(Henrik Haggrén, 19.1.2001)
Luento 11: Järjestelmien kalibrointi
AIHEITA
Kalibroinnit
-
Kalibroinnin kohde näkyy kalibroinnin nimessä:
-
optiikan kalibrointi
-
kamerakalibrointi
-
kuvamittausaseman kalibrointi
-
stereokameran kalibrointi
-
videoprofilometrin kalibrointi
-
Mittausjärjestelmässä kalibroinnilla ratkaistaan ne kuvaus-
ja mittausjärjestelmän muuttujat, jotka vakioidaan mittaustilanteessa.
Tällaisia muuttujia ovat esimerkiksi kameran sisäinen ja ulkoinen
orientointi sekä kameran virheet.
-
Kalibroinnin jäännösvirheet deformoivat mittauskoordinaatiston
ja aiheuttavat mittaustuloksiin systemaattisen virheen.
-
Kalibrointi voidaan kohdistaa myös suoraan mittauskoordinaatistoon,
jolloin em. systemaattinen jäännösvirhe määritetään
suhteessa tähän koordinaatistoon ja poistetaan tuloksista.
-
Kamerakalibrointi tehdään joko yksittäiselle kameralle tai
kamerajoukolle.
-
Yksittäisen kameran kalibrointi perustuu kolmiulotteisen pisteistön
kuvaamiseen ja havaitsemiseen. Pisteistö kuvataan vähintään
kolmesta suunnasta ja tasoitetaan blokkina. Mikäli kameran sisäinen
orientointi ja kuvausvirheet säilyvät kuvauksen aikana muuttumattomina
(block invariant), ne voidaan sisällyttää tasoitukseen
lisäparametreina. Kalibroinnin tuloksena määritetään
myös kohteen mittauskoordinaatisto. Täydellinen kalibrointi edellyttää
vähintään yhden vertausetäisyyden havaitsemista kahden
pisteen välillä.
-
Jos pisteiden 3-D koordinaatit tunnetaan, kamera voidaan kalibroida yhdenkin
kuvan perusteella. Koska tällöin kaikki havaintovirheet - niin
kuvalla kuin kohteessa - vaikuttavat suoraan kalibroinnin lopputulokseen,
kalibrointi tulee perustaa aina usemman kuin yhden kuvan havaintoihin.
-
Kamerajoukon kalibroinnissa blokin jokaiselle kameralle määritetään
omat kuvausparametrit (block variant).
Kamerakalibrointi
-
Kamerakalibroinnilla ymmäretään ensisijaisesti mittakameran
sisäisen orientoinnin määrittämistä.
-
Lähikuvamittauksissa kamerakalibroinnilla määritetään
karteesinen kamerakoordinaatisto sekä kaikki kuvauksessa havaittavat
systemaattiset poikkeamat suoraviivaisesta kuvautumisesta:
-
Sisäinen orientointi
-
kameravakio,
-
pääpiste,
-
affiinisuus eli mittakaavaero kuvakoordinaatiston pääsuunnissa,
-
poikkeama suorakulmaisuudesta.
-
Optiikan piirtovirheet
-
pääpisteen suhteen symmetrinen (radial distortion),
-
pääpisteen suhteen epäsymmetrinen (decentering distortion).
-
Kamerakalibrointi tehdään
-
koordinaateiltaan tunnetuilla pisteillä,
-
testikentällä (calibration test range), joka koostuu signaloiduista
3-D tukipisteistä,
-
kuvamittausasemalla (photogrammetric station), jossa 3-D kalibrointipisteet
mitataan kalibroinnin kuluessa,
-
koordinaateiltan tuntemattomilla pisteillä (simultaneous multi-frame
calibration),
-
testilevyllä (calibration plate), jota käytetään
kameran kalibrointiin ja koostuu suorista viivoista, vertausetäisyydestä
sekä signaloiduista 2-D pisteistä,
-
"on-the-job calibration", jota käytetään kuvauksen
kalibrointiin, ja kalibrointi perustetaan kohteelle tuodun kalibrointikehikon
mittaamiseen samanaikaisesti kohteen mittaamisen kanssa,
-
"self calibration", jota käytetään kameran kalibroimiseen
ja kuvauksen kalibroimiseen yhdessä ja samassa työssä, ja
havaintoina voidaan lisäksi käyttää kohteelle mitattuja
lähtöpistehavaintoja.
