影像测量技术

2024-10-20

影像测量技术(共10篇)

影像测量技术 篇1

在人体运动中,准确测量肌肉形态对于肌肉力学机制研究非常重要,如单大卯等应用肌肉形态确定肌肉起止[1]、肌肉长度、拉力作用线和肌力臂等关键因素,为建立生物力学模型,定量评定肌肉功能提供了理论指导。

肌肉影像测量技术较为精确的方法主要有CT(X-ray computed tomography)、超声波(ultrasounds)、生物电阻抗仪(bioelectrical impedance)、MRI(Magnetic Resonance imaging)[2]等。那么,这几种方法目前发展如何?在体育中应用如何?该文将就这些问题进行综述,以期为肌肉影像测量技术在体育中应用提供帮助。

1 CT技术的应用发展及特性

1.1 CT技术的应用发展

40多年来,CT技术不断发展,1985年开发滑环CT、1989年开发螺旋CT、1991年开发亚毫米扫描和双螺旋CT、1993年开发实时扫描技术、1995年开发的亚秒技术、1998年的半秒扫描和多层面CT扫描的应用,使扫描、成像速度明显提高,CT应用扩展到更广泛的领域。随着多层螺旋CT快速发展,使得空间分辨率和密度分辨率得到了极大的提升,CTA(CT angiography)技术得到了极大的开发,在急诊检查和诊断出血性疾病方面,临床价值日益受到重视[3];使用西门子公司128层多排螺旋CT扫描囊性肾癌的螺旋CT表现相对有特征性,对临床诊断及术前准备有一定价值[4];256层iCT扫描范围加大,时间和空间分辨率显著提高,为周围血管性疾病诊断和术前、术后评估提供了新的检查方法[5]。

CT技术在脂肪、骨骼肌肉、韧带、心肌等影像学诊断方面亦有广泛应用。采用16层螺旋CT,黏液性脂肪肉瘤的CT平扫多为囊样低密度影像[6];通过孔径64cm开放式扫描机建立的女性盆底肌的三维模型,准确地获得盆底结构正常生理定量数据[7];128层螺旋CT在左心室功能评价方面准确可靠,与MRI之间对比差异无统计学意义,将在临床应用中发挥重要的作用[8]。

但传统CT对骨骼尤其骨髓及软组织病变的诊断价值有限。双源CT(dual-source CT)在心肌缺血的诊断等方面的应用日益广泛,并显示一定的临床价值。新一代DSCT在时间分辨率、空间分辨率、信噪比及辐射剂量控制方面获得了很大提升,加之扫描速度快,禁忌证相对较少,区分骨髓病变、肌腱韧带病变方面具有较强的优势[9]。

在体育、工业、航天等领域,郑秀瑗等[10]早在20世纪80年代初就应用CT测量中国人体的惯性参数,之后建立了中国《成年人人体质心》国家标准数据库,为运动人体科学建立中国乃至亚洲人体模型提供了重要参考,为教学科研提供了理论指导。

CT扫描存在不足,除了精度外,主要是所有CT检查对人体有一定的辐射。

1.2 CT技术的前景

过去十年的发展,如今的CCT(Cardiac computed tomography,)技术在时间分辨率、空间分辨率、辐射剂量的减少方面取得很大进步,64~320排CT扫描机,可在三维视图0.5 mm分辨率下扫描整个心脏1~5个心跳时长,扫描冠状动脉图像仅仅需要1~3 mSV(毫西弗特)(millisievert,mSv)辐射量,相比较冠状血管造影法辐射剂量5~10 mSv大大减少[11]。

2 超声技术应用发展及特性

2.1 超声技术应用发展

随着超声技术的成熟,许多研究者利用超声来评估神经、肌腱、肌肉、韧带和关节病变并指导康复治疗[12]。如通过超声探测,发现肌肉结构在声像图上显示为低回声,纤维膜、筋膜和肌腱显示为强回声[13]。

Quantitative Ultrasound作为一种新的测量手段,已经逐渐被应用于腰背肌肉功能评估中[14]。定量超声在肌肉评估中的应用主要可以分为三类:肌肉的功能性研究,人体运动分析,肌肉的硬度(弹性)测量[15]。

2.2 超声技术优缺点

超声与其他骨骼肌评估方法相比亦有着很多的优势。首先超声是一种安全、非侵入性的、便捷、较廉价的测量肌肉形态学参数的手段。且可在肌肉静态和动态的条件下与其他测力设备一起使用,并得出良好的肌肉组织图像。易被患者接受。超声可测量表层、深层肌肉。超声仪器具有轻小、功耗低等优点,这是MRI、CT不可比拟的,其已成功地应用于空间站,是空间站唯一的医学影像设备,在保障航天员健康和人体生物医学研究方面发挥了重要的作用[16]。ultrasounds技术也是目前对心肌动态影像应用最广的方法[11]。

超声也有局限性,如超声受超声探头方向、操作者、关节角度微动等因素影响。

3 生物电阻抗仪在人体中的应用进展

电阻抗断层图像技术(electrical impedance tomography,EIT)不使用核素或射线,对人体无害,可以多次测量,重复使用,还可以进行三维图象重建[17]。这种成像方法与CT、核磁共振等的形态学成像明显区别是EIT是功能性成像[18]。

生物电阻抗技术在医学中已有较广泛的应用,如阻抗血流图、人体阻抗成像、人体成分测量[19]等。也应用于腹部横断面结构重建[20]等方面。

生物电阻抗技术的优势在于无创伤性检测,甚至还能在不妨碍正常运动的情况下检测。当然其技术也存在局限性,EIT的分辨力还有待提高[21],重建成像的精度还很难满足肌肉等软组织的形态学测量。

4 MRI测量技术在人体中的应用

4.1 MRI测量的发展

对人体而言,磁共振在临床上已大量应用,技术性能0.5T,1T,1.5T,3T逐渐提高,成像精度越来越高。闫东等[22]对不同患者根据病变部位不同选取相应线圈,认为MRI是肌肉损伤最佳的影像学检查方法。核磁共振有很高的软组织分辨率,可清楚地分辨肌肉、肌腱、筋膜、脂肪等软组织。其可用于肛管内或阴道内MRI成像[23];用东芝Flexart0.5T超导型MRI设备对进行性肌营养不良症测试[24]等。

功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI),是在进行神经心理测试的同时,对脑组织进行功能显像,记录脑动电流图或脑磁图[25]。fMRI标志着临床磁共振诊断从单一形态学研究,到形态与功能相结合的系统研究。

在运动人体科学研究中,郑秀瑗等[10]亦较早应用MRI进行人体惯性参数的测量;最近几年,国内体育研究中也逐渐应用高场强MRI探测肌肉形态,如陈金鳌等[26]应用MRI测定人体大腿肌肉量,认为该方法更为精确;刘宇等[27]应用3 Tesla Siemens MRI对人体第四腰椎扫描,可清晰观察到不同肌肉及肌肉和其它组织之间边界。

4.2 MRI技术优缺点

磁共振具有许多优点,如对人体没有电离辐射;可清晰显示软组织结构;可多序列成像,呈现多种图像类型,为研究者提供更丰富的影像信息。由于MRI技术较高的精度和可重复性,被认为是心肌影像的金标准[11]。

MRI也存在不足之处。它的空间分辨率不及CT;带有心脏起搏器的患者或有某些金属异物的部位不能作MRI的检查;耗时较长;价格较昂贵等。

5 MRI、ultrasounds、CT、EIT成像技术比较

在以上所述活体肌肉形态学非侵入性的测量方法中,除了功能性成像EIT技术外,临床上应用最多的还主要是MRI、ultrasounds、CT技术。

对于结构特征方面MRI具有最高信度和图像的可重复性。然而,由于MRI费用高昂、方法复杂、耗时较长、幽闭恐怖、禁忌症等原因,在临床上还没有普及。CCT技术被认为是ultrasounds技术和MRI技术的中和,和MRI相比,其测量方法简单、快捷、图片易读;与ultrasounds技术相比,其图像质量更高。C CT技术具有较高的时间分辨率,也即具有较高的采样频率;较高空间分辨率;特别是测试时间较短,显而易见,未来CCT技术将在心肌检查中扮演主要角色。但要注意,CCT技术也只是最近才被发展起来的,还不是当前的标准方法,在分辨率的提高、辐射剂量的减少方面,还有很多研究需要深入[11]。

MRI技术被认为是心肌影像的金标准,其静态影像效果较好;而ultrasounds技术是目前对心肌动态影像应用最广的方法;过去十年的发展,CT技术在时间分辨率、空间分辨率、辐射剂量的减少方面取得很大进步,但在精度上还需要进一步提高[11]。对于一些老年人,他们对辐射不太在意,加上检查的多种需求,如MRI禁忌症,价格等方面考虑,CT治疗还是相当普遍的。

对于人体骨骼肌影像学的检查,MRI技术仍是一个金标准,如腰腹肌横断面扫描,刘宇等[27]应用3 Tesla Siemens MRI对人体第四腰椎扫描,可以看到不同肌肉及肌肉和其它组织之间清晰的边界,MRI技术对于肌肉横断面积及体积计算提供了较为精准的影像学依据。

目前,在各类综合院校图书馆几乎均藏有人体组织结构影像学书籍,形象、直观,帮助学生方便、快速学习有关人体解剖学知识;教学中借助影像学图片制作的幻灯片,可从三维角度观察人体任何部位、任何组织结构,对于教师的教学也起到很大的帮助。

6 结语

总之,CT具有使人体被辐射风险;超声波仪虽便宜,但精度较差,且耗时较长;而MRI可以避免辐射,消除边界影响,对软组织分辨和空间定位具有较高的敏感度,可以进行连续的扫描身体任何部位,目前仍被认为是肌肉影像学中一个“金标准”。体育科研、教学中,非侵入性肌肉测量几种方法是相互补充的。

