歷史航片數(shù)字化中工業(yè)相機(jī)的應(yīng)用

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摘要:航空攝影膠片作為歷史檔案的一種，詳細(xì)地記錄了城市規(guī)模、設(shè)施等地貌信息變遷。因膠片材質(zhì)保質(zhì)期有限，有必要將其進(jìn)行數(shù)字化永久保存。傳統(tǒng)的掃描手段效率過(guò)低，隨著一億及以上像素的工業(yè)級(jí)別相機(jī)的誕生，使得拍照代替掃描成為可能。本文采用自行制作高精度大幅面膠片翻拍儀，通過(guò)精確校檢獲取準(zhǔn)確改正參數(shù)，并結(jié)合計(jì)算機(jī)后處理，完成了昆明市2期約8500張歷史航空攝影膠片的數(shù)字化試驗(yàn)，成果各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求，達(dá)到了項(xiàng)目預(yù)期目的。

關(guān)鍵詞:工業(yè)相機(jī);歷史檔案;航攝膠片;掃描;數(shù)字化;翻拍儀

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，航測(cè)成圖在城市各比例尺地形圖測(cè)繪中得到快速推廣應(yīng)用［1-3］。筆者單位于1986年組建了航測(cè)機(jī)構(gòu)以開(kāi)展航空攝影測(cè)量業(yè)務(wù)，并于1989年、1994年先后開(kāi)展了多次航測(cè)成圖，比例尺包括1∶500、1∶3000及1∶15000等，覆蓋面積5000余平方千米，區(qū)域涵蓋昆明主城區(qū)、嵩明、富民、昆陽(yáng)等。至2000年前后，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量慢慢普及，模擬攝影測(cè)量逐漸退出歷史舞臺(tái)，航空影像進(jìn)入了數(shù)字化時(shí)代［4］。在此期間，筆者單位積累了大量的歷史航空攝影像片膠片，一直存放在院檔案室，隨著時(shí)間的推移，現(xiàn)影像膠片正慢慢變質(zhì)，因此，搶救歷史資料檔案勢(shì)在必行［5-9］。航空攝影測(cè)量原始膠片具有幅面大、變形小、幾何精度高等特點(diǎn)［10］，其影像資料的準(zhǔn)確性、直觀性獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，歷史價(jià)值極高。如何盡可能還原并實(shí)現(xiàn)永久保持上述屬性，是本文研究重點(diǎn)。目前，航攝資料掃描數(shù)字化主要是利用高清影像掃描儀，按照一定的分辨率進(jìn)行掃描，并將掃描數(shù)據(jù)按照規(guī)定的存儲(chǔ)格式和要求進(jìn)行整理并保存在硬盤(pán)或其他存儲(chǔ)介質(zhì)上［11-16］。按照如今的設(shè)備和技術(shù)手段，掃描全部歷史膠片費(fèi)時(shí)費(fèi)力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到歷史影像數(shù)字化的時(shí)效性，而對(duì)于膠片來(lái)說(shuō)，時(shí)間越久，損毀的風(fēng)險(xiǎn)就越大。因此，有必要對(duì)現(xiàn)行的硬件設(shè)備及傳統(tǒng)掃描手段進(jìn)行創(chuàng)新，以便能快速地對(duì)航空攝影資料進(jìn)行數(shù)字化，提高掃描效率，挽救歷史航攝影像膠片。隨著1億及以上像素的工業(yè)級(jí)別相機(jī)的誕生，如HasselbladA6D(1億像素)、飛思IQ4150MP(1億像素)、飛思IQ4150MPAchromatic(1．5億像素)，使拍照代替掃描成為可能。

1硬件創(chuàng)新

本文將自行制作高精度大幅面膠片翻拍儀命名“F-scanner”，通過(guò)高精度大幅面膠片翻拍儀F-scanner及相關(guān)處理軟件，對(duì)航攝膠片進(jìn)行數(shù)字化采集、處理，從而獲取高分辨率數(shù)字影像。

