一种测绘相机畸变测量方法与流程

本发明属于摄影测量技术领域，尤其涉及一种测绘相机畸变测量方法。

背景技术：

测绘相机的内方位元素是相机的主要技术参数，在相机出厂前必须对内方位元素进行测试。尤其对于高精度测图的测绘相机畸变的测量，其测量精度对相机的几何精度具有决定性意义。

测绘相机实验室畸变测试一般采用精密测角法，通过精密测角法可获取相机的主点、主距和畸变参数。该方法可测量面阵型测绘相机，或经改进后可测试线阵型测绘相机，但要求相机焦面连续且对称。对于拼接型测绘相机，由于采用外视场或内视场获取大幅面，一般需要采用多镜头或多探测器，传统精密测角法已不在适用其畸变的测量。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种测绘相机畸变测量方法，解决了传统精密测角法已不在适用拼接型测绘相机畸变测量的问题。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种测绘相机畸变测量方法，所述方法包括如下步骤：步骤一：搭建测量系统，其中，所述测量系统包括面阵光源、圆孔靶标、网格板十字丝靶标、平行光管、相机系统和图像采集系统；其中，面阵光源发射的光束经过网格板十字丝靶标或圆孔靶标后达到平行光管，再经平行光管后射入到相机系统，相机系统与图像采集系统相连接；步骤二：将平行光管的焦面处安装圆孔靶标，将相机系统的光轴与平行光管的光轴调平行，然后将圆孔靶标替换为网格板十字丝靶标；步骤三：面阵光源均匀面光源经过网格板十字丝靶标、平行光管和相机系统得到网格板十字丝靶标图像，图像采集系统采集网格板十字丝靶标图像；步骤四：通过步骤三中的网格板十字丝靶标图像，调整网格板十字丝靶标的旋转角度，使网格板十字丝靶标的x轴与相机系统焦面水平方向平行并且网格板十字丝靶标的y轴与相机系统焦面竖直方向平行；步骤五：对网格板十字丝靶标图像通过质心提取算法得到网格板十字丝靶标的中心位置，调整网格板十字丝靶标的在x轴、y轴方向的平移，使网格板十字丝靶标的中心位置成像在相机系统焦面中心；步骤六：依据网格板十字丝靶标的中心位置在相机系统中成像坐标，获取网格板十字丝靶标位置处的相机系统畸变数据。

上述测绘相机畸变测量方法中，在步骤一中，所述平行光管的特征参数为：

其中，f平行光管为平行光管的焦距，φ平行光管为平行光管的光学有效口径，λ1平行光管～λ2平行光管为平行光管的工作波长，f相机为相机系统的焦距，φ相机为相机系统窗口光学有效口径，λ1相机～λ2相机为相机系统工作波长。

上述测绘相机畸变测量方法中，步骤一中，所述网格板十字丝靶标包括玻璃基底和a行b列个十字丝；其中，a行b列个十字丝刻画在玻璃基底上；

以行十字丝为x轴、列十字丝为y轴、l为单位长度建立虚拟直角坐标系；

每个十字丝的线宽为e＝0.01mm；每个十字丝的长度为l＝0.2mm；相邻两个十字丝间的间距l＝5mm；十字丝为暗线，背景透光，对比度不小于100:1。

上述测绘相机畸变测量方法中，在步骤五中，对网格板十字丝靶标图像通过质心提取算法得到网格板十字丝靶标的中心位置包括如下步骤：

(51)网格板十字丝靶标图像的大小为m×n，网格板十字丝靶标图像的起始行为x0+1、结束行为x0+m，网格板十字丝靶标图像的起始列为y0+1、结束列为y0+n；其中，m为网格板十字丝靶标图像的长，n为网格板十字丝靶标图像的宽；

(52)将网格板十字丝靶标图像进行10倍插值放大后得到插值后图像，对插值后图像进行高斯滤波处理后得到滤波后的图像，滤波后的图像的大小为(10m-9)×(10n-9)，滤波后的图像的起始行为x0+10、结束行为x0+10m，滤波后的图像起始列为y0+10、结束列为y0+10n；

(53)计算滤波后的图像的行方向中心位置xcenter和滤波后的图像的列方向中心位置ycenter；

(54)根据滤波后的图像的行方向中心位置xcenter和滤波后的图像的列方向中心位置ycenter网格板十字丝靶标的中心位置为

上述测绘相机畸变测量方法中，在步骤(53)中，滤波后的图像的行方向中心位置xcenter为：

其中，dn(x0+i,y0+j)表示第x0+i行、y0+j列处图像的灰度值，式中i＝10,11,12,...,10m，j＝10,11,12,...,10n；maxx{}表示排序寻找该序列中最大值，并返回该最大值对应的横坐标，i为图像像素横坐标增量变化，j为图像像素纵坐标增量变化。

