摄影的基本知识与影像误差处理ppt课件

第二章 摄影的基本知识与影像误差处理,21 摄影原理与摄影机,22 摄影处理与像片的晒印,23 航空摄影与摄影测量对摄影的基 本要求,24 像片影像的误差及处理,25 彩色摄影与其他摄影,1,21 摄影原理与摄影机,一、摄影原理 (1)摄影是根据小孔成像原理，用一个摄影物镜代替小，在像面处放置感光材料，物体的投射光线经摄影物镜后聚焦于感光材料上，感光材料受成像光线的光化学作用后生成潜像，再经摄影处理得到光学影像，这一过程称为摄影。 (2)摄影的主要工具是摄影机。被摄物体在感光材料上的影像所获得的成果，此成果统称为像片。由于感光材料的片基上涂布不同的感光乳剂，使感光材料有正性和负性之分。,2,21 摄影原理与摄影机,一、摄影原理 (3)负性感光材料多用于摄影，曝光后的负性感光材料经摄影处理后所得影像，对黑白摄影而言，黑白灰度与被摄物的明亮程度相反，故称这类像片为负片，习惯上也称底片。 (4)正性感光材料多用于晒印像片，影像的黑白灰度由负片反转过来，其影像的黑白灰度与被摄物的明亮度一致。所以，这类像片习惯称为正片。用软片晒印的此类像片，称为正片。用软片晒印的此类像片，称为透明正片。两类感光材料在曝光和摄影处理的光化学作用与反应基本是相同的。,3,21 摄影原理与摄影机,二、摄影机 (1)摄影机的结构形式种类繁多，其基本结构大致相同，它可由镜箱和暗箱两个基本部分组成，如图2-1所示。,A,B,镜箱,物镜,D,d,b,a,4,21 摄影原理与摄影机,二、摄影机 (2)镜箱是摄影机的光学部分，它包括物镜筒，镜箱体和像框平面。物镜筒内嵌有摄影物镜、光圈和快门。镜箱体是一可以调节摄影物镜与像框平面之间距离的封闭筒。暗箱是存放感光材料用的，安装在镜箱体的后面，摄影时借助机械或其他装置的作用，使感光材料平并紧贴在像框平面上。 (3)像框平面就是光线通过摄影物镜后的成像平面。镜箱体和暗箱都必须密闭不得漏光。量测用的摄影机镜箱和暗箱是可以分开的，它一般备有多个暗箱。,5,21 摄影原理与摄影机,二、摄影机 1.摄影机物镜 (1)摄影机物镜是一个复杂的光学系统，它是由多个透镜组合而成。在摄影是起成像和聚光作用，它能聚集被摄物体较多的投射光线，使得像框平面上的影像有较高的亮度。 (2)被摄物体影像的质量主要取决于摄影物镜的品质。单透镜物镜有各种像差，为克服像差的影响，一般摄影机物镜都是由几个组合透镜组合而成。 (3)透镜两球面曲率中心的连线是透镜的光轴，物镜光学系统中诸透镜的光轴应重合为一,6,21 摄影原理与摄影机,二、摄影机 1.摄影机物镜 (3)透镜两球面曲率中心的连线是透镜的光轴，物镜光学系统中诸透镜的光轴应重合为一，即为物镜的主光轴。物体的投射光线经诸透镜界面的逐次折射后，最终取得折射光线。如图2-2所示,7,21 摄影原理与摄影机,二、摄影机 1.摄影机物镜,A,B,h,h,Q,Q,C,F,a,b,c,F,d,D,(3)假定物方空间有一平行于主光轴的光线AB，经物镜诸透镜界面折射后得折射光线CD，折射光线CD偏向主光轴，并相交于主光轴F点延长AB和CD相交于点h，这相当于入射光线AB是在h点处发生折射得CD折射光线。,S,S,8,21 摄影原理与摄影机,二、摄影机 1.摄影机物镜,(6)由于光线的可逆性，这两个平面都是投射光线的折射面。综上所述，不论物镜由多少个透镜组成，经过多少次的折射，其结果都相当于在主平面Q和Q上发生折射，由此，可以用主平面Q和Q作为等价物镜，在作图时采用Q和Q来代表物镜实体。 (7)主平面Q和Q将空间分为两部分，物体所处在的空间称为物方空间，影像所处在的空间称像方空间，因此，Q和Q也相应称为物方主平面和像方主平面。,9,21 摄影原理与摄影机,二、摄影机 1.