CN111750836A - 一种多光学介质近景摄影测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对现有摄影测量技术存在的局限性提出了一种多光学介质近景摄影测量方法，该方法通过以下步骤实现：相机校核、参数测定、系统设置、照片拍摄、摄影测量分析、光线建立、折射界面定位、光线追踪、和最小二乘法估计。所提出的方法能够基于近景摄影测量技术对处于不同光学介质中的目标物体进行测量，拓展了近景摄影测量技术的应用范围，解决了当目标物和照片拍摄装置处于不同光学介质条件下的摄影测量难题。

Description

一种多光学介质近景摄影测量方法

技术领域

本发明属于近景测量技术领域，具体涉及一种多光学介质近景摄影测量方法。

背景技术

摄影测量是通过分析照片来测量目标物的形状、大小和空间位置的技术。从相机的发明到现在，摄影测量已有170多年的历史。随着摄影技术的不断更新以及相关器材价格的降低，摄影测量技术的应用越来越广泛(如：地形图制作、地质勘探、城市规划与建设等)且精度也越来越高。然而，基于光沿直线传播和共线/共面方程原理的近景摄影测量技术要求被测量的物体要与相机必须处在同样的光学介质中(通常是都处于空气中)。

近年来，近景摄影测量技术也逐渐被应用于室内试验。试验发现当待测物与相机处于不同光学介质中时，近景摄影测量技术的精度会急剧降低或根本不可用。其主要原因是由于光线在不同光学介质的交界面上不再沿直线传播，共线/共面方程也不再成立。因此，建立一种多光学介质近景摄影测量方法来拓展摄影测量技术的应用范围是摄影测量领域亟待解决的问题之一。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题提出了一种多光学介质近景摄影测量方法，该方法能够使用近景摄影测量技术对处于不同光学介质中的目标物体进行测量，拓展摄影测量技术的应用范围，解决了在不同光学介质下近景摄影测量技术应用的难题。

1.为实现上述目的，本发明的技术方案采用以下步骤实现：相机校核、参数测定、系统设置、照片拍摄、摄影测量分析、光线建立、折射界面定位、光线追踪、和最小二乘法估计。

2.本发明所涉及的相机校核用于确定相机和镜头组合的系统参数(镜头焦距、图像传感器物理尺寸、像素数、相机中心点位置、径向和环向畸变参数)。摄影测量技术利用了针孔相机原理，普通的单反相机与针孔相机有很大的不同。因此，需要对单反相机进行校核来确定相机镜头组合的系统参数以及畸变参数消除镜头畸变带来的误差。

3.本发明所涉及的参数测定用于确定近景摄影测量所涉及的各种光学介质在特定光线条件下的折射率和各种光学介质的影响范围。光学介质的折射率与光线的波长相关，相同的光学介质对不同波长光线的折射率会有所不同。因此，需要在实际测量时的光照条件下来测量不同光学介质对应的折射率。此外，光线在不同光学介质的影响范围可以通过量测来确定光线折射的界面。

4.本发明所涉及的系统设置需要在各光学界面布设测量标记点来辅助定位照片拍摄时的相机位置和方位、各个折射界面的准确位置、以及目标物上布设目标点来获得目标物的几何形态和位置。测量标记点的数量的确定应兼顾测量精度和对光线传播路径的影响来合理设置。此外，需依据与相机处于同一光学介质中的测量标记点和实际尺寸来建立一个三维的笛卡尔坐标系来实现目标物的测量。

5.本发明所涉及的照片拍摄需要对有关测量目标物拍摄大于等于两张清晰的照片。照片的拍摄需要注意角度、照片数量、和相机离目标物体的距离。照片拍摄时，相机拍摄方向应尽量指向目标物；在保证精度的条件下可使用较少的照片数量以减少运算量；当测量目标物形态比较复杂的情况下，可适当提高照片数量以实现对形态目标物表面的无死角覆盖；为达到更好的测量精度，相机与目标物的距离应适中，使目标物/照片比例大于60％。

6.本发明所涉及的摄影测量分析需要通过近景摄影测量技术以及测量标记点来定位与相机处在同一光学介质的测量标记点的三维位置和每张照片对应的拍摄位置和方位角。利用近景摄影测量技术来分析得到每张照片对应的相机位置和方位角时，必须将处于其它光学介质内的测量标记点剔除以免产生测量误差或分析错误。

7.本发明所涉及的光线建立需要根据测量目标点在照片上的像素位置和该照片拍摄时的相机位置和方位来建立测量点在与相机同光学介质内的光线。目标点的像素位置需根据图像传感器在不同方向上的像素数转换成相应的物理位置，再根据该物理位置和针孔相机原理计算出目标点在相机的局部坐标系中的位置，然后，再将该位置转换成相应的笛卡尔坐标系内的三维坐标。依据该三维坐标和对应的相机中心点位置即可建立一条指向该测量目标点的光线(该部分光线仅存在于与相机所处的光学介质内)。对于同一个目标点，若在其它照片可见，这些照片均应用于建立光线。

