摄影测量

2022年 5月 5日
概要 

摄影测量技术是指提取相片中准确测量值的过程。几个世纪来,这项技术一直以不同的形式存在,帮助我们加深了对地面的认知。今天,这项技术依然在各行各业发挥重要作用。本篇文章旨在为您简要介绍该技术,了解其工作原理。

选择理由
相机的广泛使用让越来越多的人得以轻松创建3D模型,无论是用于工程还是CGI。
数据采集方式
在待进行CGI摄影测量的场景下使用相机拍摄,或使用带有摄影测量套件的相机,用于需要测量的应用场景。
适合人群
建筑项目工程师、遗产保护考古学家、电影/游戏行业CGI专家、测绘专家、土地测量师等诸多行业。

简介

摄影测量是一个内容丰富的话题。多年来越发受欢迎,可应用于各种不同场景,尽显神通。下面,我们将为您简要介绍摄影测量技术背后的重要概念、常用硬件以及该技术适用或不适用的情况。

首先,摄影测量如何定义。

摄影测量的定义

摄影测量技术是指提取相片中准确测量值的过程。如此定义或许过于简单,但英语单词中的词源其实已经说明了这项技术的关键所在:photo一词在希腊语中表示“光”,gramma一词表示“书写”或“绘图”, metron表示“测量”。

您可能也见过其他不同定义,包括根据电磁辐射能量等现象进行测量。这是由于在部分情况下,摄影测量的定义不仅包括摄影,还包括其他多光谱图像的数据。

要点:

摄影测量是根据相片获取可靠测量信息的一种方式。

但归根到底,该技术背后的原理依然相同:通过图像检验和解读,获得物理对象尺寸的可靠信息。在多数情况下,这些图像都是单反相机拍摄的普通图片。这即为本文使用的概念定义。

想象一下这样的场景:在某个经典的犯罪现场,在一件可疑物品边上有一把尺子作为比例尺,进行拍摄。这算是摄影测量吗?毕竟这也属于根据相片来测量物体的一种方式。

答案是否定的。我们来看看原因。

摄影测量的工作原理

我们将摄影测量定义为根据相片获取可靠测量信息的方式。“可靠”一词在这里颇为关键,可靠程度是摄影测量的要义所在。

回到前面所说的犯罪现场,比如我们有一张地面上的鞋印照片,边上还有一把法医测量尺。但是,哪怕有这么一把尺,我们也无法准确判断出鞋印尺寸。如果出现一个小土堆,鞋印存在弯曲,那么它一定比实际看起来小。

如果这只鞋印踩在了一个凸起的小土堆上,那从这个角度来看,鞋印看起来小于实际,因此由这张相片得出的尺寸不准确。

为了准确测量,我们必须考虑到表面的曲率。但如果相机是以俯瞰视角拍摄的鞋印,那就无法看出地面的轮廓。

那摄影测量技术是如何避免这一问题的呢?

简言之,就是通过不同位置和不同角度拍摄的重叠相片来判断。

摄影测量法会根据不同位置和角度拍摄的重叠相片,来推断场景的尺寸。

角度最关键

摄影测量离不开角度以及对角度的解读。摄影测量法技术的本质就是回归拍摄这一步。拍摄过程是将物体或场景平面化,而摄影测量则是刚好相反——根据2D形象中的线索,构建3D模型。

具体是如何做到的呢?

我们知道,相机拍摄物体的原理和人眼工作原理类似。例如,物体离镜头越近就显得越大。这也就是为什么一条笔直的路,会显得越来越窄,但其实它的宽度并未改变。

举个更形象的例子,1525年阿尔布雷特·丢勒的《画家手册》中也出现了这个概念:画中二人想精准画出琉特琴的几何外形。他们把琴放在类似窗户前的桌上,但用画布代替了窗玻璃。他们把一根绳子固定在观察者眼睛所在的位置,并将其穿过打开的窗户。

