高精度CCD拼接相机标定方法研究

　　1　引言

　　光电测量设备使用的基本方法是摄影测量原理,摄影测量需要测量设备的外方位元素和内方位元素,外方位元素是在测量过程中通过精密测量方法获得的[1-2],内方位元素是设备出厂时标定的。提高光电设备的测量精度,就要求准确地标定出测量设备的内方位元素。设计、加工稳定的光机结构和高精度的光机装设手段是保证相机内方位元素的前提条件,在此基础上,准确地标定出相机内方位元素是高精度测量的重要方法[3-5]。

　　CCD拼接相机采用两片大面阵CCD图像传感器内拼接技术满足视场要求。由于大视场测量系统中,畸变对测量误差的影响比较大[6-7],对畸变进行校正是必要的。本文在进行光学畸变校正的前提下,提出了将像面坐标系在大地坐标系中进行投影计算的标定方法。

　　2　CCD拼接相机光学结构

　　视场拼接方式有内拼接方式、外拼接方式两种,其光学系统的设计各不相同。本系统采用棱镜分束的内拼接方式,拼接棱镜由两块45°直角棱镜胶合而成,其胶合面镀50%反射、50%透射的中性膜,两片CCD图像传感器胶合在拼接棱镜上,光学系统结构如图1所示。

　　3　CCD拼接相机数学模型

　　3.1　基本测量原理

　　CCD拼接相机由两片CCD图像传感器组成,各坐标系之间关系如图2所示:包括大地坐标系(O-XYZ),相机坐标系(C-xyz),像面坐标系(x1oy1)和像面坐标系(x2oy2)。{xc,yc,zc}是相机主点在大地坐标系中的坐标值。{xt,yt,zt}是物点t在大地坐标系中的坐标值。{xp,yp,zp}是像点p在大地坐标系中的坐标值。p在像面坐标系(x1oy1)中的坐标值是(xoy)。相机主点在像面坐标系(x1oy1)中的坐标值是(x1y1)。

　　在理想状态下,不考虑光学畸变影响时,根据摄影测量投影方程的基本表达式(1),通过测量各个物点和像点与相机主点在大地坐标系下的坐标可以标定出相机的内方位元素[8]。其中{A,B,C,A′,B′,C′,D,E,F}是相机坐标系在大地坐标系下的方向余弦。由于CCD拼接相机给出的编码器角度值不是大地坐标系下的坐标值,该方法不适合CCD拼接相机内方位元素的标定。

　　3.2　CCD拼接相机数学模型

　　针对CCD拼接相机只给出编码器角度值的特点,以一片CCD图像传感器分析只给出编码器角度值的光电测量设备的内方位元素标定方法。各坐标系与编码器角度之间的关系如图3所示,从图3中可以看到方位角A是CCD拼接相机视轴与大地坐标系X轴方向之间的夹角,高低角E是CCD拼接相机视轴与大地坐标系Y轴方向之间的夹角。ΔA是像点与物点连线和相机视轴在水平方向投影的夹角,ΔE是像点与物点连线和相机视轴在垂直方向投影的夹角。根据测量投影方程(1)转换像面坐标系(x1oy1)与大地坐标系之间(O-XYZ),以及CCD拼接相机的编码器角度值的关系,并推导出按编码器角度值进行标定的公式(2)。