CN102062599A

CN102062599A - 基于移轴原理的拼接成像系统

Info

Publication number: CN102062599A
Application number: CN2010105621170A
Authority: CN
Inventors: 方俊永; 童庆禧; 薛永祺; 张声荣; 刘学; 郝鑫; 赵冬; 王潇; 孙韬; 王晋年; 郑兰芬
Original assignee: Institute of Remote Sensing Applications of CAS
Current assignee: Institute of Remote Sensing and Digital Earth of CAS
Priority date: 2010-11-23
Filing date: 2010-11-23
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2030-11-23
Also published as: CN102062599B

Abstract

本发明公开了一种基于移轴原理的拼接成像系统，包括至少一个成像镜头，所述至少一个成像镜头设置于同一平面上，且具有相同的焦距和视场；以及设置于每一所述成像镜头的焦平面上的至少一个成像器件；其中，每一所述成像镜头被设置为其光轴垂直于其焦平面，且每一所述成像器件被设置为在其焦平面内具有预置的移轴量。本发明的系统克服了现有的多相机成像技术中存在的倾斜成像下后期影像处理复杂度高、垂直成像下无法精确同步曝光的缺陷；并实现了相机垂视安装条件下成像范围的扩展。

Description

基于移轴原理的拼接成像系统

技术领域

本发明涉及航空摄影测量技术领域，特别涉及一种基于移轴原理的多垂视拼接成像系统。

背景技术

在航空摄影测量中，为了获取宽覆盖面积的影像，常采用多个相机拼接的成像方法。

如附图1所示，传统的成像方式中，成像镜头1的光轴2通常垂直于焦平面3且与唯一的成像器件的中心4以及焦平面中心5重合。此时，若多个相机全部垂视安装，则每个相机的成像范围基本一致，无法达到扩展成像范围的目的，只有采取多镜头拼接且倾斜成像方式才能扩大实际成像范围。典型的多相机拼接成像装置包括Z/I Image公司的DMC系列产品和Vexcel公司的UCD系列产品。

Z/I Image公司的DMC系列产品采用四相机拼接方式，且四个相机的光轴都不平行于中心光轴(即：都不垂直于拍摄目标)，而是与拍摄目标呈一个较大的倾斜角度(一般为20度左右)。因此，作为这四个相机拍摄目标的四个部分的成像角度将均不相同，无法直接拼接影像或利用一个投影中心进行影像处理。这种情况下，必须构造一个虚拟的投影中心，将四个相机的影像统一到此虚拟投影中心，然后才能进行高精度的影像拼接；并且此虚拟投影中心的等效焦距与四个相机的实际焦距均不同。此外，由于成像方式为倾斜成像，每个相机所拍摄目标的分辨率将不一致：中心分辨率高，边缘分辨率低，影像拼接时还需对分辨率进行平均和差值处理。

Vexcel公司的UCD系列产品也采用四相机拼接的方法，四个相机的光轴相互平行且均垂直于拍摄目标。这种情况下，四个相机可近似看作具有同一个投影中心，且拍摄目标的分辨率分布均匀，易于后期影像处理。然而，由于四个相机一字排开，即使采用延时曝光以近似看作同时曝光，延时也不易控制且精确度不高(延时与飞行速度有关)。此外，拍摄时刻不一致导致四个相机的定位和姿态参数不同；由于不易分别获取四个相机拍摄时刻的姿态参数，只能对四个相机统一采用某一时刻的姿态参数，这势必造成影像的处理误差和纠正误差。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题在于，如何克服现有的多相机成像技术中存在的倾斜成像下后期影像处理复杂度高、垂直成像下无法精确同步曝光的缺陷；以及如何实现相机垂视安装条件下成像范围的扩展。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明的技术方案提供了一种基于移轴原理的拼接成像系统，包括：

至少一个成像镜头，所述至少一个成像镜头设置于同一平面上，且具有相同的焦距和视场；以及

设置于每一所述成像镜头的焦平面上的至少一个成像器件；

其中，每一所述成像镜头被设置为其光轴垂直于其焦平面，且每一所述成像器件被设置为在其焦平面内具有预设的移轴量。

其中，在以所述系统的总有效成像范围的中心为原点的坐标系中，

x轴方向上第n个成像器件的移轴量为：

x_{n} = \frac{d_{1}}{2} + (n - 1) \times (d_{1} - Δ 1) - \frac{1}{2} [N \times (d_{1} - Δ 1) + Δ 1] = (n - \frac{N + 1}{2}) \times (d_{1} - Δ 1);

y轴方向上第m个成像器件的轴移量为：

y_{m} = \frac{d_{2}}{2} + (m - 1) \times (d_{2} - Δ 2) - \frac{1}{2} [M \times (d_{2} - Δ 2) + Δ 2] = (m - \frac{M + 1}{2}) \times (d_{2} - Δ 2);

