HIGH PRECISION CCD CALIBRATION AND ITS APPLICATIONS

ABSTRACT

With the help of CCD images, the realization of high precision positioning and measurement has become the basic standard for machine vision and real time photogrammetry systems. However, deformation and other sorts of degradation occurring during transmission are major limiting factors of the precision attainable with most current CCD cameras and frame grabbers. So a precise radiometric and geometric transmission of images from CCD sensor to memory is a fundamental aspect of CCD camera calibration. The geometric calibration system, which uses some image processing algorithms of the CCD camera based on the researched and developed system is discussed. The reliability and validity are also discussed. The experimental results for the calibration of the CCD array will be taken as an important quality index for CCD evaluation.     

CCD摄像机面阵几何检校的自动化方法

利用CCD 摄像机实现目标点的高精度定位和量测是计算机机器视觉和实时摄影测量系统的基本手段。而CCD 摄像机获取的目标影像在传输的过程中受到几何精度的限制。所以,目标影像从CCD 传感器到存储器的高精度的辐射和几何传输是CCD 摄像机检校的基本问题。作者在一新研制的解析测图仪上,设计了一套CCD 摄像机自动检校的软件系统。本文对该软件系统进行了介绍,并通过检校试验,证明了其可靠性和实用性。     

由小面阵CCD组合构成宽角航空相机

本文研究由多台小面阵CCD相机构建组合式宽角航空相机的新方法———包括由3台或4台相机组合构建的多相机系统结构,由其分离的各影像转换成等效大影像的数学表达;利用室外和室内近景相机检校场对组合相机系统进行高精度检校的内容、解算方法和检校结果;最后给出了以3相机组合系统装备无人驾驶飞行器(UAV II)进行低空摄影的影像成果。     

基于多片空间后方交会的CCD相机检校

近年来,CCD相机逐步应用于近景摄影测量、低空摄影测量。影响摄影测量成果精度的重要因素之一是相机的技术参数,因此相机技术参数的检校是保证成果质量能否满足精度要求的关键问题之一。文中通过单片空间后方交会和多片空间后方交会的比较试验,分别对两种方法实施了精度分析和可靠性分析,总结得出多片空间后方交会是一种更为可靠的CCD相机检校方法,且运用多片空间前方交会方法进一步验证了多片空间后方交会检校成果的可靠性。     

引入灭点约束的TSAI两步法相机标定改进研究

针对TASI两步法相机标定过程无法求解相机主点位置的问题,引入灭点几何约束进行改进,推导并建立了平面格网上两组正交直线透视投影形成的双灭点与相机内参数以及TASI两步法相机标定过程参数间的严格数学关系,详细阐述了综合运用双灭点与径向准直约束计算相机内参数的迭代过程,并以此为基础,给出了相机外方位参数以及径向畸变参数的求解步骤。实验结果验证了该改进方法的有效性。     

基于单CCD相机和经纬仪的几何测量方法研究

传统视觉测量系统需要双CCD相机同时拍摄两幅不同角度的数字图像,成本昂贵且难以确定两CCD相机问的空间相对位置。为此,建立一种结合CCD相机的摄像功能和经纬仪高精度测角功能的视觉测量系统。基于该系统提出一种用单CCD相机实现双目视觉原理的数学模型。实验结果证明系统与数学模型的可行性。     

非量测数字相机实验室几何标定

非量测数字相机的几何标定,包括内方位元素和畸变的精确测定,直接影响其用于航空摄影测量的最终精度。本文研制出一套非量测数字相机实验室几何标定系统。该系统采用平行光管加星点板作为目标发生器,在测量出一组目标点在相机的CCD靶面上的像点坐标及对应的平行光线的入射角后,结合几何标定的数学模型,可以实现相机的高精度几何标定。采用佳能EOS 5D MarkⅡ和哈苏H3D两款典型的数字相机进行了试验与分析。试验结果验证了本文标定方法的正确性以及精度的可靠性。     

基于DLT模型的一种数码相机检校方法

直接线性模型法是相机检校中常用的一种方法，在其基础上提出了一种适合计算机处理的数码相机检校方法，其通过改变像方元素的单位，就可使用现有的摄影测量程序直接处理数字影像。文中进一步讨论了像素尺寸大小对系统误差的影响，并对像素大小的必要测定精度进行了公式推导。最后的实验结果表明，该方法可以获得较好的校准结果。     

