具有自校验自稳定功能的组合宽角航空数码相机系统

摘要

本发明公开了一种具有自校验自稳定功能的组合宽角航空数码相机系统，稳定平台上的四个相机成对布置，每对相机等量相对倾斜，构成组合宽角的等效中心投影成像系统，并通过自检校方法对其进行校正。稳定平台通过相互垂直的转轴及机械阻尼装置将等效中心投影系统的主光轴稳定到接近铅垂的方向；再通过加速度计、轴向陀螺仪、磁罗盘等电子传感器及姿态角纠正单元进一步稳定。可以实现组合宽角相机及其稳定平台的轻小型化，精度高、稳定性好，可以应用于各种无人飞机、无人直升机、无人飞艇、轻小型有人飞机、轻小型有人直升机等。

说明书

技术领域

本发明涉及一种数码相机系统，尤其涉及一种具有自校验自稳定功能的组合宽角航空数码相机系统。

背景技术

数码相机通过光电转换和数字编码，因而得到不需化学处理的快速成像，并且直接进入计算机图像处理，因此已在生活领域广泛应用。

在航空摄影领域，由于宽角镜头制造的困难，尤其是航空摄影所要求的低(小)畸变差相机宽角镜头制作的困难，一般利用多个常角相机拼接成一个宽角相机构建组合航空数码相机，实现了大面阵数码相机的宽角。

如图1所示，现有技术中的大面阵数码相机的原理是利用相距很近的四个相机，分别向外侧倾斜一个固定角度，使四个相机所摄取的影像A、B、C、D可以拼接成一幅接近单相机之四倍面积的等效中心影像。在图1b中，如果相机A、C与B、D都绕着y轴相对旋转或相机A、B与C、D都绕着x轴旋转，从构像的几何机理上是找不到自检校条件的，因此是无法自检校。

由于上述的大面阵数码相机缺乏自检校功能，因而容不得丝毫畸变，为了既能获取宽视场影像，又能保持畸变差不超过限差，现有技术采取了很粗强的机械结构联接件，把多个相机联接成一个刚性整体，使得多个相机之间的相对位置与方向角严格保持不变(在微米级精度上保持不变形)。因此，相机的总体体积和重量都很大，一般都在几十公斤到百公斤量级。与笨重相机的相配套的稳定平台也是笨重的，因此，系统总重量超过百公斤。

上述现有技术至少存在以下缺点：

无法实现自检校、重量大、系统精度低。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以实现自检校、重量轻、系统精度高的具有自校验自稳定功能的组合宽角航空数码相机系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的具有自校验自稳定功能的组合宽角航空数码相机系统，包括固定在稳定平台上的四个相机，所述四个相机按重叠构像方式布置，所述重叠构像方式包括：

设相互垂直的x、y、z轴空间坐标系，其中z轴的方向与所述稳定平台的纵向轴线重合；所述四个相机中，第一相机和第二相机对称于坐标原点设置在y轴上，且二者的主光轴在y、z轴平面内等量相对倾斜并与z轴的夹角为ω；第三相机和第四相机对称于原点设置在x轴上，且二者的主光轴在x、z轴平面内等量相对倾斜并与z轴的夹角为

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的具有自校验自稳定功能的组合宽角航空数码相机系统，由于四个相机按重叠构像方式布置，四个相机成对布置，每对相机等量相对倾斜，可以实现自检校，因而可以减轻机械构件的重量，并提高系统精度，减轻航空器的载荷。

