基于攝影測(cè)量技術(shù)的數(shù)碼相機(jī)投影中心位置精確標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及相機(jī)成像領(lǐng)域，尤其涉及基于攝影測(cè)量技術(shù)的數(shù)碼相機(jī)投影中心位置 精確標(biāo)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在攝影測(cè)量學(xué)研究和應(yīng)用中，幾何光學(xué)的成像關(guān)系奠定了解析攝影測(cè)量光學(xué)理論 基礎(chǔ)，理想光學(xué)系統(tǒng)把所攝像片歸結(jié)為所攝物體的中心投影，實(shí)質(zhì)是"三點(diǎn)共線"理論，即像 點(diǎn)、投影中心和對(duì)應(yīng)物點(diǎn)位于同一條直線上，基于此建立了常規(guī)攝影測(cè)量學(xué)的一整套解析 關(guān)系。
[0003]近景攝影測(cè)量目的是利用控制點(diǎn)反算外部點(diǎn)的空間坐標(biāo)，并不關(guān)心投影中心的具 體位置。常規(guī)空中攝影測(cè)量對(duì)投影中心位置精度要求不高，因此可以采用從影像傳感器中 心量取焦距距離的位置作為投影中心位置。在光學(xué)領(lǐng)域可以用干涉比較測(cè)量法對(duì)投影中心 位置進(jìn)行測(cè)定，該方法需要依賴精密光學(xué)儀器，對(duì)設(shè)備和環(huán)境要求較高。干涉比較測(cè)量法需 要依賴精密光學(xué)儀器，對(duì)設(shè)備和環(huán)境要求較高，實(shí)施過(guò)程復(fù)雜，對(duì)場(chǎng)地要求較高。常規(guī)根據(jù) 圖像傳感器位置和焦距進(jìn)行投影中心位置估算的方法精度較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)上述情況，為克服現(xiàn)有技術(shù)之缺陷，本發(fā)明之目的在于提供一種基于攝影測(cè) 量技術(shù)的數(shù)碼相機(jī)投影中心位置精確標(biāo)定方法，可有效解決解算精度高、可操作性強(qiáng)的問 題。
[0005]本發(fā)明解決的技術(shù)方案包括以下步驟，數(shù)碼相機(jī)投影中心位置精確測(cè)定方法，包 括以下步驟：
[0006] (1)、在測(cè)量平面上布設(shè)回光反射測(cè)量標(biāo)志和控制點(diǎn)標(biāo)志及編碼標(biāo)志，在平面前設(shè) 置定向靶和基準(zhǔn)尺，構(gòu)成標(biāo)定場(chǎng)；
[0007] (2)、距離標(biāo)定場(chǎng)3米處設(shè)置兩臺(tái)高精度電子經(jīng)煒儀和待檢定相機(jī)，兩臺(tái)電子經(jīng)煒 儀平行于標(biāo)定場(chǎng)，相機(jī)鏡頭上粘貼回光反射測(cè)量標(biāo)志；
[0008] (3)、相機(jī)在不同水平位置對(duì)標(biāo)定場(chǎng)進(jìn)行拍照，得到不同水平位置的多張照片，同 時(shí)在每個(gè)水平位置使用兩臺(tái)電子經(jīng)煒儀測(cè)定相機(jī)鏡頭上回光反射標(biāo)志的中心坐標(biāo)；
[0009] (4)、用待檢定相機(jī)在標(biāo)定場(chǎng)前的不同位置，待檢定相機(jī)至少9臺(tái)，均勻分布在標(biāo) 志場(chǎng)前方，以不同姿態(tài)對(duì)標(biāo)定場(chǎng)進(jìn)行拍照，在每個(gè)位置至少拍攝三張照片，與步驟（3)中獲 取的多張照片一起，提取控制點(diǎn)標(biāo)志的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)采用光束法自標(biāo)定的方法對(duì)相機(jī) 參數(shù)進(jìn)行標(biāo)校，得到高精度的標(biāo)校參數(shù)，形成標(biāo)校數(shù)據(jù)；
[0010] (5)、根據(jù)標(biāo)校數(shù)據(jù)，對(duì)獲取的多張照片中的控制點(diǎn)標(biāo)志中心像點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行改 正，然后通過(guò)共線條件方程方法解算得到3個(gè)投影中心位置，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)碼相機(jī)投影中心 位置精確標(biāo)定。
