CN103411590B - 自动确定摄影测量中摄影机安装方位的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动确定摄影测量中摄影机安装方位的方法及系统。本发明主要根据摄影测量中按拍摄时间顺序获取影像的特点，按拍摄时间顺序对序列影像排序，获取摄影方向；在摄影方向上从序列影像中获取时间相邻影像构建立体影像对；根据立体影像对的平均视差，自动获取摄影机安装方位。本发明可高效准确地确定摄影测量中摄影机安装方位，根据本发明确定的摄影机安装方位，可正确确定摄影测量中像平面坐标系与摄影机检校坐标系的关系，从而实现高效、准确地改正影像上由镜头引起的畸变差和像主点偏移等系统误差，提高摄影测量处理的速度和精度，缩短整个摄影测量数据处理周期，实现摄影测量全数据链的智能化摄影测量数据处理。

Description

自动确定摄影测量中摄影机安装方位的方法及系统

技术领域

本发明涉及摄影测量技术领域，尤其涉及一种自动确定摄影测量中摄影机安装方位的方法及系统。

背景技术

当代摄影测量中摄影技术的发展，使摄影测量中影像获取的手段越来越丰富，既有传统框幅式摄影，又有线阵推扫式，并附有GPS/IMU等辅助几何定位装置的摄影系统，也有简单的、经济适用的低空摄影平台。既有单相机摄影系统，也有多相机组合的多拼式摄影系统，以及多相机组合的倾斜摄影系统。丰富的摄影系统和飞行平台，使当代摄影测量影像数据获取手段更加多样化，影像数据获取的速度日新月异，缩短了整个摄影测量数据处理周期，也提高了摄影测量在国民经济生产中的地位，扩大了其应用领域。

摄影测量中摄影机安装方位的确定是正确确定摄影测量中像平面坐标系与摄影机检校坐标系的关键问题；在摄影测量的数据处理过程中，摄影机安装方位的确定也是影像镜头畸变差改正和内方位元素正确使用的关键，根据摄影机的安装方位可建立正确的像平面坐标系与摄影机检校坐标系的关系。

在过去几十年的数字摄影测量研究过程中，摄影机安装方位的确定一直是影响和制约正确改正影像镜头畸变差、像主点系统误差改正和提高摄影测量精度的关键问题，特别对于镜头畸变大的廉价摄影系统尤为重要。目前，一般由摄影单位提交摄影机安装方位数据后进行手工安置，或通过影像浏览后人工判定。如此确定摄影机安装方位的方法存在效率低、易出错、生产资源消耗大、生产周期长等缺陷。特别是当前低空摄影测量的蓬勃发展，低空摄影平台成本低廉，摄影系统存在较大镜头畸变差，系统误差大于严格的摄影测量摄影系统，因此正确修改低空摄影系统的影像系统误差，是提高摄影测量处理精度的关键。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种高效准确的自动确定摄影测量中摄影机安装方位的方法及系统。

本发明基于如下理论基础：

摄影机的影像输出与摄影传感器阵列的感应单元保持一致，其影像阵列在计算机上的表达形式是固定不变的（见图1～2），不会随摄影机安装方法而发生变化。摄影测量中影像获取具有特点：在一定距离、不同位置对地面物体进行摄影，形成符合摄影测量条件的序列影像，摄影位置的不同与时间有关；获得的时间相邻序列影像在摄影方向上满足60%的影像重叠、相邻航带间满足15%～30%的影像重叠。

摄影测量中的像平面坐标系是摄影测量中数据处理的基础，是像片的空间位置和姿态描述的依据。摄影测量中的像平面坐标系是以像主点为原点、以摄影方向为x轴、以垂直于摄影方向为y轴的右手平面坐标系，其与摄影机影像坐标系的关系就是像主点平移和摄影机安装方位角旋转变换。因此本发明的目的是自动确定摄影方向以及摄影机安装方位，即确定摄影测量的像平面坐标系与摄影机检校坐标系的平移和旋转变换关系。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一、自动确定摄影测量中摄影机安装方位的方法，包括步骤：

