镜头倾斜角？航线重叠度？一个好的模型效果到底需要哪些条件

在前两期关于倾斜相机与建模效果的讲解

我们为大家介绍了倾斜相机两项最基本的参数:焦距和视场角，以及它们与建模效果的关系。

RIY-Pros系列高端倾斜摄影相机能够实现更好的建模效果。那么Pros在镜头布置和焦距设置上，有怎样的特殊设计呢？本期，我们继续将就此为大家介绍Pros参数背后的设计逻辑。

镜头倾斜角度与建模效果

上期我们说到，焦距越短，视场角越大，就能采集更丰富的立面信息，建模效果就会越好。除改善焦距外，我们当然还可以采用另外一种方式提高建模效果：直接增大倾斜镜头的倾斜角度，同样可以采集更加丰富的立面信息。

但在实际生产中，虽然设计更大的倾斜角度的确能够极大地改善模型效果，但也存在两个严重的副作用。

其一是作业效率急剧降低。随着镜头倾斜角度的增加，外扩航线也将大量增加，当镜头倾斜角超过45°，航飞效率就会急剧降低。比如专业的航摄仪莱卡RCD30，其倾斜相机的倾斜角度仅30°，之所以这样设计的原因之一，就有作业效率的考量在里面。

其二是如果镜头倾斜角度太大，太阳斜射光就很容易进入相机，造成眩光（尤其雾霾天的早上和下午）。睿铂相机是最早采用内对设计的专业倾斜摄影相机，这种设计相当于给相机加了一个遮光罩，能够避免相机受到太阳斜射光的影响。

尤其对于小型无人机，一般而言，其姿态相对都比较差，相机倾斜角与飞机的姿态叠加后，杂光就很容易进入相机，进一步放大眩光问题。

重叠度与建模效果

根据经验，在实景三维建模中，为了保证模型效果，对于空间中的任何一个物体，在图像采集时，最好五组镜头都能覆盖其建筑特征。

这个很好理解，比如我们要给一尊古建筑建模，环绕飞行拍摄的建模效果肯定比四个面只拍几张的效果要好得多。

覆盖的影像越多，所包含的空间和纹理信息就越多，建模的效果就会越好。这就是重叠度对于倾斜摄影的意义。重叠度是决定模型效果的关键因素之一，在无人机倾斜摄影一般场景中，重叠率大多采用航向80%，旁向70%（实际数据冗余）。

实际上，旁向和航向重叠度一样高肯定最好，但过高的旁向重叠度会急剧降低外业航飞效率（对于固定翼无人机尤甚），所以基于作业效率的考虑，一般旁向重叠度会低于航向重叠度。

Tips：考虑到作业效率的问题，重叠度并不是越高越好，超过某个“标准”后，提高重叠度对模型效果的提升有限。根据我们的实验反馈，有时候重叠度提高反而会降低模型的效果。例如对于3~5cm分辨率模型场景，模型抽稀的建模效果有时候还要比原始重叠度的建模效果略优。

理论重叠度和实际重叠度

作业中，我们设置航向80%，旁向70%的重叠度，只是理论重叠度。实际作业过程中，无人机受到气流的影响，姿态变化会导致实际重叠度小于理论重叠度。

一般来说，无论是多旋翼还是固定翼类无人机，姿态越差的无人机建模效果越差。

因为小型多旋翼或手抛型固定翼无人机重量越轻、体积越小，容易受到外界气流的干扰，其飞行姿态一般不如中/大型多旋翼类无人机好，导致其在地面局部区域的实际重叠度不够，最终影响模型效果。

Tips：早期无人机做正射航测项目时，因为重叠度不高，所以更容易受到姿态的影响。所以当时航飞下来除了检查航片质量外，还需要检查航片的实际重叠度是否接近理论重叠度。

高楼的建模难点

一般来说，随着建筑物高度增加，建模的难度就会提升。一是高楼会增加作业飞行的风险，二是随着楼高增加，高楼的高层部分重叠度急剧下降，导致模型楼顶拉花、空洞严重。

重庆某百米高楼的建模效果

1 提高重叠度对高楼建模效果的影响

对于上面这种问题，很多有经验的客户已经找到了解决方法：提高重叠度。的确，随着重叠度的提高，模型效果会有很大改善。以下是我们做的实验对比：

航向80%，旁向70%：

航向85%，旁向80%：

通过以上对比，我们会发现：重叠度的提高，对低矮建筑的建模效果影响比较小；但对高层建筑模型顶部效果的提升却帮助很大。

但是随着重叠度的提高，对内业来说，采集的航片数量会急剧增加，数据处理的时间也会增加，空三分层等问题会接踵而至。对外业来说，航飞效率也很低，其中的麻烦，做过类似项目的客户应该深有感触。

