專利名稱：補償攝影測量影像畸變的數(shù)字畸變模型的生成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于攝影測量與遙感技術(shù)領(lǐng)域，涉及補償攝影測量影像畸變的數(shù)字畸變模型及相應(yīng)參數(shù)(內(nèi)方位元素)的生成方法。
背景技術(shù)：
對影像畸變的補償有兩種策略，即慣用的函數(shù)模型策略和本發(fā)明提出的數(shù)字畸變模型策略。
時至今日，國內(nèi)外，對攝影機各類畸變的補償，幾乎清一色地采用某種多項式的函數(shù)模型。此類多項式的系數(shù)或具有明顯的物理意義，或具有模仿性的物理意義，或是依賴長期的優(yōu)化設(shè)計，以確定多項式的外形及其相應(yīng)系數(shù)。
具有明顯的物理意義者，例如式(1)中的光學(xué)徑向畸變系數(shù)(k1，k2…)和光學(xué)切向畸變系數(shù)(p1，p2)Δx=x(k1r2+k2r4+···)+p1(r2+2x2)+2p2xyΔy=y(k1r2+k2r4+···)+p2(r2+2y2)+2p1xy---(1)]]>具有模仿性的物理意義者，如Salmenper模型以及式(2)所示的包含有21個參數(shù)的Brown模型Δx=a1x+a2y+a3xy+a4y2+a5x2y+a6xy2+···+a21xfΔy=a8xy+a9x2+a10x2y+a11xy2+a12x2y2+···a21yf---(2)]]>不具有明顯的物理意義，而是依賴長期的優(yōu)化設(shè)計，以確定多項式的外形。此類多項式的種類很多，如Kupfer的三次多項式、Schut的三次多項式、Gotthardt，Grean，Mauelshagen以及Heikkil等人使用的多項式、Ebner的具有一定幾何意義的正交多項式以及其他外形更為復(fù)雜的攝影測量的和遙感的函數(shù)模型等等。
使用函數(shù)模型時，攝影測量和遙感的后續(xù)數(shù)據(jù)處理，必須面對西方人士提出的(有時甚至是相左的)數(shù)十種函數(shù)模型，做出選擇，其耗時耗工難以統(tǒng)計。此外，使用傳統(tǒng)的函數(shù)模型，必須了解成像系統(tǒng)的成像機理，必須逐一而詳盡地分析可能的誤差源及其影響程度?？偠灾?，基于‘函數(shù)模型’的方法不具備適于不同成像機理的相機的“通用性”；在很大程度上，也不具備對不可數(shù)學(xué)模擬的畸變的補償能力；在很大程度上，又必須承受確定多項式系數(shù)中的“不盡穩(wěn)定的影響”；而且，使用傳統(tǒng)的函數(shù)模型，大多缺少評價成果的客觀標準；使用本發(fā)明提出的數(shù)字畸變模型，則可借助控制場客觀地評價成果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題是提供一種補償攝影測量影像畸變的數(shù)字畸變模型的生成方法，該方法不僅可以方便地對不同成像機理的相機的影像畸變補償，而且可獲得相應(yīng)的內(nèi)方位元素，以實現(xiàn)繼后的三維測量。
