RU2808083C1 - Photogrammetric calibration method for estimating the ratios of radial and tangential lens distortion and the matrix of internal parameters of the camera - Google Patents

Photogrammetric calibration method for estimating the ratios of radial and tangential lens distortion and the matrix of internal parameters of the camera Download PDF

Info

Publication number
RU2808083C1
RU2808083C1 RU2023111547A RU2023111547A RU2808083C1 RU 2808083 C1 RU2808083 C1 RU 2808083C1 RU 2023111547 A RU2023111547 A RU 2023111547A RU 2023111547 A RU2023111547 A RU 2023111547A RU 2808083 C1 RU2808083 C1 RU 2808083C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
radial
camera
polygon
site
calibration
Prior art date
Application number
RU2023111547A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Иван Сергеевич Холопов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет имени В.Ф. Уткина"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет имени В.Ф. Уткина" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет имени В.Ф. Уткина"
Application granted granted Critical
Publication of RU2808083C1 publication Critical patent/RU2808083C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: computer technology.
SUBSTANCE: used to estimate the ratios of radial and tangential lens distortion and the matrix of internal parameters of the camera. The claimed photogrammetric calibration method for estimating the ratios of radial and tangential lens distortion and the matrix of internal parameters of the camera is based on shooting a test site of nodal points located at the intersections of uniformly distributed No concentric circles and Np radial directions. Based on the results of shooting in frames from the camera, the pixel coordinates of the nodal points of the site are estimated with subpixel accuracy and the ratios of the distortion mathematical model and the elements of the matrix of internal parameters of the camera are calculated from them. The test site is surveyed m≥2 times and before each subsequent exposure, it is rotated in roll by an angleδϕ≈Δϕ/m, where Δϕ =360°/Ν p is the angular size of the site's radial sector. In this case, the site is centered along the lines of the frame center markers vertically and horizontally and is controlled by the point of intersection of the markers in the center of the circle of the smallest radius on the image from the camera, and the initial angular position is controlled by the horizontal position of the line of the frame center marker in the radial sectors of the site image, adjacent to its horizontal axis of symmetry corresponding to the radial branches of the site with the numbers “0-Np/2”.
EFFECT: solution of an overdetermined system of equations of projective geometry for a priori known in the coordinate system of the calibration site of the spatial coordinates of its nodal points.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для оценки коэффициентов радиальной и тангенциальной дисторсии объектива и матрицы внутренних параметров камеры.The invention relates to computer technology and can be used to estimate the coefficients of radial and tangential distortion of the lens and the matrix of internal camera parameters.

Известен способ фотограмметрической калибровки (Тюфлин Ю.С., Степаньянц Д.Г., Князь В.А., Желтов С.Ю. Предвычисление точности определения координат точек объекта в ближней фотограмметрии // Геодезия и картография. 2004. №11. С. 29-32), включающий определение координат точек плоского тест-объекта, фотографирование тест-объекта, измерение координат точек тест-объекта на снимках, вычисление элементов внутреннего ориентирования и параметров фотограмметрической дисторсии. Указанный способ основан на двукратном фотографировании тест-объекта одной фотокамерой из одной точки пространства. Тест-объект после первого фотографирования перемещают вдоль оптической оси фотокамеры на определенное расстояние, а величину перемещения при этом фиксируют с помощью отсчетного приспособления с высокой точностью. Далее на полученных снимках измеряют координаты точек тест-объекта. Элементы внутреннего ориентирования вычисляют совместно с элементами внешнего ориентирования снимков из решения уравнений коллинеарности, составленных для каждого изображения точки тест-объекта. Параметры фотограмметрической дисторсии определяют по остаточным расхождениям вычисленных и измеренных координат точек тест-объекта с учетом найденных элементов внешнего и внутреннего ориентирования снимков.There is a known method of photogrammetric calibration (Tyuflin Yu.S., Stepanyants D.G., Knyaz V.A., Zheltov S.Yu. Pre-calculation of the accuracy of determining the coordinates of object points in close-range photogrammetry // Geodesy and Cartography. 2004. No. 11. P. 29-32), including determining the coordinates of the points of a flat test object, photographing the test object, measuring the coordinates of the points of the test object in the images, calculating the elements of internal orientation and parameters of photogrammetric distortion. This method is based on photographing a test object twice with one camera from one point in space. After the first photograph, the test object is moved along the optical axis of the camera to a certain distance, and the amount of movement is recorded using a reading device with high accuracy. Next, the coordinates of the points of the test object are measured on the resulting images. Elements of internal orientation are calculated together with elements of external orientation of images from the solution of collinearity equations compiled for each image of a test object point. The parameters of photogrammetric distortion are determined by the residual discrepancies between the calculated and measured coordinates of the points of the test object, taking into account the found elements of the external and internal orientation of the images.

