Курсовая работа (т): Калибровка цифровой камеры Nikon D60

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

Калибровка цифровой камеры Nikon D60

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

В качестве исходных данных принимают:

) Стереопара цифровых снимков плоского тест-полигона с зоной перекрытия 100%.

Рисунок 1.1 - Снимок № 2 (левый)

Рисунок 1.2 - Снимок № 6 (правый)

2) 
Каталог координат опорных точек

Таблица 1.1 - каталог опорных точек

№ точки

Х,мм

У,мм

Z,мм

2

400.526

10.457

-145.85

5

1601.615

6.048

-142.20 3

7

2400.990

3.786

-147.70

31

1998.373

1203.976

-152.10

34

798.674

1208.170

-154.00

59

1996.777

2407.897

-159.65

56

793.582

2405.108

-156.95

99

2801.332

4414.071

-159.20

102

1597.842

4414.159

-156.20

105

399.000

4409.123

-153.95

3

800.531

6.469

-145.35

4

1206.037

7.739

-143.35

6

1999.429

9.351

-144.80

8

2799.004

5.376

-150.45

1

2.412

10.097

-143.85

18

-0.241

415.301

-151.55

17

400.354

411.193

-150.40

16

799.297

407.172

-149.80

15

1203.558

406.076

-145.05

14

1603.549

401.224

-140.10

13

1999.460

401.107

-145.95

12

2397.218

399.177

-149.40

11

2800.000

400.000

-151.10

19

0.233

803.115

-155.10

20

397.490

802.405

-153.55

21

796.909

802.633

-152.25

22

1199.271

802.950

-146.25

23

1599.353

804.936

-146.90

24

1998.303

804.485

-147.40

25

2400.841

803.281

-150.95

26

2799.854

804.771

-151.85

36

-0.821

1214.277

-155.10

35

394.372

1210.042

-155.00

33

1197.394

1206.972

-152.80

32

1602.731

1205.105

-152.20

30

2395.319

1203.038

-153.15

29

2802.188

1199.315

-154.35

37

-6.012

1609.512

-155.90

38

396.426

1613.055

-154.25

39

795.261

1609.101

-156.25

40

1199.479

1605.174

-155.25

41

1601.969

1612.136

-157.25

42

1996.996

1606.773

-156.65

43

2396.707

1605.169

-155.75

44

2798.617

1603.540

-157.15

53

-5.956

2013.889

-155.05

52

400.035

2012.555

-156.05

51

797.460

2010.477

-156.00

49

1203.941

2010.138

-157.45

48

1602.252

2006.364

-157.90

47

1994.602

2004.145

-158.10

46

2399.462

2003.209

-157.05

45

2800.517

1999.759

-159.10

54

-0.797

2408.551

-157.40

55

399.067

2406.573

-158.90

57

1197.681

2408.297

-156.30

58

1603.039

2408.843

-155.50

70

0.078

2805.375

-158.00

69

392.275

2807.916

-156.90

68

795.354

2803.713

-156.25

67

1196.834

2807.677

-160.35

66

1598.211

2805.066

-159.95

65

1998.932

2809.094

-162.00

64

2399.754

2810.555

-157.00

63

2799.450

2809.528

-159.45

71

1.322

3208.530

-158.00

72

399.813

3211.572

-158.35

73

798.881

3208.393

-157.00

74

1198.993

3207.045

-158.00

75

1602.537

3209.768

-158.10

76

1995.951

3212.285

-161.90

77

2401.355

3206.784

-159.00

78

2802.870

3207.333

-159.15

88

-4.500

3612.357

-161.15

87

395.594

3611.180

-161.05

86

798.018

3611.836

-157.55

85

1198.081

3610.610

-156.05

84

1597.869

3607.826

-158.05

83

1999.502

3609.979

-161.20

82

2403.301

3610.314

-160.00

81

2800.018

3610.107

-162.20

89

-6.846

4008.879

-158.80

90

401.489

4012.099

-159.15

91

799.155

4010.332

-155.45

92

4012.198

-157.15

93

1600.382

4014.564

-159.10

94

1997.875

4011.109

-161.60

95

2403.226

4011.752

-160.30

96

2800.275

4011.241

-162.45

106

-0.936

4405.141

-153.15

104

797.323

4410.413

-153.60

103

1198.576

4414.872

-152.15

101

2004.262

4413.317

-160.95

100

2401.925

4415.448

-156.90

107

-1.251

4810.212

-148.20

108

398.801

4809.852

-149.95

109

798.451

4813.368

-150.70

110

1197.462

4815.026

-153.20

111

1602.501

4818.305

-156.35

112

2001.725

4813.093

-158.70

113

2402.328

4815.778

-157.35


3) Паспорт камеры (№, схема, фокус, ).

