CN105424058A - 基于摄影测量技术的数码相机投影中心位置精确标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于摄影测量技术的数码相机投影中心位置精确标定方法，有效解决解算精度高、可操作性强的问题，方法是，布设回光反射测量标志、控制点标志、编码标志、定向靶和基准尺，构成标定场；距离标定场3米处设置电子经纬仪和待检定相机，相机镜头上粘贴回光反射测量标志；相机在不同水平位置对标定场拍照，得到多张照片，用待检定相机在标定场前的不同位置以不同姿态对标定场拍照，与多张照片提取控制点标志的数据，形成标校数据；对控制点标志中心像点的坐标进行改正，解算得到3个投影中心位置，本发明可一体化实现控制点标志图像中心量测、高精度相机标校与投影中心精确测定三项工作，投影中心的位置标定精度优于5mm。

Description

基于摄影测量技术的数码相机投影中心位置精确标定方法

技术领域

本发明涉及相机成像领域，尤其涉及基于摄影测量技术的数码相机投影中心位置精确标定方法。

背景技术

在摄影测量学研究和应用中，几何光学的成像关系奠定了解析摄影测量光学理论基础，理想光学系统把所摄像片归结为所摄物体的中心投影，实质是“三点共线”理论，即像点、投影中心和对应物点位于同一条直线上，基于此建立了常规摄影测量学的一整套解析关系。

近景摄影测量目的是利用控制点反算外部点的空间坐标，并不关心投影中心的具体位置。常规空中摄影测量对投影中心位置精度要求不高，因此可以采用从影像传感器中心量取焦距距离的位置作为投影中心位置。在光学领域可以用干涉比较测量法对投影中心位置进行测定，该方法需要依赖精密光学仪器，对设备和环境要求较高。干涉比较测量法需要依赖精密光学仪器，对设备和环境要求较高，实施过程复杂，对场地要求较高。常规根据图像传感器位置和焦距进行投影中心位置估算的方法精度较差。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的在于提供一种基于摄影测量技术的数码相机投影中心位置精确标定方法，可有效解决解算精度高、可操作性强的问题。

本发明解决的技术方案包括以下步骤，数码相机投影中心位置精确测定方法，包括以下步骤：

(1)、在测量平面上布设回光反射测量标志和控制点标志及编码标志，在平面前设置定向靶和基准尺，构成标定场；

(2)、距离标定场3米处设置两台高精度电子经纬仪和待检定相机，两台电子经纬仪平行于标定场，相机镜头上粘贴回光反射测量标志；

(3)、相机在不同水平位置对标定场进行拍照，得到不同水平位置的多张照片，同时在每个水平位置使用两台电子经纬仪测定相机镜头上回光反射标志的中心坐标；

(4)、用待检定相机在标定场前的不同位置，待检定相机至少9台，均匀分布在标志场前方，以不同姿态对标定场进行拍照，在每个位置至少拍摄三张照片，与步骤(3)中获取的多张照片一起，提取控制点标志的数据，将这些数据采用光束法自标定的方法对相机参数进行标校，得到高精度的标校参数，形成标校数据；

(5)、根据标校数据，对获取的多张照片中的控制点标志中心像点的坐标进行改正，然后通过共线条件方程方法解算得到3个投影中心位置，从而实现数码相机投影中心位置精确标定。

本发明方法易操作使用，可一体化实现控制点标志图像中心量测、高精度相机标校与投影中心精确测定三项工作,投影中心的位置标定精度优于5mm，具有很强的使用价值。

附图说明

图1为本发明的玻璃微珠型回光反射标志示意图；

图2为本发明的基于两台经纬仪建立本地坐标系示意图；

图3为本发明的相机拍摄位置分布图。

具体实施方式

以下结合具体情况对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

本发明所称的基于摄影测量技术的数码相机投影中心位置精确标定方法是基于回光反射标志摄影测量方式进行相机投影中心位置精确标定的方法，该方法一体化实现控制点标志图像中心量测、高精度相机标校与投影中心精确标定三项工作，相机投影中心的位置测定精度优于5mm。

具体实施方法如下：

(1)、在测量平面上布设至少200个回光反射测量标志，同时布置至少12个控制点标志和12个编码标志，在平面前设置定向靶和基准尺，构成相机投影中心标定场；

(2)、距离标定场3米处，设置两台高精度电子经纬仪和待检定相机，两台电子经纬仪平行于标定场，相机镜头处粘贴回光反射标志；

(3)、在标定场前不同水平位置利用待检定相机对标志场进行拍照，得到不同水平状态下的多张照片，同时在每个水平固定位置使用两台电子经纬仪测定相机镜头上粘贴的回光反射标志中心的坐标，用灰度值加权质心算法对获取的不同位置的回光反射标志中心的坐标进行计算，得到标志中心像点的坐标(x，y)；

(4)、用待检定相机在标定场前的不同位置，待检定相机至少9台，均匀分布在标志场前方，以不同姿态对标定场进行拍照，在每个位置至少拍摄三张照片，与步骤(3)中获取的多张照片一起，提取控制点标志的数据，将这些数据采用光束法自标定的方法对相机参数进行标校，得到高精度的标校参数，形成标校数据；

(5)、根据步骤(4)中获取的标校数据，对步骤(3)中获取的照片中的控制点标志中心像点的坐标(x，y)进行改正，改正数(Δx′,Δy′)的计算公式为：

$\left.\begin{array}{c}{\mathrm{\Δx}}^{\′}=-x_0-\frac{\stackrel{\‾}{x}\·\mathrm{\Δ}f}{f}+K_1\stackrel{\‾}{x}{r}^2+K_2\stackrel{\‾}{x}{r}^4+K_3\stackrel{\‾}{x}{r}^6\\ +P_1\left(r^2+2{\stackrel{\‾}{x}}^2\right)+2P_2\stackrel{\‾}{x}\·\stackrel{\‾}{y}+b_1\stackrel{\‾}{x}+b_2\stackrel{\‾}{y}\\ {\mathrm{\Δy}}^{\′}=-y_0-\frac{\stackrel{\‾}{y}\·\mathrm{\Δ}f}{f}+K_1\stackrel{\‾}{y}{r}^2+K_2\stackrel{\‾}{y}{r}^4+K_3\stackrel{\‾}{y}{r}^6\\ +P_2\left(r^2+2{\stackrel{\‾}{y}}^2\right)+2P_1\stackrel{\‾}{x}\·\stackrel{\‾}{y}\\ \begin{array}{ccc}\stackrel{\‾}{x}=x-x_0& \stackrel{\‾}{y}=y-y_0& r^2={\stackrel{\‾}{x}}^2+{\stackrel{\‾}{y}}^2\end{array}\end{array}\right\}$

改正后的控制点标志中心像点的坐标(x′,y′)为

$\left.\begin{array}{c}{x}^{\′}=x+{\mathrm{\Δx}}^{\′}\\ y^{\′}=y+{\mathrm{\Δy}}^{\′}\end{array}\right\}$

根据共线条件方程方法解算得到3个投影中心位置坐标(X_S,Y_S,Z_S)，共线条件方程为：

$\left.\begin{array}{c}{x}^{\′}=-f\frac{a_1\left(X-X_S\right)+b_1\left(Y-Y_S\right)+c_1\left(Z-Z_S\right)}{a_3\left(X-X_S\right)+b_3\left(Y-Y_S\right)+c_3\left(Z-Z_S\right)}\\ y^{\′}=-f\frac{a_2(X-X_S)+b_2(Y-Y_S)+c_2(Z-Z_S)}{a_3(X-X_S)+b_3(Y-Y_S)+c_3(Z-Z_S)}\end{array}\right\}$

其中，f、x₀、y₀为相机内方位元素；

K₁、K₂、K₃为相机的径向畸变；

P₁、P₂为相机的偏心畸变；

b₁、b₂为相机的像平面畸变；

a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃、c₁、c₂、c₃为共线条件方程中旋转矩阵的元素；

X、Y、Z为地面点在以摄站为原点的地辅系中的坐标；

解算得到3个投影中心位置后，将步骤(3)中两台电子经纬仪获取的相机镜头上的回光反射标志中心的坐标归心到镜头中心后，与解算得到的投影中心位置进行比较，计算得到实际相机投影中心与镜头中心位置的差值，得到投影中心与镜头中心的位置关系，实现对数码相机中心位置的精确标定。

