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倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图1)

倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图2)

倾斜摄影技术作为一项已经成熟应用的新兴测绘技术,被越来越多的测绘人和行业应用者所接收和使用,倾斜摄影技术搭配无人机系统更是让这种技术在轻便化、经济化、实用化、高效化的方面上不断取得突破。



引言








在前两期中,我们为大家介绍了倾斜相机两项最基本的参数:焦距和视场角,以及它们与建模效果的关系。











RIY-Pros系列高端倾斜摄影相机能够实现更好的建模效果。那么Pros在镜头布置和焦距设置上,有怎样的特殊设计呢?本期,我们继续将就此为大家介绍Pros参数背后的设计逻辑。






倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图3)











镜头倾斜角度与建模效果













上期我们说到,焦距越短,视场角越大,就能采集更丰富的立面信息,建模效果就会越好。除改善焦距外,我们当然还可以采用另外一种方式提高建模效果:直接增大倾斜镜头的倾斜角度,同样可以采集更加丰富的立面信息。






但在实际生产中,虽然设计更大的倾斜角度的确能够极大地改善模型效果,但也存在两个严重的副作用。

倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图4)











其一是作业效率急剧降低。随着镜头倾斜角度的增加,外扩航线也将大量增加,当镜头倾斜角超过45°,航飞效率就会急剧降低。比如专业的航摄仪莱卡RCD30,其倾斜相机的倾斜角度仅30°,之所以这样设计的原因之一,就有作业效率的考量在里面。






倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图5)




其二是如果镜头倾斜角度太大,太阳斜射光就很容易进入相机,造成眩光(尤其雾霾天的早上和下午)。睿铂相机是最早采用内对设计的专业倾斜摄影相机,这种设计相当于给相机加了一个遮光罩,能够避免相机受到太阳斜射光的影响。

然而,我们一旦去了解倾斜摄影的硬件产品,就会发现倾斜摄影相机的镜头数千奇百怪,单镜头、双镜头、三镜头、四镜头、五镜头,甚至是九镜头都能找到相关的产品,多镜头相机的数据采集办法也是各不相同,旋转式、摇摆式、一次曝光式,多镜头相机所做出来的模型效果和质量也是参差不齐。

在这种百家争鸣的倾斜摄影硬件市场下,本人谨从自己的经验和观点出发,给大家分析分析从多种角度不同种类倾斜摄影硬件产品的使用利弊及作业效果。

倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图6)











尤其对于小型无人机,一般而言,其姿态相对都比较差,相机倾斜角与飞机的姿态叠加后,杂光就很容易进入相机,进一步放大眩光问题。


倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图7)

镜头的性能指标






倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图8)











重叠度与建模效果

倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图7)

现在考量倾斜摄影相机的硬件指标无非是以下几个方面:








根据经验,在实景三维建模中,为了保证模型效果,对于空间中的任何一个物体,在图像采集时,最好五组镜头都能覆盖其建筑特征。

单相机像素——倾斜摄影相机是由多个朝向不同角度的单相机组成,通过采集不同角度的图像数据,来获取倾斜摄影建模的原始纹理数据,单相机像素就决定了倾斜摄影相机单角度数据的采集能力,根据倾斜摄影相机使用单相机的不同,像素大小也不同,从这一点分析,多镜头相机无法做横向对比,行业内目前主要像素排布有2010万、2430万、3640万、4240万。

这个很好理解,比如我们要给一尊古建筑建模,环绕飞行拍摄的建模效果肯定比四个面只拍几张的效果要好得多。

倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图10)

相机总像素——总像素一直是多镜头相机厂商竞争十分激烈的一项指标。五镜头相机计算五个朝向相机合计的像素总数,双镜头等相机按照曝光模式来决定总像素,例如双镜头旋转曝光,一组拍摄四张,则按照(单相机像素*4)来计算总像素,双镜头摇摆式曝光,一组拍摄6~8张,则按照(单相机像素*6)或(单相机像素*8)来计算总像素。






倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图11)




覆盖的影像越多,所包含的空间和纹理信息就越多,建模的效果就会越好。这就是重叠度对于倾斜摄影的意义。重叠度是决定模型效果的关键因素之一,在无人机倾斜摄影一般场景中,重叠率大多采用航向80%,旁向70%(实际数据冗余)。

画幅大小——数码时代的不同画幅指的是各种大小的传感器,在同样高度使用同样焦距的镜头来进行航摄,画幅越大,所能采集到的地面面积则越大。不同镜头数的倾斜摄影相机,在画幅参数上可做选择,无横向对比的必要。

实际上,旁向和航向重叠度一样高肯定最好,但过高的旁向重叠度会急剧降低外业航飞效率(对于固定翼无人机尤甚),所以基于作业效率的考虑,一般旁向重叠度会低于航向重叠度。

倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图12)