摄影机物镜,(8)平面Q和Q与物镜主光轴的交点S和S也相应称为物方主点和像方主点。由物方平行于主光轴的诸投射光线经特镜折射后，诸折射光线都交于主光轴的像方焦点F上； (9)而一组与主光轴斜交的投射光线，经物镜折射后若为平行于主光轴的平行线组，那么诸投射光线必然交于主光轴的F点上，该点为物方焦点。,10,21 摄影原理与摄影机,二、摄影机 1.摄影机物镜,(10)自像方主点S到像方焦点F之间的距离称为物镜的像方焦距，也用F表示。相应地自物方主点S到像方焦点F之间的距离称为物方焦距，仍用F表示。 (11)显然无穷远点的发射光线，可视为平行光线，经物镜折射后均应会聚于某一点处。在平面Q和Q之间的光线途径可理解为总是平行于主光轴的。,11,21 摄影原理与摄影机,二、摄影机 1.摄影机物镜,(12)上述的像空间和物空间、像方主点和物方主点、像方主平面和物方主平面、像方焦点和物方焦点以及像方焦距和物方焦距等都是相互对应的。 (13)显然无穷远点的发射光线，可视为平行光线，经物镜折射后均应会聚于某一点处。在平面Q和Q之间的光线途径可理解为总是平行于主光轴的。,12,21 摄影原理与摄影机,二、摄影机 1.摄影机物镜,(14)在由物点发射的诸入射光线和经物镜出射的诸成像光线中，有一对共轭光线，其入射光线与主光轴的夹角和出射成像光线与主光轴的夹角恰好相等，如图2-3所示。此时共轭光线与主光轴的交点分别为k和k,称k为前方节点，点k为后方节点。前节点又称物方节点，后节点也称像方节点。,13,21 摄影原理与摄影机,二、摄影机 1.摄影机物镜,(15)一个物镜有一对主点，一对焦点和一对节点。当物方空间和像方空间介质相同时，理想的物镜，一对节点正好与一对主点重合。这时物镜的主点就具有节点的特性，即= ，像方焦距等于物方焦距。具有节点的一对共轭光线，正好通过物镜主点，称此投射光线为某一物点的主光线。 (16)设想物镜的两个主平面重合，由于主光线的= ，则投射光线与折射光线为一条直线，在像平面位置一定时，物点在像片平面上的影像可以由主光线与像片平面的交点来确定。,14,21 摄影原理与摄影机,二、摄影机 1.摄影机物镜,(16)设想物镜的两个主平面重合，由于主光线的= ，则投射光线与折射光线为一条直线，在像平面位置一定时，物点在像片平面上的影像可以由主光线与像片平面的交点来确定。,15,21 摄影原理与摄影机,二、摄影机 1.摄影机物镜,F,b,F,a,A,B,S,S,D,d,X,F,F,x,16,21 摄影原理与摄影机,二、摄影机 1.摄影机物镜,F,b,F,a,A,B,S,S,D,d,X,F,F,x,17,21 摄影原理与摄影机,二、摄影机 1.摄影机物镜 在图示2-3中，物方主平面Q到物点A的距离D，称为物距；像方主平面Q像点a的距离d,称为像距。物镜的焦距为F。由光学成像公式可知,（2-1）,18,21 摄影原理与摄影机,二、摄影机 1.摄影机物镜 （2-1）式称为构像公式。表示一个物点发出的所有投射光线，经理想物镜后所有对应的折射光线仍然会聚于一个像点，则这个像点是清晰的。若物距和像距分别取焦点F和F为起算点，相应的物距和像距用X和x表示，则得构像公式的另一种形式。,（2-2）,19,21 摄影原理与摄影机,三、摄影机简介 1.普通摄影机 略 2.量测摄影机 (1)这类摄影机是指的航空摄影机、地面摄影测量经纬仪，以及近景摄影测量用的摄影机。这种摄影机的物镜要求具备良好的光学特性，其物镜的畸变差要小，分辨力要高，透光率要强。而且摄影机的机械结构要稳定，要求在较长时间内能保持内在关系不发生变化。,20,21 摄影原理与摄影机,三、摄影机简介 1.普通摄影机 略 2.量测摄影机 (2)用于测绘地形的航摄仪、摄影经纬仪，由于摄影的物距要比像距在得多，摄影时摄影物镜都是固定调焦于无穷远点处。