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鱼眼相机恒星法检校技术研究

作　者: 原玉磊
导　师: 郑勇
学　校: 解放军信息工程大学
专　业: 大地测量学与测量工程
关键词: 鱼眼相机 相机检校 恒星检校法 AltaU9000 精确曝光时间 星点提取 星点检测 星点中心算法 灰度质心法 星图识别 多三角形识别法 鱼眼相机摄影测量解析式 投影曲面拟合 有效检校视场
分类号: TP391.41
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


论文通过分析鱼眼相机检校的国内外研究现状及发展趋势，结合目前鱼眼相机检校存在的问题，提出采用恒星法检校鱼眼相机。研究了恒星法相机检校的原理，给出了检校的流程，并针对检校过程中的各个技术环节展开研究和试验，包括：星图获取、星点提取、星点中心计算、星图识别等；针对鱼眼镜头投影模型，推导了基于鱼眼相机投影公式的摄影测量光束平差解析式和直接线性变换式；论文提出了鱼眼相机检校的4种模型，采用实测数据进行了检校实验，最终检校精度达到100″量级，与目前搜集文献中国际上最好的结果相当，在视场角40°以内时，本文实验的精度优于该最好结果；论文在国内外首次提出鱼眼相机检校的有效视场问题，在检校实验中给出了相关指标，本文的有效检校视场可达140°，数据点个数可达470个，均明显优于国外检校实验中的相关指标；论文对不同检校模型有效检校视场的可扩展性进行了实验和分析，并论述了不同模型的优缺点及适用条件。论文的主要工作和创新点如下：（1）分析了恒星法相机检校的优缺点，论述了恒星法在检校鱼眼相机中的优势；研究了恒星法相机检校的原理，分析了恒星法相机检校的观测坐标系和观测模型，给出了恒星法相机检校的流程及关键技术环节；（2）将尼康10.5mm鱼眼镜头改装并与Alta U9000组合成可180°成像的鱼眼相机；对U9000CCD的固定图形噪声及噪声变化情况进行了测试和分析；研究了U900016位图像到Windows8位图像的转换方法，定义了用于存储、读取16位图像的UMP类；（3）精确测试和分析了ALta U9000曝光过程中各环节所需的时间，给出了根据程序执行时间计算精确曝光时间的模型和公式，实验表明，采用该模型，根据程序执行时间计算的曝光时刻误差小于0.2ms；（4）研究了鱼眼星图中星点图像的提取方法，为缩短提取时间，提出了星点提取的视框法；提出了适用于鱼眼星图的基于直方图的全局阈值确定方法，以及针对单星的自适应阈值算法；根据星点的特征，提出了不同背景、不同亮度星点的自动检测算法；（5）根据星点中心提取质心法的不同形式，总结出了质心法的统一模型；介绍了基于二维高斯分布的星点图像模拟方法，给出了影响星点中心算法精度的因素；针对这些因素，在不同条件的星点图像下，对各种常用星点中心算法的定心误差变化情况进行了模拟实验，并根据实验结果论述了不同算法对不同星点图像的适用情况；（6）介绍了常用的星图识别算法，分析了不同算法的优缺点及适用性；根据鱼眼星图的特点，提出了基于基准星的多三角形识别算法；针对该算法中基准星识别时间长的问题，利用星形法识别时间短的优点，提出了改进的多三角形识别法；（7）推导了鱼眼镜头在等立体角投影和等距投影下“共线条件方程式”的形式，依据该式推导了两种投影模型下摄影测量的光线束平差解析式和直接线性变换式；（8）根据鱼眼相机畸变主要为径向畸变的特点，提出了基于半视场角约束的等立体角十参数模型和等立体角投影多项式模型两种鱼眼相机检校模型，并采用实测数据进行了检校实验，对实验结果进行了分析；（9）根据等立体角投影下的摄影测量解析公式，提出了等立体角投影下的自检校平差模型，采用实测数据进行了检校实验，并与普通自检校平差模型的检校实验结果进行了比较分析；（10）针对投影模型不明确的鱼眼相机，提出了独立于投影模型的鱼眼相机投影曲面拟合检校方法，采用实测数据对等立体角投影的鱼眼相机进行了检校实验，取得了同等立体角投影多项式模型相当的实验结果；（11）针对鱼眼相机检校中的有效检校视场问题，对不同模型有效检校视场的可扩展性进行了实验和分析；结合检校视场可扩展性的实验结果，综合分析了本文提出的4种鱼眼相机检校模型的优缺点，并论述了不同模型的适用情况；（12）结合全站仪的测量结果，使用鱼眼相机对室内小型抛物面天线进行了测量实验，对鱼眼相机在测量领域的应用进行了初步探讨；实验表明，使用鱼眼相机测量时，任意有测量点的视场处，在检校时均应有观测数据，否则将导致该点的测量误差明显较大。

全文目录


摘要  13-15
Abstract  15-18
第一章 绪论  18-25
  1.1 引言  18-19
  1.2 国内外研究现状及发展趋势  19-22
    1.2.1 国外研究现状  19-20
