數(shù)字航測相機(jī)的實(shí)驗(yàn)室檢定與攝影檢校

鄒勇平,繆 劍

(西安 61363部隊(duì),陜西西安 710054)

數(shù)字航測相機(jī)的實(shí)驗(yàn)室檢定與攝影檢校

鄒勇平,繆 劍

(西安 61363部隊(duì),陜西西安 710054)

介紹數(shù)字航測相機(jī)檢定的原理,以及國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室檢定和飛行檢校的概況,對(duì)比分析兩者的關(guān)系,提出了數(shù)字航測相機(jī)檢定的建設(shè)思路。

數(shù)字航測相機(jī);內(nèi)方位元素與畸變;實(shí)驗(yàn)室檢定;飛行檢校

一、前 言

嚴(yán)格檢定相機(jī)參數(shù),正確恢復(fù)攝影光束,消除影像畸變,才可達(dá)到利用航攝影像完成測量的目的,因而對(duì)相機(jī)進(jìn)行嚴(yán)格的檢定是攝影測量的關(guān)鍵。膠片相機(jī)檢定都是以實(shí)驗(yàn)室的檢定儀器采用精密測角法得到內(nèi)方位元素和畸變,此項(xiàng)工作在技術(shù)能力、測量裝備、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)等方面都已經(jīng)成熟規(guī)范。隨著數(shù)字航測相機(jī)的廣泛應(yīng)用,其檢定已成為必須解決的問題。數(shù)字相機(jī)的檢定和傳統(tǒng)相機(jī)的檢定有很大不同,傳統(tǒng)相機(jī)檢校主要針對(duì)物鏡,而數(shù)字相機(jī)必須作為光機(jī)電整體來對(duì)待,不僅需要更高精度的幾何檢定,還需要對(duì)光譜和輻射量進(jìn)行檢定。

二、數(shù)字航測相機(jī)檢定概述

數(shù)字相機(jī)的幾何量誤差,包括光學(xué)誤差、機(jī)械誤差和電學(xué)誤差。光學(xué)誤差主要是指光學(xué)畸變誤差,是指相機(jī)物鏡系統(tǒng)制作、裝配引起的像點(diǎn)偏離其理論位置點(diǎn)位的誤差,可分為徑向畸變差、偏心畸變差和共面畸變差。機(jī)械誤差是指從光學(xué)鏡頭攝取的影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字化陣列影像產(chǎn)生的誤差,主要由掃描陣列不平行于光學(xué)影像或陣列元素尺寸和排列不同而產(chǎn)生變形。電學(xué)誤差主要包括行同步誤差、場同步誤差和采樣誤差。以ADS40相機(jī)為例,圖 1所示為由畸變?cè)斐傻挠跋袷д?圖 2所示為單波段的 12 000個(gè)CCD像元理論位置、實(shí)際位置和檢校位置的偏差。

圖1 畸變?cè)斐傻腃CD實(shí)際焦平面失真

圖2 CCD單線陣列像元安置誤差

相機(jī)檢定的目的就是確定相機(jī)的內(nèi)方位元素和影響像點(diǎn)成像質(zhì)量的各系統(tǒng)誤差系數(shù),式(1)就是一種系統(tǒng)誤差的數(shù)學(xué)模型。檢定中通過一系列像點(diǎn)的觀測,能夠得到一個(gè)數(shù)據(jù)的集合,進(jìn)而解算該模型的未知參數(shù),最后擬合出圖2所示的 CCD陣列位置。

式中,x、y是像點(diǎn)在像平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo);x0、y0為像主點(diǎn)坐標(biāo);