К недостатку способа следует отнести необходимость применения отсчетного приспособления для измерения величины перемещения тест-объекта с высокой точностью.The disadvantage of this method is the need to use a reading device to measure the amount of movement of the test object with high accuracy.

Из уровня техники известен способ фотограмметрической калибровки фотокамер (патент RU 2308001, опубликовано 10.10.2007, МПК: G01C 11/02 (2006.01)). Способ включает определение координат точек плоского тест-объекта, фотографирование тест-объекта, измерение координат точек тест-объекта на снимках, вычисление элементов внутреннего ориентирования и параметров фотограмметрической дисторсии. При этом плоский тест-объект создают на поверхности земли, фотографирование выполняют с самолета с двух высот фотографирования, разность высот определяют с помощью бортовой системы спутниковой навигации (GPS), при вычислении элементов внутреннего ориентирования координаты главной точки принимают равными координатам центральной точки кадра, а фокусное расстояние вычисляют по точкам тест-объекта, расположенным симметрично относительно центра кадра.A method for photogrammetric calibration of cameras is known from the prior art (patent RU 2308001, published 10.10.2007, IPC: G01C 11/02 (2006.01)). The method includes determining the coordinates of points of a flat test object, photographing the test object, measuring the coordinates of points of the test object in the images, calculating elements of internal orientation and parameters of photogrammetric distortion. In this case, a flat test object is created on the surface of the earth, photography is performed from an airplane from two photographing heights, the height difference is determined using an on-board satellite navigation system (GPS), when calculating internal orientation elements, the coordinates of the main point are taken equal to the coordinates of the central point of the frame, and the focal point the distance is calculated from points of the test object located symmetrically relative to the center of the frame.

К недостатку способа следует отнести его применимость только к случаям калибровки камер, установленных на летательных аппаратах.The disadvantage of this method is its applicability only to cases of calibration of cameras installed on aircraft.

Известен способ калибровки видеодатчиков многоспектральной системы технического зрения (патент RU 2692970, опубликовано 28.06.2019, МПК: G06T 7/80 (2017.01)), в котором выполняют съемку тестового объекта с различных ракурсов, находят на снятых с различных ракурсов изображениях тестового объекта особые точки, выполняют оценку их координат с субпиксельной точностью, производят оценку матриц внутренних параметров камер, оценку векторов коэффициентов дисторсии объективов камер, оценку матриц внешних параметров, определяющих взаимное пространственное положение камер. Одновременную калибровку нескольких камер - как видимого, так и инфракрасного диапазонов - производят с использованием тестового объекта с калибровочным шаблоном с клетками в виде темных n-угольников на светлом поле, при этом на этапе инициализации алгоритма калибровки осуществляют ввод значений параметров тестового калибровочного шаблона: размера клетки, количества клеток по горизонтали и вертикали. При n=4 калибровочный шаблон представляет собой шахматное поле с априори известными в системе координат шаблона углами, что позволяет применять для калибровки классическую методику Джанга (Zhang Z. A flexible new technique for camera calibration // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 2000. Vol. 22, No. 11. P. 1330-1334). В то же время применение для реализации способа универсальных, контрастных в различных спектральных диапазонах, тестовых шаблонов (патент RU 2672466, опубликовано 14.11.2018, МПК: G06T 7/80 (2017.01)), накладывает ряд ограничений, связанных, например, с необходимостью высокоточного нанесения полимерной пленки для формировании шахматного поля.There is a known method for calibrating video sensors of a multispectral technical vision system (patent RU 2692970, published on June 28, 2019, IPC: G06T 7/80 (2017.01)), in which a test object is photographed from different angles, and special points are found on images of the test object taken from different angles , evaluate their coordinates with sub-pixel accuracy, evaluate matrices of internal parameters of cameras, evaluate vectors of distortion coefficients of camera lenses, and evaluate matrices of external parameters that determine the relative spatial position of cameras. Simultaneous calibration of several cameras - both visible and infrared ranges - is carried out using a test object with a calibration template with cells in the form of dark n-gons on a light field, while at the initialization stage of the calibration algorithm, the values of the parameters of the test calibration template are entered: cell size , number of cells horizontally and vertically. When n=4, the calibration template is a checkerboard field with angles known a priori in the template’s coordinate system, which makes it possible to use the classical Zhang technique for calibration (Zhang Z. A flexible new technique for camera calibration // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 2000 Vol. 22, No. 11, pp. 1330-1334). At the same time, the use of universal test templates, contrasting in different spectral ranges (patent RU 2672466, published on November 14, 2018, IPC: G06T 7/80 (2017.01)), to implement the method, imposes a number of restrictions associated, for example, with the need for high-precision applying a polymer film to form a chessboard field.