    1.2.2 国内研究现状  20-22
    1.2.3 鱼眼相机检校的发展趋势  22
  1.3 论文研究的目的、意义及主要内容内容  22-25
    1.3.1 论文研究的目的和意义  22
    1.3.2 主要研究内容及论文结构  22-25
第二章 恒星法鱼眼相机检校基础  25-50
  2.1 鱼眼镜头光学  25-30
    2.1.1 鱼眼镜头工作原理  25-27
    2.1.2 鱼眼镜头投影模型  27-30
  2.2 相机检校概述  30-32
  2.3 恒星法鱼眼相机检校方法的提出  32-37
    2.3.1 目前鱼眼相机检校面临的问题  32-36
    2.3.2 恒星法相机检校的优缺点  36
    2.3.3 恒星法检校鱼眼相机的优势  36-37
  2.4 恒星法相机检校的原理与流程  37-40
    2.4.1 物方控制点坐标  37-38
    2.4.2 像点坐标  38-39
    2.4.3 检校流程  39-40
  2.5 恒星法相机检校的观测模型  40-44
    2.5.1 地平坐标系  40-41
    2.5.2 地平直角坐标系  41-42
    2.5.3 相机检校坐标系及观测模型  42-44
  2.6 初始星图识别  44-49
    2.6.1 初始星图识别原理  44
    2.6.2 初始参数  44-45
    2.6.3 图形比对  45-46
    2.6.4 角距误差  46-49
  本章小结  49-50
第三章 鱼眼星图获取技术  50-86
  3.1 鱼眼相机  50-54
    3.1.1 鱼眼镜头  50-52
    3.1.2 科学级相机Alta U9000  52-53
    3.1.3 180°视场成像的鱼眼相机  53-54
  3.2 U9000 CCD的噪声测试与分析  54-68
    3.2.1 CCD噪声分类与测试方法  54-55
      3.2.1.1 CCD噪声分类  54-55
      3.2.1.2 噪声测试方法  55
    3.2.2 U9000 CCD噪声的空间分布  55-57
    3.2.3 U9000 CCD的固定图形噪声  57-62
      3.2.3.1 固定图形噪声产生原因  57
      3.2.3.2 U9000 固定图形噪声测试与分析  57-61
      3.2.3.3 U9000 固定图形噪声的消除  61-62
    3.2.4 U9000 噪声与CCD温度的关系  62-65
      3.2.4.1 U9000 CCD温度变化规律  62-64
      3.2.4.2 U9000 噪声与CCD温度关系  64-65
    3.2.5 噪声与曝光时间的关系  65-67
      3.2.5.1 暗电流噪声与读出噪声分析  65-66
      3.2.5.2 随机噪声分析  66-67
    3.2.6 噪声消除  67-68
  3.3 U9000 精确曝光时间测试  68-75
    3.3.1 软件测试  68-69
      3.3.1.1 软件测试方法  69
      3.3.1.2 时间记录方法  69
    3.3.2 硬件测试  69-71
      3.3.2.1 测试原理  69-70
      3.3.2.2 测试方法  70-71
    3.3.3 测试实验与分析  71-75
      3.3.3.1 两种方法曝光时间的测试  71-72
      3.3.3.2 软件测试曝光时间的分析及与准确曝光时间的关系  72-75
  3.4 U9000 读出时间测试  75-77
  3.5 16 位图像到 8 位图像转换  77-81
    3.5.1 直接转换法  77-78
    3.5.2 区间转换法  78-80
    3.5.3 区间范围的确定  80-81
  3.6 UMP类的定义  81-85
    3.6.1 UMP文件格式  81-83
    3.6.2 UMP类  83-85
  本章小结  85-86
第四章 鱼眼星图星点提取技术  86-114
  4.1 图像预处理  86-88
  4.2 基于边界的提取算法  88-91
    4.2.1 阈值分割  88-89
    4.2.2 单个星点的边界搜索算法  89-90
    4.2.3 星点图像提取算法  90-91
    4.2.4 多个目标的区域提取算法  91
  4.3 视框提取法  91-94
    4.3.1 单个目标的视框搜索算法  92
    4.3.2 多个目标的视框搜索算法  92-93
    4.3.3 视框大小的确定  93
