the digital cityconstruction. With digital photogrammetry technology widely used in our country, itgives a new method of how to get the facade texture of the city building quickly andeffectually. In this project, we researched and designed multi-camera measure andcontrol system based on Windows CE rely on digital photogrammetry technology. Thissystem is composed of multi-camera image capturing system and embedded controlsystem. This paper is a description of the multi-camera measure and control system,which included main content such as:
1. After consulted relative information and then researched and analysised Similarequipments in navigation of photogrammetry home and abroad, put forward the researchprogramme and the overall design process of the multi-camera measure and controlsystem.
2. Proceeded design of the multi-camera Image capturing system. System designmain includes improve large format non-metric camera to metric camera, correct lensdistortion of the improved camera, design multi-camera’s combination regimens andintegrate it.
3. Constructed the hardware platform of the measurement and control systembased on PC104embedded computer, designed Power Module, LCD Display, TouchScreen Module, Keyboard and USB Communication Interface and so on, Extended I/Oparallel interface, achieved the communication between GPS receiver, PC104embeddedcomputer and multi-camera image capturing system.
4. we custom-designed a Windows CE Operating System based on our hardwareplatform, include the improvement of BSP, the development of Boot Loader and OAL,transplanted and modified the driver of LCD Display and Touch Screen, Tested verifiedthat the Operating System has high stability.
5. Used Visual Studio.NET2005accomplished Application program Development,achieved testing exposure, timing exposure, GPS-supported multi-camera synchronisedexposure control during the flight, display flight status and exposure status real time andso on. At last, we test exposure synchronism with an oscilloscope in the laboratory, theresult shows that simultaneous exposure time of this system is less than1ms, it satisfythe requirement of aerial photography.
引文
[1]李琦，刘纯波，承继成.数字城市若干理论问题探讨[J].地理与地理信息科学，2003年（1）：32-36.
[2]顾朝林，段学军，于涛方等.论“数字城市”关键技术及其实现[J].城市规划，2002年（1）：16-20.
[3]刘柱，姚永鹏.“数字科技”建设初探[J].甘肃科技纵横，2010年（6）.
[4]牛德力等.城市基础地理信息系统研究[C].海峡两岸地理信息系统发展研讨会，2002年.
[5]顾朝林，段学军，于涛方等.论“数字城市”及其三维再现关键技术[J].地理研究，2002年（1）:15-23.
[6]杨久勇，高峰，向宇.倾斜摄影的原理与特点[C].中国测绘学会2010学术年会论文集，2010年.
[7] Sun Chengzhi，Tang Xinming. China’s Stereo Surveying And Mapping Satellite ZY-3And Its Applications[J]. Aerospace China,2009.
[8]肖凯.基于Windows CE的ARM9嵌入式系统优化设计[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.
[9] Shou-shan LIU,Tong-jun ZHANG,Li-jun BI,An-li TAO.Software/Hardware IntegratingModel of Embedded Reconfigurable Computing System for Digital SignalProcessing[J]. Journal of Measurement Science and Instrumentation，2010（4）.
[10] Wan Jiafu，LI Di，Zhang Ping. Key Technology of Embedded System Implementationfor Software-based CNC System[J]. Chinese Journal of MechanicalEngineering,2010(2).
[11]单惠平，杨树元.基于PowerPC主机处理器单板计算机设计开发[J].计算机工程与应用，2005年（20）.
[12]李群芳，肖看.单片机原理、接口及应用[M].北京：清华大学出版社，2005：2-3.
[13]李周勇，胡剑凌.DSP嵌入式系统图形用户显示GUI的设计与实现[J].电脑知识与技术，2004年（32）.
[14]韩小宝.嵌入式航空发动机数字电子控制器设计研究[D].西安：西北工业大学，2005.
[15]张堃.基于ARM9的嵌入式军用手持终端系统的设计与开发[D].济南：山东大学，2011.
[16]陈雷.嵌入式车载信息处理平台关键技术的研究与开发[D].北京：北京交通大学，2004.
[17]张倩.基于WinCE的车载智能仪表系统设计[D].西安：西安电子科技大学，2009：14-16.
