基于非量测数码相机的近景摄影测量数据处理方法研究
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摘要
随着近景摄影测量技术的进一步发展,以及普通数码相机的分辩率不断提高,数码相机已经成为开展近景摄影测量中重要的影像数据获取设备。本文基于传统的近景摄影测量领域的一些研究成果,对普通数码相机的检校和影像数据处理问题进行了进一步研究,主要的研究成果为:
1.利用室内控制场对数码相机进行量测化改造,利用三维控制场确定相机的畸变系数和内方位元素,利用二维控制场建立对应焦距的数字畸变模型。最后,对量测化精度进行评价。实验结果表明,采用本文的量测化方法精度能够满足高等精度要求的数字摄影测量项目。
2.为了解决空间后方交会和相对定向中,由旋转矩阵中含有三角函数及角量造成迭代计算不收敛的情况,本文将Pope-Hinsken算法引入到相对定向中,用四个代数参数代替通常用的角量,从而对于任意角度拍摄的非量测数码影像在空间后方交会和相对定向中总能保证以较快的速度收敛。
3.在处理多基线非量测数码影像数据时,本文是采用相对定向—模型连接—绝对定向的思路进行的,然后将定向结果作为光束法平差的初始值,进行数据处理得到所需监测点的点位信息。本文首次尝试将航空摄影测量中空中三角测量技术引入到近景摄影测量当中,通过多次实验结果的表明,在控制点的数量和分布合理的情况下,光束法平差的精度可以达到1/5000。
4.多基线数码影像中控制点数量有限,必须通过模型连接将所有影像纳入到统一坐标系中来,才能进行绝对定向。这里模型连接是通过公共连接点在前后两个模型中的高程相等这个条件完成的,将连接后的整体模型进行绝对定向,最后将所有监测点坐标转到大地测量坐标系中。
5.由于多基线光束法平差与航空摄影测量中的光束法平差理论相似,本文通过将控制点作为真值的方法进行光束法平差,并对控制点的数量和分布对平差结果的影像进行来详细的讨论。
6.最后通过部分实例来验证多基线普通数码影像数据处理技术在实际应用中的精度。
With the development of close-range photogrammetry and the increase of resolution, common non-metric digital cameras have been the important equipments for close-range photogrammetry. Based on original critical research results, we did some research on camera calibration and data processing. This paper researched on digital close-range photogrammetry based on multi-baseline normal digital images. And it introduced the following results.
1. In order to know lens distortion of digital cameras, we took full use of control field. Research and experiments illustrated that the measurement and alteration of common digital camera is successful. This photogrammetric techniques and methods based on ordinary digital images can be applied extensively in engineering which requests a moderate accuracy.
2. During the process of data processing, we take three steps which include relative orientation, absolute orientation and model collection. It will provide initial value for bundle adjustment. The results of the experiment give us a good suggestion. The precision of bundle adjustment could reach 1/5000 if the number of control-points is enough and keep a good distribute.
3. Rotation in relative orientation is consisted of angles which is the main reason of bad results. However, Pope-Hinsken could solve this problem. It replaces the angles with four parameters. It is a good way for the relative orientation.
4. Because the number of control Points in multi-base line images is limited, we should take the action of model collection in order to make all images in the same control conditions. Model collection is depend on the points' elevation. After the conjunction of whole model, the next step is absolute orientation. Finally, we could convert the coordinate's control conditions into geodetic system.
5. The bundle adjustment in multi-base line images is similar to Aerial photogrammetric. We always consider the value of the control points to be real while we take the action of bundle adjustment. We also did some research on the relation between control points' number and distribute.