超声技术有望进一步发展,三维超声、全景超声、实时超声等新技术在近几年出现。可以预想,超声成像技术精度会越来越高,其图像清晰度接近MRI,在肌肉等软组织的检查中将发挥更加广泛的作用。而CT技术也在进步,甚至在心肌检查方面,CCT被认为是超声和MRI的中和。

航空摄影测量影像定向的若干探讨 篇2

关键词:航空摄影测量;影响定位;发展前景;定向

时代的发展以及经济的提高推动了我国空间定位技术的发展,由于现阶段空间定位技术多是应用于传感技术以及计算机技术,因此,该技术对地面的控制具有较高的水准,能够更好的对地面空间的影像进行科学的分析以及合理的推测,以帮助人们获取更多的未知并且真实的空间信息,由此可知,航空摄影测量影响定位技术既是一次科技领域的一次更新,又是测绘领域的一次技术革命。

一、航空摄影测量影像定向技术

航空摄影测量影像定向技术最早起源于上世纪的70年代初期,其研究的目的就是为了让我国的空间测量变得更加的精准。虽然那个时期已经有了雷达以及激光段面仪等技术,但是,该技术的使用仍然不能够达到人们对空间定位精度的要求,故而,GPS技术应时而生,并且自GPS技术应用以来就得到了广泛的发展和普及。但是随着科学技术的不断进步以及国民经济的不断增长,该技术的发展具有一定的局限性,所以在上世纪的90年代,国际有研究出了一种较为新型的技术,即POS系统,该系统能够对空间的具体位置进行定位,但是其精度并不理想。

二、航空摄影测量影像定向技术的使用现状

对于我国航空事业的发展现状来说,主要采用三种航空摄影测量模式,分别为常规化、GPS化、DGPS/IMU化等。这三种测量方式存在着本质的区别,主要区别于航空影响的获取方式及对于所要获取的目标进行定位的方法。我们现在所运用的航空摄影测量影像定位技术,就是依靠地面上诸多的控制点进行加密从而进行定向点的模拟。由于GDPS/IMU技术所涉及的价格很高,但是通过其工作效率可直接将传感器的六个外方位元素进行精确测定,可满足客户端额需求,从而是客服感觉价格的合理性。想要进行进一步的数据处理,首先我们需要利用地面参考技术或目标数据转化为一个完善的坐标系统。

三、航空摄影测量影像定向技术的作业要求

(一)航空测量。在航空摄影测量影像技术中,为了提高摄像数据的精度,除了对航空测量的航摄仪增加ASCOT、CCNS4、Track Air等飞行控制系统外,如果应用GPS航空摄影测量技术时,还要将航摄仪与动态GPS接收机连接;当应用DGPS/IMU航空摄影测量技术时,还需要在航摄仪上增加安装POS系,以提高摄像数据的精度。

(二)地面控制。在数字摄影测量工作时,通过应用理论严密的光束法区域网平差进行摄影测量加密,但是针对不同的摄影测量技术,分别需要采用不同的地面控制方案,从而获得最佳的加密点坐标,以及像片外方位元素,提高航空摄影测量的精度。

(三)内业测绘。传统的航空测量技术,当提取了航空影像精确外方位元素以后,通过应用安置影像外方位元素的基本理论,建立需要测量的立体模型,然后再识别同名像点时,应用影像匹配技术,这样就完成了测量目标表面的地形和地物的自动测绘。可是,在4D航空测量产品中,按照如下流程进行测量作业:单片内定向→像对相对定向→单模型绝对定向→立体模型测绘。

四、航空摄影测量影响定向技术的实验

现代的航空摄影测量在作业上一般在航空摄影、地面控制和内业测绘上有一定的要求。在采用GPS航空摄影测量时一般会将动态GPS接收机与航摄仪固联以提高影像获取的质量。

一般在采用DGPS/IMU航空摄影测量时,都会在航摄仪上安装POS系统。根据不同的情况要选择不同的地面控制方案,以获得最佳的加密点坐标和像片外方位元素。仅仅是在DGPS/IMU航空摄影测量直接对地目标定位方法中探讨如何利用POS系统获取的影像定向参数进行模型恢复的有关理论和方法。摄影测量加密和直接对地目标定位是航空摄影测量几何定位的两种方式。

五、数字航摄仪DMC

数字航摄仪DMC是一种用于高精度、高分辨率航空摄影测量的数字相机系统。DMC数字航空相机由四个全色传感器和四个多波段传感器组成。DMC航空相机通过四个多波段传感器分别捕捉红色、蓝色、绿色及近红外数据。该系统在不同的光线条件下,通过改变曝光时间,确保影像质量,其对地面分辨率可达到5cm。

低空数字航空摄影测量以2000万像素以上的小像幅数码相机为传感器,采用无人飞机进行低空航摄,具有机动、快速、经济等优势。该技术能够在短时间获取局部区域的较高精度的高分辨率数字影像,且天气及机场的依赖性小,已广泛应用于应急保障、防灾减灾、地形测绘等领域。

六、航空摄影测量影像定向技术的发展前景

进入21世纪以来,随着数字化摄影测量技术的快速发展,航空摄像测量技术通过对定向参数进行分析,初步确立了航空摄影测量影像定向技术。随后,人们主要以3S技术为主要测量手段、以4D产品(DEM、DOM、DLG、DRG)生产技术为辅的测量技术,广泛应用于航空摄影测量影像定向应用中。我们如何充分利用当代航空摄影测量技术的优势,进行4D产品的大规模生产,并对相应数据库实施快速更新,是一个值得关注的问题。同时我们应该充分利用现在的航空摄影测量技术的优势,发展我国的航空测量事业。

结束语:

通过全文的叙述,可以得出以下结论。通过多次的研究以及尝试,我国的航空摄影测量影像定向技术有了很大的改变,其拥有的功能也逐渐的趋于完善。在常用的三种影响定位技术中,最为经济实惠的是GPS空中辅助定位测量技术,最有发展潜力的技术是POS直接传感定向技术。在进行航空摄影时,要根据建筑、地形等不同情况采取最佳的测量方法,以最小的消耗获得最大的利润,像是无人区、进入困难的地区以及不能够到达的区域,可以通过GPS来进行定位,而正射影像图的制作以及小范围4D更新应用的使用可以用POS来做到,目前来讲,POS系统的应用还是较为广泛的,因此,POS技术的发展前景还是较为可观的。

参考文献:

[1]苏立红.航空摄影测量影像定向的若干探讨[J].中国新技术新产品,2015,12:7.

影像测量技术 篇3

在求解近景影像的摄影位置信息、摄影姿态信息、内方位元素信息、影像畸变参数的基础上, 可以实现影像像素点的空间定位信息。这时, 任何一个像素点与物镜中心的连线构成了一条空间摄影方向线, 被测像素点的空间目标点就位于这条摄影方向线上, 单张影像无法确定在摄影方向线的具体位置, 因此不能唯一确定被摄物体的空间位置。

而在数字地图的支持下, 摄影方向线指向了数字地图上的某个目标点或某个空间地物, 利用数字地图提供的平面位置, 就可以实现单张近景影像的三维测量。根据所求空间地物点的类型不同, 基于DLG的单张近景影像的三维测量技术可以分为两类:一类是测量数字地图上地形特征点的三维坐标, 另一类是测量数字地图上非地形特征点的三维坐标。

观测的像素点对应于数字地图的地形特征点时, 该点的平面坐标是已知的, 只要求出该点的高程即可;当观测的像素点不是地形特征点而是空间目标的某个细部点时, 该点的空间位置不能直接从数字地图上得到。当观测点位于数字地图的某个直线目标上, 那么可以在像素点和直线目标进行匹配, 得到该像素点的对应点三维空间坐标。

1 数据预处理

以图1的示例来介绍基于DLG的影像解析数据预处理过程。

1.1 影像点测量与坐标转换

图像上在计算机中是以width行、height列中的二维矩阵来表示, 每一个像素点在二维矩阵中的位置可以用直角坐标系统C0—uv中的 (u, v) 坐标来表示。

对图1中的1~9点进行影像测量, 测量出各点的图像坐标系 (u, v) , 并用转换关系式 (1) 将其转换为像平面坐标系 (x, y) , 单位为像素, 像素点的像空间坐标系 (x, y, -f) 。

当然, 焦距f是未知的, 可以给定一个初始值 (以像素为单位, 示例中假定近似值为3 000) 。

1.2 地物点坐标获取

从数字地图上获取与影像像素点对应的空间地物点的二维平面坐标, 这里应用C#.NET编程, 利用Arc GIS ENGINE地图控件, 自动实现数字地图上对应的空间地物点的平面坐标量测。

2 测量方法原理

2.1 点点匹配测量

所测的像素点对应于数字地图的地形特征点时, 该点的平面坐标是已知的, 这里采用点点匹配的测量方法, 只要求出该点的高程即可。其计算过程如下:

1) 获取像素点坐标 (xp, yp) 和相应的地形特征点平面坐标 (X, Y) , 对像素点坐标进行影像畸变改正:

2) 计算像素点在摄影测量坐标系中的坐标:

3) 对地形特征点的坐标进行变换和平移:

平面坐标的旋转:

4) 根据:

由三个方程计算地形特征点的高程, 可以先计算点投影系数λ, 然后计算高程:

2.2 点线匹配测量

当观测的像素点不是地形特征点而是空间目标的某个细部点时, 该点的空间位置不能直接从数字地图上得到。如果观测点位于数字地图的某个直线目标上, 那么可以采用像素点和直线目标进行匹配测量方法, 得到该像素点的对应点三维空间坐标。具体实施过程如下:

1) 获取像素点坐标, 对像素点坐标进行影像畸变改正, 并计算该像素点在摄影测量坐标系中的坐标;

2) 根据影像的内外方位元素计算摄影中心在地图坐标系中的坐标

3) 由摄影中心和像素点构成了一条空间摄影射线。该摄影射线在空间辅助坐标系中的水平偏角和仰角为:

同时, 摄影方向线的方位角为:

4) 利用数字地图上的直线端点的坐标计算其斜率:

5) 那么, 摄影方向线与该直线的水平交点坐标为:

6) 根据摄影中心 (X0, Y0) 到被测点 (XJ, YJ) 的距离s, 可以计算被测点高程为:

3 实例测量与精度分析

为了验证建筑物三维测量的效果, 对建筑物的各特征点进行测量和分析。图2中对近景影像上的多个房角点和窗户角点进行分层分列选取, 从高度方向分为9层、在水平方向分为19列, 除了三个被遮挡点以外, 对总共171个像素点进行了观测和计算。

利用以上点线匹配的测量技术, 对这171个点进行了三维坐标计算, 表1中列出了各点的高程结果, 并进行了统计分析。

从表1的计算结果中可以看出:检测点的外精度高于内精度, 符合测量数据处理的规律。在没有考虑到数字地图自身精度的情况下, 计算结果统计精度达到了厘米级, 远高于数字地图本身的分米级精度要求, 所测建筑物高度的精度满足三维地理数据的精度要求。

4 结语

基于数字地图的单近景影像三维测量技术在近景影像解析的基础上, 根据地物点的不同类型, 分别采用点点匹配和点线匹配两种测量计算算法, 实现对近景影像上的地理目标进行三维测量。试验结果证明:通过数字地图的单近景影像匹配的建筑物三维测量技术能精确测量出建筑物高度, 其精度能够满足三维城市地理信息数据采集精度的要求。

摘要:结合数字地图提供的位置信息, 根据选取的建筑物特征点不同的类型, 分别应用点点匹配和点线匹配两种测量计算算法, 实现单近景影像的建筑物三维测量, 试验结果证明, 数字地图的单近景影像匹配的建筑物三维测量技术能精确测量出建筑物高度, 其精度能够满足三维地理信息数据采集精度的要求。

关键词:数字地图,单近景影像,影像点坐标,建筑物三维测量

参考文献

[1]冯文灏.近景摄影测量[M].武汉:武汉大学出版社, 2002.

[2]康志忠.数字城市中街道景观主体三维可视化的快速实现研究[D].武汉:武汉大学博士学位论文, 2004.

[3]刘亚文.利用数码像机进行房产测量与建筑物的精细三维重建[D].武汉:武汉大学博士学位论文, 2005.

[4]张祖勋, 吴军, 张剑清.建筑场景三维重建中影像方位元素的获取方法[J].武汉大学学报 (信息科学版) , 2003, 28 (3) :265-271.

影像测量技术 篇4

20世纪中叶,一批物理学工作者进入医学领域,从事肿瘤放射治疗及医学影像的研究,并于1958年成立了美国医学物理学家协会,1963年成立了国际医学物理学组织,并将具有定量特征的物理学思想和技术引入到临床的诊断和治疗中,物理学与医学的结合不仅促进了医学的发展,也对物理学的发展起了推动作用。

1、声学的应用

超声成像90年代以来,由于数字化处理的引入,高性能微电子器件及超声换能器的出现,以及各种图像处理技术的应用,超声成像的新技术、新设备层出不穷。超声不但能显示组织器官病变的解剖学改变,同时还可应用Dopper技术检查血流量、血流方向,从而辨别器官的病理生理受损性质与程度。超声诊断采用实时动态灰阶成像,在掌握正确剂量的前提下,可连续对器官的运动和功能实施动态观察,而不会产生像x射线成像那样的累积效应及危险的电离损害。由于超声诊断具有无损伤性、检查方便、诊断快速准确、价格便宜、适用范围广泛等优点,得以在临床中迅速推广。超声波成像的物理基础是超声医学的基础,超声成像是利用超声波遇到介质的不均匀界面时能发生发射的特性,根据检测到的回波信号的幅度、时间、频率、相位等,得到体内组织结构、血液流速等信息,

2、光学的应用X射线成像

x线实际上是一种波长极短、能量很大的电磁波。医学上应用的x线波长约在0.001-0.1nm之间。x射线穿透物质的能力与射线光子的能量有关,x线的波长越短,光子的能量越大,穿透力越强。x显得穿透力也与物质密度有关,密度大的物质对x线的吸收多,透过少;密度小则吸收少,透过多。利用差别吸收这种性质可以把密度不同的骨骼与肌肉、脂肪等软组织区分开来,者正是x线透视和摄影的物理基础。x射线成像包括x射线透视和摄影、x射线计算机体层成像,x射线计算机体层成像是以测定人体内的衰减系数为基础,采用—定的数学方法,经计算机处理,重新建立断层图像的现代医学成像技术,x射线的几种特殊检查技术,分别是x射线的造影技术、x射线的断层摄影、数字减影,

3、电磁学的应用磁共振成像

MRI成像的先决条件MRI成像的先决条件是被成像样品中的原子核必须具有磁性,而这种磁性源于原子核本身的自旋运动,因此,对原子核等微观粒子的自旋属性进行的深入研究是量子力学取得的重要成果之一,客观上也是MRI得以产生的知识前提,磁共振成像利用了人体内水分子中的氢核在外磁场中产生核磁共振的原理,由于人体不同的正常组织、器官以及同一组织、器官的不同病理阶段氢核的弛豫时间有显著不同,利用梯度磁场进行层面选择和空间编码就可以获得以氢核的密度、纵向弛豫时间、横向弛豫时间作为成像参数的体内各断层的结构图像,近年来产生很多新的成像序列和技术方法,如扩散加权成像是通过测量人脑中水分子扩散的特性来反映组织的生化特性及组织结构的改变,在临床上可用于急性脑梗塞的早期诊断,螺旋浆扫描技术,明显消除患者因运动或金属异物造成的伪影,可生成高分辨率、无伪影、具有临床诊断意义的理想图像。

4、原子核物理学的应用放射性核素成像

放射性核素成像的物理基础放射性核素具有放射性,利用放射性核素作踪剂,结合药物在脏器选择性的聚集和参与生理、生化功能,达到诊断疾病的目的。检察方法有4种:扫描机、照相机、单光子发射计算机体层和正电子发射计算机体层(PEI)核素检查中产生的正电子只能存在极短的时间,当它被物质阻止而失去动能时,将和物质中的电子结合而转化成光子,即正负电子对湮没,转变为两个能量为0.551MeV的光子,并反冲发出,放射性核素在正常组织和病变组织分布不同,产生的光子强弱也有不同,PET成像技术通过探测光子对的差别形成影像,

5、结语

影像物理学在影像检查技术中的意义非常重要,对影像检查技术的发展影像深远,随着影像物理学的不断发展,新的影像技术不断出现,必将对疾病的诊断总出更大的贡献。

影像测量技术 篇5

资料与方法

选取10例具有完整头颅的男性尸体进行颞下颌关节测量(来自XX医科大学解剖教研室),进行CT测量的为试验组,常规测量的为对照组,其中8例具有完整牙列且牙齿无明显磨耗,1例颅骨的上、下颌牙咬错位,1例全口牙缺失。所有尸体的年龄、死因不详。

方法:根据不同处理方式对尸体进行测量:(1)试验组:测量前将尸体仰卧于检查床上,头颅向前、中线居中,眶耳平面与地面垂直;采用美国GE公司生产的螺旋CT扫描机对尸体头颅的颅中窝颞下颌关节窝顶上方到下颌骨乙状切迹平面进行扫描(电压120 k V,电流220 m A,层厚3 mm,间隔3 mm)。然后进行三维重建,获得标本的三维图像,然后对关节盘厚度(分别计算内、中、外各1/3的前、中、后带厚度)、关节窝内外径、髁状突关节面水平倾斜角、髁状突颈最小面积以及髁状突头最大面积进行测量。(2)对照组:测量前除去尸体头颅上的软组织,打开颞下颌关节的关节囊,取出整个双侧关节盘,随即对关节盘厚度进行测量。之后用棉线固定上、下颌正中位使头顶朝上,眶耳平面平行于水平面,接着用石膏将下颌骨固定,然后分离上下颌,石膏完全固定后进行修整,使双侧下颌升支后方的石膏形成一个垂直于地面和下颌骨矢状面的横断面。采用角度-多功能测角器,游标卡尺等对关节盘厚度(在关节盘的内、中、外各1/3中线上最厚处,最薄处以及最厚处进行标记,测量厚度作为内、中、外各1/3前、中、后带的厚度)、关节窝内外径、髁状突关节面水平倾斜角进行测量,髁状突头最大面积、髁状突颈最小面积采用填蜡法测量。所有测量均重复3次,取平均值。

观察指标:观察两种测量方法的关节盘厚度、关节窝内外径、髁状突关节面水平倾斜角、髁状突颈最小面积以及髁状突头最大面积。

统计学方法:此次研究的所有数据资料均采用SPSS 18.0统计软件进行分析,计量资料以(±s)表示,采用t检验,计数资料用n表示,采用χ2检验,P<0.05为差异有统计学意义。

结果

两种测量方法数据对比:对比两种测量方法的关节盘厚度、关节窝内外径、髁状突关节面水平倾斜角、髁状突颈最小面积以及髁状突头最大面积数据,差异不具有统计学意义(P>0.05),见表1。

试验组两种测量方式相关性分析:对两种测量方式的各个参数进行相关性分析,我们发现两组测量方式的关节盘厚度(r=0.996 3;P<0.01)、关节窝内外径(r=0.957 6;P<0.01)、髁状突关节面水平倾斜角(r=0.978 8;P<0.01)、髁状突颈面积(r=0.952 4;P<0.01)呈直线相关。

讨论

颞下颌关节作为人体最复杂和精细的关节,在日常生活中负责语言交流、咀嚼食物等生理功能,导致此部位发生疾病的概率较高,因此对颞下颌关节的形态和功能进行深入、全面的研究有助于治疗颞下颌关节部位的疾病[3]。CT作为一种新型影像学检查手段,可以有效地观察关节盘变形、移位等,从而可以获取颞下颌关节全部有效数据,有利于对患者进行全面而准确的测量。

综上所述,颞下颌关节CT影像测量具有和常规测量一样的准确性,且与常规测量手段呈直线相关,因此其在临床上有着十分重要的意义,值得广泛推广应用。

摘要:目的:探讨颞下颌关节CT影像测量与解剖测量的相关性。方法:选取10例具有完整头颅的男性尸体进行颞下颌关节测量,行CT测量为试验组,常规测量为对照组,比较相关参数。结果:两种测量方法的关节盘厚度、关节窝内外径、髁状突关节面水平倾斜角、髁状突颈最小面积及髁状突头最大面积差异不具有统计学意义(P>0.05),且呈直线相关(P<0.01)。结论:颞下颌关节CT影像测量具有和常规测量一样的准确性,且与常规测量手段呈直线相关。

关键词:颞下颌关节,CT,解剖

参考文献

[1]周超,顾非,王炜.影像学测量在颞下颌关节紊乱病治疗与评价中的应用[J].中国医药导报,2014,11(13):157-160.