其中，M和N分别为y轴方向和x轴方向上成像器件的总数量；d₁，d₂分别为每一成像器件在x和y轴方向上的有效成像尺寸；Δ1，Δ2分别为x和y轴方向上所需的成像重叠尺寸。

其中，所述成像镜头设置为两个，每一成像镜头的焦平面上均设置一个或两个成像器件，或者所述两个成像镜头的焦平面上分别设置一个和两个成像器件。

优选地，所述两个成像镜头在同一平面上排列为一字形。

其中，所述成像镜头设置为四个，其中，每一成像镜头的焦平面上均设置一个或两个或四个成像器件，或，；所述四个成像镜头中的两个的焦平面上均设置两个成像器件，且所述四个成像镜头中其余两个的焦平面上均设置四个成像器件。

优选地，所述四个成像镜头在同一平面上排列为矩形。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明的基于移轴原理的拼接成像系统具有以下优势：

1、本系统中多个相机全部垂直物平面安装，光轴相互平行，可近似认为具有同一个投影中心；垂直成像下各相机拍摄目标分辨率分布均匀，易于后期影像处理；且采用垂视成像方式不会造成影像的倾斜变形，可直接采用传统摄影测量理论及图像处理方法对获取的图像进行后期处理。

2、本系统中多个相机可以较精确地同时曝光，利用姿态测量装置即可获取拍摄时刻的定位和姿态参数；多个相机可利用同一套姿态参数进行后期的影像处理。

3、本系统中多个相机采用同步曝光技术，对相机的相对安装位置无特殊要求，不必采用“一字排开”的安装方式，可采用“田字形”的安装方式，以节省安装空间，实现紧凑型的结构。

4、本系统中多个相机可根据所要求的指标设计不同的拼接组合方式，如两镜头两器件，两镜头三器件，两镜头四器件，四镜头四器件，四镜头八器件，四镜头十二器件，四镜头十六器件等。

附图说明

图1为传统的非移轴成像方式示意图；

图2为移轴成像方式示意图；

图3为移轴方式下的焦平面多器件成像原理示意图；

图4为根据本发明的基于移轴原理的拼接成像系统的成像原理图；

图5为根据本发明的基于移轴原理的拼接成像系统的第一实施例的成像原理图，示出了双镜头双器件的拼接成像方式；

图6为根据本发明的基于移轴原理的拼接成像系统的第一实施例的成像原理图，示出了双镜头三器件的拼接成像方式；

图7为根据本发明的基于移轴原理的拼接成像系统的第一实施例的成像原理图，示出了双镜头四器件的拼接成像方式；

图8为根据本发明的基于移轴原理的拼接成像系统的第一实施例的外观图(双镜头)；

图9为根据本发明的基于移轴原理的拼接成像系统的第二实施例的成像原理图，示出了四镜头四器件的拼接成像方式；

图10为根据本发明的基于移轴原理的拼接成像系统的第二实施例的成像原理图，示出了四镜头八器件的拼接成像方式；

图11为根据本发明的基于移轴原理的拼接成像系统的第二实施例的成像原理图，示出了四镜头十二器件的拼接成像方式；

图12(a)～12(d)为根据本发明的基于移轴原理的拼接成像系统的第二实施例的成像原理图，示出了四镜头十六器件的拼接成像方式；

图13为根据本发明的基于移轴原理的拼接成像系统的第二实施例的外观图(四镜头)；

图中：

1-成像镜头；2-光轴；3-焦平面；4-成像器件的中心；5-焦平面中心；6-物平面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

附图2为移轴成像方式的原理图，镜头1的光轴2垂直于焦平面3，但光轴2不与焦平面3上成像器件的中心4或焦平面中心5重合；一般情况下，一个成像镜头的焦平面上只安置一个成像器件，而在移轴成像方式下，成像器件可以安置在焦平面上的任意位置，在焦平面足够大时，可以在焦平面上安置多个成像器件，这些成像器件互相之间无重叠，分别对物平面上的不同部分成像，如附图3所示。

因此，本发明的核心思想在于，在移轴成像方式下，将多个成像器件设置于成像镜头的焦平面上的不同位置处，以获取待摄物平面上不同位置的影像。这样，即使将多个相机垂视安装，通过合理设置每个相机中成像器件的相互位置，也可使得每个相机所获取的物平面位置不同，由此实现在相机垂视安装条件下成像范围的扩展。

