CN107941241A - 一种用于航空摄影测量质量评价的分辨率板及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种用于航空摄影测量质量评价的分辨率板及其使用方法，在基板上采用打印或喷绘技术制作分辨率测试图案与视野标示方框；视野标示方框用于标示分辨率板的视野大小；分辨率测试图案为横纵向混合的图案，沿斜对角对称，由n种正方形图案拼接而成；航空正射影像图的横向与纵向分辨率通过分析分辨率测试图案得到，能看清的最小的那组图案所对应的短线尺寸即代表该影像图的分辨率。本发明利用自主设计分辨率板作为测试工具，通过分析最后合成三维模型中的分辨率板图案，计算该图像的分辨率，同时还能够通过分辨率板中的特征角点计算相机内外参数，进行相机畸变矫正，提高成像质量。该分辨率板及其应用方法具有能够同时反演成像分辨率和相机矫正的优点。

Description

一种用于航空摄影测量质量评价的分辨率板及其使用方法

技术领域

本发明涉及三维数字地形重建领域，尤其涉及一种利用无人机进行地面影像采集、并进行三维地形模型构建质量评价的分辨率板及其使用方法。

背景技术

基于图像的三维重建是根据若干幅二维图片来恢复物体和场景的三维模型的方法。该方法涉及计算机图像处理、计算机图形学、计算机视觉以及模式识别等诸多学科。与传统的利用建模软件或者三维扫描仪得到立体模型的方法相比，基于图像三维重建的方法成本低廉，真实感强，自动化程度高，因而具有广泛的应用前景。目前，该技术已经成为三维重建的一个研究热点。

近年来随着无人机技术的发展，相继出现了多种样式和功能的无人机，同时也催生了无人机摄影测量技术。通过无人机可以快速获取大量的地面二维图像，经过三维重建还原拍摄地区的三维地形图，相对于传统的地形测量方式具有操作便捷、测量范围大、成本低、效率高等优点，已逐渐发展为一种新型的三维地形测量手段。

虽然无人机航空摄影测量手段方便高效，然而由于这是一种新兴的摄影测量技术，目前在国际上还没有相应的技术标准和质量评价体系，但是对于一种测量技术而言，测量结果的质量评价又是非常重要的，如分辨率和测量误差便是衡量测量精度的重要指标。

目前市场上已有的三维地形建模软件，例如：Altzure、Photoscan、Pix4D和ContextCapture等，虽然在三维地形重建方面各有特点，但均未对成像分辨率进行详细的定义和说明，缺乏有效的三维模型重建质量评价标准。

此外，相关软件也无法自行计算相机畸变参数，影响最终的成像质量。对于传统的二维光学成像系统(如显微镜成像等)通常采用分辨率测试板(如USAF1951)对成像的分辨率进行测试评价。然而USAF1951分辨率测试板中均为长条形图案，并利用短边作为分辨率计算依据，但过长的长边却占用了大量空间，对于无人机航空摄影这种大尺度的测量并不适用，而且无法进行有效的相机镜头畸变矫正。

因此，迫切需要提供一种简单直接的适用于航空摄影大尺度的测量方法和标准器具，可以同时有效得到航空摄影测量中的镜头畸变和测量分辨率。

发明内容

本发明提供了一种用于航空摄影测量质量评价的分辨率板及其使用方法，本发明基于二维图像进行三维重建的原理，结合地形测绘三维建模质量评价需要，利用自主设计的分辨率板作为新的性能评价工具，在获取地面二维图像，解算成像分辨率的同时，还能够获得相机内外参数，进行相机畸变矫正，提高成像质量，详见下文描述：

