與計(jì)算機(jī)視覺(jué)相關(guān)的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的發(fā)展

彭樹(shù)鴻　王聞?dòng)睢≈旃庵?/p>

摘要：攝影測(cè)量在進(jìn)入數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量時(shí)代時(shí)已與計(jì)算機(jī)視覺(jué)緊密地聯(lián)系在了一起，二者面臨著相同的基本問(wèn)題，而計(jì)算機(jī)視覺(jué)是一個(gè)相對(duì)年輕且發(fā)展迅速的領(lǐng)域。從攝影測(cè)量的理論、技術(shù)及其發(fā)展歷史出發(fā)，總結(jié)了數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與計(jì)算機(jī)視覺(jué)之間差異，試圖探討數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量中采用的與計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域相關(guān)的一些關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量 計(jì)算機(jī)視覺(jué) 多目立體視覺(jué) 影像匹配

引言

攝影測(cè)量學(xué)是一門(mén)古老的學(xué)科，若從1839年攝影術(shù)的發(fā)明算起，攝影測(cè)量學(xué)已有170多年的歷史，而被普遍認(rèn)為攝影測(cè)量學(xué)真正起點(diǎn)的是1851—1859年“交會(huì)攝影測(cè)量”的提出。在這漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程中，攝影測(cè)量學(xué)經(jīng)歷了模擬法、解析法和數(shù)字化三個(gè)階段。模擬攝影測(cè)量和解析攝影測(cè)量分別是以立體攝影測(cè)量的發(fā)明和計(jì)算機(jī)的發(fā)明為標(biāo)志，因此很大程度上，計(jì)算機(jī)的發(fā)展決定了攝影測(cè)量學(xué)的發(fā)展。在解析攝影測(cè)量中，計(jì)算機(jī)用于大規(guī)模的空中三角測(cè)量、區(qū)域網(wǎng)平差、數(shù)字測(cè)圖，還用于計(jì)算共線方程，在解析測(cè)圖儀中起著控制相片盤(pán)的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)，交會(huì)空間點(diǎn)位的作用。而出現(xiàn)在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量階段的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站（digitalphotogrammetryworkstation，DPW）就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)+各種功能的攝影測(cè)量軟件。如果說(shuō)從模擬攝影測(cè)量到解析攝影測(cè)量的發(fā)展是一次技術(shù)的進(jìn)步，那么從解析攝影測(cè)量到數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的發(fā)展則是一場(chǎng)技術(shù)的革命。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與模擬、解析攝影測(cè)量的最大區(qū)別在于：它處理的是數(shù)字影像而不再是模擬相片，更為重要的是它開(kāi)始并將不斷深入地利用計(jì)算機(jī)替代作業(yè)員的眼睛。[1-2]毫無(wú)疑問(wèn)，攝影測(cè)量進(jìn)入數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量時(shí)代已經(jīng)與計(jì)算機(jī)視覺(jué)緊密聯(lián)系在一起了[2]。

計(jì)算機(jī)視覺(jué)是一個(gè)相對(duì)年輕而又發(fā)展迅速的領(lǐng)域。其目標(biāo)是使計(jì)算機(jī)具有通過(guò)二維圖像認(rèn)知三維環(huán)境信息的能力，這種能力將不僅使機(jī)器能感知三維環(huán)境中物體的幾何信息，包括它的形狀、位置、姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)等，而且能對(duì)它們進(jìn)行描述、存儲(chǔ)、識(shí)別與理解[3]。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量具有類(lèi)似的目標(biāo)，也面臨著相同的基本問(wèn)題。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué)涉及多個(gè)學(xué)科，如圖像處理、模式識(shí)別以及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等。由于它與計(jì)算機(jī)視覺(jué)的聯(lián)系十分緊密，有些專家將其看做是計(jì)算機(jī)視覺(jué)的分支。

