睿铂相机技术解析

提要

前几日，睿铂员工在朋友圈分享了一个睿铂镜头进行畸变校正的工作场景，很多客户对此非常感兴趣。因为我们平时只能看到产品的外形和表面的参数，却看不到产品背后真正的技术。不同产品看似一样的参数后面，技术含量也许是天壤之别。

目前市面上倾斜设备种类很丰富，但是为什么参数似乎基本一样的产品，价格差异却很大？这些产品之间到底有什么区别？每个技术后面的因果关系是什么？所以本期我们为大家介绍睿铂五镜头倾斜摄影相机背后的技术。

存在的问题——空三分层

参与过倾斜摄影实景三维项目的人都深有体会，在外业数据采集顺利的前提下，项目真正的痛点主要在内业数据处理。内业数据处理又以空三解算为核心。

空三解算是三维建模的重中之重，但很多客户在实际作业生产中，只关注数据采集的硬件设备而忽视了数据处理。尽管航飞效率很高，但是积压了非常多的待处理影像数据，导致整体效率偏低，项目进展缓慢。

空三存在的主要问题是：在花费大量时间运算后，结果出现断裂、分层、弯曲等现象，这要花费内业们大量心力进行人工干预。甚至不能人工干预的，直接导致全部时间浪费。

降低空三分层的概率可以节约大量时间，降低客户成本。针对这个目标，各公司根据自己专业特长提出了不同的解决方案。

例如北京中科北纬M3D就在积极研究通过算法提高空三通过性。成都睿铂不仅通过研发外方位元素解算算法来提高空三效率，还根据多年的光学设计经验，从最基本的光的成像原理出发，从数据源头去解决部分空三分层问题。

摄影测量光学

从算法原理角度分析，空三SFM(structure-from-motion)算法是一种将各种收集到的无序图片进行稀疏三维重建的离线算法。首先需要从图像中提取与目标相联系的特征，来识别和描述图像中的目标。

所以建模软件对航片特征点识别结果的好坏，是决定空三能否成功的关键。这也是为什么水面、滩涂、大面积森林、白色屋顶、玻璃以及光照变化较大的场景很容易发生空三分层，就是因为这些场景识别不到特征点或者特征点纹理变化导致的。

但是为什么一些普通场景也会大概率发生分层问题呢？“像差”是背后的主要原因。一般来说，光线通过任何介质时都会发生弯曲，也就是折射现象，相机镜片也不例外。光线在折射时，因为各色光的波长不同，折射率不一样，弯曲度程度也不一样，就会产生“像差”。

如果在光学设计时未考虑对不同波长的色光进行像差补偿，成像传感器就会记录这些像差，进而导致软件特征点识别和匹配时产生误差，大量误差积累就会引起空三分层。

所以摄影测量光学系统的设计思想一直没变，就是尽可能抑制像差，要求不管是点、线，还是图形都能如实拍出原样。尽可能抑制像差是每个光学工程师的终极目标。

而我们普通摄影，追求的是美学创作，光学镜头设计目标就是取得虚化效果与分辨力等的平衡，反而焦外需要部分像差的存在，残留球面像差的成像是一种镜头的“韵味”，实现焦外的朦胧美感。

摄影的“韵味”

消色差原理

色差是像差中的一种，是因透射材料的透射率随波长不同而不同造成的。自然光是由波长范围390到770纳米的可见光区组成，其它都是人眼所不能看见的光谱。由于材料对不同波长的色光折射率不同，使各色光线具有不同的成像位置和倍率，这就导致了位置色差。

色差对成像的影响

（1）由于不同色光焦距不同，折射率也不一致，物点不能很好的聚焦成一个完美的像点，所以成像模糊。

（2）同样，由于不同色光焦距不同，所以放大率不同，物象边缘部分明暗交界处会有彩虹的边缘。

色差对建模的影响

图片出现彩虹边缘后，就会对空三软件同名点匹配造成影响。对同一个物体来说，空三匹配时因为物象周围的彩虹色差，可能导致匹配出错。当这种误差累计到足够大的时候，就会引起分层。

消除色差

用不同折射率、不同色差的玻璃组合，可以消除色差。例如，利用低折射率、低色散玻璃做凸透镜，高折射率、高色散玻璃做凹透镜，然后将两者胶合在一起。

这样的双胶合镜中间波长焦距较短、长波和短波光线焦距较长。调整镜片球面曲率、双胶合镜的材料，可以使蓝光、红光焦距恰好相等，这就基本消除了色差。剩余色差对于广角到中焦镜头来说，已经很小了，因此，也就满足了镜头消色差的要求。

二级光谱

但色差是不可能完全消除的，普通消色差镜头剩余的未消除色差，叫做 “二级光谱 ”。当镜头焦距越长，未消除的色差也就越多。所以对有精确测量要求的航测镜头来说，二级光谱已经不可忽视！

理论上来说，如果能够将可见光波段分为蓝-绿、绿-红两个区间，对这两个区间分别施用消色差技术，二级光谱就能够基本消除。但是经过计算证明：如果对绿光与红光消色差，那么蓝光色差就会变得很大；如果对蓝光与绿光消色差，那么红光色差就会变得很大。看起来似乎走进了一个死胡同，顽固的二级光谱好像没有办法消除。

复消色差

幸好理论计算为复消色差找到了途径，就是寻找一种特殊的光学材料，它的蓝光对红光的相对色散很低、而蓝光对绿光的相对色散很高且与某种高色散材料相同。

萤石就是这样一种特殊材料，它的色散非常低，而部分相对色散与许多光学玻璃接近。 萤石折射率比较低，微溶于水，可加工性与化学稳定性较差，但是由于它优异的消色差性能， 使它成为一种珍贵的光学材料。

自然界能用于光学材料的纯净大块萤石非常少，加上其价格昂贵、加工困难，萤石镜片已经成为高档镜头的代名词。各光学公司一直不遗余力的寻找萤石的代用品。氟冕玻璃就是其中一种，各公司所谓 AD 玻璃、 ED 玻璃、 UD 玻璃，就是这一类代用品。

基本来说，像差怎么抑制都不算过分，但受尺寸、价格、技术条件的制约，无法绝对精密地控制，使到达成像面的全部光线像差为零。除了消除色差，提高图像特征点识别率还有其它手段。

在近期研究中，睿铂研发人员发现镜头的内方位元素，传感器外方位元素，镜头的畸变和另外两项指标都会对空三中图像特征点识别产生显著的影响。睿铂相信随着研发的深入，以及所有软硬件厂家共同努力，这些问题都会一一解决，倾斜摄影建模的效率会不断提高，成本会不断的降低。

DG4pros

DG4pros是目前睿铂产品技术指标最高的全画幅倾斜摄影相机，也是睿铂到目前为止投入资源最大，研发周期最长的一款产品。产品研制过程中各种意想不到的问题接踵而至，研发人员几经想要放弃，不过最终还是克服这些困难，成功上市。DG4pros是目前为止睿铂最满意作品（除了外形）。

旗舰级Riy-DG4pros采用极低色散的超级材料作为相机镜片，将航片像差和畸变控制得非常小。不仅空三通过率非常高，同时模型效果也有大幅度的提升，显著地提高了建筑边角线和立面效果，尤其适用于城市大面积，高楼较多的建模场景，欢迎大家邀约演示！

玻璃面与建筑边角线

水平面

建筑边角线

睿铂——构造三维世界

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