干货丨三维重建影像失真，如何提升航测影像质量？
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“实景三维中国建设”
让无人机倾斜摄影技术
逐渐成为测绘行业“新宠”
但在实景三维重建过程中
空三分层、影像通过率低、
重投影误差大等问题时常发生
这些都会直接影响到三维模型的效果和精度
如何有效地解决这些问题？
答案就在这里！
基于倾斜摄影技术的三维重建，实质上是通过从单张影像加特征约束、两张以上影像恢复空间点三维坐标的过程，其中最重要的环节是多视影像特征提取和特征匹配。在无人机飞行过程中，影像难免存在一些失真情况，而影响到特征点匹配的精度。
为了减少影像的匹配误差，中海达根据航测特性，开发了适用于高精度航测的第三代倾斜摄影相机Q5mini，提升了相机镜头几何像差纠正水平与镜头解析力。
先来看看视频
直观地感受
使用Q5mini采集影像重建的
高精度实景三维模型
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几何像差纠正
不同于普通摄影，航空摄影要求影像真实地还原地物的大小、轮廓与位置信息，而在镜头生产过程中，不可避免地产生使像与物失去相似性的几何像差。Q5mini结合航测的需求，对6种像差进行矫正以确保优质的成像质量。
▲ 几何像差的组成
球差是最基本的像差，是指发生在经过透镜折射或面镜反射的光线，接近中心与靠近边缘的光线不能将影像聚焦在一个点上的现象。
具体表现为在通过镜头中心部分近轴光线的影像周围形成光斑，对于需要深入挖掘影像本质特征的特征提取算法来说是非常不利的因子。
▲ 球差的表示
▲ 球面镜的球面像差
因此，Q5mini为了修正球面透镜在准直和聚焦系统中所带来的球差，采用两片非球面镜片组合，通过调整曲面常数和非球面系数来矫正球面透镜所产生的球差。
▲ 球面镜与非球面镜对焦示意图
畸变是指由透视原因造成的失真。由于载荷问题，大部分无人机只能搭载普通数码相机，而普通数码相机不是专门为测量设计的，其一般可允许的畸变值约为4%，但对于要通过影像来精确计算地物位置和大小的航空测量光学系统来说，畸变会使物点、投影中心、像点三点不共线，使空间后方交会精度降低，重建物体几何模型变形，所以必须对其严加矫正。
畸变主要分为径向畸变与切向畸变两种：
径向畸变
径向畸变产生原因是光线在远离透镜中心的地方比靠近中心的地方更加弯曲。主要包含桶形畸变和枕形畸变。
如果原物为正方形网格，经过存在畸变的光学系统成像后可能变为桶形或枕形，图中的虚线表示理想的形状。
切向畸变
切向畸变是相机制作过程中透镜不完全平行于图像平面造成的。对于切向畸变的矫正需要严格把控镜头安装工艺，减少由于装配问题引起的误差。
Q5mini每个镜头的加工、装配过程会经过严格的质量把控，装配前进行超声波清洗，在千级无尘棚内进行装配，保证每个镜头的畸变都能控制在0.02%以内。
▲ 畸变检测结果
场曲经常与像散是共存的。普通镜头在成像过程中由于像散和场曲的存在，会出现中间清晰，边缘模糊的情况。但对于需要最大限度地提取影像有效信息的倾斜摄影来说，使用边缘模糊的照片会大大降低图像边缘的匹配精度。
中心清晰，径向清晰
边缘清晰，切向清晰
Q5mini在镜头结构设计上有效纠正场曲和像散，使得影像边缘的清晰度与中心一致，极大限度地提高航测影像边缘的有效识别率。
中心位置清晰度
边缘四角清晰度
色差是由于不同波长的光通过透镜时的折射率各不相同，在像方会形成一个色斑。
具体表现为画面中心的白色光点变成一簌彩色光环或者画面四周景物的轮廓带有彩色边缘。无论是彩色光环还是彩虹边缘，都会影响自动空三解算对相邻像素灰度、对比度和边缘点的判断。
▲ 位置色差示意图
Q5mini通过采用高折射率低色散ED光学镜片组来消除色差。
色差严重
色差小
杂散光是通过光学系统投射到像平面上不参与成像的有害的光。镜头不对杂光进行处理会降低影像的对比度，淹没了对比度很低的细节，特别是白色墙面、大片森林等弱纹理地物，加大影像特征提取与匹配的误差。
▲ 中等杂光与极少杂光的对比
对于杂光的处理，Q5mini镜头采用15层抗反射镀膜以及消光涂料，并在镜筒设计时加上消杂光光阑，以阻挡镜筒内表面反射的杂散光。
▲ 杂散光情况分析
▲ Q5mini杂散光情况
镜头解析力提升
镜头解析力是分辨被摄原物细节的能力，是评价镜头质量的一个重要指标。镜头解析力的提升是优质影像质量的基础。
分辨率就是在物体反差无限大的时候镜头记录物体细节的能力，分辨率越高的镜头能分辨的线对越多，成像越清晰。Q5mini镜头配索尼A5100相机经逆投影检查和拍摄ISO12233分辨率图表检测，影像中心位置达到2400线，边缘分辨率达到2000线。
▲ ISO12233分辨率图表
▲ Q5mini影像边缘分辨率
MTF曲线全称为调制传递函数，是目前镜头成像品质最权威、最客观的技术参考依据。下图是对Q5mini相机进行MTF曲线测定的结果。
▲ Q5mini MTF曲线
Q5mini镜头经过实测得到当轴上分辨率为100lp/mm时，MTF值约为0.6；轴外分辨率为50lp/mm时，MTF值约为0.7。
自主开发的高精度
实验室辅助对焦系统
一般无人机航测相机都使用固定焦距且对焦无穷远，市场上倾斜摄影设备都是按照飞行高度采用手动对焦的方式对多个镜头进行对焦。但是，对焦受天气、光照等外部因素影响大，镜头对焦一致性难以保证。
▲ 高精度实验室辅助对焦系统
中海达开发了全国首套高精度实验室辅助对焦系统，可以模拟任意距离处的对焦情况，减轻室外对焦工作复杂性的同时，最大程度地减少外部因素的影响，更能保证倾斜摄影相机镜头的对焦一致性。
Q5mini模型效果与重投影误差
使用经过几何像差纠正和镜头解析力提升的新版Q5mini影像特征匹配精度主要体现在重投影误差和模型效果上。ContextCapture质量控制中重投影误差小于1个像素就为高精度重投影。
Q5mini进行常规航测空三解算后的重投影误差均方根值都能小于1个像素，甚至可以控制在0.5~0.52个像素以内。
▲ Q5mini重投影误差
使用Q5mini航测生产的三维模型墙角笔直，房檐细节边缘清楚可辨，呈现效果佳，已成功在全国大范围应用于高精度地籍测量、地矿测量、应急测绘等项目。
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作者/崔颖铷 编辑/梁漪媚
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