1525年阿尔布雷特·丢勒的《画家手册》中的一幅雕刻作品,展示了几何透视原理。摄影测量学正是利用这一概念根据平面图像推断三维数据。

随后,他们将绳子的另一端移动至琴上不同点,在窗户上记录下每个点对应的绳子位置,同时在画布上为窗框上每个绳子的位置画一个点。最后出现的就是琉特琴准确的点阵图。

摄影测量学即利用这些原理,来对物体的尺寸和物理特性进行推断。只要有足够多的重叠图片提供必要的空间信息,就有可能为整个物体或场景重建3D模型。

三角测量法

获得多份重叠相片是完成摄影测量的关键。在多份相片中识别同一点,考虑相机位置和朝向、焦距、镜头失真等变量的参数,可以确定这些点在3D空间中的位置。此即为三角测量法。

三角测量法通过识别重叠相片中的共同点,根据已知相机位置,来确定这些点在3D空间中的位置。

如果在至少两个不同位置拍摄的相片中识别出同一点,我们就能想象从两台相机的位置朝该点绘制直线。随后,即可精确计算出交点的位置。这些相交线条为目标点提供了X、Y、Z坐标轴。一旦有了一定数量的点,我们就能构建场景模型。

人类其实在不自觉的情况下做着相同的事。我们脑袋里就像装了两台间隔一定距离的相机,帮助我们感知深度和距离。

比例和方位

不过,有一点需要注意的是,摄影测量法只能获得模型内部比例,缺乏外部参考比例。为了让模型获得外部比例,还必须有一段已知距离。

这和我们的大脑类似,也需要一个已知物体来帮助大脑预估所见物体的大小。图片里乍眼看到的一幢楼宇,如果放上一枚参照硬币,可能会发现实际只是一个微缩模型。在摄影测量学中,刻度条即起到了硬币的作用。

摄影测量法可以提供内部比例,但没有外部比例。没有经过校准的T型比例尺作参照,就不可能知道曲轴有多大(或多小)

比例尺经过校准的线性直尺,上面印有标记点作为参照。这些标记经过编码,软件可以轻松识别每个标记。而未经编码的标记点(曲轴上的那些)只是高度对比的参照点,以便准确拼接图像。这些点软件无法精准识别。

比例尺上的标记点间隔距离已知,可用于物体外部比例的判断。为确保比例尺的准确度和稳定性,生产厂家必须使用特定的材料,使比例尺不受温度改变而变化。

标记点也能在拍摄相片前,放在场景周围,在拼接相片时,提供可靠的参照体系。

摄影测量软件可自动识别并匹配相片中的编码标记点,并据此对齐图像,确定模型的方向。非编码标记点可提供额外的参照,在软件处理时,检查模型是否准确。

品质和稳定性很重要

使用摄影测量法时,有几个重要因素需要考虑。包括相机、镜头在内的硬件决定了品质上限。此外,分辨率、清晰度、景深等其他因素也影响着图像质量。我们稍后会深入讨论这些方面。

但是,除了品质外,图像是如何拍摄的同样重要。

最重要的一点就是要做到物体完整捕获。我们建议围绕物体拍摄几圈,在不同距离系统地拍摄,在物体上方形成一个隐形的穹顶。当然,小型物体需要的相片较少。但无论何种情况,都要确保所有相片能覆盖到完整的物体,才能获得最佳效果。

为获得最佳效果,建议围绕物体、在不同距离系统全面地为物体完成多圈拍摄。

对大型物体或场景(如建筑物外墙)等难以环绕的对象而言,相机可以沿着和建筑物表面平行的直线移动。可能需要多次扫描来完整捕获场景。

要点

摄影测量法属于一个逆向摄影流程。通过观察多份平面图像,根据几何透视原则,构建3D模型。

在航空摄影测量中,相机需要安装在无人机这类飞行器上,且镜头朝下。如需捕获垂直物体(如楼宇或树)的侧面,则建议适当调整相机角度。同样,稳定性很重要。

摄影测量的算法类型

在许多情况下,摄影测量的工作原理和人类视力的原理相似。我们每只眼睛都在时刻记录有重叠部分的图片,以感知场景的深度和距离。同样地,为优化摄影测量效果,我们需要拍摄一组相片,采集场景内足够多的信息,来推断所需数据。

