基于工業(yè)測量系統(tǒng)的相機檢校場可靠性分析

吳昊，賈勇帥，劉欣

(山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590)

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基于工業(yè)測量系統(tǒng)的相機檢校場可靠性分析

吳昊*，賈勇帥，劉欣

(山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590)

通過利用工業(yè)測量系統(tǒng)Axyz/MTM對位于山東科技大學(xué)3D實驗室內(nèi)的數(shù)碼相機檢校場進行精密觀測，根據(jù)該檢校場的特點，設(shè)計觀測方案來提高觀測的精度。然后將觀測數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)處理結(jié)果分析其可靠性，最終判斷出該相機檢校場的質(zhì)量能夠滿足數(shù)碼相機檢校精度的要求。

工業(yè)測量系統(tǒng)；檢校場；可靠性

1 引 言

近些年來，近景攝影測量作為一種測量方法因為其測量速度快、精度高、無需直接接觸被測目標(biāo)、數(shù)據(jù)易存儲等優(yōu)點而得到了快速發(fā)展。近景攝影測量所用到的數(shù)碼相機都是普通的數(shù)碼相機，不是專門為攝影測量而定制的數(shù)碼相機，因此它們的內(nèi)方位元素是未知的并且存在較大的光學(xué)畸變差[1]。為了確保攝影測量所用的數(shù)碼相機能夠滿足測量精度要求，在每次進行攝影測量觀測之前都需要對數(shù)碼相機的內(nèi)方位元素和光學(xué)畸變差進行精確檢校，其檢校精度的高低直接關(guān)系著測量精度的高低[2]。相機檢校的主要方法是利用各式各樣的數(shù)碼相機檢校場來對數(shù)碼相機的內(nèi)方位元素進行檢校，因此有關(guān)相機檢校場建立的各種理論和方法也得到了快速發(fā)展。而判斷一個數(shù)碼相機檢校場能否對相機的各種參數(shù)進行精確檢校，還需要對檢校場中的標(biāo)志點進行精確觀測，分析其建立的可靠性與合理性，我們采用Axyz/MTM工業(yè)測量系統(tǒng)對建立完畢的室內(nèi)數(shù)碼檢校場中的標(biāo)志點進行精密測量。

2 數(shù)碼相機檢校場的構(gòu)建

2.1 數(shù)碼相機檢校場

普通數(shù)碼相機檢校場一般應(yīng)該滿足以下幾個條件：

(1)檢校場需要有一定的深度。

(2)標(biāo)志點的位置關(guān)系要長期穩(wěn)定。

(3)標(biāo)志點要便于利用經(jīng)緯儀或全站儀進行精密觀測[3]。

本次實驗觀測的檢校場位于山東科技大學(xué)青島校區(qū)3D實驗室內(nèi)，由400多個標(biāo)志點構(gòu)成，分布近似呈4個平面，標(biāo)志點按照10×10×4排列，整個檢校場所占空間約為 170 m3。

2.2 像控點標(biāo)志

標(biāo)志點不僅要保證長期穩(wěn)定且形狀應(yīng)有利于進行圖像處理時精確提取像點坐標(biāo)，同時還要便于進行精密觀測。為了滿足要求，該標(biāo)志點中心采用精密十字絲刻畫，固定在金屬桿上，如圖1、圖2所示。

圖1 數(shù)碼相機檢校場

圖2 像控點標(biāo)志

3 觀測方案

3.1 測量理論

工業(yè)測量系統(tǒng)Axyz/MTM是利用兩臺電子經(jīng)緯儀對目標(biāo)點進行觀測獲取標(biāo)志點三維坐標(biāo)，其原理是利用空間前方交會，如圖3所示：

圖3 空間前方交會

圖中A和B分別代表了兩臺電子經(jīng)緯儀，P為其中某一個標(biāo)志點。b為A和B連線的水平投影長度，hAB為A和B的高差，αA，αB為AP，BP在水平面上的投影與X軸的夾角，HAP為經(jīng)緯儀A觀測P點的水平方向值，VAB為相應(yīng)的天頂距。利用空間前方交會計算P點坐標(biāo)的公式為：

(1)

而系統(tǒng)自帶軟件Axyz在進行數(shù)據(jù)處理時是通過光束法平差模型解算出目標(biāo)點的三維坐標(biāo)。光束法平差解法相對于空間前方交會的區(qū)別在于它以共線方程作為數(shù)學(xué)模型，將外方位元素和像點坐標(biāo)放在一起進行計算。它的解算結(jié)果實際上是提供了一個近似解，通過多次迭代來獲取最佳值[4]。相比較而言，光束法平差的解算精度較高，其公式推到在此不再贅述。

3.2 測量方案設(shè)計

(1)通過空間前方交會觀測目標(biāo)點時，觀測精度與交會點相對儀器的位置以及夾角有著密切的關(guān)系。當(dāng)夾角為90°時，精度最高，由此考慮到當(dāng)兩臺測量儀器相對于整個檢校場中心點的夾角為90°時，所有標(biāo)志點的整體觀測精度最高[5]。

(2)在觀測之前需要通過兩臺儀器的互瞄以及同時瞄準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)尺來進行相對定向和絕對定向，標(biāo)準(zhǔn)尺在擺放時盡量要與基線b平行且在基線兩側(cè)各測一次，取中值來提高定向精度。