步骤1，按拍摄时间对序列影像排序，并获取序列影像的摄影方向；

步骤2，按摄影方向在序列影像中取任意相邻影像构建立体影像对，基于自动影像匹配技术获取立体影像对的同名影像点对，根据同名影像点对在影像坐标系中的坐标计算立体影像对的平均视差(px,py)，px和py分别为立体影像对在影像坐标系中x和y方向的平均视差；

步骤3，根据同名影像点对的平均视差(px,py)确定摄影机安装方位。

步骤2中所述的基于自动影像匹配技术获取立体影像对的同名影像点对，所获取的同名影像点对数量不少于6对。

步骤3中所述的根据同名影像点对的平均视差(px,py)确定摄影机安装方位具体为：

当|px|>|py|且px>0时，摄影机的安装方位α=0°；

当|px|>|py|且px<0时，摄影机的安装方位α=180°；

当|px|<|py|且py>0时，摄影机的安装方位α=90°；

当|px|<|py|且py<0时，摄影机的安装方位α=270°。

二、自动确定摄影测量中摄影机安装方位的系统，包括:

摄影方向获取模块，用来按拍摄时间对序列影像排序，并获取序列影像的摄影方向；

平均视差获取模块，用来按摄影方向在序列影像中取任意相邻影像构建立体影像对，基于自动影像匹配技术获取立体影像对的同名影像点对，根据同名影像点对在影像坐标系中的坐标计算立体影像对的平均视差(px,py)，px和py分别为立体影像对在影像坐标系中x和y方向的平均视差；

摄影机安装方位获取模块，用来根据同名影像点对的平均视差(px,py)确定摄影机安装方位。

本发明主要根据摄影测量中按拍摄时间顺序获取影像的特点，按拍摄时间顺序对序列影像排序，获取摄影方向；在摄影方向上从序列影像中获取时间相邻影像构建立体影像对；根据立体影像对的平均视差，自动获取摄影机安装方位。

本发明可高效准确地确定摄影测量中摄影机安装方位，根据本发明确定的摄影机安装方位，可正确确定影像坐标系与摄影机检校坐标系的关系，从而实现高效、准确地改正影像上由镜头引起的畸变差和像主点偏移等系统误差，提高摄影测量处理的速度和精度，缩短整个摄影测量数据处理周期。

附图说明

图1是影像坐标系与摄影机中摄影机检校坐标系定义；

图2是摄影机的影像输出示意图；

图3是本发明摄影机在飞行器上安装位置示意图；

图4是本发明中立体影像对左右视差方向确定摄影机安装方位示意；

图5是中立体影像对中同名影像点示意图；

图6是摄影机安装方位角为0°时立体影像对重叠情况；

图7是摄影机安装方位角为90°时立体影像对重叠情况；

图8是摄影机安装方位角为180°时立体影像对重叠情况；

图9是摄影机安装方位角为270°时立体影像对重叠情况。

图6～9中，①表示立体影像对中的第一张影像，②表示立体影像对中的第二张影像；xy坐标系为影像坐标系。

具体实施方式

本发明涉及一种自动确认摄影测量中摄影机安装方位的方法及系统。本发明主要根据摄影测量中影像拍摄的特点，即，飞行器上的摄影机按时间顺序在不同位置对地面物体进行拍摄获得序列影像，因此根据序列影像的拍摄时间可获得摄影方向，即摄影时飞行器的飞行方向。按摄影方向获取相邻影像构建立体影像对，计算立体影像对的平均视差；根据立体影像对的平均视差自动确定摄影机安装方位。

