Фотограмметрическая калибровка съемочных камер
Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Фотограмметрическая калибровка съемочных камер





Задачи и методы калибровки камер

Калибровка камер состоит в определении значений элементов внутреннего ориентирования камеры и систематических ошибок оптической системы, вызванных главным образом дисторсией объектива.

Элементами внутреннего ориентирования являются фокусное расстояние (f) и координаты главной точки (xo, yo).

Для камер имеющих координатные метки, определяют также их координаты.

Систематические ошибки оптической системы определяют отличия реальной физической системы от ее математической модели. Дисторсия объектива влияет на геометрию центрального проектирования, и как следствие не выполняется принцип коллинеарности (нарушается центральная проекция изображения)

Различают два типа дисторсии объектива: радиальную и тангенциальную. Радиальная дисторсия намного превышает тангенсальную, поэтому, как правило, определяют только радиальную дисторсию. На практике, фотокамеры, изготовленные специально для фотограмметрических измерений имеют объективы с очень маленькой дисторсией, поэтому в процессе калибровки достаточно бывает определить только фокусное расстояние и координаты главной точки. Для современных цифровых камер, главной проблемой является низкое качество изготовления объектива, связанное с большой дисторсией (может достигать 100мкм и более) и не центрирование отдельных элементов объектива, что приводит к неперпендикулярности главного оптического луча к плоскости изображения. Поэтому при калибровке таких камер целесообразно определять не только радиальную дисторсию, но и децентрацию оптической системы (нецентрированная или тангенциальная дисторсия объектива).

 

Дисторсия объектива может быть описана различными уравнениями, например:



 

(8.1)

или

(8.2)

 

Где dx, dy – поправки в координаты точек снимка за дисторсию объектива; x,y – координаты точек снимка; k1,k2,k3 – коэффициенты радиальной дисторсии; p1,p2 – коэффициенты нецентрированной дисторсии объектива; r0 – радиус- вектор, соответствующий нулевой дисторсии; r– расстояние от главной точкиxo, yo:

 

Существует три метода калибровки камер:

· Калибровка с помощью многокалиматорного калибратора

· Калибровка с помощью тест объекта.

· Самокалибровка.

 

Калибровка с помощью многокалиматорного калибратора выполняется на специальном устройстве, которое позволяет определить элементы внутреннего ориентирования камеры в лабораторных условиях. Этот метод в настоящее время редко используется, из-за необходимости иметь дорогостоящее оборудование.

Калибровка с помощью тест-объекта основана на вычислении параметров калибровки по результатам измерений координат точек снимков тест-объекта. Тест-объект представляет собой специальный объект с множеством точек с известными координатами.

Самокалибровка это метод калибровки камеры, который позволяет определять параметры калибровки в процессе фототриангуляции, выполняемой по снимкам реальной съемки.

Рассмотрим более подробно два последних метода, как наиболее употребимых.

Калибровка камер с помощью пространственного тест-объекта

Этот метод основан на съемке тест-объекта. На рис.8.1 показан пример в виде пространственной фигуры, на которой маркируются точки. Координаты этих точек определяются с необходимой точностью одним из геодезических методов.

 


Рис.8.1

 

После съемки этого объекта исследуемой камерой решается обратная засечка, на основе расширенных уравнений коллинеарности:

 

(8.3)

 

где dx,dy – поправки в координаты точек снимка за дисторсию объектива, вычисляемые по (8.1) или (8.2). В качестве неизвестных в уравнениях (8.3) выступают элементы внутреннего f,xo,yo, и внешнего ориентирования XS,YS,ZS, w,a,k и коэффициенты дисторсии k1,k2,k3, p1,p2. Для их определения составляют эти уравнения по измеренным координатам точек снимка x,y и координатам X,Y,Z соответствующих точек тест-объекта.Задача решается по способу наименьших квадратов, методом последовательных приближений.

Для камер, в которых происходит преобразование видеосигнала в цифровую форму, рекомендуется добавить к уравнениям (8.3) коэффициенты аффинного преобразования а1 иа2,то есть:

 

(8.4)

 

Чтобы решить проблему калибровки камеры корректно и надежно на основе уравнений (8.3) и (8.4) большое значение имеет тест-объект (размеры, количество точек и точность их координат) и метод его съемки. Съемку следует выполнять таким образом, чтобы точки объекта покрывали всю площадь снимка (рис. 8.5)

 
 

 


 

Рис.8.5

 

Размеры тест-объекта зависят от типа камеры, подлежащей калибровке, т.е. зависят от оптимальных отстояний YS съемки, для которых предназначена данная камера. Если приблизительно известно это отстояние и фокусное расстояние камеры, то можно вычислить размеры тест-объекта из рис. 8.5. В качестве теста можно использовать фасад здания, на котором маркируются с большой густатой опорные точки. Что касается распределения точек, то их следует располагать равномерно по всей площади в плоскости, параллельной плоскости снимка (так, чтобы покрыть весь снимок точками для надежного определения коэффициентов дисторсии объектива) и в перпендикулярном направлении (по глубине) для определения фокусного рассояния камеры.

На рис. 8.6 показаны примеры тест-объектов.

 

 

 

 

Рис.8.6

 

Если опорные точки тест-объекта будут находиться в одной плоскости, то в следствии корреляции фокусного расстояния f с отстоянием YS при решении обратной засечки приводит к неопределенности решения. Это обстоятельство поясняет рис. 8.7.

 

 
 

 

 


Рис.8.7

 

Предположем, что плоский тест-объект был снят камерой с фокусным расстоянием f из точки S,установленной от объекта на отстоянии YS =SN. В результате решения обратной засечки при совместном нахожденииf и Ysвозникает многозначность решения, одним из которых является f’ и Y’S (рис.8.7) при котором все проектирующие лучи пересекаются в точке S’. В тоже время для пространственного объекта существует только одно решение в точке S, так как в точке S’ не пересекаются все лучи (рис. 8.8).

 
 

 


Рис.8.8

 

Очевидно, что чем больше третье измерение объекта (h), тем более надежно решение. Из экспериментальных исследований известно, что отношение h/YS не должно быть меньше чем 1/5.

Точность координат точек тест-объекта с которой их следует определять, можно подсчитать по простой формуле:

где dx – точность с которой необходимо определить параметры калибровки. Предположим, что dx =0.001mm, фокусное расстояние камеры примерно равно f=100mm, съемка будет выполняться с расстояния YS=30m, тогда dX = 0.1mm

 









Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2018 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.