附图说明

图1为现有技术中的组合宽角航空数码相机所摄影像示意图；

图2为本发明的组合宽角航空数码相机所摄影像示意图；

图3为本发明中第一相机和第二相机的空间关系示意图；

图4为本发明中第三相机和第四相机的空间关系示意图；

图5为本发明中相机与相机与稳定平台的具体实施例的安装结构示意图；

图6为本发明的具体实施例中选择用于自检校的影像重叠区及视差检测点的示意图；

图7为本发明的具体实施例中的稳定平台实现自稳定的步骤图；

图8为本发明的具体实施例中对稳定平台的ω角的软纠正原理图；

图9为本发明的具体实施例中对稳定平台的κ角的软纠正原理图。

具体实施方式

本发明的组合宽角航空数码相机，其较佳的具体实施方式如图2-5所示，包括固定在稳定平台T上的四个相机A、B、C、D，四个相机按重叠构像方式布置，通过重叠构像形成自校验条件，重叠构像方式具体包括：

设相互垂直的x、y、z轴空间坐标系，其中z轴的方向与稳定平台的纵向轴线重合，四个相机A、B、C、D布置在x、y轴的平面上或平行于x、y轴的平面上。

四个相机中，第一相机A和第二相机B对称于原点设置在y轴上，第一相机A和第二相机B的主光轴在y、z轴平面内等量相对倾斜并与z轴的夹角为ω，即第一相机A和第二相机B仅绕x轴做等量相对旋转；第三相机C和第四相机D对称于原点设置在x轴上，第三相机C和第四相机D的主光轴在x、z轴平面内等量相对倾斜并与z轴的夹角为即第三相机A和第四相机B仅绕y轴做等量相对旋转。

如图3所示，第一相机A和第二相机B的视场像幅短边被至于平行于y轴方向，设像幅短边视场角的一半为θ，应满足公式ω＜θ。角ω与角θ的差值可以为1°～3°。这样，第一相机A和第二相机B所摄取的影像有一个微小的重叠带(相当于)1°～3°的视场重叠。

如图4所示，第三相机C和第四相机D的视场像幅短边被至于平行于x轴方向，设像幅短边视场角的一半为θ，应满足公式即第三相机C和第四相机D的主光轴与z轴的夹角可以略大于其短边方向的视场角的一半θ，使这两个相机所摄的影像可以不重叠。但它们与第一相机A和第二相机B所摄的影像有足够的重叠度，供作自校验用途。

如图5所示，本发明中的稳定平台T沿x方向和y方向分别设有转轴，且在转轴处设有机械阻尼装置；稳定平台上还分别设有x、y、z轴转动角度传感器1，用于检测绕x、y、z轴的三个转动自由度，传感器1包括加速度计、轴向陀螺仪、磁罗盘等一种或多种传感器。稳定平台T上还设有照相曝光控制器等。稳定平台还连接有姿态角纠正软件单元，用于对稳定平台T进行软纠正等。

本发明应用于航空器时，x轴的方向可以沿航空器的航向。

本发明的上述的具有自校验自稳定功能的组合宽角航空数码相机系统，可以实现自检校和自稳定功能，具体方法包括：

对四个相机的相对位置的变化的自检校：

检测所述四个相机中，每个相机分别绕y、x、z轴姿态角的变化量Δω、Δκ，并对其进行校正，具体包括，在四个相机影像的重叠区内选择多个用于自检校的点，每个点的方程式如下：

式中，i、j分别代表所选的点所在的重叠影像所对应的两个相机号；(x_i，y_i)、(x_j，y_j)分别表示所选的点在所述两个相机的直接影像中的像平面坐标；(ΔX_ij，ΔY_ij)表示所选的点来自所述两个相机投影的影像之间的视差；，f为所述相机的镜头中心到所述影像的垂直距离；