二、數(shù)字航測相機(jī)的實(shí)驗(yàn)室檢定

1.國外數(shù)字航測相機(jī)的實(shí)驗(yàn)室檢定

在研制過程中對(duì)數(shù)字航測相機(jī)進(jìn)行檢定是必不可缺少的。以ADS系列線陣數(shù)字相機(jī)為例,在徠卡公司和德國宇航中心都有檢定的儀器。其中德國宇航中心的檢定儀器屬于科學(xué)級(jí),通用性強(qiáng)、精度高。徠卡公司的檢定儀器比較經(jīng)濟(jì),借鑒意義強(qiáng)。徠卡的檢定儀器用途是：在生產(chǎn)過程中測試鏡頭和在系統(tǒng)定標(biāo)中完成相機(jī)整體的最后檢定。ADS40的幾何校準(zhǔn)所用儀器為垂直測角編碼器(CVG),圖 3所示是其光路示意圖,它是由檢測膠片相機(jī)鏡頭的測角器改裝而成,全自動(dòng)化的測量程序?qū)⒔Y(jié)果直接導(dǎo)入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。測量時(shí)將鏡頭的入瞳與測角器的旋轉(zhuǎn)軸調(diào)整重合,在旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)由一個(gè)輔助光路把一個(gè)小的電碼圖影像到無窮遠(yuǎn),被測的ADS鏡頭重調(diào)焦距使電碼圖聚焦在數(shù)字傳感器上,旋轉(zhuǎn)軸沿著 CCD基線做一個(gè)場 (X)掃描。為了確定基線外的像素,還需要在垂直方向移動(dòng)的鏡向(Y)掃描。從旋轉(zhuǎn)的角度和掃描讀數(shù)得到所需數(shù)據(jù)。電碼圖由一串隨機(jī)安排的在兩個(gè)正交方向上3μm寬的黑白刻線組成,這是增強(qiáng)線陣 CCD對(duì)目標(biāo)定位精度的手段之一。

圖3 垂直測角編碼器(CVG)的光路示意圖

面陣相機(jī)的檢定類似與傳統(tǒng)膠片相機(jī),相對(duì)而言較容易實(shí)現(xiàn),以 DMC為例,檢定包括兩個(gè)階段：①先在檢定臺(tái)上檢定相機(jī)的每一個(gè)單鏡頭參數(shù)和單鏡頭的傾角方位;②測量組合在一起的多個(gè)鏡頭的相對(duì)方位,依靠試飛取得的檢定圖像通過參數(shù)計(jì)算得到。每一臺(tái)相機(jī)都要在標(biāo)定好 33個(gè)控制點(diǎn)的試驗(yàn)場上試飛,通過比較空中三角測量的解算精度對(duì)檢定方法進(jìn)行評(píng)估。DMC檢定在耶拿和上科亨的廠區(qū)有不同的儀器,耶拿的檢定臺(tái)是專門為DMC相機(jī)鏡頭檢定建立的兩維高精度轉(zhuǎn)臺(tái),上科亨使用的是裝有瞄準(zhǔn)器的光具座和測角儀,是由膠片相機(jī)檢定儀改制而成,這與筆者現(xiàn)有儀器相似,易于實(shí)現(xiàn),借鑒意義較強(qiáng)。不過新儀器采用了更高對(duì)比度的圓形目標(biāo)和新算法,將識(shí)別精度提高到 1/25像素,經(jīng)過研究筆者認(rèn)為基于插值和非線性加權(quán)的質(zhì)心算法可以達(dá)到這一精度。

2.數(shù)字相機(jī)檢定儀研制的初步方案

在國內(nèi),航空面陣和航天三線陣相機(jī)的實(shí)驗(yàn)室檢定都有研究,筆者檢定儀研制的初步思路是：將被檢測的航攝相機(jī)固定在一個(gè)可以繞相機(jī)的光軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺(tái)之上。用相機(jī)下方的目標(biāo)平行光管模擬無窮遠(yuǎn)的目標(biāo)成像于 CCD焦平面。通過轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn),使目標(biāo)像點(diǎn)在CCD探測平面上以像主點(diǎn)為圓心沿直徑方向作徑向移動(dòng)。轉(zhuǎn)臺(tái)和轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)就能使像點(diǎn)在 CCD像面上產(chǎn)生米字形分布,用高精度的測角編碼器測量并輸出轉(zhuǎn)動(dòng)的精確角度(如圖 4所示)。

圖4 數(shù)字相機(jī)檢定儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

系統(tǒng)同時(shí)采集、記錄CCD的圖像數(shù)據(jù)和和測角編碼器的角度數(shù)據(jù)。通過對(duì) CCD焦平面不同分布像點(diǎn)的測量,應(yīng)用相關(guān)算法,便能夠解算筆者需要的相機(jī)參數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字航攝相機(jī)的幾何量檢定。圖 4所示為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)然,其中對(duì)高精度目標(biāo)像的定位、高精度的回轉(zhuǎn)軸系和光電軸角編碼器、幾何校準(zhǔn)的算法和系統(tǒng)誤差模型、系統(tǒng)與被測進(jìn)口相機(jī)的數(shù)據(jù)接口、自動(dòng)控制軟件及檢校軟件以及對(duì)于線陣數(shù)字航攝相機(jī)的編碼目標(biāo)等都需要做深入的研究。

