【文章內(nèi)容簡介】 針孔成像原理 (像點(diǎn)、鏡頭中心和物點(diǎn)共線 )的具體應(yīng)用但由于各自學(xué)科的歷史、研究內(nèi)容和側(cè)重點(diǎn)的不同，在具體的諸多方面又存在著差異，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （ 1） 出發(fā)點(diǎn)不同導(dǎo)致基本參數(shù)物理意義的差異：攝影測量中的外部定向是確定影像在空間相對(duì)于物體的位置與方位，而計(jì)算機(jī)視覺則是物體相對(duì)于影像 的位置與方位來描述問題。 （ 2）由于 (1)中不同的出發(fā)點(diǎn)導(dǎo)致基本公式的差異 :攝影測量中最為基本的是共線方程，而視覺測量中最為基本的公式是用齊次坐標(biāo)表示的投影方程。 （ 3）數(shù)學(xué)處理算法的不同 :攝影測量淵源于測繪學(xué)科，基于非線性迭代的最小二乘法平差求解貫穿于數(shù)字近景攝影測量的全過程，而計(jì)算機(jī)視覺強(qiáng)調(diào)矩陣分解，總是設(shè)法將非線性問題轉(zhuǎn)換為線性問題，盡可能避免求解非線性方程。 盡管數(shù)字近景攝影測量與計(jì)算機(jī)視覺有這樣、那樣的差異，但在最近20年的發(fā)展過程中，學(xué)科間的交流逐步增加 (相互參加、協(xié)助召開學(xué)術(shù)會(huì)議并出版論文集， 如 ISPRS, SPIE等 )，兩者的學(xué)科交叉越來越多數(shù)字近景攝影測量中的許多基本概念與方法來自影像處理與計(jì)算機(jī)視覺 (如數(shù)字圖像處理的某些算法、編碼標(biāo)志的自動(dòng)識(shí)別 )；反過來，攝影測量中的一些特色理論和方法又為視覺測量所采用 (如整體光束法平差算法、像機(jī)自標(biāo)上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 數(shù)字?jǐn)z影測量原理在車身標(biāo)識(shí)點(diǎn)測量中的應(yīng)用 18 定原理和方法等 )。為此，攝影測量界的學(xué)者早就開始思考和把握這種態(tài)勢，也正是學(xué)科間這種共同的理論基礎(chǔ)、類似的處理方法和基于數(shù)字圖像量測技術(shù)的固有特征，所以在文獻(xiàn)中常常是可以互換使用這些術(shù)語，如計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)器視覺、機(jī)器人視覺、數(shù)字近景攝影測量和視覺測量。 數(shù)字近景工業(yè)攝影測量的關(guān)鍵技術(shù)及國內(nèi)外現(xiàn)狀 在 (工業(yè) )攝影測量的發(fā)展階段及主要成果，國內(nèi)自 70年代末就開始逐步進(jìn)行近景攝影測量的研究，到目前為止，已有許多學(xué)者在數(shù)字近景攝影測量方面進(jìn)行了很多的研究及應(yīng)用工作，但主要是測繪學(xué)科的研究人員、研究的重點(diǎn)也主要是針對(duì)普通測繪工程，而針對(duì)工業(yè)測量的研究和應(yīng)用就很少了，而且不成系統(tǒng)性。 針對(duì)大尺寸工業(yè)三坐標(biāo)測量，數(shù)字近景工業(yè)攝影測量的關(guān)鍵技術(shù)及其國內(nèi)的研究狀況如下： （ 1）高質(zhì)量“準(zhǔn)二值影像”的獲?。焊哔|(zhì)量圖像的獲取是高精度測量的基礎(chǔ)之一 ，國外主要采用高反射性能的定向反光材料來制作人工標(biāo)志，并對(duì)其攝影以獲取高質(zhì)量“準(zhǔn)二值影像”，早在 1993年就有學(xué)者提出要采用 RRT標(biāo)志，但一直未見到系統(tǒng)的研究及應(yīng)用報(bào)道。 （ 2）標(biāo)志中心高精度定位算法：目前已不滿足亞像素精度的中心定位算法，國內(nèi)研究還在 0. 1 pixel精度時(shí)，國外已做到了 pixel精度的標(biāo)志中心定位。 （ 3）數(shù)字像機(jī)的標(biāo)定與自標(biāo)定 :標(biāo)定結(jié)果的好壞直接影響到測量結(jié)果的度，國內(nèi)對(duì)一般像機(jī)的標(biāo)定方法研究較多，但對(duì)數(shù)字像機(jī)畸變模型的研究和選擇不多，尤其是針對(duì)近景的自標(biāo)定理論和方法缺少研 究上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 數(shù)字?jǐn)z影測量原理在車身標(biāo)識(shí)點(diǎn)測量中的應(yīng)用 19 和試驗(yàn)，而國外成型系統(tǒng)均已實(shí)現(xiàn)國內(nèi)在上世紀(jì)的 80年代就針對(duì)航空攝影測量在自標(biāo)定理論方面進(jìn)行了研究，但針對(duì)近景攝影測量的自標(biāo)定研究還未見公開報(bào)道。 （ 4）基于編碼標(biāo)志和自動(dòng)匹配技術(shù)的自動(dòng)化測量技術(shù)：測量的自動(dòng)化一直是人們追求的目標(biāo)，對(duì)編碼標(biāo)志進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和利用核線匹配來加快測量速度和實(shí)現(xiàn)測量自動(dòng)化是一條很好的捷徑，國內(nèi)已有人開始進(jìn)行了初步的研究。 （ 5）測量網(wǎng)形的優(yōu)化與設(shè)計(jì)：作為一種光學(xué)測量手段，傳感器的布設(shè)方案決定的測量的網(wǎng)形，對(duì)精度影響也很大，經(jīng)典的測繪學(xué)科 (如大地測量和工程測量 )里面已有很深入的研究， 國內(nèi)已有人進(jìn)行過計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算試驗(yàn)。 （ 6）基于理論研究的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和實(shí)際工程應(yīng)用：在實(shí)際工程中應(yīng)用是對(duì)研究成果的最好驗(yàn)證，國外已有很多相對(duì)精度達(dá)到 1/10萬的工業(yè)攝影測量工程實(shí)例報(bào)道，國內(nèi)也有了少量的低精度工業(yè)攝影測量工程的應(yīng)用報(bào)道。 4 數(shù)字?jǐn)z影測量的理論基礎(chǔ) 利用 CCD 攝像機(jī)可以獲取三維物體的二維圖像 , 這就是實(shí)際空間坐標(biāo)系和攝像機(jī)像平面坐標(biāo)之間的透視變換。通過多個(gè)攝像機(jī)從不同方向拍攝的 2幅或 2幅以上的二維圖像 ， 可以綜合出物體的三維曲面輪廓。 為說明問題方便 , 設(shè)物空間坐標(biāo) 系為 X Y Z , CCD像面的像平面坐標(biāo)上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 數(shù)字?jǐn)z影測量原理在車身標(biāo)識(shí)點(diǎn)測量中的應(yīng)用 20 系為 x y?，F(xiàn)以雙攝像機(jī)為例 , 說明系統(tǒng)的透視變換關(guān)系。如圖 所示 , P 為空間三維物點(diǎn) , 其坐標(biāo)為 P (X ,Y ,Z ) , 在攝像機(jī) 1和攝像機(jī) 2 CCD 像面上的像點(diǎn)坐標(biāo)分別為 1P (1x 1y ) 和 2P (2x 2y )。 圖 物空間坐標(biāo)系和雙攝像機(jī)的像平面坐標(biāo)系 對(duì)攝像機(jī) 1, 像點(diǎn)坐標(biāo)與物點(diǎn)坐標(biāo)的變換關(guān)系為 : 1 2 3 4111 1 5 6 7 81 9 1 0 1 1 1 1Xa a a axwYy w a a a aZw a a a?????? ?????? ????? ?????? ???? ?????????????????????? () 其中 , 1w 為非零參數(shù) 。 1a 、 2a 、 ?和 11a 為系統(tǒng)變換矩陣的元素 , 與攝像機(jī) 1 的安放位置及成像系統(tǒng)的參數(shù)有關(guān) , 可通過系統(tǒng)定標(biāo)來確定。 攝像機(jī) 2, 像點(diǎn)坐標(biāo)與物點(diǎn)坐標(biāo)的變換關(guān)系為 : 1 2 3 4222 2 5 6 7 82 9 1 0 1 1 1 1Xb b b bxwYy w b b b bZw b b b?????? ?????? ????? ?????? ???? ????????????????????? () 其中 , 2w 為非零參數(shù) 。 