上述测绘相机畸变测量方法中，在步骤(53)中，滤波后的图像的列方向中心位置ycenter为：

其中，dn(x0+i,y0+j)表示第x0+i行、y0+j列处图像的灰度值，式中i＝10,11,12,...,10m，j＝10,11,12,...,10n；maxy{}表示排序寻找该序列中最大值，并返回该最大值对应的纵坐标，i为图像像素横坐标增量变化，j为图像像素纵坐标增量变化。

上述测绘相机畸变测量方法中，在步骤六中，网格板十字丝靶标位置处的相机系统畸变数据为：

其中，为在虚拟直角坐标系中坐标位置为(p，q)的十字丝在相机系统探测器焦面实际成像中心坐标，(xp，yq)为在虚拟直角坐标系中坐标位置为(p，q)的十字丝的中心在相机系统探测器焦面成像理想位置。

上述测绘相机畸变测量方法中，在虚拟直角坐标系中坐标位置为(p，q)的十字丝的中心在相机系统探测器焦面成像理想位置(xp，yq)为：

其中，m为相机系统探测器焦面像元行数，n为相机系统探测器焦面像元列数，l为十字丝间的间距，a为相机系统探测器焦面像元尺寸，f'相机为相机系统主距，f平行光管为平行光管焦距。

上述测绘相机畸变测量方法中，插值放大方法为双线性内插法或三次内插法。

上述测绘相机畸变测量方法中，网格板十字丝靶标中心位置处的十字丝的坐标值为(0，0)。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

本发明通过特制平行光管开展畸变测量，利用严密标定后的网格板十字丝靶标获取畸变数据，解决了传统精密测角法已不在适用拼接型测绘相机畸变测量的问题。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的测量系统的框图；

图2是本发明实施例提供的圆孔靶标示意图；

图3是本发明实施例提供的网格板十字丝靶标示意图；

图4是本发明实施例提供的网格板单个十字丝靶标成像示意图；

图5是本发明实施例提供的网格板单个十字丝靶标图像插值后示意图；

图6是本发明实施例提供的网格板所有的十字丝靶标在相机系统探测器焦面成像示意图；

图7是本发明实施例提供的畸变测量结果示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本实施提供了一种测绘相机畸变测量方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：搭建测量系统，其中，所述测量系统包括面阵光源1、圆孔靶标、网格板十字丝靶标2、平行光管3、相机系统4和图像采集系统5；其中，面阵光源1发射的光束经过网格板十字丝靶标2或圆孔靶标后达到平行光管3，再经平行光管3后射入到相机系统4，相机系统4与图像采集系统5相连接；

步骤二：将平行光管3的焦面处安装圆孔靶标(如图2所示)，将相机系统的光轴与平行光管的光轴调平行，然后将圆孔靶标替换为网格板十字丝靶标2(如图3所示)；

步骤三：面阵光源1均匀面光源经过网格板十字丝靶标2、平行光管3和相机系统4得到网格板十字丝靶标图像，图像采集系统5采集网格板十字丝靶标图像；

步骤四：通过步骤三中的网格板十字丝靶标图像，调整网格板十字丝靶标2的旋转角度，使网格板十字丝靶标的x轴与相机系统焦面水平方向平行并且网格板十字丝靶标的y轴与相机系统焦面竖直方向平行；

步骤五：对网格板十字丝靶标图像通过质心提取算法得到网格板十字丝靶标的中心位置，调整网格板十字丝靶标2的在x轴、y轴方向的平移，使网格板十字丝靶标的中心位置成像在相机系统焦面中心；

步骤六：依据网格板十字丝靶标的中心位置在相机系统中成像坐标，获取网格板十字丝靶标位置处的相机系统畸变数据。

在步骤一中，所述平行光管3的特征参数为：

其中，f平行光管为平行光管的焦距，φ平行光管为平行光管的光学有效口径，λ1平行光管～λ2平行光管为平行光管的工作波长，f相机为相机系统的焦距，φ相机为相机系统窗口光学有效口径，λ1相机～λ2相机为相机系统工作波长。