[2]胡卫东,申云霞,杨立明,等.颞下颌关节相关角度测量的磁共振影像分析[J].医学影像学杂志,2013,23(4):503-506.

运动影像测量方法的发展现状研究 篇6

影像测量方法是目前运动生物力学研究中常用的方法,它主要用于分析人体运动过程中技术是否合理、是否符合人体身体生理结构等。影像测量方法作为一种研究方法,在测量过程中必然存在系统误差,系统误差大小及来源是本文研究的重点。通过查阅大量的文献资料发现,目前对动作技术分析存在的系统误差的研究并不多,大多是定性的,没有对误差的大小、来源及减小措施进行系统和准确的研究。

2 影像测量方法的分类

影像测量方法包括以下几种:平面定机摄影摄像测量方法、平面跟踪摄影摄像测量方法、立体定机摄影摄像测量方法、红外光点测量方法以及立体扫描测量方法等。由于各种条件的限制,常用的是平面定机摄像测量方法、平面跟踪摄像测量方法和立体定机摄像测量方法,而本研究主要对平面定机摄像测量法和立体定机摄像测量方法进行研究。

2.1 平面定机摄像测量方法

平面定机摄影测量方法是运动生物力学摄像测量方法中最为简单易行的一种测量方法。这种方法是将摄像机固定在三脚架上,拍摄前设定好摄像机的空间位置、拍摄距离、机高、取景范围、焦距、光圈等,这些条件固定好以后不变,从而拍摄人体和物体在平面内的运动。此种方法简单易行,同时不影响人体的运动,因此在正式比赛及训练时可以进行测量。但由于它只能测出人体和物体在垂直于摄像机主光轴的平面上的运动学参数,且其测量范围也小,因此此种方法只适用于小范围的拍摄对象在一平面上或主要在一个平面上的运动,比如竞走,跳远等运动项目。

2.2 立体定机摄像测量方法

在体育运动中,很多运动是复杂的三维空间运动,比如跳高、铅球等。那么要想分析多个平面上的动作,必须进行立体摄影与分析。立体定机摄像测量方法是采用两台或多台摄像机从不同角度对同一研究对象进行同步拍摄,然后把两台或多台摄像机所拍摄的影像进行数字化,通过直接线性变换从而获得所需的三维运动的空间坐标,获得有关的运动学参数[1]。直接线性变换算法是直接建立坐标系坐标与物体空间坐标的关系式的一种算法,是通过将记录在录像带上的二维坐标转换成三维坐标实现的。直接线性变换算法不需要两台摄像机的主光轴必须相交,允许其在一定的范围内进行变化,使用起来比较方便,是三维空间重构一种很好的方法。立体定机摄像测量方法较平面定机摄像测量使用范围较广,在田赛的项目中经常用到立体定机摄像测量来获取所需运动学参数。

3 影像测量方法的发展状况

运动生物力学中对人体进行测量获得所需的运动学参数最常用且重要的方法是影像测量方法。我国从上世纪八十年代初开始应用影片解析来分析运动技术,影片解析技术从兴起到广泛应用大致经历了三个阶段。

第一阶段是运用带胶片的摄影机进行运动现场采样,运用最原始的方法测量位移和时间等一些参数,广泛使用的记录位移和时间的方法是频闪摄影和电影摄影。最早是伊德威特·马勃列奇用24只固定的照相机和2只轻便蓄电池拍摄的一匹马的运动,并测量出它的步长是6.02米,这是电影和图片分析的萌芽。由于当时图形的数字化过程和计算机的数据处理是分开的,因此实验的工作量非常大,而且获得的数据不够精确。这就是运动训练科学化、数字化的开始,虽然存在着许多缺陷和不足,但在一定程度上也受到一些具有科学理念的教练员的支持和欢迎。

第二阶段是图数转换、数据处理和计算机一体化阶段。由于计算机技术的快速发展,电脑智能化的功能也日益加强,图数转换过程可以由电脑来完全完成,这使图数转换和数据处理及计算机一体化。此外,高速摄像代替了影片,实验过程得到简化,获得的数据也相对精确,这时图像分析方法初步成熟。由于该方法进步,很快被各省体科所和各大体育院校使用。

第三阶段是采用三维图像动作技术分析使实验数据标准化,图像分析半自动化和测力一体化。三维图像动作技术分析具体应用是使用两台摄像机同时对研究对象进行录像,同时摄像机安装了高精度角度传感器,以便准确测定摄像机的水平或垂直位置,再把记录的视频信号输入微机进行图象数字化处理及数据处理,得到人体运动的运动学和动力学参数等。该方法虽在仪器及应用上都有了较大的进步,但获得的实验数据仍缺少可比性,过程繁琐且不能与测力进行有效地同步。运动生物力学影像测量操作步骤和方法简单,测试结果比较直观,有较强的现场采样和记录运动实际场景的功能。因此该方法很快在我国推广普及,尤其是在田径、体操、游泳、举重等项目中,已经取得了巨大的研究成就,为提高运动员的竞技和训练水平做出了一定的贡献。但因为录像解析对关节点的识别目前仍停留在人工判断的水平上,具有工作量大,系统误差较大等不足,因而也存在结果与实际不符的情况。

4 影像测量方法的误差研究

影像测量方法是运动生物力学中获得运动学参数一种重要的方法,由于影像测量系统在使用时多用于测量运动时人体的一些运动学参数,因此其实验对象是复杂的,其实验结果具有不确定性,实验过程具有不可重复性的特点,到目前为止影像测量方法还没做到规范化和数据的高度精确。人体运动不同于机械运动,实验测试的任何一个环节不符合规定,都有可能使获得的运动学参数和实际值有一定的误差。

1984年钱竟光、卢青、蔡国钧、王其宁在《关于用解析仪分析体育动作所产生误差的探讨》中提出了“进行影片处理时,用超声笔点各关节点时所产生的误差是不可避免的,特别是在对动作结构和有关人体解剖学知识不太熟悉的情况下,产生的误差较大。但对于人体质心运动的分析时,即使个别关节点座标的误差较大,而合成人体质心后,其误差是很小的,因而,所获得的数据是基本可靠的。在文中提出了减小测量误差应注意几点:第一在拍摄影片时,应尽量使成像大些,清晰些,这样在确定关节点时就会准确的多,减小误差;第二对点关节点的人,一定要熟悉所处理的动作结构和有关人体解剖学知识,同一个动作过程,应由同一个人完成所有点关节点的工作,避免不同的人对关节点的判别不同产生误差;第三对每测一幅图片前都必须检查一下参考点的位置是否有变。”

1988年洪嘉振、吴健、刘延柱在《单标杆三维影片摄制技术及误差分析》中提出了“误差的来源有三点:一是参照物与运动员之间的距离造成的比例尺误差。二是摄影机光轴夹角测量不准造成的误差。三是垂直标杆不垂直引起的误差。”

1991年李良标在《影片解析中人体测量点的确定方法》中提出了“在影片解析中依据影片解析人体模型的结构、功能特点,在分析当前四个人体惯性参数模型特征的基础上,运动人体形态与技能的研究方法确定人体测量点的原则与具体方法,为影片解析过程的规范化与科学化提出了理论与实践依据。”

李诚志在《生物力学影片分析的误差及消除方法》中为确保生物力学分析结论的精度和可靠性,讨论了以下三个问题:“生物力学影片分析的误差;几种数据平滑方法的简述;三维摄影方法及其精度。”在文章中提出“影片分析方法是当前运动生物力学研究的主要手段。但由于在影片的摄制过程中及数字化过程中,都可能产生一些误差,因此必须采取相应的措施来予以处理。为保证所得结论的可靠性,除在影片拍摄过程中及数字化过程中要严格控制有关因素外,还必须对原始位置—时间数据进行有效的平滑,否则所得的结果就很不可靠,它不能表示人体运动的真实规律。

以上研究尽管对影像测量过程的误差来源做分析,误差大小做了估计,但研究条件的设置都很特殊,缺少普遍意义。

5 减小影像测量方法误差的研究

1998年严波涛、李美霞、王慧在《影像测量误差处理和可行性检验方法研究》中提出“改进数据中的随机误差测量的方法,通过对该数据序列的精细化处理达到消除随机误差的目的。第一影像分析是生物力学研究中的常规方法,除了规范操作之外,还应建立有效的检验标准,从而说明所获得的数据精度和可靠性;二提供了进一步提高影像数据精度和数据误差评定的方法,据此可建立生物力学量如线(角)位移,线(角)速度,线(角)加速度等的检验标准;三是单纯的低通滤波平滑对消除随机误差并不十分理想。”

1995年Pebekioe J.Klein,Edd,PT,James J.DeHaven,Phd在《Accuracy of Three-Dimensional Linear and Angular Estimates Obtained With the Ariel performance Analysis System》中指出“通过用艾里尔解析系统进行解析,得出在静态时三维测量的一些数据,虽然说用艾里尔解析系统在很多方面比较有用,但他本身却存在精确性的问题,很多测量表明一些误差和关节表面的软组织有很大的关系。经过测量,在关节测量时的一些误差是人们可以接受的,但如何使这种测量仪器精度更高是要求我们注意的。”