(3)觀測標(biāo)志點時要保證光源充足，必要時利用手電筒等照明裝置照準(zhǔn)標(biāo)志點保證標(biāo)志點有足夠的亮度。其次兩名觀測者在觀測時要仔細(xì)調(diào)焦消除誤差，觀測標(biāo)志點的位置要達(dá)成一致，保證兩臺儀器觀測同一標(biāo)志點時照準(zhǔn)的位置相同

(4)要保證觀測環(huán)境無明顯大風(fēng)，地面堅實不松軟，儀器架設(shè)牢固，整個系統(tǒng)穩(wěn)定。

3.3 不同測站數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

在實際的觀測中，由于標(biāo)志點數(shù)量較多，分布比較密集，造成了若只在一個測站觀測，無法將全部標(biāo)志點觀測完畢。因此就只能采取換站的方法將所有的標(biāo)志點全部觀測記錄下來。然而這其中就又涉及了一個問題：每換一次站就是一個新的測量坐標(biāo)系，因此，不同測站觀測的數(shù)據(jù)是位于不同的測量坐標(biāo)系內(nèi)的。因此在進行數(shù)據(jù)處理之前，要先將兩次觀測的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個坐標(biāo)系中。為了解決這個問題，我們通常采取七參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法來進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，在七參數(shù)模型中，有7個未知參數(shù)，即3個坐標(biāo)平移量(△X，△Y，△Z)，3個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)角度(ωxωyωz)，還有1個尺度因子m，通過至少觀測3個公共點，計算出這7個參數(shù)，其他標(biāo)志點的坐標(biāo)就可以通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換式(2)進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[6]。

(2)

雖然理論上我們只需要有3個公共點就可以進行坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，但實際上在公共點的測量時，需要選取盡量多的公共點來進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。且選取的公共點應(yīng)該盡量位于不同高度，不同平面位置，分布均勻，這樣轉(zhuǎn)換結(jié)果才能夠更準(zhǔn)確。本次實驗共選取了不同平面，不同位置，分布均勻的6個公共點，分布大致如圖4所示：

圖4 公共點分布圖

4 數(shù)據(jù)處理分析

本次實驗觀測數(shù)據(jù)采用系統(tǒng)自帶軟件進行數(shù)據(jù)處理，利用點位中誤差m來進行精度判定如表1、圖5所示：

(3) 公共點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度 表1

圖5 標(biāo)志點點位中誤差分布圖

由數(shù)據(jù)處理結(jié)果可以看出，點位中誤差位于 0mm～ 0.04mm的標(biāo)志點有116個；點位中誤差位于 0.04mm～0.08mm的標(biāo)志點有169個；點位中誤差位于 0.08mm～0.12mm的標(biāo)志點有98個；點位中誤差位于 0.12mm～0.20mm的標(biāo)志點有17個。點位中誤差小于 0.1mm的標(biāo)志點有356個，觀測結(jié)果的精度相對較高。根據(jù)內(nèi)方位元素檢校誤差式(4)：

(4)

式中：H表示景深，m(f)為主距中誤差

由于景深H為4 m，f為100 mm，計算可以得出m(X0，Y0)和m(f)均小于 0.002 mm，完全滿足 0.01 mm的內(nèi)方位元素檢校精度要求。

5 結(jié) 語

本文通過對位于山東科技大學(xué)3D實驗室內(nèi)的相機檢校場進行精密觀測，并將觀測數(shù)據(jù)進行處理，絕大部分標(biāo)志點的點位中誤差在 0.1 mm以下，內(nèi)方位元素檢校精度完全滿足 0.01 mm的檢校精度要求，證明了該相機檢校場是可靠的，能夠用來實現(xiàn)對相機進行檢校。

[1] 裴智惠，馬浩. 數(shù)碼相機標(biāo)定參數(shù)對攝影測量精度的影響分析[J]. 全球定位系統(tǒng)，2011(2)：49～51.

[2] 李平. 非量測型數(shù)碼相機的檢校[D]. 西安：西安科技大學(xué)，2009.

[3] 許磊，王留召，余潔等. 一種新型的數(shù)碼相機室內(nèi)檢校場的建立方法[J]. 北京測繪，2008(2)：20～22.

[4] 閭海慶. 基于非量測數(shù)碼相機的近景攝影測量數(shù)據(jù)處理方法研究[D]. 長沙：中南大學(xué)，2006.

[5] 于勝文，蔡強，劉尚國. 數(shù)碼相機室內(nèi)三維檢校場的精密測量技術(shù)[J]. 測繪科學(xué)，2012(1)：151～152.

[6] 尤聿坤. 測量基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換方法研究與精度分析[D]. 沈陽：東北大學(xué)，2011.

Reliability Analysis of Camera Calibration Field Based on Industrial Measurement System

Wu Hao，Jia Yongshuai，Liu Xin

(Geomatics College of Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China)

Precision observation of digital camera field calibration in Shandong University of Science and Technology 3D lab through the use of industrial measurement systems Axyz / MTM，Design observation program according to the characteristics of calibration field to improve observations accuracy，and then observation data processing，analysis and evaluation of the results，and ultimately determine the quality of the digital camera calibration field is sufficient to meet the requirements of precision digital camera calibration.

industrial measurement system；field calibration；reliability

1672-8262(2016)05-80-03

P234.1

B

2016—04—28

吳昊(1991—)，男，碩士研究生，主要研究方向：測繪工程。