但是不同于人眼,摄影测量法无法拍摄无限数量的相片。我们所需的图片品质取决于物体或场景的大小和复杂程度,或者说,取决于更重要的项目需求。

因此,尽管背后的基本原则不变,但根据项目不同需求,主要有两大分类。

工程领域的摄影测量法

如果一位工程师想制作物体模型,用于质控、逆向工程等场景,那并不需要精确到每个像素。例如,通过两点位置即可画出一条直线。

这就是所谓的“公制摄影测量法”所遵循的原则。这一分支注重精度,最关键的就是要准确判定画面中相关点的位置,完成精准测量和计算。

在公制摄影测量法中,算法依据相关点数,提取模型。该算法重视精度,无需捕获每个表面。

因此,工程师在关注区域放置算法识别的标记点。算法借助这些标记点来构建模型。最后得到相关点组成的框架结构,而非所有表面的密集点云。

标记点被贴在物体上,来辅助识别、对齐不同图像的重叠部分。

这些标记点可以确定物体特征的大小、形状、位置,重点关注准确度。这些点可以提供可靠信息,以推断距离、面积甚至突起高度,来创建地形图,或推断体积、横截面,用于其他技术用途。

用于彩色3D建模的摄影测量法

相比之下,游戏开发、电影CGI、遗产保护等场景就需要对真实物体完成逼真的渲染效果。通常情况下,模型中的像素和细节越多,效果也越好。这些行业的专家往往具备先进的摄影设备,因此,摄影测量的装备也更先进。

效果对比:摄影测量法制作的3D模型(左)和Artec Leo扫描仪采集纹理并制作的模型。

但这一方法的缺点是,模型的最终形状不完美。一台普通的三维扫描仪通常难以处理反光、透明、黑色表面,而在摄影测量中,伪影和噪点的量会大得多。所以,最终得到的就是一个带有高清纹理、大量噪点和缺陷几何的模型。

利用三维扫描仪捕获的几何加上相机采集的纹理制作而成的模型,逼真又准确。

对于这些项目,建议同时使用摄影测量法和三维扫描仪,以获得最佳效果。我们将在“三维扫描仪搭配摄影测量法”一节中继续探讨这一问题。

要点

摄影测量法包括两种分支情况:第一种为多用于工程领域的测量技术,另一种情况则是为真实物体创建形象逼真的全彩3D模型,可直接用于CGI目的。

摄影测量法硬件要求

除了上述提及的标记点和比例尺,摄影工具在操作过程中也起到了举足轻重的作用。

摄影测量法最终的效果如何,完全取决于过程中使用的图片质量。分辨率、照明条件、景深等因素都会影响最终测量结果的准确度和真实度。细节丰富的清晰图片至关重要。

尽管摄影设备这件事也相当复杂,三言两语难以解释清楚,但仍有几个概念值得在此讨论。摄影师或任何能玩转相机的人,都有一定优势。如果您的工作经常和焦距、光圈打交道,或者对此有爱好,那基本就已经掌握了。您可以跳过以下几节,直接阅读摄影测量的应用场景。

传感器

相机有各种外形和尺寸,从手机相机、闭路电视摄像机、GoPros相机,到成熟专业的视频设备。各类相机究竟有多契合您的项目需求,或许主要归结为它们的传感器有多大。

传感器对相机而言,就好比人眼中的视网膜。它能记录透过镜头拍摄的相片,并决定实际捕获的细节程度。传感器越大,捕获的点就越多,对应的细节程度就更丰富。

相机内部的传感器记录透过镜头进入的图像,并决定图像的像素。

虽然一个小型傻瓜机也可以在光照条件好的情况下完成任务,但有全画幅传感器(或是傻瓜式相机的30倍)的高端单反相机可以提供更多像素,让3D模型分辨率更高。

传感器尺寸同样也会影响裁剪系数。两个不同传感器上的相似镜头可以捕获内部的不同比例,因为小型传感器“看到”的更少,而大型传感器可以在每张相片中覆盖场景更多部分。

镜头

镜头是这一过程中的又一关键因素。镜头负责弯曲光线并将其聚焦于相机传感器。它决定了聚焦、曝光、放大率,以及图像中的视角宽度。

镜头负责弯曲光线并将其聚焦于相机传感器。它对成像质量有直接影响。

镜头一端是一块弯曲的玻璃,另一端是光圈(可以调节光线通过的孔径大小)。相机快门打开和关闭,让光线通过镜头光圈短暂地进入传感器,完成图像捕获。这些部分结合起来,就能决定图像属性,因此是摄影测量中重要的考量因素。