В качестве прототипа выбран наиболее близкий по совокупности признаков способ компенсации дисторсии объектива (патент RU 2790055, опубликовано 14.02.2023, МПК: G01M 11/02 (2006.01)). В способе прототипа для коррекции геометрических искажений изображения определяют коэффициенты радиальной и тангенциальной дисторсии с помощью калибровочного шаблона в виде полигона узловых точек, упорядоченных по концентрическим окружностям и с постоянным шагом по углу. При этом определяют декартовы пиксельные координаты узлов полигона, осуществляют их преобразование в полярные координаты, вычисляют коэффициенты математической модели дисторсии, которая представляет собой разложения в ряды - степенного и двух рядов Фурье, последовательно выполняют компенсацию радиальной дисторсии, периодических составляющих радиальной и тангенциальной дисторсии.The closest combination of characteristics to the method of compensating for lens distortion was chosen as a prototype (patent RU 2790055, published 02/14/2023, IPC: G01M 11/02 (2006.01)). In the prototype method for correcting geometric image distortions, the coefficients of radial and tangential distortion are determined using a calibration template in the form of a polygon of nodal points, ordered along concentric circles and with a constant angular step. At the same time, the Cartesian pixel coordinates of the polygon nodes are determined, they are converted into polar coordinates, the coefficients of the mathematical model of distortion are calculated, which is an expansion into series - a power series and two Fourier series, and the compensation of radial distortion and the periodic components of radial and tangential distortion are sequentially performed.

К недостаткам способа прототипа следует отнести следующее.The disadvantages of the prototype method include the following.

1) Необходимость центрирования декартовых координат узловых точек для обеспечения совпадения центра фотоматрицы и центра изображения полигона.1) The need to center the Cartesian coordinates of the nodal points to ensure that the center of the photomatrix coincides with the center of the polygon image.

2) Для исключения проективных искажений изображения калибровочного полигона, которые могут быть в ходе калибровки трактованы как дисторсия объектива, необходимо обеспечить строго нормальное расположение плоскости полигона по отношению к оптической оси объектива калибруемой камеры. Аналогичное замечание касается и угловой юстировки калибровочного полигона по крену для обеспечения совмещения нулевой строки фотоматрицы с изображением горизонтальной оси полигона.2) To eliminate projective distortions of the calibration range image, which can be interpreted as lens distortion during calibration, it is necessary to ensure that the plane of the range is strictly normal in relation to the optical axis of the lens of the camera being calibrated. A similar remark concerns the angular adjustment of the calibration range for roll to ensure alignment of the zero line of the photomatrix with the image of the horizontal axis of the range.

По этой причине для реализации способа необходимо прецизионное стендовое оборудование, обеспечивающее взаимное высокоточное позиционирование камеры и калибровочного полигона.For this reason, to implement the method, precision bench equipment is required that ensures mutual high-precision positioning of the camera and the calibration site.

3) Как следует из описания прототипа, компенсация дисторсии после вычисления калибровочных коэффициентов по данному способу потребует сначала перехода к полярным координатам, т.е. вычисления обратной тригонометрической функции, затем вычисления тригонометрических функций для компенсации дисторсии, а также вычисления тригонометрических функций для возврата к декартовым координатам при визуализации изображения с компенсированной дисторсией. Таким образом, компенсация дисторсии по способу прототипа имеет большую вычислительную сложность по сравнению с известным из (Hartley R., Zisserman A. Multiple view geometry in computer vision: 2nd edition. Cambridge: Cambridge University Press, 2003. 656 p.) подходом, основанным на численном решении нелинейного уравнения для модели дисторсии Брауна-Конради (Brown D.C. Close-Range Camera Calibration // Photogrammetric Engineering. 1971. Vol. 37, No. 8. P. 855-866.) без вычисления тригонометрических функций: как прямых, так и обратных.3) As follows from the description of the prototype, compensation for distortion after calculating the calibration coefficients using this method will first require a transition to polar coordinates, i.e. calculating the inverse trigonometric function, then calculating trigonometric functions to compensate for distortion, and calculating trigonometric functions to return to Cartesian coordinates when rendering a distortion-compensated image. Thus, distortion compensation using the prototype method has greater computational complexity compared to the well-known approach based on on the numerical solution of the nonlinear equation for the Brown-Conradie distortion model (Brown D.C. Close-Range Camera Calibration // Photogrammetric Engineering. 1971. Vol. 37, No. 8. P. 855-866.) without calculating trigonometric functions: both direct and and reverse.

4) Известно, что радиальная дисторсия наиболее сильно проявляется на углах кадра. Однако радиально-кольцевое размещение узловых точек калибровочного полигона способа прототипа приводит к тому, что именно на углах кадра их количество на единицу площади кадра оказывается наименьшим, что может быть критичным при оценивании коэффициентов, характеризующих радиальную дисторсию, с помощью численных методов.4) It is known that radial distortion is most pronounced at the corners of the frame. However, the radial-circular placement of nodal points of the calibration polygon of the prototype method leads to the fact that it is at the corners of the frame that their number per unit frame area is the smallest, which can be critical when estimating the coefficients characterizing radial distortion using numerical methods.

