回轉(zhuǎn)多基線數(shù)字近景攝影測量在文物保護中的應用

煙雷剛 李天子

【摘 要】以非量測性的數(shù)碼相機高精度幾何標定技術和回轉(zhuǎn)多基線數(shù)字近景攝影測量技術為基礎，設計出用文物三維建模的技術流程，經(jīng)過理論研究和實驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析，驗證了近景攝影測量用于文物建模的精度和可行性，為古文物三維建模提供了便捷、可靠的途徑。

【關鍵詞】幾何定標；多基線近景攝影測量；文物保護

0.引言

近景攝影測量作為一種非接觸的性測量手段，擁有體積小、重量輕、價格低廉、應用靈活方便、聚焦范圍廣、可以隨意定向等自身特點；同時可瞬間獲取地表的大量物理信息和幾何信息[1]，形成密集點云和三維可視化等產(chǎn)品，彌補了傳統(tǒng)測量勞動強度大、精度低、作業(yè)復雜等缺陷[2]。已經(jīng)成為古文物三維建模的一項重要手段。

隨著CCD技術的發(fā)展，非量測數(shù)碼相機在近景攝影測量中得到了廣泛應用。但非量測數(shù)碼相機鏡頭畸變大，像主點不在CCD幾何中心上，CCD面陣內(nèi)畸變等，使得圖像畸變大，直接使用，測量精度低。因此實現(xiàn)非量測相機的量測化，影像的糾正成為一項必要的工作[3]。同時，在近景攝影測量中引入新的機制、新的數(shù)據(jù)獲取方式、 新的影像匹配算法、產(chǎn)生一套新的數(shù)字近景攝影測量的理論-多基線數(shù)字近景攝影測量[4]。

總結(jié)出利用非量測相機和多基線近景攝影測量技術對古文物三維建模和可視化的近景攝影測量方法和基本流程，提高近景攝影測量為文物保護提供高精度的可靠數(shù)據(jù)的效率，成為一項非常必要的工作。

2.非量測數(shù)碼相機幾何標定

2.1非量測數(shù)碼相機檢校

非量測數(shù)碼相機鏡頭畸變大，像主點不在CCD幾何中心上，存在CCD面陣內(nèi)畸變等，使得獲取的影像畸變大。而近景攝影測量軟件lensphoto需要相機檢校參數(shù)，否則會增加像點坐標量測誤差。因此實現(xiàn)非量測相機的量測化，即相機檢校和影像的糾正成為近景攝影測量前的一項必要工作。

Lensphoto軟件計算機屏幕檢校的方法，該方法檢校經(jīng)穩(wěn)固加工后的cannon eos 450D相機，如圖1所示。為適應本實驗任務要求，相機調(diào)焦至無窮遠，為使檢校場影像清晰，屏幕在相機超焦點距離之外，共需要拍攝影像108張，檢校工作量巨大；且屏幕控制場在每張影像所占的比例過小，嚴重降低了檢校參數(shù)的精度。

該軟件檢校參數(shù)除像主點坐標外，包括徑向畸變參數(shù)k1、k2和偏心畸變參數(shù)p1、p2，公式如下：

ki（i=1，2）是描述該物鏡系統(tǒng)徑向畸變的系數(shù)，r為該像點的徑向。r可用以下近似公式計算：

r= 式中（x，y）是該像點坐標，（x0，y0） 是像主點坐標。

該公式并不完整，實驗證明（參考下面檢校場檢校法），徑向畸變參數(shù)取至k1，k2精度不能滿足地表沉降監(jiān)測需要；且除徑向畸變和偏心畸變外，數(shù)碼相機還有面陣內(nèi)畸變。

采用基于Australis 軟件大型檢校場的檢校方法，滿足控制場在相機超焦點距離之外，且只需24張影像，檢校工作量小。該軟件采用的檢校參數(shù)除像主點坐標外，包括徑向畸變參數(shù)k1、k2、k3，偏心畸變參數(shù)p1、p2和面陣內(nèi)畸變參數(shù)b1、b2，公式如下 [4]：

2.2 影像預處理

運用檢校獲得的畸變參數(shù)，進行了影像重采樣。經(jīng)對比最鄰近像元、雙線性和雙三次卷積三種卷積核，雙線性差值法能精度滿足要求，且效率較高（原理如圖2）。

圖2雙線性插值原理圖

I（Q）=（1-△x）（1-△y）I11+（1-△x）△YI12+△x（1-△y）I21+△x△yI22

Iij （=1，2）表示ij點的灰度值，I（P）表示P點的灰度值[5]。

3.外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集包括控制測量數(shù)據(jù)的采集和影像數(shù)據(jù)的采集。為把近景攝影測量網(wǎng)納入到物方高斯投影的平面直角坐標系中，進行了控制測量。為提高控制測量精度，使其精度滿足地面沉降監(jiān)測的近景攝影測量控制測量的精度需要，采用前方交會測平面坐標，三等水準測高程的方法。在影像數(shù)據(jù)采集方面，為提高影像的相對定向精度和數(shù)據(jù)處理的可靠性，采用了回轉(zhuǎn)多基線攝影方式進行影像數(shù)據(jù)采集。

3.1控制測量數(shù)據(jù)采集

平面坐標采用全站儀閉合導線方法，難以滿足文物測量的精度要求。因為控制網(wǎng)建立過程中，選擇精度適宜的精密角度測量設備容易滿足要求。但是選擇精密長度測量手段，卻難以順心。因此，平面坐標的測量，采用全站儀角度的前方交會，精度滿足沉降監(jiān)測要求。高程采用水準測量方式，采用四等水準，可滿足高程精度要求，這里不再贅述。

