基于大比例尺航空影像共面约束条件的相机自检校方法

提出了基于大比例尺航空影像共面约束的相机自检校方法,该方法使用所有立体像对同名点基于共面约束对相机的内方位元素及畸变系数进行解算。首先进行航空影像同名点匹配,构建立体像对;然后基于共面约束使用直接解法和迭代优化进行相对定向,解算相机位置与姿态;最后使用最小二乘优化方法解算相机内方位元素和畸变系数。对于高分辨率大尺寸航空影像,图像中心及边缘的畸变差异较大,为了进一步提高解算精度,对图像进行网格区域划分解算畸变。使用大比例尺航空影像进行解算能真实精确反映航空摄影测量时所获取图像的相机参数和畸变系数,避免检校环境与使用环境不同解算得到的相机畸变参数不能真实反映所获取影像的畸变问题;使用所有同名点解算,避免由于选择不同特征点或控制点对检校精度的影响;通过区域网格划分,进一步提高了解算精度。对检校结果进行了分析,该方法精度较高,与基于室外检校场的精度相当,能真实精确反映航空摄影测量时所获取图像的相机参数和畸变系数,提高了三维重建的精度。     

GNSS约束的长航带无人机影像自检校方法

相机自检校直接决定无人机影像空三的精度。沿输电线路走廊采集的长航带结构无人机影像是一种典型的退化配置,对其自检校容易出现“碗状”效应。为解决该问题,传统方法往往依赖较多控制点,而提出的自检校方法仅需一个控制点。首先研究经典物理模型和最新的数学模型;然后在增量式SfM(structure from motion)框架下,设计了一种联合无人机影像相机检校参数初始化和高精度差分全球导航卫星系统（global navigation satellite system, GNSS)位置信息辅助的相机自检校方法。利用两个实验区域不同采集模式下的4组无人机电力走廊影像进行无控制约束以及单个控制点约束的相机自检校实验。结果表明,提出的相机自检校策略在无控制点约束时,可以有效缓解长航带结构空三的“碗状”效应,减轻模型的弯曲程度,提高自检校空三的绝对精度;单个控制点约束自检校时,水平和高程精度均优于0.06 m。与当前主流开源和商业软件对比,该算法能够得到相当或更高精度。     

移轴原理的数字相机检校

移轴相机由于其垂视摄影且视场可扩展的优势,已逐步开始应用于航空大面阵多相机系统中。针对当前航空移轴大面阵多相机系统未检校或由于检校精度不高导致几何精度较低的问题,提出了一种针对移轴成像的数字相机几何检校方法。该方法建立了移轴影像像平面坐标系到基准像平面坐标系的转换关系,并以此为基础构建移轴相机几何检校模型。本文以典型的单反移轴相机为例,利用室内三维检校场数据进行了实验验证与分析。结果表明,利用该方法对移轴相机进行检校是可靠的,并达到了较高的精度。     

相机畸变的混合模型迭代检校法

严格的相机检校是进行高精度测量和三维模型重建的基础。本文通过模拟理想影像并对之加入各种畸变，针对相机平面畸变检校模型中的径向、偏心和平面内3种畸变进行了探讨，结果发现同时考虑径向、偏心和线性3种畸变的物理检校模型要优于只考虑其中某一种或两种畸变的物理检校模型；试验结果同时表明现有物理检校模型并不能完全消除影像畸变；针对物理检校模型不能完全消除影像畸变的问题，本文引入数学检校模型（切比雪夫多项式），并提出物理检校模型和数学检校模型混合迭代检校的思想，通过模拟影像试验验证这一方法比单一使用物理模型或数学模型更能有效地降低影像畸变；最后本文对运动相机GoPro影像检校试验进一步验证了提出的混合模型迭代检校法能够更好地检校影像畸变。     

封面说明 资源三号卫星2.1m迪拜棕榈岛融合影像

资源三号(ZY-3)卫星是中国首颗高精度民用立体测绘卫星,于2012年1月9日11:17在太原卫星发射中心发射升空。ZY-3卫星搭载了一组三线阵立体测绘相机及1台6m分辨率多光谱相机。立体测绘相机由1台2.1m分辨率正视相机和两台3.5m分辨率前、后视相机组成,以"不同视角、联合观测"的方式立体成像。图为中国资源卫星应用中心处理的2012年2月16日迪拜棕榈岛及周边区域影像,由2.1m正视相机影像和6m多光谱相机影像融合而成。     

