相机检校方法的对比研究

相机检校方法的对比研究

0畸变误差较大时普通相机的主距f和像片中间坐标的坐标（x0，y0）未知。根据图像，无法直接测量以图像主点为基础的坐标。需要内定方向。同时非量测相机的镜头畸变差较大,由于镜头的光学畸变,使得所量测的像点坐标产生误差,它造成像点、投影中心和相应的物方点之间的共线关系受到破坏,其结果势必影响物方坐标的解算精度,必须对其进行校正。在进行精确摄影测量工作前,对于非量测相机来说,这些参数必须通过实验和计算才能得到,这个过程就称为相机检校。相机检校的方法已经有很多种,根据不同的情况和不同的精度要求,应选择不同的检校方法,本文主要对几种常用的相机检校方法进行对比分析,归纳总结出有益的结论,为以后相机检校方法进一步的探讨提供一定的帮助。1像点坐标系和光学畸变差为了恢复摄影时的光束形状,需要借助内方位元素,为了正确恢复,也必须知晓光学畸变系数。一般相机检校的内容主要有以下几点:1)主距、主点相机主距是物镜系统后节点到影像平面之间的垂直距离,其垂足即是主点O。检校的内容是主距f及像主点O在像框标坐标系中的坐标(x0,y0),如图1所示。2)光学畸变差光学畸变差是指相机物镜系统设计、制作和装配所引起的像点偏离其理想位置的点位误差。光学畸变是影响像点坐标质量的一项重要误差,分为径向畸变差和偏心畸变差两类。在实际的近景摄影测量应用中,由于偏心畸变和像平面内仿射性畸变差对测量结果的影响不大,因此大多只考虑径向畸变差。由几何光学可知,径向畸变差可用下述奇次多项式表示:{Δx=(x-x0(k1r2+k2r4+k3r6+⋯)Δy=(y-y0(k1r2+k2r4+k3r6+⋯)r2=(x-x0)2+(y-y0)2式中:x,y为对应像点坐标;r为像点向径;x-x0为以像主点为原点并改正了各项误差的像点坐标;(Δx,Δy)为物镜畸变差在x,y方向上的改正数;k1,k2,k3为径向畸变差系数。2录像视频多样化近景摄像机的检校并未标准化,其原因可能是摄像机的多样化以及检校内容的多样化。出于仅解求内方位元素和光学畸变的目的,本文主要介绍以下几种常用的检校方法。2.1实验场模式实验场一般由一些已知空间坐标的标志点构成,已被检校的摄影机拍摄此控制场后,可依据单片空间后方交会解法或多片空间后方交会解求内方位元素以及其他影响光束形状的要素,包括各类光学畸变系数。实验场分为室内场和室外场两种,室内场适合近距离拍摄所用相机的检校;室外场则适合远距离拍摄相机的检校。检校模型一般采用直接线性变换算法,由于该算法无需内外方位元素的初值,因此特别适用于非量测相机的摄影测量数据处理。它是由共线方程式演绎而来,其基本关系式如下:x+Δx+l1X+l2Y+l3Ζ+l4l9X+l10Y+l11Ζ+i=0y+Δy+l5X+l6Y+l7Ζ+l8l9X+l10Y+l11Ζ+i=0}式中:x,y为像方坐标;X,Y,Z为物方坐标;li为线性系数。根据上式线性化后列出误差方程,进而求出相机的内方位元素和各项畸变参数。2.2外参数矩阵的检校光线束自检校平差解法是一种无需控制点以解求内方位元素,以及其他影响光束形状的要素的近景摄影机检校方法。这些其他要素包括各类光学畸变系数或某些附加参数。本方法适用于量测摄影机和非量测摄影机的检校。当需要解求待定点空间坐标时,物方至少应布有两个“平面点”和3个“高程点”。所谓的自检校就是要检校相机的内参数矩阵K:Κ=[fusu00fvv0001]其中:u0,v0表示主点坐标;fu为图像u轴的尺度因子;fv为图像v轴的尺度因子;s为畸变因子。通过上述数据可以看出,DLT算法和光束法自检校平差算法的检校值有较大的差异,为了检验检校结果的实际精度,将这两种解算方法中计算出的检查点中误差列于表2。式中:mx,my,mz为3个方向上的待定点中误差;mxyz为待定点的中误差。从表中数据可以看出,光束法自检校平差算法比一般的DLT算法检校的精度要高些。分析原因,可能是由以下几种情况造成的。1)由于直接线性变换未知数之间存在相关性,往往导致求解的不稳定性。2)DLT对控制点的分布要求高,当控制点的分布不理想时,易出现病态解,影响待定点的物方求解精度。3)这种作业方式需要大量的外业控制点,在实际工程应用中工作效率低,劳动强度大。2.3直接关联的平差模型该方法不需要建立控制场,是将相机的内外方位元素直接纳入到定标模型中,通过灭点直接建立内外元素与观测值(直线)之间的函数模型,从而内外参数联合参与平差。并通过对目标旋转拍摄产生的多方位影像进行内外方位元素解算的一种检校方法。直线与定标参数直接关联的平差模型,以x∞方向为例得:(yv-yj)vxi+(xj-xv)vyi+(yi-yv)vxj+(xv-xi)vyj+(a11yji+a21xij)df+(a12fji+a22xij)dx0+(a13yji+a23xij)dy0+(a14yji+a24xij)dϕ+(a15yji+a25xij)dω+(a16yji+a26xij)dκ+Li0=0式中:yji=yj-yi;xij=xi-xj;Li=xij(yv-yi)+yji(xv-xi)。通过上述结果可以看出,多像灭点的检校方法检校的参数都比较稳定,在模型中加入畸变差改正后,计算所得相机主点坐标与理想的像主点十分接近,在x轴偏移量为0.462494像素,在y轴偏移为2.576147像素,检校结果更加精确。3数字图像测量检校方法的优势通过对上面几组实验结果的对比分析,可以得出以下几点结论:1)实验场检校法可以适用于任意的相机模型,理论的发展相对成熟,应用范围比较广,是一般的摄影测量工作中常用的一种检校方法,检校精度能够满足一定的作业要求;不足是,需要高精度的已知结构信息,检校过程比较复