CN101858744A - 一种全景数码成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及摄影测量与遥感和空间信息获取领域，特别是一种基于运动平台和摆动式高速数码成像技术的全景数码成像系统。系统由高速数码成像系统(1)、工控系统(2)、制动系统(3)、供电装置(4)、数据预处理软件(5)以及其他可选设备组成，可安装在任意运动平台上，由制动系统(3)带动高速数码成像系统(1)在弧线轨迹上往返匀速摆动，短时间内连续曝光获取多张相互重叠的局部数码影像，经过数据预处理软件(5)进行特征点提取、相对定向、自由网平差计算、成像变换、影像畸变改正、影像拼接等，生成视场角可达180度以上的全景数码影像，影像采集速率可达1赫兹。本发明为全景影像数据采集提供了一套高效率、低成本的解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及摄影测量与遥感和空间信息获取领域，特别是一种基于摆动式高速数码成像技术的全景数码成像系统及方法。
背景技术
目前市场上大多数全景影像系统都是基于多相机组合的系统，即将多个相机集成在一起，用一个或多个工业控制计算机进行控制，同时进行曝光，获取同一位置各个方向上的局部影像，再通过拼接获取全景影像。每个相机的位置是相对固定的，相机之间存在固定的几何关系，但是一般影像之间的重叠度不大，并且系统检校工作十分复杂，同时，由于使用了多个传感器并涉及如系统同步等问题，会导致系统成本较高。
采用单相机系统以手动或某种旋转机制对景象进行成像，经过影像后处理后，也可获取全景影像。例如，在2007年8月1日公开的公开号为101008779的发明专利，公开了一种全景影像的产生装置及方法，“产生装置包括有：一相机，可旋转至复数个方位，拍摄对应的局部影像，并据以产生全景影像；以及一旋转装置，可依据一控制讯号，旋转该相机。产生方法包括：产生两相邻局部影像；从局部影像的相邻两边各取一影像区块；对该两影像区块执行边缘侦测；依据经过边缘侦测的两影像区块，决定其重迭区域；以及依据该重迭区域，接合局部影像而产生全景影像。一种全景影像的产生装置，其特征在于，包含：一相机，用以旋转至复数个方位，拍摄对应的复数个局部影像，并依据该些局部影像产生一全景影像；以及一旋转装置，内含马达，连接至该相机，用以依据一控制讯号，旋转该相机。”但这种方式是一种基于静止平台的且对静态物体进行全景影像成像的方式，数据采集速度慢，工作效率较低，不能用于如航空摄影、移动测量等目的。
发明内容
为适应航空摄影测量和车载移动测量的需要，提高全景数码成像的效率，同时降低系统成本，本发明采用了一种全新的基于运动平台和摆动式高速数码成像技术的全景数码成像系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明的全景数码成像系统，可安装在任意运动平台上，如飞机或汽车上，在运动平台运动的同时，制动系统(3)带动高速数码成像系统(1)沿一定角度的圆弧线轨迹往返匀速摆动，短时间内快速连续曝光获取多幅相互重叠的局部数码影像，通过数据预处理软件(5)进行影像拼接和处理，高效快速地获取视场角可达180度以上的全景影像，全景影像采集速率可达1赫兹。
本发明的全景数码成像系统是由高速数码成像系统(1)、工控系统(2)、制动系统(3)、供电装置(4)、数据预处理软件(5)以及其他可选设备组成。工控系统(2)是本发明的全景数码成像系统的核心组件，由工控计算机(6)和系统控制软件组成，主要功能是进行系统控制，包括高速数码成像系统(1)的曝光控制、制动系统(3)控制和各种数据的传输和存储等。高速数码成像系统(1)集成了一台高速数码相机，影像获取速率为每秒数帧到数十帧，根据实际需要，选配不同焦距的镜头，内置了定时启动、自动连续曝光、曝光频率设定等功能，无需其他控制设备也可独立运行。制动系统(3)由精密直线电机(7)、PLC控制器(8)、转轴平台(9)、转动轴(10)、摆臂(11)、滑块(12)和滑轮(13)组成，主要是用于带动高速数码成像系统(1)在一定角度(一般小于180度)的圆弧线上往返匀速摆动。供电装置(4)为整个系统提供电力保障。数据预处理软件(5)用于影像数据获取后的影像数据预处理，对影像进行特征点提取、相对定向、自由网平差计算、成像变换、影像畸变改正、影像拼接等。其他可选设备包括笔记本电脑(14)、TFT显示及控制装置(15)、存储装置(16)等，用于远程控制和数据存储。
