数码相机检校.pdf

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.07M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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分类号密级中国地质大学（北京）本科毕业论文题目非量测数码相机检校及可靠性分析英文题目 Calibration of Non-Metric CCD Camera and its Reliability Analysis 学生姓名李聪院（系）土地科学技术学院专业测绘工程学号 12107210 指导教师王淑晴职称讲师二 O 一一年六月

摘要随着摄影测量的发展，数码相机的使用更加广泛，然而，相比于传统的量测相机，它没能提供准确的内方位元素，透镜组也因没有进行严格的校正而产生较明显的光学畸变差，因此数码相机的检校成为摄影测量中的一个重要问题。本文主要通过直接线性变换方法对选定的尼康 D60 相机进行检校，并对检校成果的可靠性进行验证。首先，在室外布设一个简易的检校场，并用选定的相机多测站获取像片。分别用全站仪和 Matlab 软件量测检校控制点的物方坐标和像方坐标。然后采用直接线性变换方法对该相机进行检校，并根据检校结果反算控制点物方坐标，对检校结果的可靠性进行验证。最后对检校过程中出现的数据采集以及检校结果不稳定、不收敛等问题进行分析并提出解决方案。关键词：摄影测量；相机检校；直接线性变换；检校可靠性

ABSTRACT ABSTRACT With the development of the photogrammetry, the application of digital camera is getting increasing extension.However, compared to the traditional metric camera, it fails to provide accurate interior orientation elements, besides there also exists obvious optical distortion parameters because of the lack of strict correction of the lens group. As a result, the calibration of non-metric camera becomes an important link in photogrammetry. In this paper, we select a Nikon D60 camera and operate the camera calibration by employing a method of Direct Liner Transformation, and then verify the reliability of the calibration results. Firstly, we set a simple calibration field in the open air, then got photos in different positions by the selected camera. we respectively used the total station and the Matlab software to get the object coordinates and the image coordinates of the control points. Then via the direct linear transform method, we operated the calibration for this camera. Afterwards the objects space coordinates of the control points were got inversely according to the calibration results. Meanwhile, the reliability of the calibration results could be verified easily. Finally, we made detailed analysis and discussion for the issues arising in the course of the calibration such as: the data acquisition, the unsteadiness or the bad convergence of calibration result, proposing solutions and directions for further research. Key words: Digital Camera Calibration; Direct Liner Transformation; Calibration reliability II

目录目录一、绪论............................................................................................................. 1 ㈠摄影测量及其发展状况 ............................................................................................. 1 ㈡数码相机检校的必要性 ............................................................................................. 1 ㈢论文研究内容 ............................................................................................................... 2 二、数码相机的结构、原理和检校内容........................................................... 3 ㈠数码相机的结构、原理 .............................................................................. 3 ㈡数码相机检校内容 ...................................................................................... 3 1. 内方位元素 ................................................................................................... 4 2. 光学畸变差 ................................................................................................... 4 3. 外方为元素 ................................................................................................... 5 三、数码相机的检校方法 .................................................................................. 7 ㈠基于直接线性变换的检校原理 ..................................................................... 7 1. 中间参数 ....................................................................................................... 8 2. 直接线性变换检校的一些技术性问题 ....................................................... 10 3. 检校结果的可靠性验证 ............................................................................... 11 ㈡附加约束条件的 DLT ............................................................................... 12 ㈢单像空间后方交会 .................................................................................... 13 1. 像点坐标误差方程式一般式各偏导数的严格关系式................................ 14 2. 控制场中控制点的布设问题 ...................................................................... 16 3. 单像空间后方交会法相机检校的一些技术要求 ....................................... 17 ㈣多片空间后方交会 .................................................................................... 17 四、控制点物方空间坐标和像方坐标的量测 ................................................. 19 ㈠控制场的布设 ........................................................................................... 19 ㈡控制点物方空间坐标的量测与计算方法 ................................................. 20 1. 控制点物方空间坐标的测量 ...................................................................... 20 2. 控制点物方空间坐标的计算 ...................................................................... 20 ㈢控制点像方坐标的量测 ............................................................................ 21 1. 图像处理 ..................................................................................................... 21 2. 像点坐标的自动获取.................................................................................. 22 五、相机检校的实现与数据分析 .................................................................... 24 ㈠直接线性变换检校方法的实现 ................................................................ 24 1.控制点物方坐标获取 ................................................................................... 24 2.控制点像方坐标的获取 ................................................................................ 24 ㈡直接线性变换的实现 ................................................................................ 27 1.单片直接线性变换 ....................................................................................... 27 2.多片直接线性变换 ....................................................................................... 28 ㈢检校过程中出现的问题与分析 ................................................................ 29 1. 图像增强中灰度阈值的确定对后续的直线检测的影响 ............................ 29 2. 控制点分布与测站位置间的影响 .............................................................. 30 3. 对检校结果的认识 ..................................................................................... 32 结论 .................................................................................................................. 35 致谢 ....................................................................................错误！未定义书签。 III