因此，像距是一个不变的定值，几乎等于摄影物镜的焦距。用于近景摄影测量的摄影机，一般备有几个固定像片主距的附加垫环或更换物镜，以适应不同距离摄影的需要。因此，量测用摄影机的像距是一个固定的已知值。,21,21 摄影原理与摄影机,三、摄影机简介 2.量测摄影机 (3)量测用摄影机镜箱体的后部，即物镜筒和暗箱的衔接处有一个金属的贴附框架，框架的四边严格处于同一平面内，也就是像平面，此平面严格与物镜的主光轴相垂直。框架的每一边中点各设有一个框标记号，有时将框标记号设在框架的角偶上，前者为机械框标，后者为光学框标。两框标连线的交点要与主光轴和像平面的交点。尽量重合，且两框标连线要成正交，组成框标坐标系，其交点就是坐标系原点。框架的中间空出部分是像幅，航空摄影仪的,22,21 摄影原理与摄影机,三、摄影机简介 2.量测摄影机 (4) 框架的中间空出部分是像幅，航空摄影仪的像幅都是正方形，地面摄影机和摄影经纬仪的像幅多为长方形。可以认为，摄影机像面框架上有无框标标志，是作为区分量测用摄影机和非量测用摄影机的重要标志。 (5) 摄影机主光轴与像平面的交点称为像片主点，摄影机物镜后节点到像片主点的垂距称为摄影机主距，也叫像片主距，一般用f表示。,23,21 摄影原理与摄影机,三、摄影机简介 2.量测摄影机 (6)摄影机结构设计时要求像片主点应与框标坐标系原点重合。由于制造技术上的误差，常常达不到完全重合的要求，但是必须精确地测定出像片主点在框架坐标系中的坐标值x0,y0,把像片主距f和像片主点在框架坐标系中的坐标x0,y0称为摄影机的内方位元素，或叫像片的内方位元素，它能唯一确定物镜后节点在框标坐标系中的唯一位置。量测用摄影机的内方位元素是已知的。,24,21 摄影原理与摄影机,三、摄影机简介 2.量测摄影机 航摄机可按摄影机的焦距和像场角分类，可分为： 短焦距航摄机，其焦距为F100； 中焦距航摄机 其焦距为150mm300mm,相应的像场角为2100；,25,23 航空摄影与摄影测量对摄影的基本要求,一、航空摄影 以测绘地形为目的的空中摄影多采用竖直摄影方式，要求航摄机在曝光的瞬间物镜主光轴保持垂直于地面。实际上，由于飞机的稳定性和摄影操作的技能限制，航摄机主光轴在曝光时总会有微小的倾斜，按规定要求像片倾角应小于2-3度，这种摄影方式称为竖直摄影。,26,23 航空摄影与摄影测量对摄影的基本要求,二、摄影比例尺的选择 摄影比例尺是指空中摄影计划设计时的像片比例尺。航摄比例尺的选择取要以成图比例尺、摄影测量内业成图方法和成图精度等因素来考虑，另外还要考虑经济性和摄影资料的可使用性。摄影比例尺可分为大、中、小三种比例尺。应该指出，随着航摄质量的不断提高，当航摄像片只作判读，或进行旧图修测使用时，摄影的像片比例尺还可以选小一些。,27,23 航空摄影与摄影测量对摄影的基本要求,28,23 航空摄影与摄影测量对摄影的基本要求,三、摄影测量对空中摄影的基本要求 1.摄影比例尺 在同一高度是进行空中摄影，所得像片的比例尺基本一致。但由于空中气流或其他因素的影响，会使摄影时的飞机产生升或降，因而使摄比例尺发生变化。像片比例尺是由摄影机的主距和摄影的高度（或距离）来确定的，即,(2-8),29,23 航空摄影与摄影测量对摄影的基本要求,三、摄影测量对空中摄影的基本要求 1.摄影比例尺 式中m为像片比例尺分母，f为摄影机主距，H为摄影高度或称航高。 从(2-7)式看出，主距f、航高H的变化都会影响摄比例尺的变化。对一架航摄机而言，主距是一个固定不变的常数，因此影响摄影比例尺变化的因素主要是航高的变化。设航高的变化量为H，空中摄影时飞行航高H的变化量H(也称航高差)应限制为,30,23 航空摄影与摄影测量对摄影的基本要求,三、摄影测量对空中摄影的基本要求 1.