環(huán)形閃光燈對(duì)數(shù)字近景攝影測(cè)量的影響測(cè)試

馬開鋒黃桂平崔希民蔡慶空

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；2.華北水利水電大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450045）

環(huán)形閃光燈對(duì)數(shù)字近景攝影測(cè)量的影響測(cè)試

馬開鋒1，2，黃桂平2，崔希民1，蔡慶空1

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；2.華北水利水電大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450045）

為驗(yàn)證環(huán)形閃光燈在數(shù)字近景攝影測(cè)量使用中的效能，直接采用閃光燈光強(qiáng)調(diào)節(jié)測(cè)試法，通過使用多個(gè)品牌型號(hào)的環(huán)形閃光燈分別在被測(cè)物不同距離處，調(diào)節(jié)不同光強(qiáng)輸出，對(duì)獲得的系列數(shù)字影像進(jìn)行成像像素灰度值與測(cè)量準(zhǔn)確度分析。結(jié)果表明：數(shù)字近景攝影成像像素灰度值和測(cè)量準(zhǔn)確度均與攝影距離及閃光燈光強(qiáng)輸出大小有密切關(guān)系，而且適度調(diào)節(jié)環(huán)形閃光燈光強(qiáng)大小能夠使得成像質(zhì)量與測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)到最優(yōu)，可以滿足大尺寸工業(yè)測(cè)量的要求，從而為數(shù)字近景攝影測(cè)量過程中環(huán)形閃光燈及光強(qiáng)大小的選擇提供數(shù)據(jù)依據(jù)與參考。

數(shù)字近景攝影測(cè)量；環(huán)形閃光燈；測(cè)量準(zhǔn)確度；光強(qiáng)；像素灰度值

0 引 言

數(shù)字近景攝影測(cè)量通過在不同的位置和方向獲取同一物體的2幅以上數(shù)字圖像，經(jīng)計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別、定位、匹配等處理及相關(guān)數(shù)學(xué)計(jì)算后得到待測(cè)點(diǎn)精確的三維坐標(biāo)[1-3]。近年來，國(guó)內(nèi)外開展了大量關(guān)于數(shù)字近景攝影測(cè)量系統(tǒng)的理論與應(yīng)用研究，特別是對(duì)影響數(shù)字近景攝影測(cè)量系統(tǒng)準(zhǔn)確度的因素，如像點(diǎn)坐標(biāo)的準(zhǔn)確性、攝站間的交會(huì)幾何圖形、被攝影物體的大小及像片數(shù)目與重疊度等[4-7]。在視覺應(yīng)用系統(tǒng)中，光源是影響攝像質(zhì)量的關(guān)鍵因素[8]，但數(shù)字近景攝影測(cè)量系統(tǒng)中的閃光燈在其測(cè)量過程中的影響效能至今未見報(bào)道。基于環(huán)形微距閃光燈所具有的閃光特點(diǎn)，目前數(shù)字近景攝影測(cè)量系統(tǒng)中為了獲得較好的成像質(zhì)量及測(cè)量準(zhǔn)確度一般均采用環(huán)形微距閃光燈（見圖1）。本文針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外幾種常用品牌型號(hào)的環(huán)形微距閃光燈分別在數(shù)字近景攝影測(cè)量使用中的性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容主要包括其對(duì)成像質(zhì)量及測(cè)量準(zhǔn)確度兩個(gè)方面的影響，得到了一些有益的結(jié)論，為數(shù)字近景攝影測(cè)量系統(tǒng)中閃光燈及光強(qiáng)大小的最佳選擇提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。

