專利名稱：：數(shù)字航測相機(jī)的二維標(biāo)定裝置及其標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及數(shù)字航測相機(jī)的一種數(shù)字航測相機(jī)的二維標(biāo)定裝置及其標(biāo)定方法。技術(shù)背景為提高航測相機(jī)的測量精度，通常在每臺航測相機(jī)執(zhí)行航拍任務(wù)前，都需要進(jìn)行嚴(yán)格的標(biāo)定，測出航測相機(jī)的內(nèi)方位元素及畸變。目前的航測相機(jī)室內(nèi)標(biāo)定法大都屬于純光學(xué)標(biāo)定法，包括正/反向節(jié)點(diǎn)滑軌法、平行光管組法和測角法，其中正/反向節(jié)點(diǎn)滑軌法不適用于整架相機(jī)的畸變測量；平行光管組法的測量裝置復(fù)雜；傳統(tǒng)測角法適用于膠片式航測相機(jī)，不適合大視場大面陣數(shù)字航測相機(jī)的標(biāo)定。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種數(shù)字航測相機(jī)的二維標(biāo)定裝置及其標(biāo)定方法，實(shí)現(xiàn)大視場大面陣數(shù)字航測相機(jī)的精確標(biāo)定，且標(biāo)定裝置簡單，標(biāo)定精度高o本發(fā)明的技術(shù)解決方案數(shù)字航測相機(jī)的二維標(biāo)定裝置，由內(nèi)方位儀、計(jì)算機(jī)、被測航測相機(jī)及平行光管組成，所述的內(nèi)方位儀為二維精密內(nèi)方位儀，主要包括被檢系統(tǒng)固定框架、俯仰軸、方位軸及兩軸轉(zhuǎn)臺；被檢系統(tǒng)固定框架與俯仰軸相連，可隨著俯仰軸同步轉(zhuǎn)動，兩軸轉(zhuǎn)臺一端與俯仰軸相連，另一端與方位軸緊密相連，方位軸的轉(zhuǎn)動可同時(shí)帶動兩軸轉(zhuǎn)臺及俯仰軸在水平方向轉(zhuǎn)動；被測航測相機(jī)安裝在內(nèi)方位儀的被檢系統(tǒng)固定框架內(nèi)，其前后位置可以調(diào)節(jié)；平行光管位于被測航測相機(jī)的前方；標(biāo)定過程中，計(jì)算機(jī)通過驅(qū)動控制裝置控制內(nèi)方位儀的俯仰軸與方位軸的轉(zhuǎn)動，對俯仰軸與方位軸內(nèi)設(shè)置的編碼器輸出的數(shù)據(jù)采集，通過圖像采集卡對被測航測相機(jī)進(jìn)行像點(diǎn)位置采集，計(jì)算機(jī)利用采集到的一組俯仰、方位編碼器角度值及相應(yīng)的像點(diǎn)位置像素坐標(biāo)，通過數(shù)學(xué)模型，標(biāo)定出被測航測相機(jī)的內(nèi)方位元素及畸變。一種數(shù)字航測相機(jī)的二維標(biāo)定方法，步驟如下(1)數(shù)字航測相機(jī)標(biāo)定時(shí)，將被測航測相機(jī)安裝在內(nèi)方位儀被檢系統(tǒng)固定框架內(nèi)部，并使其入瞳落在俯仰軸和方位軸的焦點(diǎn)上，調(diào)好平衡；(2)在被測航測相機(jī)的前方，與內(nèi)方位儀測量機(jī)架俯仰軸相同高度處放置平行光管，使平行光管星點(diǎn)板孔直徑在被測航測相機(jī)像面上的像壓2x2個(gè)像素以上，便于被測航測相機(jī)細(xì)分測量；(3)被測航測相機(jī)和平行光管調(diào)整好后，控制內(nèi)方位儀俯仰軸和方位軸帶動其被檢系統(tǒng)固定框架轉(zhuǎn)動(通常每次轉(zhuǎn)動等間距角度)，使平行光管的點(diǎn)像目標(biāo)依次成像在被測航測相機(jī)的像面上，并依次同時(shí)采集獲取點(diǎn)像目標(biāo)相應(yīng)俯仰、方位編碼器的角度值和點(diǎn)像目標(biāo)在被測航測相機(jī)上的像素坐標(biāo)；(4)利用測得的角度值、像素坐標(biāo)及相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型標(biāo)定出被測航測相機(jī)的內(nèi)方位元素及畸變。