附加约束条件的光束法区域网平差在四拼数码航空相机平台检校中的应用

介绍了针对四拼数码航空相机的附加约束条件光束法区域网平差原理,包括计算四拼相机外方位元素,并同时计算四台子相机的相对位置关系,获取四拼相机平台检校参数。实验结果表明采用这种方法计算出来的平台检校参数精度高,生成的虚拟影像拼接效果好,测图精度满足大中比例尺地形图规范要求。     

轻小型组合宽角低空相机检校技术研究

轻小型组合宽角低空相机由四个非量测的CCD面阵相机组合而成,其内方位元素未知,并且相机畸变差较大.而无人机航空摄影测量作业对CCD相机的光学畸变参数有较高的要求,因为参数的一个像素的误差常常会导致地面几米甚至数十米的误差,因此对组合相机进行高精度检校是无人机航空摄影测量作业的关键步骤.本文采用多片空间后方交会方法在室外...     

面阵CCD数字航测相机影像几何拼接误差模型与分析

分析了多镜头、多面阵CCD航空影像的几何特点；构建了利用多个面阵CCD影像合成大像幅、中心投影数字航空影像的误差模型；详细分析了影像拼接误差对成图精度的影响；同时，从理论上推导出建立多面阵CCD数字航空测量相机系统所涉及的若干关键技术指标，并通过模拟数据验证了理论分析的正确性。     

一种非共线TDI CCD成像数据内视场拼接方法

星载非共线TDI CCD成像数据的高质量内视场拼接是保证影像后续处理和应用的基础。本文提出了一种非共线TDI CCD成像数据内视场拼接方法,该方法基于物方投影面和相机的传感器几何模型,建立了从拼接影像像点到原始影像像点的坐标转换关系,进而采用间接法影像纠正的方式对原始影像进行重采样生成拼接影像。本文在描述非共线TDI CCD严格成像几何模型之后,详细叙述了方法的基本原理、潜在的误差来源以及方法的实现流程,并通过ZY-1 02C卫星的高分辨率（HR）相机成像数据进行了试验验证,对拼接精度的分析与评价证明了方法的可行性。     

LMCCD相机影像摄影测量首次实践

LMCCD相机作为天绘一号卫星的有效载荷,是保证其实现无地面控制点摄影测量精度的关键。本文分别利用LMCCD影像和三线阵CCD影像对天绘一号卫星的相机参数进行了在轨标定计算,并利用各组在轨标定结果对定位精度（重点对高程误差）进行了统计分析。试验结果表明：与单纯的三线阵CCD影像的相比,LMCCD影像在相机参数在轨标定中能有效抵御因卫星姿态变化率导致的光束法平差航线系统变形问题,在天绘一号现有姿态变化率水平条件下,利用LMCCD影像进行相机参数在轨标定可保证天绘一号01星实现无地面控制点摄影测量精度要求。     

资源一号02C卫星全色相机在轨几何定标方法

为提高资源一号02C卫星全色影像几何精度,首先从其严格几何成像模型出发,对成像过程中的几何误差来源及其特性进行分析,在此基础上构建资源一号02C卫星全色相机的在轨几何定标模型;然后,将待定标参数分为内外定标参数,采用分步迭代策略进行解算;最后,基于本文的定标模型及解算方法,利用嵩山定标场提供的高精度参考数据对其进行了在轨几何定标实验。实验结果表明,本文的定标模型及解算方法合理有效,能显著提高资源一号02C卫星全色影像的无控定位精度和有控定位精度;同时,内定标精度优于0.3个像元。     

数字天顶摄像仪中CCD星象亚像素定位的改进二维矩方法

在利用数字天顶摄像仪通过天文测量确定天文垂线偏差的工作中,要求对CCD数字图像中星象中心进行亚像素定位。本文利用MATLAB实现对FITS格式CCD天文图像的正常读取,并与FV读取结果比较分析。在已有亚像素定位的修正矩方法基础上,提出一种利用迭代法寻求合适门限对二维修正矩方法进行改善。利用MATLAB实现对实测图像数据的处理与分析,探讨门限的取值对不同星等恒星定位精度的影响,给出门限的最佳取值。通过与已有修正矩算法处理结果比较分析,在以往修正矩方法计算基础上改进计算区域后再用迭代法计算,暗星定位精度有了很大提高。     

CCD阵列相机的几何标定

提出了一种ＣＣＤ阵列相机几何标定的多级处理方法。根据几何成像原理，该方法把相机内外部参数分开求解；而在内部参数标定过程中，又把各内部参数的标定分阶段进行。这种标定方法是建立在严格的几何约束关系之上的，它克服了传统的整体参数标定方法中各未知参数的相关性影响，从而保证了标定结果的数据一致性和精度。实验验证了本文方法的优越性。     

