與計(jì)算機(jī)視覺相關(guān)的數(shù)字?jǐn)z影測量的發(fā)展

彭樹鴻　王聞?dòng)睢≈旃庵?/p>

摘要：攝影測量在進(jìn)入數(shù)字?jǐn)z影測量時(shí)代時(shí)已與計(jì)算機(jī)視覺緊密地聯(lián)系在了一起，二者面臨著相同的基本問題，而計(jì)算機(jī)視覺是一個(gè)相對年輕且發(fā)展迅速的領(lǐng)域。從攝影測量的理論、技術(shù)及其發(fā)展歷史出發(fā)，總結(jié)了數(shù)字?jǐn)z影測量與計(jì)算機(jī)視覺之間差異，試圖探討數(shù)字?jǐn)z影測量中采用的與計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域相關(guān)的一些關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字?jǐn)z影測量 計(jì)算機(jī)視覺 多目立體視覺 影像匹配

引言

攝影測量學(xué)是一門古老的學(xué)科，若從1839年攝影術(shù)的發(fā)明算起，攝影測量學(xué)已有170多年的歷史，而被普遍認(rèn)為攝影測量學(xué)真正起點(diǎn)的是1851—1859年“交會(huì)攝影測量”的提出。在這漫長的發(fā)展過程中，攝影測量學(xué)經(jīng)歷了模擬法、解析法和數(shù)字化三個(gè)階段。模擬攝影測量和解析攝影測量分別是以立體攝影測量的發(fā)明和計(jì)算機(jī)的發(fā)明為標(biāo)志，因此很大程度上，計(jì)算機(jī)的發(fā)展決定了攝影測量學(xué)的發(fā)展。在解析攝影測量中，計(jì)算機(jī)用于大規(guī)模的空中三角測量、區(qū)域網(wǎng)平差、數(shù)字測圖，還用于計(jì)算共線方程，在解析測圖儀中起著控制相片盤的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)，交會(huì)空間點(diǎn)位的作用。而出現(xiàn)在數(shù)字?jǐn)z影測量階段的數(shù)字?jǐn)z影測量工作站（digitalphotogrammetryworkstation，DPW）就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)+各種功能的攝影測量軟件。如果說從模擬攝影測量到解析攝影測量的發(fā)展是一次技術(shù)的進(jìn)步，那么從解析攝影測量到數(shù)字?jǐn)z影測量的發(fā)展則是一場技術(shù)的革命。數(shù)字?jǐn)z影測量與模擬、解析攝影測量的最大區(qū)別在于：它處理的是數(shù)字影像而不再是模擬相片，更為重要的是它開始并將不斷深入地利用計(jì)算機(jī)替代作業(yè)員的眼睛。[1-2]毫無疑問，攝影測量進(jìn)入數(shù)字?jǐn)z影測量時(shí)代已經(jīng)與計(jì)算機(jī)視覺緊密聯(lián)系在一起了[2]。

計(jì)算機(jī)視覺是一個(gè)相對年輕而又發(fā)展迅速的領(lǐng)域。其目標(biāo)是使計(jì)算機(jī)具有通過二維圖像認(rèn)知三維環(huán)境信息的能力，這種能力將不僅使機(jī)器能感知三維環(huán)境中物體的幾何信息，包括它的形狀、位置、姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)等，而且能對它們進(jìn)行描述、存儲(chǔ)、識(shí)別與理解[3]。數(shù)字?jǐn)z影測量具有類似的目標(biāo)，也面臨著相同的基本問題。數(shù)字?jǐn)z影測量學(xué)涉及多個(gè)學(xué)科，如圖像處理、模式識(shí)別以及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等。由于它與計(jì)算機(jī)視覺的聯(lián)系十分緊密，有些專家將其看做是計(jì)算機(jī)視覺的分支。

