專利名稱：一種全景數(shù)碼成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及攝影測量與遙感和空間信息獲取領(lǐng)域，特別是一種基于擺動式高速數(shù) 碼成像技術(shù)的全景數(shù)碼成像系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
目前市場上大多數(shù)全景影像系統(tǒng)都是基于多相機組合的系統(tǒng)，即將多個相機集成 在一起，用一個或多個工業(yè)控制計算機進(jìn)行控制，同時進(jìn)行曝光，獲取同一位置各個方向上 的局部影像，再通過拼接獲取全景影像。每個相機的位置是相對固定的，相機之間存在固定 的幾何關(guān)系，但是一般影像之間的重疊度不大，并且系統(tǒng)檢校工作十分復(fù)雜，同時，由于使 用了多個傳感器并涉及如系統(tǒng)同步等問題，會導(dǎo)致系統(tǒng)成本較高。采用單相機系統(tǒng)以手動或某種旋轉(zhuǎn)機制對景象進(jìn)行成像，經(jīng)過影像后處理后，也 可獲取全景影像。例如，在2007年8月1日公開的公開號為101008779的發(fā)明專利，公開 了一種全景影像的產(chǎn)生裝置及方法，“產(chǎn)生裝置包括有一相機，可旋轉(zhuǎn)至復(fù)數(shù)個方位，拍攝 對應(yīng)的局部影像，并據(jù)以產(chǎn)生全景影像；以及一旋轉(zhuǎn)裝置，可依據(jù)一控制訊號，旋轉(zhuǎn)該相機。 產(chǎn)生方法包括產(chǎn)生兩相鄰局部影像；從局部影像的相鄰兩邊各取一影像區(qū)塊；對該兩影 像區(qū)塊執(zhí)行邊緣偵測；依據(jù)經(jīng)過邊緣偵測的兩影像區(qū)塊，決定其重迭區(qū)域；以及依據(jù)該重 迭區(qū)域，接合局部影像而產(chǎn)生全景影像。一種全景影像的產(chǎn)生裝置，其特征在于，包含一相 機，用以旋轉(zhuǎn)至復(fù)數(shù)個方位，拍攝對應(yīng)的復(fù)數(shù)個局部影像，并依據(jù)該些局部影像產(chǎn)生一全景 影像；以及一旋轉(zhuǎn)裝置，內(nèi)含馬達(dá)，連接至該相機，用以依據(jù)一控制訊號，旋轉(zhuǎn)該相機?！钡@ 種方式是一種基于靜止平臺的且對靜態(tài)物體進(jìn)行全景影像成像的方式，數(shù)據(jù)采集速度慢， 工作效率較低，不能用于如航空攝影、移動測量等目的。

發(fā)明內(nèi)容
為適應(yīng)航空攝影測量和車載移動測量的需要，提高全景數(shù)碼成像的效率，同時降 低系統(tǒng)成本，本發(fā)明采用了一種全新的基于運動平臺和擺動式高速數(shù)碼成像技術(shù)的全景數(shù) 碼成像系統(tǒng)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是本發(fā)明的全景數(shù)碼成像系統(tǒng)，可安 裝在任意運動平臺上，如飛機或汽車上，在運動平臺運動的同時，制動系統(tǒng)(3)帶動高速數(shù) 碼成像系統(tǒng)(1)沿一定角度的圓弧線軌跡往返勻速擺動，短時間內(nèi)快速連續(xù)曝光獲取多幅 相互重疊的局部數(shù)碼影像，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件(5)進(jìn)行影像拼接和處理，高效快速地獲 取視場角可達(dá)180度以上的全景影像，全景影像采集速率可達(dá)1赫茲。本發(fā)明的全景數(shù)碼成像系統(tǒng)是由高速數(shù)碼成像系統(tǒng)(1)、工控系統(tǒng)(2)、制動系統(tǒng) (3)、供電裝置(4)、數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件(5)以及其他可選設(shè)備組成。工控系統(tǒng)(2)是本發(fā)明 的全景數(shù)碼成像系統(tǒng)的核心組件，由工控計算機(6)和系統(tǒng)控制軟件組成，主要功能是進(jìn) 行系統(tǒng)控制，包括高速數(shù)碼成像系統(tǒng)(1)的曝光控制、制動系統(tǒng)(3)控制和各種數(shù)據(jù)的傳輸 和存儲等。