三、數(shù)字航測相機(jī)的攝影檢校

在國內(nèi),攝影檢校以攝影方式區(qū)分主要有：室內(nèi)、室外近景及航攝三類。對(duì)應(yīng)的檢定場即室內(nèi)檢定場、室外近景式檢定場及動(dòng)態(tài)航攝地面檢定場,理論上后兩種適合于量測型數(shù)字相機(jī)?；谑覂?nèi)外檢定場的校準(zhǔn)基本都是事先標(biāo)定好試驗(yàn)場標(biāo)志點(diǎn),再利用共線方程、直接線性變換、空間后方交會(huì)等原理解算內(nèi)方位元素。

1.國外數(shù)字航測相機(jī)的攝影檢校

在國外,徠卡的 LPS或法國 Infoterra公司的像素工廠都可以采用自檢校光束法平差原理通過嚴(yán)格的飛行檢校完成攝影檢校,不需要標(biāo)定物,僅僅依靠多幅圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的關(guān)系就可以檢校出相機(jī)的內(nèi)方位元素、CCD像元誤差以及 IMU安置誤差。自檢校光束法平差的基本思想就是,在通常的光束法誤差方程式中,增加由待定參數(shù)組成的若干項(xiàng)來抵償系統(tǒng)誤差的影響,這些附加的待定參數(shù)在平差過程中與其他未知參數(shù)一起同時(shí)解算出來,所以也可稱為附加參數(shù)的光束法平差。像點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)誤差δx、δy隨像點(diǎn)在焦平面上的位置而改變,規(guī)律較復(fù)雜,但是其變化是連續(xù)的,通常是使用像點(diǎn)坐標(biāo)的多項(xiàng)式(2)來逼近

式中,多項(xiàng)式的系數(shù) a0、a1、a2、b0、b1、b2即所謂的附加參數(shù),它們?cè)谡w平差的過程中與其他參數(shù)一起解算。像素工廠ADS40相機(jī)檢校模塊在計(jì)算像元排列誤差時(shí),先在光束法平差過程求出一次項(xiàng)多項(xiàng)式系數(shù)a0、a1、b0、b1,然后再根據(jù)像點(diǎn)殘差擬合出高階多項(xiàng)式系數(shù),反復(fù)迭代逼近實(shí)際像元位置坐標(biāo)。

由于自檢校僅要建立圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn),標(biāo)定方法靈活性強(qiáng),但是最大的不足在于其算法的魯棒性差,即要求完美的飛行和理想的影像數(shù)據(jù)。該類模塊在以下幾個(gè)方面是需要作深入研究的:相機(jī)鏡頭光學(xué)成像的嚴(yán)密數(shù)學(xué)模型;線陣 CCD像元掃描圖像幾何糾正的數(shù)學(xué)模型; IMU誤差補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型;快速空三、光束法平差算法;原始圖像增強(qiáng);整航帶影像匹配和大量連接點(diǎn)的自動(dòng)生成。

2. IM U的檢校問題

對(duì)于 ADS系列線陣相機(jī),還有 IMU的檢校問題。 IMU一般與航攝儀安裝時(shí)要求各軸方向一致。但實(shí)際上二者各軸指向間不可避免地存在著角度差,即偏心角,必須采用飛行檢校的方法來確定。即在一個(gè)有足夠數(shù)量和精度控制點(diǎn)的區(qū)域檢校飛行,用傳統(tǒng)空三方法計(jì)算出每張像片的外方位元素,再通過與 POS測量獲得的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算來求得偏心角的最佳估計(jì)值。