工控系统(2)可以设置高速数码成像系统(1)的曝光频率，由工控计算机(6)发出整个数据采集过程的起始和终止曝光信号，触发高速数码成像系统(1)实现连续周期性曝光，每次曝光返回一个事件脉冲信号，并连同此曝光时间记录下来。高速数码成像系统(1)的一个单向摆动作为一个运动周期，这个运动周期的时间约为1秒甚至更短，在这1秒甚至更短的时间内系统将连续曝光获取多幅相互重叠的局部数码影像。这组局部数码影像的重叠度大，冗余信息丰富，无需外方位元素，只需要对影像进行相对定向，就能将其进行自动无缝拼接，获取视场角可大于180度的全景影像。由于系统集成在运动平台上，在运动过程中，将沿着运动平台的运动路线获取多幅同类分辨率的连续周期的数码影像，经过数据处理后生成运动沿线的连续的以周期为单位的全景数码影像。
笔记本电脑(14)和TFT显示及控制装置(15)作为可选设备主要用于系统的远程控制，即操作人员可通过蓝牙或无线以太网与工控系统(2)进行交互，实时监控系统运行情况并预览获取的影像数据。由于获取的影像数据量较大，工控计算机(6)的内置硬盘有限，考虑到系统长时间工作的需要，当工控计算机(6)的内置硬盘容量不足时，可通过网线或者USB接口将数据传输到可替换的外接存储装置(6)上。
影像数据的外业采集完成后，将影像数据和曝光时间文件下载到室内计算机使用数据预处理软件(5)进行内业处理，包括特征点提取、相对定向、自由网平差计算、成像变换、影像畸变改正、影像拼接等，最后生成无影像畸变的理想化的全景数码影像。
本发明的全景数码成像系统基于模块化的设计理念，使其不仅能单独运行进行快速的影像数据采集，获取视场角可达180度以上的全景数码影像，还能与全球定位系统(GPS)、惯性测量装置(IMU)和激光雷达系统(LiDAR)联合使用，集成在同一移动测量平台(机载或车载)上，同时获取激光点云和数码影像数据，经过数据处理得到高精度的三维点云、大地定向后的数码影像、着色点云、数字高程模型(DEM)、数字地表模型(DSM)等多种类型的数据产品，用于数字城市、测绘、工程测量、公安应急等多个领域。
附图说明
图1是本发明的全景数码成像系统的系统结构图。
图2是本发明的全景数码成像系统的侧视图。
图3是本发明的全景数码成像系统的俯视图。
图4是本发明的全景数码成像系统在一个周期内获取的局部数码影像的像主点位置示意图。
图5是对本发明的全景数码成像系统获取的局部数码影像进行数据预处理的方法流程图。
具体实施方式
图1是本发明的全景数码成像系统的系统结构图。本发明的全景数码成像系统由高速数码成像系统(1)、工控系统(2)、制动系统(3)、供电装置(4)、数据预处理软件(5)以及其他可选设备组成。系统安装在运动平台上，由制动系统(3)带动高速数码成像系统(1)在一定角度的圆形线上往返匀速运动，在短时间内连续曝光获取多张相互重叠的数码影像，系统配套的数据预处理软件(6)能对同一周期的局部数码影像进行相对定向和无缝拼接，生成视场角可达180度以上的全景影像。
图2是本发明的全景数码成像系统的侧视图。转轴平台(9)固定在运动平台上，工控计算机(6)、精密直线电机(7)和PLC控制器(8)都固定在转轴平台(9)，精密直线电机(7)通过滑块(12)带动摆臂(11)和滑轮(13)运动，高速数码成像系统(1)位于摆臂(11)的末端，跟随摆臂(11)以转动轴(10)为中心做弧线往返运动。
图3是本发明的全景数码成像系统的俯视图。精密直线电机(7)由PLC控制器(8)控制，推动滑块(10)沿着直线L2往返匀速运动，滑块(12)带动摆臂(11)和滑轮(13)在转轴平台(9)上运动，位于摆臂(11)末端的高速数码成像系统(1)以转动轴(10)为中心沿着弧形轨迹线L1往返运动。
图4是本发明的全景数码成像系统在一个周期内获取的局部数码影像的像主点位置示意图。由于本发明的全景数码成像系统是基于运动平台，高速数码成像系统(1)在曝光时实际处于两种运动过程中，一种是飞机或汽车等运动平台的运动，另一种是由制动系统(3)带动的在圆弧形轨迹上的周期性往返匀速运动，因此同一周期内的局部数码影像并不是同轴同心的，像主点位置是不断变化的，但由于曝光间隔很短，这些局部数码影像的像主点位置十分接近，相邻局部数码影像间的重叠度很大，冗余信息丰富。像片成像周期可依据运动平台的速度加以调节。
图5是对本发明的全景数码成像系统获取的局部数码影像进行数据预处理的流程图，针对局部数码影像像主点位置不同、相邻局部数码影像间的重叠度大等特点，影像数据预处理步骤如下：
步骤S1：自动提取特征点，相邻影像间的同一物体的成像点(同名点)的提取是进行影像自动拼接的重要基础，基于本发明的全景数码成像系统获取的局部数码影像相邻影像间的重叠度大和冗余信息丰富的特点，这些特征点可完全自动提取；
步骤S2：相邻像片的相对定向计算，基于步骤S1提取的特征点可对相邻局部数码像片进行相对定向计算，获取相邻局部数码相片间的相对定向参数；