[18]薛大龙，陈世帝，王韵.Windows CE嵌入式系统开发从基础到实践[M].北京：电子工业出版社，2008：32-35，39，
[19]武永谊.基于WinCE的PDA设计与实现[D].武汉：武汉理工大学，2010年：25-26.
[20] Wang Jigang，Gu Guochang，Xu Lifeng. A Smart Phone-oriented Embedded Real-timeOperating System[J]. ZTE Telecommunications，2005（4）.
[21]张祖勋.航空数码相机及其有关问题[J].测绘工程，2004,12（4）.
[22] Diener S, KiefnerM, D，rstel C1Radiometric Normalisation and Color CompositeGeneration of the DMC [J].IAPRS Vol1XXXIII, Amsterdam2000, to be published.
[23] B. Planer-Friedrich，J. Becker，B. Brimer，B. J. Merkel. Low-cost aerialphotography for high-resolution mapping of hydrothermal areas in YellowstoneNational Park[J]. International Journal of Remote Sensing，2007.
[24] LI Deren，LIU Liangming，HU Xiaoqin.The Development of Photogrammetry and RemoteSensing From1996TO2000(NationalL Report of CHINA)[J]. Geo-Spatial InformationScience,2000(3).
[25]刘先林，段福洲，宫辉力.航空摄影科技发展与未来展望[J].前沿科学，2007,3.
[26]张建霞.超轻型飞机数码航空摄影测量初步研究[D].西安：西安科技大学，2006.
[27] W. Stolz. Analysis of large format camera photographs of the Po Delta, Italy,for topographic and thematic mapping[J]. International Journal of Remote Sensing，1988.
[28]张剑清，潘励，王树根.摄影测量学[M].武汉：武汉大学出版社，2008：13.
[29]段福洲.近地轻型数码航空摄影测量系统研究[D].北京：首都师范大学，2007.
[30]张建霞，王留召，刘先林等.数字航空摄影测量的相机检校[J].测绘通报，2005，11.
[31] Liuzhao Wang,Hong Liang.The Platform Calibration of Aerial Multi-frame CCDCamera[C].2008Proceedings of Information Technology and Environmental SystemSciences,ITESS2008,395-396.
[32]吴晓明，张震宇，路玲玲.基于数码影像的航空摄影测量[J].河南理工大学学报（自然科学版），2007,6.
[33]程效军,胡敏捷.数字相机的检校[J].铁路航测,2001(4):12-14.
[34]冯文灏.关于近景摄影机检校的几个问题[J].测绘通报,2000(10):1-3.
[35] Zhao Lijian,Cheng Xinwen,Wu Zhoulei.Study on image distortion caused by cameraincline in multi-format aerial digital camera[C].20091st InternationalConference on Information Science and Engineering, ICISE2009,1452-1455.
[36]郁道银，谈恒英.工程光学[M].北京：机械工业出版社，2007:120.
[37] GB/T15661-20081:50001:100001:250001:500001:100000地形图航空摄影规范[S].2008年：5.
[38] Yusuf, Khairi;Edi, Prasetyo; Ghani, Amir Radzi Abdul.3D shape of specularsurface measurement using five degrees of freedom camera system[J].WSEASTransactions on Applied and Theoretical Mechanics,2009，74-84.
[39] Tian-zhou Chen， Jiang-wei Huang，Hong-jun Dai. The dynamic power managementfor embedded system with Poisson proces[J]. Journal of Zhejiang UniversityScience,2005:70-74.
[40]胡学青.低压大电流高频开关电源同步整流技术的研究[D].合肥：合肥工业大学，2010.
[41]刘领涛.基于PLC金相试样抛光机控制系统的研究与设计[D].保定：河北农业大学，2011.
[42]罗华军，蔡桂全.电阻触摸屏常见故障维修[J].故障运行与保障，2010（3）：109.
[43]李国彬.液晶显示器原理综述[J].经济技术协作信息，2007年.
[44] Hugh E. McLoone;Melissa Jacobson;Peter Clark;Ryan Opina;Chau Hegg;Peter Johnson.Design and evaluation of a curved computer keyboard[J]. Ergonomics，2009.
[45]史文韬.基于DSP的水下机器人嵌入式控制系统设计[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.
[46]高伟.基于ARM处理器的通用数控系统的研究与设计[D].沈阳：中国科学院沈阳计算技术研究所，2009.
