煙雷剛 李天子

【摘 要】以非量測性的數(shù)碼相機(jī)高精度幾何標(biāo)定技術(shù)和回轉(zhuǎn)多基線數(shù)字近景攝影測量技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出用文物三維建模的技術(shù)流程，經(jīng)過理論研究和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析，驗(yàn)證了近景攝影測量用于文物建模的精度和可行性，為古文物三維建模提供了便捷、可靠的途徑。

【關(guān)鍵詞】幾何定標(biāo)；多基線近景攝影測量；文物保護(hù)

0.引言

近景攝影測量作為一種非接觸的性測量手段，擁有體積小、重量輕、價(jià)格低廉、應(yīng)用靈活方便、聚焦范圍廣、可以隨意定向等自身特點(diǎn)；同時(shí)可瞬間獲取地表的大量物理信息和幾何信息[1]，形成密集點(diǎn)云和三維可視化等產(chǎn)品，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測量勞動(dòng)強(qiáng)度大、精度低、作業(yè)復(fù)雜等缺陷[2]。已經(jīng)成為古文物三維建模的一項(xiàng)重要手段。

隨著CCD技術(shù)的發(fā)展，非量測數(shù)碼相機(jī)在近景攝影測量中得到了廣泛應(yīng)用。但非量測數(shù)碼相機(jī)鏡頭畸變大，像主點(diǎn)不在CCD幾何中心上，CCD面陣內(nèi)畸變等，使得圖像畸變大，直接使用，測量精度低。因此實(shí)現(xiàn)非量測相機(jī)的量測化，影像的糾正成為一項(xiàng)必要的工作[3]。同時(shí)，在近景攝影測量中引入新的機(jī)制、新的數(shù)據(jù)獲取方式、 新的影像匹配算法、產(chǎn)生一套新的數(shù)字近景攝影測量的理論-多基線數(shù)字近景攝影測量[4]。

總結(jié)出利用非量測相機(jī)和多基線近景攝影測量技術(shù)對古文物三維建模和可視化的近景攝影測量方法和基本流程，提高近景攝影測量為文物保護(hù)提供高精度的可靠數(shù)據(jù)的效率，成為一項(xiàng)非常必要的工作。

2.非量測數(shù)碼相機(jī)幾何標(biāo)定

2.1非量測數(shù)碼相機(jī)檢校

非量測數(shù)碼相機(jī)鏡頭畸變大，像主點(diǎn)不在CCD幾何中心上，存在CCD面陣內(nèi)畸變等，使得獲取的影像畸變大。而近景攝影測量軟件lensphoto需要相機(jī)檢校參數(shù)，否則會增加像點(diǎn)坐標(biāo)量測誤差。因此實(shí)現(xiàn)非量測相機(jī)的量測化，即相機(jī)檢校和影像的糾正成為近景攝影測量前的一項(xiàng)必要工作。

Lensphoto軟件計(jì)算機(jī)屏幕檢校的方法，該方法檢校經(jīng)穩(wěn)固加工后的cannon eos 450D相機(jī)，如圖1所示。為適應(yīng)本實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求，相機(jī)調(diào)焦至無窮遠(yuǎn)，為使檢校場影像清晰，屏幕在相機(jī)超焦點(diǎn)距離之外，共需要拍攝影像108張，檢校工作量巨大；且屏幕控制場在每張影像所占的比例過小，嚴(yán)重降低了檢校參數(shù)的精度。

該軟件檢校參數(shù)除像主點(diǎn)坐標(biāo)外，包括徑向畸變參數(shù)k1、k2和偏心畸變參數(shù)p1、p2，公式如下：

ki（i=1，2）是描述該物鏡系統(tǒng)徑向畸變的系數(shù)，r為該像點(diǎn)的徑向。r可用以下近似公式計(jì)算：

r= 式中（x，y）是該像點(diǎn)坐標(biāo)，（x0，y0） 是像主點(diǎn)坐標(biāo)。

該公式并不完整，實(shí)驗(yàn)證明（參考下面檢校場檢校法），徑向畸變參數(shù)取至k1，k2精度不能滿足地表沉降監(jiān)測需要；且除徑向畸變和偏心畸變外，數(shù)碼相機(jī)還有面陣內(nèi)畸變。