-
Kalibrointi toteutetaan laajentamalla suoraviivaisen kuvauksen fysikaalista
mallia ns. lisäparametrein.
-
kollineaarisuusyhtälöihin perustuva kameramalli
-
sisäinen, keskinäinen ja ulkoinen orientointi
-
tarkin, soveltuu erityisen hyvin "self calibration"-tilanteisiin
-
DLT, direct linear transformation
-
ulkoinen orientointi
-
max. tarkkuus luokkaa 1:10'000,
-
soveltuu erityisesti "on-the-job calibration"-tilanteisiin,
-
käytetään myös likiarvojen hankkimiseen "self calibration"-tilanteissa.
-
Lisää
-
Maa-57.220 Fotogrammetrinen kartoitus, Luento 3: Kolmiointihavainnot
In case of film cameras, the fiducials can be reproduced by image corners.
A proper way to observe image corners is to locate them by measuring image
edges and fitting lines to those. Interior orientation is performed individually
for each digitizing or session of comparator measurement. Image adopted
from (Cruz, 2000).
![](Camedia_image_coordinates.gif)
![](space.gif)
First approximation for principal point x0, y0
in case of digital cameras would be the center of image coordinates. The
image coordinate axes follow columns and lines of pixels. Note that the
coordinate system of a digital image usually is a left-hand system.
Calibration function. (Fryer, 2000)
Calibration plate. A simple calibration plate consists of straight lines
on the edges, a scale bar with at least one known reference distance, and
30 to 70 targets. These targets do not have to be known by their coordinates.
Assuming that an image is taken by aiming the camera perpendicularly to
the plate center, camera constant can be determined by scaling. For this
purpose we will measure the distance between the camera and the calibration
plate, and the length of the reference distance on the image. The straight
lines on the edges will be then used for defining the radial and decentering
optical distortions. (Fryer, 2000)
After a good approximation for radial and decentering distortions, the
values for the rest of the calibration unknowns will be estimated based
on collinearity equations. For this purpose we take four pairs of convergent
images from the plate. Within each pair the camera should be rotated 90°.
The parameters of decentering distortion will be kept fixed during the
bundle adjustment. The procedure is iterative and should be repeated until
the principal point is determided with sufficient accuracy. (Fryer,
2000)
1. |
Plumbline image assuming
x0, y0 in the image center
- get good approximations for K1,
P1, P2 |
2. |
Calculate approximative c |
3. |
Bundle adjustment images ![](red_2.gif) ![](red_3.gif) ![](red_4.gif) ![](red_5.gif) ![](red_6.gif) ![](red_7.gif) ![](red_8.gif)
holding P1, P2 fixed
- get good estimations for K1
and c
- get x0, y0,
mx, my,
- get improved K1, K2,
K3 |
4. |
Repeat step 1 with x0, y0
- get excellent K1, P1,
P2 |
5. |
Repeat bundle adjustment holding P1, P2
fixed
- get excellent estimations for dx0,
dy0, mx, my, x, y,
c, K1, K2, K3 |
Calibration procedure according to Fryer (2000). A typical number of
targeted calibration points would be 50.
![](TKK_testinurkka.gif)
![](tkk_piirtovirhe.gif)
![](Camedia_radial_distortion_table.gif)
![](Camedia_correction_for_radial_distortion_at_y_512_table.gif)
Typical radial lens distortion curves for 25, 16, 8,5 and 6,5 mm C-mount
lenses fitted to a Pulnix TM6CN camera. (Figure 2.7 from: Atkinson,
1996)
Gaussian radial distrotion at various image scales for a 25 mm Fujinon
lens fitted to a Pulnix CCD camera. (Figure 6.3 from: Atkinson, 1996)
Balanced radial distortion graphs at various image scales for a 25 mm
Fujinon lens fitted to a Pulnix CCD camera. (Figure 6.4 from: Atkinson,
1996)
Variation in Gaussian radial distortion for a range of nominal proncipal
distances for a 35 - 70 mm Canon FD zoom lens fitted to a Canon AE-1 Program
camera. (Figure 6.11 from: Atkinson, 1996)
Decentering distortion for Fujinon 25 mm lens fitted to a Pulnix CCD
camera. (Figure 6.6 from: Atkinson, 1996)
Linssin syvyysterävyysalue. Kuvassa pA
on fokusointietäisyys, pN ja pF
tätä vastaavat terävänä kuvautumisen etu- ja takarajat.