При выполнении данной работы использовалась камера Nikon D60 с приблизительным фокусным расстоянием f=9100 мм, = 0 мм, =0 мм.

Рис. 1.3 - Схема расположения меток

Таблица 1.2 - Координаты меток

Х, пикселы

У, пикселы

1

0,000

1296,000

2

1936,000

0,000

3

0,000

-1296,000

4

-1936,000

0,000


Рассмотрим внешний вид фотокамеры Nikon D60 (рис.1.4):

Рис. 1.4 - Фотокамера Nikon D60

В Таблице 1.3 приведены технические характеристики цифровой фотокамеры камеры Nikon D60.

Таблица 1.3 - Технические характеристики камеры Nikon D60

Характеристика

Значение

Светочувствительный элемент Nikon D60

Матрица

ПЗС (CCD)

Сенсор

23.6 x 15.8 мм

Количество пикселей

10.75 млн.

Количество эффективных пикселей

10.2 млн.

Объектив Nikon D60

Тип объектива

сменный

Совместимые объективы

AF-S и AF-I NIKKOR

Видоискатель / Экран Nikon D60

Тип видоискателя

пентапризма

Поле кадра видоискателя

95 %

Экран

TFT

Размер диагонали экрана

2.5 дюйма

Разрешение экрана

230000 пикселей

Фокусировка Nikon D60

Система автофокусировки

TTL-автофокус

Система

следящая автофокусировка; автофокусировка

Установка экспозиции Nikon D60

Замер

центральновзвешенный; матричный; точечный

Экспокоррекция

+/- 5 EV, с шагом 1/3 ступени

Светочувствительность (ISO)

авто; 100; 200; 800; 1600; 3200

Затвор Nikon D60

Диапазон выдержек (максимальное значение)

30 сек

Диапазон выдержек (минимальное значение)

1/4000 сек

Выдержка х-синхронизации

1/200

Автоспуск Nikon D60

Задержка

2 сек; 10 сек; 20 сек; 5 сек

Дистанционное управление

В наличии

Вспышка Nikon D60

Встроенная вспышка

Есть

Режим работы

автоматическая вспышка; отключенная вспышка; подавление эффекта "красных глаз"; ночной портрет (вспышка с медленной синхронизацией)

Внешняя вспышка

есть разъем

Съемка / Воспроизведение Nikon D60

Тип носителя

SDHC; SD

Поддержка форматов

JPEG; RAW; EXIF 2.2; DCF; DPOF

Максимальное разрешение

3872 x 2592

Разрешение

2896 x 1944, 1936 x 1296

Непрерывная съемка (частота)

3кадр/сек

Режим экспозиции

автоматический (P); автоматический с приоритетом выдержки (S); автоматический с приоритетом диафрагмы (A); ручной (М)

Сюжетные программы

портрет; ночной портрет; дети; макро; спорт; пейзаж

Воспроизведение

одно изображение; слайд-шоу; увеличение изображения

Виды съемок

непрерывный; покадровый

Интерфейсы Nikon D60

Интерфейсы

USB; видеовыход

Питание Nikon D60

Тип питания

аккумуляторная батарея

Элементы питания

Li-ion

Количество элементов питания

1

Габариты и вес Nikon D60

Ширина

126 мм

Высота

94 мм

Глубина

64 мм

Вес

495 г


2. Калибровка цифровой фотокамеры

Применение цифровых фотокамер для стереофотограмметрической съемки невозможно без их периодической калибровки. В процессе ее выполнения контролируются и при необходимости корректируются элементы внутреннего ориентирования фотокамер. Метод калибровки с помощью тестового полигона является наиболее распространенным.