1b 、 2b 、 ?和 11b 現(xiàn)為系統(tǒng)變換矩陣的元 素 , 與攝像上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 數(shù)字?jǐn)z影測量原理在車身標(biāo)識(shí)點(diǎn)測量中的應(yīng)用 21 機(jī) 2的安放位置及成像系統(tǒng)的參數(shù)有關(guān) , 也可通過系統(tǒng)定標(biāo)來確定。 由 (),() 2個(gè)方程可轉(zhuǎn)化為以下 2個(gè)方程 : 1 1 1 11 1 1 11 0 0 0 00 0 0 0 1X Y Z x X x Y x Z xAX Y Z y X y Y y Z y? ? ?? ? ? ???? ? ? ?? ? ?? ? ? ?????? () 2 2 2 22 2 2 21 0 0 0 00 0 0 0 1X Y Z x X x Y x Z xBX Y Z y X y Y y Z y? ? ?? ? ? ???? ? ? ?? ? ?? ? ? ??????( ) 式中 , 1, 2 , , 1 1... TA a a a??? ??。 1, 2 , , 11... TB b b b??? ??。 ia 和 ib , 加起來共 22 個(gè)未知參數(shù) , 利用 1個(gè)已知靶點(diǎn)和它在 2 個(gè) CCD 像面上的像點(diǎn)可建立 4個(gè)線性方程。欲求 22個(gè)未知參數(shù) , 則至少需 6個(gè)已知靶點(diǎn)。利用已知的 6個(gè)或 6個(gè)以上靶點(diǎn) ， 根據(jù)上述方程 ， 便可解得這些參數(shù)。這是測量工作的第 1步 , 即求出雙攝像機(jī)組成的測量系統(tǒng)的變化矩陣 A 和 B ， 稱為系統(tǒng)定標(biāo)。 測量的第 2步是根據(jù)被測點(diǎn) P 在兩個(gè) CCD 像面上的像點(diǎn)坐標(biāo) (1x 1y )和 ( 2x 2y ) , 求得未知點(diǎn) P 的物空間三維坐標(biāo) (X , Y , Z )。 由 (),() 2個(gè)方程可得到以下方程 : 1 9 1 2 10 1 3 11 1 14133 9 1 6 10 1 7 11 1( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )Xa a x a a x a a x xaY yaa a y a a y a a yZ??? ? ? ??? ???? ??? ???? ?? ? ? ?????????????? () 1 9 1 2 10 1 3 11 1 14133 9 1 6 10 1 7 11 1( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )Xb b x b b x b b x xbY ybb b y b b y b b yZ??? ? ? ??? ???? ??? ???? ?? ? ? ?????????????? () 由上述方程可方便地求得 3個(gè)未知數(shù) X 、 Y 和 Z , 即 P 點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)值。這樣就可以利用雙攝像機(jī)拍攝的 2 個(gè)二維圖像逐點(diǎn)測量物體的三維輪廓。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 數(shù)字?jǐn)z影測量原理在車身標(biāo)識(shí)點(diǎn)測量中的應(yīng)用 22 利用 3個(gè)或更多的 攝像機(jī)則可使測量精度更高 ,便于測量到超出 2個(gè)攝像機(jī)采集范圍以外的點(diǎn)。不論采用 2 個(gè)攝像機(jī)還是更多的攝像機(jī) , 測量過程總是先利用靶標(biāo)對(duì)測量系統(tǒng)定標(biāo) , 再對(duì)被測物測量。定標(biāo)后攝像機(jī)位置必須保持不變。但若在測量過程中始終保持靶標(biāo)和被測物的相對(duì)位置不變 , 即測量靜態(tài)物體 , 則可只用 1 個(gè)攝像機(jī) , 而在不同的位置分時(shí)進(jìn)行采樣。 共線條件表達(dá)式 共線條件方程式是描述像點(diǎn)投影中心以及物方點(diǎn)應(yīng)位于一直線上的一種條件方程式。 