CN111627100A - 一种用于评价摄影测量精度的数值模拟方法 - Google Patents

一种用于评价摄影测量精度的数值模拟方法 Download PDF

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张伯虎
李万堃
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Abstract

本发明涉及摄影测量技术，旨在提供一种用于评价摄影测量精度的数值模拟方法。包括步骤：利用OpenGL建立几何模型并预设已知坐标的标记点，作为精度评价的原始数据；利用虚拟相机从不同位置和角度对几何模型进行仿真成像；对获取的影像数据进行空中三角加密；设置重建区域参数并进行重建，获取带有真实纹理的三维几何模型；提取几何模型上任意的几何尺寸、面积、体积或点坐标，将其与原始数据进行比较，比较结果用于评价摄影测量的精度。相比摄影测量的现场试验或物理模型试验来说，本发明的硬件要求低，仅需一台计算机便可实现；基于仿真模拟的方法改变参数的过程更加简便且准确，极大提高了摄影测量试验的效率和摄影测量过程的可操作性。

Description

一种用于评价摄影测量精度的数值模拟方法
技术领域
本发明属于摄影测量和遥感工程技术以及计算机图像领域，具体涉及一种用于评价摄影测量精度的数值模拟方法。
背景技术
摄影测量学作为测绘学的一个分支学科，以摄影为获取数据的主要手段，以确定所研究对象的几何信息和运动姿态为主要目的。摄影测量只需要在一定距离内获取被测物体的照片便可由此获得物体的大量物理信息和几何信息，是一种非接触性的测量方法。作为一种测量手段，其测量的精度则成为了研究的重点。而影响摄影测量精度的因素有很多，如拍摄的重叠度、照片的分辨率和内外方位元素等。在传统的基于现场或室内摄影测量精度的研究中，想要改变拍摄参数都必须基于不同的拍摄方案进行多次拍摄，因此存在参数改变不易控制、试验效率低的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种用于评价摄影测量精度的数值模拟方法。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种用于评价摄影测量精度的数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用OpenGL建立几何模型，或通过兼容软件生成几何模型后再导入OpenGL的配置环境；在几何模型上预设已知坐标的标记点，记录几何模型的几何信息和标记点坐标，作为精度评价的原始数据；
(2)在OpenGL中设置虚拟相机的内外方位元素和和传感器尺寸，利用虚拟相机从不同位置和角度对几何模型进行仿真成像，获得具有一定重叠率的影像数据，并记录每张照片的位置姿态参数；
(3)借助每张照片的位置姿态参数，对获取的影像数据进行空中三角加密，得到密集点云数据；
(4)设置重建区域参数并进行重建，获取带有真实纹理的三维几何模型；所述参数至少包括区域范围、几何精度、贴图质量；
(5)提取几何模型上任意的几何尺寸、面积、体积或点坐标，将其与原始数据进行比较，比较结果用于评价摄影测量的精度。
本发明中，所述步骤(1)中，通过OpenGL设置顶点的空间坐标来创建二维线条和三维多边形几何模型，通过调用平移、旋转和缩放工具来确定几何模型的大小、位置和形状，通过纹理映射功能映射几何模型的表面(使几何模型的外观更加复杂和真实)。
本发明中，所述步骤(2)中，通过调用OpenGL的透视投影函数设置虚拟相机的焦距和成像平面的画幅尺寸，调用视点转换函数设置摄站位置和拍摄方向，调用视口变换函数设置像片分辨率，统一各函数中成像平面的画幅比例。
本发明中，所述步骤(2)中，虚拟相机仿真成像获得影像数据并在设置的显示窗口正常输出图像后，将图片保存到本地；保存的过程实际上是从缓冲区中读取数据，由于虚拟相机仿真成像使用了双缓冲区，默认是从正在显示的缓冲即前缓冲中读取，而绘制工作是默认绘制到后缓冲区的，因此在保存过程中需要先交换前后缓冲。
本发明中，所述步骤(3)中，在记录的原始照片的位置参数中加入随机误差以模拟真实情况下GPS的定位误差，并将新生成的位置信息作为摄影测量的定位参考。
本发明中，所述步骤(4)中，在进行重建之前，先检查参考三维几何模型是否出现错误；如参考三维几何模型有错误，应选择导入修饰几何模型进行修正，或者重置几何模型重新进行计算。
发明原理描述：
OpenGL(开放图形库)是一个跨语言、跨平台的应用程序编程接口(API)，具有功能强大的显示函数，用于在计算机屏幕上呈现三维物体的二维图像，可实现对现实世界中三维物体的计算机模拟。具有三维物体建模、图像投影变换、三维场景渲染、物体表面纹理映射等功能。摄影测量是对获取的现实景物的影像进行测量，与OpenGL的透视投影成像过程在本质上具有一致性。摄影测量的外业工作，如相机检校、像片获取、控制点测量等需要费大量的时间和精力，如果利用OpenGL模拟出可量测的像片或辅助检校相机成像，即可简化繁琐的现场工作，大大提高摄影测量的工作效率。