高速數(shù)碼成像系統(tǒng)(1)集成了一臺高速數(shù)碼相機，影像獲取速率為每秒數(shù)幀到數(shù)十幀，根據(jù)實際需要，選配不同焦距的鏡頭，內(nèi)置了定時啟動、自動連續(xù)曝光、曝光頻率設(shè) 定等功能，無需其他控制設(shè)備也可獨立運行。制動系統(tǒng)(3)由精密直線電機(7)、PLC控制 器(8)、轉(zhuǎn)軸平臺(9)、轉(zhuǎn)動軸(10)、擺臂(11)、滑塊(12)和滑輪(13)組成，主要是用于帶 動高速數(shù)碼成像系統(tǒng)(1)在一定角度(一般小于180度)的圓弧線上往返勻速擺動。供電 裝置(4)為整個系統(tǒng)提供電力保障。數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件(5)用于影像數(shù)據(jù)獲取后的影像數(shù)據(jù) 預(yù)處理，對影像進(jìn)行特征點提取、相對定向、自由網(wǎng)平差計算、成像變換、影像畸變改正、影 像拼接等。其他可選設(shè)備包括筆記本電腦(14)、TFT顯示及控制裝置(15)、存儲裝置(16) 等，用于遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)存儲。工控系統(tǒng)(2)可以設(shè)置高速數(shù)碼成像系統(tǒng)(1)的曝光頻率，由工控計算機(6)發(fā)出整個數(shù)據(jù)采集過程的起始和終止曝光信號，觸發(fā)高速數(shù)碼成像系統(tǒng)(1)實現(xiàn)連續(xù)周期性 曝光，每次曝光返回一個事件脈沖信號，并連同此曝光時間記錄下來。高速數(shù)碼成像系統(tǒng) (1)的一個單向擺動作為一個運動周期，這個運動周期的時間約為1秒甚至更短，在這1秒 甚至更短的時間內(nèi)系統(tǒng)將連續(xù)曝光獲取多幅相互重疊的局部數(shù)碼影像。這組局部數(shù)碼影像 的重疊度大，冗余信息豐富，無需外方位元素，只需要對影像進(jìn)行相對定向，就能將其進(jìn)行 自動無縫拼接，獲取視場角可大于180度的全景影像。由于系統(tǒng)集成在運動平臺上，在運動 過程中，將沿著運動平臺的運動路線獲取多幅同類分辨率的連續(xù)周期的數(shù)碼影像，經(jīng)過數(shù) 據(jù)處理后生成運動沿線的連續(xù)的以周期為單位的全景數(shù)碼影像。筆記本電腦(14)和TFT顯示及控制裝置(15)作為可選設(shè)備主要用于系統(tǒng)的遠(yuǎn)程 控制，即操作人員可通過藍(lán)牙或無線以太網(wǎng)與工控系統(tǒng)(2)進(jìn)行交互，實時監(jiān)控系統(tǒng)運行 情況并預(yù)覽獲取的影像數(shù)據(jù)。由于獲取的影像數(shù)據(jù)量較大，工控計算機(6)的內(nèi)置硬盤有 限，考慮到系統(tǒng)長時間工作的需要，當(dāng)工控計算機(6)的內(nèi)置硬盤容量不足時，可通過網(wǎng)線 或者USB接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇商鎿Q的外接存儲裝置(6)上。影像數(shù)據(jù)的外業(yè)采集完成后，將影像數(shù)據(jù)和曝光時間文件下載到室內(nèi)計算機使用 數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件(5)進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理，包括特征點提取、相對定向、自由網(wǎng)平差計算、成像變 換、影像畸變改正、影像拼接等，最后生成無影像畸變的理想化的全景數(shù)碼影像。本發(fā)明的全景數(shù)碼成像系統(tǒng)基于模塊化的設(shè)計理念，使其不僅能單獨運行進(jìn)行 快速的影像數(shù)據(jù)采集，獲取視場角可達(dá)180度以上的全景數(shù)碼影像，還能與全球定位系統(tǒng) (GPS)、慣性測量裝置(IMU)和激光雷達(dá)系統(tǒng)(LiDAR)聯(lián)合使用，集成在同一移動測量平臺 (機載或車載)上，同時獲取激光點云和數(shù)碼影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到高精度的三維點 