在已知兩點A（XA、YA、ZA）、B（XB、YB、ZB）上架設全站儀，前方交會測定待定點P（XP、YP）坐標，如圖3所示：

前方交會平面點位坐標中誤差MP的關系式為：

式中：

mA、mB：測站點A、B的點位中誤差；

m：內(nèi)角A、B的測角中誤差；

S：基線AB的長度；

3.2影像數(shù)據(jù)采集

多基線攝影測量相鄰影像交會角“小”，易于匹配；多基線，總體交會角“大”，確保交會精度；同時多方向交會，使前方交會具有多余（冗余）觀測，能夠增加影像匹配的可靠性。因此是近景數(shù)字攝影測量理論與實踐的重要發(fā)展方向之一。根據(jù)攝影目標大小，攝影距離，本例采用回轉(zhuǎn)多基線攝影方式[4]，即在常規(guī)兩攝站交向攝影的基礎上再增加幾個攝站。

多基線立體匹配技術具有以下特點：一方面由于相鄰相片之間的基線較短，影像變形相對較小，從而有利于自動化匹配的順利進行。另一方面由于非相鄰相片之間也具有較大重疊度，則利用相鄰相片的同名點進行匹配傳遞可以獲取具有多度重疊的同名點。顯然，通過這種匹配技術獲取的每組同名點具有大量的多余觀測，若使用選權(quán)迭代法獲取觀測值的權(quán)值并利用多片前交進行平差計算，則可以大大提高模型點坐標計算的可靠性和精度。由于同名點不斷通過相鄰相片進行傳遞，直到無法匹配為止，這樣對不同的模型點具有不同的重疊度。由于影像數(shù)據(jù)增多，為了提高匹配速度，可以采用金字塔匹配技術，而具體的單點匹配算法可以采用相關系數(shù)匹配和最小二乘匹配。

本例選擇的文物為較有代表性的圓周型文物，為使影像完成自動匹配，采用每轉(zhuǎn)10°拍攝一張影像的方式，共拍攝36張影像。但數(shù)據(jù)處理過程中，不能在一個測區(qū)內(nèi)處理，需要分為四個測區(qū)，做影像匹配，空三交互，區(qū)域網(wǎng)平差，生成點云完畢后，再做測區(qū)拼接和整體平差，最后在整體點云上做紋理粘貼，形成三維可視化的模型。

4.數(shù)據(jù)處理與實驗分析

實驗選擇的對象是河南理工大學名譽校董孫越崎的銅像，該銅像包括基座和像身兩部分，基座為約變長60cm的正六面體，像身在幾座正上方，高約150m，基座和像身共高月210cm。觀測時間2011年7月。

攝影采用Cannon EOS 450D相機，相機鏡頭為變焦鏡頭，經(jīng)過簡單的固定，固定焦距35mm，CCD尺寸：4272×2848像素，像元寬度5.2μm。回轉(zhuǎn)多基線正直攝影方式，共拍攝36張影像。

共分四個測區(qū)內(nèi)，每個測區(qū)內(nèi)均勻布設7個控制點。控制點的測量，平面坐標采用全站儀前方交會，外圍控制網(wǎng)高程采用四等水準精度評定：Mp=5.2mm，MH=4.3mm。

作自由網(wǎng)平差，平差后中誤差為：0.00088mm，匹配精度遠小于1/2個像元的有效數(shù)據(jù)要求，滿足軟件限差要求。匹配點如圖4所示。

圖4 自由網(wǎng)平差圖

進一步約束平差，得到7個點的精度統(tǒng)計報告，在X、Y、Z三個方向上的中誤差分別為：±0.0034m、±0.0039m、±0.0026m，在X、Y、Z三個方向上基本達到1/2象元精度。生成點云如圖5所示。

圖5 銅像點云及三維可視化圖

另一實驗為河南理工大學測繪學院門前院名石，生成的點云和三維可視化圖像如下圖6所示：

圖6 院名石點云和三維可視化圖

5.結(jié)束語

本文從理論和實驗兩方面闡述了使用普通數(shù)碼相機，經(jīng)過簡單固定和高精度檢校，用于古文物高精度三維建模的可行性；為達到要求的攝影精度，控制測量采用過了高精度工業(yè)控制測量方案，攝影方式綜合考慮和攝影測量的幾何關系和影像匹配，采用回轉(zhuǎn)多基線攝影方式，經(jīng)過lensphoto軟件數(shù)據(jù)處理，并得到了滿意的成果，為古文物的三維建模提供了有益的借鑒。但限于lensphoto軟件的編輯功能有限，建模方面需要進一步開發(fā)模型編輯功能，使模型更加美觀。

【參考文獻】

[1]馮文灝.近景攝影測量[M].武漢大學出版社，2002.

[2]楊化超，鄧喀中等.數(shù)字近景攝影測量技術在礦山地表沉陷監(jiān)測中的應用研究[J].中國圖象圖形學報，2008，13（6）：519.

[3]李天子，郭輝.非量測數(shù)碼相機的影像糾正[J].測繪通報，2006，（10）：59-63.

[4]張祖勛.多基線-數(shù)字近景攝影測量[J].地理空間信息，2007，5（1）：1-4.

[5]張祖勛，張劍清.數(shù)字攝影測量學[M].武漢大學出版社，2002.