上述的數(shù)學(xué)模型包括相機(jī)內(nèi)方位元素的數(shù)字模型，即主距/、主點(diǎn)A、尸,的模型，及相機(jī)畸變的數(shù)學(xué)模型，其中主距/、主點(diǎn)尺、尸,的模型如下,_-。8+d2c3c8-￡>2c2c9+d3c2c6-d3c3c5_ac5c7-z^Cg+Aqc;-"2c2c7+d3c2c4-z^qq相機(jī)畸變的數(shù)學(xué)模型如下=x-/sec￡+々sec五.tg￡.tg^+《'tg2Z將計(jì)算得到的/;A，尸，代入A，A式中，即可計(jì)算出相機(jī)畸變值A(chǔ)，",；上式中A為內(nèi)方位儀的方位角，E為內(nèi)方位儀的俯仰角，S為物鏡入瞳中心，設(shè)XOY平面為像平面，P點(diǎn)為像平面的主點(diǎn)，f為相機(jī)的主距，x，y為XOY.像.平面內(nèi)任一像點(diǎn)坐標(biāo)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明的標(biāo)定裝置中采用了精密研制的內(nèi)方位儀，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由于內(nèi)方位儀俯仰角與方位角的測量方向范圍較大，所以適合大視場、大面陣數(shù)字航測相機(jī)的標(biāo)定。(2)本發(fā)明的標(biāo)定過程中人工干預(yù)較少，標(biāo)定裝置采用高精度內(nèi)方位儀，像點(diǎn)位置坐標(biāo)提取精度高，測量原理誤差小等原因使得標(biāo)定精度較高。(3)本發(fā)明的系統(tǒng)光學(xué)位置調(diào)整好后，被測航測相機(jī)一次采集便可獲取一像點(diǎn)的位置坐標(biāo)及其相應(yīng)內(nèi)方位儀編碼器俯仰角及方位角的數(shù)值，由于標(biāo)定過程中通常采用等間距角度標(biāo)定，通過測量軟件可實(shí)現(xiàn)全自動采集測量，測量周期短。圖1為本發(fā)明的標(biāo)定裝置原理框圖；圖2為本發(fā)明的二維畸變測量原理圖；圖3為本發(fā)明的圖像平面坐標(biāo)系圖；圖4為本發(fā)明的計(jì)算機(jī)控制簡圖。具體實(shí)施方式如圖1所示，本發(fā)明主要由內(nèi)方位儀、計(jì)算機(jī)l、被測航測相機(jī)2及平行光管3組成。內(nèi)方位儀主要由被檢系統(tǒng)固定框架4、俯仰軸5、方位軸6及兩軸轉(zhuǎn)臺7組成，兩軸轉(zhuǎn)臺7內(nèi)部設(shè)計(jì)有高精度編碼器，被檢系統(tǒng)固定框架4與俯仰軸5相連，可隨著俯仰軸5同步轉(zhuǎn)動，兩軸轉(zhuǎn)臺7除了與俯仰軸5相連外還與方位軸6緊密相連，方位軸6的轉(zhuǎn)動可同時(shí)帶動兩軸轉(zhuǎn)臺7及俯仰軸5在水平方向轉(zhuǎn)動；內(nèi)方位儀俯仰角的測量方向范圍13為±35°，方位角的測量方向范圍14為±45°。被測航測相機(jī)2安裝在內(nèi)方位儀的被檢系統(tǒng)固定框架4內(nèi)，通過調(diào)整裝置8可調(diào)節(jié)其前節(jié)點(diǎn)前后位置。平行光管3位于被測航測相機(jī)2前方，采用可見光像點(diǎn)光源9。標(biāo)定過程中，計(jì)算機(jī)l通過驅(qū)動控制裝置10控制內(nèi)方位儀俯仰軸5與方位軸6的轉(zhuǎn)動，俯仰軸5與方位軸6上分別設(shè)有編碼器，通過串口實(shí)現(xiàn)對編碼器輸出數(shù)據(jù)11的采集，通過圖像采集卡12對被測航測相機(jī)2進(jìn)行像點(diǎn)位置采集，計(jì)算機(jī)l利用采集到的一組俯仰、方位編碼器角度值及相應(yīng)的像點(diǎn)位置像素坐標(biāo)，結(jié)合數(shù)學(xué)模型，標(biāo)定出被測航測相機(jī)的內(nèi)方位元素及畸變。