睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)

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。 睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)

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。 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。 睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三) 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。 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。 睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)

重叠度与建模效果 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。

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。 睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三) 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)。

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。

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,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。

睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三) 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 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。 睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)重庆某百米高楼的建模效果

1 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%: 睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三) 航向85%,旁向80%: 睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三) 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。

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。

2 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: 睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三) 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。

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。

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。 1 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。 睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三) 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。 睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三) 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: 睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三) 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 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。 睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三) 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: 睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三) 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。

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。 睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)睿铂倾斜摄影相机与建模效果(三)

3 提高倾斜镜头焦距 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。

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。 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,抛砖引玉;另外一方面就是各种参数设计的背后实际涉及了许多的细节和考量。把这些背后逻辑介绍出来也有助于客户对设备的理解更加深入,能够根据自己的项目需求选择更加适用的设备。

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