[0011] 本發(fā)明方法易操作使用，可一體化實(shí)現(xiàn)控制點(diǎn)標(biāo)志圖像中心量測(cè)、高精度相機(jī)標(biāo) 校與投影中心精確測(cè)定三項(xiàng)工作，投影中心的位置標(biāo)定精度優(yōu)于5mm，具有很強(qiáng)的使用價(jià) 值。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1為本發(fā)明的玻璃微珠型回光反射標(biāo)志不意圖；
[0013] 圖2為本發(fā)明的基于兩臺(tái)經(jīng)煒儀建立本地坐標(biāo)系示意圖；
[0014] 圖3為本發(fā)明的相機(jī)拍攝位置分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 以下結(jié)合具體情況對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0016] 本發(fā)明所稱的基于攝影測(cè)量技術(shù)的數(shù)碼相機(jī)投影中心位置精確標(biāo)定方法是基于 回光反射標(biāo)志攝影測(cè)量方式進(jìn)行相機(jī)投影中心位置精確標(biāo)定的方法，該方法一體化實(shí)現(xiàn)控 制點(diǎn)標(biāo)志圖像中心量測(cè)、高精度相機(jī)標(biāo)校與投影中心精確標(biāo)定三項(xiàng)工作，相機(jī)投影中心的 位置測(cè)定精度優(yōu)于5mm。
[0017] 具體實(shí)施方法如下：
[0018](1)、在測(cè)量平面上布設(shè)至少200個(gè)回光反射測(cè)量標(biāo)志，同時(shí)布置至少12個(gè)控制點(diǎn) 標(biāo)志和12個(gè)編碼標(biāo)志，在平面前設(shè)置定向靶和基準(zhǔn)尺，構(gòu)成相機(jī)投影中心標(biāo)定場(chǎng)；
[0019] (2)、距離標(biāo)定場(chǎng)3米處，設(shè)置兩臺(tái)高精度電子經(jīng)煒儀和待檢定相機(jī)，兩臺(tái)電子經(jīng) 煒儀平行于標(biāo)定場(chǎng)，相機(jī)鏡頭處粘貼回光反射標(biāo)志；
[0020] (3)、在標(biāo)定場(chǎng)前不同水平位置利用待檢定相機(jī)對(duì)標(biāo)志場(chǎng)進(jìn)行拍照，得到不同水平 狀態(tài)下的多張照片，同時(shí)在每個(gè)水平固定位置使用兩臺(tái)電子經(jīng)煒儀測(cè)定相機(jī)鏡頭上粘貼的 回光反射標(biāo)志中心的坐標(biāo)，用灰度值加權(quán)質(zhì)心算法對(duì)獲取的不同位置的回光反射標(biāo)志中心 的坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，得到標(biāo)志中心像點(diǎn)的坐標(biāo)（x，y);
[0021] (4)、用待檢定相機(jī)在標(biāo)定場(chǎng)前的不同位置，待檢定相機(jī)至少9臺(tái)，均勻分布在標(biāo) 志場(chǎng)前方，以不同姿態(tài)對(duì)標(biāo)定場(chǎng)進(jìn)行拍照，在每個(gè)位置至少拍攝三張照片，與步驟（3)中獲 取的多張照片一起，提取控制點(diǎn)標(biāo)志的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)采用光束法自標(biāo)定的方法對(duì)相機(jī) 參數(shù)進(jìn)行標(biāo)校，得到高精度的標(biāo)校參數(shù)，形成標(biāo)校數(shù)據(jù)；
[0022] (5)、根據(jù)步驟（4)中獲取的標(biāo)校數(shù)據(jù)，對(duì)步驟（3)中獲取的照片中的控制點(diǎn)標(biāo)志 中心像點(diǎn)的坐標(biāo)（x，y)進(jìn)行改正，改正數(shù)（Δχ<，Δ太）的計(jì)算公式為：
[0023]
