立体海况摄影技术研究与开发-气象科技研究-中央气象局.PDF

Submitted to 中央氣象局 2010 天氣分析與預報研討會 立體海況攝影技術研究與開發 蔡政翰 1 董東璟 1 黃世任 1 周于洋 1 白儀芬 1 楊一中 1 高家俊 2 藤春慈 3 國立台灣海洋大學 1 國立成功大學 2 中央氣象局海象中心 3 摘 要 本研究開發一套以三台攝影機建構而成的立體海況觀測系統，並開發以極線幾何 (Epipolar Geometry)原理和標準化互相關法(Normalized Cross Correlation, NCC)為基礎之程 式來進行影像匹配和重建工作，分析影像匹配方法並設計試驗來驗證所獲得之立體影像的 正確性。結果證實以三台相機從事影像匹配結果優於兩台相機之結果。平面驗證的結果顯 示平面座標的量測誤差約為 0.06cm (0.15%) ，除此，本文設計靜態波浪板進行高度驗證， 分析結果顯示高度的量測誤差約為 1cm (當待側物體高程 40cm 時) ；而此誤差跟系統的高 度以及三攝影機之相對距離無關，與系統和待側物之間的距離有關。此系統應用於現場海 面觀測時發現不同攝影機因拍攝角度不同造成的光影差，使得影像匹配還有須克服的問 題。但使用地面控制點較容易有匹配成功的機會。 關鍵字：極線幾何、影像匹配、標準化互相關法 像匹配是最重要的關鍵技術之一，利用極線幾何原理 一、前言 和標準化互相關法進行影像匹配。找出三台攝影機從 不同角度拍攝同一個物體的影像上同一個目標點，作 量測波場特性時，通常是在定點設置波高計或資 為立體影像重建的數據，以獲得理想的匹配結果。 料浮標(Data Buoy)等儀器來進行觀測，這樣的量測結 果有很高的準確性。在波場符合均一性(homogeneous) 2-1 直接線性轉換法(Direct LinearTransformation) 及遍歷性(ergodic)的假設下，可以用這些測點的量測 結果代表一個區域的波場特性。然而，如果在地形、 根據直接線性轉換理論[2,3] ，利用攝影機的對各 地物變化較大的波場附近進行量測，因為該區波場特 軸的旋轉角、焦距(focal length)以及光學中心(optical 性已不符合前提假設，如果依舊以這樣的方式進行推 center of camera)等攝影機參數，將三維實體海面上空 間物理座標投影至二維相機影像座標，建立相片座標 演，則會產生較大的誤差。遙測技術(remote sensing 系統與實物座標系統之間的關係。 technology)是以儀器不接觸水面的方式，對波場的特 性進行量測。由於遙測儀器可以簡便地搭載於航空器 2-2 極線幾何(Epipolar Geometry) 上或是於岸上裝設，並不需要限定在特定點上設置， 所以並不會阻礙漁事工作和船隻航行，也不易受到海 極線幾何關係是指當兩台相機觀看同一物體 X 浪的侵襲而損害，在儀器的維護方面較為方便。此外 時，如圖 1 ，若物體X 在相機 Π上的投影為 x 點，在 提供大範圍的資料擷取，也是其優點之一。在一次的 相機 Π’上的投影為 x’點，則 X-x-o-o’-x’-X 必定共平 觀測步驟內，同時量測一個區塊內波場的特性，經過 面，其中 o 與 o’分別為兩相機的主軸點。利用極線幾 計算後所得的波浪資料即具有『面』的意義，也