數字航攝相機實驗室檢定研究

繆 劍，鄒勇平

（西安測繪信息技術總站，陜西西安 710054）

數字航攝相機實驗室檢定研究

繆 劍，鄒勇平

（西安測繪信息技術總站，陜西西安 710054）

主要闡述了航攝相機鏡頭校準的目的、意義，回顧了航攝相機校準的發展過程；分析了數字相機計量校準的發展狀況和應用前景，論述實驗室校準的方法和目的；提出了數字相機檢定儀研制初步設想和需要解決的關鍵技術。

航攝相機；航空攝影測量；數字相機；實驗室檢定

航空攝影是獲取攝影測量所需地理空間信息的重要數據源之一，航攝相機鏡頭的最佳對稱主點坐標和主距組成的內方位元素和鏡頭畸變，是航空攝影相機的重要技術指標和內業測圖的重要技術參數，直接關系到成像質量和測量精度。由于多種因素的影響，航攝相機在使用過程中內方位元素和畸變會發生變化并帶來了測量誤差。必須定期校準相機鏡頭的內方位元素和畸變，這對于保證攝影測量精度，具有重要作用和意義。

1 膠片航攝相機的校準

自航空攝影測量發展之初，航攝相機的檢定就作為其理論與實際工作的重要組成部分得到重視，其檢定方法一般為室內利用多筒準直光管或經緯儀進行的精密測角法。由于相機檢定有較高的技術與裝備要求，所以一直有相應的專業設置與人員配備，并不斷研制檢定設備。

80年代研制了以經緯儀為測角基礎的Ⅲ型航攝相機檢定儀，它可以檢定所有不同外形、焦距、相幅的航空攝影相機，包括前蘇聯的AA系列、卡爾蔡司的LMK系列、徠卡的RC系列、國產的HS系列以及其他偵查、勘探用途的相機。進入 90年代為適應徠卡RC30相機的要求和數字測圖技術的發展，在國內彈道相機科研成果基礎上聯合研制了 D QCY-120型航攝相機檢定儀。該檢定儀采用專業角度度盤，被測鏡頭接近攝影狀態垂直放置，牢固穩定的儀器主體和防震地基，提高了測量準確性和重復性，滿足當時的精度要求。

隨著數字攝影測量技術與裝備的發展，加強航攝相機檢定的標準化、科學化，建立完善的計量體系，為數字攝影測量提供更高精度、更加規范的相機內方位元素和畸變差十分必要與迫切。為此我們開展了“航攝相機畸變測量儀標準裝置”的研制（見圖1）。該裝置以光電編碼器測量轉臂角度，精度達到 0.33角秒；采用CCD相機探測技術和亞像素細分算法使瞄準精度達0.29角秒；綜合精密加工與自動化技術優化運動方式，實現了航攝相機鏡頭的非接觸自動化控制測量；精確測量格網板刻線誤差并帶入畸變算法，提高了數據處理的精度；采用米字型LED高效冷光源，既滿足照明需要又保證了長度基準對溫度變化的要求。多項技術的綜合應用，使裝置達到了 1角秒的測角精度，并且縮短了測量周期，消除或減少了因人眼觀測、震動、溫度變化等因素引起的誤差。

圖1 AMA航攝相機畸變測量儀標準裝置的控制系統與儀器主體

以“航攝相機畸變測量儀標準裝置”為依托建立了航空攝影相機計量校準實驗室，2007年通過了標準與機構考核，“測繪裝備內業計量中心”正式獲批成立。隨后2008年元月該裝置通過了由中國計量科學研究院等單位光學計量專家實施的計量標準考核，2009年通過了軍用實驗室認可。

2 數字航測相機實驗室檢定的優點

數字航測相機的校準方法，可以分為實驗室檢定和飛行檢校兩種。

實驗室檢定范圍廣，可以涵蓋幾何、光度、色度三個方面。幾何校準是為了消除鏡頭的光學畸變誤差、像素排列的機械誤差、光電信號轉化的電學誤差而進行的。校準內容包括內方位元素即主點、主距、單個像素的二維幾何坐標、光學傳遞函數（OTF）和調制傳遞函數 (MTF)。光度學輻射校準的目標是消除像素響應非均勻性，校準內容包括缺陷像素、單個像素的感光靈敏度、漸暈效應和光圈的影響。色度學校準目的是測量單個像素光譜敏感度。飛行檢校僅可以完成相機幾何量的測量。

實驗室檢定是基礎，是最原始的物理參數檢定，檢定數據是要隨機安置在相機固件。而飛行檢校最初是為了驗證最后測量精度而設置的，隨著技術的發展，不斷完善，但其檢校文件仍是用于測圖時脫機校正，其影響小于實驗室檢定。

實驗室檢定的不確定度是可控的，精度更高。因為實驗室的環境可控，檢定標準可溯源，可以用計量的體系要求全面控制。而飛行檢校諸多因素都不易控制，精度不好把握，成本高，不易進行計量認可。

以上是我們積極開展數字相機實驗室檢定研究的原因所在。當然對于非測量型鏡頭的航攝相機也有試驗場攝影檢校的方法，篇幅有限不再區分敘述。在此需要說明，計量學中檢定比校準有更為嚴格的要求，比如必需有明確的標準給出被測件合格與否，而校準只需給出測量數據，不必做出結論。完成相機檢定是最終目標，但現階段只能稱之為校準。而飛行檢校無論從測量儀器、依據規范、參數溯源都無計量學特征，只能稱為檢校，也只有數字航測相機有此需要。當然國外都以calibration表達，不加區分。