自稳定双拼相机影像拼接技术

介绍自稳定航测双拼数码相机,并详细论述其影像拼接的关键技术,主要包括相机检校、影像水平纠正、子影像间相对定向和虚拟影像拼接,最后对虚拟影像拼接误差进行分析。采用自稳定双拼相机进行低空摄影测量,能达到1:1 000大比例尺航测成图的精度要求。目前,该项技术已经成功应用于地形图测绘、三维建模、区域规划等实际工程项目中。     

双目序列影像三维运动参数确定

结合立体视觉的特点．介绍了一套双目视觉系统与完整的、由双目序列影像确定场景中目标运动信息的方法。其主要步骤包括相机检校、运动与立体影像的匹配、运动前后三维特征点的对应以及运动参数的求解。并给出了从真实双目序列影像中获取物体匀速直线运动和匀加速直线运动参数的实验结果。     

倾斜航空影像的城市建筑物三维模型构建研究

针对当前城市建筑物三维模型构建的需要,本文提出一套利用无人飞艇载四组合特宽角相机同时实现高精度空中三角测量和建筑物景观三维建模的技术路线。一方面通过基于四相机重叠影像自动匹配的自检校,达到设备轻小型化条件下的精密等效中心投影构像,用以支持高精度空中三角测量;另一方面,通过自检校的4个方向倾斜的相机,达到一次飞行同时获得四方向建筑物侧面影像的目的,为城市景观的三维表达、精细建模和可视化提供一种新的、快捷的技术方案。     

组合宽角低空航测相机关键技术研究

近年来,摄影测量技术发展迅猛,特别是低空航空摄影平台的出现,很好地弥补了传统卫星遥感、常规航空摄影测量在时效性、灵活性方面的不足。借助低空摄影的光学优势能够获取传统航空摄影和卫星遥感无法比拟的高分辨率影像,可以实现航空摄影测量大比例尺成图的目标。符合低空航空摄影的成像系统,发展较为滞后。现有很多低空航摄影测量平台普遍搭载单个普通数码相机进行航空摄影,存在航空摄影数据采集效率低、有效数据量小、数据处理难度高以及成图精度不高等问题;再有,传统的航空摄影测量相机及国内外成熟的组合宽幅航空相机系统又缺乏进行低空航空摄影测量应用的客观基础。研究适合于低空航空摄影的成像系统对于低空航测应用发展非常关键,是解决低空航测现存问题的一个有效途径。低空航测成像系统目前最主要的问题是数据的获取效率和精度,根本原因在于相机像幅以及视场角大小的问题。解决这一问题的根本途径是研究适合于低空航空摄影的宽幅面、宽视场角相机系统。对于数字相机而言,像幅受材料以及制造工艺限制,视场角受光学镜头的光学性能限制,很难有所突破。但是数字相机影像的可拼接性提供了另外一种可能途径,即多传感器组合成像,利用多个小像幅相机构造拼接成一个近似单中心投影的宽幅面航空相机,从而提高影像像幅和视场角,达到宽幅面大视场成像的目的。本文主要研究工作如下:(1)研究了低空航空摄影的光学理论基础。系统分析了低空航空摄影光学条件,结合光度学理论详细论述了低空航空摄影光度学优势,以及单镜头成像系统低空宽视场成像的劣势,阐述了利用组合成像技术来实现低空宽角成像的必要性和可行性。系统总结了当前摄影成像相机系统的发展现状,归纳了现有组合成像系统的特点和优势,分析了利用组合成像技术来提高影像像幅和视场角数学原理。在对比分析现有组合相机几何构造、成像单元数量、拼接模型的基础上,确定了利用五个数码相机采用组合成像技术来构造组合宽角低空航测相机的研究目标。(2)研究了基于地面三维检校场的低空组合宽角相机的静态误差高精度检校方法。理论推导了低空组合宽角相机的几何成像数学模型,定义了相机之间以及虚拟影像空间坐标系统,建立了各个独立光学结构(子相机)之间,及其与虚拟影像之间的严格几何数学模型。理论分析了组合宽角相机几何成像数学模型误差,将其归纳为地面静态误差和飞行动态误差两个部分。并研究了利用地面三维检校场来实现其静态误差的几何标定。静态误差几何标定主要包括单相机几何畸变误差的高精度标定和组合相机联合空间关系标定两个内容,详细论述了其算法原理和实现过程,最后通过实验结果分析了其精度和可靠性。(3)研究了基于影像全部像元参加的低空组合宽角相机飞行动态误差自检校模型求解与全局优化方法。自检校的目的是对相机飞行过程中由于系统和环境变化等因素导致的动态误差进行补偿。首先,理论推导了本文采用的自检校联合平差数学模型,该模型顾及了飞行过程中可能导致的相机系统间的空间位置和姿态的微小变化,将这种微小变化的检测转换为重叠区影像的视差值。其次,论述了利用重叠区匹配同名点求解自检校模型参数的基本原理和方法,并结合本文组合宽角相机特点,设计了一种影像快速匹配策略,进而实现自检校模型求解;在此基础上,通过对影像匹配性能的分析,以及基于特征点匹配来求解自检校联合平差模型存在的局部最优问题,提出了一种影像重叠区全部像元参加的几何匹配方法来实现对自检校模型求解的全局优化算法,对算法思想和原理以及求解过程进行了详细论述。最后通过对比实验分析了自检校模型求解的精度,验证了算法的有效性。(4)研究了宽角相机与稳定平台的集成。分析了稳定成像对于低空航空摄影成像质量和数据处理精度的影响,指出稳定成像对于组合宽角低空航测相机的重要意义。首先,理论分析了低空飞行平台的不稳定对于低空航空影像光学和几何性能的影响,以及飞行平台不稳定导致的影像质量下降、数据处理难度增大、处理精度降低等问题;其次,介绍了一种适用于无人飞艇等飞行器的三轴稳定平台结构及其控制原理,并通过对比试验来分析稳定成像对于低空航测精度的影响,指出了低空稳定成像对于低空组合宽角相机系统数据获取和处理的重要意义。(5)通过具体的航空摄影工程实例阐述了利用低空组合宽角相机进行航空摄影作业的数据处理实际流程,并分析了不同类型地形数据自检校拼接的精度分布,展示了其相关数据产品成果情况,结合影像空三处理结果分析了其精度。实验结果反映了组合宽角低空航测相机的作业能力。     