焦距

焦距是指相机传感器和镜头上光线聚集点之间的光学距离(以毫米为单位)。焦距决定了视角和放大率。数字不大(焦距短),意味着视野较宽,放大率较低,相机可以捕获更多场景。摄影测量法中通常焦距固定。

镜头焦距决定了视角和放大率,也就是能捕获多大的场景。

光圈

光圈值为一个数据(用F值表示),表示镜头光阑打开的程度,以使光线进入相机。每一个光圈可以使进入相机的光线量翻一番。不过比较不符合直觉的一点是,大数值(如f-32)意味着开口较小,而小数值意味着光圈较大。

光圈直接决定了景深,即聚焦范围的大小。大光圈可以聚焦图片中的某一图层,并模糊其余部分。这一效果非常适合人像摄影,人像有清晰的焦点,同时虚化背景。这种虚化称为焦点虚化。

光圈决定景深,即聚焦范围的大小。

在摄影测量中,我们希望尽可能确保聚焦范围更大。虚化背景会增加图片拼接的难度。

这就是另一种虚化——动感虚化。

快门速度和动感虚化

快门速度是指相机快门保持开放、允许光线进入传感器的时间,通常以几分之一秒计算。除了影响抵达传感器的光线量,快门速度还直接影响动感虚化。

如果快门打开时,拍摄对象或相机移动,那最后的相片就会模糊。举个直观的例子,一张用高速快门拍摄的直升机旋翼桨叶会停止不动,而慢速快门会虚化动态过程,看不清桨叶。

如手持相机拍摄,我们希望使用高速快门,以抵消手部晃动。当然,也可以使用三脚架保持相机完全静止。

快门速度决定了动感模糊的状态。高速快门可以让动作静止,慢速快门可以让动作模糊。

总之,如希望通过摄影测量法获得最佳效果,以上因素都需要考虑。

要点

由于摄影测量的效果依赖于所使用的图像质量,因此,掌握这些基本摄影概念还是有必要的。图像分辨率、不同镜头属性、相机设置,如焦距、快门速度等,都发挥着重要作用。

摄影测量法应用场景

摄影测量法是一种广受欢迎的技术,不仅功能多样,成本低廉,同时,远距拍摄效果好。下面,我们列举几项常见的应用场景。

大型工程项目

工程师通常在大型建筑项目中使用航空摄影测量。

考虑到摄影测量在远距工作时十分精准,因此,工程师会使用无人机或飞机来规划、评估大型建筑项目,如高速公路的选址和设计。公制摄影测量获得的数据可以用来计算土方工程量,为土木工程师提供地形基本信息。评估项目进展时,也能提供每个阶段的3D效果图,发挥了重要作用。

电影与娱乐

在摄影测量法的帮助下,游戏和电影行业可以进一步提升作品环境中的真实度。配合使用摄影测量法和三维扫描仪,电影制作者可以在三维扫描的准确模型上叠加摄影测量法获得的色彩信息,进行场景设计。游戏设计师也可以创造出足以以假乱真的高质量资产和逼真环境。

法医鉴定

摄影测量法在犯罪现场调查和法医鉴定中发挥关键作用。

公制摄影测量也在医学鉴定和犯罪现场调查中发挥重要作用。很多情况下,正是一些不起眼的细节成为了破案的关键。精确捕获犯罪现场或事故现场的测量数据,不仅可以作为呈堂证供,还能保护现场环境免遭破坏。

举个例子,通过分析路面照片上的轮胎痕迹,调查人员可以确定滑行痕迹是否为女性驾驶汽车时留下的,以及这辆车与肇事车辆的相对位置。如果对事故中两辆车的位置有不同说法,那么公制摄影测量法就能解决这类难题。

