环形闪光灯对数字近景摄影测量的影响测试

马开锋黄桂平崔希民蔡庆空

（1.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京 100083；2.华北水利水电大学资源与环境学院，河南 郑州 450045）

环形闪光灯对数字近景摄影测量的影响测试

马开锋1，2，黄桂平2，崔希民1，蔡庆空1

（1.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京 100083；2.华北水利水电大学资源与环境学院，河南 郑州 450045）

为验证环形闪光灯在数字近景摄影测量使用中的效能，直接采用闪光灯光强调节测试法，通过使用多个品牌型号的环形闪光灯分别在被测物不同距离处，调节不同光强输出，对获得的系列数字影像进行成像像素灰度值与测量准确度分析。结果表明：数字近景摄影成像像素灰度值和测量准确度均与摄影距离及闪光灯光强输出大小有密切关系，而且适度调节环形闪光灯光强大小能够使得成像质量与测量准确度达到最优，可以满足大尺寸工业测量的要求，从而为数字近景摄影测量过程中环形闪光灯及光强大小的选择提供数据依据与参考。

数字近景摄影测量；环形闪光灯；测量准确度；光强；像素灰度值

0 引 言

数字近景摄影测量通过在不同的位置和方向获取同一物体的2幅以上数字图像，经计算机图像识别、定位、匹配等处理及相关数学计算后得到待测点精确的三维坐标[1-3]。近年来，国内外开展了大量关于数字近景摄影测量系统的理论与应用研究，特别是对影响数字近景摄影测量系统准确度的因素，如像点坐标的准确性、摄站间的交会几何图形、被摄影物体的大小及像片数目与重叠度等[4-7]。在视觉应用系统中，光源是影响摄像质量的关键因素[8]，但数字近景摄影测量系统中的闪光灯在其测量过程中的影响效能至今未见报道。基于环形微距闪光灯所具有的闪光特点，目前数字近景摄影测量系统中为了获得较好的成像质量及测量准确度一般均采用环形微距闪光灯（见图1）。本文针对目前国内外几种常用品牌型号的环形微距闪光灯分别在数字近景摄影测量使用中的性能进行了测试，测试内容主要包括其对成像质量及测量准确度两个方面的影响，得到了一些有益的结论，为数字近景摄影测量系统中闪光灯及光强大小的最佳选择提供了数据依据。

图1 SUNPAK AUTO DX 16R环形微距闪光灯

1 闪光灯概况

环形微距闪光灯具有无阴影、无暗角闪光的特点，是微距摄影和人像摄影的利器[9]。结合数字近景摄影测量系统中标志点的反光效能及成像需求，环形微距闪光灯也是数字近景摄影测量系统中必备的重要元件。目前，国内外有关环形微距闪光灯的生产厂家很多，为鉴别其闪光灯在使用中的效能，特别是在数字近景摄影测量中对最终测量准确度的影响，本文选择了7种常用品牌（日清、新霸、美科、威肯、唯卓、神牛、永诺）中各一种环形微距闪光灯进行了测试研究。7种环形闪光灯的主要相关参数如表1所示。

2 测试过程与结果

整个测试工作在郑州辰维科技股份有限公司的实验室内（无强光、无日光灯照射）进行，被拍摄对象为实验室内固定三维控制架，其上均匀布设有回光反射标志点[1，10]，共计约1 250个，范围约为3 m×2 m× 0.6m，如图2所示。

测试中均采用NIKON D3测量型相机，其相关参数为：焦距24mm，CMOS尺寸36.0mm×23.9mm，分辨率4256×2832pixels，光圈f 22.0,曝光时间1/250s。

表1 环形微距闪光灯主要参数

图2 标志点布设示意图

2.1 成像像素灰度测试

为测试表1中7种不同品牌型号环形微距闪光灯的光强输出效果及成像像素灰度情况，分别距离被测物三维控制架的中横梁约3，5，8，10 m的地方拍摄多张影像（至少3张），并且要求相机与被测物三维控制架的中横梁基本水平等高，以便在三维控制架的中横梁上取点进行像素灰度值的统计分析。