云、大地定向后的數(shù)碼影像、著色點云、數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字地表模型(DSM)等多種類 型的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，用于數(shù)字城市、測繪、工程測量、公安應(yīng)急等多個領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明的全景數(shù)碼成像系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明的全景數(shù)碼成像系統(tǒng)的側(cè)視圖。圖3是本發(fā)明的全景數(shù)碼成像系統(tǒng)的俯視圖。圖4是本發(fā)明的全景數(shù)碼成像系統(tǒng)在一個周期內(nèi)獲取的局部數(shù)碼影像的像主點 位置示意圖。圖5是對本發(fā)明的全景數(shù)碼成像系統(tǒng)獲取的局部數(shù)碼影像進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理的方法流程圖。
具體實施方式

圖1是本發(fā)明的全景數(shù)碼成像系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。本發(fā)明的全景數(shù)碼成像系統(tǒng) 由高速數(shù)碼成像系統(tǒng)(1)、工控系統(tǒng)(2)、制動系統(tǒng)(3)、供電裝置(4)、數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件(5) 以及其他可選設(shè)備組成。系統(tǒng)安裝在運動平臺上，由制動系統(tǒng)(3)帶動高速數(shù)碼成像系統(tǒng) (1)在一定角度的圓形線上往返勻速運動，在短時間內(nèi)連續(xù)曝光獲取多張相互重疊的數(shù)碼 影像，系統(tǒng)配套的數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件(6)能對同一周期的局部數(shù)碼影像進(jìn)行相對定向和無縫 拼接，生成視場角可達(dá)180度以上的全景影像。圖2是本發(fā)明的全景數(shù)碼成像系統(tǒng)的側(cè)視圖。轉(zhuǎn)軸平臺(9)固定在運動平臺上，工 控計算機(6)、精密直線電機(7)和PLC控制器⑶都固定在轉(zhuǎn)軸平臺(9)，精密直線電機
(7)通過滑塊(12)帶動擺臂(11)和滑輪(13)運動，高速數(shù)碼成像系統(tǒng)(1)位于擺臂(11) 的末端，跟隨擺臂(11)以轉(zhuǎn)動軸(10)為中心做弧線往返運動。圖3是本發(fā)明的全景數(shù)碼成像系統(tǒng)的俯視圖。精密直線電機(7)由PLC控制器
(8)控制，推動滑塊(10)沿著直線L2往返勻速運動，滑塊(12)帶動擺臂(11)和滑輪(13) 在轉(zhuǎn)軸平臺(9)上運動，位于擺臂(11)末端的高速數(shù)碼成像系統(tǒng)(1)以轉(zhuǎn)動軸(10)為中 心沿著弧形軌跡線Ll往返運動。圖4是本發(fā)明的全景數(shù)碼成像系統(tǒng)在一個周期內(nèi)獲取的局部數(shù)碼影像的像主點 位置示意圖。由于本發(fā)明的全景數(shù)碼成像系統(tǒng)是基于運動平臺，高速數(shù)碼成像系統(tǒng)(1)在 曝光時實際處于兩種運動過程中，一種是飛機或汽車等運動平臺的運動，另一種是由制動 系統(tǒng)(3)帶動的在圓弧形軌跡上的周期性往返勻速運動，因此同一周期內(nèi)的局部數(shù)碼影像 并不是同軸同心的，像主點位置是不斷變化的，但由于曝光間隔很短，這些局部數(shù)碼影像的 像主點位置十分接近，相鄰局部數(shù)碼影像間的重疊度很大，冗余信息豐富。像片成像周期可 依據(jù)運動平臺的速度加以調(diào)節(jié)。圖5是對本發(fā)明的全景數(shù)碼成像系統(tǒng)獲取的局部數(shù)碼影像進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理的流 程圖，針對局部數(shù)碼影像像主點位置不同、相鄰局部數(shù)碼影像間的重疊度大等特點，影像數(shù) 據(jù)預(yù)處理步驟如下步驟Sl 自動提取特征點，相鄰影像間的同一物體的成像點(同名點)的提取是 進(jìn)行影像自動拼接的重要基礎(chǔ)，基于本發(fā)明的全景數(shù)碼成像系統(tǒng)獲取的局部數(shù)碼影像相鄰 影像間的重疊度大和冗余信息豐富的特點，這些特征點可完全自動提??