所述的测量标志、编码标志和控制点标志均由回光反射材料制成的圆形，所述的反光材料一面由45-55μm的微晶立方角体构成，能将入射光按原路返回光源处，便于实现良好的标志成像，利于高精度的标志中心位置提取。

所述的光束法自标定的方法是将内参数和外参数放在一起进行整体平差计算，因拥有大量的多余观测量，解算得到数码相机的高精度标校参数，内参数为像主点坐标和主距，外参数是指摄站的位置及姿态。

图2所示，所述的步骤(2)中设置两台高精度电子经纬仪实现高精度的控制点测量，以第一台经纬仪A为坐标原点，即经纬仪轴系交点，以第一台经纬仪A和第二台经纬仪B连线在水平方向的投影为X轴，通过第一台经纬仪A的铅垂方向为Z轴，以右手法则确定Y轴，构成测量坐标系，第一台经纬仪A和第二台经纬仪B同时对尺长已知的基准尺两端点观测，反算出基线长度b，分别测量两仪器到控制点标志中心的水平角和垂直角前方交会定位，从而得到高精度的控制点坐标。

所述的高精度电子经纬仪为0.5秒级的T3000电子经纬仪，两台T3000电子经纬仪和长度基准尺构成电子经纬仪测量系统，两台电子经纬仪沿平行于标志场排列，两台电子经纬仪轴系交点连接作为测量坐标系统的X轴，进行基于测角前方交会定位，利用MetroIn经纬仪测量系统对各控制点标志中心进行测量，实现控制点的高精度测量。

由上述可以看出本发明在具体实施中：

一、首先进行标定场的搭建。

先使用回光反射材料制成测量标志和编码标志，同时使用回光反射材料制成控制点标志，在选定的测定场中布置不少于12个的编码标志和不少于10个控制点标志，同时在标志面前设置定向靶和基准尺，共同形成标定场。

在本发明的标志场中，选用的回光反射材料一面由直径约50um的微晶立方角体组成，可以将入射光按原路反射回光源处，但本发明的技术方案在实施时并不限于选用直径约50um的微晶立方角体组成会回光反射材料，还可选用其它具有同等功效的回光反射材料。同时定向靶和基准尺采用碳纤维材料加工制作并精确测量。

在测量场中的标志场前面3米位置设置两台电子经纬仪，电子经纬仪平行于标志场平面排列，相机的机身固定位置粘贴回光反射标志，利用两台经纬仪观测得到标定场上的控制点坐标。

二、其次运用标志场对相机标校参数进行解算。

将相机布设在多个固定位置(也就是摄站)对标定场进行拍照，同时当相机位于不同的固定位置时，均通过两台电子经纬仪测定相机镜头上回光反射标志中心的坐标。利用灰度值加权质心法对回光反射标志中心像点的坐标进行量测，得到回光反射标志中心像点的坐标。

对回光反射标志中心像点的坐标进行量测的软件可采用美国GSI公司V-STARS系统或信息工程大学研制的MetroIn-DPM数字工业摄影测量系统等。

对相机参数进行标校时，首先使用相机在标志场前的不同位置使用不同姿态对标志场进行拍照，在每个位置拍摄最少三张照片(图3所示)，然后与相机在摄站拍摄的多张照片一起，提取控制点标志的数据，使用这些数据对相机参数进行标校，得到标校数据。在标校时，为了提高精度，本发明采用的是将内参和外参放在一起进行整体平差计算的光束法自标定的方法，此时因为拥有大量的多余观测量，可以解算得到相机的高精度标校参数。

然后根据获取的高精度标校数据，对相机在摄站位置获取的照片中的控制点标志中心像点的坐标(x，y)进行改正，改正后的控制点标志中心像点的坐标为(x′,y′)，然后通过共线条件方程方法解算得到3个投影中心位置(X_S,Y_S,Z_S)。