2.1.1 各闪光灯最低光强输出时的测试

为研究各闪光灯的最低光强输出对成像像素所反映的效能，分别随机抽取上述所摄影像三维控制架中横梁上的某些标志像点进行像素灰度值的统计分析，由于标志点像素最大灰度值能体现出成像像素的曝光情况，如是否过度曝光或曝光不足等，故本文均采用标志点像素最大灰度值为统计分析对象。

以距离被测物3m时所摄影像为例，测试结果经统计分析发现，神牛ML-150、唯卓JY-670N、永诺YN-14EX这3种闪光灯分别在其最低输出光强为1/16、1/128、1/64时显示出对物方标志点的成像曝光稍微不足，测试标志点（图2圈中点，其余点也有相近或相同的结果）的最大灰度值分别约为125，96，159，造成标志点成像像素灰度区域较小且无任何背景略显，从而影响到高准确度的影像特征提取与定位以及物方点方位的辨认等。若摄影距离更远，如5，8，10m，则其标志点成像像素数更少、灰度值更低，故这3种品牌型号闪光灯在后续的实验测试中不再使用。

图3 标志点像素最大灰度值变化图

2.1.2 各闪光灯不同光强输出、不同距离的测试

对其余4种品牌型号的环形微距闪光灯在不同的光强大小输出情况下，在距离被测物标志点分别约为3，5，8，10m的地方拍照测试。同样取图2中圈中点的灰度值进行统计分析（其余点也有相近或相同的结果），得到了各闪光灯所反映的影像标志点像素最大灰度值的情况，如图3所示。

由图中所反映的标志点像素最大灰度值的情况可以看出：在同一光强大小输出情况下，各闪光灯所反映的标志点像素最大灰度值随着摄影距离的增大近似呈线性减小的趋势，但输出光强较大时（≥1/8）则可能会造成影像过度曝光而失去此特性；而不同品牌型号的闪光灯，即使具有相同的闪光指数（见图3（a）与图3（b）、图3（c）与图3（d）），在同样距离、同样光强分量输出大小下所反映的标志点像素最大灰度值也略有不同，这标志着各闪光灯同样光强分量大小输出下有不同的光强输出效能。

2.2 测量准确度测试

为测试各闪光灯对数字近景摄影测量准确度的影响，采用2.1.2中的4种环形微距闪光灯分别在不同光强时距三维控制架不同距离处（3，5，7m），在等准确度观测条件下，采用相同的测量网形，即在分布均匀的左、中、右、上、中、下9个位置，在多次旋转相机的情况下分别拍照（摄站分布如图4所示，即在4个角及中心摄站均以900间差旋转4次相机拍摄，其他旋转2次），每种闪光灯均拍摄5组，每组均拍摄28张照片，用V-STARS软件进行数据处理。然后分别用光束法平差计算各组的三维坐标，并根据误差传播定律进行测量准确度估计，分别得到X、Y、Z方向及点位P与像点测量的均方根误差（RMS）。最后再根据公共标志点分别进行两组坐标间的坐标系统转换统一，从而分别得到不同品牌型号环形闪光灯在不同光强情况下的坐标转换差值的X、Y、Z方向及点位P的均方根误差（RMS）——坐标重复性测量准确度。最终光束法平差结果因篇幅所限，以表格形式只给SUNPAK AUTO DX 16R的光束法平差精度估计均值及坐标重复测量准确度，见表2，其他以图示综合给出，如图5～图7所示。

图4 摄站分布图

由表2及图5～图7可以看出，每种闪光灯在某一距离处，均有一光强输出值使得其最终的测量精度达到最佳，如新霸SUNPAK AUTO DX 16R闪光灯分别在距离3，5，7m，光强输出分别为1/32、1/64、1/64时，均获得了其最佳测量准确度估计值。但需注意，有时不能全依靠精度估计值来衡量最终结果的优劣，必要时还要结合2.1中所述的成像质量来综合考虑。同时也可看到，当闪光灯的光强输出太强或太弱时，均会造成成像质量不佳，同样影响了最终的测量准确度。