本發(fā)明提供的技術(shù)方案是一種補償攝影測量影像畸變的數(shù)字畸變模型攝的生成方法，包括以下步驟一、建立控制場；二、用檢定相機拍攝控制場；測定影像外方位元素；三、量測各控制標志在影像上的實際位置；四、選擇像幅四個角隅標志，令其畸變?yōu)榱悖淮_定通過此四個角隅標志的擬合平面，并對此四個角隅標志引入投影差；對像幅內(nèi)所有控制標志引入投影差，實現(xiàn)控制場至真二維控制場的變換；五、依據(jù)上述四個角隅標志，按二維直接線性變換原理，解求8個變換系數(shù)，計算像幅內(nèi)各控制標志在影像上的理論位置；六、通過各控制標志在影像上的實際位置和理論位置，確定影像上各控制標志的總畸變(f1，f2，f3，f4)；七、獲取影像上每個像素的總畸變依影像上與待測像素最臨近的四個標志的總畸變，按下述任意分布數(shù)據(jù)點關(guān)系式，內(nèi)插獲取該像素的總畸變f(x，y)，直至獲取影像上每個像素的總畸變；從而構(gòu)成該影像的數(shù)字畸變模型；y(1,2)=(y2-y1)(x2-x1)(x(1,2)-x1)+y1]]>y(3,4)=(y4-y3)(x4-x3)(x(3,4)-x3)+y3]]>f(1,2)=f1+(x(1,2)-x1)2+(y(1,2)-y1)2(x2-x1)2+(y2-y1)2(f2-f1)]]>f(3,4)=f3+(x(3,4)-x3)2+(y(3,4)-y3)2(x4-x3)2+(y4-y3)2(f4-f3)]]>f(x,y)=f(1,2)+(x-x(1,2))2+(y-y(1,2))2(x(3,4)-x(1,2))2+(y(3,4)-y(1,2))2(f(3,4)-f(1,2))]]>式中x、y為待測像素的橫、縱坐標；(x1、y1)、(x2、y2)、(x3、y3)、(x4、y4)分別為待測像素最臨近的四個標志的橫、縱坐標；x(1，2)、y(1，2)為(x1、y1)和(x2、y2)的連線上的點的橫、縱坐標；x(3，4)、y(3，4)為(x3、y3)和(x4、y4)的連線上的點的橫、縱坐標；其中x(1，2)＝x、x(3，4)＝x。
為便于實現(xiàn)對攝影對象的三維測量，按四個角隅標志畸變?yōu)榱愕幕兎植荚瓌t，依水平像片上與控制場四個角隅標志對角線的對應(yīng)線段，測定對應(yīng)的內(nèi)方位元素。
本發(fā)明數(shù)字畸變模型可建立在準二維控制場的基礎(chǔ)上；也可根據(jù)自身技術(shù)條件和實際應(yīng)用環(huán)境的需要，建立真二維或三維控制場。如數(shù)mm2的標準光柵，可被認為是真二維控制場。為滿足航空影像需要的野外控制場，可建立三維控制場。
本發(fā)明不僅可以方便地對不同成像機理的相機的影像畸變補償，而且可獲得相應(yīng)的內(nèi)方位元素，以實現(xiàn)繼后的三維測量。其突出優(yōu)點包括他的嚴謹性、簡易性、廣泛適應(yīng)性和對硬設(shè)備的檢驗性，共四個方面。
A.嚴謹性數(shù)字畸變模型的建立，使攝影測量過程處于更嚴謹?shù)沫h(huán)境。這樣，或者改善了攝影測量的性能和質(zhì)量，或者提高了攝影測量過程的精度和效率。本發(fā)明的實施，因在物方提供了密集的可自動識別的標志群，所以可用來非?？陀^而嚴謹?shù)卦u價攝影測量的處理結(jié)果。
B.簡易性生成數(shù)字畸變模型和提供對應(yīng)內(nèi)方位元素的全過程，可對成像系統(tǒng)成像過程產(chǎn)生種種畸變的原因和大小采取“不予分析”的技術(shù)路線，直接測定每個像素上各種原因引起變形的總畸變，完全回避了‘函數(shù)模型’策略中繁復(fù)而不盡可靠的多項式外形的選擇問題。
C.廣泛適應(yīng)性本發(fā)明可廣泛適應(yīng)多種成像系統(tǒng)的數(shù)字畸變模型的建立和提供對應(yīng)內(nèi)方位元素的全過程。這些成像系統(tǒng)包括各類固態(tài)攝像機(Solid State Camera)，立體照相機、電影攝影機、電影經(jīng)緯儀、高速攝影機、軍用偵察攝影機、照相槍、水下攝影機、其他雙介質(zhì)和多介質(zhì)攝像機、x射線機、光學(xué)顯微鏡攝像設(shè)備、電子顯微鏡攝像設(shè)備、魚眼物鏡攝影機、眼底攝影機、彈道攝影機等等，也包括其他地面和空中使用的量測攝影機、格網(wǎng)量測攝影機和半量測攝影機。