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的發(fā)展已經(jīng)借鑒了許多計(jì)算機(jī)視覺(jué)的研究成果[4]。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量發(fā)展導(dǎo)致了實(shí)時(shí)攝影測(cè)量的出現(xiàn)，所謂實(shí)時(shí)攝影測(cè)量是指利用多臺(tái)CCD數(shù)字?jǐn)z影機(jī)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行影像獲取，并直接輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，在實(shí)時(shí)軟件的幫助下，立刻獲得和提取需要的信息，并用來(lái)控制對(duì)目標(biāo)的操作[1]。在立體觀測(cè)的過(guò)程中，其主要利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)方法實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)代替人眼。隨著數(shù)碼相機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，數(shù)字近景攝影測(cè)量已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。近景攝影測(cè)量是利用近距離攝影取得的影像信息，研究物體大小形狀和時(shí)空位置的一門(mén)新技術(shù)，它是一種基于數(shù)字信息和數(shù)字影像技術(shù)的數(shù)據(jù)獲取手段。量測(cè)型的計(jì)算機(jī)視覺(jué)與數(shù)字近景攝影測(cè)量的學(xué)科交叉將會(huì)在計(jì)算機(jī)視覺(jué)中形成一個(gè)新的分支——攝影測(cè)量的計(jì)算機(jī)視覺(jué)，但是它不應(yīng)僅僅局限于地學(xué)信息[2]。

1.計(jì)算機(jī)視覺(jué)與數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的差異

1.1目的不同導(dǎo)致二者的坐標(biāo)系和基本公式不同

攝影測(cè)量的基本任務(wù)是嚴(yán)格建立相片獲取瞬間所存在的像點(diǎn)與對(duì)應(yīng)物點(diǎn)之間的幾何關(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)利用攝影片上的影像信息測(cè)制各種比例尺地形圖，建立地形數(shù)據(jù)庫(kù)，為各種地理信息系統(tǒng)建立或更新提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此，它是在測(cè)繪領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展起來(lái)的一門(mén)學(xué)科。

而計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域的突出特點(diǎn)是其多樣性與不完善性。計(jì)算機(jī)視覺(jué)的主要任務(wù)是通過(guò)對(duì)采集的圖片或視頻進(jìn)行處理以獲得相應(yīng)場(chǎng)景的三維信息，因此直到計(jì)算機(jī)的性能提高到足以處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時(shí)它才得到正式的關(guān)注和發(fā)展，而這些發(fā)展往往起源于其他不同領(lǐng)域的需要。比如在一些不適合于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人工視覺(jué)難以滿足要求的場(chǎng)合，常用計(jì)算機(jī)來(lái)替代人工視覺(jué)。

由于攝影測(cè)量是測(cè)繪地形圖的重要手段之一，為了測(cè)繪某一地區(qū)而攝影的所有影像，必須建立統(tǒng)一的坐標(biāo)系。而計(jì)算機(jī)視覺(jué)是研究怎樣用計(jì)算機(jī)模擬人的眼睛，因此它是以眼睛（攝影機(jī)中心）與光軸構(gòu)成的坐標(biāo)系為準(zhǔn)。因此，攝影測(cè)量與計(jì)算機(jī)視覺(jué)目的不同，導(dǎo)致它們對(duì)物體與影像之間關(guān)系的描述也不同。

1.2二者處理流程不同

2.可用于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)視覺(jué)理論——立體視覺(jué)

2.1立體視覺(jué)

立體視覺(jué)是計(jì)算機(jī)視覺(jué)中的一個(gè)重要分支，一直是計(jì)算機(jī)視覺(jué)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)之一，在20多年的發(fā)展過(guò)程中，逐漸形成了自己的方法和理論。立體視覺(jué)的基本原理是從兩個(gè)（或多個(gè)）視點(diǎn)觀察同一景物，以獲取在不同視角下的感知圖像，通過(guò)三角測(cè)量原理計(jì)算像像素間的位置偏差（即視差）來(lái)獲取景物的三維信息，這一過(guò)程與人類(lèi)視覺(jué)的立體感知過(guò)程是類(lèi)似的。一個(gè)完整的立體視覺(jué)系統(tǒng)通常可分為圖像獲取、攝像機(jī)定標(biāo)、特征提取、影像匹配、深度確定及內(nèi)插等6個(gè)大部分[5]。其中影像匹配是立體視覺(jué)中最重要也是最困難的問(wèn)題，也是計(jì)算機(jī)視覺(jué)和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的核心問(wèn)題。