如圖2所示，本發(fā)明標(biāo)定裝置中采用的數(shù)學(xué)模型建立示意圖，其中A表示內(nèi)方位儀的方位角，E表示內(nèi)方位儀的俯仰角，S為物鏡入瞳中心，XOY平面為像平面，P點(diǎn)為像平面的主點(diǎn)，f為相機(jī)的主距，M(x,y)為像平面內(nèi)任一像點(diǎn)坐標(biāo)。根據(jù)圖2所示幾何關(guān)系，可得出關(guān)系式x—《=/a.tg(J-A^)(i)^-Z.tg(五一M)其中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>畸變表達(dá)式泰勒公式簡化后<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>得到畸變的標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>用最小二乘法使畸變的均方和最小<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>由式(5)得到以下三元一次方程組<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>ci=Zi(tg2^+sec2及g2，C2=2]sec及g3乂，cs=S(培3五+sec2五tg^tg^)C4=S(tg3￡+sec2￡rg2^tg￡)，C5=J)secMgjEtg34，C6=^(tg4￡+sec2Etg^tg2j)C7=J]sec五tgU,C8=^tg4J，C9=Zsec￡tg￡tg3^Z\=J]sec￡t&4+_ytg￡)，D2=(;csec￡tg￡tg^+_ytg2￡)，I>3=Z;rtg2」上述公式中的Af可通過編碼器直接測得。圖3中的0'為屏幕坐標(biāo)原點(diǎn)，O為編碼器俯仰角和方位角均為零度時(shí)的像點(diǎn)位置，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將軟件測得的屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為以O(shè)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)的坐標(biāo)，可得到A_F。將A&x，y分別代入式(8)、(9)、(10)可得到相機(jī)內(nèi)方位元素，即主距主點(diǎn)A和尸,的值，將計(jì)算得到的/，A，^代入式(4)可算出相機(jī)畸變值A(chǔ)，A。如圖4所示，標(biāo)定過程中計(jì)算機(jī)測控軟件實(shí)時(shí)采集顯示被測航測相機(jī)圖像，通過設(shè)置編碼器的角度值控制內(nèi)方位儀俯仰軸、方位軸轉(zhuǎn)動到指定位置，采集編碼器的角度值，并對此時(shí)顯示的像點(diǎn)位置利用CCD細(xì)分方法提取其質(zhì)心像素坐標(biāo)，測點(diǎn)數(shù)加l，若不滿足測點(diǎn)數(shù)計(jì)劃，重復(fù)執(zhí)行上述過程，若測點(diǎn)數(shù)足夠，則利用標(biāo)定數(shù)學(xué)模型計(jì)算出被測航測相機(jī)的內(nèi)方位元素及畸變。本發(fā)明的標(biāo)定步驟如下(1)數(shù)字航測相機(jī)標(biāo)定時(shí)，將被測航測相機(jī)安裝在內(nèi)方位儀被檢系統(tǒng)固定框架內(nèi)部，并使其入瞳落在俯仰軸和方位軸的焦點(diǎn)上，調(diào)好平衡；(2)在被測航測相機(jī)的前方，與內(nèi)方位儀測量機(jī)架俯仰軸相同高度處放置平行光管，使平行光管星點(diǎn)板孔直徑在被測航測相機(jī)CCD像面上的像壓2x2個(gè)像素以上，便于CCD細(xì)分測量，調(diào)整平行光管的位置，使平行光管光軸與被測相機(jī)光軸平行。調(diào)整CCD距離光學(xué)鏡頭的距離，使點(diǎn)像目標(biāo)成像面積最小、亮度最強(qiáng)。