一种用于航空摄影测量质量评价的分辨率板，所述分辨率板包括基板，

所述基板采用PVC材料或PVC涤纶网格制作，在所述基板上采用打印或喷绘技术制作分辨率测试图案与视野标示方框；

所述视野标示方框是一正方形方框，框体宽度为内边长的2.5％，用于标示分辨率板的视野大小；

所述分辨率测试图案为横纵向混合的图案，沿斜对角对称，由n种正方形图案拼接而成，边长分别为上述视野标示方框内边长的1/2，1/4，1/8，1/16……1/2ⁿ；

航空正射影像图的横向分辨率与纵向分辨率可以通过分析所述分辨率测试图案得到，能看清的最小的那组图案所对应的短线尺寸即代表该影像图的分辨率。

所述n的取值为：4≤n≤7。

一种用于航空摄影测量质量评价的分辨率板的使用方法，所述使用方法包括以下步骤：

制作分辨率板，并在待测区域选择合适的平整空旷地带，将分辨率板平铺并固定好；

开启无人机，飞到预定拍摄高度，执行对地拍摄任务，同时获取地面二维图像；

寻找二维图像中的分辨率板，利用图像处理算法找出该分辨率板中的特征角点位置，同时进行解析计算得到相机的畸变系数；

将所有拍摄的照片经过处理后，利用三维建模软件合成为三维地形模型；比较三维模型中分辨率板的图案和实际分辨率板图案的区别。

所述利用图像处理算法找出该分辨率板中的特征角点位置具体为：

根据图像分辨率选取分辨率的2倍的网格，选择待处理图像中的左上角点为网格的中心，然后分别沿着图像的x轴和y轴以步长为1平移计算网格，进行网格扫描；

分别计算每个网格内的黑白点数和比例，以及x，y方向上的投影图；

若网格中黑白点数比例接近1：1，且在x，y方向上投影互补，则网格的中心点即可作为特征角点。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、在获取的高空二维图像和合成的三维模型中可以同时测量图像中两个维度的分辨率信息，便于进行二维航空正射影像图和三维建模图像质量评价；

2、本发明使用的分辨率板中除了正方体图形可以反映二维分辨率信息外，还可以与其相邻的小正方体结合，并取长边作为该长边方向的分辨率信息，拓展该分辨率板的分辨范围；

3、利用分辨率板中的黑白交接处的角点，可以解算出相机内外参数，并计算相机畸变进行图像矫正，提高三维建模的质量。

附图说明

图1为本发明提供的分辨率板的结构示意图；

图2为相机采集的图像中的特征角点图；

图3为影像图的分辨率的示意图；

图4为一种用于航空摄影测量质量评价的分辨率板的使用方法的流程图。

图中，1：分辨率测试图案，2：视野标示方框，3：特征角点。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

一种用于航空摄影测量质量评价的分辨率板，参见图1、图2和图3，该分辨率板包括：

分辨率板采用PVC材料或PVC涤纶网格制作基板，在该分辨率的基板上采用打印或喷绘技术制作分辨率测试图案1与视野标示方框2。

其中，视野标示方框2是一正方形方框，框体宽度为内边长的2.5％，例如：方框的内边长为4m，外边长为4.1m，用于标示分辨率板的视野大小(以下描述均以该尺寸为例)。

分辨率测试图案1为横纵向混合的分辨率测试图案。分辨率测试图案1沿斜对角对称，主要由n种正方形图案拼接而成，边长分别为上述视野标示方框内边长的1/2，1/4，1/8，1/16……1/2ⁿ。以内边长4m为例，n种正方形边长分别为2m，1m，0.5m，0.25m，0.125m……4/2ⁿm。理论上n可以为无穷小，但实际运用中推荐4≤n≤7，本发明实施例中以n＝5为例予以说明。

将该分辨率板作为目标物进行测量，可以得到航空正射影像图，航空正射影像图的横向分辨率与纵向分辨率可以通过分析该分辨率板图像得到，分辨率板中能看清的最小的那组图案所对应的短线尺寸即代表该影像图的分辨率。以某岛屿的实地航空摄影测量为例(见图3)，从合成的三维图中提取出航空正射影像图，找到分辨率板图像区域，分析该区域测试图案中X、Y轴两个方向上能分辨的最小图案，所对应的实际分辨率板的短线尺寸均为0.25m，则该合成的三维模型图像在X、Y轴方向上的分辨率大约为0.25m，该参数可以作为评价合成三维模型质量的重要指标。

综上所述，本发明实施例基于航空摄影三维地形建模质量评价需要，针对航空摄影大尺度测量的特点，利用自主设计的分辨率板作为测试工具，通过分析最后合成三维模型中的分辨率板图案，计算该图像的分辨率。

实施例2

一种用于航空摄影测量质量评价的分辨率板的使用方法，参见图2、图3和图4，该使用方法包括以下步骤：

101：制作分辨率板，并在待测区域选择合适的平整空旷地带，利用铁杵和重压块将分辨率板平铺并固定好；

102：开启无人机，飞到预定拍摄高度，执行对地拍摄任务，同时获取地面二维图像；

103：寻找二维图像中的分辨率板，利用图像处理算法找出该分辨率板中的特征角点3的位置，同时进行解析计算得到相机的畸变系数；

其中，特征角点3指的是黑白色块相交接的地方(见图2)，采用图像处理算法寻找特征角点3指的是寻找黑白交接色块区域的算法，首先根据图像分辨率选取合适的网格大小(一般为分辨率的2倍)，选择待处理图像中的左上角点为网格的中心，然后分别沿着图像的x轴和y轴以步长为1平移计算网格，进行网格扫描，分别计算每个网格内的黑白点数和比例，以及x，y方向上的投影图。若网格中黑白点数比例接近1：1，且在x，y方向上投影互补，则网格的中心点即可作为特征角点3。如果实际图像中黑白交接处模糊不清，就需要利用插值拟合(本领域技术人员所公知的技术手段，本发明实施例对此不做赘述)求出交叉点。