多镜头组合式相机的全景SLAM

同步定位与地图构建（simultaneous localization and mapping，SLAM）是摄影测量、计算机视觉和机器人学的研究热点，并广泛应用于移动测图系统、机器人、无人驾驶车等。本文提出一种针对多镜头组合式全景相机的基于特征的SLAM解决方案。首先，本文建立了鱼眼相机的高精度检校模型，以保证鱼眼相机与全景相机之间的高精度坐标转换；然后，将多镜头组合式全景成像模型嵌入SLAM的初始化、局部地图生成、关键帧选取、图优化等各个流程中。此外，考虑全景相机变形大、基线长的不利因素，本文在特征匹配、平差、特征点跟踪等SLAM的各个步骤都进行了针对性改进。本文在两套车载全景数据集共8000余张全景影像上进行试验。结果表明，本文所提出的全景SLAM很好地实现了全景相机的自动定位与地图构建功能，并达到了接近GPS参考的极高定位精度而无须借助GPS/IMU组合导航系统。相对于主流的基于平面相机的各类SLAM系统，如Mono-SLAM、Stereo-SLAM以及RGB-D SLAM，本文提出的全景SLAM可作为良好的补充，并为GPS信号失锁时的传感器定位提供廉价的自动解决方案。     

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...     

数字航测相机系统研究现状

介绍了国际上具有代表性的数字航测相机系统(ADS40、DMC、UltraCamD和DiMAC)的特点及其主要技术参数。实用化的数字航测相机应同时具备高分辨率和大视场的特性,才能保证在高精度成图的同时提高作业效率。结合我国自主研制的第一台大面阵彩色CCD航测相机,详细地介绍了相机系统的“3 1”技术路线、相机参数和系统组成。相机综合试验的结果表明,相机系统完全可以满足大比例成图精度的要求。     

Principal Point Behaviour and Calibration Parameter Models for Kodak DCS Cameras

Digital still cameras have been widely adopted for close range photogrammetry and machine vision applications. Due to the advantages of onboard storage of digital images, portability and rapid data processing, digital still cameras are rapidly becoming standard equipment for measurement tasks such as industrial metrology and heritage recording. As for any metric application, the accuracy of the derived object data is dependent, amongst many other factors, on the accuracy of the camera calibration. For the vast majority of photogrammetric applications, use of the simple case of a block invariant calibration model comprising the primary physical parameters, including the principal point position, is sufficient. However, cameras designed for photojournalism and domestic use, such as the Kodak DCS420 and 460 cameras, are well known for their calibration instability because the design is based on a 35 mm SLR camera body. In particular, previous research has shown that the principal point location is prone to movement during normal handling of the camera, due to the mounting mechanism of the CCD array. This paper reports on an investigation of the physical behaviour of the principal point location and compares different calibration parameter models for the Kodak DCS420 and DCS460 digital still cameras.     