根据本发明技术方案的基于移轴原理的拼接成像系统应包括：至少一个成像镜头，所述至少一个成像镜头设置于同一平面上，且具有相同的焦距和视场；以及设置于每一成像镜头的焦平面上的至少一个成像器件。其中，每一成像镜头的光轴均垂直于其焦平面；且每一成像器件的中心均不与其成像镜头的光轴重合，而是存在一定的移轴量。本发明所指的移轴量是指成每一成像器件的中心相对于系统的总的成像范围中心的偏移量。

具体来说，基于移轴成像和焦平面多器件成像原理，每一成像镜头及其至少一个成像器件构成一个光学系统，该光学系统可以获取物平面上不同位置的影像。本发明提供的技术方案将多个类似光学系统进行合理组合，通过多镜头多器件的拼接成像方式，组合完成大范围的物平面成像。通过设置不同的镜头数量及成像器件数量，形成不同的组合拼接成像方式。而对于不同的组合形式，其焦平面有效成像范围、成像器件的移轴量、镜头参数都不相同，下面以通用组合为例说明上述参数的设置方式。

如附图4所示，假设根据本发明的基于移轴原理的拼接成像系统的一个实施例共包括M×N个成像器件，分别沿焦平面或成像平面的x方向设置N个，y方向设置M个。设每个成像器件在x和y方向上的有效成像尺寸分别为d1，d2，若要求成像器件之间的重叠成像尺寸在x方向为Δ1，在y方向为Δ2，则有：

x方向上总的有效成像宽度为：

D₁＝N×d₁-(N-1)×Δ1＝N×(d₁-Δ1)+Δ1 (1)

y方向上的总的有效成像宽度为：

D₂＝M×d₂-(M-1)×Δ2＝M×(d₂-Δ2)+Δ2 (2)

在以系统总的成像范围的中心为圆心构成的坐标系中，

x方向上第n个器件的移轴量为：

x_{n} = \frac{d_{1}}{2} + (n - 1) \times (d_{1} - Δ 1) - \frac{1}{2} [N \times (d_{1} - Δ 1) + Δ 1] = (n - \frac{N + 1}{2}) \times (d_{1} - Δ 1) - - - (3)

y方向上第m个器件的移轴量为：

y_{m} = \frac{d_{2}}{2} + (m - 1) \times (d_{2} - Δ 2) - \frac{1}{2} [M \times (d_{2} - Δ 2) + Δ 2] = (m - \frac{M + 1}{2}) \times (d_{2} - Δ 2) - - - (4)

设镜头焦距为f，则可计算得到满足有效成像范围D1，D2所要求的镜头视场。其中，x方向的视场为

y方向的视场为

镜头总视场为

如上所述，本发明提供的基于移轴原理的拼接成像系统可以根据不同的成像指标设计不同的成像镜头与成像器件的拼接组合方式。包括：扩展x，y中某一个方向的成像范围，即：两镜头两器件、两镜头三器件或两镜头四器件的拼接成像系统；或，同时扩展x，y两个方向的成像范围，即：四镜头四器件、四镜头八器件、四镜头十二器件或四镜头十六器件的拼接成像系统。下面将结合附图通过具体实施例进一步详细说明。

实施例一

本实施例的基于移轴原理的拼接成像系统采取双镜头组合拼接成像方法，该成像方法目的是扩展某一个方向(x方向或y方向)的成像范围。根据成像器件的个数，本实施例可再细分为两镜头两器件成像系统(如附图5所示)，两镜头三器件成像系统(如附图6所示)，两镜头四器件成像系统(如附图7所示)。

具体地，本实施例包括垂直于基准平面安装的两台相机，其光轴平行，且每台相机的焦距和视场完全相同。其中，相机1内可包含一个或两个成像器件，成像器件在相机1镜头的焦平面上的位置分别如附图5(a)、6(a)、7(a)中实线部分所示；相机2内可包含一个或两个成像器件，在焦平面上的位置分别如附图5(b)、6(b)、7(b)中虚线部分所示。即：附图5所示的成像系统中，相机1和相机2均包含一个成像器件；附图6所示的成像系统中，相机1包含两个成像器件，相机2包含一个成像器件(或相反)；附图7所示的成像系统中，相机1和2均包含两个成像器件。

本实施例可使x或y方向的视场扩充2倍(两镜头两器件拼接)、3倍(两镜头三器件拼接)或4倍(两镜头四器件拼接)。本实施例的基于移轴原理的拼接成像系统的外形示意图如附图8所示。由于两台相机全部垂直于基准平面安装，且光轴平行，采用本实施例的成像系统在空中进行摄影测量时，可基本认为两个相机具有同一投影中心，非倾斜成像；此外，可以通过同一个拍摄指令产生多路同步脉冲触发相机快门来实现多相机的同步曝光，由此使多个相机保持相同的姿态参数；利用姿态测量装置即可获取两台相机在拍摄时刻的定位和姿态，采用传统图像处理方法即可对获取的图像进行后期纠正和拼接。