6. Finally, We take some examples to certificate the reliability of multi-base line images.
1.利用室内控制场对数码相机进行量测化改造,利用三维控制场确定相机的畸变系数和内方位元素,利用二维控制场建立对应焦距的数字畸变模型。最后,对量测化精度进行评价。实验结果表明,采用本文的量测化方法精度能够满足高等精度要求的数字摄影测量项目。
2.为了解决空间后方交会和相对定向中,由旋转矩阵中含有三角函数及角量造成迭代计算不收敛的情况,本文将Pope-Hinsken算法引入到相对定向中,用四个代数参数代替通常用的角量,从而对于任意角度拍摄的非量测数码影像在空间后方交会和相对定向中总能保证以较快的速度收敛。
3.在处理多基线非量测数码影像数据时,本文是采用相对定向—模型连接—绝对定向的思路进行的,然后将定向结果作为光束法平差的初始值,进行数据处理得到所需监测点的点位信息。本文首次尝试将航空摄影测量中空中三角测量技术引入到近景摄影测量当中,通过多次实验结果的表明,在控制点的数量和分布合理的情况下,光束法平差的精度可以达到1/5000。
4.多基线数码影像中控制点数量有限,必须通过模型连接将所有影像纳入到统一坐标系中来,才能进行绝对定向。这里模型连接是通过公共连接点在前后两个模型中的高程相等这个条件完成的,将连接后的整体模型进行绝对定向,最后将所有监测点坐标转到大地测量坐标系中。
5.由于多基线光束法平差与航空摄影测量中的光束法平差理论相似,本文通过将控制点作为真值的方法进行光束法平差,并对控制点的数量和分布对平差结果的影像进行来详细的讨论。
6.最后通过部分实例来验证多基线普通数码影像数据处理技术在实际应用中的精度。
With the development of close-range photogrammetry and the increase of resolution, common non-metric digital cameras have been the important equipments for close-range photogrammetry. Based on original critical research results, we did some research on camera calibration and data processing. This paper researched on digital close-range photogrammetry based on multi-baseline normal digital images. And it introduced the following results.
1. In order to know lens distortion of digital cameras, we took full use of control field. Research and experiments illustrated that the measurement and alteration of common digital camera is successful. This photogrammetric techniques and methods based on ordinary digital images can be applied extensively in engineering which requests a moderate accuracy.
2. During the process of data processing, we take three steps which include relative orientation, absolute orientation and model collection. It will provide initial value for bundle adjustment. The results of the experiment give us a good suggestion. The precision of bundle adjustment could reach 1/5000 if the number of control-points is enough and keep a good distribute.
3. Rotation in relative orientation is consisted of angles which is the main reason of bad results. However, Pope-Hinsken could solve this problem. It replaces the angles with four parameters. It is a good way for the relative orientation.
4. Because the number of control Points in multi-base line images is limited, we should take the action of model collection in order to make all images in the same control conditions. Model collection is depend on the points' elevation. After the conjunction of whole model, the next step is absolute orientation. Finally, we could convert the coordinate's control conditions into geodetic system.
5. The bundle adjustment in multi-base line images is similar to Aerial photogrammetric. We always consider the value of the control points to be real while we take the action of bundle adjustment. We also did some research on the relation between control points' number and distribute.
6. Finally, We take some examples to certificate the reliability of multi-base line images.
引文
[1]冯文灏.近景摄影测量.武汉.武汉大学出版社,2002.2
[2]舒宁.激光成像.武汉.武汉大学出版社,2005.8
[3]吕宏静,贾云得.用多基线立体视觉系统恢复稠密深度图像[J].北京理工大学学报,2000,20(1):69-72
[4]张永军,刘经南,等.基于非量测CCD摄像机的钣金件误差检测[J].测绘报.2004,33(2):132-137
[5]鲁金忠,卢章平,罗开玉.基于序列图像的物体表面三维重建方法的研究[J].农机化研究,2004,(4):132-134
[6]Hans-Gerd Mass.Image sequence based automatic multi-camera system calibration technique[J].http://www.geo.tudelft.nl/frs/papers/1998/MassImage.pdf
[7]Fabio Remondino.IMAGE SEQUENCE ANALYSIS FOR HUMAN BODY RECONSTRUCTION[J].International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing.2002,34(5):363-368.
[8]Nicola D'Apuzzo.Surface measurement and tracking of human body parts from multi-image video sequences[J].ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing,2002,(56):360-375
[9]李德仁,郑肇葆.解析摄影测量学.北京:测绘出版社,1986.