    4.3.4 运算时间分析  93-94
  4.4 全局阈值确定算法  94-100
    4.4.1 基于统计的全局阈值算法  94-95
    4.4.2 Otsu算法  95-98
      4.4.2.1 经典Otsu算法  95-96
      4.4.2.2 迭代Otsu阈值算法  96-97
      4.4.2.3 实验分析  97-98
    4.4.3 基于直方图的全局阈值算法  98-100
    4.4.4 实验及分析  100
  4.5 自适应阈值算法  100-106
    4.5.1 单一阈值存在的问题  100-102
    4.5.2 Bernsen算法  102-104
    4.5.3 单星自适应阈值法  104-106
  4.6 星点自动检测算法  106-112
  本章小结  112-114
第五章 鱼眼星图星点中心提取算法  114-146
  5.1 星点中心算法概述  114-115
  5.2 常用的星点中心算法  115-123
    5.2.1 灰度质心法  115-116
    5.2.2 高斯曲面拟合法  116-118
    5.2.3 高斯像元细分法  118-120
    5.2.4 一维的高斯拟合法和灰度质心法  120-123
  5.3 星点图像模拟及不同中心算法精度分析  123-141
    5.3.1 星点图像模拟方法  123-125
    5.3.2 中心算法精度分析的方法  125-127
    5.3.3 中心算法精度分析  127-141
      5.3.3.1 灰度质心法  127-133
      5.3.3.2 高斯曲面拟合法  133-136
      5.3.3.3 高斯像元细分法  136-139
      5.3.3.4 一维灰度质心法和高斯拟合法  139-141
  5.4 实测数据精度分析  141-145
  本章小结  145-146
第六章 鱼眼星图识别技术  146-187
  6.1 星图识别算法概述  146-148
  6.2 仪器星等误差分析  148-153
    6.2.1 星等概述  148-149
    6.2.2 灰度与视星等的关系  149-152
    6.2.3 灰度与视星等对应亮度的关系  152-153
  6.3 多三角形识别法  153-166
    6.3.1 多三角形法原理  153-154
    6.3.2 基于基准星的多三角形法  154-157
      6.3.2.1 单基准星的角距匹配  154-155
      6.3.2.2 双基准星的三角形匹配  155-156
      6.3.2.3 三基准星的多三角形匹配  156-157
    6.3.3 基准星搜索  157-162
      6.3.3.1 搜索算法  157-159
      6.3.3.2 搜索计算量  159-160
      6.3.3.3 基准星的形状  160-162
      6.3.3.4 基准星的质量  162
    6.3.4 导航星库  162-165
      6.3.4.1 星对角距的导航星库  163-164
      6.3.4.2 恒星位置的导航星库  164-165
    6.3.5 误差分析  165-166
  6.4 星形识别法  166-173
    6.4.1 星形识别法原理  166-168
    6.4.2 冗余度分析  168-171
    6.4.3 导航星库构建与角距搜索  171-173
  6.5 改进的多三角形识别法  173-184
    6.5.1 问题的提出  173-180
      6.5.1.1 星形法的可靠性  173-175
      6.5.1.2 多三角形法的识别时间  175-176
      6.5.1.3 多三角形法的可靠性  176-180
    6.5.2 改进的多三角形法的原理  180
    6.5.3 基准星识别  180-183
      6.5.3.1 识别过程  180-181
      6.5.3.2 星图匹配的误差  181-183
      6.5.3.3 基准星的分布  183
    6.5.4 导航星库的构建  183-184
      6.5.4.1 全部使用星对角距  183-184
      6.5.4.2 星对角距+恒星位置  184
  6.6 模拟识别实验  184-185
  本章小结  185-187
第七章 鱼眼相机摄影测量解析公式  187-219
  7.1 小孔投影下的解析模型  187-194
    7.1.1 共线条件方程式  187-189