土地测量

地方政府和土木工程师经常在土地测量时使用航空摄影测量。

公制摄影测量也被建筑人员、建筑师、地方政府用来划定地产边界、规划建筑项目、分析数据。卫星图像也能提供这类信息,但是航空摄影测量通常能提供更精准的数据。

房地产

摄影测量也能用于创建房屋虚拟模型,给潜在客户查看。许多买家过去已经开始依赖网上的房源信息来决定是否购买。但现在,新冠疫情加速了地产企业向互联网的转移。现代摄影测量法可以以极低的成本,帮助房地产行业打造虚拟看房体验。

测绘

摄影测量法可以利用无人机、飞机、卫星拍摄照片,因此早已用于三维地形图的绘制。有了飞机或潜水器拍摄的高分辨率图片,就能用更短的周期,为例如水下这类高难度区域制作模型。

无人机、飞机或卫星拍摄的照片已用于绘制三维地形图

在使用摄影测量技术完成地形精准绘制的项目中,谷歌地球可谓是迄今为止规模最大的一个。谷歌利用街景、航空、卫星图像等多个来源提供的几十亿张图像,拼接后提取细节信息,包括道路、车道标线、建筑物、河流等物体之间的精确距离。

考古学

在考古学中,绘制遗址地图并了解这里的布局和结构非常重要。公制摄影测量让考古学家得以快速准确地绘制考古地图,记录感兴趣的文物。分享这些3D模型也有利于和不在场的考古学家协同合作。

遗产保护是摄影测量法应用的又一大场景。

要点

摄影测量法被广泛应用于诸多行业,主要用于与测量有关的场景,或为真实物体建模。

摄影测量不适用的几类情况

但在考虑是否使用摄影测量法时,有几个问题需要考虑。简单来说,就是要紧紧围绕项目需求。

公制摄影测量,却没有专门设备

如需精准测量,无需重点关注色彩信息,那您可以采用摄影测量法,前提是您有适用于测量用途的高级摄影测量套件。例如Hexagon的高端摄影测量系统。通常套件包括一台数码相机、一组标记物、一组精准校准的比例尺,确保硬件到位。

专门用于测量相关用途的完整摄影测量套件。

但是,请记住,虽然精度很高,但和一套高质量的三维扫描仪比,这样的套件工具仍然只能生成稀疏的点云。

高精度密集点云

如您需要高精度密集点云,那么一台Artec Eva这样的扫描仪效果更佳,它可以每秒采集并处理高达200万点,精度高达0.1毫米。

事实上,Eva采用结构光扫描技术,能采集几乎任何物体,包括黑色反光表面,无需标记点,是一款优秀的全能型解决方案。

没有高端相机的情况下采集色彩和纹理数据

但是,如果您使用摄影测量不是为了测量,而是为了采集纹理,那就必须确保您使用的摄影测量相机比Artec Space Spider、Artec Leo这类纹理采集的扫描仪效果更好。

如您使用摄影测量采集纹理,确保您使用的相机比纹理采集类扫描仪(如Artec Space Spider或 Artec Leo)效果更佳。

电影、游戏设计从业者通常拥有一套高端摄影设备。这类专业设备可以生成质量极高的图像,纹理效果往往超过一台普通三维扫描仪相机。

即便如此,这类摄影测量不使用标记点,往往不够准确。即便有一台高清相机,最好也能配合同时使用专业三维扫描仪,在精准模型上贴上纹理。所有埃太科三维扫描仪都能在不使用标记点的情况下工作,因此非常适合和摄影测量法同时使用。

摄影测量法的基本缺陷

总的来说,摄影测量法的缺点主要是耗时、专业门槛高,即便具备了专业水准,如果环境条件不适宜,也很难达到预期效果。有时,可能需要拍摄几十、甚至几百张包含重叠部分的高清图片。

此外,除非您已经做好耗时耗力准备控制场景光照的准备,否则,您还得关注每张相片中的光线没有很大差异。某张相片中的物体若是出现阴影,那么也会反应到最终模型上。

摄影测量要求有均匀且充足的照明,需要对场景进行相应的规划和准备。

相反,大多数手持式三维扫描仪自带光线,可以照亮物体。因此,除非需要扫描仪获得极高质量的纹理,一般情况下,您无需担心像摄影测量那样担心光线问题。若使用手持式三维扫描仪扫描场景,几乎不需要任何准备工作。