镜头焦距——用于无人机航测的相机焦距一般是调焦到无穷远,镜头长焦距,保证无人机挂载下几百米航高下仍然能够获取高分辨率地面影像。倾斜摄影相机的焦距多采用10.4mm,16mm,25mm,35mm,50mm等,一般推荐定焦25mm,35mm,50mm镜头,适合多环境大场景倾斜航测。

Tips:考虑到作业效率的问题,重叠度并不是越高越好,超过某个“标准”后,提高重叠度对模型效果的提升有限。根据我们的实验反馈拍摄技巧,有时候重叠度提高反而会降低模型的效果。例如对于3~5cm分辨率模型场景,模型抽稀的建模效果有时候还要比原始重叠度的建模效果略优。








理论重叠度和实际重叠度








作业中,我们设置航向80%,旁向70%的重叠度,只是理论重叠度。实际作业过程中,无人机受到气流的影响,姿态变化会导致实际重叠度小于理论重叠度。

一般来说,无论是多旋翼还是固定翼类无人机,姿态越差的无人机建模效果越差。

因为小型多旋翼或手抛型固定翼无人机重量越轻、体积越小,容易受到外界气流的干扰,其飞行姿态一般不如中/大型多旋翼类无人机好,导致其在地面局部区域的实际重叠度不够,最终影响模型效果。






倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图13)




Tips:早期无人机做正射航测项目时,因为重叠度不高,所以更容易受到姿态的影响。所以当时航飞下来除了检查航片质量外,还需要检查航片的实际重叠度是否接近理论重叠度。








高楼的建模难点

倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图14)








一般来说,随着建筑物高度增加,建模的难度就会提升。一是高楼会增加作业飞行的风险,二是随着楼高增加,高楼的高层部分重叠度急剧下降,导致模型楼顶拉花、空洞严重。






倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图15)

重庆某百米高楼的建模效果











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提高重叠度对高楼建模效果的影响






对于上面这种问题,很多有经验的客户已经找到了解决方法:提高重叠度。的确,随着重叠度的提高,模型效果会有很大改善。以下是我们做的实验对比:











航向80%,旁向70%:






倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图16)倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图17)




航向85%,旁向80%:

整体重量——很明显,倾斜摄影相机的单相机数量越少,整体重量是越轻的,因此,双镜头对比五镜头在产品重量上占有一定的优势,但是和倾斜摄影技术发展初期,用完整的单相机做集成不同,现在市面上部分倾斜摄影厂商在单相机减重拆解上下了大功夫,投入了不小的研发力量。五镜头相机以济南赛尔无人机为代表,五镜头相机重量在1.5KG左右,这是五镜头相机拆解减重上一个较为合适的重量比例了。






倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图18)倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图19)




通过以上对比,我们会发现:重叠度的提高,对低矮建筑的建模效果影响比较小;但对高层建筑模型顶部效果的提升却帮助很大。

而双镜头相机,行业内在售的产品,基本对单相机都是没有进行拆解减重的,因此除了单相机的重量,还需要计算双镜头相机电子云台的重量,包括结构重量和转子电机的重量。

但是随着重叠度的提高,对内业来说,采集的航片数量会急剧增加,数据处理的时间也会增加,空三分层等问题会接踵而至。对外业来说,航飞效率也很低,其中的麻烦,做过类似项目的客户应该深有感触。

倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图20)

倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图21)
















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倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图7)

镜头的航测作业

倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图7)

井字型作业法。单镜头相机在倾斜摄影技术发展的初期常采取“井”字型的航飞作业办法,即镜头朝向一个角度,然后采取密集航线,交叉飞行的办法来采集数据。这种采集办法效率较低,作业复杂。

双镜头作业法。双镜头倾斜摄影相机无论是摇摆式拍摄,还是选择式拍摄,均有两种曝光作业办法。

一,持续飞行曝光,即在航线中,无人机保持匀速飞行,相机在曝光点进行曝光一次,然后紧接着曝光第二次,来获取一组数据。这种连续飞行的作业办法,一组照片,两次曝光间隔,实际的曝光地点因为飞行速率的存在,是存在定位误差的。

改善焦距对高楼建模效果的影响






在睿铂倾斜摄影相机与建模效果(二)一文中,我们知道:对于城市立面建筑建模场景,镜头焦距越长反而会导致建模效果变差。但对于高楼区建模来说,却需要较长的焦距以保证模型效果。如下图所示:

经小编实测市场双镜头产品的空三计算,大部分均存在分层,交错的问题,需要反复进行空三计算来纠正,这无异于加大的工作量,降低了工作效率。

二,停止飞行曝光,即在航线中,无人机在曝光点悬停在空中,相机进行一组曝光后,再飞往下一个曝光点,这种做法很明显,作业效率低,不做推荐。






倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图24)