[0024] 改正后的控制點(diǎn)標(biāo)志中心像點(diǎn)的坐標(biāo)，太）為
[0025]
[0026] 根據(jù)共線條件方程方法解算得到3個(gè)投影中心位置坐標(biāo)（Xs，Ys，Zs)，共線條件方 程為：
[0027]
[0028] 其中，f、X。、y。為相機(jī)內(nèi)方位元素；
[0029] I、K2、K3為相機(jī)的徑向畸變；
[0030] Ρ^Ρ2為相機(jī)的偏心畸變；
[0031] bp132為相機(jī)的像平面畸變；
[0032] ai、a2、a3、bpb2、b3、Cl、c2、(：3為共線條件方程中旋轉(zhuǎn)矩陣的元素；
[0033] X、Y、Z為地面點(diǎn)在以攝站為原點(diǎn)的地輔系中的坐標(biāo)；
[0034] 解算得到3個(gè)投影中心位置后，將步驟（3)中兩臺(tái)電子經(jīng)煒儀獲取的相機(jī)鏡頭上 的回光反射標(biāo)志中心的坐標(biāo)歸心到鏡頭中心后，與解算得到的投影中心位置進(jìn)行比較，計(jì) 算得到實(shí)際相機(jī)投影中心與鏡頭中心位置的差值，得到投影中心與鏡頭中心的位置關(guān)系， 實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)碼相機(jī)中心位置的精確標(biāo)定。
[0035] 所述的測(cè)量標(biāo)志、編碼標(biāo)志和控制點(diǎn)標(biāo)志均由回光反射材料制成的圓形，所述的 反光材料一面由45-55μm的微晶立方角體構(gòu)成，能將入射光按原路返回光源處，便于實(shí)現(xiàn) 良好的標(biāo)志成像，利于高精度的標(biāo)志中心位置提取。
[0036] 所述的光束法自標(biāo)定的方法是將內(nèi)參數(shù)和外參數(shù)放在一起進(jìn)行整體平差計(jì)算，因 擁有大量的多余觀測(cè)量，解算得到數(shù)碼相機(jī)的高精度標(biāo)校參數(shù)，內(nèi)參數(shù)為像主點(diǎn)坐標(biāo)和主 距，外參數(shù)是指攝站的位置及姿態(tài)。
[0037] 圖2所示，所述的步驟（2)中設(shè)置兩臺(tái)高精度電子經(jīng)煒儀實(shí)現(xiàn)高精度的控制點(diǎn)測(cè) 量，以第一臺(tái)經(jīng)煒儀A為坐標(biāo)原點(diǎn)，即經(jīng)煒儀軸系交點(diǎn)，以第一臺(tái)經(jīng)煒儀A和第二臺(tái)經(jīng)煒儀 B連線在水平方向的投影為X軸，通過(guò)第一臺(tái)經(jīng)煒儀A的鉛垂方向?yàn)閆軸，以右手法則確定 Y軸，構(gòu)成測(cè)量坐標(biāo)系，第一臺(tái)經(jīng)煒儀A和第二臺(tái)經(jīng)煒儀B同時(shí)對(duì)尺長(zhǎng)已知的基準(zhǔn)尺兩端點(diǎn) 觀測(cè)，反算出基線長(zhǎng)度b，分別測(cè)量?jī)蓛x器到控制點(diǎn)標(biāo)志中心的水平角和垂直角前方交會(huì)定 位，從而得到高精度的控制點(diǎn)坐標(biāo)。
[0038] 所述的高精度電子經(jīng)煒儀為0. 5秒級(jí)的T3000電子經(jīng)煒儀，兩臺(tái)T3000電子經(jīng) 煒儀和長(zhǎng)度基準(zhǔn)尺構(gòu)成電子經(jīng)煒儀測(cè)量系統(tǒng)，兩臺(tái)電子經(jīng)煒儀沿平行于標(biāo)志場(chǎng)排列，兩臺(tái) 電子經(jīng)煒儀軸系交點(diǎn)連接作為測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)的X軸，進(jìn)行基于測(cè)角前方交會(huì)定位，利用 Metroln經(jīng)煒儀測(cè)量系統(tǒng)對(duì)各控制點(diǎn)標(biāo)志中心進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)控制點(diǎn)的高精度測(cè)量。
[0039] 由上述可以看出本發(fā)明在具體實(shí)施中：
[0040] 一、首先進(jìn)行標(biāo)定場(chǎng)的搭建。
