一種檢校相機曝光同GPS marktime差的直接方法

袁沖，陳永超，張小惠

(1.武漢航天遠(yuǎn)景科技股份有限公司，湖北 武漢 430205； 2.武漢警官職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430040)

1 引 言

隨著無人機測繪遙感技術(shù)的普及，高程精度不滿足要求或需要大量外業(yè)像控點成為制約無人機測繪應(yīng)用的瓶頸。無人機技術(shù)用于基礎(chǔ)測繪，特別是 1∶1 000和 1∶500的基礎(chǔ)測繪，因基高比小這一先天因素造成的高程精度差的現(xiàn)象極為普遍。為了滿足高程精度要求，市場上普遍采用兩種工程路線來解決，一是外業(yè)大量采集像控點，二是最終成果里的高程點采用全野外方式來采集。無論是哪種方式，解決途徑都是加大外業(yè)工作量，通過外業(yè)的補充來提高成果精度。GPS輔助空中三角測量近幾年也開始應(yīng)用于低空無人機測繪遙感系統(tǒng)，主要用于稀少控制高精度測繪方案上，能顯著減少外業(yè)像控點的數(shù)量[1]。缺點是它對GPS的定位精度要求很高，特別是代表當(dāng)前低空無人機測繪遙感的最新技術(shù)即免像控高精度測繪更是對GPS記錄相機曝光點的絕對精度提出了更高要求[2]，當(dāng)前市場上普遍采用雙頻差分GPS來記錄相機曝光點的絕對坐標(biāo)。在原始數(shù)據(jù)的獲取過程中要求相機同差分GPS之間進行同步，即GPS內(nèi)部在相機曝光一瞬間記錄一個marktime點，后期根據(jù)這個marktime點來通過內(nèi)插方式計算出相機曝光瞬間相機所處的絕對位置。因相機卷簾的工作模式和工藝的問題，通常相機先打開快門曝光，然后才會輸出一個曝光信號，通過熱靴或其他方式傳給其他設(shè)備，因此其他設(shè)備記錄的這個有效曝光時間是有延時的，如果不對延時進行處理，實際上內(nèi)插出來的曝光點坐標(biāo)同實際坐標(biāo)有明顯偏差，在滿足高精度測繪時這個偏差會直接讓最終成果精度超過規(guī)范限差。有效測定相機曝光時間同GPSmarktime的延時差，是實現(xiàn)無人機測繪免像控的先決條件，特別是要滿足 1∶500的測繪，GPS對有效曝光點的定位絕對誤差要控制在 0.03 m以內(nèi)。通常相機有效曝光到觸發(fā)GPS記錄一個marktime時間點有幾毫秒的時間差，在固定翼無人機以 90 km/h的速度飛行時，每一毫秒飛機就能前進 0.025 m，幾毫秒可以引入 0.1 m的絕對定位誤差，因此精確測定相機有效曝光到GPS記錄marktime點之間的時間差在免像控測量中是不可缺少的步驟。

精確測定相機有效曝光到GPS記錄marktime點分為間接法和直接法兩種，分別稱為后驗檢校和先驗檢校兩種方式，其中后驗檢校也就是在空中三角測量光束法平差時將延時△t作為一個未知數(shù)參與平差解求，對每張影像除了傳統(tǒng)了6個外方位元素外，還有1個延時參數(shù)△t，共7個未知數(shù)，其中△t跟6個外方位元素具有很強的相關(guān)性，要精確求得△t則對連接點的質(zhì)量和分布有很高的要求，因此在弱紋理區(qū)域采用后驗檢校方式會降低△t的精度，進而降低了6個外方位元素的精度，空中三角測量難以達到預(yù)期的精度要求。先驗檢校是采用直接法來測量出延時參數(shù)△t，在空中三角測量平差前作為已知數(shù)來解算相機曝光點精確坐標(biāo)，這種方式不受地形弱紋理的限制，能有效保障空中三角測量精度。本文采用計算機內(nèi)部高精度計時器和中速旋轉(zhuǎn)電機等硬件，提出了一種直接測量法測量出相機有效曝光到GPS記錄marktime點之間的延時△t。

2 檢測原理及硬件組成

為了將GPS定位相機曝光位置精度提高到 0.03 m(3 cm)以內(nèi)，至少需要將延時△t精度提高到毫秒(ms)級，因此采用的尺度精度要優(yōu)于毫秒級，為了提高本方法的普及性，降低方法對器材的要求，本方法采用計算機內(nèi)部計時器計時。為了模擬相機航拍時相對地面的運動狀態(tài)，本方法采用相機固定不動來拍攝中速電機轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)過程產(chǎn)生的相對位置變化來檢測延時。因此本方法除了被檢測主體相機外還需要以下硬件軟件條件：