圖1 SUNPAK AUTO DX 16R環(huán)形微距閃光燈

1 閃光燈概況

環(huán)形微距閃光燈具有無陰影、無暗角閃光的特點(diǎn)，是微距攝影和人像攝影的利器[9]。結(jié)合數(shù)字近景攝影測(cè)量系統(tǒng)中標(biāo)志點(diǎn)的反光效能及成像需求，環(huán)形微距閃光燈也是數(shù)字近景攝影測(cè)量系統(tǒng)中必備的重要元件。目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)環(huán)形微距閃光燈的生產(chǎn)廠家很多，為鑒別其閃光燈在使用中的效能，特別是在數(shù)字近景攝影測(cè)量中對(duì)最終測(cè)量準(zhǔn)確度的影響，本文選擇了7種常用品牌（日清、新霸、美科、威肯、唯卓、神牛、永諾）中各一種環(huán)形微距閃光燈進(jìn)行了測(cè)試研究。7種環(huán)形閃光燈的主要相關(guān)參數(shù)如表1所示。

2 測(cè)試過程與結(jié)果

整個(gè)測(cè)試工作在鄭州辰維科技股份有限公司的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)（無強(qiáng)光、無日光燈照射）進(jìn)行，被拍攝對(duì)象為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)固定三維控制架，其上均勻布設(shè)有回光反射標(biāo)志點(diǎn)[1，10]，共計(jì)約1 250個(gè)，范圍約為3 m×2 m× 0.6m，如圖2所示。

測(cè)試中均采用NIKON D3測(cè)量型相機(jī)，其相關(guān)參數(shù)為：焦距24mm，CMOS尺寸36.0mm×23.9mm，分辨率4256×2832pixels，光圈f 22.0,曝光時(shí)間1/250s。

表1 環(huán)形微距閃光燈主要參數(shù)

圖2 標(biāo)志點(diǎn)布設(shè)示意圖

2.1 成像像素灰度測(cè)試

為測(cè)試表1中7種不同品牌型號(hào)環(huán)形微距閃光燈的光強(qiáng)輸出效果及成像像素灰度情況，分別距離被測(cè)物三維控制架的中橫梁約3，5，8，10 m的地方拍攝多張影像（至少3張），并且要求相機(jī)與被測(cè)物三維控制架的中橫梁基本水平等高，以便在三維控制架的中橫梁上取點(diǎn)進(jìn)行像素灰度值的統(tǒng)計(jì)分析。

2.1.1 各閃光燈最低光強(qiáng)輸出時(shí)的測(cè)試

為研究各閃光燈的最低光強(qiáng)輸出對(duì)成像像素所反映的效能，分別隨機(jī)抽取上述所攝影像三維控制架中橫梁上的某些標(biāo)志像點(diǎn)進(jìn)行像素灰度值的統(tǒng)計(jì)分析，由于標(biāo)志點(diǎn)像素最大灰度值能體現(xiàn)出成像像素的曝光情況，如是否過度曝光或曝光不足等，故本文均采用標(biāo)志點(diǎn)像素最大灰度值為統(tǒng)計(jì)分析對(duì)象。

以距離被測(cè)物3m時(shí)所攝影像為例，測(cè)試結(jié)果經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，神牛ML-150、唯卓JY-670N、永諾YN-14EX這3種閃光燈分別在其最低輸出光強(qiáng)為1/16、1/128、1/64時(shí)顯示出對(duì)物方標(biāo)志點(diǎn)的成像曝光稍微不足，測(cè)試標(biāo)志點(diǎn)（圖2圈中點(diǎn)，其余點(diǎn)也有相近或相同的結(jié)果）的最大灰度值分別約為125，96，159，造成標(biāo)志點(diǎn)成像像素灰度區(qū)域較小且無任何背景略顯，從而影響到高準(zhǔn)確度的影像特征提取與定位以及物方點(diǎn)方位的辨認(rèn)等。若攝影距離更遠(yuǎn)，如5，8，10m，則其標(biāo)志點(diǎn)成像像素?cái)?shù)更少、灰度值更低，故這3種品牌型號(hào)閃光燈在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試中不再使用。