[47]董超.基于OMAP平台的数字集群终端协议栈的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2010.
[48]何宗健.Windows CE嵌入式系统[M].北京：北京航空航天大学，2006,321-324.
[49]金振兴.基于ARM的作业环境监测评价系统的设计与实现[D].南京：东南大学，2008.
[50] LI XiaoHui,WU HaiTao,BIAN YuJing,WANG DanNi. Satellite virtual atomic clock withpseudorange difference function[J]. Science in China,2009(3).
[51] YuanXi Yang. Chinese geodetic coordinate system2000[J]. Chinese ScienceBulletin,2009(15):2714-2721.
[52]张凤举，张华海，赵长胜等.控制测量学[M].北京：煤炭工业出版社，1999：210,213，249,254-255.
[53] Springer-Verlag. Conversion of geodetic coordinates from National GeodeticReference Systems into Standard Earth System[J]. BulletinGéodésique,1973:65-72.
[2]顾朝林，段学军，于涛方等.论“数字城市”关键技术及其实现[J].城市规划，2002年（1）：16-20.
[3]刘柱，姚永鹏.“数字科技”建设初探[J].甘肃科技纵横，2010年（6）.
[4]牛德力等.城市基础地理信息系统研究[C].海峡两岸地理信息系统发展研讨会，2002年.
[5]顾朝林，段学军，于涛方等.论“数字城市”及其三维再现关键技术[J].地理研究，2002年（1）:15-23.
[6]杨久勇，高峰，向宇.倾斜摄影的原理与特点[C].中国测绘学会2010学术年会论文集，2010年.
[7] Sun Chengzhi，Tang Xinming. China’s Stereo Surveying And Mapping Satellite ZY-3And Its Applications[J]. Aerospace China,2009.
[8]肖凯.基于Windows CE的ARM9嵌入式系统优化设计[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.
[9] Shou-shan LIU,Tong-jun ZHANG,Li-jun BI,An-li TAO.Software/Hardware IntegratingModel of Embedded Reconfigurable Computing System for Digital SignalProcessing[J]. Journal of Measurement Science and Instrumentation，2010（4）.
[10] Wan Jiafu，LI Di，Zhang Ping. Key Technology of Embedded System Implementationfor Software-based CNC System[J]. Chinese Journal of MechanicalEngineering,2010(2).
[11]单惠平，杨树元.基于PowerPC主机处理器单板计算机设计开发[J].计算机工程与应用，2005年（20）.
[12]李群芳，肖看.单片机原理、接口及应用[M].北京：清华大学出版社，2005：2-3.
[13]李周勇，胡剑凌.DSP嵌入式系统图形用户显示GUI的设计与实现[J].电脑知识与技术，2004年（32）.
[14]韩小宝.嵌入式航空发动机数字电子控制器设计研究[D].西安：西北工业大学，2005.
[15]张堃.基于ARM9的嵌入式军用手持终端系统的设计与开发[D].济南：山东大学，2011.
[16]陈雷.嵌入式车载信息处理平台关键技术的研究与开发[D].北京：北京交通大学，2004.
[17]张倩.基于WinCE的车载智能仪表系统设计[D].西安：西安电子科技大学，2009：14-16.
[18]薛大龙，陈世帝，王韵.Windows CE嵌入式系统开发从基础到实践[M].北京：电子工业出版社，2008：32-35，39，
[19]武永谊.基于WinCE的PDA设计与实现[D].武汉：武汉理工大学，2010年：25-26.
[20] Wang Jigang，Gu Guochang，Xu Lifeng. A Smart Phone-oriented Embedded Real-timeOperating System[J]. ZTE Telecommunications，2005（4）.
[21]张祖勋.航空数码相机及其有关问题[J].测绘工程，2004,12（4）.
[22] Diener S, KiefnerM, D，rstel C1Radiometric Normalisation and Color CompositeGeneration of the DMC [J].IAPRS Vol1XXXIII, Amsterdam2000, to be published.
[23] B. Planer-Friedrich，J. Becker，B. Brimer，B. J. Merkel. Low-cost aerialphotography for high-resolution mapping of hydrothermal areas in YellowstoneNational Park[J]. International Journal of Remote Sensing，2007.
