CC BY
396
РАЗРАБОТКА ТЕСТ-ОБЪЕКТА ДЛЯ КАЛИБРОВКИ ЦИФРОВЫХ КАМЕР
Андрей Владимирович Семенцов
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования СГГА, тел. +7-960-779-06-79, e-mail: [email protected]
В статье приведены результаты анализа особенностей тест-объектов, используемых для калибровки цифровых камер, и предложен собственный вариант.
Ключевые слова: тест-объект, неметрическая камера, калибровка, дисторсия объектива.
DEVELOPMENT OF THE TEST OBJECT FOR DIGITAL CAMERAS CALIBRATION
Andrey V. Sementsov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo Str., a postgraduate student of the department of photogrammetry and remote sensing SSGA, tel. +7-960-779-06-79, e-mail: [email protected]
The results of the test-objects features analysis used for calibration of digital cameras and the author’s own variant are given in this article.
Key words: test object, nonmetric camera, calibration, lens distortion.
С учётом современных тенденций к повышению производительности работ, сокращению затрат времени и средств, актуальной задачей является увеличение эффективности процесса калибровки камер [1].
Качество и надёжность калибровки зависят как от выбора условий съёмки и метода, используемого для обработки данных, так и от выбора калибровочного тест-объекта.
Методы калибровки камер делятся на полевые и лабораторные. К полевым относятся все методы, подразумевающие фотографирование калибровочных тест-объектов, а к лабораторным - методы определения искажений камеры при помощи специальных установок (например, гониометрической скамьи). На практике предпочтение отдаётся полевым методам, так как лабораторные методы зачастую не обеспечивают достоверное определение параметров калибровки.
Существует большое количество различных методов полевой калибровки камер. Разные методы калибровки могут основываться на использовании разных тест-объектов [2]. Среди существующих тест-объектов для полевой калибровки можно условно выделить следующие виды:
- тест-объекты, размещаемые в помещениях;
- испытательные полигоны;
- особый вид тест-объектов.
К особому виду можно отнести тест-объекты, которые имеют естественное происхождение, например, звёздное небо. Главным достоинством калибровки по звёздам является соответствие реальным условиям фотографирования (используется фокусировка на бесконечность, как и в случае аэрофотосъёмки [9-12]). Однако применение данного метода затруднено из -за требований к условиям съёмки (отсутствие городской засветки и засветки от луны, отсутствие облаков, дымки и т. д.).
Испытательные полигоны, как правило, представляют равнинные территории с относительно небольшим перепадом высот и предназначены в основном для калибровки специальной съёмочной аппаратуры [7-9]. Создание и обслуживание такого полигона требует больших затрат. При этом не всегда возможно выполнить полную калибровку камеры, используя классические условия съёмки и методы обработки данных. Рельефные же полигоны крайне сложны
и их создание требуют больших затрат времени и средств. Ещё одним недостатком использования таких тест-объектов является сравнительно низкая плотность точек. Следует отметить, что калибровка камер по испытательным полигонам соответствует реальным условиям аэросъёмки. Тест-объекты, размещаемые в помещениях, представляют собой разные маркированные поверхности. Могут быть как пространственными, так и плоскими.
Плоские - как правило, компактные тест-объекты, представленные шаблонами [10] (например, тест-объекты для Topcon Image Master [11], GeoCV
[12], Photomodeler [13] и др.) (рис. 1) или проекциями на стену (Photomodeler
[13]). По таким тест-объектам полную калибровку можно выполнить только при использовании большого количества снимков, полученных при различном положении съёмочной камеры [14]. Точность определения координат марок тест-объекта будет снижаться из-за деформации листов бумаги и дрейфа изображения, формируемого проектором.
Рис. 1. Примеры плоских тест-объектов
В пространственных тест-объектах к точкам, замаркированным на плоскости, добавляются точки, вынесенные из неё, например (рис. 2), путём использования сопряженных плоскостей или пространственной рамы [15-18]. За исключением возможности калибровки камер с использованием условия коллинеарности проектирующих лучей, пространственные тест-объекты обладают теми же недостатками, что и плоские.