1．1設(shè)備概況

使用兩塊透明平板玻璃作為承壓片裝置，一個(gè)平面光源作為透射照明單元，一臺(tái)超高分辨率數(shù)碼相機(jī)作為數(shù)字影像采集設(shè)備。數(shù)碼相機(jī)經(jīng)機(jī)械固定后，首先精確校準(zhǔn)其鏡頭畸變差，然后以精密玻璃格網(wǎng)為基準(zhǔn)，精確測(cè)定感光面與膠片平面的不平行誤差和像元尺寸歸一化參數(shù)，如圖1所示。

1．2主要指標(biāo)

翻拍儀主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

1．3影像數(shù)字化分辨率

(1)傳感器短邊為10652像素，調(diào)整成像，對(duì)應(yīng)航片邊長(zhǎng)240mm。(2)最大分辨率=240000/10652≈22．5μm，后處理進(jìn)行誤差改正和像幅裁切時(shí)，規(guī)格化為22．5μm。

1．4影像數(shù)字化檢校及精度

1．4．1精度追述工具選用蔡司230mm×230mm精密玻璃格網(wǎng)板(10mm間隔，面積240mm×240mm，有效精度范圍230mm×230mm，任意格網(wǎng)線交叉點(diǎn)間幾何誤差小于1μm)。在F-scanner設(shè)備上獲取影像，如圖2所示，并讀取各格網(wǎng)點(diǎn)指標(biāo)(x，y)，形成輸入文件。

1．4．2微型檢校場(chǎng)建立微型檢測(cè)場(chǎng)，如圖3所示，有效精度范圍為230mm×230mm，并在F-scanner設(shè)備上獲取影像，計(jì)算得到改正模型十參數(shù):

1．4．3精度評(píng)定運(yùn)行本翻拍儀專用變換檢校軟件，裝載輸入文件。計(jì)算鏡頭畸變改正參數(shù)文件(．prs)，經(jīng)檢測(cè)，影像各格網(wǎng)點(diǎn)偏移量均小于規(guī)定要求，通過(guò)25個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)偏移量，計(jì)算得到翻拍儀幾何檢校的中誤差為2．7μm，小于3μm，符合《城市測(cè)量規(guī)范》關(guān)于航攝像片掃描的要求。糾正格網(wǎng)影像，檢查最終改正后格網(wǎng)影像，通過(guò)查看格網(wǎng)線的直線性、同方向格網(wǎng)線之間的平行性、實(shí)測(cè)任意兩個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)間距離等方法進(jìn)行最終驗(yàn)證。本次F-scanner設(shè)備精度檢校結(jié)果，能滿足設(shè)計(jì)和作業(yè)要求。

2作業(yè)流程及項(xiàng)目實(shí)踐

首先在作業(yè)時(shí)直接拍攝整幅膠片影像存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì);然后進(jìn)行影像后處理，包括格式轉(zhuǎn)換，誤差改正，畫(huà)幅裁切，以及可選勻光勻色處理;最后得到16bit灰階級(jí)別通用TIFF格式影像。

2．1拍攝操作

本翻拍儀拍攝相機(jī)是一臺(tái)PhaseOne高分辨率大面陣數(shù)碼相機(jī)，其拍攝軟件為配套的CaptureOne，拍攝參數(shù)設(shè)置主要包括光圈大小、感光度、快門(mén)速度。為取得盡可能好的影像質(zhì)量，快門(mén)參數(shù)可通過(guò)試拍攝影像，觀察其直方圖的位置，整體偏左時(shí)，加大曝光時(shí)間，而偏右時(shí)減小曝光時(shí)間，直至直方圖大概居中且不出現(xiàn)飽和像素值即可。此外，框標(biāo)位置是恢復(fù)膠片影像內(nèi)方位參數(shù)的必要條件，因此，設(shè)置拍攝快門(mén)時(shí)間時(shí)，還需顧及拍攝原始影像上框標(biāo)中心點(diǎn)有一定的對(duì)比度，以保證后處理增強(qiáng)后能在最終成果上辨識(shí)出來(lái)。