Тестовых полигона существует 2 вида: плоский и объемный. Полигон определяется точками с известными 3-х мерными координатами. Если полигон объемный, то фотографирование выполняется нормальным случаем. При плоском полигоне - конвергентный случай фотографирования (т.е. оптические оси пересекаются под неким углом).

Рисунок 2.1 - Конвергентный случай фотографирования где U - угол конвергенции; B - базис фотографирования; Sп ,Sл - соответственно правая и левая точка фотографирования.

Условия для точек полигона:

точки должны равномерно покрывать всю поверхность снимка;

обязательное наличие точек на краях снимка, потому что именно они подвержены наибольшей дисторсии.

Решение задачи калибровки на основании уравнений коллинеарности возможно при наличии одной стереопары (двух снимков) и четырех опорных точек тестового полигона. В этом случае имеется 15 неизвестных, в том числе 6 элементов внешнего ориентирования для каждого снимка и 3 элемента внутреннего ориентирования для камеры. Для 4-х опорных точек можно составить 16 уравнений коллинеарности (по 8 на каждом снимке) и выполнить решение по МНК. Утверждение справедливо без поиска коэффициентов полинома дисторсии. Следовательно, увеличение количества снимков и точек тестового полигона приводят к избыточным измерениям и улучшают процесс решения задачи калибровки.

В процессе решения задачи необходимо оптимально подбирать количество точек и снимков тестового полигона. С одной стороны добавление этих параметров приведет к увеличению точности решения задачи калибровки, а с другой - к увеличению времени измерений и расчета.

Способ калибровки снимков по фотографиям испытательного полигона, представляющего собой объектное пространство, основан на решении обратной пространственной засечки.

Все варианты решений обратной пространственной засечки могут быть представлены обобщенным уравнением

                                                                                              (2.1)

которое определяет функциональные связи между измеренными (t), определяемыми (η) величинами и опорными данными (A). К определяемым величинам относятся координаты точек местности, элементы внешнего и взаимного ориентирования; к опорным данным - координаты точек, длины линий и другие характеристики элементов объектного пространства.

Если снимки не соответствуют центральной проекции или ее параметры известны с некоторыми ошибками, то математическая модель любой фотограмметрической задачи, основанная на условиях коллинеарности и компланарности соответственных лучей, окажется искаженной. Сохранение главных связей, выраженных общим уравнением (2.1), возможно, если исправить ошибочные элементы модели или включить в (2.1) дополнительные неизвестные  - параметры калибровки. Тогда, с учетом двух групп неизвестных - η и ε уравнение (2.1) примет вид:

                                                                         (2.2)

Приведя систему уравнений (2.2) к линейному виду и решив ее - найдем значения неизвестных η и ε.

В качестве твердых опорных данных могут быть использованы: координаты Xг, Yг, Zг опорных точек полигона; высоты Zг опорных точек и расстояния Dг между ними; углы θ, измеренные в пространстве объектов.

3.  ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАЛИБРОВКИ

Для решения задачи калибровки камеры (см. формулы 2.1-2.2) необходимо иметь опорные данные (координаты точек стенда, Xг,Yг,Zг), измеренные величины (координаты этих же точек в системе координат снимка), а также знать вид функциональных зависимостей, связывающих измеренные величины с опорными (уравнения коллинеарности).

Для отыскания параметров калибровки камеры была использована программа BlockMSG, разработанная заведующим кафедрой Геоинформатики и геодезии, профессором С.Г. Могильным. Данный программный комплекс позволяет стереопары, измеренные на цифровой станции Digitals/Delta, объединить в общую фотограмметрическую сеть и выполнить ее уравнивание строгим способом методом связок. Алгоритм определения искажений, вносимых исследуемой камерой, основан на отыскании коэффициентов полиномов третьей степени, которыми апроксимируются систематические ошибки по полю снимка. В программе используются полиномы следующего вида (3.1):

 (3.1)

где , - систематические ошибки, пикселы; x, y - координаты точки на снимке, пикселы; , и ,  … - параметры систематических ошибок снимков.