在分辨率、重叠度相同的条件下,长焦距镜头能够保证楼顶的实际重叠度和足够安全的航飞高度,实现高层建筑更好的建模效果。

三,双镜头飞行作业过程中,易造成照片曝光的波动性,产生畸变,不利于后期的数据处理和纠正。

例如DG4pros倾斜摄影相机用于百米级别高楼建模时,不仅能够获得很好的建模效果,同时模型精度仍然可以达到1:500地籍要求,这就是长焦距镜头的优势。案例:倾斜摄影1:500地籍百米高楼项目报告。

五镜头作业法。五镜头相机在一个点位上统一曝光,一次曝光,获取前后下左右五个视角的照片,因此可以在稳定匀速行驶的无人机平台上稳定的获取曝光的数据。


















RIY-PROS








要实现更好的建模效果,在相同分辨率的前提下,就需要保证足够的重叠度和尽量大的视场角。对于地形高差较大的测区或高层建筑,镜头的焦距也是影响建模效果的重要因素。基于以上原理,睿铂RIY-Pros系列相机在镜头上做了以下三点优化。

倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图7)

数据处理过程

倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图7)

倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图27)

从建模效果来看,无论是摇摆式的双镜头,还是旋转式的双镜头,其朝向角均缺少下视镜头,下视镜头的缺失导致了类如建筑间缝处等地物场景的地方缺少原始数据,导致后期建模过程中细节不足,出现空洞。

倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图28)

上述列举的是双镜头在这几个方面的问题,而五镜头相机可以很好的规避这些问题。

(转自无人机,原文链接http://mp.weixin.qq.com/s/j-gJRGRB0c2QVoEzlL9Vqw,版权归其所有。)






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改善镜头的布局






对于Pros系列倾斜摄影相机,大家最直观感受就是其外形从之前的圆形改变为方形。这种改变最直接的原因,就是镜头布局发生了变化。

倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图29)



倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图30)关于立巢集团一

集团简介:






倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图31)




目前,除了Pros系列,绝大多数无人机倾斜摄影相机的布局都是围绕式的布局,如下图所示。

立巢集团总部位于四川成都,致力于发展成为**领先的集家居板材、无人机、智能机器人、航空**为一体的多元化经营企业集团。集团下辖:成都大亚商贸有限公司、四川立巢航空科技有限公司、北京立巢科技有限公司、重庆同汇通用航空有限公司、成都立巢**传播有限公司等多家企业。其中,旗下位于成都环球中心的“立巢航空博物馆”,筹建于2016年2月,拟于2018年正式开馆,旨在打造西南地区首个以航空为主题,集航空历史、**、科技展示为一体的现代化综合博物馆,融合**展示、科普**、行业交流等多种功能。






倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图32)




这种镜头布局方式的优势在于:相机尺寸可以设计地更小,重量也可以相对轻一些。但这种布局会导致左、右视角倾斜镜头的重叠度低于前、中、后视角的镜头重叠度:即阴影A的面积小于阴影B的面积。











之前我们介绍过,为了提高作业效率,旁向重叠度一般都小于航向重叠度,而这种围绕式布局又会进一步降低旁向重叠度,这也是为什么旁向的模型会比航向的模型拉花更严重。(大家可以查看已有的模型效果)

所以在RIY-Pros系列中,睿铂将镜头布局方式改为:平行式布局。如下图:






倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图33)




这种布局会牺牲部分外形和重量,但是好处是能够保证足够的旁向重叠度,实现旁向更好的建模效效果。实际作业飞行上来说,RIY-Pros甚至还可以再降低一些旁向重叠度,来提高作业效率。
















2

抬高镜头

集团旗下业务板块:






镜头平行布局的好处在于:不仅保证了足够重叠度,同时增加了侧面视场角,能够采集更多的纹理信息。






倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图34)




在此基础上,我们同时提高倾斜镜头的焦距,使之底边与之前传统布局的底边重合,进一步提高了侧面视场角,如下图所示:

1、人造板——提供飞林、大亚等中纤板及刨花板






倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图35)




这样做的优点是:虽然镜头抬高了,但并没有影响航飞效率。并且侧视镜头的视场角大幅度提高后,也就能够采集更多的立面信息数据,建模效果当然也就提升了。

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对比实验也显示:相比传统布局的镜头,在旁向效果上,Pros的镜头布局的确能够很好改善模型屋檐拉花的问题。











以下左边为传统布局相机采集素材建立的模型,右边为Pros相机采集素材建立的模型。

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倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图36)倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图37)倾斜摄影相机双镜头和五镜头到底那个好?睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)(图38)









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提高倾斜镜头焦距

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RIY-Pros倾斜相机镜头由传统的围绕式布局修改为平行式布局,倾斜影像片近点分辨率与远点分辨率之比会增加。

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为了保证比值不超过临界值,Pros倾斜焦距比之前增加了5%~8%。为什么要这么设计,因涉及更多其他方面的专业知识,加上篇幅限制,暂时就不展开描述了。

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后记








一般来说,用户只需要对比参数即可,是不用太关心这些背后的技术问题,之所以撰写这些原理性技术文章,一是给一些技术流的客户做一些参考,抛

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