Техническая проблема, решаемая созданием заявленного изобретения, заключается в разработке способа калибровки, не требующего:The technical problem solved by the creation of the claimed invention is to develop a calibration method that does not require:

- центрирования изображения калибровочного полигона,- centering the image of the calibration area,

- высокоточного углового позиционирования оптической оси камеры коллинеарно нормали к плоскости полигона,- high-precision angular positioning of the camera’s optical axis collinearly normal to the polygon plane,

- вычисления вычислительно емких прямых и обратных тригонометрических функций в процедуре компенсации радиальной и тангенциальной дисторсии,- calculations of computationally intensive direct and inverse trigonometric functions in the procedure for compensating for radial and tangential distortion,

а также обеспечивающего высокую плотность узловых точек на краях кадра в процессе калибровки.and also providing a high density of nodal points at the edges of the frame during the calibration process.

Технический результат изобретения заключается в решении переопределенной системы уравнений проективной геометрии для априори известных в системе координат калибровочного полигона пространственных координат его узловых точек.The technical result of the invention consists in solving an overdetermined system of equations of projective geometry for the spatial coordinates of its nodal points known a priori in the coordinate system of the calibration polygon.

Технический результат достигается тем, что по аналогии с (Zhang Z. A flexible new technique for camera calibration // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 2000. Vol. 22, No. 11. P. 1330-1334) калибровку выполняют не по единственному ракурсу съемки калибровочного радиально-кольцевого полигона способа прототипа, а по нескольким, но не менее чем двум. При этом взаимное позиционирование калибруемой камеры и калибровочного полигона не требует точного центрирования и выполнения условия совмещения нулевой строки фотоматрицы с изображением горизонтальной оси полигона: контролируется только полное попадание полигона в поле зрения камеры и его приблизительно симметричное расположение относительно центральных строки и столбца кадра камеры. Симметричность расположения может визуально контролироваться оператором путем выведения служебных маркеров в виде линейных мир (фиг. 1) поверх центральных строки и столбца изображения кадра с камеры (RU 2703492, МПК F41G 3/06 (2006.01), G02B 23/12 (2006.01), G01B 11/27 (2006.01), опубл. 17.10.2019). Критерием приблизительно симметричного расположения калибровочного полигона может выступать попадание центра перекрестия маркеров внутрь изображения окружности полигона с наименьшим радиусом (см. фиг. 1).The technical result is achieved by the fact that, by analogy with (Zhang Z. A flexible new technique for camera calibration // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 2000. Vol. 22, No. 11. P. 1330-1334), calibration is not performed from a single shooting angle of the calibration radial-circular polygon of the prototype method, but from several, but not less than two. In this case, the mutual positioning of the calibrated camera and the calibration polygon does not require precise centering and the fulfillment of the condition of aligning the zero row of the photomatrix with the image of the horizontal axis of the polygon: only the full inclusion of the polygon in the field of view of the camera and its approximately symmetrical location relative to the central row and column of the camera frame are controlled. The symmetry of the location can be visually controlled by the operator by displaying service markers in the form of linear worlds (Fig. 1) on top of the central row and column of the frame image from the camera (RU 2703492, IPC F41G 3/06 (2006.01), G02B 23/12 (2006.01), G01B 11/27 (2006.01), publ. 10/17/2019). The criterion for an approximately symmetrical location of the calibration polygon can be that the center of the marker crosshairs falls inside the image of the polygon circle with the smallest radius (see Fig. 1).

Начальное угловое положение калибровочного полигона по крену также может контролироваться с помощью маркеров. При этом критерием установки полигона в исходное положение с малым креном может выступать попадание горизонтального маркера в радиальные секторы «0-1», «15-16», «16-17» или «31-0». Таким образом, установка начального углового положения контролируется по попаданию маркера центра кадра по горизонтали в радиальные секторы полигона, прилегающие к его горизонтальной оси симметрии «0-Np/2», где Np - количество радиальных направлений полигона (для полигона из способа прототипа Np=32 и ось симметрии соответствует радиальным ветвям «0-16»).The initial angular position of the roll calibration area can also be controlled using markers. In this case, the criterion for setting the range to its initial position with a small roll can be the horizontal marker entering the radial sectors “0-1”, “15-16”, “16-17” or “31-0”. Thus, the installation of the initial angular position is controlled by the horizontal frame center marker hitting the radial sectors of the polygon adjacent to its horizontal symmetry axis “0-N p /2”, where N p is the number of radial directions of the polygon (for the polygon from the prototype method N p =32 and the axis of symmetry corresponds to the radial branches “0-16”).

