倾斜摄影相机的小知识之传感器篇

倾斜摄影技术是国际摄影测量领域近十几年发展起来的一项高新技术，该技术通过从不同的视角同步采集影像，获取到丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理。它不仅能够真实地反映地物情况，高精度地获取物方纹理信息，还可通过先进的定位、融合、建模等技术，生成真实的高精度三维模型。该技术已经广泛应用于应急指挥、国土安全、城市管理、房产税收等行业。
       倾斜三维模型质量是一个系统的工程，要想获得比较理想的三维模型效果，传感器、航线设计、像控点布测、数据获取、数据处理等各个环节均应严格把控质量，这里结合飞马机器人公司的D-OP300倾斜航摄系统，简单的介绍一些倾斜航摄仪的一些小知识，以帮助大家更好的理解我公司的产品，更好的了解倾斜航摄技术。

一、数码相机相对位置

倾斜航摄仪集成一个下视相机和多个倾斜相机，中央一个垂直对地观测，获取垂直影像，与该相机4个正交方位分别以一定的倾角放置一个相机。由于倾斜航摄仪拍摄模式的特殊性，相机间的相对关系对于地物覆盖范围、倾斜影像分辨率变化范围、相邻曝光点影像重叠度、集成系统空间尺寸乃至后续数据处理算法都会产生影响，因此确定相机间排布模式是首要解决的问题之一。针对多种排布可能，通过对地物覆盖范围、倾斜影像分辨率等因素进行计算与仿真，确定较优的排布模式为下视影像长边跨航线、前视、后视影像长边跨航线、左视、右视影像短边跨航线。5相机观测视野如图1所示。

相机倾角指倾斜放置相机主光轴与垂直放置相机主光轴在它们所确定的平面内所形成的夹角。根据经验及模拟测试，当倾角在40°~50°之间时，所获得的影像更接近人眼对立面纹理信息的真实视觉体验，此范围角度一般为摄影测量大倾角范围，D-OP300倾斜航摄系统综合各方面的因素选择的倾角为45°。

二、倾斜航摄相机的选择

相机选择是影像获取的关键因素之一，决定了所获取影像质量的好坏(如影像分辨率、成像的几何精度等) 和摄影交会角的大小 (与相机视场角和摄影方式有关)，将直接影响最终的量测精度。

如何搭配下视相机与倾斜相机的焦距，是影像获取的另一个关键因素。目前，无人机通常可选用的相机焦距在20~50 mm之间。焦距较长的相机，视场角小，可以获取更多的影像纹理；焦距较短的相机，视场角大，影像变形也越厉害。选择组合相机焦距时，需要整体考虑下视相机焦距和侧视相机焦距的组合选择。一般情况下，选择下视相机的GSD应与侧视相机的GSDmid相当

式中，α为倾角。当倾角设置为45°时，一般情况下侧视相机的焦距宜为下视相机焦距的1.4倍。因此，倾斜摄影时一般选用侧视相机的焦距比下视相机的焦距要长。

D-OP300倾斜航摄系统的侧视相机的焦距宜为下视相机焦距的1.4倍（下视相机焦距25mm，侧视相机的焦距35mm）。

三、定制镜头

倾斜航摄相机的镜头选择的时候，一般考虑重量、大小、焦距、成像质量、畸变大小等几个方面，可以选择市面上比较成熟的原装镜头，但是这种镜头一般需要进行改装，然后进行固定，镜头属于精密仪器，改装过程中必然会存在改装误差、人为操作误差，很难保证镜头的成像质量，同时一般原装镜头的可选性相对比较少，缺少一些理想焦距的镜头。

近年来随着技术的发展，我国一些国产的镜头厂商投入了大量的人力物力，潜心研究制作，生产出了比较理想的国产镜头，可以很好的满足倾斜航摄对镜头的各种苛刻的要求。但是，不可否认，这种国产镜头在工艺流程上是难以与原装镜头媲美的，所以难免存在个体差异，这就需要集成商在选择国产镜头进行装备的时候，严格把控镜头质量。

我公司D-OP300倾斜航摄系统的五个相机均采用的是定制型的国产镜头，在镜头交货验收的时候，我们IQC人员按照严格的质量标准对每一颗镜头进行系列的验收检查、镜头调焦、固定、检校入库流程，确保每一颗入库镜头均达到理想状态，决不允许一颗质量不达标的镜头流入客户手里。