Kuvan terävyyttä arvioidaan suureella c, joka on kuvalle
kuvautuvan pisteen halkaisija. D on kameran aukkoluku ja f
linssin polttoväli. pH on hyperfokaalietäisyys,
jolle etäisyydelle fokusoitaessa kuva on terävä välillä
pN -
.
Depth_of_field.xls
Calibration and relative orientation artifact. (Clarke, 2000)
Calibration bench at Cern, 2 m x 3 m. Tämä kalibrointikehikko
on koottu mittaussuunnittelun ja -simuloinnin varmistamiseksi. Kehikko
koostuu 60 koodatusta tähyksestä ja 7 mittakaavajanasta (vertausetäisyydestä).
(Nummiaro,
1999)
-
T. Clarke and X. Wang, 2000. The control of a robot end effector
using photogrammetry. International Archives of Photogrammetry and Remote
Sensing, Vol. XXXIII, Part B5. Amsterdam 2000, p. 137-142.
-
Santiago Cruz, Javier Cardenal and Jorge Delgado, 2000. A program
for automatic inner orientation of digitized non-metric images. International
Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, Vol. XXXIII, Part B5. Amsterdam
2000, p. 149-156.
-
Katja Nummiaro, 1999. Simulation
of photogrammetric project - Introduction to SIMU.EXE.
-
HUT, Arzu Cöltekin, 1998. Calibration procedure. http://foto.hut.fi/research/facilities/CALIBRATION/comstrat.html
Kuvamittausaseman kalibrointi
-
Kalibroinnit voidaan jakaa käyttötarkoituksen mukaan kahteen
vaiheeseen
-
Perus- eli pystytyskalibrointi
-
kamerakalibroinnit
-
ulkoiset orientoinnit
-
Päivityskalibrointi
-
muuttunut yksittäinen sisäinen orientointi
-
muuttunut yksittäinen ulkoinen orientointi
-
muuttunut blokin ulkoinen orientointi
-
Kuvamittausaseman kalibrointi tehdään aina "on-the-job", eli
paikan päällä.
-
Kalibrointihavaintoina käytetään homologisia kuvahavaintoja
kohdepisteisiin.
-
Kantalattaa (scale bar) käytetään kuvamittausaseman mittakaavan
määrittämiseen.
-
Kalibrointiin sisältyy kuvamittausaseman kaikkien kameroiden kamerakalibrointi
ja näiden ulkoinen orientointi.
-
Kalibrointikoordinaatisto
-
Kalibrointikoordinaatistona on kuvamittausaseman oma mittauskoordinaatisto,
jonka suhteen kameroiden ulkoiset orientoinnit määrittyvät.
-
Kalibrointikoordinaatisto määritetään peruskalibroinnin
yhteydessä.
-
Kalibrointikoordinaatistona voi olla myös tarkoituksenmukainen kohdekoordinaatisto
kuten robotin tai solun työkoordinaatisto. Tällöin kalibrointihavaintoihin
lisätään robotin 3-D koordinaattiarvot kalibrointipisteissä.
-
Päivityskalibrointi
-
Kalibrointikoordinaatisto merkitään ympäristön rakenteisiin,
ja tarkastuspisteiden mallikuvat ja kuvakoordinaatit tallennetaan kultakin
kameralta.
-
Kuvamittausaseman mittauskelpoisuus eli sen kameroiden liikkumattomuus
ja peruskalibroinnin pysyvyys varmistetaan säännöllisin
väliajoin tarkistuspisteistä.
-
Tarvittaessa kalibrointi uusitaan joko koko aseman osalta tai yksittäisen
kameran osalta.
-
References
-
Maa-57.301 Fotogrammetrian
yleiskurssi. Luento 10: Kolmiointi.
-
Henrik Haggrén and Jan Heikkilä, 1989. Calibration of close-range
photogrammetric stations using free network bundle adjustment. The Photogrammetric
Journal of Finland, Vol. 11, No. 2, pp. 21 - 31, Helsinki 1989.