2．2后處理

拍攝影像后處理包括格式轉(zhuǎn)換，誤差改正和有效畫(huà)幅裁切。而勻光勻色等處理可以根據(jù)原始資料情況適當(dāng)選擇。當(dāng)航攝膠片地面影像與其框標(biāo)密度差別較大時(shí)，選擇勻色處理軟件對(duì)其框標(biāo)影像實(shí)施增強(qiáng)處理。另外，當(dāng)部分影像畫(huà)幅內(nèi)有明顯不均勻時(shí)，本文選擇勻光處理，以改善影像的均勻性。同時(shí)，為盡量保留原影像有效灰階信息，后處理中間過(guò)程一律采用16bit灰階長(zhǎng)度，只在最終結(jié)果輸出8bit灰階影像。

2．2．1格式轉(zhuǎn)換CaptureOne軟件拍攝保存的原始影像為非通用壓縮格式，使用該軟件需轉(zhuǎn)換為通用格式才能被后續(xù)軟件識(shí)別處理。轉(zhuǎn)換前需對(duì)每張影像的轉(zhuǎn)換參數(shù)設(shè)置為與翻拍儀檢校拍攝影像轉(zhuǎn)換一致的參數(shù)，即去除鏡頭校正等所有與影像幾何位置有關(guān)的變形改正，噪聲濾除，影像銳化，輸出格式一律選擇16bitTIFF。為提高后處理批量作業(yè)的效率，將若干航線或整卷影像轉(zhuǎn)換輸出設(shè)置為單一文件夾，待生成合格的最終成果后，再移動(dòng)影像文件至相應(yīng)航帶目錄。影像轉(zhuǎn)換參數(shù)的設(shè)置和轉(zhuǎn)換均使用軟件的批量處理方式完成。

2．2．2誤差改正與有效畫(huà)幅裁切膠片翻拍儀的固有幾何誤差，通過(guò)專用軟件DDstrPlus進(jìn)行改正。同時(shí)，該軟件還可以裁切畫(huà)幅外多余的無(wú)效影像，以減少存儲(chǔ)空間，加快后處理速度。幾何誤差改正包括拍攝相機(jī)的鏡頭畸變改正和糾正安裝傾角的透視變換及像元尺寸歸一化，操作時(shí)選擇相應(yīng)的檢校參數(shù)文件即可。自動(dòng)裁切基于每張影像與選定影像之間相同畫(huà)幅邊界的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角近似為零，且依據(jù)邊界內(nèi)外明顯的灰度差構(gòu)建的二值圖像邊界與畫(huà)幅邊界幾乎重合等特性。其過(guò)程為人工選定樣片上的裁切范圍和包括部分不規(guī)則畫(huà)幅邊界(不能為簡(jiǎn)單直線)的二值圖像矩形模板，計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)尋找每張影像相同畫(huà)幅邊界，從而定位與操作者選取的為相同的裁切范圍，從而實(shí)現(xiàn)每張影像多余部分的自動(dòng)裁切。

2．2．3框標(biāo)增強(qiáng)航攝膠片框標(biāo)與框幅內(nèi)地物影像亮度差別普遍較大，為了保證地物影像亮度在正常范圍，以相同參數(shù)一起處理的框標(biāo)影像則難于辨識(shí)。為此除了在拍攝階段確保框標(biāo)處影像有一定反差，還應(yīng)采用翻拍儀配套的色彩處理軟件CVRTDMC，對(duì)裁切后影像進(jìn)行亮度反差調(diào)整和框標(biāo)增強(qiáng)，以同時(shí)確保地物影像顯示在合適范圍和框標(biāo)中心點(diǎn)附近的影像有足夠大的反差。