調(diào)整CCD中心使其在被測相機(jī)的光軸上；(3)被測航測相機(jī)和平行光管調(diào)整好后，控制內(nèi)方位儀俯仰軸和方位軸帶動其被檢系統(tǒng)固定框架轉(zhuǎn)動(轉(zhuǎn)動角度為等間距)，使平行光管的點(diǎn)像瞎標(biāo)依次成像在被測航測相機(jī)的CCD像面上，利用計(jì)算機(jī)測控軟件依次采集點(diǎn)像目標(biāo)相應(yīng)俯仰、方位編碼器的角度值和點(diǎn)像目標(biāo)在CCD上的像素坐標(biāo)(為保證測量精度，在對點(diǎn)像目標(biāo)采樣時(shí)，測量機(jī)架處于靜止?fàn)顟B(tài))；(4)被測航測相機(jī)的測點(diǎn)數(shù)、測點(diǎn)位置可定義選取。被測航測相機(jī)視場內(nèi)所有待8測點(diǎn)測量完成后，利用測得的一組角度值、像素坐標(biāo)及相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出被測航測相機(jī)的內(nèi)方位元素及畸變。為提高測量精度，可重復(fù)測量多次取均值。權(quán)利要求1、數(shù)字航測相機(jī)的二維標(biāo)定裝置，其特征在于包括內(nèi)方位儀、計(jì)算機(jī)(1)、被測航測相機(jī)(2)及平行光管(3)組成，所述的內(nèi)方位儀為二維精密內(nèi)方位儀，主要包括被檢系統(tǒng)固定框架(4)、俯仰軸(5)、方位軸(6)及兩軸轉(zhuǎn)臺(7)；被檢系統(tǒng)固定框架(4)與俯仰軸(5)相連，可隨著俯仰軸(5)同步轉(zhuǎn)動，兩軸轉(zhuǎn)臺(7)一端與俯仰軸(5)相連，另一端與方位軸(6)緊密相連，方位軸(6)的轉(zhuǎn)動可同時(shí)帶動兩軸轉(zhuǎn)臺(7)及俯仰軸(5)在水平方向轉(zhuǎn)動；被測航測相機(jī)(2)安裝在內(nèi)方位儀的被檢系統(tǒng)固定框架(4)內(nèi)，其前后位置可以調(diào)節(jié)；平行光管(3)位于被測航測相機(jī)(2)的前方；標(biāo)定過程中，計(jì)算機(jī)(1)通過驅(qū)動控制裝置(10)控制內(nèi)方位儀的俯仰軸(5)與方位軸(6)的轉(zhuǎn)動，對俯仰軸(5)與方位軸(6)內(nèi)設(shè)置的編碼器輸出的數(shù)據(jù)(11)采集，通過圖像采集卡(12)對被測航測相機(jī)(2)進(jìn)行像點(diǎn)位置采集，計(jì)算機(jī)(1)利用采集到的一組俯仰、方位編碼器角度值及相應(yīng)的像點(diǎn)位置像素坐標(biāo)，通過數(shù)學(xué)模型，標(biāo)定出被測航測相機(jī)的內(nèi)方位元素及畸變。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字航測相機(jī)的二維標(biāo)定裝置，其特征在于所述的數(shù)學(xué)模型包括相機(jī)內(nèi)方位元素的數(shù)字模型，即主距/、主點(diǎn)A、尸,的模型，及相機(jī)畸變的數(shù)學(xué)模型，其中主距/、主點(diǎn)A、A的模型如下<table>tableseeoriginaldocumentpage107</column></row><table>將計(jì)算得到的/;^，Z3,代入A，",式中，即可計(jì)算出相機(jī)畸變復(fù)雙，A;上式中A為內(nèi)方位儀的方位角，E為內(nèi)方位儀的俯仰角，S為物鏡入瞳中心，設(shè)XOY平面為像平面，P點(diǎn)為像平面的主點(diǎn)，f為相機(jī)的主距，x,y為XOY像平面內(nèi)任一像點(diǎn)坐標(biāo)。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字航測相機(jī)的二維標(biāo)定裝置，其特征在于所述的內(nèi)方位儀中俯仰軸(5)輸出的俯仰角測量方向范圍為±35°，方位軸(6)輸出的方位角測量方向范圍為±45°。