采用基于Australis 軟件大型檢校場的檢校方法，滿足控制場在相機(jī)超焦點(diǎn)距離之外，且只需24張影像，檢校工作量小。該軟件采用的檢校參數(shù)除像主點(diǎn)坐標(biāo)外，包括徑向畸變參數(shù)k1、k2、k3，偏心畸變參數(shù)p1、p2和面陣內(nèi)畸變參數(shù)b1、b2，公式如下 [4]：

2.2 影像預(yù)處理

運(yùn)用檢校獲得的畸變參數(shù)，進(jìn)行了影像重采樣。經(jīng)對比最鄰近像元、雙線性和雙三次卷積三種卷積核，雙線性差值法能精度滿足要求，且效率較高（原理如圖2）。

圖2雙線性插值原理圖

I（Q）=（1-△x）（1-△y）I11+（1-△x）△YI12+△x（1-△y）I21+△x△yI22

Iij （=1，2）表示ij點(diǎn)的灰度值，I（P）表示P點(diǎn)的灰度值[5]。

3.外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集包括控制測量數(shù)據(jù)的采集和影像數(shù)據(jù)的采集。為把近景攝影測量網(wǎng)納入到物方高斯投影的平面直角坐標(biāo)系中，進(jìn)行了控制測量。為提高控制測量精度，使其精度滿足地面沉降監(jiān)測的近景攝影測量控制測量的精度需要，采用前方交會測平面坐標(biāo)，三等水準(zhǔn)測高程的方法。在影像數(shù)據(jù)采集方面，為提高影像的相對定向精度和數(shù)據(jù)處理的可靠性，采用了回轉(zhuǎn)多基線攝影方式進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集。

3.1控制測量數(shù)據(jù)采集

平面坐標(biāo)采用全站儀閉合導(dǎo)線方法，難以滿足文物測量的精度要求。因?yàn)榭刂凭W(wǎng)建立過程中，選擇精度適宜的精密角度測量設(shè)備容易滿足要求。但是選擇精密長度測量手段，卻難以順心。因此，平面坐標(biāo)的測量，采用全站儀角度的前方交會，精度滿足沉降監(jiān)測要求。高程采用水準(zhǔn)測量方式，采用四等水準(zhǔn)，可滿足高程精度要求，這里不再贅述。

在已知兩點(diǎn)A（XA、YA、ZA）、B（XB、YB、ZB）上架設(shè)全站儀，前方交會測定待定點(diǎn)P（XP、YP）坐標(biāo)，如圖3所示：

前方交會平面點(diǎn)位坐標(biāo)中誤差MP的關(guān)系式為：

式中：

mA、mB：測站點(diǎn)A、B的點(diǎn)位中誤差；

m：內(nèi)角A、B的測角中誤差；

S：基線AB的長度；

3.2影像數(shù)據(jù)采集

多基線攝影測量相鄰影像交會角“小”，易于匹配；多基線，總體交會角“大”，確保交會精度；同時(shí)多方向交會，使前方交會具有多余（冗余）觀測，能夠增加影像匹配的可靠性。因此是近景數(shù)字?jǐn)z影測量理論與實(shí)踐的重要發(fā)展方向之一。根據(jù)攝影目標(biāo)大小，攝影距離，本例采用回轉(zhuǎn)多基線攝影方式[4]，即在常規(guī)兩攝站交向攝影的基礎(chǔ)上再增加幾個(gè)攝站。

多基線立體匹配技術(shù)具有以下特點(diǎn)：一方面由于相鄰相片之間的基線較短，影像變形相對較小，從而有利于自動(dòng)化匹配的順利進(jìn)行。另一方面由于非相鄰相片之間也具有較大重疊度，則利用相鄰相片的同名點(diǎn)進(jìn)行匹配傳遞可以獲取具有多度重疊的同名點(diǎn)。顯然，通過這種匹配技術(shù)獲取的每組同名點(diǎn)具有大量的多余觀測，若使用選權(quán)迭代法獲取觀測值的權(quán)值并利用多片前交進(jìn)行平差計(jì)算，則可以大大提高模型點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算的可靠性和精度。由于同名點(diǎn)不斷通過相鄰相片進(jìn)行傳遞，直到無法匹配為止，這樣對不同的模型點(diǎn)具有不同的重疊度。由于影像數(shù)據(jù)增多，為了提高匹配速度，可以采用金字塔匹配技術(shù)，而具體的單點(diǎn)匹配算法可以采用相關(guān)系數(shù)匹配和最小二乘匹配。