-
Jan Heikkilä, 1990. Update calibration of photogrammetric station.
SPIE Vol. 1395 Close-Range Photogrammetry Meets Machine Vision (1990).
-
Katri Oksanen, 1996. The visualization of calibration measurements. In:
Katri
Oksanen's Image Collection
Scale bar used for calibration reference.
External check for 3-D measuring accuracy.
Image observations for calibration.
Retro targets used as external stability control.
Parameters in simulation |
Condition number |
Determinability |
Principal point |
1,27E-7 |
GOOD |
Affinity + principal point |
1,15E-7 |
GOOD |
Radial distortion, 3rd power + principal point |
1,26E-7 |
GOOD |
Affinity + radial distortion, 3rd power + principal point |
1,13E-7 |
GOOD |
The simulation results.
Project |
Network type |
s0 [pixels] |
Rissala |
Forced |
0,050 |
Rissala |
Free |
0,048 |
Olari |
Forced |
0,037 |
Olari |
Free |
0,035 |
Tkk-1 |
Free |
0,067 |
Tkk-2 |
Free |
0,050 |
Nov-14 |
Free |
0,048 |
Swiss |
Free |
0,047 |
Precision estimates of practical projects.
Parameters |
10 distances (long) |
8 distances (long) |
38 distances (short) |
EO |
2,8 |
2,0 |
0,84 |
EO + Affinity |
0,92 |
1,15 |
0,31 |
EO + RadTan |
0,24 |
0,23 |
0,091 |
EO + Pxy |
1,21 |
0,95 |
0,70 |
EO + Pxy + RadTan |
0,053 |
0,0075 |
0,0098 |
EO + Pz |
0,11 |
0,10 |
0,057 |
EO + Pxyz |
0,017 |
0,0076 |
0,010 |
EO + ALL |
0,015 |
++ ill 1 ++ |
0,0091 |
Condition numbers of systems (1E-5).
Parameters |
4-camera network |
3-camera network |
2-camera network |
EO |
2,8 |
1,98 |
0,37 |
EO + Affinity |
0,92 |
0,70 |
0,081 |
EO + RadTan |
0,24 |
0,092 |
0,041 |
EO + Pxy |
1,21 |
0,37 |
0,11 |
EO + Pxy + RadTan |
0,053 |
0,044 |
0,019 |
EO + Pz |
0,11 |
0,070 |
0,069 |
EO + Pxyz |
0,017 |
0,017 |
0,012 |
EO + ALL |
0,015 |
0,013 |
++ ill 1 ++ |
Condition numbers of systems (1E-5).
Parameters |
4-camera network |
3-camera network |
2-camera network |
EO |
5,8 |
1,98 |
4,0 |
EO + Affinity |
1,02 |
0,70 |
0,32 |
EO + RadTan |
0,87 |
0,092 |
0,11 |
EO + Pxy |
3,0 |
0,37 |
0,63 |
EO + Pxy + RadTan |
0,20 |
0,044 |
0,052 |
EO + Pz |
0,76 |
0,070 |
0,047 |
EO + Pxyz |
0,039 |
0,017 |
++ ill 3 ++ |
EO + ALL |
0,030 |
0,013 |
++ ill 5 ++ |
Condition numbers of systems (1E-5).
Stereokameran kalibrointi
-
Stereokamera kalibroidaan havaitsemalla kuvaparilta yhteisiä pisteitä
mahdollisimman laajalta alueelta kameroiden yhteistä kuva-alaa.
-
Kuvahavainnot muunnetaan pääpistekeskisiksi ja niistä poistetaan
optiikan piirtovirheen vaikutus.
-
Orientointipisteiden kuvakoordinaateilla ratkaistaan ns. kuvaparin singulaarien
korrelaatiomatriisi.
-
Korrelaatiomatriisin avulla ratkaistaan kummallekin kuvalle projektiivinen
muunnos ja näillä muunnoksilla oikaistaan kuvat stereokuvauksen
normaalitapausta vastaavalle tasolle.
-
Mikäli kameroiden sisäistä orientointia ei tunneta, se voidaan
määrittää oikaistulle kuvaparille.