三、解算得到3个投影中心位置(X_S,Y_S,Z_S)以后，将两台电子经纬仪获取的相机镜头上的回光反射标志中心的坐标归心到镜头中心后与解算得到的投影中心位置(X_S,Y_S,Z_S)进行比较，可以计算得到实际相机投影中心与镜头中心的差值。本发明中，标定的误差能够优于5mm。

在本发明中，理想的软硬件测试环境是提高投影中心位置测定精度的关键，因此采用钻石级回光反射材料制作控制点标志，实现控制点标志中心像点坐标的高精度量测(内符合精度优于0.02μm)；利用高精度双经纬仪三坐标测量系统(测角精度0.5秒)实现对控制点坐标的高精度的测量(亚毫米级)；利用灰度加权质心法和光束法自标定实现高精度相机参数标校。利用同批次试验内的相机标校参数对标志点像点坐标改正，最大程度减弱各项误差因素的影响，最终实现对相机投影中心位置的精确标定。

本实施方式中，以数码相机为哈苏H4D-60数码相机为例进行投影中心位置的测定。哈苏H4D-60数码相机(安装标称35.8mm固定焦距镜头)有效像素：6000万，传感器(CCD)尺寸：40.2mm×53.7mm，镜头尺寸为124mm×10mm×10mm。为尽量保持相机参数的稳定性，采用人工对焦模式，将相机镜头调焦到无穷远，并采取了固定措施，将相机固定到架子上。测量标志和编码标志均采用高性能钻石级回光反射材料加工而成的圆形，回光反射材料中一面由直径约50um的微晶立方角体组成，可以将入射光按原路反射回光源处。可通过低强度曝光产生高对比度标志图像(“准二值影像”)，定向靶和基准尺采用碳纤维材料加工制作并精确测量。

控制点的测量方法主要利用在已知坐标框架内利用测距、测角或边角同测的方式实现，短距离测距受测距设备加长数测量精度的限制，难以将控制点的测定精度提高到毫米级水平。为了实现高精度的测量，本实施方案中电子经纬仪选择T3000电子经纬仪，它是目前测角水平最高的设备(0.5秒级)。经纬仪测量系统选择MetroIn经纬仪测量系统，由两台T3000电子经纬仪和长度基准尺组成，可以进行基于测角前方交会定位的方法实现控制点的高精度测量。如图1所示，两台经纬仪A和B，以A为坐标原点(经纬仪轴系交点)，以A-B连线在水平方向的投影为X轴，过A的铅垂方向为Z轴，以右手法则确定Y轴，构成测量坐标系。仪器A和B同时对尺长已知的基准尺两端点观测，可反算出基线长度b。分别测量两仪器到控制点标志中心的水平角和垂直角便可前方交会得到高精度的控制点坐标，在5m内控制点测量精度优于0.2mm。

搭建标定场时，在具体实施中，可选择一面墙壁为标志场，在墙壁上布设560个回光反射标志和12个回光反射材料制成的控制点标志。同时，还布设有21个编码标志，在标志场前，设置定向靶和基准尺。

两台T3000电子经纬仪沿平行于标志场墙壁的方式排列，两台经纬仪(轴系交点)连线作为测量坐标系的X轴。利用MetroIn经纬仪测量系统对12个控制点标志中心进行测量，点位测量内符合精度优于0.2mm，其中一次的测量结果如下表(控制点中心测量结果)所示：

表112个控制点坐标量测结果

点号	X坐标	Y坐标	Z坐标
				01	-1208.183	3552.273	1138.308
02	-1236.368	3552.898	87.465
				03	-1253.976	3553.766	-1122.451
04	415.240	3557.956	1213.220
				05	409.081	3556.083	147.707
06	412.958	3555.799	-1240.079
				07	2348.376	3558.448	1225.197
08	2353.801	3557.910	153.298
				09	2358.443	3554.397	-1233.315
10	3966.583	3557.893	1144.754
				11	3967.357	3556.648	89.532
12	3969.003	3557.631	-1228.835

在哈苏H4D-60数码相机的相机镜头盖上粘贴测量标志，同时在三个不同的水平位置(摄站)对标志场进行拍照，并记录测量坐标系X轴和镜头光轴之间夹角，然后进行镜头盖标志到镜头中心位置归心参数的计算，使用MetroIn经纬仪测量系统对三个镜头盖中心位置进行精确测量，其中一次的测量结果如下表所示：