摄影比例尺 另外，测量规范还规定同一航高与最小航高之差不得大于30m；摄影区域内实际航高与设计航高之差不得大于50m;航高是指摄影飞机在摄影瞬间相对某一水准面的高度，从该水准面起算向上为正号。根据所取基准面的不同，航高可分为相对航高和绝对航高,(2-12),31,23 航空摄影与摄影测量对摄影的基本要求,一、摄影测量对空中摄影的基本要求 (1)相对航高 相对航高是指摄影机物镜相对于某一基准面的高度，常称为摄影航高。它是相对于被摄区域内地面平均高程基准面的设计航高。是确定航摄飞机飞行的基本数据，按H=m.f计算得到。 (2)绝对航高 它是相对于平均海平面的航高，是指摄影物镜在摄影瞬间的真实海拔高度。通过相对航高H与摄影地区地面平均高度A地计算得到,32,23 航空摄影与摄影测量对摄影的基本要求,三、摄影测量对空中摄影的基本要求 H地=H+A地 2.像片重叠度 摄影测量使用的航摄像片，要求沿航线飞行方向两相邻像片上对所摄地面有一定的重叠影像，这种重叠影像部分称为航向重叠度。对于区域摄影(即面积航空摄影)，要求两相邻航带像片也需要一定的影像重叠，这种重叠影像部分称为旁向重叠度。像片重叠度是以像幅边长的百分数表示，即,33,23 航空摄影与摄影测量对摄影的基本要求,(2-14),三、摄影测量对空中摄影的基本要求 式中，lx,ly表示像幅的边；Px,Py表示航向和旁向重叠影像部分的边长。 像片的重叠度是立体观察和像片连接所必需的条件。在航向方向必须要三张相邻像片有公共重叠影像，这一公共重叠部分称之为三度重叠部分，如图2-8所示。,34,23 航空摄影与摄影测量对摄影的基本要求,三、摄影测量对空中摄影的基本要求 2.像片重叠度 三度重叠中的,像片的重叠部分不能太小。因为像片最边缘部分的影像清晰度很差，会影响量测的精度。一般情况下，要求航向重叠度最小不能小于53%，旁向重叠度不能小于15%。,35,23 航空摄影与摄影测量对摄影的基本要求,三、摄影测量对空中摄影的基本要求 2.像片重叠度 最好航向保持在60%-65%，旁向重叠度保持在15%-30%。在摄影比例尺确定之后，航向重叠度与摄影基线的长度有关，旁向重叠度与两相邻航带之间的航带间隔距离有关。 设地面平坦，飞机保持水平飞行，其摄影航高为H，摄影机主距为f,飞机沿航向方向在S1和S2处分别摄得水平像片P1和P2。此时在S1和S2位置上摄影机物镜主光轴均与地面相垂直。如图2-9所示。,36,23 航空摄影与摄影测量对摄影的基本要求,三、摄影测量对空中摄影的基本要求 2.像片重叠度,37,23 航空摄影与摄影测量对摄影的基本要求,三、摄影测量对空中摄影的基本要求 2.像片重叠度 图中S1和S2为相邻摄影站，两摄影站之间的距离(B)称为摄影基线。像片的像幅边长为l，其相应被摄地面的实际长度为L。因为S1S2A2A1为平行四边形，则得摄影基线,(2-15),38,23 航空摄影与摄影测量对摄影的基本要求,三、摄影测量对空中摄影的基本要求 由图2-9中看出 将L代入(2-15)式中,(2-16),(2-17),39,23 航空摄影与摄影测量对摄影的基本要求,三、摄影测量对空中摄影的基本要求 考虑摄影机主光轴的倾斜和地面起伏对重叠度的影响，则航向重叠度的实用公式为 式中h为摄区内地面高差，H为摄影航高。正常规定航向重叠度Px%=65%。,(2-18),40,23 航空摄影与摄影测量对摄影的基本要求,三、摄影测量对空中摄影的基本要求 2.像片重叠度 同理可得旁向航带间距 顾及到地形起伏的影响，旁向重叠度的实用公式为,(2-19),(2-20),41,23 航空摄影与摄影测量对摄影的基本要求,三、摄影测量对空中摄影的基本要求 2.