目录参考文献 ................................................................................................................ 37 附录 .................................................................................................................. 41 附录一：像点坐标自动提取 MATLAB 程序源代码 .......................................... 39 附录二：直接线性变换 MATLAB 实现的程序源代码 ....................................... 41 IV

中国地质大学（北京）2011 届本科毕业论文一、绪论㈠摄影测量及其发展状况摄影测量发展到今天，已经进入了它的第三个阶段——数字摄影测量阶段。它对于整个摄影测量的教学、科研、生产都产生了深远的影响，而且它的影响远远不能认为仅仅是一种技术的发展，一个生产设备的改进以及生产效率的提高。在它的发展下，传统的航空摄影测量以及近景摄影测量也都得到了迅猛的发展。近景摄影测量是通过摄影和随后的图像处理和摄影测量处理以获取被摄目标的形状、大小和运动状态的一门技术。凡是可摄取其影像的目标，均可作为近景摄影测量的对象，以获得目标上点群的三维空间坐标，以及基于这些三维空间坐标的长度、面积、体积、等值线等。在同时记载时间信号的情况下，还可获得运动目标的运动状态，即获取运动目标（点）的速度、加速度和运动轨迹等。与其他测量手段相比，近景摄影测量的优点在于它兼有非接触性量测手段，不伤及被测物体，信息容量高，信息易存储，可重复使用信息，精度高，速度快，特别适用于测量容有大批量点位的目标，躲避危险环境而远离摄影对象等众多优点。作为摄影测量的一个重要分支，近年来近景摄影测量[1]获得了很大的发展，在高精度三维测量以及变形监测等领域已有了不少成功的经验。将数码相机用于近景摄影测量，降低了设备的费用，简化了工程流程，特别是目前在处理数码影像中引入了更多的数字图象处理、模式识别等理论和技术，并且随着数码相机技术不断得到发展和完善，标定精度不断提高，使近景摄影测量广泛渗透到其他领域。目前，近景摄影测量不仅应用于测绘界，还广泛渗透到其他领域。如任伟中等人将数码相机应用于岩土工程的模型试验变形测量中，量测材料应力、形变、裂纹扩展演化途径、破坏形态等；管业彭等人将数码相机应用于现代工业生产中，对工件的三维坐标进行精密测量；陈建华等人将数码相机应用于文物测绘中，测绘文物的立面轮廓线图，对文物进行重建和保护；李浩等人将数码相机应用于地质工程中，进行施工地质编录；Fisher 等人还将数码相机用于汽车制造过程，对汽车的设计模型、产品的出厂技术参数进行实时测定；如数码相机近景摄影测量方法实现煤山测量、泥石流近景摄影测量及可视化、污水治理 SB 泵站沉井监测等等。很显然，数码相机的使用给近景摄影测量的发展带来新的机遇。㈡数码相机检校的必要性摄影测量已广泛应用于各类建筑工程、机械制造、航空航天技术、汽车制造、城市区域规划、古建筑与古文物研究、考古等等方面，其发展前景十分广阔。一般来说在近景中对精度要求都是比较高的，特别是对于机械制造、航空航天技术、汽车制造等等方面，而测量所能达到的精度关键在于所选用的设备能提供的精度，然而普通数字相机并不是为摄影测量专门设计的,它没有准确地测定内方位元素的功能或提供这方面的数据；透镜组的排列没有进行严格的校正,往往有畸变差等光学缺陷存在；未采取减少或改正底片变形的措施，并且不具备记载外部定向参数的功能。因此要保证提供较高的量测精度，就必须对其各参数指 1