四个相机的统一坐标系的相对控制条件方程：

式中，A、B、C、D分别为所述四个相机的编号；

对上述公式(3)、(4)、(5)联合求解，得每个相机的分别绕y、x、z轴姿态角的变化量Δω、Δκ，然后根据该变化量对四个相机的相对位置进行校正。

对稳定平台实现自稳定，具体包括：

通过两根分别沿x轴和y轴的机械转轴及其机械阻尼装置，使得安装在稳定平台上的四个相机的主光轴依重力保持铅垂方向；

通过姿态角测量装置，测定相机曝光瞬间稳定平台分别绕y、x、z轴姿态角的角度值，并进行纠正，姿态角测量装置包括三个加速度计、三个轴向的陀螺仪和一个磁罗盘；

通过姿态角纠正软件单元用姿态角纠正软件对稳定平台的姿态角进行纠正。

姿态角纠正软件可以包括：

根据曝光瞬间所述稳定平台的姿态角的值，利用所述组合宽角航空数码相机的影像边缘冗余度，对稳定平台的姿态角进行纠正。

本发明中，为了达到自检校的目的，可以首先把需要自检校和不需要自检校的方位元素进行分离，针对需要自检校的要素设计可以进行自检校的影像组合机构，并确定可自检校的重叠影像的范围，然后，按照可检校的几何机构原理设计出组合相机联结机械构件。可以采取轻型的相机联结机械构件，减轻组合相机的重量。而对轻型构件因受力和温度变化而发生变形导致组合影像的内在几何畸变，通过自检校方法能够自动发现(检测)此几何畸变的量值，并且对其进行校正。

本发明中，通过机械稳定装置，能使组合相机的稳定平台从20-30°角倾斜摇摆中稳定到接进铅垂主光轴线；通过电子传感器，能检测稳定平台的剩余偏斜量和航向角偏斜量；然后通过纠正软件单元利用组合宽角视场的边缘余量来补偿纠正，从而得到如同真实稳定平台状态摄取的等效图像，实现轻小型组合相机的稳定平台，替代现有技术中普遍使用的笨重型稳定平台。

本发明适用于各种航空器，尤其适用于姿态角度变化大(一般可达到20-30°)的无人飞行器、小型飞行器等。

具体实施例：

组合数码相机的安装方式，如图2所示，四个相机A、B、C、D是成对相向倾斜的，每个相机只作ω或者方向的倾斜。

如图3所示，第一相机A和第二相机B仅做等量相对的ω角倾斜。两相机A、B被固定安置在有对称倾斜平面的框架T上。致使两相机的主光轴分别绕x轴偏离铅垂线+ω角和-ω角，图中θ角是相机短边方向视场角的一半，可以使得ω＜θ，其差值可以选在1°-3°之间，以使得相机A、B的影像间有如图3中2Δ的重叠度。

图3中f是相机主距的放大显示，相机A、B在等效像面上构成的影像在y方向尺度是：2l≈2f·tg(θ+ω)，其尺度超过单相机尺度2f·tgθ的两倍。

如图4所示，第三相机C和第四相机D仅做等量相对的角倾斜。相机C、D也安置在有对称倾斜平面(垂直于图3方向)的框架T上，致使两相机的主光轴分别绕y轴偏离铅垂线角和角，图中θ角是相机短边方向视场角的一半，与图3不同的是，这里相机C、D在等效像面上的影像不但没有重叠反而有一个2Δ宽度的裂缝：因而第三相机C在等效面上的实际成像宽度仅有第四相机也同样。

角的选择，可以依据以下两条原则：使接近相机长边方向像场角的一半；使(m+Δ)接近1.5l。

T框架的结构，如图5所示，稳定平台T包含x、y两个轴向的旋转，并且加以机械阻尼，使得其下部的四个相机的中心轴线随时接近铅垂。同时，在相机顶部的平台位置装设ω、κ(分别为绕y、x、z轴转动的角度)三个姿态角自由度的传感器1，用以获取相机曝光瞬间的三个姿态角值，还设有相机曝光控制器2等。

下面对本发明中相机的校验和平台的稳定的原理进行详细的描述：

单相机检校和组合相机检校：

首先，对单相机进行检校，可以按常规摄影测量方法，布设三维检校场，对检校场摄影，用数字摄影测量方法精确测定各标志点，然后用畸变差方程求解畸变参数。使用中，根据畸变参数对每个像元的坐标进行畸变改正。

然后，对组合相机进行初检校，其目的是确定各单相机在组合系统中的相对方位。组合相机的初检校是在各相机单检校的基础上进行。把单相机安装到组合机械框架上，再对检校场进行摄影，用空间后方交会的方法求解各个相机的外方位元素值。