步骤S3：单周期数码影像的自由网平差计算，基于步骤S1提取的多度重叠特征点和步骤S2的相对定向参数计算结果，构成单条带局部影像的自由区域网，进行联合平差，解算出规划比例尺后的各个局部影像的定向参数；
步骤S4：全景影像拼接，基于步骤S3获得的影像定向参数，进行统一几何关系的全景影像成像变换，并同时进行影像畸变和像主点改正，完成几何拼接；
步骤S5：全景影像色彩均衡，由于各局部像片的色彩可能存在差异，通过这个步骤，可使得拼接后的全景影像的视觉效果达到最佳，此步骤为可选步骤；
数据预处理的输出产品是无影像畸变的理想化的全景数码影像及其几何参数。
Claims (8)
1.一种全景数码成像系统，由高速数码成像系统(1)、工控系统(2)、制动系统(3)、供电装置(4)、数据预处理软件(5)以及其他可选设备组成，其特征在于：系统安装在运动平台上，由制动系统(3)带动高速数码成像系统(1)在一定角度的圆弧线上往返运动，在短时间内快速连续曝光获取多张相互重叠的数码影像。
2.按照权利要求1所述的全景数码成像系统，其特征在于：本系统获取的数码影像重叠度大，冗余信息丰富，无需外方位元素，只需要对影像进行相对定向，就能将影像进行自动无缝拼接，获取视场角可大于180度的全景影像。
3.按照权利要求1和2所述的全景数码成像系统，其特征在于：系统集成了一台高速数码相机，影像获取速率可为每秒数帧到数十帧，根据实际需要，选配不同焦距的镜头，高速数码成像系统(1)本身是一个独立可使用的系统，内置了定时启动、自动连续曝光、曝光频率设定等功能，在无人工干预的情况下也能自动运行。
4.按照权利要求1所述的全景数码成像系统，其特征在于：制动系统(3)由精密直线电机(7)、PLC控制器(8)、转轴平台(9)、转动轴(10)、摆臂(11)、滑块(12)和滑轮(13)组成，PLC控制器(8)用于控制精密直线电机(7)，精密直线电机(7)通过滑块(12)带动摆臂(11)和滑轮(13)运动，高速数码成像系统(1)位于摆臂(11)的末端，跟随摆臂(11)以转动轴(10)为中心做弧线往返运动。
5.按照权利要求1所述的全景数码成像系统，其特征在于：工控系统(2)由工控计算机(6)和系统控制软件组成，主要功能是进行系统控制，包括高速数码成像系统(1)的曝光控制、制动系统(3)的控制和各种数据的传输和存储，工控计算机(6)发出整个数据采集过程的起始和终止曝光信号，触发高速数码成像系统(1)实现连续周期性曝光，每次曝光返回一个事件脉冲信号，并连同此曝光时间记录下来，影像数据存储到工控计算机(6)的内置硬盘中，也可通过网线或者USB接口将数据传输到可替换的外接存储装置(16)上。
6.按照权利要求1所述的全景数码成像系统，其特征在于：系统基于模块化的设计，使其不仅能单独运行进行快速的影像数据采集，获取视场角可达180度以上的全景数码影像，还能与全球定位系统(GPS)、惯性测量装置(IMU)和激光雷达系统(LiDAR)联合使用，集成在同一移动测量平台(机载或车载)上，同时获取三维激光点云和与之相匹配的全景数码影像数据。
7.按照权利要求1所述的全景数码成像系统，其特征在于：配套的数据预处理软件(5)用于影像数据获取后的数据预处理，对影像进行特征点提取、相对定向、自由网平差计算、成像变换、影像畸变改正、影像拼接等，得到无影像畸变的理想化的全景数码影像和其几何参数。
8.一种基于权利要求1和7所述的全景数码成像系统获取的单周期局部数码影像进行数据预处理的方法，步骤如下：
步骤S1：自动提取特征点，相邻影像间的同一物体的成像点(同名点)的提取是进行影像自动拼接的重要基础，基于本发明的全景数码成像系统获取的局部数码影像相邻影像间的重叠度大和冗余信息丰富的特点，这些特征点可完全自动提取；
步骤S2：相邻像片的相对定向计算，基于步骤S1提取的特征点可对相邻局部数码像片进行相对定向计算，获取相邻局部数码相片间的相对定向参数；
步骤S3：单周期数码影像的自由网平差计算，基于步骤S1提取的多度重叠特征点和步骤S2的相对定向参数计算结果，构成单条带局部影像的自由区域网，进行联合平差，解算出规划比例尺后的各个局部影像的定向参数；
步骤S4：全景影像拼接，基于步骤S3获得的影像定向参数，进行统一几何关系的全景影像成像变换，并同时进行影像畸变和像主点改正，完成几何拼接；
步骤S5：全景影像色彩均衡，由于各局部像片的色彩可能存在差异，通过这个步骤，可使得拼接后的全景影像的视觉效果达到最佳，此步骤为可选步骤；
数据预处理的输出产品是无影像畸变的理想化的全景数码影像及其几何参数。
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