[24] LI Deren，LIU Liangming，HU Xiaoqin.The Development of Photogrammetry and RemoteSensing From1996TO2000(NationalL Report of CHINA)[J]. Geo-Spatial InformationScience,2000(3).
[25]刘先林，段福洲，宫辉力.航空摄影科技发展与未来展望[J].前沿科学，2007,3.
[26]张建霞.超轻型飞机数码航空摄影测量初步研究[D].西安：西安科技大学，2006.
[27] W. Stolz. Analysis of large format camera photographs of the Po Delta, Italy,for topographic and thematic mapping[J]. International Journal of Remote Sensing，1988.
[28]张剑清，潘励，王树根.摄影测量学[M].武汉：武汉大学出版社，2008：13.
[29]段福洲.近地轻型数码航空摄影测量系统研究[D].北京：首都师范大学，2007.
[30]张建霞，王留召，刘先林等.数字航空摄影测量的相机检校[J].测绘通报，2005，11.
[31] Liuzhao Wang,Hong Liang.The Platform Calibration of Aerial Multi-frame CCDCamera[C].2008Proceedings of Information Technology and Environmental SystemSciences,ITESS2008,395-396.
[32]吴晓明，张震宇，路玲玲.基于数码影像的航空摄影测量[J].河南理工大学学报（自然科学版），2007,6.
[33]程效军,胡敏捷.数字相机的检校[J].铁路航测,2001(4):12-14.
[34]冯文灏.关于近景摄影机检校的几个问题[J].测绘通报,2000(10):1-3.
[35] Zhao Lijian,Cheng Xinwen,Wu Zhoulei.Study on image distortion caused by cameraincline in multi-format aerial digital camera[C].20091st InternationalConference on Information Science and Engineering, ICISE2009,1452-1455.
[36]郁道银，谈恒英.工程光学[M].北京：机械工业出版社，2007:120.
[37] GB/T15661-20081:50001:100001:250001:500001:100000地形图航空摄影规范[S].2008年：5.
[38] Yusuf, Khairi;Edi, Prasetyo; Ghani, Amir Radzi Abdul.3D shape of specularsurface measurement using five degrees of freedom camera system[J].WSEASTransactions on Applied and Theoretical Mechanics,2009，74-84.
[39] Tian-zhou Chen， Jiang-wei Huang，Hong-jun Dai. The dynamic power managementfor embedded system with Poisson proces[J]. Journal of Zhejiang UniversityScience,2005:70-74.
[40]胡学青.低压大电流高频开关电源同步整流技术的研究[D].合肥：合肥工业大学，2010.
[41]刘领涛.基于PLC金相试样抛光机控制系统的研究与设计[D].保定：河北农业大学，2011.
[42]罗华军，蔡桂全.电阻触摸屏常见故障维修[J].故障运行与保障，2010（3）：109.
[43]李国彬.液晶显示器原理综述[J].经济技术协作信息，2007年.
[44] Hugh E. McLoone;Melissa Jacobson;Peter Clark;Ryan Opina;Chau Hegg;Peter Johnson.Design and evaluation of a curved computer keyboard[J]. Ergonomics，2009.
[45]史文韬.基于DSP的水下机器人嵌入式控制系统设计[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.
[46]高伟.基于ARM处理器的通用数控系统的研究与设计[D].沈阳：中国科学院沈阳计算技术研究所，2009.
[47]董超.基于OMAP平台的数字集群终端协议栈的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2010.
[48]何宗健.Windows CE嵌入式系统[M].北京：北京航空航天大学，2006,321-324.
[49]金振兴.基于ARM的作业环境监测评价系统的设计与实现[D].南京：东南大学，2008.
[50] LI XiaoHui,WU HaiTao,BIAN YuJing,WANG DanNi. Satellite virtual atomic clock withpseudorange difference function[J]. Science in China,2009(3).
[51] YuanXi Yang. Chinese geodetic coordinate system2000[J]. Chinese ScienceBulletin,2009(15):2714-2721.
[52]张凤举，张华海，赵长胜等.控制测量学[M].北京：煤炭工业出版社，1999：210,213，249,254-255.
[53] Springer-Verlag. Conversion of geodetic coordinates from National GeodeticReference Systems into Standard Earth System[J]. BulletinGéodésique,1973:65-72.