第二章-摄影的基本知识与影像误差处理

第二章摄影的基本知识与影像误差处理§2—1摄影原理与摄影机§2—2摄影处理与像片的晒印§2—3航空摄影与摄影测量对摄影的基本要求§2—4像片影像的误差及处理§2—5彩色摄影与其他摄影§2—1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—1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。§2—1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。AB镜箱物镜Ddba§2—1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。§2—1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§2—1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§2—1摄影原理与摄影机二、摄影机1.摄影机物镜ABhh`QQ`CF`abcFdD(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。SS`§2—1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。§2—1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。§2—1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。§2—1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。§2—1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β和出射成像光线与主光轴的夹角β`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。§2—1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∠β=∠β`，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∠β=∠β`，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。§2—1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∠β=∠β`，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。§2—1摄影原理与摄影机二、摄影机1.摄影机物镜F`bFaABSS`Ddββ`XF`Fx§2—1摄影原理与摄影机二、摄影机1.摄影机物镜F`bFaABSS`Ddββ`XF`Fx§2—1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FdD111（2-1）§2—1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）2FxX§2—1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。§2—1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。§2—1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§2—1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。§2—1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。§2—1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F150mm,相应的像场角为2β100；中焦距航摄机其焦距为150mmF300mm,相应的像场角为702β100；长焦距航摄机其焦距为F300mm,相应的像场角为2β≤100；§2—3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。§2—3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。§2—3航空摄影与摄影测量对摄影的基本要求比例尺类型航摄比例尺成图比例尺大比例尺1：2000-1：30001：5001：4000-1：60001：10001：8000-1：120001：2000中比例尺1：15000-1：20000（像幅23×23)1：50001：10000-1：250001：100001：25000-1：35000（像幅23×23)小比例尺1:20000-1:300001：250001:35000-1:550001：50000§2—3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Hfm1(2-8)§2—3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§2—3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HH%5(2-12)§