本例選擇的文物為較有代表性的圓周型文物，為使影像完成自動(dòng)匹配，采用每轉(zhuǎn)10°拍攝一張影像的方式，共拍攝36張影像。但數(shù)據(jù)處理過程中，不能在一個(gè)測區(qū)內(nèi)處理，需要分為四個(gè)測區(qū)，做影像匹配，空三交互，區(qū)域網(wǎng)平差，生成點(diǎn)云完畢后，再做測區(qū)拼接和整體平差，最后在整體點(diǎn)云上做紋理粘貼，形成三維可視化的模型。

4.數(shù)據(jù)處理與實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)選擇的對象是河南理工大學(xué)名譽(yù)校董孫越崎的銅像，該銅像包括基座和像身兩部分，基座為約變長60cm的正六面體，像身在幾座正上方，高約150m，基座和像身共高月210cm。觀測時(shí)間2011年7月。

攝影采用Cannon EOS 450D相機(jī)，相機(jī)鏡頭為變焦鏡頭，經(jīng)過簡單的固定，固定焦距35mm，CCD尺寸：4272×2848像素，像元寬度5.2μm。回轉(zhuǎn)多基線正直攝影方式，共拍攝36張影像。

共分四個(gè)測區(qū)內(nèi)，每個(gè)測區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)7個(gè)控制點(diǎn)?？刂泣c(diǎn)的測量，平面坐標(biāo)采用全站儀前方交會，外圍控制網(wǎng)高程采用四等水準(zhǔn)精度評定：Mp=5.2mm，MH=4.3mm。

作自由網(wǎng)平差，平差后中誤差為：0.00088mm，匹配精度遠(yuǎn)小于1/2個(gè)像元的有效數(shù)據(jù)要求，滿足軟件限差要求。匹配點(diǎn)如圖4所示。

圖4 自由網(wǎng)平差圖

進(jìn)一步約束平差，得到7個(gè)點(diǎn)的精度統(tǒng)計(jì)報(bào)告，在X、Y、Z三個(gè)方向上的中誤差分別為：±0.0034m、±0.0039m、±0.0026m，在X、Y、Z三個(gè)方向上基本達(dá)到1/2象元精度。生成點(diǎn)云如圖5所示。

圖5 銅像點(diǎn)云及三維可視化圖

另一實(shí)驗(yàn)為河南理工大學(xué)測繪學(xué)院門前院名石，生成的點(diǎn)云和三維可視化圖像如下圖6所示：

圖6 院名石點(diǎn)云和三維可視化圖

5.結(jié)束語

本文從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面闡述了使用普通數(shù)碼相機(jī)，經(jīng)過簡單固定和高精度檢校，用于古文物高精度三維建模的可行性；為達(dá)到要求的攝影精度，控制測量采用過了高精度工業(yè)控制測量方案，攝影方式綜合考慮和攝影測量的幾何關(guān)系和影像匹配，采用回轉(zhuǎn)多基線攝影方式，經(jīng)過lensphoto軟件數(shù)據(jù)處理，并得到了滿意的成果，為古文物的三維建模提供了有益的借鑒。但限于lensphoto軟件的編輯功能有限，建模方面需要進(jìn)一步開發(fā)模型編輯功能，使模型更加美觀。

【參考文獻(xiàn)】

[1]馮文灝.近景攝影測量[M].武漢大學(xué)出版社，2002.

[2]楊化超，鄧喀中等.數(shù)字近景攝影測量技術(shù)在礦山地表沉陷監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J].中國圖象圖形學(xué)報(bào)，2008，13（6）：519.

[3]李天子，郭輝.非量測數(shù)碼相機(jī)的影像糾正[J].測繪通報(bào)，2006，（10）：59-63.

[4]張祖勛.多基線-數(shù)字近景攝影測量[J].地理空間信息，2007，5（1）：1-4.

[5]張祖勛，張劍清.數(shù)字?jǐn)z影測量學(xué)[M].武漢大學(xué)出版社，2002.