表2 光束法平差精度估计均值及坐标重复测量精度统计表（SUNPAK AUTO DX 16R）

图5 距离被测物3m时4种闪光灯在不同光强时所反映出的精度估计变化图

3 结束语

在数字近景摄影测量中，影响其成像质量与测量准确度的因素很多，但闪光灯在其中的影响作用却常常被忽略，若能掌握闪光灯在其中的作用规律从而对闪光灯及光强大小做出正确有效的选择，则会对数字近景摄影测量的最终高精度成果提供了更有力的保证。综合各闪光灯在数字近景成像像素灰度值及测量精度方面的统计分析，可以得到：

1）在同一光强输出情况下，像素最大灰度值随着摄影距离的增大近似呈线性减小的趋势。

2）不同品牌型号的闪光灯，即使具有相同的闪光指数，在相同距离处其所反映的标志点像素最大灰度值也有所不同，体现了各闪光灯的光强输出效能。

3）闪光灯在距被测物一定距离处，结合成像质量综合考虑，均有其最佳的闪光强度输出值，由此能够在数字近景摄影测量中做出最佳闪光灯光强输出的选择。

图6 距离被测物5m时4种闪光灯在不同光强时所反映出的准确度估计变化图

图7 距离被测物7m时4种闪光灯在不同光强时所反映出的准确度估计变化图

[1]卢成静，黄桂平，李广云.数字摄影测量用于天线热变形测量的准确度测试[J].测绘通报，2007（7）：5-7.

[2]黄桂平，钦桂勤，卢成静.数字近景摄影大尺寸三坐标测量系统V-STARS的测试与应用[J].宇航计测技术，2009，29（2）：5-9.

[3]张建霞，王留召，王宝山.数字近景摄影测量测图应用探讨[J].测绘科学，2006，31（2）：47-48.

[4]黄桂平.数字近景工业摄影测量关键技术研究与应用[D].天津：天津大学，2005.

[5]Fraser C S.Optimization of networks in non-topographic photogrammetry[C]∥ In：Karara H M.Non-Topographic photogrammetry（Second edition）.American society for photogrammetry and remote sensing,Falls Church，Virginia，1989：95-106.

[6]钦桂勤.模拟失重环境星载天线型面水下摄影测量技术研究[D].郑州：解放军信息工程大学，2011.

[7]刘凤英，陈天恩，王冬，等.一种五拼组合宽角近景摄影测量相机的研制[J].测绘科学，2014，39（4）：102-105.

[8]田原嫄，谭庆昌.照明系统对图像检测准确度影响的研究[J].应用光学，2011，32（5）：922-925.

[9]乌心怡，石雪俊.微距照明全面手日清环形闪光灯MF18[J].影像视觉，2012（9）：118-119.

[10]冯文灏.回光反射标志的性能与使用[J].测绘通报，1993（4）：12-14.

The influence tests of ring flash on digital close-range photogrammetry

MA Kaifeng1，2，HUANG Guiping2，CUI Ximin1，CAI Qingkong1
（1.College of Geoscience and Surveying Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China；2.School of Resources and Environment，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450045，China）

In order to verify the effectiveness of a ring flash for using in the digital close-range photogrammetry，the test methods of light intensity adjustment for flash was used.The results of statistical analysis for the pixel gray value and the measuring accuracy of the obtained series digital image was researched by using the flash lamps of multiple brands and adjusting the different light intensity output in different measured distances respectively.The results showed there were close relationships between the digital image pixel gray value or measuring accuracy and the measured distances or different flash output intensity，and the suitable flash intensity could make the joint effect to achieve optimal for imaging quality and measurement precision，and it can meet accuracy requirements of large size industrial measurement.Thus it provides the data basis for choice of the flash and flash intensity in digital close-range photogrammetry.

digital close-range photogrammetry；ring flash；measurement precision；flash intensity；pixel gray value

A

：1674-5124（2015）07-0016-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.07.004

2014-12-19；

：2015-02-11

国家自然科学基金（51474217，41301598，41101373）国家科技重大专项（2009ZX04014-093）

马开锋（1978-），男，河南虞城县人，讲师，博士，主要从事精密工程测量与工业摄影测量方面的研究。