D.對硬設(shè)備的檢驗性本發(fā)明的理論與方法，可應(yīng)用于國產(chǎn)和進口的各種成像硬設(shè)備的檢驗。例如，對電子顯微鏡攝像設(shè)備影像變形的檢驗，對彈道攝影機、軍用偵察攝影機、高速攝影機、水下攝影機和格網(wǎng)量測攝影機的檢驗等。


圖1為某魚眼相機所建立的數(shù)字畸變模型；圖2是武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院的室內(nèi)準二維控制場；圖3是本發(fā)明畸變內(nèi)插原理圖；圖4是某建筑物原始魚眼影像；圖5是對圖4的影像經(jīng)過數(shù)字畸變模型改正后的影像；圖6是對圖5的影像經(jīng)過常規(guī)處理后的影像；圖7是香港中環(huán)廣場的原始魚眼影像；圖8是對圖7的影像經(jīng)過數(shù)字畸變模型改正后的影像；圖9是使用魚眼數(shù)字相機拍攝并經(jīng)本發(fā)明處理后的武漢市江漢路建筑物群的立面影像圖。
具體實施例方式
本發(fā)明數(shù)字畸變模型DDM(Digital Distortion Model)，是一種有‘起伏’的三維幾何模型。其‘平面坐標’為數(shù)字影像行陣和列陣的編號，其‘高程’是相應(yīng)像素的總體畸變。針對魚眼數(shù)字相機所攝影像建立有數(shù)字畸變模型，如圖1所示。
本質(zhì)上，數(shù)字畸變模型是影像上每個像素的總畸變的集合。
為幾乎所有成像系統(tǒng)建立數(shù)字畸變模型，目的是獲取沒有任何畸變的影像，并同時測定相應(yīng)的內(nèi)方位元素，以實現(xiàn)繼后的三維測量。數(shù)字畸變模型，本質(zhì)上完全有別于國內(nèi)外既往的函數(shù)模型。
(1)控制場的建立數(shù)字畸變模型的生成，依靠某種控制場的建立，包括二維控制場、準二維控制場或三維控制場的建立。本發(fā)明可根據(jù)需要，針對不同的使用環(huán)境，建立面積適宜的容有足夠密集標志的控制場。如適用于顯微鏡的數(shù)mm2的光柵，適用于航空影像的數(shù)十km2的野外控制場。室內(nèi)數(shù)m2控制場的建立，可參照教科書《近景攝影測量》(武漢大學(xué)出版社、2002出版)；室外數(shù)km2控制場的建立，可參照專著《工業(yè)測量》(武漢大學(xué)出版社、2004年10月出版)及《航測外業(yè)規(guī)范》，以測定密集標志的三維空間坐標。
室內(nèi)準二維控制場，是建立多種近景成像系統(tǒng)數(shù)字畸變模型的一種基礎(chǔ)性工作。武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院建立有室內(nèi)準二維控制場(如圖2所示)，該控制場面積為(3.75m×2.50m)，含有1 350個回光反射控制標志，其三維坐標各方向的精度約為±0.20mm。
由我方協(xié)助，建立在香港理工大學(xué)工業(yè)中心的室內(nèi)準二維控制場。該控制場面積為(3.75m×2.50m)，含有1 944個回光反射控制標志，其三維坐標各方向的精度約為±0.15mm。
此種規(guī)模大小的控制場，世界首次建立。它適用于各類普通數(shù)字相機的數(shù)字畸變模型的建立，也適用于有限調(diào)焦距和無窮遠調(diào)焦距攝影機的數(shù)字畸變模型的建立。