像片重叠度 需要注意的是：正常规定航向重叠度Px=65%；旁向重叠度Py%=30%。 4.像片旋偏角 相邻两像片的主点连线与像幅沿航带飞行方向的两框标连线之间的夹角称为像片的旋偏角，如图2-10所示。用k表示。对像片的旋转角，一般要求小于6,个别最大不应大于8，而且不能连续三片有超过6的情况。,42,23 航空摄影与摄影测量对摄影的基本要求,三、摄影测量对空中摄影的基本要求 4.像片旋偏角,43,23 航空摄影与摄影测量对摄影的基本要求,四、空中摄影质量的评定 (1)负片上影像是否清晰、框标影像是否齐全、像四周指示器件的影像是否清晰可辨； (2)由于太阳高度角的的影响，地物阴影长度是否超过摄影规范的规定，地物阴暗和明亮部分的细部能辨认清楚； (3)航摄负片上是否符合要求，影像反差不得大于规范要求； (4)负片上是否存在云影、划痕、折伤等现象 (5)航带的直线性、航带间的平行性、像片影像的重叠度、航高差和摄影比例尺等。,44,24 像点位移的误差及处理,一、摄影机物镜畸变对像片影像的影响 二、摄影感光材料变形的影响 三、大气折射的影响 四、地球曲率的影响,45,24 像点位移的误差及处理,一、摄影机物镜畸变对像片影像的影响 由于摄影机物镜在加工、安装和调试过程中都难免存在一定的残余像差，这一残余像差就会引起物镜的畸变。物镜的畸变差有两种，一是径向畸变差，另一是切向畸变差。后者比前者小得多，仅为径向畸变差的1/5-1/7。因此，生产中一般只测定径向畸变差，并对它的影响进行改正。径向畸变是在以像主点为中心的辐射线上，一般改正只考虑对称性的径向畸变差，不讨论非对称性的径向畸变差。,46,24 像点位移的误差及处理,一、摄影机物镜畸变对像片影像的影响 对称的均匀畸变差可用一元多项式来表达 式中r为像点的径向半径，即为像片上像点到像主点的距离；r为畸变差；k0,k1,k2,k3,为径向畸变差系数。在改正像点畸变差影响时，常规作法是分别在X、Y方向进行改正。,(2-22),47,24 像点位移的误差及处理,一、摄影机物镜畸变对像片影像的影响 像点坐标的改正公式可写为 式中r=，x,y为像点坐标； x, y为像点改正值；k0,k1,k2,k3,为物镜畸变差改正系数。,(2-23),48,24 像点位移的误差及处理,三、大气折射的影响 大气密度随着高度的增大而减小，大气的折射率也随高度的增加而减小。因此，摄影光线通过大气时不是沿理想的直线前进，如图2-12所示，而是一折线。地面A点的理想构像为a,实际光线通过物镜后成像于a的位置，aa是像点位移的距离。这种大气折光引起的像点位移，用r表示。可用下式表达：,49,24 像点位移的误差及处理,三、大气折射的影响 式中：r为大气折光引起的像点径向改正值； r为像点的辐射半径，即 ;f为摄影机的主距；rf为折光差角，即 , 其中n,nH为大气在地面与航高为H时的折射率，iH为H高度时摄影光线的入射角。,(2-26),50,24 像点位移的误差及处理,三、大气折射的影响,51,24 像点位移的误差及处理,三、大气折射的影响 由式2-26可求得像点坐标的改正值为：,(2-27),52,24 像点位移的误差及处理,四、地球曲率对像点坐标的影响 地球的不准面是曲面，而地形图的基准面是一水平面，摄影的像片在摄影测量处理中是取与水平面平行，这样地面上点的构像于像片平面上是要受到影响的。如图2-13所示。,53,24 像点位移的误差及处理,四、地球曲率对像点坐标的影响,54,24 像点位移的误差及处理,四、地球曲率对像点坐标的影响 当不考虑大气折光差的影响时，地面点A在像片上的构像为a点。A点在基准面E上的投影为A0，A0点在像片上的构像a点。线段aa即为地球弯曲引起的像点移位，以r表示。由图2-13中可知：,55,