2.1 計時器DataTime.Now.Ticks

DataTime.Now.Ticks是Windows系統(tǒng).net框架下自帶的計時器，其中Ticks的計時單位為100納秒(ns)，每臺計算機的DataTime可能有所不同，但本方法只需要計算前后計時之間的時間差，即是相對時間，無須絕對時間精度，Ticks的計數(shù)精度可以精確到本方法所需精度的萬分之一倍，因此完全滿足方案需求而無須專業(yè)的計時器。本方法只需精確到1/10毫秒(0.1 ms)即可。

2.2 物理信號接收器COM端口

計算機COM端口是作為計算機通信的一種標(biāo)準(zhǔn)接口，COM端口除了可以完成標(biāo)準(zhǔn)通信功能之外，因9針腳的分工不同，如圖1所示，可以用5V～12V高低電平來觸發(fā)針腳來實現(xiàn)計時，對不同針腳的觸發(fā)可以分別記錄起止時間等[3]。具體實現(xiàn)時可以由計算機通過4pin來提供所需電壓和電流。

圖1 COM端口針腳

2.3 熱靴信號

當(dāng)前無人機稀少控制航測或免相控方案均是采用閃光燈熱靴信號觸發(fā)雙頻差分GPS來記錄曝光時間。相機在曝光瞬間，熱靴可以產(chǎn)生一個電流通斷信號，可以通過通斷信號向外界傳遞它正在曝光的這一信息，GPS在電流通斷變化一瞬間記錄一個marktime點作為相機曝光的時間。

2.4 中速電機加霍爾傳感器

電機上附加一個帶有標(biāo)記的轉(zhuǎn)盤，如圖2所示，轉(zhuǎn)盤外有一個不隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動的圓環(huán)套，霍爾感應(yīng)器固定在圓環(huán)上，跟霍爾感應(yīng)器配套的永磁鐵固定在轉(zhuǎn)盤上，永磁鐵到轉(zhuǎn)盤中心做一標(biāo)記線，標(biāo)記線寬度以剛好拍照成像清晰為宜，不宜過寬。圓盤表面顏色和標(biāo)記線顏色剛好成反色為宜，形成明顯色差，比如白色和黑色?；魻柛袘?yīng)器在本方法中工作原理如圖3所示：

圖2 電機轉(zhuǎn)盤與霍爾感應(yīng)器

圖3 霍爾開關(guān)通斷

圓盤旋轉(zhuǎn)的每一圈中，霍爾感應(yīng)器僅有如圖3(中)所示位置的一次通路，圓盤在其他狀態(tài)下霍爾感應(yīng)器均是斷路狀態(tài)[4](假定圓盤順時針旋轉(zhuǎn)，下同)。

2.5 本方法的工作原理

接通電機電源，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，電機帶動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，霍爾感應(yīng)器每形成一次通路時，電流信號通過COM端口進入計算機，計算機記錄電流信號傳入時間tn(n=0，1，2，3……)。相機清晰對焦到圓盤，在電機正常工作時對圓盤拍照，相機曝光同時通過熱靴將拍照信號傳入COM端口，電路示意圖如圖4所示。計算機記錄熱靴傳出的相機拍照信號tp1，通過拍照后的影像，如圖5所示，量測出標(biāo)記線的角度δ(單位為：度)，從tn中找出tp1所在的tk和tk+1，滿足：tk≤tp1

圖4 COM端口連線

圖5 角度量測

曝光時刻tp2可以通過如式(1)計算：

tp2=δ*(tk+1-tk)/360+tk

(1)

相機曝光同marktime間的延時△t=tp2-tp1，通常tp2

3 延時△t的測試方法和結(jié)果

3.1 測試方法

(1)COM端口延時檢測

由于Windows操作系統(tǒng)為多任務(wù)的非實時操作系統(tǒng)，通過串口觸發(fā)的計時受到非實時操作系統(tǒng)的影響，同時串口通信的本身物理特性和接口控制原理決定了串口通信是有延時的，在需要高精度延時測定時，串口通信的延時不能忽略[3]。通過圖1所示COM端口中的4pin和1pin形成一個閉合電路，由4pin輸出電流信號，1pin檢測電流信號，測試計算機COM端口的信號延時，為后續(xù)的測試提供修正值。實驗時為了盡可能地降低多任務(wù)的影響，在多核處理器上單獨開一獨立線程用于檢測串口通信延時，并且結(jié)果取1000次測試的平均值。