因此，本发明创新性提出基于OpenGL生成模型的二维图像，运用摄影测量技术将其匹配生成三维数字模型，以此评价摄影测量精度。该方法对于改变摄影测量工作环境及提高试验效率而言，具有重要的现实意义：本发明能改变已有的摄影测量精度试验的环境，即仅需要在室内利用计算机就能进行，并且大大提高了试验效率。在模拟的过程中通过将现实中的相机参数运用到模拟成像中得到仿真照片，从而评估相应的摄影测量场景下的精度。当然，模拟过程中不同设置参数会得到不同的测量精度，对于测量精度高的设置参数可以用于指导实际摄影测量中的参数选择和设置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明创新点是将OpenGL中模拟仿真相片的技术，用于进行摄影测量精度的评价。相比摄影测量的现场试验或物理模型试验来说，本发明的硬件要求低，仅需一台计算机便可实现；
(2)在现实操作中想要改变拍摄参数，如焦距、拍摄距离、重叠度等，都需要进行大量的人工拍摄工作，因此效率低下。本发明中利用OpenGL可以创建任意形状的模型，并且模拟出可量测的像片，作为摄影测量的一个重要技术手段，大大地减少了摄影测量的外业工作，如相机检校、像片获取、控制点测量等；基于本发明所述仿真模拟的方法，改变参数的过程更加简便且准确，极大地提高了工作效率。
(3)可以直接知道待测对象(点、线等)的信息，而无需任何其他测量。因为整个研究对象是在计算机上创建的，即待测对象的特征值绝对准确，不会存在仪器测量产生的误差；
(4)在仿真成像的过程中能随意控制像片参数(包括照片的内外方位元素、分辨率等)，极大地提高了摄影测量试验的效率和摄影测量过程的可操作性，为更多摄影测量研究提供了新思路。
附图说明
图1为视椎体图；
图2为正八面体模型图；其中，(a)为正视图，(b)为后视图，(c)为顶视图；
图3为摄站位置图；
图4为正八面体模型的几何参数误差图；其中，(a)为产状误差，(b)为坐标误差，(c)为长度误差。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步的详细说明。以下的具体实施步骤可以使本专业领域的技术人员更全面的了解本发明，但不以任何形式限制本发明。
首先需要说明的是，本发明涉及计算机模拟和仿真技术。在本发明的实现过程中，会涉及到OpenGL中多个软件功能模块或函数的应用。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现原理和发明目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的技能实现本发明。凡本发明申请文件提及的均属此范畴，申请人不再一一列举。
本发明所述用于评价摄影测量精度的数值模拟方法，包括以下步骤：
(1)利用OpenGL建立几何模型，或通过兼容软件(例如3DS Max软件、Maya软件)生成几何模型后再导入OpenGL的配置环境；在几何模型上预设已知坐标的标记点，记录几何模型的几何信息和标记点坐标，作为精度评价的原始数据；具体可以通过OpenGL设置顶点的空间坐标来创建二维线条和三维多边形几何模型，通过调用平移、旋转和缩放工具来确定几何模型的大小、位置和形状，通过纹理映射功能映射几何模型的表面(使几何模型的外观更加复杂和真实)。
在建模阶段，采用的平移、旋转和缩放工具，统称为“仿射变换”。用一个4×4矩阵来描述仿射变换，其称为“模型视图矩阵”。具体来说，模型视图矩阵M是由旋转矩阵R、平移矩阵T和缩放矩阵S组成的，其关系可以表示为：
M＝R·T·S
R是旋转变换矩阵，其表示以原点到向量(v1，v2，v3)的方向为轴进行旋转，旋转角为θ，旋转的方向遵循右手定律。R在齐次坐标下的4×4矩阵表示为：
Figure BDA0002444833250000041
T为平移变换矩阵，其表示在x、y、z方向分别平移u1、u2、u3的距离，T在齐次坐标下的4×4矩阵表示为：
Figure BDA0002444833250000042
S是缩放变换矩阵,其表示在x、y、z方向分别缩放α1、α2、α3倍，S在齐次坐标下的4×4矩阵表示为：
Figure BDA0002444833250000043
(2)在OpenGL中设置虚拟相机的内外方位元素和和传感器尺寸，利用虚拟相机从不同位置和角度对几何模型进行仿真成像，获得具有一定重叠率的影像数据，并记录每张照片的位置姿态参数；通过调用OpenGL的透视投影函数设置虚拟相机的焦距和成像平面的画幅尺寸，调用视点转换函数设置摄站位置和拍摄方向，调用视口变换函数设置像片分辨率，统一各函数中成像平面的画幅比例。
在仿真成像阶段，相机的方向和位置可以通过建模阶段使用的相同仿射变换来指定。从图像变换的角度来说，有两种基本的投射方式：正交投影和透视投影。正交投影是假定视点在无限远处。因此，正射投影将几何模型通过垂直于投影面的投影线进行投影。透视投影将观察点置于一个有限的距离，使得较近的物体看起来比同样大小的较远的物体大。为了模拟拍摄照片的实际过程，透视投影通常用于创建视图。因此，应通过确定视椎体的参数来实现透视投影的过程。视椎体是一个将四棱锥去掉顶部的六面体(见图1)，其中O点是视点，近裁剪面为z＝-n，远裁剪面为z＝-f，(r，t，-n)和(l，b，-n)为近裁剪面的角点坐标。而在视椎体中的点都必须满足以下条件：
l≤x≤r
b≤y≤t
-f≤z≤-n