數(shù)字?jǐn)z影測量的發(fā)展已經(jīng)借鑒了許多計(jì)算機(jī)視覺的研究成果[4]。數(shù)字?jǐn)z影測量發(fā)展導(dǎo)致了實(shí)時(shí)攝影測量的出現(xiàn)，所謂實(shí)時(shí)攝影測量是指利用多臺(tái)CCD數(shù)字?jǐn)z影機(jī)對目標(biāo)進(jìn)行影像獲取，并直接輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，在實(shí)時(shí)軟件的幫助下，立刻獲得和提取需要的信息，并用來控制對目標(biāo)的操作[1]。在立體觀測的過程中，其主要利用計(jì)算機(jī)視覺方法實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)代替人眼。隨著數(shù)碼相機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，數(shù)字近景攝影測量已經(jīng)成為必然趨勢。近景攝影測量是利用近距離攝影取得的影像信息，研究物體大小形狀和時(shí)空位置的一門新技術(shù)，它是一種基于數(shù)字信息和數(shù)字影像技術(shù)的數(shù)據(jù)獲取手段。量測型的計(jì)算機(jī)視覺與數(shù)字近景攝影測量的學(xué)科交叉將會(huì)在計(jì)算機(jī)視覺中形成一個(gè)新的分支——攝影測量的計(jì)算機(jī)視覺，但是它不應(yīng)僅僅局限于地學(xué)信息[2]。

1.計(jì)算機(jī)視覺與數(shù)字?jǐn)z影測量的差異

1.1目的不同導(dǎo)致二者的坐標(biāo)系和基本公式不同

攝影測量的基本任務(wù)是嚴(yán)格建立相片獲取瞬間所存在的像點(diǎn)與對應(yīng)物點(diǎn)之間的幾何關(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)利用攝影片上的影像信息測制各種比例尺地形圖，建立地形數(shù)據(jù)庫，為各種地理信息系統(tǒng)建立或更新提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此，它是在測繪領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展起來的一門學(xué)科。

而計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的突出特點(diǎn)是其多樣性與不完善性。計(jì)算機(jī)視覺的主要任務(wù)是通過對采集的圖片或視頻進(jìn)行處理以獲得相應(yīng)場景的三維信息，因此直到計(jì)算機(jī)的性能提高到足以處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時(shí)它才得到正式的關(guān)注和發(fā)展，而這些發(fā)展往往起源于其他不同領(lǐng)域的需要。比如在一些不適合于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場合，常用計(jì)算機(jī)來替代人工視覺。

由于攝影測量是測繪地形圖的重要手段之一，為了測繪某一地區(qū)而攝影的所有影像，必須建立統(tǒng)一的坐標(biāo)系。而計(jì)算機(jī)視覺是研究怎樣用計(jì)算機(jī)模擬人的眼睛，因此它是以眼睛（攝影機(jī)中心）與光軸構(gòu)成的坐標(biāo)系為準(zhǔn)。因此，攝影測量與計(jì)算機(jī)視覺目的不同，導(dǎo)致它們對物體與影像之間關(guān)系的描述也不同。

1.2二者處理流程不同

2.可用于數(shù)字?jǐn)z影測量領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)視覺理論——立體視覺

2.1立體視覺

立體視覺是計(jì)算機(jī)視覺中的一個(gè)重要分支，一直是計(jì)算機(jī)視覺研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)之一，在20多年的發(fā)展過程中，逐漸形成了自己的方法和理論。立體視覺的基本原理是從兩個(gè)（或多個(gè)）視點(diǎn)觀察同一景物，以獲取在不同視角下的感知圖像，通過三角測量原理計(jì)算像像素間的位置偏差（即視差）來獲取景物的三維信息，這一過程與人類視覺的立體感知過程是類似的。一個(gè)完整的立體視覺系統(tǒng)通?？煞譃閳D像獲取、攝像機(jī)定標(biāo)、特征提取、影像匹配、深度確定及內(nèi)插等6個(gè)大部分[5]。其中影像匹配是立體視覺中最重要也是最困難的問題，也是計(jì)算機(jī)視覺和數(shù)字?jǐn)z影測量的核心問題。