为严密标定后的网格板十字丝靶标，靶标参数如下：

十字丝的线宽为e＝0.01mm；

十字丝的长度为l＝0.2mm；

十字丝间的间距l＝5mm；

十字丝为暗线，背景透光，对比度不小于100:1；

十字丝刻画在玻璃基底上，共有a行b列，a、b均为奇数。以行十字丝为x轴、列十字丝为y轴、l为单位长度建立虚拟直角坐标系，各十字丝以所在位置坐标命名。如中心十字丝靶标为(0，0)号。

网格板十字丝靶标用均匀面光源从焦面背部方向照明，通过图像采集系统获取网格板十字丝靶标图像，同时调整网格板十字丝靶标与相机光轴垂直度、纵向焦深位置，使网格板十字丝靶标在全视场清晰可辨。

在步骤五中，对网格板十字丝靶标图像通过质心提取算法得到网格板十字丝靶标的中心位置包括如下步骤：

网格板十字丝靶标共有a行b列，即一共有a×b个十字丝。这些十字丝在相机系统探测器焦面实际成像获取a×b个十字丝图像，这些十字丝图像在相机系统探测器焦面成像实际位置分别计算。网格板所有十字丝在相机系统探测器焦面成像示意如图6所示，如图3中(p，q)为网格板十字丝靶标的中心在相机系统探测器焦面实际成像中心坐标值，其如下计算：

首先，截取(p，q)这单个靶标成像区域图像，图像大小为m×n，图像起始行为x0+1、结束行为x0+m，图像起始列为y0+1、结束列为y0+n，如图4所示。

其次，该区域图像进行10倍插值放大，插值方法为常规双线性内插法、三次内插法等常规插值方法。对插值后图像进行高斯滤波处理。如图5所示，处理后图像大小为(10m-9)×(10n-9)，图像起始行重新命名为x0+10、结束行命名为x0+10m，图像起始列为y0+10、结束列为y0+10n。

再次，通过下式计算十字丝靶标行方向中心位置:

其中xp-center表示十字丝靶标行方向中心位置；dn(x0+i,y0+j)表示第x0+i行、y0+j列处图像的灰度值，式中i＝10,11,12,...,10m，j＝10,11,12,...,10n；maxx{}表示排序寻找该序列中最大值，并返回该最大值对应的横坐标。i为图像像素横坐标增量变化，j为图像像素纵坐标增量变化。

同样，计算十字丝靶标列方向中心位置:

其中yq-center表示十字丝靶标列方向中心位置；dn(x0+i,y0+j)表示第x0+i行、y0+j列处图像的灰度值，式中i＝10,11,12,...,10m，j＝10,11,12,...,10n；maxy{}表示排序寻找该序列中最大值，并返回该最大值对应的纵坐标。i为图像像素横坐标增量变化，j为图像像素纵坐标增量变化。

最后，计算出十字丝靶标中心坐标值为

通过上式计算出所有十字丝靶标的中心在相机系统探测器焦面实际成像位置其中i表示网格板十字丝靶标横坐标编号，j表示网格板十字丝靶标纵坐标编号。

在步骤六中，相机系统畸变数据计算方式如下步骤：

首先，计算十字丝靶标的中心在相机系统探测器焦面成像理想位置。网格板十字丝靶标共有a行b列，即一共有a×b个十字丝靶标。这些靶标在相机系统探测器焦面成像理想位置分别计算。如图3中(p，q)十字丝靶标的中心在相机系统探测器焦面成像理想位置(xp，yq)为：

式中，(p，q)为十字丝靶标在网格板上坐标位置，(xp，yq)为十字丝靶标的中心在相机系统探测器焦面成像理想位置，m为相机系统探测器焦面像元行数，n为相机系统探测器焦面像元列数，l为十字丝间的间距，a为相机系统探测器焦面像元尺寸，f'相机为相机系统主距，f平行光管为平行光管焦距。

通过上式计算出所有十字丝靶标的中心在相机系统探测器焦面成像理想位置(xi，yj)，其中i表示网格板十字丝靶标横坐标编号，j表示网格板十字丝靶标纵坐标编号。网格板十字丝靶标的中心在相机系统探测器焦面成像理想位置(x0，y0)。

其次，计算a×b个十字丝靶标成像位置处的相机系统畸变(δxi，δyj)：

其中i表示网格板十字丝靶标横坐标编号，j表示网格板十字丝靶标纵坐标编号。

至此，获取了相机系统a×b个点位的畸变实测数值，畸变测量结果示意如图7所示。

本实施例通过特制平行光管开展畸变测量，利用严密标定后的网格板十字丝靶标获取畸变数据，解决了传统精密测角法已不在适用拼接型测绘相机畸变测量的问题。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。