Нормаль к плоскости полигона в процессе калибровки может быть и не коллинеарна оси калибруемой камеры. При съемке полигона это приведет к характерным для любой проективной камеры геометрическим искажениям.The normal to the polygon plane during the calibration process may not be collinear to the axis of the camera being calibrated. When shooting a polygon, this will lead to geometric distortions characteristic of any projective camera.

После съемки калибровочного полигона в исходном положении выполняется его поворот по крену по или против часовой стрелки на уголAfter shooting the calibration range in its initial position, it is rotated along the roll clockwise or counterclockwise by an angle

где m≥2 - общее количество калибровочных положений, а Δϕ - угловой размер радиального сектора полигона (для - способа прототипа Δϕ=360°/Np=360°/32=11,25°), и выполняется съемка следующего кадра.where m≥2 is the total number of calibration positions, and Δϕ is the angular size of the radial sector of the polygon (for the prototype method Δϕ=360°/N p =360°/32=11.25°), and the next frame is taken.

За счет углового перемещения полигона достигается увеличение общего количества узловых точек вблизи углов кадра. На фиг. 2 в качестве примера проиллюстрировано изменение изображения калибровочного полигона для второго калибровочного кадра при общем количестве ракурсов съемки m=3 и повороте по крену в направлении против часовой стрелки. Линейные миры позволяют оператору визуально контролировать выполнение условия (1).Due to the angular movement of the polygon, an increase in the total number of nodal points near the corners of the frame is achieved. In fig. Figure 2 illustrates as an example the change in the image of the calibration range for the second calibration frame with a total number of shooting angles m=3 and a roll rotation in the counterclockwise direction. Linear worlds allow the operator to visually control the fulfillment of condition (1).

Для случая автоматизированной калибровки, например, с применением устройств автоматизированного перемещения и вращения камеры относительно калибровочного полигона (патент RU 2645432, МПК: G01C 11/00 (2006.01), опубл. 21.02.2018; патент RU 2749363, МПК: G06T 7/80 (2017.01), опубл. 09.06.2021) можно обеспечить равенство левой и правой частей выражения (1) и отказаться от этапа контроля углового положения по крену по маркерам.For the case of automated calibration, for example, using devices for automated movement and rotation of the camera relative to the calibration range (patent RU 2645432, IPC: G01C 11/00 (2006.01), published 02.21.2018; patent RU 2749363, IPC: G06T 7/80 ( 2017.01), published 06/09/2021), it is possible to ensure the equality of the left and right parts of expression (1) and to abandon the stage of monitoring the angular position by roll using markers.

После съемки m кадров полигона, в каждом из которых его угловое положение по крену изменяется по сравнению с предыдущим согласно (1), с субпиксельной точностью (Shortis M.R, Clarke Т.A., Short Т. Comparison of some techniques for the subpixel location of discrete target images // Photonics for Industrial Applications. 1994. Vol. 2350. P. 239-250) оцениваются 2D координаты узловых точек Xjik в каждом k-м кадре, k=1, 2, …m, где j - номер радиуса концентрической окружности полигона, i - номер радиальной ветви; для фиг. 1 и фиг. 2 нумерация j={1, 2,…7}, i={0, 1,…,31}.After shooting m frames of the polygon, in each of which its angular roll position changes compared to the previous one according to (1), with subpixel accuracy (Shortis MR, Clarke T.A., Short T. Comparison of some techniques for the subpixel location of discrete target images // Photonics for Industrial Applications. 1994. Vol. 2350. P. 239-250) 2D coordinates of nodal points X jik are estimated in each k-th frame, k = 1, 2, …m, where j is the radius number concentric circle of the polygon, i - number of the radial branch; for fig. 1 and fig. 2 numbering j={1, 2,…7}, i={0, 1,…,31}.

Далее устанавливается соответствие каждой узловой точки полигона с пространственными (3D) координатами в системе координат полигона Xjik, где j - номер радиуса концентрической окружности полигона, i - номер радиальной ветви, и ее 2D проекции на плоскость изображения камеры xjik. Для нахождения однозначного соответствия между 3D координатами узловых точек полигона априори известной конфигурации и их 2D проекциями в плоскости кадра с камеры изображение как минимум одной из узловых точек полигона, выбранной в качестве опорной, должно отличаться от остальных: например, иметь больший радиус. На фиг. 1 и 2 это точка Х70, радиус которой выбран вдвое большим радиуса остальных узловых точек полигона.Next, the correspondence of each nodal point of the polygon is established with spatial (3D) coordinates in the polygon coordinate system X jik , where j is the number of the radius of the concentric circle of the polygon, i is the number of the radial branch, and its 2D projection onto the camera image plane x jik . To find a one-to-one correspondence between the 3D coordinates of the nodal points of a polygon of an a priori known configuration and their 2D projections in the plane of the camera frame, the image of at least one of the nodal points of the polygon, selected as a reference, must differ from the others: for example, have a larger radius. In fig. 1 and 2 is point X 70 , the radius of which is chosen to be twice the radius of the remaining nodal points of the polygon.

