Global Image Orientation Method for PTZ Camera with Pure Rotation

YANG Hong; XIAO Teng; WU Linghui; DENG Fei

doi:10.13203/j.whugis20220712

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Global Image Orientation Method for PTZ Camera with Pure Rotation

Photogrammetry and Remote Sensing | 更新时间：2026-11-05

- Global Image Orientation Method for PTZ Camera with Pure Rotation
- Geomatics and Information Science of Wuhan University Vol. 50, Issue 5, Pages: 949-958(2025)
- 作者机构：
  
  1.武汉大学测绘学院,湖北武汉，430079
  2.湖北工业大学计算机学院,湖北武汉，430068
  3.武汉天际航信息科技股份有限公司,湖北武汉，430074
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13203/j.whugis20220712
  CLC： P237
- Received：23 April 2023，
  
  Published：05 May 2025
- 稿件说明：
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杨洪,肖腾,吴凌辉，等.面向PTZ相机纯旋转运动的全局式影像定向方法[J].武汉大学学报（信息科学版）,2025,50(5):949-958.

YANG Hong,XIAO Teng,WU Linghui,et al.Global Image Orientation Method for PTZ Camera with Pure Rotation[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2025,50(5):949-958.
杨洪,肖腾,吴凌辉，等.面向PTZ相机纯旋转运动的全局式影像定向方法[J].武汉大学学报（信息科学版）,2025,50(5):949-958. DOI：10.13203/j.whugis20220712

YANG Hong,XIAO Teng,WU Linghui,et al.Global Image Orientation Method for PTZ Camera with Pure Rotation[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2025,50(5):949-958. DOI：10.13203/j.whugis20220712

摘要

Pan-tilt-zoom(PTZ)相机能通过绕光心纯旋转以获得更大视场，被广泛应用于监控系统中。针对在处理PTZ相机影像定向时现有运动恢复结构(structure from motion，SfM)方法存在适用性不足的问题，参考全局式SfM的思路，提出一种面向PTZ相机纯旋转运动的影像定向方法。首先，优选部分像对进行内定向，估计影像的内方位元素；然后，对所有影像进行全局式外定向，估计影像的外方位角元素；最后，利用无物方点的光束法平差优化内方位元素和外方位角元素。仿真数据和真实数据的实验表明，该方法可弥补现有SfM方法的不足，成功实现对PTZ相机纯旋转时的影像定向；在与商用软件对比方面，得到的外定向精度更高，同时具有计算效率上的优势。该方法并不局限于PTZ相机影像的定向，对于多镜头相机、全向相机等设备采集的纯旋转影像的定向问题具有通用性。

Abstract

Objectives

Pan-tilt-zoom (PTZ) camera is widely used in surveillance systems due to its wide field of view and high resolution. The camera mounted on the gimbal can only make pure rotation motion around the optical center. The optical center overlap of images makes it impossible to use existing structure from motion (SfM) methods for purely rotated images orientation. In order to estimate the elements of interior and exterior orientations in the free net of a set of PTZ camera images with pure rotation

a global image orientation method for PTZ camera with pure rotation was proposed

which motivated by the idea of the global SfM.

Methods

Compared with the general SfM method

the similarities are feature extraction and feature matching

and the differences are interior orientation

exterior orientation and bundle adjustment. First

partial image pairs are selected for inner orientation to estimate the elements of interior orientation. Then

global exterior orientation was implemented for all images

and the elements of exterior orientation were estimated. Finally

the elements of interior and exterior orientations are optimized by bundle adjustment with no object 3D point.

Results

Experiment results on simulation data and real data prove the feasibility and accuracy of the proposed method. In the simulation data experiment

the maximum error of the focal length and the principal point is 3.321 pixel

and most of the errors are less than 1 pixel. The maximum rotation errors of the four datasets are 0.116°

0.320°

0.103°

0.125°，respectively. In the real data experiment

the maximum reprojection errors of the checkpoints are 4.919 pixel and 4.758 pixel for the two datasets

respectively.

Conclusions

Compared with the existing global SfM method

the proposed method can successfully orient the images of PTZ camera with pure rotation. In addition

compared with other commercial software

the exterior orientation accuracy of the proposed method is higher

and it also has the advantage of computational efficiency. The method presented is not limited to PTZ camera images

and it has universality for other purely rotated images orientation problems.

关键词

Keywords

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