浅谈全数字摄影测量系统的生产流程及技术要求

摘　要：本文介绍了全数字摄影测量系统研究基础，推演了全数字摄影测量系统理论基础，并对全数字摄影测量系统的生产流程进行了分析和研究，包括数字摄影测量系统的硬件组成、定向反光材料和数字图像的获取及处理技术，在此基础上，给出了全数字摄影测量系统器件使用原则策略，包括图像采集卡的选用、CCD的选用和光源的选用的原则。

关键词：全数字，摄影测量系统，生产流程，技术要求
1.引言
　　随着现代工业的发展，各个领域中的生产和工程都已对大尺寸测量提出了期望和明确要求，数字摄影测量技术已广泛应用于大尺寸精密测量中，工业数字摄影测量是建立在专业像机摄影和计算机图像处理基础上的一门新兴检测技术，其研究的重点是物体的几何尺寸及物体在空间的位置、姿态等，数字成像器件模型及标定和高精度亚象素定位技术是数字摄影测量中的核心技术[1]。
2.全数字摄影测量系统研究基础
　　VirtuoZo的核心技术处于国际领先水平，目前已研制开发了工作站、微机两大类，其主要功能为从输人的数字地面模型制作带等高线的正射影象图与三维立体模型与交叉式全自动地物量测，可用于摄影测量、遥感与地理信息系统的数据采集与更新、测图与地图修测等[2]。
　　摄影测量在近百年的历史发展中经历了模拟、解析和数字摄影测量三个阶段，模拟摄影测量仪器完全依赖于精密的光学机械仪器，如用两根金属导杆代替投影光线，将两个同名像点的投影光线交会得到它们的空间点位，到解析摄影测量时代，计算机引入到摄影测量领域，构建数字导杆代替模拟测图仪的金属导杆，控制像片的实时运动，交会计算空间点位坐标，当今计算机化的数字摄影测量时代，数字影像取代原始像片，与一般计算机系统类似，数字摄影测量系统由硬件和软件组成，硬件是一台计算机及相应的立体眼镜、手轮、脚盘和踏板等辅助设备，应用各种功能的摄影测量软件完成摄影测量的各项工作。现在数字摄影测量系统己在各个测绘单位得到广泛应用，研究如何把摄影测量应用到其他相关领域是摄影测量工作者的责任和义务[3]。
　　摄影测量从解析法到现在的数字化测量是发展的必然趋势，数字摄影测量包括计算机辅助测图和自动化测图两个方面，计算机辅助测图利用立体坐标量测仪与数字计算机接口，进行各种作业，比如在仪器上进行相对定向时，由观测者观测六个控制点，并自动输入到计算机中，由计算机即时算出相对定向元素的数值，手动操作安置在相应投影器上以加速作业过程，此外，如绝对定向，模型误差的改正，坐标变换等工作均由计算机完成，虽然如此，计算机辅助测图依然需要用人眼立体观测像片，寻找同名像点，实现影像相关，而计算机是起到数据记录与处理的辅助控制作用，实现了摄影测量的半自动化[4]。
3.全数字摄影测量系统理论基础
　　摄影测量系统是从摄像机获取的图像信息出发，计算空间物体的三维坐标。图像上每一点的亮度反映了空间物体表面某点反射光的强度，而该点在图像上的位置则与空间物体表面相应点的几何位置有关，这些位置的相互关系，由摄像机成像几何模型所决定，该几何模型的参数称为摄像机参数，这些参数必须由实验和计算来确定，实验与计算的过程称为摄像机标定[5]。
　　摄像机模型是光学成像几何关系的简化，最简单的模型为线性模型(或者称为针孔模型)在满足针孔模型假设的前提下，像点、光心和物点满足共线方程，即三点共线。对于单摄像机的情况，如果光心的像点已知，就可以确定像点和光心组成的唯一射线，而物点必然在此射线上。但是物点在此射线上的具体位置无法确定。也就是说在没有其他附加信息的条件下，仅用单个摄像机是无法确定目标的三维位置的。
　　在使用两台或多台摄像机的条件下，利用各个摄像机的光心和像点组成的射线都应该通过空间物点，即各射线应在物点相交的原理就可以对空间物点进行交会定位，简称线线交会。这就是近景摄影测量学的原理。
　　理论上说这些射线应该相交于同一点，但是由于实际摄影系统总存在各种误差，特别是镜头畸变误差、目标图像提取误差、摄影系统参数求解舍入误差等，使得物点、光心和像点很难严格满足共线条件。因此这些射线通常不是严格的数学意义上的相交于一点，而是近似相交于一点。
　　对多数摄影测量系统来说，成像系统的物距远大于焦距。在确定由光心和像点组成的射线过程产生的微小误差，会对空间交会结果带来很大的误差。特别对于遥测，“失之毫厘，差以千里""是一种非常形象的描述。因此精确地确定由像点和光心组成的射线是摄影测量的关键。要做到这一点，就要注意两个关键因素：第一，精确地确定摄影系统的系统参数，如光心、光轴和焦距；第二，精确地提取目标的对应像点的位置。