2.2影像匹配

立體視覺的最終目的是為了恢復(fù)景物可視表面的完整信息。當(dāng)空間三維場景被投影為二維圖像時(shí)，同一景物在不同視點(diǎn)下的圖像會(huì)有很大不同，而且場景中的諸多因素，如光照條件，景物幾何形狀和物理特性、噪聲干擾和畸變以及攝像機(jī)特性等，都被綜合成單一的圖像中的灰度值。因此，要準(zhǔn)確地對包含了如此之多不利因素的圖像進(jìn)行無歧義的匹配，顯然是十分困難的。

在攝影測量中最基本的過程之一就是在兩幅或者更多幅的重疊影像中識(shí)別并定位同名點(diǎn)，以產(chǎn)生立體影像。在模擬攝影測量和解析攝影測量中，同名點(diǎn)的識(shí)別是通過人工操作方式完成的；而在數(shù)字?jǐn)z影測量中則利用計(jì)算機(jī)代替人工解決同名點(diǎn)識(shí)別的問題，即采用影像匹配的方法。

2.3多目立體視覺

根據(jù)單張相片只能確定地面某個(gè)點(diǎn)的方向，不能確定地面點(diǎn)的三維空間位置，而有了立體像對則可構(gòu)成與地面相似的立體模型，解求地面點(diǎn)的空間位置。雙目立體視覺由不同位置的兩臺(tái)或者一臺(tái)攝像機(jī)（CCD）經(jīng)過移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)拍攝同一幅場景，就像人有了兩只眼睛，才能看三維立體景觀一樣，然后通過計(jì)算空間點(diǎn)在兩幅圖像中的視差，獲得該點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。現(xiàn)在的數(shù)字?jǐn)z影測量中的立體像對技術(shù)通常是在一條基線上進(jìn)行的，但是由于采用計(jì)算機(jī)匹配替代人眼測定影像同名像對時(shí)存在大量的誤匹配，使自動(dòng)匹配的結(jié)果很不可靠。其存在的問題主要是，對存在特殊結(jié)構(gòu)的景物，如平坦、缺乏紋理細(xì)節(jié)、周期性的重復(fù)特征等易產(chǎn)生假匹配；在攝像機(jī)基線距離增大時(shí)，遮擋嚴(yán)重，能重建的空間點(diǎn)減少。為了解決這些問題，降低雙目匹配的難度，自1986年以來出現(xiàn)了三目立體視覺系統(tǒng)，即采用3個(gè)攝像機(jī)同時(shí)攝取空間景物，通過利用第三目圖像提供的信息來消除匹配的歧義性[5]。采用“多目立體視覺技術(shù)”可以利用攝影測量的空中三角測量原理，對多度重疊點(diǎn)進(jìn)行“多方向的前方交會(huì)”，既能較有效地解決隨機(jī)的誤匹配問題，同時(shí)又能增加交會(huì)角，提高高程測量的精度[2]。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，將很大程度地解決自動(dòng)匹配結(jié)果的不可靠性，提高數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

3.結(jié)論與展望

數(shù)字?jǐn)z影測量事實(shí)上已經(jīng)進(jìn)入計(jì)算機(jī)視覺的領(lǐng)域，數(shù)字?jǐn)z影測量的進(jìn)一步發(fā)展必須破除傳統(tǒng)攝影測量的束縛，從計(jì)算機(jī)視覺的觀點(diǎn)出發(fā)[2]。攝影測量與計(jì)算機(jī)視覺兩者目的不同，導(dǎo)致它們對物體與影像之間關(guān)系的描述也不盡相同，數(shù)字?jǐn)z影測量本身存在著很復(fù)雜的空間坐標(biāo)變換，因此在未來的發(fā)展中有必要建立相應(yīng)的模型實(shí)現(xiàn)二者之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，使計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的理論更加順暢的應(yīng)用到數(shù)字?jǐn)z影測量中。數(shù)字?jǐn)z影測量的發(fā)展必將與計(jì)算機(jī)視覺的理論和最新發(fā)展緊密結(jié)合。