要点

如需高清密集点云,建议使用三维扫描仪。摄影测量更适合制作逼真纹理,同时需要一台高级相机,配备的摄像头比三维扫描仪先进。如有专业套件,且不介意点云稀疏,可以将摄影测量用于测量目的。

类似Artec Leo这样的扫描仪自带触摸屏,能在扫描期间实时生成扫描模型,让您自如移动。设备配备机载自动处理功能,内置电池,支持无线连接,可以直接传送至另一台设备。所以,使用Artec Leo扫描,基本和视频拍摄操作相同。

当然,摄影测量法也有优势。相比三维扫描,摄影测量成本低。如扫描几米长的大型区域,效果也不错。

摄影测量搭配三维扫描

简单来说,如果重点不是纹理,而是追求高清无噪点的密集点云,那么建议使用三维扫描。先进三维扫描仪扫描速度极快,可自动处理,3D点云精度达亚毫米级。

但是,如果需要采集逼真纹理和模型,且自备高端摄影设备,那您可以尝试摄影测量法。需要注意的是,摄影测量法可以搞定纹理,但几何并不完美。这是因为,如果您需要纹理,就得拍摄多张相片,而这些相片是无法用标记点辅助拍摄的。这就难以避免噪点和伪影,最终导致精度差异很大。

如您需要逼真的纹理和模型,且自备专业摄影设备,那么摄影测量是个不错解决方案,不过,几何精度不及三维扫描仪。

您可以强强联合,同时使用摄影测量和三维扫描数据,下方视频介绍了采用摄影测量和Artec Eva两种技术制作汽车模型的案例,效果令人惊艳。

三维扫描采集的几何数据可以和高级相机采集的纹理数据合并,生成逼真的渲染效果。

另一例是由手持式Artec Space Spider扫描仪采集制作的跑鞋模型,同样渲染效果逼真。300多张相片拼接后和扫描数据结合,生成了最终模型,色泽鲜艳,细节丰富。

两者配合可以提供最优化的解决方案,很多要求较高的行业都在采用这样的做法。例如,在奥巴马总统周围放置一圈相机,同时使用Artec Eva扫描,合并数据后,制作出首份美国总统3D人像。

相机提供的细节和丰富纹理,加上三维扫描仪的精度,可以生成低噪度的纹理模型。

要点

使用高端相机采集纹理,以及专业三维扫描仪采集几何信息,再通过Artec Studio等软件合并数据,即可获得最佳效果:纹理逼真,噪点低,几何数据高度精准。

摄影测量软件

市面上有不少摄影测量软件。稍作调查,就会发现从免费程序到几千美元的软件套件,琳琅满目。同样地,如何选择,还是取决于您的需求以及现有资源。

如初次接触摄影测量,建议使用免费解决方案,如3DF Zephyr、Meshroom或Visual SFM。但是,这些免费程序有部分功能被限制,可能运行速度较慢,最终效果不精确。您可能需要安装另外的插件,制作彩色纹理网格。

如需更多功能,可选择更完善的解决方案,例如Elcovision、iWitness或Photomodeler。MetaShape、Pix4D和Reality Capture也是常用软件。

如需将摄影测量用于计量目的,Hexagon的Aicon 3D Studio套件功能智能强大。软件还支持通过插件和PolyWorks交互。PolyWorks提供一系列3D测量功能,能胜任多数工业制造企业的任务。

对于CGI专家等从业人员而言,他们对几何和纹理都有着极高的要求。Artec Studio 16工作流程简单明了,能同时收获完美纹理和几何。新版软件升级后,三维扫描仪网格数据贴图操作可无缝衔接。

埃太科屡获殊荣的三维扫描仪扫描精准,精度水平业内领先,手持式扫描仪Artec Space Spider高达0.05毫米,桌面式扫描仪Artec Micro精度更高,可达10微米。

Artec Studio 16功能强大,可自动对齐高清相机拍摄的相片和计量级扫描仪完成的三维扫描,制作出足以以假乱真的3D模型。

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作者: 

Kanyanta Mubanga

科技记者

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