2.2影像匹配

立體視覺(jué)的最終目的是為了恢復(fù)景物可視表面的完整信息。當(dāng)空間三維場(chǎng)景被投影為二維圖像時(shí)，同一景物在不同視點(diǎn)下的圖像會(huì)有很大不同，而且場(chǎng)景中的諸多因素，如光照條件，景物幾何形狀和物理特性、噪聲干擾和畸變以及攝像機(jī)特性等，都被綜合成單一的圖像中的灰度值。因此，要準(zhǔn)確地對(duì)包含了如此之多不利因素的圖像進(jìn)行無(wú)歧義的匹配，顯然是十分困難的。

在攝影測(cè)量中最基本的過(guò)程之一就是在兩幅或者更多幅的重疊影像中識(shí)別并定位同名點(diǎn)，以產(chǎn)生立體影像。在模擬攝影測(cè)量和解析攝影測(cè)量中，同名點(diǎn)的識(shí)別是通過(guò)人工操作方式完成的；而在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量中則利用計(jì)算機(jī)代替人工解決同名點(diǎn)識(shí)別的問(wèn)題，即采用影像匹配的方法。

2.3多目立體視覺(jué)

根據(jù)單張相片只能確定地面某個(gè)點(diǎn)的方向，不能確定地面點(diǎn)的三維空間位置，而有了立體像對(duì)則可構(gòu)成與地面相似的立體模型，解求地面點(diǎn)的空間位置。雙目立體視覺(jué)由不同位置的兩臺(tái)或者一臺(tái)攝像機(jī)（CCD）經(jīng)過(guò)移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)拍攝同一幅場(chǎng)景，就像人有了兩只眼睛，才能看三維立體景觀一樣，然后通過(guò)計(jì)算空間點(diǎn)在兩幅圖像中的視差，獲得該點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。現(xiàn)在的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量中的立體像對(duì)技術(shù)通常是在一條基線上進(jìn)行的，但是由于采用計(jì)算機(jī)匹配替代人眼測(cè)定影像同名像對(duì)時(shí)存在大量的誤匹配，使自動(dòng)匹配的結(jié)果很不可靠。其存在的問(wèn)題主要是，對(duì)存在特殊結(jié)構(gòu)的景物，如平坦、缺乏紋理細(xì)節(jié)、周期性的重復(fù)特征等易產(chǎn)生假匹配；在攝像機(jī)基線距離增大時(shí)，遮擋嚴(yán)重，能重建的空間點(diǎn)減少。為了解決這些問(wèn)題，降低雙目匹配的難度，自1986年以來(lái)出現(xiàn)了三目立體視覺(jué)系統(tǒng)，即采用3個(gè)攝像機(jī)同時(shí)攝取空間景物，通過(guò)利用第三目圖像提供的信息來(lái)消除匹配的歧義性[5]。采用“多目立體視覺(jué)技術(shù)”可以利用攝影測(cè)量的空中三角測(cè)量原理，對(duì)多度重疊點(diǎn)進(jìn)行“多方向的前方交會(huì)”，既能較有效地解決隨機(jī)的誤匹配問(wèn)題，同時(shí)又能增加交會(huì)角，提高高程測(cè)量的精度[2]。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，將很大程度地解決自動(dòng)匹配結(jié)果的不可靠性，提高數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

3.結(jié)論與展望

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量事實(shí)上已經(jīng)進(jìn)入計(jì)算機(jī)視覺(jué)的領(lǐng)域，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的進(jìn)一步發(fā)展必須破除傳統(tǒng)攝影測(cè)量的束縛，從計(jì)算機(jī)視覺(jué)的觀點(diǎn)出發(fā)[2]。攝影測(cè)量與計(jì)算機(jī)視覺(jué)兩者目的不同，導(dǎo)致它們對(duì)物體與影像之間關(guān)系的描述也不盡相同，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量本身存在著很復(fù)雜的空間坐標(biāo)變換，因此在未來(lái)的發(fā)展中有必要建立相應(yīng)的模型實(shí)現(xiàn)二者之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，使計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域的理論更加順暢的應(yīng)用到數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量中。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的發(fā)展必將與計(jì)算機(jī)視覺(jué)的理論和最新發(fā)展緊密結(jié)合。