(2)相機設(shè)置

本方法在測試時所選用相機為當(dāng)前市場上廣泛采用的用于低空航空攝影測量的D810相機和最大光圈為1.4的 35 mm定焦鏡頭。實驗時為了盡可能還原航拍時的狀態(tài)，相機曝光1/1 000秒，光圈5.6，為了成像目視清晰，ISO6400，雖然成像有噪點，但不影響在照片上目視檢測標(biāo)記線。將相機的熱靴線做改裝，將熱靴輸出信號分別接入4pin和6pin，4pin為電流信號輸出端，6pin為信號檢測端。不同于COM端口延時檢測，6pin根據(jù)熱靴工作原理，檢測的是電流斷開時間，此時間為熱靴輸出信號時間。

(3)霍爾感應(yīng)器設(shè)置

霍爾感應(yīng)器有3根線，由外部電源供電，分別為電流進線(通常為正極)、電流出線(通常為負(fù)極，并且還可以接地)和信號線，當(dāng)霍爾感應(yīng)器接收到足夠強的磁信號時，感應(yīng)器的信號線由斷路狀態(tài)以納秒級的速度切換成通路狀態(tài)，信號線輸出同電流進線同等強度電壓信號，將該信號接入到8pin上，同時電流輸出線接入到5pin(負(fù)極，接地線)上，使外接電源裝置在8pin和5pin上形成一個閉合通路。

(4)電機設(shè)置

為了確保相機在上述參數(shù)設(shè)置條件小拍攝的影像上標(biāo)記線成像清晰，電機轉(zhuǎn)速越低越好，但要確保能精確測定影像有效成像的時間，電機轉(zhuǎn)速越快越好，因此需要在轉(zhuǎn)速上找到一個相對平衡點。經(jīng)多次測試，電機有效轉(zhuǎn)速在1 500轉(zhuǎn)/分鐘到2 000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速時可以取得比較理想的平衡。

(5)測試方法

先將相機離轉(zhuǎn)盤越1 m距離，對好焦，然后開啟COM端口檢測，檢測1 000次，取平均值作為COM端口的延時。然后開啟電機，調(diào)節(jié)電流強度，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在2 000轉(zhuǎn)/分鐘左右時，開始手動相機快門連續(xù)拍照，本次拍照共8張，相鄰兩張間隔大于 1 s。最后根據(jù)式(1)計算出△t，實際中需要考慮COM端口延時△t0，最終△t按如式(2)計算：

△t=tp2-tp1+△t0

(2)

筆者對所有測試以及檢測代碼是采用C#完成，其中端口信號檢測用到了.net中的關(guān)鍵類庫SerialPort類，為了盡可能降低測試受外界干擾，所有測試程序均是在主線程外單獨開啟線程來完成的。

3.2 測試結(jié)果及分析

在正式測試前多次測試COM端口自身延時△t0，每次測試1 000次，筆者電腦COM端口△t0基本穩(wěn)定在0.4毫秒(ms)左右，同計算機當(dāng)時所處的任務(wù)狀態(tài)有關(guān)，因此實際實驗時以拍照前實測的1 000次平均值為準(zhǔn)，本次實驗時測試為 0.391 ms。測試完COM端口延時后，開啟電機，待電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，一共拍攝了8張影像，圖6為部分所拍影像圖：

圖6 角度標(biāo)記繪制

拍攝完后，先用繪圖軟件將每張影像上標(biāo)記線和參考點(與霍爾感應(yīng)器相同位置)到轉(zhuǎn)盤中心的連線繪制出來，然后用專業(yè)量測角度軟件(本次采用武漢航天遠(yuǎn)景公司矢量采集軟件FeatureOne)量測出標(biāo)記線角度。每一轉(zhuǎn)均有一次起始時間和終止時間，本次測試每一轉(zhuǎn)所需時間約為 38 ms，延時預(yù)估時間一般為幾毫秒，因此可以認(rèn)為熱靴觸發(fā)時間絕大部分跟有效拍照時間是在一個完整的有效圈中，只有極少數(shù)會出現(xiàn)熱靴記錄時間會同拍照影像不在同一圈，即影像是在上一圈拍攝的，熱靴是在電機轉(zhuǎn)到下一圈中觸發(fā)，碰到此情況，基于電機速度穩(wěn)定了導(dǎo)致相鄰兩圈速度不會出現(xiàn)明顯突變這一條件，即認(rèn)為前后兩圈轉(zhuǎn)速不變，可以將影像量測角度減去360°來歸一到同一時間圈中來。最終測試數(shù)據(jù)如表1所示：