实施例二

本实施例的基于移轴原理的拼接成像系统采取四镜头组合拼接成像方法，该成像方法的目的是扩展两个方向(x方向和y方向)的成像范围。根据成像器件的个数，本实施例可再细分为四镜头四器件成像系统(如附图9的(a)～(d)所示)，四镜头八器件成像系统(如附图10的(a)～(d)所示)，四镜头十二器件成像系统(如附图11的(a)～(d)所示)，四镜头十六器件成像系统(如附图12(a)～12(d)所示)。

具体地，本实施例包括垂直于基准平面安装的四台相机，其光轴平行，且每台相机的焦距和视场完全相同。其中，相机1内包含一个或两个或四个成像器件，在焦平面上的位置分别如附图9的(a)、10的(a)、11的(a)、12(a)中的实线部分所示；相机2内可包含一个或两个或四个成像器件，在焦平面上的位置分别如附图9的(b)、10的(b)、11的(b)、12(b)中的实线部分所示；相机3内可包含一个或两个或四个成像器件，在焦平面上的位置分别如附图9的(c)、10的(c)、11的(c)、12(c)中的实线部分所示；相机4内可包含一个或两个或四个成像器件，在焦平面上的位置分别如附图9的(d)、10的(d)、11的(d)、12(d)中的实线部分所示。即：附图9所示的成像系统中，相机1，2，3和4内均包含一个成像器件；附图10所示的成像系统中，相机1，2，3和4内均包含两个成像器件；附图11所示的成像系统中，相机1和2内均包含四个成像器件，相机3和4内均包含两个成像器件(或相反)；附图12所示的成像系统中，相机1，2，3和4内均包含四个成像器件。

本实施例可使x和y两个方向的视场扩充2-4倍。本实施例的基于移轴原理的拼接成像系统的外形示意图如附图13所示。由于四台相机全部垂直于基准平面安装，且光轴平行，采用本实施例的成像系统在空中摄影测量时，可基本认为四台相机具有同一投影中心，非倾斜成像；此外，可以通过同一个拍摄指令产生多路同步脉冲触发相机快门来实现多相机的同步曝光，由此使多个相机保持相同的姿态参数；利用姿态测量装置即可获取四台相机在拍摄时刻的定位和姿态，采用传统图像处理方法即可对获取的图像进行后期纠正和拼接。

对于上述实施例一和实施例二，相机1与相机2中成像器件的成像区域可能具有一定的重叠。在已知重叠区域的大小及成像器件参数的情况下，可依据表1计算相应的相机设计参数及每一成像器件在各自焦平面的具体位置(即移轴量)。

表1

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种基于移轴原理的拼接成像系统，其特征在于，所述系统包括：

设置于每一所述成像镜头的焦平面上的至少一个成像器件；

2.如权利要求1所述的基于移轴原理的拼接成像系统，其特征在于，在以所述系统的总有效成像范围的中心为原点的坐标系中，

x轴方向上第n个成像器件的移轴量为：

x_{n} = \frac{d_{1}}{2} + (n - 1) \times (d_{1} - Δ 1) - \frac{1}{2} [N \times (d_{1} - Δ 1) + Δ 1] = (n - \frac{N + 1}{2}) \times (d_{1} - Δ 1);

y轴方向上第m个成像器件的轴移量为：

y_{m} = \frac{d_{2}}{2} + (m - 1) \times (d_{2} - Δ 2) - \frac{1}{2} [M \times (d_{2} - Δ 2) + Δ 2] = (m - \frac{M + 1}{2}) \times (d_{2} - Δ 2);

3.如权利要求1-2中任意一项所述的基于移轴原理的拼接成像系统，其特征在于，所述成像镜头设置为两个，其中，每一成像镜头的焦平面上均设置一个或两个成像器件；或者两个成像镜头的焦平面上分别设置一个和两个成像器件。

4.如权利要求1-2中任意一项所述的基于移轴原理的拼接成像系统，其特征在于，所述成像镜头设置为四个，其中，每一成像镜头的焦平面上均设置一个或两个或四个成像器件；或，四个成像镜头中的两个的焦平面上均设置两个成像器件，且所述四个成像镜头中其余两个的焦平面上均设置四个成像器件。

5.如权利要求3所述的基于移轴原理的拼接成像系统，其特征在于，所述两个成像镜头在同一平面上排列为一字形。

6.如权利要求4所述的基于移轴原理的拼接成像系统，其特征在于，所述四个成像镜头在同一平面上排列为矩形。