“天绘一号”传输型摄影测量与遥感卫星

介绍了“天绘一号”卫星的总体方案、技术特点、研制历程和应用概况, 重点介绍了“天绘一号”卫星的技术特点和应用前景, 以便用户了解、熟悉“天绘一号”卫星, 更好使用其各种影像产品, 更好发挥卫星的应用效能。“天绘一号”卫星摄影定位与测图系统采用LMCCD(Line Matrix Charge Coupled Device)测绘体制, 由前视、正视和后视3台全色CCD相机, 3台星敏感器以及1台GPS接收机组成;其中正视相机焦平面上还设计有4个小面阵CCD器件, 用于提高摄影定位的高程精度。卫星摄影测量基高比为1。卫星通过一个高强度、高刚度和高稳定度的测绘光学平台, 将3台测绘相机、3台星敏感器和1台多光谱相机集成为一体, 满足了测绘任务对星敏感器与相机间几何角度关系的高精度及高稳定度要求。在轨测试结果表明, 卫星摄影定位精度优于任务指标要求, 可满足无地面控制点条件下测制全球1:50000比例尺地图要求。     

空间CCD相机的高速多通道图像高可靠光纤传输系统

为了提高空间CCD相机中数字视频图像信息的传输带宽,增强图像传输抗电磁干扰能力并提高光纤链路的整体性能,开发了应用于大视场空间相机的数字视频图像信息高可靠光纤传输系统。首先,根据CCD成像单元特点和相机在轨工作环境得出了传输系统的输入速率,在此基础上并结合CCD视频处理结构设计并实现了9通道CCD图像数据光纤并行传输系统。然后,阐述了系统设计思想,并说明了高速串化器和光模块的设计理念。接着,提出了(16,8)纠错编码算法,阐述了该算法思想和实现电路。最后,在XX-X空间多光谱相机样机的传输系统上进行了试验验证。实验结果表明:该传输系统图像传输正确、工作稳定、可靠性高、实时强、无误码,单路有效数据率达到2.44Gbit/s。(16,8)纠错编码算法纠错能力强、易于硬件实现、占用资源少。纠错算法在3043Byte内可以纠正191bit错误。该传输系统满足了空间相机图像传输的要求。     

国产机载大视场三线阵CCD相机GNSS偏心矢量和IMU视轴偏心角标定技术

针对国内首台自主研制的机载三线阵CCD相机（以下简称GFXJ）,开展了国产GFXJ的GNSS偏心矢量和IMU视轴偏心角标定技术研究工作。首先介绍了GFXJ相机的成像特点,然后分析建立了GFXJ的GNSS偏心矢量标定模型和IMU视轴偏心角标定模型,并提出了GNSS偏心矢量和视轴偏心角循环两步法标定方案,最后在国家嵩山遥感综合实验场获得了多次飞行试验数据。通过进行区域网平差和标定处理,验证了本文建立的GNSS偏心矢量标定模型和IMU视轴偏心角标定模型的正确性和有效性,证实了本文提出的循环两步法标定方案可靠、可行,可显著提升GFXJ的几何定位精度。利用GNSS偏心矢量和IMU视轴偏心角标定值,大幅提高了GFXJ相机的无控定位精度。辅以少量控制点进行区域网平差,GFXJ影像平面定位精度可满足1：1000地形图测图的空中三角测量精度要求,高程精度距离指标要求略有差距。目前该款相机仍在校飞阶段,定型后几何性能有望进一步提高。同时,本文建立的GNSS偏心矢量标定模型和IMU视轴偏心角标定模型及提出的循环两步法标定方案,可为其他机载线阵CCD相机的标定处理提供借鉴。     

三维相机检校场标志点图像坐标提取方法

相机检校是摄影测量重要的工作环节之一,相机检校方法和结果直接影响摄影测量后处理的效率和精度。文中针对相机标定工作中存在的标志点人工提取效率低等问题,提出一种三维相机检校场圆形标志点图像坐标提取的方法,通过对原始图像进行高斯滤波、Canny边缘检测、椭圆形轮廓提取和拟合等一系列处理后,最终得到标志点中心的图像坐标。通过与人工量测标志点图像坐标的方法进行对比分析,验证方法的可行性,实现数码相机的快速标定。