睿铂Rainpoo倾斜摄影相机与建模效果(一)

发布时间:2021-08-26   相关标签:
引言
 
目前,实景三维建模主要采用倾斜摄影技术来实现。而既然要做到实景建模,我们当然希望模型效果尽可能地反映真实世界,但是直接通过现有建模软件生成的三维模型肯定有瑕疵。而这些瑕疵可能是由原理性因素与主观性因素两种情况造成的。
 
1.1 原理性因素
 
因为现有主流倾斜摄影三维建模软件的原理都是基于影像特征点提取和匹配来实现模型建立的,这就会导致当测区包含以下四种场景时,建模就可能出现问题。
 
1、无法反映物体真实纹理信息的反光面。例如水面、玻璃、大面积单一纹理面的建筑物。
 

 
2、慢速运动的物体,例如十字路口的汽车。


 
3、随风晃动的植被。无法匹配特征点或者匹配的特征点误差较大的场景,例如树木、灌木丛等。
 
 
4、复杂、镂空的建筑物。例如护栏、基站、铁塔、高压线等。


 
对于1、2类型场景,无论怎么提高原始数据质量,模型效果都不会有太大改善,甚至有可能随着模型分辨率的提高,建模的效果还会更差。而对于3、4类型场景,虽然可以通过提高模型分辨率来改善一定的模型效果,但是仍然很容易出现空洞和拉花,而且低效。这四种场景下的模型瑕疵,是由倾斜摄影原理性问题导致的。而在现阶段,这类问题不可避免。
 
1.2 主观性因素
 
第二种瑕疵主要是由航飞作业参数的设置、航飞光影条件、数据采集设备、建模软件等主观因素变化导致的。其表现为模型建筑物出现重影、整体拉花、融化、光影严重斑驳、建筑错位、变形、建筑粘连等问题。
 

 
当然,这些问题也可以通过后期软件修补的方式来解决。但是,接触过相关工作的客户应该比较了解,如果要进行大面积、大规模的模型修饰工作,花费的人力、时间成本是非常庞大的。
 
原始建模效果
 
精修模型效果
 
模型的修饰和精修不是本文讨论的方向,如果大家感兴趣,可以在评论区留言。我们将根据大家的关注程度,评估是否给大家介绍一些模型精修的经验。
 
作为倾斜摄影相机研发厂家,睿铂从设备研发的角度对这两类瑕疵进行了深入思考:如何设计倾斜摄影相机,才能够保证在不增加重叠度或者航片数量的条件下,提高建模效果呢?
 
为了方便大家理解,文章分成两到三个部分。首先给大家讲解一些相关参数的背景知识,以及大家可能对这些参数存在的误解。后面再介绍睿铂如何基于这些参数的相互关系,以提高模型效果为目标,来指导Pros系列产品的研发。
 
2、什么是焦距(f)
 
焦距是光学镜头一个非常重要的参数。镜头焦距的长短决定了被摄物在成像介质上的大小,也就相当于物和象的比例尺。
 
对于数码照相机(DSC)来说,其成像介质为图像传感器(主要是CCD与CMOS两类传感器)。数码相机在航测中使用时,镜头焦距的长短就决定了地面影像分辨率(GSD)。
 
当在相同距离拍摄同一个目标物体时,镜头焦距长的,所成物象大;镜头焦距短的,所成物象小。镜头焦距的长短决定成像大小,视场角大小,景深和画面的透视强弱。根据用途的不同,相机镜头的焦距相差可以非常大,有短到几毫米,十几毫米的,也有长达几米的。航空摄影镜头焦距一般选在20mm~100mm这个区间(不考虑镜头畸变的影响)。

焦距示意图
 
3、什么是视场角(FOV)
 
在光学仪器中,以其镜头中心点为顶点,以被测目标物像可通过镜头的最大范围边缘所构成的夹角,称为视场角。 视场角的大小决定了光学仪器的视野范围,视场角越大,视野就越大,光学倍率就越小。通俗地说,如果目标物体不在视场角范围内,则该物体反射或发射的光线就不会进入镜头内,也就无法成像。
 
视场角与焦距
 
4、焦距(f)与视场角(FOV)的关系
 
关于倾斜摄影相机焦距,客户一般存在两个误解:
 
1)焦距越长,飞机飞行高度越高,影像覆盖面积越大;
 
2)焦距越长,覆盖面积越大,作业效率越高;
 
客户之所以会有上面两种误解,原因就是没有认识到焦距和视场角的关系。
 
二者的关系为:焦距越长,FOV越小;焦距越短,FOV越大。所以在画幅物理尺寸、画幅分辨率和采集分辨率相同的前提下,焦距的改变只会影响航飞的高度,而相机在地面覆盖的投影面积一般是不变的。

还有一种更容易理解的方式。比如DG3pros每个镜头像素是6000x4000,以正射镜头为例:整张航片覆盖的地面投影面积计算公式为GSD*6000XGSD*4000。如果航飞分辨率是2cm,那么就表示每一个像元覆盖的地面投影面积为2x2cm,那么整张航片覆盖的地面投影面积为12000x8000cm,即120x80m。
从覆盖面积计算公式可以看出:航片覆盖面积与焦距无关,所以当分辨率一确定,航片的覆盖面积也就确定了,无论焦距如何变化,都不会影响航片的实际覆盖面积。
 
5、焦距与效率的问题
 
明白了焦距与FOV的关系,大家可能会认为焦距的长短对于航飞效率没有影响。对于正射摄影测量来说,这句话相对正确。(但严格来说,焦距越长,无人机飞的越高,耗能就越多,续航时间就会变短,整体效率也就降低了。)
 
而对于倾斜摄影来说,焦距越长,作业效率反而越低。倾斜摄影相机的倾斜镜头一般是倾斜45°放置,为了保证采集到测区边缘外立面的影像数据,航线需要外扩。因为镜头45°倾斜,则会形成直角等腰三角形,假设不考虑无人机飞行姿态,以倾斜镜头主光轴正好拍摄到测区边缘线作为航线规划的要求,则无人机航线外扩距离等于无人机飞行高度。
 
所以如果航线覆盖面积不变,短焦镜头的有效面积大于长焦镜头的有效面积。在之前的介绍Riy-pros作业效率分析一文中,才特别注明了表格作业效率仅代表无人机作业飞行的投影面积,有效区域面积小于航飞投影面积。
 
如果客户只在地势比较平坦的区域做地籍测量相关项目,为了提升作业效率,我们一般会推荐D2pros倾斜相机。如果客户除了地籍项目,还有固定翼城市大面积项目,或者作业区域地势比较复杂,在这种综合场景下,我们一般会推荐DG3pros或者性能更优的DG4pros倾斜摄影相机。
 
6、尾声
 
本文介绍的两个参数焦距(f)和视场角(FOV)是航空摄影测量中最基础,最常规的参数,但它们对倾斜摄影的建模效果有非常大的影响。具体是怎样的关系,睿铂的研发人员又怎样在这些关系中寻求平衡,以及如何在不同场景中实现更好的建模效果?接下来文章会继续给大家介绍,希望能带给大家一些启发,请大家持续关注。