在航空、工业检测、灾害监测等领域,用摄像机获取目标或场景的图像,从图像重建目标三维结构或三维场景,可以得到用户感兴趣的三维信息。 对图像的三维解析问题,是一个由二维图像获取三维数据的逆问题。由成像几何模型的复杂性所决定,其解往往不具有唯一性,而且对噪声或离散化引起的误差极其敏感。长期以来,很多学者直接以透视投影模型描述摄像机成像几何模型,这种做法对于近景图像来说是必须的,但对透视畸变比较小的航空图像或远景图像来说,不但无助于提高解析精度,而且容易造成数值上的不稳定。 本论文为航空(或远景)图像的三维解析提出一条新的思路——仿射近似,即用仿射投影模型近似透视投影模型。体现在算法上,就是首先基于仿射投影模型用线性算法求得未知数的初始值,然后基于透视投影模型对初始值优化求精。这种做法避免了直接基于透视投影模型一次求解所有未知数,提高了算法的数值稳定性。 本研究工作以军用无人机对地三维定位为应用背景,以从航空(或远景)图像重建目标三维结构为主要内容。研究工作主要分为三个部分。 第一部分研究仿射投影模型。着重阐述了仿射投影模型的代数形式、几何意义以及2种典型的仿射投影模型——弱透视投影模型和平行透视投影模型。通过对仿射投影模型相对透视投影模型的误差进行理论分析,论证了基于仿射近似解析航空图像的可行性。 第二部分研究了基于仿射近似标定摄像机的算法。针对航空摄像机在标定中控制点距离摄像机比较远的事实,提出了一种基于仿射投影矩阵的摄像机标定法——APMC法,指出了不能单纯用图像点重投影残差和作为标定精度的评价准则。 第三部分研究了基于仿射近似从航空图像重建目标三维结构的算法,分别讨论了序列图像和两幅图像的情况,这是全文的重点。 (1)关于从序列图像重建目标三维结构,提出了一种基于仿射矩阵分解和光束法平差的新算法——AFBA法,进一步研究了AFBA法的子算法——光束法平差,提出了无需摄像机外参数的光束法平差和改进的准线性平差法。针对AFBA法中由于某些图像点不可见导致不能对测量矩阵直接分解的事实,提出了一种基于仿射三线性张量合成缺失图像点的算法——ATIS法。 (2)关于从两幅图像重建目标三维结构,提出了一种基于仿射极线约束的递进相对定向法——AERO法。针对摄像机焦距未知或不精确的情况,提出一种基于本质矩阵元素间约束的广义相对定向法。 APMC法、AFBA法、ATIS法和AERO法都是依据仿射近似思想提出并实现的,分别有效解决了摄像机标定、从序列图像重建目标三维结构和从两幅图像重建目标三维结构问题,