安朝臣在《影像测量减小误差的方法》中提出“数值误差来源于两个方面:摄影过程和影像解析过程。针对这两个误差的来源,他提出了在国际国内常用一些消除误差的方法:移动平均法;多项式拟合法;傅里叶级数法。文章里除了详细这三种方法外,还提到了数字滤波法、样条函数插样法、正弦级数平滑法等一些方法。当对某点进行多次测量时, 多次测量的平均值就接近于该点的真实值, 测量平均值越趋近于真实值。也就是说测量误差值, 随着测量次数的增加而会减小。”

庞军等人《对周期性运动中对侧关节点的计算方法》中“根据周期性运动中左右肢体对称性的特征,采用实验与影片解析的研究方法,给出了利用可见侧关节点坐标,计算不可见一侧关节点坐标的方法,并对这种计算方法的准确性进行了论证。”

施宝兴等人在《提高影像解析数字化精度的探讨》中“利用3台高速摄像机分别以全身、下肢和足为拍摄范围,利用四点框架标定取得相同坐标系下的坐标,结果证明可以有效提高影像的解析精度。”

李世明在《对运动影像解析中若干运动学指标算法的探讨中》中提出“对于三维解析数据的精度,拍摄相机位置的放置是有一定影响的。当相机交角在60°~90°之间具有较好的重构精度,可以减少二维图像坐标误差对三维重构的影响。为了减少数据误差,在拍摄的时候,根据经验我们发现,拍摄框架的时候,保证对标定物体的清晰拍摄;在保证拍摄图像清晰的前提条件下,让镜头和框架的距离尽量远;像控点是摄影测量坐标系与地面坐标系之间转换联系的三维坐标标志点。像控点的布设在满足解算条件(保证线性无关性)的前提下,要确保能控制整个测区,使根据像对建立的数学模型的几何关系牢固些,否则数学模型可能会变形导致测量成果不可靠,这样可以减小原始数据的误差。而在实际中,我们也经常会遇到这样的情况,即像控点不再测区内,造成无法挽回的后果。”

总之,通过查阅大量文献可知,目前国内外对运动生物力学的研究方法方面的研究是比较多的,但对于动作技术分析中存在的系统误差和随机误差的研究相对较少,也缺乏系统性。因此有必要对动作技术分析中存在的系统误差和随机误差做一分析研究,从而完善影像技术分析,以弥补这方面的缺陷。

6 小结

影像测量方法是运动生物力学中最常用的一种测量数据方法,运动生物力学所研究的一个重要方面是如何获得较为精确的运动学参数,揭示运动的本质,从而为实践运动提供理论依据。影像测量作为获得运动学参数的一种重要方法是因为影像测量是一种非接触的定量测量方法,在不影响训练和比赛、不给运动员增加任何负担的情况下,就可获得人体运动的位移、速度、人体重心等各项特征的运动学参数,以及运动器械运动的各种运动学的定量参数,从而比较真实的反映出运动的情况。通过对运动学参数的分析,能够发现运动过程中的技术动作是否合理,找出原因从而改善运动技术,提高运动成绩。同时,运动生物力学还可以为运动损伤的预防提供一定的理论依据。

摘要:影像测量方法是目前运动生物力学研究中常用的方法,它主要用于分析人体运动过程中技术是否合理、是否符合人体身体生理结构等。文章从影像测量方法的分类;影像测量方法的发展状况;影像测量方法的误差研究和减小影像测量方法误差的研究等角度归纳总结前人对运动影像测量方法的研究,通过对这些研究的归纳分析,进一步确认关于运动影像测量方法正确、有效的研究方向。

关键词:运动影像,测量方法,研究

参考文献

[1]卢德明,王云德,严波涛.运动生物力学测量方法[M].北京体育大学出版社,2001:19-33.

[2]钱竞光,卢青,蔡国钧,王其宁.关于用解析仪分析体育动作所产生误差的探讨[J].体育与科学,1984,(02):35-36.

[3]洪嘉振,吴健,刘延柱.单标杆三维影片摄制技术及误差分析[J].体育科学,1988,(1):44-48.

[4]李良标.影片解析中人体测量点的确定方法[J].体育科学,1991,(3):31-37.

[5]李诚志.生物力学影片分析的误差及其消除方法[A].第四届全国运动生物力学学术会议论文集[C].1983:1-12.

[6]严波涛,李美霞,王慧.影像测量误差处理和可行性检验方法研究[J].1998,(3):78-82.

[7]Pebekioe J.Klein,Edd,PT,James J.DeHaven,Phd.Accuracy ofThree-Dimensional Linear and Angular Estimates Obtained Withthe Ariel performance Analysis System[J].运动医学,1995,76(2):183-185.

[8]安朝臣.影响测量减少误差的方法[J].四川体育科学,1985,(3):21-23.

影像测量技术 篇7

传统的航空摄影受限于高昂的费用以及航空调运等条件、常用于获取大范围的航空影像。低空遥感具有快速、机动、灵活、无机场起降、可在低空获取高分辨率数字影像等优点,是现代传统航空与卫星遥感的不可缺少的补充。无人飞行器上搭载大面阵数码相机建立的无人飞行器低空遥感系统,可以获取高分辨率(厘米级)的数字影像;通过廉价的GPS及IMU等设备可同时获取影像定位信息,因此这类系统提供了一种低成本高分辨率低空数码影像获取方法,成为传统航空摄影的辅助手段而得到迅速发展和应用。无人飞艇低空遥感系统成本最低、可靠性最高,尤其适用于城区和地形复杂地区的航空摄影测量应用。然而受飞行稳定性和高程精度等方面的局限,无人飞艇低空遥感系统在大比例尺测图等方面还没有完全实用化。本文以中国测绘研究院研制的无人飞艇低空遥感系统为研究基础,提出利用多视摄影测量提高低空数码影像摄影测量精度的方法。

2 无人飞艇低空遥感系统

中国测绘科学研究院研制的UAVRS-F型无人飞艇低空遥感系统由无人飞艇(如图1所示),遥测遥控系统,地面控制站,大面阵数码相机系统及稳定平台等设备构成的摄影系统组成。

如图1所示,UAVRS-F型无人飞艇是一种通用型飞艇系统,可实现飞艇空中悬停,垂直升降和特殊机动飞行。目前,该无人飞艇系统的飞行控制以人工遥控为主、程序控制为辅。其长度为12~20 m,直径2~4 m,飞行速度0~72 km/h,飞行高度50~3 000 m,任务载荷5~50 kg,控制半径10 km,续航时间3~5 h。

飞艇的方位、高度、速度、数据、机载设备状态数据及空中拍摄的视频图像信号通过遥测遥控系统下传至地面站,实现地面监控和显示。地面控制站发出遥控指令通过遥测遥控系统上传至飞艇,对飞艇实施超视距比例遥控飞行和其它控制。

大面阵非量测数码相机的体积小、重量轻、存储量大,数据获取和处理实时快速,目前是UAVRS-F型无人飞艇系统的主要遥感设备。UAVRS-F系统主要采用尼康Nikon D100专业数码相机(像幅尺寸为23.7mm×15.6 mm,分辨率为3 008 pixels×2 000 pixels,镜头焦距20 mm)以及Canon EOS 5D相机系统(像幅尺寸为35.7 mm×23.9 mm,分辨率为4 368 pixels×2 912 pixels,镜头焦距24 mm)作为遥感设备。数码相机的曝光由自行研制的遥感设备自动控制系统完成,即以高速单片机系统计算曝光间隔,以GPS秒脉冲信号作为基准信号,单片机自动触发相机曝光。由于无人飞艇在低空飞行摄影时会受到本机和气流的多重影响,所以机体将无法一直保持航空摄影的姿态要求,系统研制了专用的低成本无陀螺三轴稳定平台用来隔离飞行平台的角度误差。数码相机被固定在三轴稳定平台上实现水平方向的调平和航向方向的偏流修正。

无人飞艇携带该机载摄影系统拍摄低空数码影像,影像的像移是影响图象质量的主要因素,要求像移小于0.5像元。如式(1)所示:

其中:v为航速,t为快门时间,f为相机焦距,h为飞行高度。以Canon EOS 5D相机系统为例,面阵CCD后背像元小于为8.2µm×8.2µm,相机焦距约24 mm;飞行高度假定为300 m,飞行速度设定为上限20 m/s,曝光时间只要小于1/380 s即可。显然,与其它的低空遥感系统相比,无人飞艇系统的飞行速度低,获取的数码影像不但有足够的曝光量,而且可以忽略像移的影像。

3 低空数码影像多视摄影测量

传统摄影测量影像间的航向重叠度一般是60%,三度重叠为20%。传统方法总是利用相邻三张影像进行模型连接,利用两张影像进行前方交会。低空数码影像的像幅小,基线短,因此高程精度低。但低空数码影像的重叠度大,一个空间点成像在多幅影像上,可以利用这N张影像建立多光束立体,进行多视摄影测量。

3.1 立体像对的摄影测量存在的问题

基于立体像对的摄影测量的平面和高程精度取决于像点量测精度和基高比分别为

其中σXY、m、σZ、b、f、σ0分别为平面中误差、摄影比例尺、高程中误差、基线、焦距、像点量测中误差;b=l⋅1(-p),其中:l,p分别为与航线方向平行的像幅边的边长、航向重叠度。

数字摄影测量利用计算机匹配替代人眼双目立体观测测定影像同名点,立体像对重叠度大,基线短,同名点匹配精度高,但基高比小导致高程精度低。假定同名点匹配精度一定(像点量测中误差一定),σ0=0.5pixels,以Canon Eos 5D相机系统为例,其焦距为24 mm,像幅长边为35.7 mm。立体像对的重叠度为60%时,基高比为0.70,高程的量测误差为平面的1.4倍;80%重叠度时,基高比为0.35,高程的量测误差为平面的2.8倍;40%重叠度时,基高比为1.07,高程的量测误差则接近平面误差。为解决匹配和基高比的矛盾,可以采用多基线(大重叠度)摄影测量:相邻影像交会角小,易于匹配;多基线、总体交会角大,确保交会精度;同时多方向交会,使前方交会具有多余(冗余)观测,能够增加影像匹配的可靠性。也就是利用多影像建立多光束立体测图方法。