；步驟S2 相鄰像片的相對定向計算，基于步驟Sl提取的特征點可對相鄰局部數(shù)碼 像片進(jìn)行相對定向計算，獲取相鄰局部數(shù)碼相片間的相對定向參數(shù)；步驟S3 單周期數(shù)碼影像的自由網(wǎng)平差計算，基于步驟Sl提取的多度重疊特征點 和步驟S2的相對定向參數(shù)計算結(jié)果，構(gòu)成單條帶局部影像的自由區(qū)域網(wǎng)，進(jìn)行聯(lián)合平差， 解算出規(guī)劃比例尺后的各個局部影像的定向參數(shù)；步驟S4 全景影像拼接，基于步驟S3獲得的影像定向參數(shù)，進(jìn)行統(tǒng)一幾何關(guān)系的 全景影像成像變換，并同時進(jìn)行影像畸變和像主點改正，完成幾何拼接；步驟S5 全景影像色彩均衡，由于各局部像片的色彩可能存在差異，通過這個步 驟，可使得拼接后的全景影像的視覺效果達(dá)到最佳，此步驟為可選步驟；
數(shù)據(jù)預(yù)處理的輸出產(chǎn)品是無影像畸變的理 想化的全景數(shù)碼影像及其幾何參數(shù)。
權(quán)利要求
一種全景數(shù)碼成像系統(tǒng)，由高速數(shù)碼成像系統(tǒng)(1)、工控系統(tǒng)(2)、制動系統(tǒng)(3)、供電裝置(4)、數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件(5)以及其他可選設(shè)備組成，其特征在于系統(tǒng)安裝在運動平臺上，由制動系統(tǒng)(3)帶動高速數(shù)碼成像系統(tǒng)(1)在一定角度的圓弧線上往返運動，在短時間內(nèi)快速連續(xù)曝光獲取多張相互重疊的數(shù)碼影像。
2.按照權(quán)利要求1所述的全景數(shù)碼成像系統(tǒng)，其特征在于本系統(tǒng)獲取的數(shù)碼影像重 疊度大，冗余信息豐富，無需外方位元素，只需要對影像進(jìn)行相對定向，就能將影像進(jìn)行自 動無縫拼接，獲取視場角可大于180度的全景影像。
3.按照權(quán)利要求1和2所述的全景數(shù)碼成像系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)集成了一臺高速 數(shù)碼相機，影像獲取速率可為每秒數(shù)幀到數(shù)十幀，根據(jù)實際需要，選配不同焦距的鏡頭，高 速數(shù)碼成像系統(tǒng)(1)本身是一個獨立可使用的系統(tǒng)，內(nèi)置了定時啟動、自動連續(xù)曝光、曝光 頻率設(shè)定等功能，在無人工干預(yù)的情況下也能自動運行。
4.按照權(quán)利要求1所述的全景數(shù)碼成像系統(tǒng)，其特征在于制動系統(tǒng)(3)由精密直線 電機(7)、PLC控制器(8)、轉(zhuǎn)軸平臺(9)、轉(zhuǎn)動軸(10)、擺臂(11)、滑塊(12)和滑輪(13)組 成，PLC控制器(8)用于控制精密直線電機(7)，精密直線電機(7)通過滑塊(12)帶動擺臂 (11)和滑輪(13)運動，高速數(shù)碼成像系統(tǒng)⑴位于擺臂(11)的末端，跟隨擺臂(11)以轉(zhuǎn) 動軸(10)為中心做弧線往返運動。
5.按照權(quán)利要求1所述的全景數(shù)碼成像系統(tǒng)，其特征在于工控系統(tǒng)(2)由工控計算 機(6)和系統(tǒng)控制軟件組成，主要功能是進(jìn)行系統(tǒng)控制，包括高速數(shù)碼成像系統(tǒng)(1)的曝光 控制、制動系統(tǒng)(3)的控制和各種數(shù)據(jù)的傳輸和存儲，工控計算機(6)發(fā)出整個數(shù)據(jù)采集過 程的起始和終止曝光信號，觸發(fā)高速數(shù)碼成像系統(tǒng)(1)實現(xiàn)連續(xù)周期性曝光，每次曝光返 回一個事件脈沖信號，并連同此曝光時間記錄下來，影像數(shù)據(jù)存儲到工控計算機(6)的內(nèi) 置硬盤中，也可通過網(wǎng)線或者USB接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇商鎿Q的外接存儲裝置(16)上。
