【转载】5分钟带你了解倾斜摄影的前世今生和未来-硬件篇



  • 5分钟带你了解倾斜摄影的前世今生和未来-硬件篇

            “ 随着信息技术和VR、AR等感知方式的发展,人们已经不再满足于传统的平面二维图片式的浏览解析方式,更希望能借助新的软硬件设备,在虚拟环境中获得真实世界类似的的体验。倾斜摄影技术的发展和进步为这一设想提供了充分的数据支撑”

    01什么是倾斜摄影

            倾斜摄影技术是指通过在同一载体上搭载多台传感器同时从多个角度采集影像,获取地物信息的一项技术。

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    倾斜摄影和传统垂直摄影在数据采集上的差异

            倾斜影像是指在相机主光轴与地面法向量间存在较大夹角时拍摄获取的影像。由于倾斜摄影系统获取影像时具备较大的倾斜角,倾斜影像具有传统垂直摄影影像与地面影像的双重特性,即能够同时获得地物的顶面和侧面信息。由于倾斜影像更加接近于人类的视觉习惯,增强了对非地理专业人员对几何地理信息的“可读性”,所以也更容易被普通大众所接受。

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    倾斜影像

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    下视影像

            从上图中可见倾斜影像非常清晰地显示了地物高度的变化,以及建筑物侧面的结构。

            倾斜摄影的另一项重要属性为多视角观察。由于倾斜摄影系统搭载多个朝向不同方向的相机,使得可以对同一地物从多个视角成像。正如mayer提到的,多视影像能够提供更多的信息,具备更少的遮挡,以及具备相互验证的能力,因此如果一个地物能在多个影像中同时被观测到,则其三维几何信息能够更好地被获取。

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    Mirauge3D利用倾斜影像重建的祠堂三维模型

            由于具备了这些优势,近年来,倾斜影像在世界范围内被广泛地获取。从北美的Pictometry到欧洲的Getmapping以及非洲的Ofek, 世界上许多公司都开展了获取和处理倾斜影像的服务业务。现在越来越多的人将倾斜影像应用于各个方面,而不仅仅局限于数据的可视化和倾斜影像的量测。

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    Mirauge3D获得的三维隧道模型

            例如倾斜影像被应用于监测群体性事件和环境事故,建筑物检测和重建,建筑物结构性损坏的分类,道路更新, 建立三维地籍系统。而当前倾斜影像最重要最广泛的应用则是建立数字城市模型,甚至在一些案例中倾斜影像已经取代机载LiDAR,成为三维数字城市建立的重要数据来源。

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    Mirauge3D获取的城市三维模型

            这主要是因为采用现今的影像匹配技术获得的影像匹配点云的精度和密度都已不亚于机载LiDAR获得的点云数据。

    02倾斜摄影的过去

            虽然倾斜相机逐渐成为现在的研究热点,但是这并不是一个全新的概念。最早可以找到资料的倾斜相机生产于20世纪初,如下图所示,1904年Scgeunflug率先发明了一个8镜头的倾斜相机摄影系统。该系统具备8个朝向不同方向的镜头,主要应用于军事侦察。

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    1904年生产的第一台倾斜摄影系统

            20世纪30年代,美国制造了一台Fairchild T-3A 5倾斜相机系统,该系统创新性的采用了一个垂直相机和四个倾斜相机结构,称之为马耳他十字(Maltese Cross) [28]结构,如下图所示,奠定了现代倾斜相机的主流结构.

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    The Fairchild T-3A five camera system

            到20世纪40年代,一种三镜头倾斜摄影系统被用于测量南极洲,这是倾斜相机首次用于测量相关的工作;20世纪80年代,倾斜相片被用于军事侦察以及考古研究。然而由于倾斜相片的尺度不一致且存在大量遮挡信息,当时在摄影测量领域中使用得并不多。1993年,Pictomety沿用了Fairchild T-3A 的马耳他十字结构,制造了自己的倾斜数码相机系统,并获得了一项基于马耳他十字结构的相机系统获得直接地理相关的倾斜相片的专利,并于1998年开始量产此系统。2005年,Blom Group公司与Pictometry签署了一份关于欧洲领土的独家授权协议,开始了一项庞大的工程,此工程计划获取西欧所有人口数量超过50, 000的城市的具有几何定位信息的倾斜相片,将涵盖80%的西欧人口,1000多个城市,总的覆盖面积达到了100, 000平方公里。通过此项工程得到的数据库提供了覆盖全欧洲的标准化影像产品,并计划两年更新一次。微软公司一直以来都是此数据库的重要用户,并用这些高分辨率高质量的“bird’s eye”影像来支持它们的虚拟地球数据库。至此倾斜影像作为一种新的影像产品开始广泛地进入大众的视野。

    03倾斜摄影量测系统的爆发

            2010年以后,随着无人机平台的行业爆发,倾斜摄影测量系统也进入了一个新的爆发性增长期,除传统航摄厂商如Leica,Trimble等,国内外涌现出大量企业,纷纷推出了各自的倾斜摄影测量系统。倾斜摄影硬件领域正式进入白热化竞技态势,各大厂商推出的产品架构上往往大同小异,有各自的细分优势,主流仍然是5相机系统。

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    种类繁多的倾斜摄影相机

            而随着硬件设备性能和自动化程度的提升,数据采集门槛也飞速下降。可以说现在这个时期每天都在源源不断的产生大量倾斜摄影影像数据。现在的行业痛点已经从如何廉价快速的获取数据逐步转移到如何高效、自动化的解析和处理海量倾斜数据。

            随着倾斜摄影技术的发展,人们不再满足于单纯的获取数据,如何从大数据中提取有效信息切实满足行业客户的需求,并与现有的行业工作模式和处理流程进行无缝对接,才是未来倾斜摄影行业的发展方向。

            不同于硬件的大量爆发,软件的发展相对缓慢,传统的航空摄影测量软件软件,主要针对于垂直摄影的单镜头影像数据。倾斜摄影的数据,往往来自于多个镜头,内部尺度不一致,遮挡较为严重;如何用这类数据进行高细节的三维建模是摆在当时的摄影测量领域的核心问题,具体来看分为几个问题,如果解决倾斜的多镜头数据的空三,是把每张影像单独做为一个相机模型,还是按照相机进行分相机整体平差?要不要把单个摄站的多个镜头影像当成一个统一的整体?如何不排列航带就获得邻接关系?上10万张的影像的光束法平差如何解算?如何选择合适的相对进行匹配? 如何真实的表达真三维,构建真三维三角网表达地物侧面信息?如何获得更加细节的模型?如何做海量模型的纹理映射呢?... 等等等等的问号都等待着当时的工作者去解决。

            关于处理技术的具体发展历程详见下篇--“倾斜摄影的前世今生--数据处理篇”

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    本文中所有三维模型数据均来自中测智绘公司自主研发的Mirauge3D三维重建系统处理结果。Mirauge3D的详细介绍请见公众号主页的产品介绍

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    Mirauge3D三维重建系统以领先的计算机视觉技术为客户解决测绘地信国土资源领域的各种需求。详情请咨询010-53659612。

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    文章来源:“中测智绘”公众号 https://mp.weixin.qq.com/s/yfOE7vggAYJ8U-n7ld9f_A