После установления соответствия между 3D координатами узловых точек полигона Xjik и их 2D проекциями xjik для совокупности т кадров численным методом, например, Левенберга-Марквардта (More J. The Levenberg-Marquardt algorithm: implementation and theory // Numerical Analysis. Lecture Notes in Mathematics. 1978. Vol. 630. P. 105-116), выполняется поиск псевдорешения {K, kд} системы уравнений проективной геометрии, минимизирующего квадрат ошибки репроекции (Zhang Z. А flexible new technique for camera calibration // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 2000. Vol. 22, No. 11. P. 1330-1334; Hartley R., Zisserman A. Multiple view geometry in computer vision: 2nd edition. Cambridge: Cambridge University Press, 2003. 656 p):After establishing a correspondence between the 3D coordinates of the polygon nodes X jik and their 2D projections x jik for a set of m frames using a numerical method, for example, the Levenberg-Marquardt algorithm (More J. The Levenberg-Marquardt algorithm: implementation and theory // Numerical Analysis. Lecture Notes in Mathematics. 1978. Vol. 630. P. 105-116), a search is made for a pseudo-solution {K, k d } of the system of equations of projective geometry, minimizing the square of the reprojection error (Zhang Z. A flexible new technique for camera calibration // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 2000. Vol. 22, No. 11. P. 1330-1334; Hartley R., Zisserman A. Multiple view geometry in computer vision: 2nd edition. Cambridge: Cambridge University Press, 2003. 656 p):

с учетом модели дисторсии Брауна-Конради:taking into account the Brown-Conradie distortion model:

где No и Np - соответственно количество окружностей и радиальных направлений калибровочного полигона, К - матрица внутренних параметров камеры, kд=[k1, k2, k3, р1, р2]T - вектор коэффициентов дисторсии согласно модели Брауна-Конради, в которой kt, t=1…3, - коэффициенты радиальной дисторсии, pt, t=1,2, - коэффициенты тангенциальной дисторсии, (хjikнд, yjikнд). и (хjikн, yjikн) - соответственно нормированные пиксельные координаты узловых точек с дисторсией и без, Rk и tk - соответственно матрица поворота и вектор параллельного переноса (трансляции) системы координат калибруемой камеры относительно системы координат калибровочного полигона в k-м положении калибровочного полигона, k=1…m. Для случая применения калибровочного шаблона согласно способу прототипа No=7 и Np=32 (см. фиг. 1).where N o and N p are the number of circles and radial directions of the calibration area, respectively, K is the matrix of internal camera parameters, k d = [k 1 , k 2 , k 3 , p 1 , p 2 ] T is the vector of distortion coefficients according to the Brown model -Conradi, in which k t , t=1...3, are the radial distortion coefficients, p t , t=1.2, are the tangential distortion coefficients, (x jiknd , y jiknd ). and (х jikн , y jikн ) - respectively normalized pixel coordinates of nodal points with and without distortion, R k and t k - respectively the rotation matrix and the vector of parallel translation (translation) of the coordinate system of the calibrated camera relative to the coordinate system of the calibration polygon in the k-th position calibration site, k=1…m. For the case of using a calibration template according to the prototype method N o =7 and N p =32 (see Fig. 1).

Поскольку в результате вращения по крену плоскость размещения узловых точек полигона не меняется, то оценка матрицы внутренних параметров предполагает принятие следующих ограничений (Zhang Z., Matsushita Y., Ma Y. Camera calibration with lens distortion from low-rank textures // Proc. of Conf. on Computer Vision and Pattern Recognition CVPR'2011. - Colorado Springs, 2011. - P. 2321-2328):Since as a result of roll rotation the plane of location of the polygon's nodal points does not change, then the evaluation of the matrix of internal parameters assumes the acceptance of the following restrictions (Zhang Z., Matsushita Y., Ma Y. Camera calibration with lens distortion from low-rank textures // Proc. of Conf. on Computer Vision and Pattern Recognition CVPR'2011. - Colorado Springs, 2011. - P. 2321-2328):

1) равенство фокусных расстояний ƒx и ƒy: ƒxy=ƒ;1) equality of focal lengths ƒ x and ƒ y : ƒ xy =ƒ;

2) координаты главной точки (u00) априори известны: как правило, принимают гипотезу (u00)=(0,5W,0,5H), где W и H -соответственно ширина и высота кадра камеры в пикселях.2) the coordinates of the main point (u 00 ) are known a priori: as a rule, they accept the hypothesis (u 00 )=(0.5W,0.5H), where W and H are, respectively, the width and height of the camera frame in pixels.