下面将结合附图对本发明具体实施方式作进一步说明。

本发明方法具体包括如下步骤：

步骤1，确定序列影像的摄影方向。

根据影像摄影时间对序列影像自动排序，恢复摄影时影像获取的顺序，从而确定序列影像的摄影方向。具体实施时，利用计算机获取所有序列影像文件名，提取影像获取的时间信息（即影像拍摄时间），按拍摄时间对序列影像排序，获得按拍摄时间从前向后排列的序列影像列表，见表1。序列影像的排序方向即为摄影时的摄影方向，即摄影时飞行器的飞行方向。

表1 按拍摄时间顺序排列的序列影像列表

序号	影像文件名
		1	28051706100087G3.GIF
2	28051706100088G3.GIF
		3	28051706100089G3.GIF
4	28051706100090G3.GIF
		5	28051706100091G3.GIF
6	28051706100092G3.GIF
		7	28051706100093G3.GIF
8	28051706100094G3.GIF
		9	28051706100095G3.GIF
10	28051706100096G3.GIF
		11	28051706100097G3.GIF
12	28051706100098G3.GIF
		13	28051706100099G3.GIF
14	28051706100100G3.GIF
		15	28051706100101G3.GIF
16	28051706100102G3.GIF

步骤2，立体影像对平均视差的计算。

根据步骤1获得的序列影像列表，按摄影方向取任意相邻影像构成立体影像对，例如取表1中文件名为28051706100087G3.GIF和28051706100088G3.GIF的影像构成立体影像对。利用影像匹配技术自动量测立体影像对的同名影像点对。同名影像点为立体影像对中重叠区内同一地物在不同影像上成像的观测值，用(x_i,y_i)和表示第i个同名影像点在不同影像上的观测值，见图5。

为实现立体影像对上同名影像点对的快速自动量测，提高计算速度，本具体实施采用金字塔多频道影像匹配策略与尺度不变特征匹配算法（SIFT算子）相结合的影像匹配方法来量测立体影像对的同名影像点对，其中，SIFT算子最早由D.G.Lowe在1999年提出。

量测立体影像对的同名影像点对的具体过程如下：

对立体影像对中各影像分别进行金字塔影像分层处理，创建金字塔影像。由于SIFT算子在影像匹配时速度较慢，因此在金字塔的最高层（即分辨率最小）的影像上分别进行SIFT特征提取和特征匹配，获得初始同名特征点，并以此为初始值进行金字塔多频道影像匹配和最小二乘影像匹配，提取不少于6对的同名影像点对。为了保证同名影像点对提取的正确性，本具体实施采用摄影测量中的共面条件对同名影像点进行约束，采用RANSAC算法（随机抽样一致性算法）剔出同名影像点中的误匹配点，最后采用下述公式（1）计算各同名影像点对的平均视差。

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{px}=\frac{\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}(x_i^{\&prime;}-x_i)}{n}\\ \mathrm{py}=\frac{\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}(y_i^{\&prime;}-y_i)}{n}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式（1）中：

n为同名影像点对的数量，n>6；

(x_i,y_i)为第i个同名影像点在立体影像对的第一张影像上的观测值；

为第i个同名影像点在立体影像对的第二张影像上的观测值，第一张影像为拍摄时间先于第二张影像；

px和py分别为立体影响对在影像坐标系中x和y方向的平均视差。

由于自动影像匹配技术受影像质量影响，如沙漠、水域等低反差区域，按上述步骤不能正确进行影像匹配，即，匹配得到的同名影像点对数少于6个或匹配得到的同名影像点分布不合理，从而无法获得正确的平均视差。此时，可在序列影像列表中按拍摄时间顺序任取其它相邻影像构成立体影像对，重新计算立体影像对的平均视差。由于摄影机安装方位通常固定不变，因此采用任一立体影像对的平均视差来确定摄影机安装方位即可。

随着立体影像对中影像匹配技术在实际应用中的进步，其理论方法和实际算法都取得了丰硕的成果，已在摄影测量和计算机视觉领域得到了广泛的应用，因此也为本发明自动确定立体影像对的平均视差，提供了理论基础。