表2镜头盖上标志中心坐标

摄站	X坐标	Y坐标	Z坐标
				1	1823.535	-1636.907	-355.957
2	2955.099	-2234.785	-372.789
				3	5225.719	-1594.605	-569.323

对相机参数进行标校时，在9个不同位置使用不同姿态对标志场进行拍照，每个位置拍摄照片3张，共拍摄27张照片。同时连同3个摄站位置拍摄的照片，利用MetroIn-DPM数字工业摄影测量系统进行像点坐标量测与光束法自标定，将相机内参数和畸变参数作为未知数参加解算，此时有大量的多余观测量，可解算得到哈苏H4D-60相机标校精确参数，如下表所示：

表3哈苏H4D-60相机标校结果)

然后利用获取的相机标校参数对3个摄站位置拍摄到的12个控制点标志图像中心像点的坐标(x,y)进行改正，利用后方交会解算得到投影中心位置，表2数据归算到镜头中心，与解算投影中心位置作差得到如表4所示：

表4解算摄站投影中心与镜头中心位置差值

摄站	ΔX	ΔY	ΔZ
				1	3.321	0.756	-6.876
2	-5.269	4.047	-2.824
				3	0.810	-5.407	-2.400

本发明的相机投影中心位置标定方法，通过优化摄影测量环境，尽量减小外界环境因素的影响，以提高相机投影中心的位置标定精度，优于0.02mm、5m内控制点，测量精度高，优于0.02mm，可操作性强，是现有技术无法实现的。

由于近景摄影测量目的是利用控制点反算外部点的空间坐标，并不关心投影中心的具体位置；而常规空中摄影测量对投影中心位置精度要求不高，这也是目前除干涉比较测量法外对相机投影中心精确标定研究较少的原因之一。本发明具有通用性，适用于需要精确测定相机投影中心位置的数码相机。

Claims (5)

1.一种基于摄影测量技术的数码相机投影中心位置精确标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、在测量平面上布设至少200个回光反射测量标志，同时布置至少12个控制点标志和12个编码标志，在平面前设置定向靶和基准尺，构成相机投影中心标定场；

(2)、距离标定场3米处，设置两台高精度电子经纬仪和待检定相机，两台电子经纬仪平行于标定场，相机镜头处粘贴回光反射标志；

(3)、在标定场前不同水平位置利用待检定相机对标志场进行拍照，得到不同水平状态下的多张照片，同时在每个水平固定位置使用两台电子经纬仪测定相机镜头上粘贴的回光反射标志中心的坐标，用灰度值加权质心算法对获取的不同位置的回光反射标志中心的坐标进行计算，得到标志中心像点的坐标(x，y)；

(4)、用待检定相机在标定场前的不同位置，待检定相机至少9台，均匀分布在标志场前方，以不同姿态对标定场进行拍照，在每个位置至少拍摄三张照片，与步骤(3)中获取的多张照片一起，提取控制点标志的数据，将这些数据采用光束法自标定的方法对相机参数进行标校，得到标校参数，形成标校数据；

(5)、根据步骤(4)中获取的标校数据，对步骤(3)中获取的照片中的控制点标志中心像点的坐标(x，y)进行改正，改正数(Δx′,Δy′)的计算公式为：

$\left.\begin{array}{c}{\mathrm{\Δx}}^{\′}=-x_0-\frac{\stackrel{\‾}{x}\·\mathrm{\Δ}f}{f}+K_x\stackrel{\‾}{x}{r}^2+K_2\stackrel{\‾}{x}{r}^4+K_3\stackrel{\‾}{x}{r}^6\\ +P_1(r^2+2{\stackrel{\‾}{x}}^2)+2P_2\stackrel{\‾}{x}\·\stackrel{\‾}{y}+b_1\stackrel{\‾}{x}+b_2\stackrel{\‾}{y}\\ {\mathrm{\Δy}}^{\′}=-y_0-\frac{\stackrel{\‾}{y}\·\mathrm{\Δ}f}{f}+K_1\stackrel{\‾}{y}{r}^2+K_2\stackrel{\‾}{y}{r}^4+K_3\stackrel{\‾}{y}{r}^6\\ +P_2(r^2+2{\stackrel{\‾}{y}}^2)+2P_2\stackrel{\‾}{x}\·\stackrel{\‾}{y}\\ \begin{array}{ccc}\stackrel{\‾}{x}=x-x_0& \stackrel{\‾}{y}=y-y_0& r^2={\stackrel{\‾}{x}}^2+{\stackrel{\‾}{y}}^2\end{array}\end{array}\right\}$

