非量测数码相机的畸变差检测研究

    1 引 言

    非量测数码相机不是专门为量测目的设计的,其畸变性能与胶片量测摄影机的畸变性能不完全相同。一般地,数码相机的畸变差可以分为系统畸变差和随机畸变差。其中,光学成像系统引起的畸变和CCD纵横方向排列的不垂直性引起的畸变差呈现一定的系统性,表现为系统误差;而CCD组件引起的电学畸变以及空间排列不均匀引起的畸变表现为较强的随机性,表现为随机误差。常规的摄影测量方法采用建立数学畸变模型实现对畸变差的0在任0或自检校改正,这种方法忽略了随机因素引起的数码相机的畸变差。而建立面积不同的准二维控制场,测定各类成像系统每个像素的总畸变,建立该影像专用的数字畸变模型,以对各类成像系统各个环节产生的各种畸变进行总体补偿[3],是一种不区分系统误差和随机误差,对各种畸变一起改正的方法。为分析UAVRS-II系统采用的非量测用3Kx2K面阵数码相机的畸变形能,我们分别采用这两种方法对其畸变差进行纠正,采用两种精度评价方法对二者的检校结果进行评定,对通过数字畸变模型改正的像点的综合畸变误差中的系统畸变和随机畸变给出定量的分析。通过两种方法的精度评定,确定了我们所采用的非量测数码相机的检校方案。

    2 附加参数光束法平差测定内方位元素和系统畸变系数

    首先,应用待检校的数码相机对武汉大学高精度室内三维实验场进行数据采集,采用附加参数光束法平差测定内方位元素和系统畸变系数。本文所采用的坐标系统如图3所示。

    2.1 三维控制场拍摄

    为使每张影像具有相同的主距f,并且避免数码相机结构上的不严谨所造成的焦距变化以及主点位置(x0, y0)变化,我们在拍摄时将摄影方式设为手动曝光方式,并将物镜的焦距固定在无穷远处,以达到锁定主距的目的(锁定主距也就锁定了内方位元素值和物镜畸变系数)。我们在无穷远的距离下(拍摄距离4m)拍摄控制场,实验使用UAVRS-Ò机载3008x2000像素的高分辨率面阵数码相机,采用四站对角交向摄影方式,每站曝光两次共拍摄了8张影像,镜头焦距为20mm,光圈号数为18,影像以Tiff格式存储输出,如图1、图2所示为在同一摄站摄取的两张影像。

    2.2 附加参数的光束法平差的误差方程

    光束法平差中的附加参数模型采用公式(1)所示的参数模型[4]:

    其中是在如图(3)所示的o-rc像平面坐标系中的坐标,此坐标系的原点o位于影像的左上角,x轴与行方向平行,y轴与列方向平行o-rc像平面坐标系中的坐标。(x0,y0)是像主点在该像平面坐标系中的坐标。K1,K2是径向畸变系数;P1,P2是切向畸变系数;b1是像素的非正方形比例因子、b2是CCD阵列排列非正交性的畸变系数。我们把控制点坐标视为真值,像点坐标视为观测值,各项畸变系数和待定点的空间坐标视为未知数,附加参数的光束法平差的误差方程如下所示: