繆 劍，鄒勇平

（西安測繪信息技術(shù)總站，陜西西安 710054）

數(shù)字航攝相機(jī)實(shí)驗(yàn)室檢定研究

繆 劍，鄒勇平

（西安測繪信息技術(shù)總站，陜西西安 710054）

主要闡述了航攝相機(jī)鏡頭校準(zhǔn)的目的、意義，回顧了航攝相機(jī)校準(zhǔn)的發(fā)展過程；分析了數(shù)字相機(jī)計(jì)量校準(zhǔn)的發(fā)展?fàn)顩r和應(yīng)用前景，論述實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)的方法和目的；提出了數(shù)字相機(jī)檢定儀研制初步設(shè)想和需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

航攝相機(jī)；航空攝影測量；數(shù)字相機(jī)；實(shí)驗(yàn)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(shù)據(jù)源之一，航攝相機(jī)鏡頭的最佳對稱主點(diǎn)坐標(biāo)和主距組成的內(nèi)方位元素和鏡頭畸變，是航空攝影相機(jī)的重要技術(shù)指標(biāo)和內(nèi)業(yè)測圖的重要技術(shù)參數(shù)，直接關(guān)系到成像質(zhì)量和測量精度。由于多種因素的影響，航攝相機(jī)在使用過程中內(nèi)方位元素和畸變會(huì)發(fā)生變化并帶來了測量誤差。必須定期校準(zhǔn)相機(jī)鏡頭的內(nèi)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(jī)的校準(zhǔn)

自航空攝影測量發(fā)展之初，航攝相機(jī)的檢定就作為其理論與實(shí)際工作的重要組成部分得到重視，其檢定方法一般為室內(nèi)利用多筒準(zhǔn)直光管或經(jīng)緯儀進(jìn)行的精密測角法。由于相機(jī)檢定有較高的技術(shù)與裝備要求，所以一直有相應(yīng)的專業(yè)設(shè)置與人員配備，并不斷研制檢定設(shè)備。

80年代研制了以經(jīng)緯儀為測角基礎(chǔ)的Ⅲ型航攝相機(jī)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(jī)，包括前蘇聯(lián)的AA系列、卡爾蔡司的LMK系列、徠卡的RC系列、國產(chǎn)的HS系列以及其他偵查、勘探用途的相機(jī)。進(jìn)入 90年代為適應(yīng)徠卡RC30相機(jī)的要求和數(shù)字測圖技術(shù)的發(fā)展，在國內(nèi)彈道相機(jī)科研成果基礎(chǔ)上聯(lián)合研制了 D QCY-120型航攝相機(jī)檢定儀。該檢定儀采用專業(yè)角度度盤，被測鏡頭接近攝影狀態(tài)垂直放置，牢固穩(wěn)定的儀器主體和防震地基，提高了測量準(zhǔn)確性和重復(fù)性，滿足當(dāng)時(shí)的精度要求。

隨著數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)與裝備的發(fā)展，加強(qiáng)航攝相機(jī)檢定的標(biāo)準(zhǔn)化、科學(xué)化，建立完善的計(jì)量體系，為數(shù)字?jǐn)z影測量提供更高精度、更加規(guī)范的相機(jī)內(nèi)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(jī)畸變測量儀標(biāo)準(zhǔn)裝置”的研制（見圖1）。該裝置以光電編碼器測量轉(zhuǎn)臂角度，精度達(dá)到 0.33角秒；采用CCD相機(jī)探測技術(shù)和亞像素細(xì)分算法使瞄準(zhǔn)精度達(dá)0.29角秒；綜合精密加工與自動(dòng)化技術(shù)優(yōu)化運(yùn)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)了航攝相機(jī)鏡頭的非接觸自動(dòng)化控制測量；精確測量格網(wǎng)板刻線誤差并帶入畸變算法，提高了數(shù)據(jù)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(zhǔn)對溫度變化的要求。多項(xiàng)技術(shù)的綜合應(yīng)用，使裝置達(dá)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(dòng)、溫度變化等因素引起的誤差。

圖1 AMA航攝相機(jī)畸變測量儀標(biāo)準(zhǔn)裝置的控制系統(tǒng)與儀器主體

以“航攝相機(jī)畸變測量儀標(biāo)準(zhǔn)裝置”為依托建立了航空攝影相機(jī)計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室，2007年通過了標(biāo)準(zhǔn)與機(jī)構(gòu)考核，“測繪裝備內(nèi)業(yè)計(jì)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(jì)量科學(xué)研究院等單位光學(xué)計(jì)量專家實(shí)施的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核，2009年通過了軍用實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可。

2 數(shù)字航測相機(jī)實(shí)驗(yàn)室檢定的優(yōu)點(diǎn)

數(shù)字航測相機(jī)的校準(zhǔn)方法，可以分為實(shí)驗(yàn)室檢定和飛行檢校兩種。

實(shí)驗(yàn)室檢定范圍廣，可以涵蓋幾何、光度、色度三個(gè)方面。幾何校準(zhǔn)是為了消除鏡頭的光學(xué)畸變誤差、像素排列的機(jī)械誤差、光電信號(hào)轉(zhuǎn)化的電學(xué)誤差而進(jìn)行的。校準(zhǔn)內(nèi)容包括內(nèi)方位元素即主點(diǎn)、主距、單個(gè)像素的二維幾何坐標(biāo)、光學(xué)傳遞函數(shù)（OTF）和調(diào)制傳遞函數(shù) (MTF)。光度學(xué)輻射校準(zhǔn)的目標(biāo)是消除像素響應(yīng)非均勻性，校準(zhǔn)內(nèi)容包括缺陷像素、單個(gè)像素的感光靈敏度、漸暈效應(yīng)和光圈的影響。色度學(xué)校準(zhǔn)目的是測量單個(gè)像素光譜敏感度。飛行檢校僅可以完成相機(jī)幾何量的測量。

實(shí)驗(yàn)室檢定是基礎(chǔ)，是最原始的物理參數(shù)檢定，檢定數(shù)據(jù)是要隨機(jī)安置在相機(jī)固件。而飛行檢校最初是為了驗(yàn)證最后測量精度而設(shè)置的，隨著技術(shù)的發(fā)展，不斷完善，但其檢校文件仍是用于測圖時(shí)脫機(jī)校正，其影響小于實(shí)驗(yàn)室檢定。

實(shí)驗(yàn)室檢定的不確定度是可控的，精度更高。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室的環(huán)境可控，檢定標(biāo)準(zhǔn)可溯源，可以用計(jì)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(jìn)行計(jì)量認(rèn)可。

以上是我們積極開展數(shù)字相機(jī)實(shí)驗(yàn)室檢定研究的原因所在。當(dāng)然對于非測量型鏡頭的航攝相機(jī)也有試驗(yàn)場攝影檢校的方法，篇幅有限不再區(qū)分?jǐn)⑹觥Ｔ诖诵枰f明，計(jì)量學(xué)中檢定比校準(zhǔn)有更為嚴(yán)格的要求，比如必需有明確的標(biāo)準(zhǔn)給出被測件合格與否，而校準(zhǔn)只需給出測量數(shù)據(jù)，不必做出結(jié)論。完成相機(jī)檢定是最終目標(biāo)，但現(xiàn)階段只能稱之為校準(zhǔn)。而飛行檢校無論從測量儀器、依據(jù)規(guī)范、參數(shù)溯源都無計(jì)量學(xué)特征，只能稱為檢校，也只有數(shù)字航測相機(jī)有此需要。當(dāng)然國外都以calibration表達(dá)，不加區(qū)分。

3 數(shù)字相機(jī)實(shí)驗(yàn)室檢定的方法與目的

數(shù)字相機(jī)檢定的目的除了確定相機(jī)的內(nèi)方位元素，還要解算像素排列模型的未知參數(shù)，最終擬合出每個(gè)CCD像素的位置，以便對畸變造成的影像失真進(jìn)行糾正。其中后者是數(shù)字相機(jī)區(qū)別于膠片相機(jī)新的檢定內(nèi)容，并且無論從難度、意義都超過內(nèi)方位元素，線陣相機(jī)甚至已經(jīng)不再需要主點(diǎn)概念，所以像素位置的校準(zhǔn)是需要研究攻克的主要矛盾。以ADS40相機(jī)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(gè)CCD像元理論位置、實(shí)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(shí)際位置和檢校位置的偏差

數(shù)字航測相機(jī)的實(shí)驗(yàn)室?guī)缀瘟啃?zhǔn)一般采用精密測角法實(shí)現(xiàn)，即用平行光管模擬無窮遠(yuǎn)目標(biāo)，成像于數(shù)字相機(jī)的CCD焦平面，并掃描；從相機(jī)輸出數(shù)據(jù)中提取目標(biāo)像的位置坐標(biāo)，以角度測量系統(tǒng)測量平行光管的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，得到一個(gè)如圖4所示數(shù)據(jù)集合:

需要建立像差數(shù)學(xué)模型，要求模型可以盡量逼近實(shí)際測量的結(jié)果，比如式（1）各項(xiàng)參數(shù)具有實(shí)際物理意義的Australis模型。

式中，K1、K2、K3所在的項(xiàng)為徑向畸變；P1、P2所在的項(xiàng)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(shù)。

幾何校準(zhǔn)的目的就是求取式（1）中的各項(xiàng)參數(shù)，這是一個(gè)優(yōu)化計(jì)算的過程。優(yōu)化的目標(biāo)和規(guī)則是使畸變的測量值與模型推導(dǎo)值偏差的平方和最小，即式（2）。

在圖像處理時(shí)，再利用經(jīng)幾何校準(zhǔn)確定參數(shù)的像差模型，重新計(jì)算修正每個(gè)像素的座標(biāo)，以提高圖像的幾何定位精度。

4 數(shù)字相機(jī)檢定儀研制設(shè)想與關(guān)鍵技術(shù)

檢定儀研制的初步思路是：將被檢測的航攝相機(jī)固定在一個(gè)可以繞相機(jī)的光軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺(tái)之上。用相機(jī)的下方的目標(biāo)平行光管模擬無窮遠(yuǎn)的目標(biāo)成像于CCD焦平面。

通過轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)，使目標(biāo)像點(diǎn)在CCD探測平面上以像主點(diǎn)為圓心沿直徑方向作徑向移動(dòng)。轉(zhuǎn)臺(tái)和轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)就能使像點(diǎn)在CCD像面上產(chǎn)生米字形分布。

采集目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)和光電編碼器測量出的轉(zhuǎn)臂角度。結(jié)合相關(guān)算法，便能夠解算出需要的相機(jī)模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對相機(jī)的幾何檢定。圖 5所示的為數(shù)字相機(jī)檢定儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖。關(guān)鍵技術(shù)如下：

圖5 數(shù)字相機(jī)檢定儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

1）高精度目標(biāo)像的定位。目標(biāo)圖像測量精度要求達(dá)到1/20到1/25像素，需要將傳統(tǒng)十字形目標(biāo)改進(jìn)為圓形。CCD光斑定位算法常用的有質(zhì)心法、邊緣檢測法等?？紤]提高定位精度，適應(yīng)目標(biāo)圖像光強(qiáng)變化，我們提出基于插值的非線性加權(quán)質(zhì)心算法。另外，轉(zhuǎn)臂內(nèi)的平行光管要滿足模擬不同參數(shù)相機(jī)對無窮遠(yuǎn)目標(biāo)清晰成像的要求，要盡可能的實(shí)現(xiàn)長焦距大口徑，并且本身畸變要可忽略不計(jì)。

2）高精度的回轉(zhuǎn)軸系和光電軸角編碼器。轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)的精度要求很高，當(dāng)光管沿CCD像面的徑向方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它在切向的晃動(dòng)應(yīng)限定為0.5角秒。同時(shí)還要求軸系摩擦力矩小，無爬行，操控方便。

3）幾何校準(zhǔn)的算法與軟件。幾何校準(zhǔn)的算法與計(jì)算軟件是整個(gè)系統(tǒng)的理論核心，需要對現(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型和算法仔細(xì)研究、突破創(chuàng)新。

4）多鏡頭拼接面陣相機(jī)當(dāng)前研發(fā)迅速，此類相機(jī)的校準(zhǔn)，除對單個(gè)鏡頭進(jìn)行幾何校準(zhǔn)外還要校準(zhǔn)不同鏡頭光軸之間的空間角度。目標(biāo)平行光管的口徑要起碼能夠包含兩個(gè)被測鏡頭，需要有第二個(gè)目標(biāo)像要落在相鄰兩個(gè)相機(jī)的視場的重疊區(qū)域之內(nèi)，就可以校準(zhǔn)出這兩個(gè)相機(jī)的光軸之間俯仰角、偏航角和相鄰相機(jī)CCD平面之間的滾轉(zhuǎn)角。

5）對于三線陣相機(jī)，像面上有至少3個(gè)線列CCD，要校準(zhǔn)出每個(gè)像素的兩維空間指向角。對線列一維CCD數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)分定位，可以決定其線列徑向的精確座標(biāo)，但是垂直線列方向的座標(biāo)不易確定。解決這個(gè)問題的方案之一是采用平行光管二維轉(zhuǎn)動(dòng)掃描的機(jī)構(gòu)，并且要求在法向能夠作精密和細(xì)微的運(yùn)動(dòng)。另一種方案是由平行光管產(chǎn)生特殊的光電編碼校準(zhǔn)像。這種圖像不需要目標(biāo)在法向的精確定位，依靠目標(biāo)編碼技術(shù)即可測定目標(biāo)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(tǒng)的ADS40航空數(shù)碼攝影相機(jī)的校準(zhǔn)[J].測繪技術(shù)裝備，2004，28：41-44

[3] Hu Gaoxiang，Hu Wenyuan，F(xiàn)rank Bignonea.A Case Study on ADS40Self-calibration over Shanxi，China area.[Z]

[4] 程效軍，胡敏捷.數(shù)字相機(jī)畸變差的檢測［J］.測繪學(xué)報(bào)，2002，31(增刊)：113-116

[5] 尚學(xué)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(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闇y繪生產(chǎn)組織管理，遙感新裝備、新技術(shù)應(yīng)用與開發(fā)。