(2)魚眼數(shù)字相機數(shù)字畸變模型的建立及應(yīng)用按給定攝影距離和實用調(diào)焦距，對兩種型號的魚眼數(shù)字相機(視場角分別為120°和近180°)，建立了數(shù)字畸變模型(DDM)。其建立過程是①按實用調(diào)焦距，使用兩種型號的魚眼數(shù)字相機，拍攝如上所述的室內(nèi)準二維控制場，并測定攝站點的外方位直線元素；②量測各控制標志在影像上的實際位置；③選擇像幅四個角隅標志，令其畸變?yōu)榱?；④確定通過此四個角隅標志的擬合平面，并對此四個角隅標志引入投影差；對像幅內(nèi)所有控制標志引入投影差，實現(xiàn)準二維控制場至虛擬真二維控制場的變換；⑤依據(jù)上述四個角隅標志，按二維直接線性變換原理(參見上述教科書《近景攝影測量》)，解求8個變換系數(shù)，計算像幅內(nèi)各控制標志在影像上的理論位置；⑥通過各控制標志在影像上的實際位置和理論位置，確定影像上各控制標志的總畸變(f1，f2，f3，f4)；⑦獲取影像上每個像素的總畸變?nèi)鐖D3所示，依影像上與待測像素最臨近的四個標志點(1，2，3，4)的總畸變，按下述任意分布數(shù)據(jù)點關(guān)系式，內(nèi)插獲取該像素的總畸變f(x，y)，直至獲取影像上每個像素的總畸變；從而構(gòu)成魚眼數(shù)字相機所攝影像的數(shù)字畸變模型；x(1，2)＝x；y(1,2)=(y2-y1)(x2-x1)(x(1,2)-x1)+y1]]>x(3，4)＝x；y(3,4)=(y4-y3)(x4-x3)(x(3,4)-x3)+y3]]>f(1,2)=f1+(x(1,2)-x1)2+(y(1,2)-y1)2(x2-x1)2+(y2-y1)2(f2-f1)]]>f(3,4)=f3+(x(3,4)-x3)2+(y(3,4)-y3)2(x4-x3)2+(y4-y3)2(f4-f3)]]>f(x,y)=f(1,2)+(x-x(1,2))2+(y-y(1,2))2(x(3,4)-x(1,2))2+(y(3,4)-y(1,2))2(f(3,4)-f(1,2))]]>⑧依據(jù)數(shù)字畸變模型相關(guān)數(shù)據(jù)，測定修正畸變后影像的內(nèi)方位元素。
⑨按已知的數(shù)字畸變模型和對應(yīng)的內(nèi)方位元素，實施圖像處理和攝影測量處理。
(3)魚眼數(shù)字相機數(shù)字畸變模型應(yīng)用事例事例1以該魚眼數(shù)字相機拍攝高層建筑物，其原始影像、經(jīng)畸變修正后的影像以及經(jīng)常規(guī)處理后的影像，分別示如圖4、圖5和圖6。處理全過程耗時僅數(shù)分鐘。相比較地，使用常規(guī)數(shù)字相機，不可能一次性地獲取相同成果。
事例2香港中環(huán)廣場(Center Plaza)的原始魚眼影像及使用本發(fā)明上述步驟處理后的建筑物正立面影像，分別示如圖7和圖8。相比較地，使用常規(guī)數(shù)字相機，不可能一次性地獲取相同成果。
事例3使用魚眼數(shù)字相機所攝4幅影像，使用本發(fā)明上述步驟處理，構(gòu)建了武漢市江漢路建筑物群的l∶200的大比例尺立面影像圖，如圖9所示。相比較地，使用常規(guī)數(shù)字相機，不可能一次性地獲取相同成果。
本發(fā)明中，可采用三維控制場代替上述準二維控制場，可得到相同結(jié)果。而且，當采用真二維控制場時，可直接實施上述第⑤步直到第⑨步，并得到相同結(jié)果。
權(quán)利要求