从空间后方交会获取的外方位元素是基于检校场地面坐标系的。有两种方法求解算单相机在组合系统中的相对位置：

一种是，取第一个相机的像空间坐标系为系统坐标系，将空间后方交会所得到的外方位元素换算到这个系统坐标系中；

另一种是，取四个相机摄影中心的平均位置为系统中心点，取四个相机的平均姿态角为零位姿态，将空间后交所得的外方位元素转换到这个系统坐标系中。

本发明中，组合宽角像场的构成以及自检校功能的实现：

组合宽角相机的最终成果是在等效面上得到如图2所示的一个宽角摄影得到的中心投影影像。按照图2所示的理想结构，假如机械加工没有误差，机械构件也没有变形，则四个相机A、B、C、D在等效面上的构像${\left(\begin{array}{c}X\\ Y\\ -f\end{array}\right)}_i$与单相机实际构像${\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ -f\end{array}\right)}_i$间的几何关系如下：

当存在一定的机械加工误差和变形的情况下，各相机姿态与图2所示的理想状态不同，必须通过组合相机检校来测定各相机的ω、κ角，在检校场中用空间后方交会测定这12个姿态角，其精度应该达到0.5像元以内，于是式(1)应改变为：

${\left(\begin{array}{c}X\\ Y\\ -f\end{array}\right)}_i=\left(\begin{array}{ccc}{a}_1& a_2& a_3\\ b_1& b_2& b_3\\ c_1& c_2& c_3\end{array}\right){\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ -f\end{array}\right)}_i+{\left(\begin{array}{c}{S}_x\\ S_y\\ S_z\end{array}\right)}_i---\left(2\right)$

式中i分别代表A、B、C、D，(S_x S_y S_z)代表相机的镜头中心位置。a₁.a₂...c₃为由ω、κ构成的方向余弦矩阵。机械设计应保证四个相机的镜头中心尽可能地靠近，理想状态它们合为一个点。实际上，相机越小，它们就越靠近。理论上可以证明当相机之间的间距小到相机曝光时间内飞机所飞越的地面距离，而且，地面起伏小于航高的三分之一时，由此引起的四相机影像拼接误差将在0.3像元之内。

当联结四相机的机械构件因温度变化和平台运动产生变形时，它们导致S_x、S_y、S_z的变化一般是很小的(在亚毫米级)，但是，导致的ω、κ之变化则是不可忽略的。因此，本发明中，利用图2中所示的四个相机影像在等效面投影的重叠度进行相邻相机间的相对定向解算，求解各相机姿态角的增量Δω、Δκ。

具体如图5所示，在重叠区内选择12个用于自检校的点，每个点的方程式如下：

上式中，i、j分别代表相邻重叠影像所对应的两个相机号(例如A和C)。而(x_i，y_i)(x_j，y_j)表示直接影像中的同一个地物点在两个相机影像中的像平面坐标。(ΔX_ij，ΔY_ij)表示同一地物点来自两个相机投影的影像之间的视差，f为相机镜头中心到所述影像的垂直距离。上式实际表达的是视差残余按关系的权分配。所以式右边可以使用各相机中的坐标(x_iy_i)和(x_jy_j)。

除了以上按照重叠区内12个点所列的24个视差方程外，考虑组合相机系统的统一坐标系的相对控制条件，可以得到如下的条件方程：

将方程(3)、(4)和方程组(5)联立，则得27个方程，未知数个数为12个，多余观测15个，按照附有条件的间接平差法求解，即可实现组合相机系统的自检校。在实际的航空摄影测量中，对每一次曝光获取的数据都完成一次上述的自检校，因此能检校因温度和平台运动引起的变形。