8.本发明所涉及的折射界面定位需要根据界面上测量标记点的三维位置来对界面进行精确定位，需根据折射界面的形状(如：平面、圆柱面、和球面等)来选取合适的方程来拟合折射界面。具体涉及采集所有的折射界面上标记点的三维坐标，根据折射界面的形状假设一个折射界面方程，计算所有标记点离假设的折射界面的距离之和，通过改变假设面的参数来最小化距离之和。新的折射界面方程代表了通过标记点拟合的折射界面。

9.本发明所涉及的光线追踪需要根据各个测量目标点所建立的光线和代表折射界面的方程以及相关光学介质的折射率来通过折射定律计算入射点和出射光线。联立光线的直线方程和折射界面所对应的方程可以得到对应的入射点的三维位置。当折射面的形状是圆柱面或球面时，联立方程可以得到两个交点，离相机位置较近的那个交点即为入射点。得到目标点后，根据光线在不同介质中的折射率、折射界面方程，入射点位置、以及如下公式(即折射定律)计算出各个出射光线所对应的向量。

其中，

为出射光线，n₁和n₂分别为两种光学介质的折射率，

为入射光线向量，

为折射界面在入射点处的法向向量。

10.本发明所涉及的最小二乘法估计利用了折射后的源自于不同相机位置的入射点和出射光线对目标点的三维位置进行了最优估计。具体为假设一个目标点三维位置，计算与该目标点对应的出射光线与假设的目标点之间的距离之和。通过改变目标点三维位置来最小化距离之和。新的目标点三维位置即为该点的测量结果。

11.对于三种光学介质条件，可通过上述步骤确定第二个折射界面的位置，然后重复光线建立，折射界面定位、光线追踪、和最小二乘法估计步骤来进行测量。对于大于三种光学介质的条件，理论上可以依此类推通过上述步骤获得第三、第四、第n个折射界面并利用光线追踪和最小二乘法估计来对目标点的三维位置进行最优估计。

本发明提出了一种多光学介质近景摄影测量方法，该发明只需在光线传播所涉及到的折射界面做适当标记，利用近景摄影测量技术来获得相机位置并建立指向目标点的光线，再根据折射定律来计算折射后的光线并通过最小二乘法获得测量目标点的三维位置的最佳估计。该方法主要优点在于：原理简单、适用性强、和精度高。此外，该方法拓展了传统摄影测量技术的应用范围，为处于不同光学介质下的近景摄影测量提供了一个可靠有效的方法。

附图说明

图1为本发明的一种多光学介质近景摄影测量方法的示意图；

其中，1、目标物，2、相机，3、目标点，4、目标点的成像点，5、相机中心点，6、光学介质A，7、光学介质B，8、光学介质C，9、折射界面M(平面)，10、折射界面N(圆柱面)，11、位于折射界面M上的标记点，12、位于折射界面N上的标记点，13、标记点的成像点，14、标记点的入射光线，15、标记点折射界面M上入射点，16、标记点的出射光线，17、目标点的入射光线，18、目标点在折射界面M上的入射点，19、目标点经过折射界面M后的出射光线，20、目标点在折射界面N上的入射点，21、目标点经过折射界面N后的出射光线。

具体实施方式

下面将参照附图来对本发明进行进一步说明。

如图1所示，待测目标物1与相机2分别处于不同的光学介质中。为测量目标点3的三维坐标，使用校核过的相机2分别在不同位置和角度对目标物1拍摄了两张照片。成像点4为测量目标点3在两张照片上的位置。光线从相机中心点5出发到达目标物经过了光学介质A6、光学介质B7、和光学介质C8并最终到达目标点3。由于每种介质的折射率各不相同，光线在经过光学介质A6与光学介质B7形成的折射界面M9(为平面)和光学介质A7与光学介质B8形成的折射界面N10(为圆柱面)时产生了折射。

照片拍摄后，依据位于折射界面M9上的测量标记点11(与相机处于同一个光学介质中)，可以通过近景摄影测量技术精确获得两张照片拍摄时的相机方位和中心点位置5以及测量标记点11的三维坐标。依据若干个位于折射界面M9上的测量标记点11，可以拟合得到该折射界面所对应的方程。成像点13为圆柱形折射界面N10上的测量标记点12在照片上的位置。依据相机方位和中心点5以及成像点13的位置可以建立两条入射光线14。联立两条入射光线14和折射界面M9所对应的方程可以分别得到两个入射点15的三维坐标。基于光学介质A6和光学介质B7的折射率以及入射光线可以通过折射定律计算得到两条出射光线16。假设一个标记点12的三维坐标，计算该点离两条出射光线16的距离之和，通过改变标记点12的三维坐标来最小化距离之和即可得到标记点12的三维坐标的最佳估计。重复以上步骤可获得折射界面N10上所有标记点的三维位置。根据这些点的三维位置可以拟合得到该折射界面N10所对应的方程。

