睿铂倾斜摄影相机与建模效果(二)

    通过上一篇文章的介绍,相信大家对焦距与视场角之间的关系有了一个初步的了解。从作业航飞参数设置,到后期模型的建立,这两个参数的影子贯穿始终。

    那么到底这两个参数对模型效果有什么影响?本篇文章,我们就介绍睿铂是如何在产品研发过程中发现其中的联系,又如何在航高与效果的矛盾中寻求平衡。



    从D2到D3

    RIY-D2是专门针对地籍测量项目研发的一款产品,也是市场上最早采用下托挂式和镜头内对设计方案的倾斜摄影相机。

    D2建模精度高,模型效果好,适合用于地势平坦,楼层不太高的场景建模。但是对于落差较大,地形、地貌复杂(含高压线、烟囱、基站等高层建筑的场景),无人机的飞行安全会受到影响。

    睿铂倾斜摄影相机与建模效果(二)RIY-D2

    实际作业中,的确有客户因为没有设计好航高,导致无人机挂高压线或者撞基站;或者有些无人机虽然侥幸掠过危险点,但检查航片时才发现,无人机离危险源非常近。这些危险和隐患,往往会造成客户巨大的财产损失。

    睿铂倾斜摄影相机与建模效果(二)航片中的基站

    所以有众多客户反馈:能否设计一款长焦距倾斜摄影相机,使无人机的作业高度更高,让作业更安全?基于客户的需求,我们在RIY-D2的基础上,研发了长焦距版本的RIY-D3。相比于D2,在相同的分辨率下,D3可以让无人机作业航高提升约60%。

    睿铂倾斜摄影相机与建模效果(二)分辨率与其对应航高

    在研发D3的过程中,睿铂研发人员一直认为更长的焦距可以有更高的飞行高度,更好的建模效果和采图精度。

    可实际作业后,才发现完全不是预想的那样,D3相对于D2,建立的模型在屋檐下的拉花变得严重,而且效率相对较低。

    为什么焦距更长的D3的建模效果反而没有D2建模效果好呢?



    焦距与建模效果

    关于焦距与建模效果的关系,大多数客户都存在一些误解,甚至很多倾斜摄影相机厂家都会错误地认为长焦距镜头对建模效果有帮助。

    实际情况是:在其他参数相同的前提下,对于城市立面建筑建模场景,焦距越长,模型的建模效果反而越差。

    上一篇文章第4点讲解了焦距与视场角的关系:在其他参数相同的前提下,焦距只会影响航高。如图所示,现有两个镜头,红色表示长焦镜头,蓝色表示短焦镜头。长焦镜头与墙面所形成的最大夹角是α,短焦镜头与墙面所形成的最大夹角是β。

    睿铂倾斜摄影相机与建模效果(二)

    显然:β>α

    这个夹角大小表示什么呢?镜头视场边缘线与墙面的夹角越大,镜头相对于墙面也就越水平。在建筑物立面信息采集时,短焦镜头能够更水平地采集墙面信息,建立的模型也就能够更好地反映出立面的纹理。

    所以对于有立面的场景,镜头焦距越短,采集的立面信息越丰富,建模效果越好。

    前面我们说到,对于有屋檐的场景,D3的建模效果没有D2好。这是因为在地面分辨率相同的条件下,镜头焦距越长,无人机航高越高,屋檐下面的盲区就会越多,那么模型的拉花就会越严重。

    如下图所示,若虚线表示屋檐,则长焦镜头的视野被遮挡的部分相对更多。

    睿铂倾斜摄影相机与建模效果(二)

    所以这种场景中,拥有更长焦距镜头的D3比D2采集数据建立的模型拉花更加严重。



    航高与效果的矛盾

    根据上述焦距与模型效果的逻辑,如果镜头焦距足够短,视场角足够大,实际根本不需要多镜头,一个超广角镜头(鱼眼镜头)就可以把所有方向视角信息采集完。

    睿铂倾斜摄影相机与建模效果(二)超广角镜头拍摄的航片

    那是不是把镜头焦距尽可能地设计短,就万事大吉?