圖 像點(diǎn) a在 2種坐標(biāo)系下的坐標(biāo) 現(xiàn)已知某像點(diǎn) a在像空間坐標(biāo)系 S xyz內(nèi)的坐 標(biāo)為 ( x, y, f )要求解此像點(diǎn) a在輔助空間坐標(biāo)系 S XYZ內(nèi)的坐標(biāo) (u, v, w)。 從坐標(biāo)系 S XYZ 到 S xyz 是經(jīng)過順序旋轉(zhuǎn)三個(gè)角度 ()? ? ??? 得到的這就相當(dāng)于三次旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換其變換關(guān)系為： uxv T T T ywf? ? ?? ? ? ?? ? ? ??? ? ? ?? ? ? ??? ? ? ? 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 數(shù)字?jǐn)z影測量原理在車身標(biāo)識(shí)點(diǎn)測量中的應(yīng)用 23 c os 0 si n 1 0 0 c os si n 00 1 0 0 c os si n si n c os 0si n 0 c os 0 si n c os 0 0 1xyf? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? ?1 2 31 2 31 2 3a a a xxb b b y R yffc c c?? ? ? ? ??? ? ? ? ???? ? ? ??? ? ? ? ???? ? ? ?????????????????? () 以上各方向余弦值得表達(dá)式為： 123123123c o s c o s sin sin sinc o s sin sin sin c o ssin c o sc o s sinc o s c o ssinsin c o s c o s sin sinsin sin c o s sin c o sc o s c o saaabbbccc? ? ? ? ?? ? ? ? ????????? ? ? ? ?? ? ? ? ?????? ? ?????????? ? ?? R 為正交矩陣，故有： 1111222333a b cx u uy R v a b c vf w wa b c???? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ????? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ????????????? () 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 數(shù)字?jǐn)z影測量原理在車身標(biāo)識(shí)點(diǎn)測量中的應(yīng)用 24 圖 像點(diǎn)和物點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系 考慮到像點(diǎn) a， 投影中心 S ， 以及物方點(diǎn) A 應(yīng)位于一直線上， 可得： 1112223 3 3SSSa b c XXuv a b c Y Yw ZZa b c??? ??????? ???? ???? ?????? ???? ??? ????????????????? () 轉(zhuǎn)化為： 1 1 13 3 32 2 23 3 3( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )S S SS S SS S SS S Sa X X b Y Y c Z Zxfa X X b Y Y c Z Za X X b Y Y c Z Zyfa X X b Y Y c Z Z? ? ? ? ?? ??? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ?? ??? ? ? ? ? ????????? () 這就是共線條件方程式。 直接線型變換推導(dǎo) 直接線 形變換 (DLT Direct Linear Transformation )算法是直接建立像片影像坐標(biāo)和物方空間坐標(biāo)的幾何關(guān)系式的一種算法計(jì)算中不需要上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 數(shù)字?jǐn)z