В результате анализа рассмотренных материалов были сформулированы следующие требования к созданию тест-объекта:
- большое количество равномерно расположенных точек;
- высокая скорость создания тест-объекта и его компактность (возможность размещения в помещении);
- возможность использования для калибровки различных типов фотограмметрических задач;
- возможность полной калибровки, то есть определение элементов внутреннего ориентирования снимков и дисторсии объектива;
- возможность измерений координат точек в интерактивном и автоматическом режимах;
- наличие системы, контролирующей точность измерений;
- возможность использования дополнительных геометрических условий;
- наличие системы идентификации точек.
При калибровке камеры важно, чтобы марки тест-объекта заполняли всё поле снимка. При этом съёмка не должна производиться с очень близкого расстояния (как в случае использования тест-объектов на основе одного шаблона стандартного формата А3 или А4), так как условия съёмки будут значительно отличаться от реальных условий, вследствие чего изменятся параметры калибровки (в частности, фокусное расстояние и зависящие от него коэффициенты дисторсии объектива).
Для выполнения качественной калибровки тест-объект должен иметь большое количество марок. Печатать тест-объект большого формата сложно, создавать каждую марку отдельно - займёт много времени. Использовать тест-объект малого формата (А4-А0, экран монитора и т. п.) не имеет смысла по причинам, описанным выше.
Исходя из сказанного, считаем, что один из лучших вариантов тест-объекта для калибровки - это тест-объект, размещённый по всей высоте стены (для стандартных помещений). Для создания такого тест-объекта нужно использовать листы шаблона, которые могут быть оперативно развёрнуты для последующих измерений.
Калибровочный тест-объект № 5, разработанный и созданный в СГГА (рис. 3), расположен на двух сопряженных плоскостях (находящихся примерно под прямым углом).
Рис. 3. Калибровочный тест-объекта СГГА (№5)
Преимущество быстрого развертывания и компактность тест-объекта достигаются тем, что он представляет собой набор листов (рис. 4) формата А3 (плотная бумага 140 г/кв. м), подготовленных в программе «СогеЮга^х На каждом листе находятся по 35 марок в виде мальтийского креста, 5 из которых имеют специальную маркировку. Таким образом, тест-объект содержит 1 400 марок в виде мальтийского креста, из них 120 марок «особые».
Рис. 4. Шаблон тест-объета СГГА
Стоит отметить, что конфигурация тест-объекта на основе шаблонов может меняться в зависимости от помещения.
Как правило, большое количество точек на тест-объектах затрудняет их координирование. Координаты точек представленного тест-объекта предлагается определять с использованием тахеометра только для точек с особой маркировкой. Зная расположение специальных точек на шаблонах, можно рассчитать координаты всех остальных точек. Все листы, а также ряды и строки на этих листах пронумерованы, что позволяет достоверно идентифицировать марки на снимках.
В качестве формы точки тест-объекта (рис. 5) используется круглая марка, которая оптимально подходит для автоматической идентификации, совмещённая с мальтийским крестом, удобным для идентификации точек на
снимке
в ручном режиме.
Рис. 5. Форма марки тест-объекта
На каждом листе, помимо марок и нумерации, присутствует по две радиальные миры и наборы штриховых мир, что позволяет параллельно с калибровкой определять разрешение камеры и его распределение по полю снимка для того, чтобы корректно определять точность измерений и корректно рассчитывать параметры аэрофотосъёмки [19, 20].
В результате нами был создан тест-объект, отвечающий предъявленным требованиям:
- он не требует больших трудовых и финансовых затрат;
- быстро разворачивается (по опыту - достаточно двух часов для создания тест-объекта и около трёх часов для измерения координат опорных точек). Таким образом, результаты калибровки можно получить с нуля в течение рабочего дня;
- обеспечивает большую плотность точек (1 400 марок, 200 из которых определены геодезическим способом);
- расположение листов на стыке стен создаёт необходимый перепад расстояний до точек для обеспечения возможности полной калибровки рядом методов.
Потенциальные возможности тест-объекта не исчерпываются использованием стандартных методов калибровки на основе коллинеарности проектирующих лучей, одна из его плоскостей может использоваться также как более крупный вариант плоского тест-объекта для различных методов калибровки без использования твёрдых опорных данных.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Антипов И.Т. Развитие фотограмметрии в России // ГЕ0-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов пленарного заседания. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). -Новосибирск: СГГА, 2010. - С. 97-132.