2．2．4勻光處理一幅航攝影像覆蓋較大的地表面積，同時(shí)受光照角度，成像鏡頭漸暈，翻拍照明均勻性等因素的綜合影響，大多數(shù)航攝膠片掃描影像都需進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭蚬馓幚?，才能得到比較一致的亮度色彩。針對(duì)黑白影像，僅需應(yīng)用近似的亮度反差參數(shù)，即能取得外觀一致的影像。而少數(shù)水體面積較大的影像應(yīng)適當(dāng)減小反差，同時(shí)查看相鄰影像重疊區(qū)的一致性，對(duì)明顯差異進(jìn)行微調(diào)。

2．3膠片數(shù)字化實(shí)踐

近期，筆者單位已開(kāi)始著手昆明市測(cè)繪歷史資料檔案整理工作。目前已整理出第一批航空攝影膠片，其中1∶3000航空像片計(jì)85條航線，總計(jì)有6101張膠片;1∶1．5萬(wàn)航空像片計(jì)49條航線，總計(jì)2381張膠片，合計(jì)8482張膠片。通過(guò)1臺(tái)高精度大幅面膠片翻拍儀F-scanner，1名工作人員，一次性裝入航片，曝光，過(guò)片，拍攝環(huán)節(jié)工作效率很高，綜合拍攝達(dá)每天800～1000張，整個(gè)翻拍工作共耗時(shí)約15個(gè)工作日，其中包括儀器設(shè)備調(diào)試等，完成了昆明2期約8500張23cm×23cm航空影像膠片的翻拍作業(yè)。經(jīng)檢查，最終提交的數(shù)字影像為8bit、16bit2種形式的TIFF格式，分辨率為444．44pixels/cm，即22．5μm，如圖4所示。除部分膠片掉膜，劃傷、破損、粘連、自清晰度不高外，其余提交的影像灰度直方圖基本呈正態(tài)分布，影像反差適中，色調(diào)基本一致，紋理清楚，層次豐富?？驑?biāo)完整、清晰，可判性與原始片相同，符合GB/T23236《數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范》附錄B(規(guī)范性附錄)航片掃描的要求。另外，幾何精度在單筒膠片拍攝開(kāi)始及拍攝結(jié)束2個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)拍攝精密玻璃格網(wǎng)板定期檢查，合格后方可進(jìn)行后處理，經(jīng)檢查元文件，拍攝前、拍攝后的拍攝參數(shù)均符合要求。

3結(jié)語(yǔ)

隨著城市建設(shè)的加速發(fā)展，城市面貌日新月異，如何記錄城市規(guī)模、設(shè)施等地貌信息變遷尤為重要。昆明市測(cè)繪研究院作為昆明規(guī)劃建設(shè)管理的測(cè)繪保障單位，以其專業(yè)技術(shù)參與了昆明的建設(shè)，通過(guò)航空影像記錄了這座歷史名城的變化過(guò)程。而如何保存這些歷史資料，是筆者所在單位乃至測(cè)繪行業(yè)都面臨的一個(gè)問(wèn)題。本文提出并設(shè)計(jì)了高精度大幅面膠片翻拍儀F-scanner，實(shí)現(xiàn)了航攝膠片快速數(shù)字化，解決了歷史膠片儲(chǔ)存隱患，分辨率達(dá)22．5μm，掃描效率提升了4倍，為研究城市建設(shè)變遷、土地利用變化、拆遷補(bǔ)償司法鑒定和國(guó)情監(jiān)測(cè)等提供了有效服務(wù)。據(jù)了解，全國(guó)測(cè)繪系統(tǒng)歷史膠片規(guī)模估計(jì)在400萬(wàn)張以上(包括原測(cè)繪局系統(tǒng)及城市院等)，現(xiàn)行掃描設(shè)備及技術(shù)手段遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足影像掃描的工作要求，本文設(shè)備及技術(shù)方法將提供較好的改進(jìn)方法。

作者：張君華 凌春麗 楊勇 王友昆 單位：昆明市測(cè)繪研究院