【转载】摄影测量的前半生
-
摄影测量的前半生
引言
摄影测量是一门发展了一百多年的学科，其起源比计算机视觉更早，从字面上看摄影测量可以拆分为“摄影”+“测量”，因而其发展也可以分为摄影的起源与发展，以及在摄影的基础上发展而来的测量技术。从其英文名字上看，摄影测量这个名字最初是从希腊语中的“photos”(光)、“gramma”(写出来或画出来的东西)和“metron”(测量)这三个词得来的，其词的组合，无形中透露了学科的发展路径，现有对“photos”(光)现象的感知，进一步在绘画“gramma”中的应用，以及最终落实到测量技术之上，那么摄影测量的前半生到底发生了什么呢，让我们来细细回顾一下吧！
摄影测量的起源
小孔成像被发现
一切都要从小孔成像说起，传说在2000多年以前,有人发现用一个带有小孔的板遮挡在墙体与物之间，墙体上就会形成物的倒影，如果前后移动中间的板，墙体上像的大小也会随之发生变化。这一小小的发现，成为了摄影历史发展的的火种。
暗箱的出现与应用
在发现小孔成像之后，聪明的人们设计出了一种称之为暗箱（图 1）的发明，其可以把影像投在屏幕上。具体说来，暗箱其实是一个一面有小孔的密封箱，箱外景物透过小孔，在完全黑暗的箱内壁上形成颠倒且两边相反的影像，聪明的读者可以发现，这其实就是是照相机的最早形式。
由于需要投影图像，为了使图像清晰环境必须相对较暗，所以历史上的很多暗箱实验都是在漆黑的房间里进行的。到后来暗箱本身也进行了一步步的改良，变得了一个体积更小，更易携带的小匣子，成为画家圈中广为流传的绘画辅助的好帮手。
图 1 房间大小的暗箱
透视法的应用
由于暗箱的局限性（毕竟每次画画带个大箱子不是太方便...），一些艺术家想到了不同的绘画方法，能使其更好地去呈现一幅作品，例如阿尔伯蒂就是其中之一。在1435年的时候，阿尔伯蒂随同尤金四世教皇前往弗罗伦萨，通过与当地艺术家的接触，他以一名艺术家的身份创作并用拉丁文完成了他的艺术理论著作《论绘画》，在这本书中，阿尔伯蒂提出了一种新的在一个二维平面中通过单眼透视的使用来建构三维空间的方法------透视法。其实，这已经从简单的自然现象的应用，发展成为了科学理论（想想中国科学的发展，缺少的就是奇淫巧技到科学理论的这一步啊 0.0）。随后，克鲁帕（Kappeler）使用了透视图的方法绘制了瑞士山脉的地形图，博滕-博普雷（Beautemps-Beaupré）在透视法的基础上通过角度和距离的测量绘出了圣克鲁斯群岛地图（图 2）。
图 2圣克鲁斯群岛
众所周知，伟大的达·芬奇总结了前人的经验，他试着从透视画中确定画家的视线（图 3），并将暗箱与之结合，到了1500年，达·芬奇回到佛罗伦萨并运用了透视法等多种绘画方法创作《蒙娜丽莎》。
图 3透视法的绘画
相机形成的过程
随着理论的发展，以及应用的扩大，有许多的研究人员就想到了可以给暗箱添加各种镜头。在1540年，杰罗拉莫卡诺(Gerolamo Cardano)提出了添加镜头的想法。到了公元1568年，意大利贵族丹尼尔─巴尔巴洛改革了以前无透镜的暗箱，装上了凸透镜，成为有史以来第一个有透镜摄影暗箱的发明者，并在《远近实际方法》记录了有透镜摄影暗箱的原理:在暗箱小孔拴上一条绳子，用来将小圆孔随意放大或缩小，可以调节获得极清晰的影像。
在这之后，意大利数学兼天文学家丹提在公元1573年所著的《欧几里德远近法》中，发表使用凹面镜片，可以把倒像弄反成正像，这使得摄影方法又得到了更大的改善（终于图像不再是倒着的了！！）。 到公元1611年，开普勒在Diaptria 书中，首创使用凹透镜与凸透镜的复合透光，更为暗箱内的影像呈现出前所未有的摄影明析度，世人都推崇他为照相光学的始祖。在同一年相机最亮的星lucida问世了（图 4），人们通过最亮的星，可以得到更好的作品。