[10]Popo.A.:An advantageous,alternative parametrization of rotations for analytical photogrammetry,Alexandria,Virginia 1970
[11]Hinsken,L.:A singularity free algorithm for spatial orientation of bundle,ⅩⅥ cong.of ISPRS,1988,Tyoto.
[12]曾卓乔.一种不测定初始值的近景摄影测量微机程序[J].测绘学报 1990,(4):298-307
[13]张祖勋,张剑清.数字摄影测量学.武汉.武汉大学出版社,1997:143-146
[14]法惟刚,赵泽凌.后方交会最佳点位的选取,本溪冶金高等专科学校学报,2003(12):12-15
[15]彭友文.测角前方交会图形位置对观测精度的影响.江西水利科技.2000(12):210
[16]黄道明.大屋盖架网安装检测方法及精度分析.徐州建筑职业技术学院学报。2005(6):20-2
[17]冯文灏,李欣,胡震天.准二维控制场的建立与其应用,武汉大学学报,2005(2):102-10
[18]Zhang Z Y.A Flexible New Technique for camera Calibration.Microsoft research,Redmond,1998
[19]张永军,张祖勋,张剑清 利用二维DLT及光束法平差进行数字摄影机标定.
[20]Curr,Baumrind.Calibration of an Array Camera.PERS,1986,52(3):627-636
[21]Trigger B.Auto-calibration from Planar Scenes.1998 European Conference on Computer Vision,Freiberg,1998
[22]冯文灏,商浩亮,侯文广.影像的数字畸变模型.武汉大学学报,2006(2):100-101
[23]冯文灏.工业测量中特高精度控制网的建立方法.武汉测绘科技大学学报,1999.24(2);119-123
[24]测量平差教研室编注.测量平差基础[M].北京:测绘出版社.1996年5月.
[25]方子岩.摄影测量技术现状及发展对策初探[J].地矿测绘,2002,(2):11-13
[26]李土旺.浅析基于普通数码相机的数字摄影测量理论[J].技术应用,2005,(3):31-33
[27]Seitz P.Optical Super-resolution Using Solid-State Cameras and Digital signal Procession.Optical Engineering,1988,27(7):535-540
[28]李志林,朱庆.数字高程模型[M].武汉:武汉大学出版社.2003年10月.
[29]崔红霞,孙杰,林宗坚等.非量测数码相机的畸变差检测研究[].测绘科学,2005,(30):105-107
[30]於宗俦,鲁林成.测量平差基础[M].北京:测绘出版社,1978
[31]黄维彬.近代平差理论及其应用[M].北京:解放军出版社,1992
[32]张永军,张勇.大重叠度影像的相对定向与前方交会精度分析[J].武汉大学学报(信息科学版):2005,30(2):126-130
[33]杨立君.基于非量测数码影像的地形数据获取技术研究[D].南京:河海大学,2005
[34]冈萨雷斯.数字图像处理(第二版),电子工业出版社,2003.
[35]何斌,马天予,王运坚等,数字图像处理(第二版),北京:人民邮电出版社,2002.
[36]马颂德,张正友.计算机视觉-计算理论与算法基础.北京:科学出版社,1998.
[37]孟晓桥,胡占义.一种新的基于圆环点的摄像机自标定方法,软件学报,Vol.13,No.5,pp:957-965,2002.
[38]吴福朝,阮宗才,胡占义.非线性模型下的摄像机自标定,计算机学报,Vol.25,No.3,pp:276-283,2002.
[39]张永军.基于序列图像的工业钣金件的三维重建与视觉检测,武汉大学博士学位论文,2002.
[40]章毓晋.图像工程-图像处理与分析.北京:清华大学出版社,1999.
[41]冯文灏.关于近景摄影机检校的几个问题.测绘通报,pp:1-3,2000(10)
[42]冯文灏.近景摄影测量--物体外形与运动状态的摄影法测定.武汉:武汉大学出版社,2002.