自稳定平台的构成及组合自稳定功能的实现：

如图7所示，本发明的具体实施例中的稳定平台由以下三部分组成，并分步实现稳定平台的自稳定：

机械转轴X和Y及其机械阻尼装置：

使得安装在稳定平台T上的组合相机系统的主光轴能依重力保持铅垂方向。阻尼装置的力度应当调节到当飞行器运动引起摇摆时，其摇摆角度小于10°。

姿态角测量装置：

包括三个加速度计，三个轴向的陀螺仪和一个磁罗盘，用以测定相机曝光瞬间稳定平台T的ω、κ角度值，要求量测精度达到3°以内。

姿态角纠正软件：

根据曝光瞬间组合相机系统姿态角的量测值，充分利用组合宽角相机影像边缘冗余度，对组合相机像场进行改正，使之形成的等效影像达到姿态角在3°以内的水平。包括对ω、κ角的软纠正：

如图8所示，为ω角的软纠正，由于组合宽角相机的像场角足够宽(最宽达130°)，因此有一定的边缘余量，可以用来缓冲机械稳定平台的稳定度不足。例如，从130°宽像场中两边各去10°用作稳定平台填补，则还有110°净宽的像场足以供作等效影像用途。软件的纠正处理只须把姿态角ω的测量值加到组合系统的初检校方位元素值中即可。

如图9所示，为κ角的软纠正，仍然利用组合宽角视场的边缘冗余量，在最大可能取用的像场范围内以等效影像主点为中心作一个最大的圆，在圆内做内接正方形，其方位角依所测定的κ值而定。这样就解决了飞行器顶着侧向风飞行时，飞行平台倾斜所造成的航偏角较大的问题，使制成的等效影像依航线整齐排列，便于后续的测图操作。

按本发明设计制造的组合宽角相机及其所摄图像经自检校处理后拼接成的等效宽角影像经检测，各相机拼接处的误差均在0.3像元以内。

本发明中，利用相机外方位的自检校功能，实现机械联结构件的轻小型化，允许机械变形留待摄影瞬间构象的自检校予以补偿纠正；可以实现自检校的特殊组合成像结构，是各单像机所设影像具有足够的而且利于求解相对姿态微小变化的重叠度；利用最小二乘匹配方法，通过设计的特征点位之视差余量的观测值联合平差求解各角的相机姿态微小变化量值；对所摄影的每一张影像都进行自控校改正，从而使得到质量优良的等效宽角航空影像。

本发明中的稳定平台，把常规稳定平台的功能分成机械稳定、电子测量和软件纠正三个部分组成与实现；通过阻尼机械装置实现重力环境下的X、Y双轴初稳定；通过加速度计、陀螺仪和磁罗盘测定重力阻尼机械稳定的剩余姿态偏离量；利用组合宽角相机的宽像场边缘余量补偿重力阻尼稳定的剩余姿态偏离，用软件纠正方法实现自稳定；自稳定平台没有动力驱动装置和开/闭环控制电路。解决了机械构件轻小型化的变形问题。

本发明通过上述的技术方案，实现了组合宽角相机的轻小型化；实现了相机稳定平台的轻小型化；相机系统与稳定平台的总重量降低了近一个数量级(从百余公斤降到15公斤)，因而可以成为无人飞行器(无人机、无人直升机、无人飞艇)的有效荷载；可以进行规模化生产。本发明可应用于无人飞行器低空航测系统，由于可以实现低空(低到离地面100米)航摄，因而大大提高了航空影像的分辨率、清晰度和航测精度。可以达到1∶500地形测图精度，可以在阴天云下作业，可以成为用户自主拥有的灵活机动性强的航空测量设备。

轻小型航空器具有低空、低速、灵活、机动、可沿复杂航线飞行、可以无机场起降等一系列优点，但都有载荷限制的要求，难以携带笨重的稳定平台，飞行器的飞行稳定度较大型航空器也差得多。本发明可以制作出轻小型组合宽角低空数码相机、轻小型低空遥感平台，可以应用于无人飞机、无人直升机、无人飞艇、轻小型有人飞机、轻小型有人直升机等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。