4、一種數(shù)字航測相機(jī)的二維標(biāo)定方法，其特征在于步驟如下(1)將被測航測相機(jī)(2)安裝在內(nèi)方位儀被檢系統(tǒng)固定框架(4)內(nèi)部，并使其入瞳落在俯仰軸和方位軸的焦點(diǎn)上，調(diào)好平衡；(2)在被測航測相機(jī)(2)的前方，與內(nèi)方位儀測量機(jī)架俯仰軸相同高度處放置平行光管(3)，使平行光管星點(diǎn)板孔直徑在被測航測相機(jī)(2)的像面上的像壓2x2個(gè)像素以上，便于被測航測相機(jī)(2)細(xì)分測量；(3)被測航測相機(jī)(2)和平行光管(3)調(diào)整好后，控制內(nèi)方位儀中的俯仰軸(5)和方位軸(6)帶動被檢系統(tǒng)固定框架(4)轉(zhuǎn)動，使平行光管(3)的點(diǎn)像目標(biāo)依次成像在被測航測相機(jī)(2)的像面上，并依次同時(shí)采集獲取點(diǎn)像目標(biāo)相應(yīng)俯仰角度值、方位角度值和點(diǎn)像目標(biāo)在被測航測相機(jī)(2)上的像素坐標(biāo)；(4)利用測得的俯仰角度值、方位角度值、像素坐標(biāo)及數(shù)學(xué)模型標(biāo)定出被測航測相機(jī)的內(nèi)方位元素及畸變。5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的數(shù)字航測相機(jī)的二維標(biāo)定方法，其特征在于所述步驟(4)中的數(shù)學(xué)模型包括相機(jī)內(nèi)方位元素的數(shù)字模型，即主距/、主點(diǎn)A、A的模型，及相機(jī)畸變的數(shù)學(xué)模型，其中主距/、主點(diǎn)A、尸,的模型如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>相機(jī)畸變的數(shù)學(xué)模型如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>將計(jì)算得到的/，A，尸，代入A，Z,式中，即可計(jì)算出相機(jī)畸變值A(chǔ)，上式中A為內(nèi)方位儀的方位角，E為內(nèi)方位儀的俯仰角，S為物鏡入瞳中心，設(shè)XOY平面為像平面，P點(diǎn)為像平面的主點(diǎn)，f為相機(jī)的主距，x,y為XOY像平面內(nèi)任一像點(diǎn)坐標(biāo)。全文摘要數(shù)字航測相機(jī)的二維標(biāo)定裝置及其標(biāo)定方法，由內(nèi)方位儀、計(jì)算機(jī)、被測航測相機(jī)及平行光管組成，內(nèi)方位儀為二維精密內(nèi)方位儀，主要包括被檢系統(tǒng)固定框架、俯仰軸、方位軸及兩軸轉(zhuǎn)臺；被測航測相機(jī)安裝在內(nèi)方位儀的被檢系統(tǒng)固定框架內(nèi)；平行光管位于被測航測相機(jī)的前方；標(biāo)定過程中，計(jì)算機(jī)通過驅(qū)動控制裝置控制內(nèi)方位儀的俯仰軸與方位軸的轉(zhuǎn)動，對俯仰軸與方位軸內(nèi)設(shè)置的編碼器輸出的數(shù)據(jù)采集，通過圖像采集卡對被測航測相機(jī)進(jìn)行像點(diǎn)位置采集，計(jì)算機(jī)利用采集的俯仰、方位編碼器角度值及相應(yīng)的像點(diǎn)位置像素坐標(biāo)，通過數(shù)學(xué)模型，標(biāo)定出被測航測相機(jī)的內(nèi)方位元素及畸變。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)大視場大面陣數(shù)字航測相機(jī)的精確標(biāo)定，且標(biāo)定裝置簡單，標(biāo)定精度高。文檔編號G06T7/00GK101261737SQ20081005565公開日2008年9月10日申請日期2008年1月4日優(yōu)先權(quán)日2008年1月4日發(fā)明者偉梁,馬文禮,高曉東,靜黃申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所