同样可以用一个4×4的矩阵用来指定透视变换，将其称为“投影矩阵”。通过投影矩阵P可以确定视椎体与模型之间的关系。P在齐次坐标下表示为：
Figure BDA0002444833250000051
为了模拟相机的成像过程，把近裁剪面看作相机的成像平面，也就是说视点到近裁剪面的距离对应相机的焦距，近裁剪面的尺寸对应相机传感器的尺寸。因此，便可通过焦距和传感器尺寸得到近裁剪面的角点坐标：
t＝n·tan(θ/2)
b＝-n·tan(θ/2)
r＝(aspectRatio)·t
l＝(aspectRatio)·b
其中，aspectRatio表示相机传感器的长度与宽度之比。
为了将仿真像片映射到计算机屏幕上，需要根据视锥体的参数设置视口矩阵V：
Figure BDA0002444833250000061
透视成像的过程实际上就是一个将基本物理模型分别乘以模型视图矩阵M、投影矩阵P和视口矩阵V的过程，以此将三维模型的坐标转换为二维图像坐标，公式如下：
[x y 1]T＝V·P·M·[X Y Z 1]T
虚拟相机仿真成像获得影像数据并在设置的显示窗口正常输出图像后，将图片保存到本地；保存的过程实际上是从缓冲区中读取数据，由于虚拟相机仿真成像使用了双缓冲区，默认是从正在显示的缓冲即前缓冲中读取，而绘制工作是默认绘制到后缓冲区的，因此在保存过程中需要先交换前后缓冲。
(3)借助每张照片的位置姿态参数，对获取的影像数据进行空中三角加密，得到密集点云数据；在记录的原始照片的位置参数中加入随机误差以模拟真实情况下GPS的定位误差，并将新生成的位置信息作为摄影测量的定位参考。
(4)设置重建区域参数(至少包括区域范围、几何精度、贴图质量)并进行重建，获取带有真实纹理的三维几何模型；在进行重建之前，先检查参考三维几何模型是否出现错误；如参考三维几何模型有错误，应选择导入修饰几何模型进行修正，或者重置几何模型重新进行计算。
参考三维几何模型是指在生成最后的模型之前先生成的参考模型，其作用是让使用者先对空中三角加密后得到的模型进行检查，看看是否存在缺失或者变形等错误。如参考三维几何模型有错误，使用者可以通过导入修饰几何模型来修正模型，或者直接重置模型重新进行计算。
(5)提取几何模型上任意的几何尺寸、面积、体积或点坐标，将其与原始数据进行比较，比较结果用于评价摄影测量的精度。
下面以实际无人机不同定位模式下的定位精度为例，说明本发明评价摄影测量精度的数值模拟方法。具体包括以下步骤：
(1)利用OpenGL建立一个正八面体模型，6个顶点坐标分别为(±1，0，0)、(0，±1，0)、(0，0，±1)。根据每个面所在象限对其进行编号(如图2所示)，记录下在局部坐标系下模型每个面的法向量，并将八面体的所有顶点进行编号(V1-V6)；
(2)利用OpenGL设置虚拟相机的传感器尺寸为36mm×24mm，焦距设为35mm，以水平拍摄的方式从5m外对模型均匀地采集20张照片，相邻摄站夹角为18°(如图3所示)，并记录下每个摄站的位置坐标。
(3)据调查得到了某款无人机的定位精度(如表1所示)，将不同定位模式下的定位误差分别添加到原始摄站坐标中，并以此作为新的照片位置信息。
表1某无人机的定位精度
Figure BDA0002444833250000071
(4)借助每张照片的位置姿态参数、焦距和传感器尺寸等信息，对获取的影像数据进行空中三角加密，得到密集点云数据；
(5)检查参考三维模型，如发现有较大缺失和变形可导入修饰模型进行修正。再通过设置重建区域范围、贴图质量等参数进行重建，获取带有真实纹理的三维模型；
(6)从重建的三维模型中，分别提取所有的顶点坐标和棱长长度，将其与原始数据进行比较分别得到坐标误差和长度误差；
(7)本次试验中，采用平面的法向量方向误差作为评价产状误差的指标。在重建的三维模型中的每个面提取三个不共线的点的坐标，分别为P1(x1，y1，z1)、P2(x2，y2，z2)、P3(x3，y3，z3)，由此解算出每个面的法向量n，公式为：
Figure BDA0002444833250000072
假设解算出的法向量为n2，与原始数据n1进行比较，得到每个面的法向量的方向误差(见图4)，公式为：
Figure BDA0002444833250000073
由图4所示，能得到以下结果：
(1)对于相同的定位精度下，不同平面的产状误差和不同点的坐标误差变化范围不大；
(2)不同的定位精度下产状误差的差距明显增大，坐标误差也表现出相同的规律；
(3)8个面在RTK、视觉定位、GNSS三种定位模式下的平均定位误差分别为0.5°、2.4°、3.6°；
(4)6点坐标在三种定位方式下的平均误差分别为0.14m、0.31m、1.58m；
(5)三种定位模式下的长度误差在0.005m到0.03m之间，即相对误差在0.3％到2.5％之间；
(6)因此，基于无人机定位精度的摄影测量精度可以满足工程要求，建议采用RTK的定位模式。
该具体实施方案是通过引入实际无人机不同定位模式下的定位精度来比较相对应的摄影测量的测量精度，并以此来评价什么定位模式能让摄影测量的精度更高，其目的是“评价摄影测量的测量精度”。此处的定位模式是基于某款无人机进行的数值试验，将其作为一个例子进行说明如何使用本发明的技术内容。归根结底，探究的是摄站坐标精度对摄影测量精度的影响。基于同样道理，也可以探究其他因素对摄影测量精度的影响，如重叠度、拍摄距离、控制点精度等。