3 數字相機實驗室檢定的方法與目的

數字相機檢定的目的除了確定相機的內方位元素，還要解算像素排列模型的未知參數，最終擬合出每個CCD像素的位置，以便對畸變造成的影像失真進行糾正。其中后者是數字相機區別于膠片相機新的檢定內容，并且無論從難度、意義都超過內方位元素，線陣相機甚至已經不再需要主點概念，所以像素位置的校準是需要研究攻克的主要矛盾。以ADS40相機為例，如圖2所示的是由畸變造成的影像失真；圖3所示的是單波段的12000個CCD像元理論位置、實際位置和檢校位置的偏差。

圖2 由畸變造成的影像失真

圖3 像元理論位置、實際位置和檢校位置的偏差

數字航測相機的實驗室幾何量校準一般采用精密測角法實現，即用平行光管模擬無窮遠目標，成像于數字相機的CCD焦平面，并掃描；從相機輸出數據中提取目標像的位置坐標，以角度測量系統測量平行光管的轉動角度，得到一個如圖4所示數據集合:

需要建立像差數學模型，要求模型可以盡量逼近實際測量的結果，比如式（1）各項參數具有實際物理意義的Australis模型。

式中，K1、K2、K3所在的項為徑向畸變；P1、P2所在的項為鏡頭的偏心畸變；B1是像素的非正方形比例因子，B2是CCD陣列排列非正交性的畸變系數。

幾何校準的目的就是求取式（1）中的各項參數，這是一個優化計算的過程。優化的目標和規則是使畸變的測量值與模型推導值偏差的平方和最小，即式（2）。

在圖像處理時，再利用經幾何校準確定參數的像差模型，重新計算修正每個像素的座標，以提高圖像的幾何定位精度。

4 數字相機檢定儀研制設想與關鍵技術

檢定儀研制的初步思路是：將被檢測的航攝相機固定在一個可以繞相機的光軸旋轉的轉臺之上。用相機的下方的目標平行光管模擬無窮遠的目標成像于CCD焦平面。

通過轉臂旋轉，使目標像點在CCD探測平面上以像主點為圓心沿直徑方向作徑向移動。轉臺和轉臂的旋轉就能使像點在CCD像面上產生米字形分布。

采集目標圖像數據和光電編碼器測量出的轉臂角度。結合相關算法，便能夠解算出需要的相機模型參數，實現對相機的幾何檢定。圖 5所示的為數字相機檢定儀結構設計示意圖。關鍵技術如下：

圖5 數字相機檢定儀結構設計示意圖

1）高精度目標像的定位。目標圖像測量精度要求達到1/20到1/25像素，需要將傳統十字形目標改進為圓形。CCD光斑定位算法常用的有質心法、邊緣檢測法等。考慮提高定位精度，適應目標圖像光強變化，我們提出基于插值的非線性加權質心算法。另外，轉臂內的平行光管要滿足模擬不同參數相機對無窮遠目標清晰成像的要求，要盡可能的實現長焦距大口徑，并且本身畸變要可忽略不計。

2）高精度的回轉軸系和光電軸角編碼器。轉臂轉動的精度要求很高，當光管沿CCD像面的徑向方向轉動時，它在切向的晃動應限定為0.5角秒。同時還要求軸系摩擦力矩小，無爬行，操控方便。

3）幾何校準的算法與軟件。幾何校準的算法與計算軟件是整個系統的理論核心，需要對現有的數學模型和算法仔細研究、突破創新。

4）多鏡頭拼接面陣相機當前研發迅速，此類相機的校準，除對單個鏡頭進行幾何校準外還要校準不同鏡頭光軸之間的空間角度。目標平行光管的口徑要起碼能夠包含兩個被測鏡頭，需要有第二個目標像要落在相鄰兩個相機的視場的重疊區域之內，就可以校準出這兩個相機的光軸之間俯仰角、偏航角和相鄰相機CCD平面之間的滾轉角。

5）對于三線陣相機，像面上有至少3個線列CCD，要校準出每個像素的兩維空間指向角。對線列一維CCD數據進行細分定位，可以決定其線列徑向的精確座標，但是垂直線列方向的座標不易確定。解決這個問題的方案之一是采用平行光管二維轉動掃描的機構，并且要求在法向能夠作精密和細微的運動。另一種方案是由平行光管產生特殊的光電編碼校準像。這種圖像不需要目標在法向的精確定位，依靠目標編碼技術即可測定目標圖案的垂向精確位置的方法。

[1] Hefele J.Calibration Expierence w ith the DMC［Z］.Intergraph Deutschland GmbH，Aalen Germany，EuroCow 2060

[2]Reinhard SCHUSTER，Bernhard BRAUNECKER李月鋒鄒勇平譯.LH系統的ADS40航空數碼攝影相機的校準[J].測繪技術裝備，2004，28：41-44

[3] Hu Gaoxiang，Hu Wenyuan，Frank Bignonea.A Case Study on ADS40Self-calibration over Shanxi，China area.[Z]

[4] 程效軍，胡敏捷.數字相機畸變差的檢測［J］.測繪學報，2002，31(增刊)：113-116

[5] 尚學軍，何明一，王軍良.基于線陣CCD的光斑定位算法研究[J].激光與紅外，2008，38：730-731

[6] DIN 18740-4.Photogrammetrische Produkte.Teil4[S].

Research of Digital Aerial Camera Laboratory Calibration

by Mou Jian

This paper expatiated the aim o f the aerial camera calibration and reviewed the development of aerial cam era calibration,analysed the developed status and apply foreground o f digital camera calibration,discussed the method and aim of laboratory calibration;gave the as sum e of the equipment of aerial camera calibration and the key technic.

aerial camera,aerial photogrammetry,digital camera,laboratory calibration （Page:6）

P231

B

1672-4623(2011)01-0006-03

2010-09-17

繆劍，高級工程師，主要研究方向為測繪生產組織管理，遙感新裝備、新技術應用與開發。