Внутреннее ориентирование снимка

Внутреннее ориентирование определяет внутреннюю геометрию камеры или сенсора на момент съемки. Процесс внутреннего ориентирования заключается в нахождении элементов, определяющих положение снимка. Внутреннее ориентирование главным образом используется для преобразования файловой или других систем координат снимка в систему пространственных координат снимка.

Рисунок 4 показывает элементы, определяющие положение снимка внутри камеры,

Рисунок 4 – Элементы внутреннего ориентирования

где – центр снимка (начало системы координат);

– главная точка снимка (основание перпендикуляра);

– точка на изображении;

1, 2, 3, 4 – координатные метки снимка;

– система координат снимка;

– фокусное расстояние () камеры (сенсора);

Несовпадение точек и при сборке и юстировке камеры дает координаты . Величины – называются элементами внутреннего ориентирования снимка, которые определяют положение точки – центра проекции (объектив) относительно – плоскости снимка. Величины определяют лабораторным путем с высокой точностью при калибровки прибора (камеры) и записывают в паспорт камеры. Также в паспорт камеры записывают величину дисторсии , равную порядка от 5,0…10 мкм.

Таким образом, внутренняя геометрия камеры определяется следующими элементами:

– главной точкой;

– фокусным расстоянием;

– координатными метками;

– дисторсией объектива.

Главная точка и фокусное расстояние. Главная точка математически определяется как пересечение перпендикуляра, проходящего через центр проекции, и плоскости снимка. Расстояние от главной точки до центра проекции называется фокусным расстоянием .

Плоскость снимка обычно определяется как фокальная плоскость. Для широкоформатных аэрофотокамер фокусное расстояние примерно равно 152 мм или 6 дюймам. Для некоторых цифровых камер оно составляет 28 мм. Основной задачей при проведении фотограмметрических работ является точное определение или калибровка фокусного расстояния метрической камеры, которое проводится в лабораторных условиях.

Основой триангуляции является математическое определение параметров, но найти действительное положение главной точки трудно. Главная точка находится в месте пересечения оптических осей на плоскости снимка. В лабораторных условиях она калибруется в двух формах: главная точка автоколлимации и главная точка симметрии, что можно определить по паспорту камеры. В большинстве решений используется главная точка симметрии, так как с ее помощью можно добиться наилучшей компенсации дисторсии объектива.

Координатные метки. Как указано выше, один из этапов внутреннего ориентирования включает в себя определение положения главной точки для каждого снимка в проекте. Таким образом, на снимке измеряются положения координатных меток, которые затем сравниваются с калибровочными координатами каждой метки.

Так как для каждого снимка система пространственных координат пока еще не определена, измеренные координатные метки связаны с пиксельной или файловой системой координат. Файловая система координат имеет координаты (столбцы) и (строки). Центр файловой системы координат находится в левом верхнем углу изображения и имеет значения строки и столбца равными 0 и 0, соответственно. Рисунок 5 показывает различие между файловой системой координат и системой пространственных координат.

Рисунок 5 – Файловая система координат

и пространственная система координат снимка

Используя двумерное аффинное[2] преобразование, определяют связи между файловой системой координат и системой пространственных координат снимка. С помощью двумерного аффинного преобразования могут быть определены коэффициенты, требующиеся для перевода файловых координат в координаты снимка:

(2)

Здесь и являются координатами калиброванных координатных меток в системе координат снимка, и это файловые координаты измеренных координатных меток, все эти координаты используются для определения шести коэффициентов аффинного преобразования. Полученные коэффициенты могут быть использованы для преобразования каждой строки ( ) и каждого столбца () файловых координат в координаты изображения.

Качество аффинного преобразования определяет среднеквадратическая ошибка (СКО). СКО показывает степень соответствия между калибровочными координатными метками и значениями измеренных координат снимка для этих меток. Большая среднеквадратическая ошибка служит показателем слабого соответствия. Это может быть признаком деформации снимка, низкого качества сканирования, неверной калибровочной информации или неточных измерений.

Аффинное преобразование определяет перенос начала файловой системы координат в начало системы координат снимка ( и ). Также аффинное преобразование определяет угол (рисунок 5). В процессе сканирования аэрофотографии ее изображение обычно повернуто должным образом.

Угол отклонения между осями и определяется как неортогональный. Двумерное аффинное преобразование учитывает степень этой неортогональности. Также, в процессе аффинного преобразования учитывается различие масштабов между осями и .