測試8組數(shù)據(jù)及時延結(jié)果 表1

在不考慮COM端口延時情況下，兩者延時△t=-3.037 9 ms，考慮COM端口延時情況下，兩者延時△t=-2.646 9 ms。在無人機以 90 km/h的飛行速度飛行時，0.391 ms帶來的誤差是ds=0.391×25/1000=0.009 775 m，約等于 0.01 m，而 3 ms帶來的誤差是 0.09 m。因此在大比例高精度測繪中，例如 1∶500基礎(chǔ)測繪中，COM端口延時是不可忽略的，△t應(yīng)取值 -2.646 9 ms，在精度要求稍低的測繪項目中，如 1∶1 000及更小比例尺測繪中，COM端口延時可以忽略。最后筆者用在智能鳥武漢試飛場對應(yīng)地面航拍分辨率約為 0.05 m航片進行了無像控空三加密，僅利用顧及延時△t=-2.646 9 ms解算的GPS進行無像控純GPS空中三角測量，測量結(jié)果進入立體測圖檢測精度，實驗采用如圖7(左)所示共52個點中的46個地物標(biāo)志明顯的點進行精度檢測，標(biāo)志如圖7(右)所示。最終立體測圖精度檢測結(jié)果如表2所示：

圖7 檢查點檢測

立體測圖中46個檢查點精度檢測結(jié)果 表2

從上表可看出在經(jīng)過延時△t改正后解算的GPS免像控空中三角測量精度完全符合 1∶500航測內(nèi)業(yè)規(guī)范精度要求[5]，驗證了本方法檢校的△t精度可靠，因此可以得出本方法檢校延時△t可靠這一結(jié)論。

在檢測過程中，對焦清晰、標(biāo)記線特征明顯、轉(zhuǎn)速適中和角度量測準(zhǔn)確是影響測試結(jié)果的關(guān)鍵因素。本方案需要基于有效曝光的影像來量測角度，因此成像清晰如否關(guān)系著角度量測的準(zhǔn)確性。標(biāo)記線色彩需同轉(zhuǎn)盤自身色彩能明顯區(qū)分開來，并且標(biāo)記線在成像清晰的情況下盡可能地細(xì)小，在后期量測過程中標(biāo)記線在圓盤邊緣由于像移的影響會明顯模糊化，因此量測時取影像上標(biāo)記線成像的中線為標(biāo)記線的實際位置。在1/1000秒的快門速度下，經(jīng)測試轉(zhuǎn)速不易過快，否則標(biāo)記線成像完全模糊化，不便于精確量測角度。最后角度量測需采用專業(yè)軟件來處理，并且事先最好先將參考點和標(biāo)記線矢量化，以盡可能地減小人為量測誤差。

4 結(jié) 論

本方法采用設(shè)備簡單，成本低廉，生產(chǎn)單位可就地取材，采用類似于相機畸變先驗檢校，對相機曝光到GPS產(chǎn)生marktime點的延時進行直接的先驗檢校，可以在后續(xù)免像控空中三角測量中不嚴(yán)格依賴連接點的質(zhì)量和密度，將外方位元素同延時△t解耦，有效提高了免像控方法的對地形適應(yīng)性，提高了免像控的精度，結(jié)合航飛及后續(xù)處理成果表明本方法測試精度可靠。本方法主要是測定相機有效曝光到輸出熱靴信號之間的延遲，并沒有解決GPS內(nèi)部在接收到熱靴信號到產(chǎn)生marktime點的純GPS設(shè)備內(nèi)部的延時測定，但通過Windows系統(tǒng)的COM端口測定，發(fā)現(xiàn)COM端口延時比較小，COM端口的延時會引入 0.01 m的誤差，實際生產(chǎn)中可以根據(jù)項目要求來決定是否要做COM端口的延時改正。針對單反相機在曝光方式存在簽簾卷門和后簾卷門兩種工作方式之分，本方案均適用。后續(xù)的工作可以繼續(xù)研究如何精確測定GPS自身記錄marktime的延時以及本方案的進一步集成化工作，如可以進一步采用COM端口輸出電流作為霍爾感應(yīng)器的供電電流等。

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