Методы и средства геометрической калибровки аппаратуры дистанционной оптической диагностики

В связи с расширяющимся использованием изображений, получаемых коммерческими камерами, а также авиакосмическими съемочными системами, обработчикам изображений необходимо знать метрические характеристики камер с заданной точностью, что требует проведения фотограмметрической калибровки камер перед их использованием.
В рамках Государственной научно-технической программы «Научное приборостроение» в НИИПФП им. А. Н. Севченко БГУ разрабатывается метрологический комплекс фотограмметрических калибровок приборов для аэрофотосъемки, методика калибровки, а также программное обеспечение.
В работе изложены некоторые результаты предварительных исследований, проведенных с целью выбора и основания параметров метрологического комплекса и выбора методик калибровки.
Геометрическая калибровка включает в себя определение важнейших параметров камеры: фокусного расстояния, координат главной точки, отклонения пикселей от прямоугольности, коэффициентов дисторсии, а также положения и ориентации камеры относительно калибровочного объекта.
Для геометрической калибровки используются различные тестовые объекты с заранее известными координатами опорных точек, например, калибровочная лаборатория Vexcel (Австрия) оснащена трехмерной калибровочной сценой, состоящей из 367 маркеров. В НИИПФП им. А. Н. Севченко в настоящее время ведется создание оригинальной калибровочной сцены, включающей в себя набор мир различной геометрической формы и размеров, определенным образом расположенных по сцене.
Методика геометрической калибровки включает съемку калибровочной сцены комплекса камерой при различных ее ориентациях относительно калибровочной сцены и последующую обработку изображений специальным программным обеспечением.
С целью сравнительного анализа различных методик калибровки были проведены эксперименты по съемке плоских калибровочных объектов фотокамерой Nikon D3000 с объективом Nikkor DX VR 18 – 55 mm. Объекты были напечатаны на бумаге формата А1. Калибровочные сцены имели вид «шахматки» (черно-белые квадраты разного размера), а также определенным образом расположенных по полю черных точек и секторов различного размера. Изображения обрабатывались по методикам, реализованным в программах Camera Calibration Toolbox for Matlab, PhotoModeler, и GML Camera Calibration Toolbox, имеющихся в свободном доступе в Internet.
В ходе проведенных экспериментов была оценена погрешность определения положения камеры, которое контролировалось с помощью лазерной рулетки Leica DISTO D8 (точность измерения 0,1 мм). Расхождение результатов не превысило 5 %. Точность определения фокусного расстояния объектива Nikkor DX VR 18 – 55 mm и координат главной точки также не превышало 5 %. Из использованных программ более высокую точность определения параметров имеет Camera Calibration Toolbox for Matlab .
В настоящее время разрабатывается программное обеспечение в Borland C++ Builder для геометрической калибровки камер дистанционного зондирования с помощью трехмерной калибровочной сцены создаваемого комплекса.
После дополнительного анализа методик геометрической калибровки установлено, что оптимальной (по соотношению точности, простоты и гибкости использования) является методика, предложенной R.Y.Tsai в статье “A versatile camera calibration technique for high-accuracy 3D machine vision metrology using off-the-shelf TV cameras and lenses”, которая положена в основу разрабатываемого оригинального ПО.