圖3 標(biāo)志點(diǎn)像素最大灰度值變化圖

2.1.2 各閃光燈不同光強(qiáng)輸出、不同距離的測(cè)試

對(duì)其余4種品牌型號(hào)的環(huán)形微距閃光燈在不同的光強(qiáng)大小輸出情況下，在距離被測(cè)物標(biāo)志點(diǎn)分別約為3，5，8，10m的地方拍照測(cè)試。同樣取圖2中圈中點(diǎn)的灰度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（其余點(diǎn)也有相近或相同的結(jié)果），得到了各閃光燈所反映的影像標(biāo)志點(diǎn)像素最大灰度值的情況，如圖3所示。

由圖中所反映的標(biāo)志點(diǎn)像素最大灰度值的情況可以看出：在同一光強(qiáng)大小輸出情況下，各閃光燈所反映的標(biāo)志點(diǎn)像素最大灰度值隨著攝影距離的增大近似呈線性減小的趨勢(shì)，但輸出光強(qiáng)較大時(shí)（≥1/8）則可能會(huì)造成影像過度曝光而失去此特性；而不同品牌型號(hào)的閃光燈，即使具有相同的閃光指數(shù)（見圖3（a）與圖3（b）、圖3（c）與圖3（d）），在同樣距離、同樣光強(qiáng)分量輸出大小下所反映的標(biāo)志點(diǎn)像素最大灰度值也略有不同，這標(biāo)志著各閃光燈同樣光強(qiáng)分量大小輸出下有不同的光強(qiáng)輸出效能。

2.2 測(cè)量準(zhǔn)確度測(cè)試

為測(cè)試各閃光燈對(duì)數(shù)字近景攝影測(cè)量準(zhǔn)確度的影響，采用2.1.2中的4種環(huán)形微距閃光燈分別在不同光強(qiáng)時(shí)距三維控制架不同距離處（3，5，7m），在等準(zhǔn)確度觀測(cè)條件下，采用相同的測(cè)量網(wǎng)形，即在分布均勻的左、中、右、上、中、下9個(gè)位置，在多次旋轉(zhuǎn)相機(jī)的情況下分別拍照（攝站分布如圖4所示，即在4個(gè)角及中心攝站均以900間差旋轉(zhuǎn)4次相機(jī)拍攝，其他旋轉(zhuǎn)2次），每種閃光燈均拍攝5組，每組均拍攝28張照片，用V-STARS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。然后分別用光束法平差計(jì)算各組的三維坐標(biāo)，并根據(jù)誤差傳播定律進(jìn)行測(cè)量準(zhǔn)確度估計(jì)，分別得到X、Y、Z方向及點(diǎn)位P與像點(diǎn)測(cè)量的均方根誤差（RMS）。最后再根據(jù)公共標(biāo)志點(diǎn)分別進(jìn)行兩組坐標(biāo)間的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換統(tǒng)一，從而分別得到不同品牌型號(hào)環(huán)形閃光燈在不同光強(qiáng)情況下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換差值的X、Y、Z方向及點(diǎn)位P的均方根誤差（RMS）——坐標(biāo)重復(fù)性測(cè)量準(zhǔn)確度。最終光束法平差結(jié)果因篇幅所限，以表格形式只給SUNPAK AUTO DX 16R的光束法平差精度估計(jì)均值及坐標(biāo)重復(fù)測(cè)量準(zhǔn)確度，見表2，其他以圖示綜合給出，如圖5～圖7所示。