Указанные ограничения приближенно справедливы для большинства выпускаемых камер, и, если точка обзора не является вырожденной, то калибровка по точкам полигона, лежащих в одной плоскости, корректно восстанавливает параметры дисторсии объектива kд и фокусное расстояние ƒ. Как показано в (Zhang Z., Matsushita Y., Ma Y. Camera calibration with lens distortion from low-rank textures // Proc. of Conf. on Computer Vision and Pattern Recognition CVPR'2011. - Colorado Springs, 2011. - P. 2321-2328), принятые ограничения не являются препятствием к успешной компенсации дисторсии.These limitations are approximately valid for most cameras produced, and if the viewpoint is not degenerate, then calibration using polygon points lying in the same plane correctly restores the lens distortion parameters k d and focal length ƒ. As shown in (Zhang Z., Matsushita Y., Ma Y. Camera calibration with lens distortion from low-rank textures // Proc. of Conf. on Computer Vision and Pattern Recognition CVPR'2011. - Colorado Springs, 2011. - P . 2321-2328), the accepted restrictions are not an obstacle to successful distortion compensation.

Найденное в результате калибровки псевдорешение (2), т.е. набор параметров {ƒ, kд}, позволяет далее выполнить компенсацию дисторсии снятых камерой изображений путем численного решения (3) для каждого пикселя кадра (Hartley R., Zisserman A. Multiple view geometry in computer vision: 2nd edition. Cambridge: Cambridge University Press, 2003. 656 p). При этом тригонометрические функции в процессе поиска решения (3) не вычисляются.The pseudo-solution (2) found as a result of calibration, i.e. set of parameters {ƒ, k d }, allows you to further compensate for the distortion of images captured by the camera by numerically solving (3) for each pixel of the frame (Hartley R., Zisserman A. Multiple view geometry in computer vision: 2nd edition. Cambridge: Cambridge University Press, 2003. 656 p). In this case, trigonometric functions are not calculated in the process of searching for a solution (3).

Поиск псевдорешения (2) обеспечивает (Zhang Z. A flexible new technique for camera calibration // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 2000. Vol. 22, No. 11. P. 1330-1334) отнесение проективных геометрических искажений, вызванных установкой плоскости калибровочного полигона в общем случае не перпендикулярно линии визирования камеры, к параметрам {Rk, tk}, а не к коэффициентам дисторсии kд.The search for a pseudo-solution (2) provides (Zhang Z. A flexible new technique for camera calibration // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 2000. Vol. 22, No. 11. P. 1330-1334) attribution of projective geometric distortions caused by by setting the plane of the calibration area, in the general case, not perpendicular to the camera’s line of sight, to the parameters {R k , t k }, and not to the distortion coefficients k d .

Claims (1)

Способ фотограмметрической калибровки для оценки коэффициентов радиальной и тангенциальной дисторсии объектива и матрицы внутренних параметров камеры, в котором производят съемку испытательного полигона узловых точек, расположенных на пересечениях равномерно распределенных No концентрических окружностей и Np радиальных направлений, выполняют оценку пиксельных координат узловых точек полигона с субпиксельной точностью, вычисляют коэффициенты математической модели дисторсии и элементы матрицы внутренних параметров камеры, отличающийся тем, что съемку испытательного полигона производят m≥2 раз, при этом перед каждым последующим экспонированием полигона выполняют его поворот по крену на угол δϕ≈Δϕ/m, где Δϕ=360°/Np - угловой размер радиального сектора полигона, при этом центрирование калибровочного полигона выполняется по линиям маркеров центра кадра по вертикали и горизонтали и контролируется по попаданию точки пересечения маркеров в центр окружности наименьшего радиуса на его изображении с камеры, а установка начального углового положения контролируется по попаданию линии маркера центра кадра по горизонтали в радиальные сектора изображения полигона, прилегающие к его горизонтальной оси симметрии, соответствующей радиальным ветвям полигона с номерами «0-Np/2».A photogrammetric calibration method for estimating the coefficients of radial and tangential distortion of the lens and the matrix of internal parameters of the camera, in which a test area of nodal points located at the intersections of uniformly distributed N o concentric circles and N p radial directions is photographed, and the pixel coordinates of the nodal points of the polygon are assessed with subpixel accuracy, calculate the coefficients of the mathematical model of distortion and the elements of the matrix of internal parameters of the camera, characterized in that the test site is photographed m≥2 times, and before each subsequent exposure of the test site, it is rotated along the roll by an angle δϕ≈Δϕ/m, where Δϕ= 360°/N p - the angular size of the radial sector of the polygon, while the centering of the calibration polygon is performed along the lines of the frame center markers vertically and horizontally and is controlled by the point of intersection of the markers hitting the center of the circle of the smallest radius in its image from the camera, and setting the initial angular position is controlled by the horizontal position of the frame center marker line in the radial sectors of the polygon image adjacent to its horizontal axis of symmetry, corresponding to the radial branches of the polygon with numbers “0-N p /2”.
RU2023111547A 2023-05-02 Photogrammetric calibration method for estimating the ratios of radial and tangential lens distortion and the matrix of internal parameters of the camera RU2808083C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2808083C1 true RU2808083C1 (en) 2023-11-23