[43]冯文灏.近景摄影测量的控制[J].武汉测绘科技大学学报,2000(5),453-458
[44]张祖勋等译.平行摄影测量及其在狭窄通道中的应用[J].测绘译丛,1986(1
[45]吴庆忠等.平行摄影测量的精度分析[J].测绘科学,2002(2),31-33
[46]何永强.平行摄影测量的探讨及其试验[J].地矿测绘,1994(1),1-6
[47]冯文灏.非地形摄影测量[M].北京:测绘出版社,1985
[48]陈建华等.灵山大佛数字近景摄影测量[J].工程勘测.1998,5
[49]李孟山,李少元,李继平.一种快速处理交通事故的方法[J].铁路航测.1997(3),19-21
[50]于君明,黄小波.基于数码相机立体像对的物体3维信息快速获取方法[J].测绘学院学报,2002,1(4):276-279
[51]管业鹏,童林夙,尹涵春.基于数码相机的三维物体空间几何位置的摄影测量[J].电子学报,2004,30(6).6849-852
[52]李德仁,袁修孝.误差处理和可靠性理论[M].武汉:武汉大学出版社,2002
[53]李德仁.误差处理和可靠性理论.北京:测绘出版社,1988
[54]黄莜蓉,周文光.外方位元素误差对点位误差的影响[J].铁路航测,1996,(1):1-4
[55]邹峥嵘.附加制约条件的DLT解法对控制点分布的容忍性[J].北京测绘,1995(4):29-31
[56]王细波.近景摄影测量理论的若干问题及单相机交通事故现场测量系统的研制[D].长沙:中南工业大学,1991
[2]舒宁.激光成像.武汉.武汉大学出版社,2005.8
[3]吕宏静,贾云得.用多基线立体视觉系统恢复稠密深度图像[J].北京理工大学学报,2000,20(1):69-72
[4]张永军,刘经南,等.基于非量测CCD摄像机的钣金件误差检测[J].测绘报.2004,33(2):132-137
[5]鲁金忠,卢章平,罗开玉.基于序列图像的物体表面三维重建方法的研究[J].农机化研究,2004,(4):132-134
[6]Hans-Gerd Mass.Image sequence based automatic multi-camera system calibration technique[J].http://www.geo.tudelft.nl/frs/papers/1998/MassImage.pdf
[7]Fabio Remondino.IMAGE SEQUENCE ANALYSIS FOR HUMAN BODY RECONSTRUCTION[J].International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing.2002,34(5):363-368.
[8]Nicola D'Apuzzo.Surface measurement and tracking of human body parts from multi-image video sequences[J].ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing,2002,(56):360-375
[9]李德仁,郑肇葆.解析摄影测量学.北京:测绘出版社,1986.
[10]Popo.A.:An advantageous,alternative parametrization of rotations for analytical photogrammetry,Alexandria,Virginia 1970
[11]Hinsken,L.:A singularity free algorithm for spatial orientation of bundle,ⅩⅥ cong.of ISPRS,1988,Tyoto.
[12]曾卓乔.一种不测定初始值的近景摄影测量微机程序[J].测绘学报 1990,(4):298-307
[13]张祖勋,张剑清.数字摄影测量学.武汉.武汉大学出版社,1997:143-146
[14]法惟刚,赵泽凌.后方交会最佳点位的选取,本溪冶金高等专科学校学报,2003(12):12-15
[15]彭友文.测角前方交会图形位置对观测精度的影响.江西水利科技.2000(12):210
[16]黄道明.大屋盖架网安装检测方法及精度分析.徐州建筑职业技术学院学报。2005(6):20-2
[17]冯文灏,李欣,胡震天.准二维控制场的建立与其应用,武汉大学学报,2005(2):102-10
[18]Zhang Z Y.A Flexible New Technique for camera Calibration.Microsoft research,Redmond,1998
[19]张永军,张祖勋,张剑清 利用二维DLT及光束法平差进行数字摄影机标定.