圖4 攝站分布圖

由表2及圖5～圖7可以看出，每種閃光燈在某一距離處，均有一光強(qiáng)輸出值使得其最終的測(cè)量精度達(dá)到最佳，如新霸SUNPAK AUTO DX 16R閃光燈分別在距離3，5，7m，光強(qiáng)輸出分別為1/32、1/64、1/64時(shí)，均獲得了其最佳測(cè)量準(zhǔn)確度估計(jì)值。但需注意，有時(shí)不能全依靠精度估計(jì)值來衡量最終結(jié)果的優(yōu)劣，必要時(shí)還要結(jié)合2.1中所述的成像質(zhì)量來綜合考慮。同時(shí)也可看到，當(dāng)閃光燈的光強(qiáng)輸出太強(qiáng)或太弱時(shí)，均會(huì)造成成像質(zhì)量不佳，同樣影響了最終的測(cè)量準(zhǔn)確度。

表2 光束法平差精度估計(jì)均值及坐標(biāo)重復(fù)測(cè)量精度統(tǒng)計(jì)表（SUNPAK AUTO DX 16R）

圖5 距離被測(cè)物3m時(shí)4種閃光燈在不同光強(qiáng)時(shí)所反映出的精度估計(jì)變化圖

3 結(jié)束語

在數(shù)字近景攝影測(cè)量中，影響其成像質(zhì)量與測(cè)量準(zhǔn)確度的因素很多，但閃光燈在其中的影響作用卻常常被忽略，若能掌握閃光燈在其中的作用規(guī)律從而對(duì)閃光燈及光強(qiáng)大小做出正確有效的選擇，則會(huì)對(duì)數(shù)字近景攝影測(cè)量的最終高精度成果提供了更有力的保證。綜合各閃光燈在數(shù)字近景成像像素灰度值及測(cè)量精度方面的統(tǒng)計(jì)分析，可以得到：

1）在同一光強(qiáng)輸出情況下，像素最大灰度值隨著攝影距離的增大近似呈線性減小的趨勢(shì)。

2）不同品牌型號(hào)的閃光燈，即使具有相同的閃光指數(shù)，在相同距離處其所反映的標(biāo)志點(diǎn)像素最大灰度值也有所不同，體現(xiàn)了各閃光燈的光強(qiáng)輸出效能。

3）閃光燈在距被測(cè)物一定距離處，結(jié)合成像質(zhì)量綜合考慮，均有其最佳的閃光強(qiáng)度輸出值，由此能夠在數(shù)字近景攝影測(cè)量中做出最佳閃光燈光強(qiáng)輸出的選擇。

圖6 距離被測(cè)物5m時(shí)4種閃光燈在不同光強(qiáng)時(shí)所反映出的準(zhǔn)確度估計(jì)變化圖

圖7 距離被測(cè)物7m時(shí)4種閃光燈在不同光強(qiáng)時(shí)所反映出的準(zhǔn)確度估計(jì)變化圖

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The influence tests of ring flash on digital close-range photogrammetry

MA Kaifeng1，2，HUANG Guiping2，CUI Ximin1，CAI Qingkong1
（1.College of Geoscience and Surveying Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China；2.School of Resources and Environment，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450045，China）

In order to verify the effectiveness of a ring flash for using in the digital close-range photogrammetry，the test methods of light intensity adjustment for flash was used.The results of statistical analysis for the pixel gray value and the measuring accuracy of the obtained series digital image was researched by using the flash lamps of multiple brands and adjusting the different light intensity output in different measured distances respectively.The results showed there were close relationships between the digital image pixel gray value or measuring accuracy and the measured distances or different flash output intensity，and the suitable flash intensity could make the joint effect to achieve optimal for imaging quality and measurement precision，and it can meet accuracy requirements of large size industrial measurement.Thus it provides the data basis for choice of the flash and flash intensity in digital close-range photogrammetry.

digital close-range photogrammetry；ring flash；measurement precision；flash intensity；pixel gray value

A

：1674-5124（2015）07-0016-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.07.004

2014-12-19；

：2015-02-11

國(guó)家自然科學(xué)基金（51474217，41301598，41101373）國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2009ZX04014-093）

馬開鋒（1978-），男，河南虞城縣人，講師，博士，主要從事精密工程測(cè)量與工業(yè)攝影測(cè)量方面的研究。