四、相机安装倾角、视场角与分辨率的关系

垂直和倾斜影像的地面分辨率是倾斜航摄仪最为直观与重要的参数之一，也是直接决定后续三维建模质量的关键因素。倾斜影像自动空三时，为了保证量测点的精度，应尽量保证不同影像的分辨率一致，从而侧视影像需要裁掉远端和近端分辨率差异过大的部分，但同时为了保证影像的重叠度，航线设计时需要顾及侧视影像的分辨率。因此需对垂直与倾斜视角的影像分辨率进行组合分析。根据垂直影像GSD计算公式：

结合倾斜相机主光轴旋转角度，由图2可以得出倾斜影像中心点、近地点与远地点的大致分辨率。设倾斜影像中心点、近点和远点分辨率分别为GSDmid、GSDtop、GSDbotton，计算公式如下：

式中，δ为CCD单像元大小；h为飞行高度；f为相机焦距；αy为倾角；βy=arctan (b/f) 为视场角的一半。倾斜影像的几何关系如图2所示。

以D-OP300倾斜航摄系统的索尼A6000相机为例，当倾角为45°，视场角为50°，βy=25°，f下视=25 mm，f侧视=35 mm时，按照下视相机进行设计，当GSD=0.02 m时，H=128m。则侧视相机的分辨率概算为

GSDtop=0.0154

GSDmid=0.0202

GSDbotton=0.0294

由此可见，除飞行高度、焦距、像素大小之外，倾角也是影响倾斜影像GSD的一个重要因素。倾角越小，其远点的分辨率越高，近点、远点GSD差异也就越小，GSD指标的控制也是影响倾角设计的一个关键因素。通常，获取的倾斜影像与垂直影像中心点地面分辨率应相当，倾斜影像的最小分辨率不宜超过垂直影像分辨率的3倍。

五、存储

倾斜航空摄影测量的数据量一般都是比较大的，按照索尼A6000相机计算，3cm地面分辨率，80%*65%的重叠度获取倾斜数据，一个架次旋翼无人机飞行30分钟，可以获取到约1000×5=5000张影像，单张影像大小约10M，那么一个架次的数据量约49G。如此大的数据量传输需要一定的时间。同时由于倾斜航摄对天气的要求较高，相邻架次之间的间隔越小越好，所以对于数据传输来说，尽量避免出现以下两种情况：

（1）所有数据存储在一张卡上，存储卡内置于五相机里面，需要连接电脑下载；

（2）每个相机分别存储，但是存储卡内置于五相机里面，需要连接电脑下载；

最好是方案就是将五相机从数据传输中解放出来，每一个五相机配备两套存储卡，每个相机分别存储，一个架次完成后迅速将存储卡取出，插入另一套存储卡，切换下一个架次，在下一架次数据获取的过程中完成上一个架次数据的备份存储工作。

六、快门

快门是相机上控制感光片有效曝光时间的一种装置，目前的数码相机快门包括了电子快门、机械快门和B门。

按所在位置分为镜间快门和焦平面快门面，前者大都为不可更换镜头的相机设计，后者见于单反、DC以及类似Leica M系列这样的高端可换镜头旁轴相机。焦平面快门按照运动方式，可以分为横走式和纵走式，按照材料区分可以分为布帘、钢帘、钛帘等

A6000相机采用的是电子控制纵走式焦平面快门，名字有点专业，没必要深入了解。只要知道它位于相机焦点平面的前方，由两层幕帘、电磁释放装置和减震装置构成，那前后两层幕帘分别叫前帘和后帘：

快门一般是装在机身上的独立部件，便于装配和维修，机械部分有一定寿命，特别是倾斜摄影需要高速频繁的快门动作，多数相机厂商官方并未对快门的寿命有统一的输出，参考我们大量客户的实际曝光情况，快门的使用寿命（曝光次数）一般集中在10-18万次左右。目前市面上无人机倾斜摄影相机为减轻重量，多数采用改装相机，飞马系列产品均采用独立相机改装，便于在客户快门寿命到期后，为客户提供快门更换服务。