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。     

The Principal Point and CCD Cameras

The principal point has long been regarded as one of the fundamental parameters in camera calibration. In the age of film based aerial and large format terrestrial cameras, the principal point could be located by a variety of techniques with a certainty of ±10 mm (Carman and Brown, 1961) and this was considered sufficient. However, aerial cameras were precision, purpose built, expensive pieces of equipment where the assembly was painstaking and the location of the principal point measured to a known tolerance. In the digital era, photogrammetrists, and many others, are using cameras which have not been specifically designed or built for photogrammetry. For these cameras there is no requirement for the manufacturers to position the lens in a pre-defined location relative to the image sensing plane or for the lens manufacturer to align the lens elements precisely. In fact, deviations from the centre of the sensor can be a considerable percentage of the extent of the sensor (up to 10 per cent for some zoom lenses (Burner, 1995)). This paper discusses the development of methods of obtaining the location of the principal point, considers the relationship between the principal point and other parameters in the functional model, and shows how the location of this point can be estimated with and without recourse to autocollimation methods.     

多幅面数字航摄仪外视场拼接倾角对图像变形的影响

研究多面阵数字航摄仪的影像拼接技术,对于航空影像采集实现高效快速的数字化生产具有重要意义。本文详细研究了多面阵数字航摄仪相机外视场拼接过程中,相机倾斜角度对拍摄图像变形的影响。推导并计算出了双拼、四拼相机、常规相机中相机倾角导致的任意CCD单元的GSD变化倍率。     

大面阵CCD影像多通道不一致性消除算法

大面阵CCD多通道影像转移过程中,由于通道硬件的偏置和增益的不一致,将造成各通道影像的亮度和反差的微小差异,以致重建后的大面阵CCD影像出现条带效应。提出基于随机序列分析的模拟运动影像拼接算法,并将这种方法与基于影像直方图均衡化和影像直方图规定化的影像拼接算法进行比较。实验证明,基于随机序列分析的模拟运动影像拼接算法不仅能保持拼接后的影像整体一致性,而且能较好的消除拼接缝。该算法已经应用于我国第一台大面阵彩色CCD数字航测相机的影像预处理。     

Practical Influences of Geometric and Radiometric Image Quality Provided By Different Digital Camera Systems

Imaging systems founded on current digital camera technology are finding widespread use in high precision measurement applications. A single digital CCD camera, or an array of such cameras, equipped with ring lighting equipment is commonly used to acquire imagery of high contrast retroreflective targets placed on the object at discrete locations to signalize points of interest. The precise and accurate measurement of each imaged target location is a fundamental requirement if suitable measurement tolerances are to be obtained. Whilst such systems are undoubtedly capable of producing excellent results, the practical effects of target image quality on the photogrammetric measurement process is in need of careful consideration. This paper revisits some fundamentals of the optical imaging of retrotargets and investigates some abilities of a range of digital camera systems to provide images of retrotargets that are appropriate to the measurement process. Some experimental results are presented including the imaging of planar arrays of differing sized retrotargets at differing angles and exposures and a series of network analyses in which the level of target image intensity has been varied systematically.     

CCD相机二维几何检校

CCD 相机检校是 CCD输入影象处理的一个必不可少的过程。本文对 CCD成象系统的几何性能进行了分析,提出了测定 CCD影象象素比例因子和象主点初值的简易实验方法。在此基础上,构造了一种同时顾及光、电误差的二维检校方法,井进行了相机检校实验。最后对检校结果进行了分析和讨论。     

非量测数码相机的畸变差检测研究

本文主要研究利用数字畸变模型和附加参数的光束法平差对非量测数码相机进行内方位元素和畸变差的测定。分别运用两种检校方法对UAVRS Ⅱ无人机遥感系统机载非量测数码相机进行检校实验,并采用统一比例尺的方法进行精度比较。实验结果表明两种方法检校精度接近,证明了该面阵数码相机的畸变基本符合系统畸变规律,只存在极少量的随机畸变,也进一步证明了利用数字畸变模型纠正数码相机畸变差的可行性。