4.全数字摄影测量系统的生产流程分析与研究
4.1 数字摄影测量系统的硬件组成
　　计算机图像处理必须建立一个处理系统，系统包括硬件环境和软件能力两项。而硬件环境一般分为两大类型。市场上图像处理的硬件多种多样，价格相差极为悬殊，从总体上看也大致对应分为两类：一是在计算机主板的插槽中插入一个图像卡，该卡有刷新图像存储器等专用硬件，而图像进一步处理、分析、计算、判断等工作则由计算机软件来完成，这种类型可简称为软件型图像处理系统，其处理速度完全取决于计算机CPU的运算速度和图像卡采集图像的速度(如果要经常性采集处理实时图像的话)。另一类是用专门硬件进行图像处理，而主机仅作为发布命令及进行小部分处理，图像硬件处理可以脱机进行。此专用硬件称为图像计算机，因此这一类可称为图像计算机型图像处理系统。
　　

图1 图像测量系统示意图

　　数字摄影测量系统是在数字图像测量系统（如图1图像测量系统示意图所示）基础上进行扩展和改进的，主要表现在被测物体和处理软件的不同，具体的硬件组成主要包括被测物体(定向反光标志)、数字图像的获取及处理(电源、CCD和图像采集卡)和电脑系统几个部分。其中电脑系统主要用于运行测量系统软件，现行基本配置即可满足要求。
4.2 定向反光材料
　　定向反光材料的原理是反光材料中都含有一种高折射率玻璃微珠或微晶立方角体，将入射光按原路反射回光源处，形成回归反射现象。定向反光材料主要包括反光膜、反光布、反光革、反光油，反光织带、反光安全丝织物等，主要用于各种交通标志的制作，是驾 驶员在数百米之外就可以看清牌面上的图案，大大有利于安全行车。此外，反光路标、反光标线、反光警服、反光车号牌、反光隔离带等设施也正在推广使用。
4.3 数字图像的获取及处理
　　图像的好坏，直接影响着后续的处理和处理结果的准确性，必须根据检测目的，合理地选取成像系统的各个组成部件。对于每个应用，我们都需要考虑各种因素，包括：系统的运行速度、图像处理速度和系统精度、使用彩色还是黑白CCD、任务是检测尺寸还是判断有无、视场多大、分辨率多高、对比度多大等等。由于计算机技术的迅猛发展．一般的PC机都能满足视觉检测系统的任务要求。
　　
5.全数字摄影测量系统器件使用原则策略
　　各种器件的选用原则如下。
5.1 图像采集卡的选用
　　图像采集卡是机器视觉的重要组成部分，其主要功能是对相机所输出的视频数据进行实时的采集，并提供与PC机的高速接口。
　　一、板卡的选择
　　板卡的选择要考虑板卡硬件的功能，包括相机支持、灯源触发、图像存储及其他参数；板卡软件包，包括开发硬件环境、开发操作系统、开发语言以及软件图像处理功能的优劣，如边缘寻找功能、目标定位功能、图像预处理功能、字符读取功能、数据读取功能、图像缓冲功能、实际应用功能、接口功能和其他辅助功能等。
　　二、图像采集卡的技术参数
　　图像采集卡的技术参数主要有以下几个方面：
　　(1)传输速率主流图像采集卡与主板间都采用PCI接口，其理论传输速度为132MB/S。
　　(2)传输通道数：当摄像机以较高速率拍摄高分辨率图像时，会产生很高的输出速率，这一般需要多路信号同时输出，图像采集卡应能支持多路输入。一般情况下，有1路、2路、4路、8路输入等。
　　(3)图像传输格式：图像采集卡需要支持系统中摄像机所采用的输出信号格式。大多数摄像机采用RS422或EIA644(LVDS)作为输出信号格式。在数字相机中，IEEEl394，USB2．0和Camera Link几种图像传输形式得到了广泛应用。
　　(4)采样频率反映了采集卡处理图像的速度和能力。在进行高速图像采集时，需要注意采集卡的采样频率是否满足要求。目前高档的采集卡其采样频率可达65MHZ。
　　(5)分辨率采集卡能支持的最大点阵反映了其分辨率的性能。一般采集卡能支持768x576点阵，而性能优异的采集卡支持的最大点阵可达64Kx64K。
　　(6)图像格式(像素格式)黑白图像：通常情况下，图像灰度等级可分为256级，即以8位表示。常用于图像处理的文件格式有JPEG和BMP等。我们所研究的图像主要是通过面阵CCD摄像机获取，经图像采集卡对模拟图像进行量化后得到数字图像，并将采集图像按照位图文件(BMP)的格式来存储，以便数据保存和管理，在线处理时，也可对采集到内存的图像直接进行处理，提高处理速度。