依据相机方位和中心点5以及成像点4的位置可以建立两条入射光线17。联立两条入射光线17和折射界面M9所对应的方程可以分别得到两个入射点18的三维坐标。基于光学介质A6和光学介质B7的折射率以及入射光线可以通过折射定律计算得到两条出射光线19。联立两条光线19和折射界面N10所对应的方程可以分别得到两个入射点20的三维坐标。基于光学介质B7和光学介质C8的折射率以及光线19可以通过折射定律计算得到两条出射光线21。假设一个目标点2的三维坐标，计算该点离两条出射光线21的距离之和，通过改变目标点2的三维坐标来最小化距离之和即可得到目标点2的三维坐标的最佳估计。

下面将用一个两种光学介质条件的具体实施例来对更详细地描述本发明。

本实施例为利用多光学介质近景摄影测量技术测量四个位于盛水容器中的目标点的三维位置。具体包括以下步骤：

1)首先校核所使用的单反相机来确定相机镜头组合的系统参数以及畸变参数，校核可以通过商业软件和拍摄满足要求的照片分析实现。其校核结果如下表所示；

表1 相机校核参数

2)根据相关规范测得水和空气在以相机闪光灯作为光源和室温条件下的折射率分别为1.337和1.002；

3)在容器边缘布设六个测量标记点并利用摄影测量技术根据实际物理尺寸建立一个三维的笛卡尔坐标系，在容器底部布设四个测量目标点。

4)往容器内添加水到一定高度并在水面布设四个漂浮于水面的稳定的测量标记点。

5)从不同的角度和距离对容器和位于其中的目标点拍摄五张照片。照片在容器上方拍摄且容器敞口，光线直接从空气进入水中。

6)利用近景摄影测量技术分析得到五张照片所对应的相机拍摄位置和方位；

7)利用近景摄影测量技术分析得到漂浮于水面的测量标记点的位置如下表；

标记点	x(mm)	y(mm)	z(mm)
				1	58.093	95.806	-17.639
2	111.338	-28.007	-6.494
				3	154.531	-7.994	-8.950
4	127.944	104.013	-19.725

8)根据漂浮于水面的四个测量标记点的三维位置拟合得到折射界面的方程为：

x+5.875y+59.652z+433.947＝0

9)利用所得到的所有目标点在不同照片上的像素位置以及其对应的相机位置和方位分别建立光线如下；

10)联立所有的测量目标点的光线于折射面方程得到对应的入射点位置如上表；

11)利用折射定律，用如下公式计算得到所有入射光线所对应的出射光线如上表；

12)利用最小二乘法计算得到所有测量目标点的三维位置如下表：

13)将容器内水倒出，从不同的角度和距离对容器和位于其中的目标点拍摄五张照片并用近景摄影测量技术分析得到四个目标点的三维坐标如上表。通过比较得知，该多光学介质近景摄影测量方法的平均测量精度在上述的试验条件下约为0.24毫米。

Claims (9)

1.一种多光学介质近景摄影测量方法，其特征在于该测量方法主要通过以下步骤实现：参数测定，系统设置，照片拍摄，摄影测量分析，光线建立，折射界面定位、光线追踪、和最小二乘法估计。

2.根据权利要求1所述的一种多光学介质近景摄影测量方法，其特征在于参数测定用于确定摄影测量所涉及的各种光学介质在特定光线条件下的折射率和各种光学介质的影响范围。

3.根据权利要求1所述的一种多光学介质近景摄影测量方法，其特征在于系统设置需要在光学界面布设测量标记点来实现对折射界面的准确定位。

4.根据权利要求1所述的一种多光学介质近景摄影测量方法，其特征在于照片拍摄需要对有关测量兴趣点拍摄大于等于两张的照片。

5.根据权利要求1所述的一种多光学介质近景摄影测量方法，其特征在于摄影测量分析需要通过近景摄影测量技术以及测量标记点来定位与相机处在同一光学介质的测量标记点的三维位置和每张照片对应的拍摄位置和方位角。

6.根据权利要求1所述的一种多光学介质近景摄影测量方法，其特征在于光线建立需要根据测量兴趣点在照片上的像素位置和该照片拍摄时的相机位置和方位来建立测量兴趣点在与相机同光学介质内的光线。

7.根据权利要求1所述的一种多光学介质近景摄影测量方法，其特征在于折射界面定位需要根据界面上测量标记点的三维位置来对界面进行精确定位，需根据折射面的具体形状(如：平面、圆柱形面、球面等)来选取合适的方程来拟合折射界面。

8.根据权利要求1所述的一种多光学介质近景摄影测量方法，其特征在于光线追踪需要根据各个测量兴趣点所建立的光线和代表折射界面的方程以及相关光学介质的折射率来通过折射定律计算入射点和出射光线。

9.根据权利要求1所述的一种多光学介质近景摄影测量方法，其特征在于最小二乘法估计利用了折射后的源自于不同相机位置的入射点和出射光线对兴趣点的三维位置进行了最优估计。

Images