3.2 多视摄影测量

低空数码影像的重叠度大,一个空间点成像在N幅影像上,就需要利用这N张影像建立多光束立体,同时进行前方交会获得其三维坐标。假设某一地物点P同时出现在N张影像上,第i张影像的摄影中心S、像点p,与空间点P三点共线,共线方程为

考虑理想垂直摄影时,各旋转角均为零,x+x′=,0y=y′,设定y=y′=0,设N张像片的摄影中心同高,即ZS相等,Z=-D。其中,D近似取平均相对航高,则相应的误差方程式为

其中:f为焦距,(xi,yi)第i(i=1,2,…,N)影像的像点坐标d X,d Y,d Z为空间点三维坐标的改正数,lxi,lyi为误差方程常数项。联立P点的N个同名点误差式,得到法方程系数相应的法方程系数矩阵和协方差为

则待定点的XY、Z方向的测定中误差分别为

显然,Z方向(高程)测定精度与∑ni=1 xi2成反比,重叠影像越多,前方交会精度越高。

4 多视几何约束的多视匹配

立体匹配可以在核线影像上进行,而多视匹配则在原始影像上进行。本文利用计算机视觉的多视几何的原理建立匹配的约束条件实现多视匹配。

4.1 基于三视张量约束的多视匹配

设四张影像分别为I1、I2、I3、I4,影像的外方位元素已知。一个空间点分别成像在n(n>3,本文n=4)幅影像上时,每三幅影像组合。首先,根据航空摄影的特点,相邻两影像重叠度较大,因此分别作为第一、二幅影像,其它影像作为第三张影像。通过(I1 I2 I3),(I1 I2 I4)两个组合预测同名点;其次,(I2 I3 I4)组合删除误匹配的同名点对。如图2所示,第一幅和第二幅影像组成一个立体像对,设第一张影像上的待匹配点为p1,地面的近似高程范围(Zmin,Zmax)已知,如式(7)所示。而由式(7)可以推导式(8),即根据高程的范围计算该点在物方空间的光束直线段的端点A、B坐标(端点B的计算过程从略)。由于数码相机存在较大的系统畸变差,最大为几十个像素,因此核线是核曲线,核曲线较短时,近似看作直线。光束直线段投影到相邻的原始影像上(考虑畸变差),如式(9)所示计算原始核线段a′b′的端点坐标(b′计算过程从略)。

在第二张影像上,在核线段上根据灰度相关算法搜索相关系数的极值点。搜索到的同名点集合假设为{pi2},i=1,2,…,n。从{pi2}中选择候选点对(p1,pi2)和I1,I2,I3间的三视张量预测I3上的同名点位,在邻域内搜索相关系数的极大值点,如果存在极大值点集{pj3},则(p1,pi2)以及候选点集{pj3}中的每一个点,作为候选的同名点对;根据候选点对(p1,pi2)和I1,I2,I4间的三视张量预测I4上的同名点位,在邻域内搜索相关系数的极大值点,如果存在极大值点集{pk4},则(p1,pi2)以及候选点集{pk4}中的每一个点,作为候选的同名点对;I2,I3,I4影像组合,计算三幅图像间的三视张量,满足三视张量的同名点对(pi2,pj3,pk4)视为p1在I2,I3,I4上的同名点。

如图3所示,假定第二张影像p1的同名点p12,p22,p32,其中只有p12是正确的匹配点。针对每个同名点对(p1,pi2),i=1,2,3,分别在影像I3和I4上匹配候选点,为剔出错误的匹配点对,采用(I2,I3,I4)组合,计算三张影像相应的三视张量。只有正确的同名点对满足三视张量对同名点对的约束条件,因此可以得到正确的匹配点对(p1,p12,p13,p14)。

4.2 三视张量的计算

许多学者对如何通过3张像片的点(线)对应关系稳定地计算三视张量进行了深入的研究。本文则直接利用投影矩阵计算三视张量。假定三张影像的投影矩阵简化形式为

三视张量的数学定义为T=[T1T2T3]。其中:Ti=ris4T-r4siT,Tijk=rijsk4-r4jski。

由于航空摄影测量的物方坐标系常定义为地面摄影测量坐标系,因此第一个投影矩阵一般不是P=(I|0)。但是三视张量是独立于场景结构的,也即我们可以任意选择物方坐标系,而且在三个投影矩阵同时乘以一个透视变换矩阵时,三视张量是不变的。Hartley采用一个4×4的变换矩阵,将摄像机投影矩阵变换成它们规范形式。则摄像机投影矩阵的规范形式是

5 立体测量实验

基于多视影像测图,需要对“多视”原始影像进行任意组合构成立体像对或者构成多光束立体。为了评定低空数码影像立体量测的精度并对影响其精度的因素进行分析,首先针对60%重叠度的立体像对进行立体量测实验,评定其精度;其次,进行不同重叠度(基高比)的立体像对和多片空间前方实验。实验采用Canon Eos 5D相机系统获取的低空数码影像(航高为400 m)。如图4所示选择四张相邻的影像1、2、3、4。四幅影像的公共重叠区内选择地面上高程一致的5个检查点(5个检查点高程互差小于1 m)。1、2,1、3,1、4分别组成编号为12、13、14重叠分别为80%、60%、40%的立体像对,基于多视匹配的方法获取同名点。在1:500地形图上人机交互读取5个检查点的坐标作为真值,在每个像对内分别进行基于严格的共线方程推导的空间前方交会,并计算每个检查点的残差,不同重叠度的12、13、14像对和4张影像的空间前方交会精度如表1所示。由表1可知,平面精度随重叠度缩小而降低,高程精度随重叠度减少而提高。多片空间前方交会的平面精度高于立体像对空间前方交会的精度,高程精度接近40%的重叠像对,高于60%和80%重叠度的立体像对。

结束语

无人飞艇低空遥感系统灵活、机动、快速、低成本特点,尤其适合小面积范围内城区、地形复杂地区的大比例尺航空摄影测量应用。低空数码影像的像幅小,基线短,若沿用立体像对测图方法,难以突破高程精度低的局限。但低空数码影像的重叠度大,一个空间点成像在多幅影像上,可以利用这N张影像建立多光束立体,提高高程量测精度。本文提出基于多视几何约束的多片匹配方法,并对多光束立体摄影测量的精度进行理论分析,最后针对不同重叠度的立体像对进行空间前方交会和多片空间前方交会实验,证明了多光束立体摄影测量能够有效提高低空数码影像的平面和高程精度,达到无人飞艇低空遥感系统在大比例尺测图等应用中的实用目标。

摘要:针对大比例尺测图的精度要求,研究低空数码影像多视摄影测量的方法。根据计算机视觉的多视几何原理建立匹配的约束条件,实现多视匹配;利用低空数码影像的重叠度大的特点,建立多基线立体,进行多片空间前方交会。不同重叠度的立体像对空间前方交会和多片空间前方交会的实验结果证明,多视摄影测量能够提高有效低空数码影像的摄影测量精度。

关键词:摄影测量,多视几何,无人飞艇,空间前方交会

参考文献

[1]崔红霞,林宗坚,孙杰.无人机遥感监测系统研究[J].测绘通报,2005(5):11-14.CUI Hong-xia,LIN Zong-jian,SUN Jie.Research on UAV Remote Sensing System[J].Bullitin of Surveying and Mapping,2005(5):11-14.

[2]崔红霞,林宗坚,孙杰.无人机遥感设备自动控制系统[J].测绘科学,2004,29(1):47-49.CUI Hong-xia,LIN Zong-jian,SUN Jie.The auto-control system of remote sensing devices for unmanned air vehicle[J].Science of Surveying and Mapping,2004,29(1):47-49.

[3]贾建军,舒嵘,王斌永.无人机大面阵CCD相机遥感系统[J].光电工程,2006,33(8):90-93.JIA Jian-jun,SHU Rong,WANG Bin-yong.Large frame CCD camera system for unmanned aircraft remote sensing[J].Opto-Electronic Engineering,2006,33(8):90-93.

[4]H?hle J.Automatic Orientation of Aerial Images on Database Information[J].OEEPE Official Publication,1999,15(36):71-79.

[5]张祖勋,杨生春,张剑清,等.多基线-数字近景摄影测量[J].地理空间信息,2007,5(1):1-4.ZHANG Zu-xun,YANG Sheng-chun,ZHANG Jian-qing,et al.Multi-Baseline Digital Close-Range Photogr ammetry[J].Geospatial Information,2007,5(1):1-4.

[6]Shashua A.Trilinear functions for visual recognition[C]//Proc.of the European Conference on Computer Vision(ECCV).Stockholm,Sweden:[s.n.],1994:479-484.

[7]Hartley R,Zisserman A.Multiple View Geometry in Computer Vision:Second Edition[M].London:Cambridge University Press,2003.

[8]Light D.An airborne direct digital imaging system[J].Photogrametric Engineering&Remote Sensing,2001,67(11):1299-1305.

[9]Roth G.Automatic correspondences for photogrammetric model building[J].International Archives of Photogrammetry,Remote Sensing&Spatial InformationSciences,2004,35(B5):713-718.

[10]Heipke C.A global approach for least squares image matching and surface reconstruction in object space[J].Photogrammetric Engineering&Remote Sensing,1992,3(58):317-323.