2. Белошапкин М.А., Гук Н.А. Калибровка цифровых камер по линейному тест-объекту // ГЕ0-Сибирь-2006. Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 24-28 апреля 2006 г.). - Новосибирск: СГГА, 2006. Т. 3, ч. 1. - С. 121.
3. Ессин А.С., Ессин С.С. Особенности фотограмметрической обработки материалов цифровой аэрофотосъемки с БПЛА // ГЕ0-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 4, ч. 1.
- С. 80-82.
4. Ессин А.С., Ессин С.С. Технология фотограмметрической обработки аэрофотоснимков, полученных с БПЛА, в целях создания ортофотопланов // ГЕО-Сибирь-2009. V Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 20-24 апреля 2009 г.). -Новосибирск: СГГА, 2009. Т. 4, ч. 1. - С. 72-75.
5. Мамутин AM. ^стема определения координат точек местности на
видеоизображении при съемке с борта беспилотного летательного аппарата // ГЕО^ибирь-2G1G. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.).
- Новосибирск: C^A, 2010. Т. 4, ч. 1. - C. 78-79.
6. Коркин B.C., ^дякина A.E. Проект создания комплекса цифровых макетных аэроснимков для исследования фотограмметрических систем // ГEО-Cибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). -Новосибирск: C^A, 2011. Т. 4. - C. 72-74.
7. Лабораторная калибровка цифровых камер с большой дисторсией [Электронный ресурс]: официальный сайт компании «Stereo pixel». - Режим доступа: http://www.stereo-pixel.ru/
8. Исследование методики калибровки снимков на испытательном полигоне Западносибирского филиала «Госземкадастрсъемка» BИCХAГИ / A^. Быков, B^. Быков, ЛЗ. Быков, A.fr Макаров // ГEО-Cибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск: CEFA, 2010. Т. 4, ч. 1. - C. 32-34.
9. Калибровка снимков на равнинном испытательном полигоне с определением координат центров фотографирования / A.fr Макаров, ЛЗ. Быков, B^. Быков, A^. Быков // ГEО-Cибирь-2009. V Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 20-24 апреля 2009 г.). - Новосибирск: CEFA, 2009. Т. 4, ч. 1. - C. 60-62.
10. Aэрофотосъемочный комплекс на базе БПЛЛ «Эльф» ПП-40 [Электронный ресурс]: официальный сайт «BИCХAГИ». - Режим доступа: http://www.siblcs.ru/
11. Cайт ЗAО Геостройизыскания - официального дистрибьютора компании «TOPCON» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.topcon.gsi.ru
12. Официальный сайт компании «GeoCV» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.geocv. com.
13. Официальный сайт компании «Photomodeler» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.photomodeler.com.
14. Дубиновский, B^. Калибровка снимков. - М.: Недра, 1982. - 224 с.
15. Гельман Р.Н., Никитин М.Ю., Дунц A^. Опыт использования и калибровки цифровых камер при совместной аэрофотосъемке с AФA // Геодезия и картография. - 2001. -№ 6. - C. 25-31.
16. Михайлов A.^ Применение цифровых неметрических камер и лазерных сканеров для решения задач фотограмметрии [Электронный ресурс]: официальный сайт «Ракурс». -Режим доступа: http://www.racurs.ru.
17. Исследование и калибровка цифровых камер [Электронный ресурс]: официальный сайт «ДонНТУ». - Режим доступа: http://masters. donntu.edu.ua/
18. Черемушкин A.B. Тест-объект для калибровки фотографических систем // ГЕО-^бирь-2006. Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 24-28 апреля 2006 г.). - Новосибирск: C^A, 2006. Т. 3, ч. 1. - C. 116-118.
19. Cмирнов E.C., Пальчикова И.Г. Калибровка цифровых камер для микроскопной цитометрии // ГEО-Cибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: CEFA, 2011. Т. 5, ч. 1. - C. 47-51.
20. Хасенов К.Б., Хан B.A., Турганбаев Н.Б., Особенности анализа технических характеристик цифровых съемочных камер // ГEО-Cибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр.
: сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: CEFA, 2011. Т. 4.
C. 72-76.
© А.В. Семенцов, 2012