步骤3，根据同名影像点对的平均视差(px,py)计算摄影机安装方位。

根据立体影像对的平均视差(px,py)确定立体影像对左右视差的方向，当|px|>|py|时，立体影像对的重叠方向为影像的x方向，反之为影像的y方向。

采用如下判断准则自动确定摄影机安装方位（见图3～4、图6～9）：

（1）见图6，当摄影机安装方位为0°时，飞行方向与摄影机影像坐标系的x正方向相同，立体影像对的重叠方向与x正方向相同，左右视差表现为正x，即px>0；

（2）见图7，当摄影机安装方位为90°时，飞行方向与摄影机影像坐标系的y正方向相同，立体影像对的重叠方向与y正方向相同，左右视差表现为正y，即py>0；

（3）见图8，当摄影机安装方位为180°时，飞行方向与摄影机影像坐标系的x负方向相同，立体影像对的重叠方向与x正方向相同，左右视差表现为负x，即px<0；

（4）见图9，当摄影机安装方位为270°时，飞行方向与摄影机影像坐标系的y负方向相同，立体影像对的重叠方向与y负方向相同，左右视差表现为负y，即py<0。

根据以上判断准则，根据立体影像对的平均视差(px,py)自动获得摄影机的安装方位α：

当|px|>|py|且px>0时，摄影机的安装方位α=0°；

当|px|>|py|且px<0时，摄影机的安装方位α=180°；

当|px|<|py|且py>0时，摄影机的安装方位α=90°；

当|px|<|py|且py<0时，摄影机的安装方位α=270°。

Claims (4)

1.自动确定摄影测量中摄影机安装方位的方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1，按拍摄时间对序列影像排序，并获取序列影像的摄影方向；

步骤2，按摄影方向在序列影像中取任意相邻影像构建立体影像对，基于自动影像匹配技术获取立体影像对的同名影像点对，根据同名影像点对在影像坐标系中的坐标计算立体影像对的平均视差(px,py)，px和py分别为立体影像对在影像坐标系中x和y方向的平均视差；

步骤3，根据同名影像点对的平均视差(px,py)确定摄影机安装方位。

2.如权利要求1所述的自动确定摄影测量中摄影机安装方位的方法，其特征在：

步骤2中所述的基于自动影像匹配技术获取立体影像对的同名影像点对，所获取的同名影像点对数量不少于6对。

3.如权利要求1所述的自动确定摄影测量中摄影机安装方位的方法，其特征在：

步骤3中所述的根据同名影像点对的平均视差(px,py)确定摄影机安装方位具体为：

当|px|＞|py|且px>0时，摄影机的安装方位α＝0°，飞行方向与摄影机影像坐标系的x正方向相同；

当|px|＞|py|且px<0时，摄影机的安装方位α＝180°，飞行方向与摄影机影像坐标系的x负方向相同；

当|px|＜|py|且py>0时，摄影机的安装方位α＝90°，飞行方向与摄影机影像坐标系的y正方向相同；

当|px|＜|py|且py<0时，摄影机的安装方位α＝270°，飞行方向与摄影机影像坐标系的y负方向相同。

4.自动确定摄影测量中摄影机安装方位的系统，其特征在于，包括：

摄影方向获取模块，用来按拍摄时间对序列影像排序，并获取序列影像的摄影方向；

平均视差获取模块，用来按摄影方向在序列影像中取任意相邻影像构建立体影像对，基于自动影像匹配技术获取立体影像对的同名影像点对，根据同名影像点对在影像坐标系中的坐标计算立体影像对的平均视差(px,py)，px和py分别为立体影像对在影像坐标系中x和y方向的平均视差；

摄影机安装方位获取模块，用来根据同名影像点对的平均视差(px,py)确定摄影机安装方位。