Claims (6)

1.一种用于评价摄影测量精度的数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用OpenGL建立几何模型，或通过兼容软件生成几何模型后再导入OpenGL的配置环境；在几何模型上预设已知坐标的标记点，记录几何模型的几何信息和标记点坐标，作为精度评价的原始数据；
(2)在OpenGL中设置虚拟相机的内外方位元素和和传感器尺寸，利用虚拟相机从不同位置和角度对几何模型进行仿真成像，获得具有一定重叠率的影像数据，并记录每张照片的位置姿态参数；
(3)借助每张照片的位置姿态参数，对获取的影像数据进行空中三角加密，得到密集点云数据；
(4)设置重建区域参数并进行重建，获取带有真实纹理的三维几何模型；所述参数至少包括区域范围、几何精度、贴图质量；
(5)提取几何模型上任意的几何尺寸、面积、体积或点坐标，将其与原始数据进行比较，比较结果用于评价摄影测量的精度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，通过OpenGL设置顶点的空间坐标来创建二维线条和三维多边形几何模型，通过调用平移、旋转和缩放工具来确定几何模型的大小、位置和形状，通过纹理映射功能映射几何模型的表面(使几何模型的外观更加复杂和真实)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，通过调用OpenGL的透视投影函数设置虚拟相机的焦距和成像平面的画幅尺寸，调用视点转换函数设置摄站位置和拍摄方向，调用视口变换函数设置像片分辨率，统一各函数中成像平面的画幅比例。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，虚拟相机仿真成像获得影像数据并在设置的显示窗口正常输出图像后，将图片保存到本地；保存的过程实际上是从缓冲区中读取数据，由于虚拟相机仿真成像使用了双缓冲区，默认是从正在显示的缓冲即前缓冲中读取，而绘制工作是默认绘制到后缓冲区的，因此在保存过程中需要先交换前后缓冲。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，在记录的原始照片的位置参数中加入随机误差以模拟真实情况下GPS的定位误差，并将新生成的位置信息作为摄影测量的定位参考。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，在进行重建之前，先检查参考三维几何模型是否出现错误；如参考三维几何模型有错误，应选择导入修饰几何模型进行修正，或者重置几何模型重新进行计算。
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