2 改善焦距对高楼建模效果的影响

在睿铂倾斜摄影相机与建模效果（二）一文中，我们知道：对于城市立面建筑建模场景，镜头焦距越长反而会导致建模效果变差。但对于高楼区建模来说，却需要较长的焦距以保证模型效果。如下图所示：

在分辨率、重叠度相同的条件下，长焦距镜头能够保证楼顶的实际重叠度和足够安全的航飞高度，实现高层建筑更好的建模效果。

例如DG4pros倾斜摄影相机用于百米级别高楼建模时，不仅能够获得很好的建模效果，同时模型精度仍然可以达到1:500地籍要求，这就是长焦距镜头的优势。案例：倾斜摄影1:500地籍百米高楼项目报告。

RIY-PROS

要实现更好的建模效果，在相同分辨率的前提下，就需要保证足够的重叠度和尽量大的视场角。对于地形高差较大的测区或高层建筑，镜头的焦距也是影响建模效果的重要因素。基于以上原理，睿铂RIY-Pros系列相机在镜头上做了以下三点优化。

1 改善镜头的布局

对于Pros系列倾斜摄影相机，大家最直观感受就是其外形从之前的圆形改变为方形。这种改变最直接的原因，就是镜头布局发生了变化。

目前，除了Pros系列，绝大多数无人机倾斜摄影相机的布局都是围绕式的布局，如下图所示。

这种镜头布局方式的优势在于：相机尺寸可以设计地更小，重量也可以相对轻一些。但这种布局会导致左、右视角倾斜镜头的重叠度低于前、中、后视角的镜头重叠度：即阴影A的面积小于阴影B的面积。

之前我们介绍过，为了提高作业效率，旁向重叠度一般都小于航向重叠度，而这种围绕式布局又会进一步降低旁向重叠度，这也是为什么旁向的模型会比航向的模型拉花更严重。（大家可以查看已有的模型效果）

所以在RIY-Pros系列中，睿铂将镜头布局方式改为：平行式布局。如下图：

这种布局会牺牲部分外形和重量，但是好处是能够保证足够的旁向重叠度，实现旁向更好的建模效效果。实际作业飞行上来说，RIY-Pros甚至还可以再降低一些旁向重叠度，来提高作业效率。

2 抬高镜头

镜头平行布局的好处在于：不仅保证了足够重叠度，同时增加了侧面视场角，能够采集更多的纹理信息。

在此基础上，我们同时提高倾斜镜头的焦距，使之底边与之前传统布局的底边重合，进一步提高了侧面视场角，如下图所示：

这样做的优点是：虽然镜头抬高了，但并没有影响航飞效率。并且侧视镜头的视场角大幅度提高后，也就能够采集更多的立面信息数据，建模效果当然也就提升了。

对比实验也显示：相比传统布局的镜头，在旁向效果上，Pros的镜头布局的确能够很好改善模型屋檐拉花的问题。

以下左边为传统布局相机采集素材建立的模型，右边为Pros相机采集素材建立的模型。

3 提高倾斜镜头焦距

RIY-Pros倾斜相机镜头由传统的围绕式布局修改为平行式布局，倾斜影像片近点分辨率与远点分辨率之比会增加。

为了保证比值不超过临界值，Pros倾斜焦距比之前增加了5%~8%。为什么要这么设计，因涉及更多其他方面的专业知识，加上篇幅限制，暂时就不展开描述了。

后记

一般来说，用户只需要对比参数即可，是不用太关心这些背后的技术问题，之所以撰写这些原理性技术文章，一是给一些技术流的客户做一些参考，抛砖引玉；另外一方面就是各种参数设计的背后实际涉及了许多的细节和考量。把这些背后逻辑介绍出来也有助于客户对设备的理解更加深入，能够根据自己的项目需求选择更加适用的设备。

作为倾斜摄影技术的先行者，睿铂一直致力于研发更加先进的设备，更好地为客户创造价值！

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