影像测量技术 篇8

药型是火炮的核心部件,其技术状态的好坏,关系到火炮发射的精度以及火炮寿命状态、火炮剩余寿命发数等关键技术指标[1]。在加工药型的过程中,切割时会发生变形,以及受到环境温度、挤压等外部因素影响, 使其外型尺寸容易发生变形,从而影响弹药性能[2]。为了确保火箭发动机的安全性和准确性,需要对推进剂在不损坏其产品的前提下进行缺陷检测,传统的检测方法都是工人通过千分尺检测,其结果受人为因素影响比较大,安全性差并且工作效率也比较低。

近年来,针对于非接触式测量的研究已经取得了一定的成果,图像测量技术的发展提供了新的发展方向, 使外形尺寸检测技术更加便捷、精确。该方法主要是运用光学技术与图像处理技术,用CCD摄像机对被测物体影像进行摄取,经过计算机对图像进行处理后,最终得到精确的检测结果。

CCD的像素间距小,几何精度高,配置适当的光学系统,可以获得很高的分辫率,特别适用于各种精密图像传感和非接触式检测[3]。但国内对图像测量技术在火工品尺寸测量方面的研究尚且不多,而且多为保密研究,特殊的生产环境和易燃易爆的产品特性限制了图像测量技术在军品上的应用。

本设计是基于药型生产单位不能进行有效的非接触测量而设计,将图像测量技术应用于火工品的检测过程中,由于药型及生产环境的不确定因素,因此防火防爆是基本前提,在此基础上才对药型进行轮廓测量,在检测效率和操作安全性方面较以往都有很大的提高。

1 测量原理与组成

整个检测系统由被测药型、光学系统、工业CCD摄像机、计算机处理系统和数码显示及报警系统组成。仪器结构如图1所示。该装置使用了大量电器元件,当电器开关合闸、断开时会产生火花电弧,而且电气设备短路、过载等都会引起电火花的产生。因此,测量平台要做防漏电处理,采用不锈钢材料做支撑平台,V型架则采用了防静电的电木板,所有的电线都用防火胶带进行包裹,此外,对金属部件做接地处理。

图像测量装置的设计原理是:碗状光源发出均匀的光束,照射在被测药型的端面,被测药型端面通过镜头成像在CCD上的光敏物质上,这时由于被测工件的挡, CCD输出低电平,从而形成一个脉冲宽度与被测物体直径成正比的方波信号[4]。在图像采集过程中,放大电路可以对信号进行放大处理,再将模拟信号进行模数转换转变成为数字信号,然后将处理后的信号送到计算机进行计数,最后将把测得的计数脉冲值与系统标定的值乘积(药型端面尺寸大小)显示在LED显示器上。

在测量之前,我们可以预设数据合格范围,当测量结果超出预设范围,输出结果的字体显示底色将变成红色,并且发出报警声音,工作人员能立刻知道这批产品不合格。

2 图像采集

2.1 系统标定

计算机图像处理程序得出的尺寸信息是以像素为单位表示的,要得到实际尺寸,就必须建立起数字图像像素单位与实际尺寸之间的对应关系,即系统标定[5]。根据测量原理,如果知道被测药型的像尺寸大小(被遮挡的光敏单元的区间大小)和放大率β值就可以计算出药型的直径[6]。即:药型的实际尺寸=图像所占得像素数×实际尺寸和像素值的比例系数。

在测量过程中,把制作的标准标定板放在测量系统的同一位置上,与像机镜头保持固定的距离,点击图像测量软件左上角的系统标定按钮,获得标定板图像,分别选取标定板上水平方向上的两个圆以及垂直方向上的两个圆,然后弹出比例尺实际距离设定对话框,设置两圆之间的真实长度,这样就算出标定板某一长度的像素值,点击OK后就会得到当前比例尺,点击保存之后即完成系统标定。标定板如图2所示。

2.2 图像采集与处理

2.2.1 图像采集

图像采集即将视频信号转换成计算机识别的数字格式。我们采用图像采集卡将视频信号经过A/D转换后, 经过PCI总线实时传到内存和显存。

在图像采集过程中,要确保药型端面的几何中心与摄像机镜头的中心处于同一位置。由于药型安装在V型块上,不方便进行调整,我们便通过控制摄像机镜头的移动,使得药型端面的几何中心与控制软件的十字线交点重合。

2.2.2 图像预处理

光学系统进行成像后需要进行合适的图像处理及软件算法设计,图像处理主要体现在抗噪声、抗干扰上, 软件算法则主要体现在测量系统的精度及稳定性上[7]。

图像在传输过程中常受到成像设备与外部环境噪声的干扰,所以需要对噪声进行滤除。图像中的噪声大多是不规则分布的一小点一小点,中值滤波属于非线性滤波,采用中值滤波不能消除大噪声的影响,但它能很好的保持原灰度图像的分布特性[8]。因而在图像降噪处理中得到了比较广泛的应用。

由图4可知,经中值滤波处理后,噪声信号的部分光斑信号强度已经大大减弱,其他部分则基本没有变化,达到了去噪声的目的。

2.2.3 图像特征提取算法设计

根据CCD光敏面上激光光强的实际分布,我们采用二次多项式的算法来提取图像特征。

将信号f(xj,yj)的激光光斑定位到象素xj,在x方向上,设f(x)为插值函数,xj-1,xj+1为插值节点,yj-1,yj和yj+1为函数值,则有:

其中:

对f(x)微分,并另f'(x)=0可得:

这样可得激光光斑的定位为:

3 实验数据与误差分析

3.1 实验数据

为了比较图像测量与人工测量的准确性,我们多次测量了同一个药型,记录了每次测量的结果,比较相同情况下人工检测的数值,表1为测量结果。

由表1可知,人工测量的波动范围明显高于CCD测量,原因就是药型端面并不规则,用游标卡尺在同一个药型的不同位置测量就会产生一定的误差。相反,图像测量结果的稳定性更好,药型标准外径为102.55mm, 通过计算CCD测量值和标准值的偏差发现,测量平均值低于标准值0.006mm,可以考虑将其作为系统误差进行修正。

3.2 误差分析

在实际测量过程中影响测量结果的主要误差是投影误差。如果对这些误差不进行分析与处理,系统将会给出不准确的结果。

在测量过程中,当出现V型块的尺寸不同或者两个V型块的装配位置出现误差,被测药型就会发生倾斜,这样药型端面与CCD摄像机光轴方向就不能保证垂直,从而引起投影误差的产生。投影误差示意图如图5所示。

设投影误差为△ ,△ 为△ 1与△ 2之和,由图5中相似三角形关系可得,投影误差公式为:

式中:M为药型的垂直度;

D为被测药型的外径;

L2为药型端面与镜头中心点的距离。

当被测药型垂直度为0.1mm时,将表2参数带入到公式 (3)中,可得药型倾斜所造成的投影误差?=0.017mm。

由于倾斜角度和方向都不固定,因此针对由被测药型倾斜引起的误差,我们进行了多组试验,整理测量数据后就得到了误差值与药型倾角角度的关系图,如图6所示。所得曲线是在倾斜角α为±8°范围内依次间隔1°所测。数据表明,倾斜角越大,误差越大,而且误差大体上以倾斜角0°为中心,对称分布。

4 结论

数码影像的技术搏击 篇9

仪CanoScan LiDE35;此外,还有数款传统照相机产品。

喷墨打印的技术变革

1pl墨滴、9600dpi打印分辨率、Fine打印头等创造性技术都是第一次在中国、也是第一次在全球亮相,它们伴随着佳能全新喷墨打印机品牌PIXMA诞生了。而这些新的技术,全部依赖于佳能用半导体光刻技术实现的高精度打印头一次成型技术。佳能(日本)工业设计中心消费产品工业设计部部长佐野博先生告诉我们,大规模的用户调查显示,大多数用户希望能够把打印机融入自己的生活之中。佳能设计部门的目标就是创造出用户愿意放在自己房间里的打印机,并为此花费了巨大的精力,而PIXMA就是佳能给出的答案。其独特的外形设计和灵活的走纸方式让用户

可以随心所欲地摆放。

PIXMA是Pixel(像素)和Maximumand Power(最高打印速度)的合成词汇,它集成了佳能在EOS数码相机、复印机和喷墨打印机方面的核心技术。

Fine 技术

在佳能的新产品手册中,Fine成了一个和PictBridge、Exif 并列的特色技术。Fine的全称为Full-Photolithography InkjetNozzle Engineering,即全光刻喷嘴技术,就是它创造了1pl 墨滴的新纪录。1pl 的墨滴可以让打印机在一个像素的位置上打印32个墨滴(2pl的技术只能打印16滴),因此可以实现更加丰富的层次。佳能(日本) 喷墨设备开发中心喷墨设备第九设计部部长大土冢尚次先生强调说,采用了1pl 的墨滴技术后,iP5000 的4 色打印效果就可以媲美上一代产品的2pl 的6色打印。

Fine 技术不仅带来了1pl 的墨滴,更重要的是开启了打印头制造工艺的全新阶段。打印头是喷墨打印机的核心,目前喷墨技术的区别就在打印头上,分为机械(压电)和热喷墨两类,而佳能属于后者。记者在2000年曾经参观过生产喷墨打印头的佳能玉川工厂,其工艺相当复杂,包括硅片上加热器的切割、喷嘴和墨水仓的连接、打印头的组装、位置精度的校准,生产的每一个步骤都需要保证极高的精度。

Fine 技术则采用一体化成型技术。取代了加热器到喷嘴的复杂工艺,包括喷嘴、墨水通道在内的部件都采用半导体光刻技术实现,从而实现了打印头喷嘴的高密度排列、更加微小的墨滴和精准的定位。Fine的优势不仅如此,半导体一体化成型方式简化了工艺,大大提高了生产效率并有效降低了成本。同时,Fine 技术并没有改变佳能成熟的墨水控制技术,它以完全沿用以往的墨水。在佳能公司展示的资料中,我们可以看到密布打印头的大型晶圆,佳能在新发布的喷墨打印产品中也全面使用了Fine技术。对于喷墨打印机提高输出质量、提升打印速度和降低成本这三个相互掣肘的发展方向,这项技术给予了一个圆满和平衡的答案,为佳能喷墨打印机注入了核心的竞争力。