1.補償攝影測量影像畸變的數(shù)字畸變模型的生成方法，其特征是包括以下步驟①建立控制場；②用檢定相機拍攝控制場；測定影像外方位元素；③量測各控制標志在影像上的實際位置；④選擇像幅四個角隅標志，令其畸變?yōu)榱悖辉诳刂茍錾?，確定通過此四個角隅標志的擬合平面，并對此四個角隅標志引入投影差；對像幅內(nèi)所有控制標志引入投影差，實現(xiàn)控制場至真二維控制場的變換；⑤依據(jù)上述四個角隅標志，按二維直接線性變換原理，解求8個變換系數(shù)，計算像幅內(nèi)各控制標志在影像上的理論位置；⑥通過各控制標志在影像上的實際位置和理論位置，確定影像上各控制標志的總畸變(f1，f2，f3，f4)；⑦獲取影像上每個像素的總畸變依影像上與待測像素最臨近的四個標志的總畸變，按下述任意分布數(shù)據(jù)點關(guān)系式，內(nèi)插獲取該像素的總畸變f(x，y)，直至獲取影像上每個像素的總畸變；從而構(gòu)成該影像的數(shù)字畸變模型；y(1,2)=(y2-y1)(x2-x1)(x(1,2)-x1)+y1]]>y(3,4)=(y4-y3)(x4-x3)(x(3,4)-x3)+y3]]>f(1,2)=f1+(x(1,2)-x1)2+(y(1,2)-y1)2(x2-x1)2+(y2-y1)2(f2-f1)]]>f(3,4)=f3+(x(3,4)-x3)2+(y(3,4)-y3)2(x4-x3)2+(y4-y3)2(f4-f3)]]>f(x,y)=f(1,2)+(x-x(1,2))2+(y-y(1,2))2(x(3,4)-x(1,2))2+(y(3,4)-y(1,2))2(f(3,4)-f(1,2))]]>式中x、y為待測像素的橫、縱坐標；(x1、y1)、(x2、y2)、(x3、y3)、(x4、y4)分別為待測像素最臨近的四個標志的橫、縱坐標；x(1，2)、y(1，2)為(x1、y1)和(x2、y2)的連線上的點的橫、縱坐標；x(3，4)、y(3，4)為(x3、y3)和(x4、y4)的連線上的點的橫、縱坐標；其中x(1，2)＝x、x(3，4)＝x。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是按四個角隅標志畸變?yōu)榱愕幕兎植荚瓌t，依水平像片上與控制場四個角隅標志對角線的對應(yīng)線段，測定對應(yīng)的內(nèi)方位元素。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的方法，其特征是控制場為準二維控制場、真二維控制場或三維控制場。
全文摘要
補償攝影測量影像畸變的數(shù)字畸變模型的生成方法，包括以下步驟①建立控制場；②拍攝控制場并測定影像外方位元素；③量測各控制標志在影像上的實際位置；④選擇像幅四個角隅標志，令其畸變?yōu)榱?；在控制場上，對此四個角隅標志引入投影差；對像幅內(nèi)所有控制標志引入投影差，實現(xiàn)控制場至真二維控制場的變換；⑤計算像幅內(nèi)各控制標志在影像上的理論位置；⑥通過上述實際位置和理論位置，確定影像上各控制標志的總畸變；⑦依據(jù)影像上與待測像素最臨近的四個標志的總畸變，內(nèi)插獲取影像上每個像素的總畸變；從而構(gòu)成該影像的數(shù)字畸變模型。本發(fā)明不僅可以方便地對不同成像機理的相機的影像畸變補償，而且可獲得相應(yīng)的內(nèi)方位元素，以實現(xiàn)繼后的三維測量。
文檔編號G03B37/06GK1645054SQ20051001815
公開日2005年7月27日 申請日期2005年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月13日
發(fā)明者馮文灝, 陳大為, 商浩亮, 侯文廣, 李欣 申請人:武漢大學(xué)