　　三、按图像采集卡的主要特性可以分为：
　　(1)彩色图像采集卡与黑白图像采集卡：根据系统中摄像机的不同，图像采集卡也相应地分为彩色图像采集卡和黑白图像采集卡，彩色图像采集卡也可以采集同灰度级别的黑白图像。
　　(2)模拟图像采集卡与数字图像采集卡：目前市场上广泛应用的摄像机是模拟信号摄像机，与此相应所采用的图像采集卡也是模拟图像采集卡。模拟图像采集卡上设有A/D转换芯片，其对输入信号以4：2：2格式进行采样，然后进行量化，一般对RGB各8位量化，将传入的视频信号转换为数字图像信号。与数字摄像机配套使用的图像采集卡，可称为数字图像采集卡。
　　(3)面扫描图像采集卡和线扫描图像采集卡：与面扫描相机配套的采集卡是面扫描图像采集卡，其一般不支持线扫描相机。配合线扫描相机使用的是线扫描图像采集卡。支持线扫描相机的图像采集卡往往也支持面扫描相机。
5.2 CCD的选用
　　CCD相机的镜头类似于人眼的晶状体。如果没有晶状体，人眼看不到任何物体；如果没有镜头，CCD相机就无法输出清晰的图像。在任何机器视觉系统中，镜头的主要作用是将成像目标聚焦在图像传感器的光敏面上。镜头的质量直接影响到机器视觉的整体性能，选用镜头主要根据镜头的几个参数来确定。一般情况下，考虑镜头的成像面、焦距、视角、工作距离、视野和景深等参数。镜头的焦距与视野成反比，而与最小工作距离成正比，市场上常见型号为50mm、25mm和16mm的镜头，16mm的镜头焦距最小，而视角、视野最大，但最小工作距离最近，50mm的镜头焦距最大，其视角、视野最小，而工作距离最远。镜头的选用原则是：工作距离越近越好、镜头畸变越小越好、视野越大越好。
　　CCD相机的相关特性参数有：最低照度、固定图像噪声、分辨率、扫描方式、接口等等。另外值得注意的是1989出现的“有源像敏单元""有源结构，使CMOS相机光电灵敏度提高，噪声减少，动态范围扩大，使它的一些性能参数与CCD图像传感器相接近，而且功能、功耗、尺寸和价格等方面要优于CCD图像传感器，
所以应用也越来越广泛。具体选择相机时，还要考虑精度要求与相机分辨率、速度要求、相机成像速度及快门速度、其他要求(动态目标拍照、色彩检测、超大目标拍照)、与视觉板卡相匹配问题(不同视频信号的匹配、不同分辨率的匹配、特殊功能的匹配、特殊相机的匹配)等。
5.3 光源的选用
　　光源是视觉测量中的重要组成部分，照明结构设计是视觉测量中的重要环节，在主动视觉测量中，采用人工光源实现照明。由于没有通用的机器视觉照明设备，所以针对每个特定的应用实例，要选择相应的照明装置，以达到最佳效果。除此之外，要保证有足够的光能量；足够大的照明范围；被照明物体上各点发出的光束应充满物镜的入瞳；尽可能地限制视场以外的杂光进入视场，以免降低像面的对比度；还要满足仪器尺寸布局要求等。光源本身的选用和照明的结构设计是光源选用的两个主要方面。
　　照明系统的设计需要根据镜头的视场，照明系统与工件的距离，工件的外形条件及颜色，成像物镜等4个基本要素，确定采用背向照明、前向照明、结构光或者频闪光照明。
6.结论
　　通过上述对全数字摄影测量系统研究基础介绍，本文推演了全数字摄影测量系统理论基础，并对全数字摄影测量系统的生产流程进行了分析和研究，包括数字摄影测量系统的硬件组成、定向反光材料和数字图像的获取及处理技术，在此基础上，给出了全数字摄影测量系统器件使用原则策略，包括图像采集卡的选用、CCD的选用和光源的选用的原则。
参考文献
[1] 王保丰，高精度数字摄影测量技术在50米大型天线中的应用，精密与大型工程测量技术研讨交流会论文集，2006：221，229
[2] 黄桂平，大型网状天线型面检测技术与工程实践，2006年空间电子学学术年会论文集，2006：399，403
[3] 赵祖军，柳钦火，刘强，确定航片同名核线的新方法[J]，中国科学院研究生院学报2006，9(5)：628—632
[4] 邾继贵，叶声华，基于近景数字摄影的坐标精密测量关键技术研究[J]，计量学报，2005，26(3)：207—211
[5] 张祖勋，张剑清，数字摄影测量学，武汉大学出版社，2005：156，167