改正后的控制点标志中心像点的坐标(x′,y′)为

$\left.\begin{array}{c}{x}^{\′}=x+{\mathrm{\Δx}}^{\′}\\ y^{\′}=y+{\mathrm{\Δy}}^{\′}\end{array}\right\}$

根据共线条件方程方法解算得到3个投影中心位置坐标(X_S,Y_S,Z_S)，共线条件方程为：

$\left.\begin{array}{c}{x}^{\′}=-f\frac{a_1(X-X_S)+b_1(Y-Y_S)+c_1(Z-Z_S)}{a_3(X-X_S)+b_3(Y-Y_S)+c_3(Z-Z_S)}\\ y^{\′}=-f\frac{a_2(X-X_S)+b_2(Y-Y_S)+c_2(Z-Z_S)}{a_3(X-X_S)+b_3(Y-Y_S)+c_3(Z-Z_S)}\end{array}\right\}$

其中，f、x₀、y₀为相机内方位元素；

K₁、K₂、K₃为相机的径向畸变；

P₁、P₂为相机的偏心畸变；

b₁、b₂为相机的像平面畸变；

a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃、c₁、c₂、c₃为共线条件方程中旋转矩阵的元素；

X、Y、Z为地面点在以摄站为原点的地辅系中的坐标；

解算得到3个投影中心位置后，将步骤(3)中两台电子经纬仪获取的相机镜头上的回光反射标志中心的坐标归心到镜头中心后，与解算得到的投影中心位置进行比较，计算得到实际相机投影中心与镜头中心位置的差值，得到投影中心与镜头中心的位置关系，实现对数码相机中心位置的精确标定。

2.根据权利要求1所述的基于摄影测量技术的数码相机投影中心位置精确标定方法，其特征在于，所述的测量标志、编码标志和控制点标志均由回光反射材料制成的圆形，所述的反光材料一面由45-55μm的微晶立方角体构成，能将入射光按原路返回光源处，便于实现良好的标志成像，利于高精度的标志中心位置提取。

3.根据权利要求1所述的基于摄影测量技术的数码相机投影中心位置精确标定方法，其特征在于，所述的光束法自标定的方法是将内参数和外参数放在一起进行整体平差计算，因拥有大量的多余观测量，解算得到数码相机的高精度标校参数，内参数为像主点坐标和主距，外参数是指摄站的位置及姿态。

4.根据权利要求1所述的基于摄影测量技术的数码相机投影中心位置精确标定方法，其特征在于，所述的步骤(2)中设置两台高精度电子经纬仪实现高精度的控制点测量，以第一台经纬仪A为坐标原点，即经纬仪轴系交点，以第一台经纬仪A和第二台经纬仪B连线在水平方向的投影为X轴，通过第一台经纬仪A的铅垂方向为Z轴，以右手法则确定Y轴，构成测量坐标系，第一台经纬仪A和第二台经纬仪B同时对尺长已知的基准尺两端点观测，反算出基线长度b，分别测量两仪器到控制点标志中心的水平角和垂直角前方交会定位，从而得到控制点坐标。

5.根据权利要求1或4所述的基于摄影测量技术的数码相机投影中心位置精确标定方法，其特征在于，所述的高精度电子经纬仪为0.5秒级的T3000电子经纬仪，两台T3000电子经纬仪和长度基准尺构成电子经纬仪测量系统，两台电子经纬仪沿平行于标志场排列，两台电子经纬仪轴系交点连接作为测量坐标系统的X轴，进行基于测角前方交会定位，利用MetroIn经纬仪测量系统对各控制点标志中心进行测量，实现控制点的高精度测量。