[0041] 先使用回光反射材料制成測(cè)量標(biāo)志和編碼標(biāo)志，同時(shí)使用回光反射材料制成控制 點(diǎn)標(biāo)志，在選定的測(cè)定場(chǎng)中布置不少于12個(gè)的編碼標(biāo)志和不少于10個(gè)控制點(diǎn)標(biāo)志，同時(shí)在 標(biāo)志面前設(shè)置定向靶和基準(zhǔn)尺，共同形成標(biāo)定場(chǎng)。
[0042] 在本發(fā)明的標(biāo)志場(chǎng)中，選用的回光反射材料一面由直徑約50um的微晶立方角體 組成，可以將入射光按原路反射回光源處，但本發(fā)明的技術(shù)方案在實(shí)施時(shí)并不限于選用直 徑約50um的微晶立方角體組成會(huì)回光反射材料，還可選用其它具有同等功效的回光反射 材料。同時(shí)定向靶和基準(zhǔn)尺采用碳纖維材料加工制作并精確測(cè)量。
[0043] 在測(cè)量場(chǎng)中的標(biāo)志場(chǎng)前面3米位置設(shè)置兩臺(tái)電子經(jīng)煒儀，電子經(jīng)煒儀平行于標(biāo)志 場(chǎng)平面排列，相機(jī)的機(jī)身固定位置粘貼回光反射標(biāo)志，利用兩臺(tái)經(jīng)煒儀觀測(cè)得到標(biāo)定場(chǎng)上 的控制點(diǎn)坐標(biāo)。
[0044] 二、其次運(yùn)用標(biāo)志場(chǎng)對(duì)相機(jī)標(biāo)校參數(shù)進(jìn)行解算。
[0045] 將相機(jī)布設(shè)在多個(gè)固定位置（也就是攝站）對(duì)標(biāo)定場(chǎng)進(jìn)行拍照，同時(shí)當(dāng)相機(jī)位于 不同的固定位置時(shí)，均通過(guò)兩臺(tái)電子經(jīng)煒儀測(cè)定相機(jī)鏡頭上回光反射標(biāo)志中心的坐標(biāo)。利 用灰度值加權(quán)質(zhì)心法對(duì)回光反射標(biāo)志中心像點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行量測(cè)，得到回光反射標(biāo)志中心像 點(diǎn)的坐標(biāo)。
[0046] 對(duì)回光反射標(biāo)志中心像點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行量測(cè)的軟件可采用美國(guó)GSI公司V-STARS系 統(tǒng)或信息工程大學(xué)研制的Metroln-DPM數(shù)字工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)等。
[0047] 對(duì)相機(jī)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)校時(shí)，首先使用相機(jī)在標(biāo)志場(chǎng)前的不同位置使用不同姿態(tài)對(duì)標(biāo) 志場(chǎng)進(jìn)行拍照，在每個(gè)位置拍攝最少三張照片（圖3所示），然后與相機(jī)在攝站拍攝的多張 照片一起，提取控制點(diǎn)標(biāo)志的數(shù)據(jù)，使用這些數(shù)據(jù)對(duì)相機(jī)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)校，得到標(biāo)校數(shù)據(jù)。在 標(biāo)校時(shí)，為了提高精度，本發(fā)明采用的是將內(nèi)參和外參放在一起進(jìn)行整體平差計(jì)算的光束 法自標(biāo)定的方法，此時(shí)因?yàn)閾碛写罅康亩嘤嘤^測(cè)量，可以解算得到相機(jī)的高精度標(biāo)校參數(shù)。
[0048] 然后根據(jù)獲取的高精度標(biāo)校數(shù)據(jù)，對(duì)相機(jī)在攝站位置獲取的照片中的控制點(diǎn)標(biāo)志 中心像點(diǎn)的坐標(biāo)（x，y)進(jìn)行改正，改正后的控制點(diǎn)標(biāo)志中心像點(diǎn)的坐標(biāo)為（？，/)，然 后通過(guò)共線條件方程方法解算得到3個(gè)投影中心位置（Xs，Ys，Zs)。
[0049] 三、解算得到3個(gè)投影中心位置（Xs，Ys，Zs)以后，將兩臺(tái)電子經(jīng)煒儀獲取的相機(jī)鏡 頭上的回光反射標(biāo)志中心的坐標(biāo)歸心到鏡頭中心后與解算得到的投影中心位置（Xs，Ys