其中，计算得到相机的畸变系数如下所示：

该分辨率板中的黑白方块的焦点可作为特征角点3用于计算相机的径向畸变和切向畸变，进行相机图像矫正。其中(x,y)为原像点位置，(x_c，y_c)为像元矫正后的位置。其中径向畸变通过下面的泰勒级数展开来进行矫正，其变换关系如下：

x_c＝x(1+k₁r²+k₂r⁴+k₃r⁶)

y_c＝y(1+k₁r²+k₂r⁴+k₃r⁶)

其中，k₁、k₂、k₃分别为各级泰勒展开式的系数；r为该点距成像图像中心的距离。对于一般相机来说，通常只计算k₁，k₂即可。此外，由于图像平面和透镜不完全平行而造成的切向畸变可以通过以下式子来进行矫正：

x_c＝x+2p₁y+p₂(r²+2x²)

y_c＝y+2p₂x+p₁(r²+2y²)

其中，p₁、p₂为切向畸变矫正系数。

104：将所有拍摄的照片经过处理后，利用三维建模软件合成为三维地形模型；比较三维模型中分辨率板的图案和实际分辨率板图案的区别。

其中，以图1设计的分辨率板为例，由于分辨率板的特殊设计，考虑方形图案短边作为分辨率依据，则可选分辨率有2m，1m,0.5m,0.25m,0.125m。寻找三维模型中分辨率板的图像，分析图像中能够分辨的最小尺寸，以此作为该三维模型分辨率的重要指标。

综上所述，本发明实施例能够通过分辨率板中的特征角点计算相机内外参数，进行相机畸变矫正，提高成像质量。该分辨率板的应用方法具有能够同时反演成像分辨率和相机矫正的优点。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于航空摄影测量质量评价的分辨率板，其特征在于，所述分辨率板包括基板，

所述基板采用PVC材料或PVC涤纶网格制作，在所述基板上采用打印或喷绘技术制作分辨率测试图案与视野标示方框；

所述视野标示方框是一正方形方框，框体宽度为内边长的2.5％，用于标示分辨率板的视野大小；

所述分辨率测试图案为横纵向混合的图案，沿斜对角对称，由n种正方形图案拼接而成，边长分别为上述视野标示方框内边长的1/2，1/4，1/8，1/16……1/2ⁿ；

航空正射影像图的横向分辨率与纵向分辨率可以通过分析所述分辨率测试图案得到，能看清的最小的那组图案所对应的短线尺寸即代表该影像图的分辨率。

2.根据权利要求1所述的一种用于航空摄影测量质量评价的分辨率板，其特征在于，所述n的取值为：4≤n≤7。

3.一种用于航空摄影测量质量评价的分辨率板的使用方法，其特征在于，所述使用方法包括以下步骤：

制作分辨率板，并在待测区域选择合适的平整空旷地带，将分辨率板平铺并固定好；

开启无人机，飞到预定拍摄高度，执行对地拍摄任务，同时获取地面二维图像；

寻找二维图像中的分辨率板，利用图像处理算法找出该分辨率板中的特征角点位置，同时进行解析计算得到相机的畸变系数；

将所有拍摄的照片经过处理后，利用三维建模软件合成为三维地形模型；比较三维模型中分辨率板的图案和实际分辨率板图案的区别。

4.根据权利要求3所述的一种用于航空摄影测量质量评价的分辨率板的使用方法，其特征在于，所述利用图像处理算法找出该分辨率板中的特征角点位置具体为：

根据图像分辨率选取分辨率的2倍的网格，选择待处理图像中的左上角点为网格的中心，然后分别沿着图像的x轴和y轴以步长为1平移计算网格，进行网格扫描；

分别计算每个网格内的黑白点数和比例，以及x，y方向上的投影图；

若网格中黑白点数比例接近1：1，且在x，y方向上投影互补，则网格的中心点即可作为特征角点。