    显然不是!先不提超短焦距会导致大畸变的问题,假如将DG3pros的正射镜头焦距设计成10mm,按2cm分辨率采集数据,无人机航飞高度只有51米。

    如果无人机搭载这样设计的倾斜相机外出作业,肯定险象环生。

    PS:虽然超广角镜头在倾斜摄影建模中使用场景有限,但是对于激光雷达建模却很有实际意义。之前,美国的phoenix激光雷达公司就曾委托睿铂,希望设计一款搭配其激光雷达产品的广角镜头航测相机,用于地物判读和纹理采集。



    从D3到DG3

    D3的实测数据让我们认识到,对于倾斜摄影而言,焦距并不能单调追求长或者短。焦距的长短与模型的效果,航飞效率,作业飞行的高度密切相关。

    根据《低空数字航空摄影规范》,相对航高的技术公式为:
    H=f*GSD/a

    H:相对航高
    f:摄影镜头的焦距
    GSD:影像地面分辨率
    a:像元尺寸大小

    通过公式我们可知:
    相对航高(H)与镜头焦距(f)是正比例函数,影像分辨率(GSD)决定函数的斜率。无论焦距增加或者降低,航飞高度边际变化的效用是不变的。

    镜头视场角可以用下列公式表示:



    θ=2arctan(d/2f)

    θ:镜头视场角(fov)
    d:传感器尺寸
    f:镜头的等效焦距

    通过公式我们可知:
    镜头视场角(θ)与镜头焦距(f)是反正切函数,当镜头焦距(f)无限趋近于0,镜头的视场角(fov)接近等于180°,即所谓的鱼眼镜头。

    睿铂倾斜摄影相机与建模效果(二)

    其函数图像为上图所示:当镜头焦距(f)无限大,镜头的视场角(fov)无限小。在镜头焦距较短阶段,函数斜率较大,焦距的变化对模型效果的提升边际效用增大。

    在镜头焦距在较长阶段,函数斜率较小,随着焦距无限增加,斜率趋近于0。表示随着焦距的增加,焦距的变化对模型的效果提升边际效用降低。

    所以在镜头研发过程中,需要考虑的第一个问题就是:镜头的焦距值应该怎么选取?短焦固然建模效果好,但是航飞高度低,存在极大的安全隐患;为了保证航飞的安全,则必须要把焦距设计长一些,但是盲目拉长焦距,又会影响作业效率和建模效果。

    航高与建模效果存在一定的矛盾关系,我们必须在这些矛盾中寻求一个折中点。

    基于对这些矛盾因素的综合考虑,在D2、D3的基础上,睿铂研发出了DG3倾斜摄影相机。DG3既兼顾了D2的效果,又兼顾D3的航高,同时还增加了散热和除尘系统,使之也能够在固定翼无人机上使用。

    睿铂倾斜摄影相机与建模效果(二)RIY-DG3

    DG3是睿铂销售最多的一款倾斜摄影相机,应该也是市面使用最广泛的无人机倾斜摄影相机。

    睿铂倾斜摄影相机与建模效果(二)睿铂倾斜摄影相机与建模效果(二)睿铂倾斜摄影相机与建模效果(二)

    在DG3研发过程中,我们在同一场景中的设置不同参数来测试对比模型效果。在室内,我们也专门设计了模拟测试台。

    模拟测试台



    D3的应用

    D3并非一无是处,它的长焦距镜头使它在以下场景中,有着非常好的建模效果。如自然灾害的滑坡、泥石流这种落差大且非竖直面的场景。还有一些城市高楼场景,为了保证足够的分辨率也只有选择D3。

    D3的滑坡场景建模效果

    不同场景的特点不一样,为了保证模型效果,要根据具体的环境特点综合考虑到底选取什么设备来完成任务



    后记

    本文给大家介绍了睿铂D2、D3、DG3三款相机在焦距问题上的研发历程与思考,下一篇文章,睿铂将继续介绍为了进一步提高建模效果,pros系列倾斜相机做了哪些改进。

    关于更多的倾斜摄影技术资讯,欢迎大家回顾成都睿铂微信公众号往期内容分享,大家有任何疑问,可以在评论区或者后台留言。

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