图 4相机最亮的星
摄影技术的发展和摄影作品的产生
随着相机的诞生，人们终于可以利用这些技术拍摄出作品了，如法国人尼埃普斯就于1825年委托法国光学仪器商人查尔斯·塞福尔为他的照相暗盒制作光学镜片，并于第二年将其发明的感光材料放进暗盒，拍摄和记录下了历史上的第一张摄影作品（图 5）。其作品是在法国勃艮第的家里阁楼的窗户拍摄成功的，曝光时间超过8小时。
图 5通过阁楼的窗户拍摄的图片
在1839年的时候银版摄影法问世了，银版摄影法（图 6）是法国巴黎一家著名歌剧院的首席布景画家达盖尔利用水银蒸汽对曝光的银盐涂面进行显影作用的方法发明的。这种摄影方法的曝光时间约为30分钟，大大的短于尼埃普斯日光硬化的摄影方法。并且用这种方法拍摄出的照片具有影纹细腻、色调均匀、不易褪色、不能复制、影象左右相反等特点。这种摄影方法是用达盖尔自己的名字命名的，所以，又称为达盖尔银版法。
图 6银版摄影法
通过照片测量会怎样？—— 摄影测量的诞生
到了这个时候摄影的技术已经有很大的进步了，人们开始思考能否通过照片来测量呢？
法国的劳斯达特(A.Laussedat)在1851年首先创造了适合于摄影测量用的摄影仪器和作业方法，测绘了万森城堡图，标志着摄影测量的诞生。1881年，迈登鲍尔(Meydenbauer)根据建筑物的两张像片，用交会法进行了第一次建筑物摄影测量的实验，还在1885年于柏林建立了普鲁士测量像片馆作为建筑物图像档案馆。1889年，科普(Koppe)所作的第一本摄影测量手册出版了，让更多的人接触到了摄影测量，也让更多的人开始了解摄影测量。1901年，德国的普尔弗里希(C.Pulfrich)创制了立体坐标量测仪，地面摄影测量遂发展为地面立体摄影测量，即用地面拍摄的立体像在地面立体测图仪上建立模型，然后再进行地形测绘的技术。它适用于险阻高山区、小范围山区和丘陵地区的测图，也可用于地质、冶金、采矿、水利、铁道等多方面的勘察工作，测量技术进一步提升。
在空中拍照再测量又会怎样？——航空摄影测量的诞生
地面摄影的进步使人们很直观的想到了航空摄影，这时有人想到了把微型相机戴到鸽子的身上到空中拍摄像片（图 7图 8），这样拍到的像片可以显然更加丰富，范围更广，更便于研究！
法国摄影师纳达尔在1858年乘坐热气球在巴黎郊外80m上空拍摄了世界上第一张航空像片。随后，布莱克1860年利用湿板拍摄了波士顿的航空像片。又过了20年，1885年的时候法国人从2000英尺高度的气球上拍摄了巴黎的航空像片。再之后1906年美国旧金山地震引起了大火灾，劳伦士用17只风筝吊着巨型相机从空中拍摄了照片。蔚西多尔·莎姆夫禄格为了将自己的"透视绘图仪"用于航空摄影，而发明了沙姆定律（Scheimpflug 原理）。在20世纪初的时候，怀特兄弟发明了飞机，飞机制造业突起，使航空摄影测量成为了可能，在1911年，蔚西多尔·莎姆夫禄格实现了第一次航空摄影测量的整版照片。航空摄影测量的发展使得摄影测量到了一个新的高度。
图 7航拍照片的鸽子
图 8 带有德国微型照相机
数学对摄影测量的帮助
当然不得不说的是数学一直贯穿于摄影测量之中，它的出现解决了很多的问题，像3D 构成问题、对极几何、三焦点的几何、运动估计、从单个图像进行三维建模、未标定、像的三维重建&投影重建、相机自校准，这些问题的解决也带动了摄影测量的进步。这些技术的发展将在我们的后半篇中细细讲述，小伙伴紧密跟踪吧~
文章来源：“中测智绘”公众号 https://mp.weixin.qq.com/s/7PPecB_dzyffjoZFA5jdLg