    7.1.2 像点坐标误差方程式  189-191
    7.1.3 各偏导函数关系式  191-194
  7.2 等立体角投影下的解析模型  194-203
    7.2.1 共线条件方程式  195-197
    7.2.2 像点坐标误差方程式  197-200
    7.2.3 各偏导函数关系式  200-203
  7.3 等距投影下的解析模型  203-211
    7.3.1 共线条件方程式  204-205
    7.3.2 像点坐标误差方程式  205-207
    7.3.3 各偏导函数关系式  207-211
  7.4 直接线性变换模型  211-218
    7.4.1 等立体角投影的直接线性变换模型  212-216
    7.4.2 等距投影的直接线性变换模型  216-218
  本章小结  218-219
第八章 鱼眼相机检校模型、实验及应用  219-272
  8.1 畸变模型及普通镜头检校的十参数法  219-223
    8.1.1 畸变模型  219-221
      8.1.1.1 径向畸变  220
      8.1.1.2 偏心畸变  220-221
      8.1.1.3 平面内畸变  221
    8.1.2 普通镜头检校的十参数模型  221-223
  8.2 基于半视场角约束的检校算法  223-239
    8.2.1 等立体角投影十参数模型  223-228
      8.2.1.1 观测方程  223-224
      8.2.1.2 误差方程式  224-225
      8.2.1.3 各偏导函数形式  225-228
    8.2.2 等立体角投影多项式模型  228-231
      8.2.2.1 误差方程式  228-230
      8.2.2.2 各偏导函数形式  230-231
    8.2.3 实验结果及分析  231-235
      8.2.3.1 精度评定方法  231-232
      8.2.3.2 等立体角投影十参数模型的实验结果  232-235
      8.2.3.3 等立体角投影多项式模型的实验结果  235
    8.2.4 观测数据的加权解算  235-238
      8.2.4.1 观测数据不等精度产生的原因  235-236
      8.2.4.2 权值的选取  236-237
      8.2.4.3 实验结果  237-238
    8.2.5 参数相关性问题  238-239
  8.3 自检校平差模型  239-249
    8.3.1 自检校平差模型的观测坐标系  239-240
    8.3.2 小孔模型下的自检校平差模型  240-242
    8.3.3 等立体角投影下的自检校平差模型  242
    8.3.4 实验结果及分析  242-249
      8.3.4.1 精度评定方法  242-243
      8.3.4.2 小孔投影下自检校平差的实验结果  243-244
      8.3.4.3 等立体角投影下自检校平差的实验结果  244-245
      8.3.4.4 不同模型检校结果的比较分析  245-249
  8.4 投影曲面法检校  249-254
    8.4.1 投影曲面法原理  249-251
      8.4.1.1 小孔成像下的平面投影模型  249
      8.4.1.2 球面投影模型  249-250
      8.4.1.3 任意曲面投影模型  250-251
    8.4.2 检校平差模型  251-253
    8.4.3 实验结果及分析  253-254
  8.5 不同模型检校视场的可扩展性分析  254-262
    8.5.1 改进的等立体角投影十参数模型检校视场的可扩展性分析  254-256
    8.5.2 等立体角投影多项式模型检校视场的可扩展性分析  256-258
    8.5.3 自检校模型检校视场的可扩展性分析  258-260
    8.5.4 投影曲面法检校视场的可扩展性分析  260-262
  8.6 不同检校模型的优劣分析  262-263
  8.7 鱼眼相机在抛物面天线测量中的应用  263-270
  本章小结  270-272
第九章 总结与展望  272-275
  9.1 论文的主要工作总结  272-273
  9.2 论文的创新点总结  273-274
  9.3 下一步工作展望  274-275
参考文献  275-290
作者简历 攻读博士学位期间完成的主要工作  290-292
致谢  292

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