6.按照權(quán)利要求1所述的全景數(shù)碼成像系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)基于模塊化的設(shè)計， 使其不僅能單獨運行進(jìn)行快速的影像數(shù)據(jù)采集，獲取視場角可達(dá)180度以上的全景數(shù)碼影 像，還能與全球定位系統(tǒng)(GPS)、慣性測量裝置(IMU)和激光雷達(dá)系統(tǒng)(LiDAR)聯(lián)合使用，集 成在同一移動測量平臺(機載或車載)上，同時獲取三維激光點云和與之相匹配的全景數(shù) 碼影像數(shù)據(jù)。
7.按照權(quán)利要求1所述的全景數(shù)碼成像系統(tǒng)，其特征在于配套的數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件(5) 用于影像數(shù)據(jù)獲取后的數(shù)據(jù)預(yù)處理，對影像進(jìn)行特征點提取、相對定向、自由網(wǎng)平差計算、 成像變換、影像畸變改正、影像拼接等，得到無影像畸變的理想化的全景數(shù)碼影像和其幾何 參數(shù)。
8.一種基于權(quán)利要求1和7所述的全景數(shù)碼成像系統(tǒng)獲取的單周期局部數(shù)碼影像進(jìn)行 數(shù)據(jù)預(yù)處理的方法，步驟如下步驟S1 自動提取特征點，相鄰影像間的同一物體的成像點(同名點)的提取是進(jìn)行 影像自動拼接的重要基礎(chǔ)，基于本發(fā)明的全景數(shù)碼成像系統(tǒng)獲取的局部數(shù)碼影像相鄰影像 間的重疊度大和冗余信息豐富的特點，這些特征點可完全自動提取；步驟S2 相鄰像片的相對定向計算，基于步驟S1提取的特征點可對相鄰局部數(shù)碼像片 進(jìn)行相對定向計算，獲取相鄰局部數(shù)碼相片間的相對定向參數(shù)；步驟S3 單周期數(shù)碼影像的自由網(wǎng)平差計算，基于步驟S1提取的多度重疊特征點和步驟S2的相對定向參數(shù)計算結(jié)果，構(gòu)成單條帶局部影像的自由區(qū)域網(wǎng)，進(jìn)行聯(lián)合平差，解算 出規(guī)劃比例尺后的各個局部影像的定向參數(shù)；步驟S4:全景影像拼接，基于步驟S3獲得的影像定向參數(shù)，進(jìn)行統(tǒng)一幾何關(guān)系的全景 影像成像變換，并同時進(jìn)行影像畸變和像主點改正，完成幾何拼接； 步驟S5 全景影像色彩均衡，由于各局部像片的色彩可能存在差異，通過這個步驟，可 使得拼接后的全景影像的視覺效果達(dá)到最佳，此步驟為可選步驟；數(shù)據(jù)預(yù)處理的輸出產(chǎn)品是無影像畸變的理想化的全景數(shù)碼影像及其幾何參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及攝影測量與遙感和空間信息獲取領(lǐng)域，特別是一種基于運動平臺和擺動式高速數(shù)碼成像技術(shù)的全景數(shù)碼成像系統(tǒng)。系統(tǒng)由高速數(shù)碼成像系統(tǒng)(1)、工控系統(tǒng)(2)、制動系統(tǒng)(3)、供電裝置(4)、數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件(5)以及其他可選設(shè)備組成，可安裝在任意運動平臺上，由制動系統(tǒng)(3)帶動高速數(shù)碼成像系統(tǒng)(1)在弧線軌跡上往返勻速擺動，短時間內(nèi)連續(xù)曝光獲取多張相互重疊的局部數(shù)碼影像，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件(5)進(jìn)行特征點提取、相對定向、自由網(wǎng)平差計算、成像變換、影像畸變改正、影像拼接等，生成視場角可達(dá)180度以上的全景數(shù)碼影像，影像采集速率可達(dá)1赫茲。本發(fā)明為全景影像數(shù)據(jù)采集提供了一套高效率、低成本的解決方案。
文檔編號G01C11/02GK101858744SQ201010190289
公開日2010年10月13日 申請日期2010年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月3日
發(fā)明者唐糧 申請人:唐糧