四、數(shù)字航測相機(jī)實(shí)驗(yàn)室檢定與試驗(yàn)場檢校的關(guān)系

1.實(shí)驗(yàn)室檢定與飛行檢校的區(qū)別

1)內(nèi)容比較。實(shí)驗(yàn)室檢定可以涵蓋幾何、光度、色度三個(gè)方面。幾何校準(zhǔn)是為了消除鏡頭的光學(xué)畸變誤差、像素排列的機(jī)械誤差、光電信號(hào)轉(zhuǎn)化的電學(xué)誤差,校準(zhǔn)內(nèi)容包括內(nèi)方位元素即主點(diǎn)、主距、單個(gè)像素的二維幾何坐標(biāo)、光學(xué)傳遞函數(shù)(OTF)和調(diào)制傳遞函數(shù) (MTF)。光度學(xué)輻射校準(zhǔn)的目標(biāo)是消除像素響應(yīng)非均勻性,校準(zhǔn)內(nèi)容包括缺陷像素、單個(gè)像素的感光靈敏度、漸暈效應(yīng)和光圈的影響。色度學(xué)校準(zhǔn)目的是測量單個(gè)像素光譜敏感度。飛行檢校僅可以完成幾何校準(zhǔn)。

2)作用比較。實(shí)驗(yàn)室檢定是基礎(chǔ),是最原始最物理的檢定,所有檢定數(shù)據(jù)是要安置在相機(jī)內(nèi)部;而飛行檢校最初是為了驗(yàn)證最后測量精度而設(shè)置的,隨著自檢校技術(shù)的發(fā)展,飛行檢校也可以完成畸變的檢校工作,其檢校文件是用于測圖時(shí)脫機(jī)校正,應(yīng)該說其影響小于實(shí)驗(yàn)室檢定。這也是二者區(qū)分用詞為檢定和檢校的原因,實(shí)驗(yàn)室檢定結(jié)果可以是法定計(jì)量證書,決定相機(jī)是否合格。而飛行檢校側(cè)重于精度驗(yàn)證。

3)精度比較。實(shí)驗(yàn)室檢定的不確定度是可控的,換句話說精度更高。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室的環(huán)境可控,檢定標(biāo)準(zhǔn)可溯源,可以用計(jì)量的體系要求全面控制,這對(duì)數(shù)字相機(jī)在各個(gè)行業(yè)的推廣也是很有幫助得;而飛行檢校諸多因素都難以人為控制,精度不好把握,成本高,不易進(jìn)行計(jì)量認(rèn)可。

飛行檢校的優(yōu)勢：① IMU安置誤差只能依靠飛行檢校來完成;②最終測圖精度可以利用飛行檢校得到驗(yàn)證。所以實(shí)驗(yàn)室檢定與飛行檢校功能有重疊各有側(cè)重但是不能相互替代。實(shí)驗(yàn)室檢定是飛行檢校的基礎(chǔ),雖然現(xiàn)階段飛行檢校在某些參數(shù)上可以代替實(shí)驗(yàn)室檢校,但是從長遠(yuǎn)看實(shí)驗(yàn)室檢定是無法替代的。

2.飛行檢校場對(duì)數(shù)字相機(jī)檢定的意義與作用

要進(jìn)行飛行檢校,有一種觀點(diǎn)認(rèn)為飛行檢校場是必不可少的關(guān)鍵因素。但是飛行檢校場的建設(shè)并非飛行檢校的充分條件,甚至也不是必要條件。飛行檢校的關(guān)鍵技術(shù)在于檢校軟件,有了檢校場,沒有相應(yīng)的檢校軟件,還是無法完成檢校工作,另一方面對(duì)于徠卡的 LPS或是 Infoterra的像素工廠,其相機(jī)檢校模塊并不需要專門的檢校場,而只要按照雙高度、雙十字對(duì)飛的要求進(jìn)行檢校飛行,當(dāng)然有地面控制點(diǎn)的檢校場就具有精度驗(yàn)證的作用。

現(xiàn)階段,對(duì)于國內(nèi)自行研制的數(shù)字相機(jī)以及檢校方法而言,檢校場的建設(shè)是關(guān)鍵,特別是檢校場標(biāo)志點(diǎn)精度是影響檢校精度的主要因素之一。

[1] 李月鋒,鄒勇平,譯.LH系統(tǒng)的 ADS40航空數(shù)碼攝影相機(jī)的校準(zhǔn)[J].測繪技術(shù)裝備,2006,8(3)：41-44.

Laboratory Calibration and Photographic Calibration of the D igital A irborneMapping Camera

ZOU Yongping,M IAO Jian

0494-0911(2010)12-0004-03

P246

B

2010-07-20

鄒勇平(1972—),男,陜西西安人,碩士,工程師,研究方向?yàn)閿?shù)字航測相機(jī)的維護(hù)、維修與檢定。