[20]Curr,Baumrind.Calibration of an Array Camera.PERS,1986,52(3):627-636
[21]Trigger B.Auto-calibration from Planar Scenes.1998 European Conference on Computer Vision,Freiberg,1998
[22]冯文灏,商浩亮,侯文广.影像的数字畸变模型.武汉大学学报,2006(2):100-101
[23]冯文灏.工业测量中特高精度控制网的建立方法.武汉测绘科技大学学报,1999.24(2);119-123
[24]测量平差教研室编注.测量平差基础[M].北京:测绘出版社.1996年5月.
[25]方子岩.摄影测量技术现状及发展对策初探[J].地矿测绘,2002,(2):11-13
[26]李土旺.浅析基于普通数码相机的数字摄影测量理论[J].技术应用,2005,(3):31-33
[27]Seitz P.Optical Super-resolution Using Solid-State Cameras and Digital signal Procession.Optical Engineering,1988,27(7):535-540
[28]李志林,朱庆.数字高程模型[M].武汉:武汉大学出版社.2003年10月.
[29]崔红霞,孙杰,林宗坚等.非量测数码相机的畸变差检测研究[].测绘科学,2005,(30):105-107
[30]於宗俦,鲁林成.测量平差基础[M].北京:测绘出版社,1978
[31]黄维彬.近代平差理论及其应用[M].北京:解放军出版社,1992
[32]张永军,张勇.大重叠度影像的相对定向与前方交会精度分析[J].武汉大学学报(信息科学版):2005,30(2):126-130
[33]杨立君.基于非量测数码影像的地形数据获取技术研究[D].南京:河海大学,2005
[34]冈萨雷斯.数字图像处理(第二版),电子工业出版社,2003.
[35]何斌,马天予,王运坚等,数字图像处理(第二版),北京:人民邮电出版社,2002.
[36]马颂德,张正友.计算机视觉-计算理论与算法基础.北京:科学出版社,1998.
[37]孟晓桥,胡占义.一种新的基于圆环点的摄像机自标定方法,软件学报,Vol.13,No.5,pp:957-965,2002.
[38]吴福朝,阮宗才,胡占义.非线性模型下的摄像机自标定,计算机学报,Vol.25,No.3,pp:276-283,2002.
[39]张永军.基于序列图像的工业钣金件的三维重建与视觉检测,武汉大学博士学位论文,2002.
[40]章毓晋.图像工程-图像处理与分析.北京:清华大学出版社,1999.
[41]冯文灏.关于近景摄影机检校的几个问题.测绘通报,pp:1-3,2000(10)
[42]冯文灏.近景摄影测量--物体外形与运动状态的摄影法测定.武汉:武汉大学出版社,2002.
[43]冯文灏.近景摄影测量的控制[J].武汉测绘科技大学学报,2000(5),453-458
[44]张祖勋等译.平行摄影测量及其在狭窄通道中的应用[J].测绘译丛,1986(1
[45]吴庆忠等.平行摄影测量的精度分析[J].测绘科学,2002(2),31-33
[46]何永强.平行摄影测量的探讨及其试验[J].地矿测绘,1994(1),1-6
[47]冯文灏.非地形摄影测量[M].北京:测绘出版社,1985
[48]陈建华等.灵山大佛数字近景摄影测量[J].工程勘测.1998,5
[49]李孟山,李少元,李继平.一种快速处理交通事故的方法[J].铁路航测.1997(3),19-21
[50]于君明,黄小波.基于数码相机立体像对的物体3维信息快速获取方法[J].测绘学院学报,2002,1(4):276-279
[51]管业鹏,童林夙,尹涵春.基于数码相机的三维物体空间几何位置的摄影测量[J].电子学报,2004,30(6).6849-852
[52]李德仁,袁修孝.误差处理和可靠性理论[M].武汉:武汉大学出版社,2002
[53]李德仁.误差处理和可靠性理论.北京:测绘出版社,1988
[54]黄莜蓉,周文光.外方位元素误差对点位误差的影响[J].铁路航测,1996,(1):1-4
[55]邹峥嵘.附加制约条件的DLT解法对控制点分布的容忍性[J].北京测绘,1995(4):29-31
[56]王细波.近景摄影测量理论的若干问题及单相机交通事故现场测量系统的研制[D].长沙:中南工业大学,1991