[发明专利]基于EXIF焦距依赖模型的变焦镜头几何检校方法

说明书

本发明公开了一种基于EXIF焦距依赖模型的变焦镜头几何检校方法，该方法将EXIF焦距依赖的内参数模型与传统共线条件方程，得到扩展形式的共线条件方程，以此作为变焦镜头检校的基本模型，然后在自检校光束法平差同时求解内参数模型系数，由此得到变焦镜头检校的全局最优解。本发明方法依靠平面控制场，使用自动的EXIF焦距记录方式，自动提取影像上控制点坐标并进行半自动编码，人工干预极少，便于实现。本发明方法适用于光学变焦镜头及数码变焦镜头相机的几检校，具备广泛适用性。此外，检校后的变焦镜头数码相机已被证实，可应用于近景摄影测量三维重建。

技术领域

本发明属于测绘科学与技术领域，涉及一种基于EXIF焦距依赖模型的变焦镜头几何检校方法，主要应用于使用变焦镜头数码相机的近景摄影测量。

背景技术

近景摄影测量是利用光学相机获取的近景像片，经过处理以获取被摄物体的形状、大小、位置、特性及其相互关系的一门技术，该技术已广泛应用于工业、农业、林业、交通、环保、城市规划、文化遗产保护等领域。但传统的近景摄影测量中使用的镜头几乎都是定焦镜头，定焦镜头在操作灵活性方面存在局限。首先，定焦镜头视场固定，摄影时只能“靠脚移动”，这使得定焦镜头相机很容易受到摄影环境限制。其次，定焦镜头的景深适应范围较小，根据景深的计算原理，当其他参数固定时，焦距越大，景深越小；对焦越近，景深越小。众所周知，相对定焦镜头而言，变焦镜头在操作灵活性和环境适应性方面具有固在优势：配备变焦镜头的相机能够调整镜头焦距、对焦距离、光圈等参数，从而能更好地适应不同的视场、景深和光照条件。因此，为了能够克服定焦镜头在近景摄影测量操作灵活性方面存在的局限性，采用变焦镜头的近景摄影测量新技术是十分必要的。

使用相机完成摄影测量任务，其首要任务是相机镜头的几何检校。相机检校，其实质上是确定相机内参数的过程，其内参数通常包括像主点坐标、主距及镜头畸变参数。变焦镜头检校中最具有挑战性的问题是变焦镜头的内参数随镜头参数的改变而变化。传统的变焦镜头检校方法主要分为：(1)查找表法：在每一个镜头参数设置处单独进行检校，然后将检校结果存储在一个表格中，供后续使用时查询。该类方法检校工作量极其庞大，导致该方法并不适用。(2)局部函数拟合法：先对镜头参数进行分类，然后在每一类镜头参数处拟合局部函数。该类方法相对复杂，并且检校工作量随期望的拟合精度的增加而迅速增大。(3)全局函数拟合法：先在多组镜头参数设置处进行单独的相机检校，再将检校的内参数拟合为镜头参数的全局函数，相对与前两类方法，该类方法效率更高。近景摄影测量中变焦镜头检校方法主要采用全局函数拟合方法，根据模型的不同，主要包括：(a)变焦依赖方法，即只考虑焦距变化对内参数的影响而忽略对焦操作对内参数的影响，这是因为在引起相机内参数变化的镜头参数中，变焦是主导因素，对焦的影响相对较小。(b)变焦及对焦依赖模型方法，也就是同时考虑变焦和对焦操作对内参数的影响。相对于变焦依赖模型，该模型意味着需要完成更多的单焦距检校工作。当前有变焦及对焦依赖方法基于人工软尺记录对焦、变焦镜头参数，该记录方式极其不便，所以其不适用。此外，由于很大一部分相机(例如CanonEOS 5D,Nikon 1J4，iPhone 6)的EXIF文件中并无对焦信息的记录，因此变焦及对焦依赖方法并不具有广泛使用性。在已有的对焦依赖方法中，是基于先单焦距检校再进行拟合的方法，并不是全局最优解，精度较低。因此迫切需要一种自动化、高效率、高精度的几何检校方法以实现基于变焦镜头的近景摄影测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于EXIF焦距依赖模型的变焦镜头几何检校方法，实现检校后变焦镜头数码相机在近景摄影测量中的应用。为达到上述目的，本发明基于以下技术方案：

1.本发明首先研究变焦镜头内参数与EXIF焦距之间的变化关系，提出一种广泛适用于变焦镜头的EXIF焦距依赖的内参数变化模型：