-
Mittauskoordinaatisto on tällöin suoraviivainen, mutta ei karteesinen,
vaan projektiivisesti vino.
-
Piirtovirheen jäännösvirhe deformoi mittauskoordinaatiston.
-
Mikäli mittauskoordinaatisto halutaan oikaista, se voidaan tehdä
projektiivisella 15-parametrisella muunnoksella, mikä edellyttää
viiden 3-D tukipisteen havaitsemista kohteesta.
-
Piirtovirheistä aiheutuvan deformaation oikaisu edellyttää
huomattavasti useamman tukipisteen havaitsemista kohteesta.
Videoprofilometrin kalibrointi
-
Videoprofilometri kalibroidaan projektiivista muunnosta käyttäen.
-
Muunnos edellyttää kuvalta vähintään neljän
2-D koordinaateiltaan tunnetun pisteen havaitsemista.
-
Pisteet havaitaan laserprojektorin tasosta ja mahdollisimman kattavasti
profilometrin käyttöalueelta.
-
Kalibrointityökaluna voidaan käyttää tunnettua profiilia,
josta tukipisteet osoitetaan.
-
Mikäli tukipisteitä käytetään useita, voidaan
profiilihavainnoista korjata myös kameraoptiikan virheet.
Projektiiviset muunnokset
-
Perustuvat suoriin koordinaatistojen välisiin kuvauksiin 3-D koordinaatistosta
2-D kuvalle (ns. DLT-muunnos) tai 2-D tasolta toiselle 2-D tasolle (ns.
oikaisukaavat).
-
Kumpiakin käytetään erityisesti silloin, kun kameran sisäistä
orientointia ei tunneta, eikä välitetäkään määrittää.
-
Muunnoksissa ei ole tarvetta ulkoisen tai sisäisen orientoinnin likiarvojen
määrittämiseen, eikä niitä kuvaavia parametreja
sisälly muunnoksiin niinkuin sädekimppumallissa.
-
Muunnoksen ratkaisu on suora lineearisten muuttujien osalta, ja iteratiivinen
lisäparametreina ratkaistavien optiikan piirtovirheiden osalta.
-
Sisäisen ja ulkoisen orientoinnin parametrit voidaan tarvittaessa
laskea projektiivisten muunnosten muuttujista.
DLT Direct Linear Transformation
-
DLT vastaa yhden 2-D kuvan ulkoista orientointia 3-D koordinaateiltaaan
tunnettuun kohdepisteistöön (= taaksepäinleikkaus avaruudessa).
-
DLT:tä käytetäänkin yleisesti ei-mittakameroiden yhteydessä,
koska muunnokset voidaan tehdä suoraan kuvahavainnoista.
-
3-D tukipisteet järjestetään usein kannettavaan kehikkoon,
joka kuvataan samoilla kamera-asetuksilla kuin varsinainen kohdekin.
-
DLT blokin suhteellinen tarkkuus on parhaimmillaan luokkaa 1 : 5000 - 8000.
-
Verkon rakenne on aina huonompi kuin sädekimppumalliin perustuvilla
muunnoksilla, koska kuvahainnoilla ei ole käyttöä blokin
sisäisinä liitospisteinä.
-
Ainoastaan 3-D tukipisteitä voidaan käyttää DLT:n ratkaisemiseen.
Sädekimppumalli
-
Sädekimppumalli soveltuu parhaiten lähikuvamittauksen sovelluksiin,
koska siinä voidaan hyödyntää kaikki kuva- ja kodetilan
havainnot.
-
Sädekimppumalli on yleisimmin käytetty, koska se ei edellytä
3-D lähtöpisteitä.
-
Mallin käyttö edellyttää havaintojen muuntamista kamerakoordinaatistoon,
joten kameran pääpiste ja kameravakio täytyy tuntea.
-
Blokkitasoitus on iteratiivinen ja edellyttää hyviä likiarvoja
myös ulkoisille orientoinneille.
-
Jos blokkiin sisältyy 3-D pisteitä, voidaan likiarvot ratkaista
DLT:tä käyttäen.
-
Sädekimppumalli tuottaa tarkimmat blokit, ja soveltuu hyvin myös
kameroiden kalibrointiin.
Literature and software
Maa-57.260 Fotogrammetrian
erikoissovellutukset