中国地质大学（北京）2011 届本科毕业论文标进行精确的检校。㈢论文研究内容数码相机检校的内容[2-4]较多，本课题中涉及的检校内容主要包括:内方位元素包括主点位置(x0，y0)与主距(f)的标定，光学畸变系数中径向畸变系数的测定。本文采用了直接线性变换相机检校方法，依照相机检校的内容，设计中进行了如下内容的工作：检校流程：简易场的建立物方坐标测量相片拍摄像点坐标获取过程问题探讨与解决检校成果分析检校流程详细说明：建立检校场[5-6]。室外简易布设，要求具有一定数量的基本控制点和若干有特殊图形的标志点，控制点和标志点要有相当的稳定性。控制点及标志点的测定。极坐标方法获取各点的平面坐标，全站仪水准法三角测量确定高程。相片拍摄。锁定相机主距，在试验场中多测站，相机以不同旋转角拍摄标志点相片。像点坐标获取。 Matlab 实现图像处理标志点坐标的自动获取。过程问题探讨与解决检校成果分析[7]。论文第二章主要介绍数码相机的原理、结构和检校内容；第三章阐述了本文主要采用的直接线性变换方法的原理与实现过程，同时也介绍了附加参数直接线性变换和空间后方交会等常用检校方法的原理，及具体实现过程中的数学模型与解算。第四章是检校场中控制点标志点三维坐标的测定和像平面坐标的自动获取等方法的叙述。第五章是实验的过程，实验数据精度的分析评定，以及出现的问题。最后总结论文中成功解决的问题，和尚未完全解决的问题，并指出论文中需要进一步研究方向和内容。 2

中国地质大学（北京）2011 届本科毕业论文二、数码相机的结构、原理和检校内容㈠数码相机的结构、原理数码相机是在计算机技术高速发展人们对图像数字化产生迫切要求的情况下应运而生的。在其发展过程中，吸取了传统相机长期以来形成的优点。数码相机从外观上与传统相机区别不很大，其中部分结构与普通相机基本相同，如机身、镜头、闪光灯等，部分结构与传统相机不同，如感光元件(CCD 或 CMOS)，图像存储器、液晶显示屏(LCD)以及输出控制端口等。这些不同构成了数码相机与传统相机的本质区别。数码相机主要由五个部分组成，即取景系统、控制系统、成像系统、输出系统和电源。数码相机的核心部件主要包括:CCD(或 CMOS)图像传感器、户 JD 模数转换器、MPU(或 DSP)数字信号处理器、图像存储器、LCD 液晶显示器以及输出接口等。图 2-1 是数码相机的原理结构图：图 2-1 数码相机的原理结构图图 2-1 表示的数码相机的工作原理为：当拍摄景物时，通过镜头将光图像信息作用在 CCD(或 CMOS)图像传感器上，光图像信息经 CCD(或 CMOS)转换为模拟电信号，然后经过 A/D 模数转换器转换为数字信号，再经过 MPU(或 DSP)数字信号处理器存到存储器中，这些图像信息可以在数码相机的 LCD 显示器上显示出来，最后，通过数字接口或视频接口输出给计算机、电视机或打印机等。㈡数码相机检校内容由上述数码相机的结构及工作原理可知，数字相机的误差不仅可能由光学镜头的畸变与机械误差引起，还可能由视频信号的“模/数转换”产生,分别称为光学误差、机械误差和电学误差。光学误差主要是指光学畸变差,是指相机物镜系统设计、制作和装配误差所引起像点偏离其正确成像位置的点位误差。光学畸变差包括径向畸变差(Radial Distortion)和离心畸变差(Decentring Distortion)两类。径向畸变差使构像点沿径向方向偏离其准确位置；而离心畸变是由于镜头光学中心和几何中心不一致引起的误差，它使构像点沿径向方向和垂直于径向方向都偏离其正确位置。机械误差是指在光学镜头摄取的影像转化到数字化阵列影像这一步产生的误差，这项误差又是由以下两个因素引起的：①扫描阵列不平行于光学影 3

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