Fine更是一个面向未来的技术,它降低了打印头制作的难度和成本,未来打印机可以采用数量更庞大的喷嘴,甚至可以实现喷嘴覆盖整个打印介质宽度的打印机,实现超高速输出(佳能曾经展示了采用类似技术、达到60页/min 输出速度的原型机)。

三问墨滴极限

1pl 的墨滴固然让人惊叹,但很多用户可能会怀疑其负面效果。首先,墨滴小了是否会影响打印速度,佳能通过高密度的喷嘴排列和庞大的喷嘴数量让PIXMA系列打印机全面提速,同时,打印机可以喷出两种尺寸的墨滴,从而消除了这一疑惑。其次,更小的喷滴对于佳能就意味着更小直径的喷嘴(佳能提供的资料表明,1pl墨滴喷嘴的直径仅为9?Э,而5pl喷嘴直径为15?Э,典型压电打印机的喷嘴直径为24?Э),墨水是否能够顺利喷出,是否更容易堵塞喷头?大土冢尚次先生告诉记者,由于采用了全新的打印头制造工艺,佳能可以优化墨水流动的通道,让其没有任何阻力,不仅显著降低了堵塞喷嘴的可能性,也让墨滴形状更加规则。

第三,根据空气动力学分析,小于1pl的墨滴很难保持速度从喷嘴飞行到介质上,换句话说,非常小的墨滴可能在“旅途”中就飘走了,位于临界值上的1pl 墨滴是否也存在飞行路线难以控制的问题呢?大土冢先生说,佳能对此早有准备,优化的墨滴通道和驱动部分让Fine 打印头具有更强的动力,喷嘴射出的墨滴速度更高,因此可以精确地落到介质上。

Fine 技术为佳能的PIXMA 系列打印机带来了很高的技术起点:例如目前市场上的佳能A4 照片打印旗舰产品i990 拥有5376个喷嘴,彩色打印速度为12页/min,而PIXMA系列中的旗舰机型iP8500 拥有6144 个喷嘴,墨滴喷射频率高达每秒15000 万滴,彩色输出速度达15 页/min,打印4 英寸× 6 英寸的无边距照片输出仅需21秒。这仅仅是一个开始,佳能会在全新工艺和设计的基础上让喷墨打印机获得更旺盛的生命力。

数码相机的全新登场佳能(中国)公司影像信息消费产品部高级总经理小川一登先生表示:“数码单反相机的3个核心技术是光学技术、图像感应器技术和影像处理器技术,佳能是行业当中惟一具有设计并制造这3 个数码单反相机核心部件的厂商。”

诚如小川先生所言,精擅半导体技术的佳能在这一轮新品发布过程中把数码相机带到了一个全新的数码影像境界。

EOS-20D 数码单反相机则是此次最新佳能数码相机产品中的代表。佳能采用35nm 半导体制造工艺生产的820 万像素CMOS 影像传感器, 结合佳能DIGIC Ⅱ数字影像处理器和更大容量的缓存,把EOS-20D 的连拍速度提高到每秒5 张,一次可以连续拍摄23 张高质量图像(大/ 优/JPEG),据称在精度和色彩方面有明显进步。

在发布会现场,记者试用了EOS-20D,0.2 秒的启动速度、每秒5 张的高速连拍功能以及快速合焦都给人以深刻印象,大有EOS-1D MARK Ⅱ的风范。不过,介于EOS-10D和EOS-300D之间的机身重量,配合重量相对较轻的各型号EF-S 镜头,EOS-20D的手感相对偏轻,同时也更加便于携带。

从记者在发布会现场试拍的样片进行分析,尽管EOS-20D 所采用的CMOS影像传感器像素密度更高、单位像素面积更小,但是信噪比却有了明显提高,在ISO1600感光度下的噪声情况仅和EOS-10D在ISO800的情况相似。此外,反差、明锐度也有所提升。一方面,这得益于DIGIC Ⅱ数字影像处理器,更重要的是,这说明佳能在CMOS影像传感器的加工工艺上取得了长足的进步,为今后佳能全系列数码单反相机成像质量更上层楼奠定了基础。

PIXMA iP5000

实现了世界最小喷射墨滴1pl,首次实现打印分辨率9600× 2400dpi,以5色墨水实

现逼真艳丽的图像。参考价格4480 元。

PIXMA iP8500

PIXMA 旗舰iP8500 在原有专业级喷墨打印机6 色打印的基础上加入了橙色与绿色,

构成8色墨水,最小墨滴2pl,打印分辨率4800×2400dpi,标准内置自动双面打印功能。

参考价格4980 元。

PIXMA iP6000D

新一代直接照片打印机PIXMA iP6000D配备6色墨盒,最小墨滴2pl,支持6种存储

卡插卡打印,支持拍照手机通过红外口直接打印。参考价格4480 元。

PowerShot G6

PowerShot G6 配备710 万有效像素

CCD和35~140mmF2.0 的4倍光学变焦镜

头,自动对焦速度比G5 提高55%。参考价格6980 元。

PowerShot S70

PowerShot S70 具有710 万有效像素

CCD,28~100mm3.6倍光学变焦的佳能高

素质UA 镜头,28mm 的大广角非常适合拍

摄建筑、集体合影以及风光等题材。参考价格5880 元。

PowerShot A95

PowerShot A95 是A系列数码相机的

新旗舰,使用500万有效像素CCD盒3倍光

影像测量技术 篇10

1 Agisoft Photo Scan简介

Agisoft Photo Scan是由俄罗斯Agisoft公司研发的摄影测量影像处理软件,基于计算机视觉对影像进行三维重建,由静态影像图片自动生成密集点云、纹理化的多边形模型、具有地理参考信息的数字地形模型。软件只需要导入具有一定重叠率的照片,无论是精细的工业模具还是大量的航空摄影测量影像,其都可以通过自动化的工作流程进行处理,可得到精确度高、细节丰富的结果。支持GPU加速计算和网络分布式处理,在处理海量影像数据时可提高拼接和三维重建的效率。支持多种相机的影像数据,包括单幅相机、鱼眼镜头相机以及球面镜头相机。软件支持Python语言,可通过脚本控制作业自动化流程。

2 影像处理流程

根据Agisoft Photo Scan的特点制订的无人机影像快速处理流程如图1所示。

1)无人机航拍数据准备。无人机的用途和种类十分丰富,其获取的POS数据格式有所差别,需要将不同格式的POS数据编辑为Photo Scan认可的格式,方可导入软件中。一般来讲,无人机在影像获取作业中,自身带有GPS和IMU构成的POS系统,可以获得飞行过程中的WGS-84坐标以及无人机的飞行姿态等数据[2]。部分无人机的影像数据写入了拍摄时的GPS数据,Photo Scan可从照片的EXIF信息中读取到位置信息,此外无人机的姿态数据不是必需的,此时就不需要再次导入影像的POS数据。

2)导入并对齐影像。打开Photo Scan添加无人机影像,当航摄区域面积较大时可以分区处理,每个区域的照片数量不必太多,这样可充分利用计算机的性能,也可提高影像处理的效率。本文中导入的大疆无人机影像数据中已经写入了位置信息,无需导入影像POS数据。导入照片后可以设置影像的坐标参考系、相机精度、标记精度、标尺精度等。接着进行照片对齐,照片对齐的精度从低到高分为5个级别,精度越低照片的对齐速度越快。软件利用多视图三维重建技术可自动计算照片的位置、姿态等,可在自动过程中进行内定向、相对定向和绝对定向。

3)生成密集点云。Photo Scan可根据估算的相机位置计算出深度信息进行合并为单一的密集点云。可选择生成的密集点云的质量,由低到高分为5个级别,质量越高处理的速度越慢,可按需选择合适的点云质量。在灾害应急航摄时,可降低点云质量以加快处理速度。可按需裁剪或删除部分点云数据。生成密集点云后,假如最终成果需要得到多边形三维模型,可以进一步构建网格,假如只需要获得正射影像和DEM,则不需要这一操作。生成网格后,可通过几何图元编辑功能删除不需要的面。假如无人机原始影像数据的重叠度不够,生成的网格模型可能存在孔洞,可通过Photo Scan关闭孔洞。此外,要得到多边形模型,还需要生成纹理。

4)生成DEM。基于密集点云或者网格模型可生成数字高程模型(DEM),由于生成网格模型的步骤并不是必须的,另外为了提高DEM精度,通常选择密集点云作为生成DEM的源数据,可设置生成DEM的分辨率。生成的DEM如图2所示。

5)生成数字正射影像。通常将DEM作为数字正射影像的表面。数字正射影像的像素尺寸可根据无人机原始影像的平均分辨率来确定。根据选择的表面区域大小和输入的像素尺寸可计算出生成的正射影像的大小。生成的数字正射影像如图3所示。

6)成果导出。DEM的导出可选择其地理投影、像素大小,在DEM范围较大时导出过程可能占用大量的系统内存,可通过分块导出解决。可以通过绘制图形指定为DEM的导出范围。数字正射影像的导出设置与上述类似,可导出为JEPG,TIFF,PNG,Googl KMZ,Google Map Tiles,MBTile S,World Wind Tiles等多种格式。导出为Google KMZ后可将其添加到Google Earth中查看,如图4所示,可以看出由无人机影像生成的数字正射影像可与Google Earth中的高清卫星影像几乎无缝重叠。

3 结语

本文以实际案例为基础,以消费级大疆无人机为平台获取的影像数据为基础资料,根据Photo Scan软件的技术特点和对影像数据的实际需求为出发点,介绍了快速无人机影像的快速处理方法,最后快速、高效、成功得到所需的各项技术成果。结果表明,利用Photo Scan的三维场景自动建模技术进行无人机影像数据的拼接、DEM、数字正射影像、三维模型的生成具有速度快、作业过程简洁自动化等特点。在无人机应急救援影像获取、区域制图上,该处理方法流程有广阔的应用前景。

参考文献

[1]吴正鹏.无人机载双相机低空遥感系统应用初探[J].城市勘测,2011(1):76-80.

上一篇:高职教学商务英语下一篇:美术课中的理性思维