影响数字摄影测量系统精度因素的分析

　　1　引　　言

　　在非接触三维曲面或三维轮廓测量中,数字摄影测量技术以其系统结构简单、快速、自动化程度高等诸多优点,在工业、科研、国防中被越来越广泛地采用。测量精度由于受诸如CCD分辨率、系统像差、光照环境等多种因素影响成为限制其应用的主要原因。本文针对摄影测量原理,对测量过程中影响精度的因素进行了分析,并提出了提高精度的方法。

　　2　影响测量系统精度的几个因素及解决的途径

　　影响系统测量精度的因素很多,主要有CCD摄像机与采集卡的分辨率;成像系统的畸变;目标点的定心误差;两摄像机光轴的夹角;定标靶点的精度等。以下就其中的三个方面做具体分析。

　　2.1　成像系统的畸变

　　在依据透视投影关系的测量系统模型中,认为成像系统处于理想状态。而实际上由于摄像机像面上实际所成的像与理想成像之间存在有光学畸变误差,特别是成像系统视场角大时,畸变量更大。主要的畸变误差包括径向畸变和切向畸变。设像面坐标中心在透镜主光轴与像面的交点,其成像系统非线性畸变数学模型[1]为

　　式中:x,y代表物点P在像面上理想成像点的坐标。rk1,k2,k3…代表透镜径向畸变因子,p1,p2,p3…代表透镜切向畸变因子。r为像面上的点离光轴的距离。在一般情况下只考虑k1,k2,k3三项以及p1,p2,两项(在系统测量实验中得到了验证)。像面上实际点的坐标(x′,y′)等于理想成像点坐标值(x,y)与畸变误差之和,即x′=x+Δx,y′=y+Δy,将其代入摄影测量的线性成像模型[2]中(用x′代替x,用y′代替y),经整理得:

　　式中:X,Y,Z代表物点P在物空间的坐标。解此方程组,即可得到准确的系统定标参数矩阵。

　　对于成像系统的畸变,在摄影测量系统中多采用数学算法算出畸变参数后对其进行补偿。根据预测量精度、物距、被测物大小而选择一种合适的算法对解决系统的非线性问题、提高测量精度有着显著的影响。对于远距离测量大尺寸物体,因为所得定标参数与理想解值之间的差距会随着物距及被测尺寸的增大而增大,所以采用具有一种全局收敛的迭代算法,使其对任意初始点x(1),每次的迭代值{x(k)}的任何聚点都是极小点(或平稳点)就非常重要,最小二乘的广义逆法即是这样一种算法。空间点位测量实验表明,利用此方法补偿系统畸变可以有效的减小误差,实验结果如表1所示。

　　2.2　目标点在像面上的定心

　　在系统测量过程中,像面上的目标点像斑中心位置的定心精度是影响最终测量精度的主要因素。系统中其它计算的原始数据都是由此得到的,若中心定位不准确,将使系统的定标和测量精度大大降低。影响定心精度的因素有目标点像斑边缘平滑、像斑灰度不均匀、形状不规则等。此外,由于光照环境、电路噪声等因素的影响,还存在图像噪声。通常采用图像处理技术对像斑进行边缘锐化处理,并选用合理的确定中心的算法以解决定中心问题。我们在系统测量实验中,先将图像用双线性插值法细分,将CCD像面传感器的分辨率提高一倍。然后利用已知的边界阈值检测目标点像斑边界,将边界坐标求平均,得大致中心位置后再以中心点为对称点两方向多次扫描,得中心位置。