Family

ID=

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005073669A1 (en) * 2004-01-29 2005-08-11 Siemens Corporate Research, Inc. Semi and fully-automatic camera calibration tools using laser-based measurement devices
RU2308001C1 (en) * 2006-01-18 2007-10-10 Борис Кириллович Малявский Method of photogrammetric calibration of photocameras
RU2351091C2 (en) * 2006-12-04 2009-03-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Курский государственный технический университет Method of automatic detection and correction of radial distortion on digital images
CZ304706B6 (en) * 2013-02-22 2014-09-03 České Vysoké Učení Technické V Praze, Fakulta Stavební, Katedra Mapování A Kartografie Calibration method of objective lens distortion
CN104240262A (en) * 2014-10-16 2014-12-24 中国科学院光电技术研究所 Camera external parameter calibration device and calibration method for photogrammetry
DE102018008539A1 (en) * 2018-11-01 2019-12-05 Baumer Optronic Gmbh Calibration device and method for camera calibration for photogrammetry
RU2790055C1 (en) * 2022-05-23 2023-02-14 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Lens distortion compensation method

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005073669A1 (en) * 2004-01-29 2005-08-11 Siemens Corporate Research, Inc. Semi and fully-automatic camera calibration tools using laser-based measurement devices
RU2308001C1 (en) * 2006-01-18 2007-10-10 Борис Кириллович Малявский Method of photogrammetric calibration of photocameras
RU2351091C2 (en) * 2006-12-04 2009-03-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Курский государственный технический университет Method of automatic detection and correction of radial distortion on digital images
CZ304706B6 (en) * 2013-02-22 2014-09-03 České Vysoké Učení Technické V Praze, Fakulta Stavební, Katedra Mapování A Kartografie Calibration method of objective lens distortion
CN104240262A (en) * 2014-10-16 2014-12-24 中国科学院光电技术研究所 Camera external parameter calibration device and calibration method for photogrammetry
DE102018008539A1 (en) * 2018-11-01 2019-12-05 Baumer Optronic Gmbh Calibration device and method for camera calibration for photogrammetry
RU2790055C1 (en) * 2022-05-23 2023-02-14 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Lens distortion compensation method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8655094B2 (en) Photogrammetry system and method for determining relative motion between two bodies
CN111192235B (en) Image measurement method based on monocular vision model and perspective transformation
CN109146958B (en) Traffic sign space position measuring method based on two-dimensional image
CN108648242B (en) Two-camera calibration method and device without public view field based on assistance of laser range finder
US7349580B2 (en) Apparatus and method for calibrating zoom lens
CN107589069B (en) Non-contact type measuring method for object collision recovery coefficient
CN110736447B (en) Vertical-direction horizontal position calibration method for integrated image acquisition equipment
CN106767895B (en) The system and method for solving camera elements of exterior orientation are oriented using index point
CN111709985A (en) Underwater target ranging method based on binocular vision
CN111220120A (en) Moving platform binocular ranging self-calibration method and device
CN108154535B (en) Camera calibration method based on collimator
CN113822920B (en) Method for acquiring depth information by structured light camera, electronic equipment and storage medium
CN114820793A (en) Target detection and target point positioning method and system based on unmanned aerial vehicle
CN114018167A (en) Bridge deflection measuring method based on monocular three-dimensional vision
JPH11514434A (en) Method and apparatus for determining camera position and orientation using image data
RU2808083C1 (en) Photogrammetric calibration method for estimating the ratios of radial and tangential lens distortion and the matrix of internal parameters of the camera
CN111754584A (en) Remote large-field-of-view camera parameter calibration system and method
El-Ashmawy A comparison study between collinearity condition, coplanarity condition, and direct linear transformation (DLT) method for camera exterior orientation parameters determination
Fasogbon et al. Calibration of fisheye camera using entrance pupil
CN115423884A (en) Camera attitude angle calibration method by using river cross section water line
CN114754695A (en) Multi-view-field bridge deflection measuring device and method and storage medium
EP4119892B1 (en) A method for determining a height of an object from a single image recorded by an imaging device comprised by an aerial vehicle
CN116753918B (en) Ground target position estimation method and device based on empty antenna array sensor
JP2005017288A (en) Calibration device and method for zoom lens, and photographing equipment
RU2177603C1 (en) Way of orientation of pair of photographs