4.  ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Определяем приближенный фокус

L=12.8 м           камера


                                               объект       γ=16o

              камера



                                       снимок

По формулам тригонометрии найдем γ и f

γ=16o

f=9100 пиксела

. Сохраняем снимки в DipEDIT (Delta/Digitals) в формате TIF.

. Открываем Models (Delta/Digitals), создаем новую камеру Olympus E20P. В графе проекция указываем Цифровая.

. Открываем Блок (модуль Triada в Delta/Digitals). Здесь мы создаем новый маршрут. Указываем путь к снимкам. Сохраняем Shaposhnikova.tbd

. Открываем Триангуляция (модуль Triada в Delta/Digitals). Здесь открываем Maliev.tbd. Проверяем, что координатные метки расположены в нужном месте.

Выбираем вкладку Инструменты - Анализатор блока. Программа выполняет вычисления. Закрываем Анализатор блока.

. РЕЗУЛЬТАТЫ КАЛИБРОВКИ

. График зависимости среднего отклонения на опорных точках от фокуса камеры.

Таблица 5.1 - Данные для построения графика

F, пикселы

, мм

8100

1,40

9100

1,38

9400

1,37

9450

1,35

9500

1,35

9550

1,33

9580

1,32

9590

1,30

9600

1,31

9620

1,32

9700

1,35

9800

1,36

9900

1,38

10100

1,46

Рис. 5.1 - График зависимости среднего отклонения на опорных точках от фокуса камеры

По графику видно, что минимальной ошибке 1,30 мм соответствует фокус 9590 пикселов.

2. Зависимость координат на местности и их среднеквадратических ошибок (Х, У, )

Таблица 5.2 - Данные для построения поверхности зависимости координат на местности и их среднеквадратических ошибок

Х

У

3203.235

6.617

0.75519

3203.755

396.315

0.78362

3204.495

4410.837

1.35138

2805.294

4411.455

0.72639

2401.925

4415.443

0.43526

2002.108

4413.117

0.47734

1597.255

4413.133

0.49397

1200.524

4414.989

0.54233

800.981

4409.359

0.59943

399.652

4408.067

0.62666

-0.242

4409.300

0.66836

3210.607

4815.400

1.57058

2802.412

399.817

0.40852

2807.138

4812.611

0.90675

2403.922

4813.457

0.67382

2003.633

4811.127

0.67693

1604.503

4817.909

0.74245

1194.268

4813.054

0.81917

797.779

4812.363

0.89429

401.435

4811.439

0.93387

-0.185

4810.933

0.99115

2396.678

393.642

0.40189

2000.056

401.285

0.38766

1602.341

401.569

0.35362

1202.501

404.965

0.39036

799.810

406.327

0.45543

400.997

409.163

0.44549

-1.791

414.599

0.43624

808.799

0.77186

2799.004

5.376

0.33460

2802.480

806.223

0.42258

2400.640

805.082

0.41639

1998.439

305.633

0.39782

1599.353

804.936

0.46446

1199.418

803.577

0.40618

798.424

801.453

0.47972

397.167

801.436

0.47949

1.113

802.4 97

0.44721

3194.587

1194.775

0.75987

2802.219

1199.333

0.41789

2401.743

3.262

0.41525

2394.658

1203.739

0.41699

2062.305

1539.959

0.40257

1290.618

1548.353

0.37841

1997.394

1204.333

0.39849

468.622

1550.361

0.49711

2076.977

4010.862

0.46100

1602.576

1205.660

0.36164

1408.863

4177.749

0.44930

660.022

3404.088

0.49624

1197.096

1205.931

0.40544

797.427

1208.118

0.48532

395.274

1209.581

0.49289

0.684

1214.250

0.45237

3140.339

1520.683

0.67433

2799.240

1604.702

0.40672

2397.343

1605.201

0.41105

1999.806

8.970

0.40906

1996.634

1607.799

0.35664

1602.497

1613.289

0.35507

1198.723

1604.707

0.39466

794.881

1608.495

0.47808

397.401

1613.265

0.49073

-6.922

1609.735

0.45221

3187.460

1999.134

0.75887

2800.517

1999.759

0.57652

2399.380

2006.101

0.41602

1994.314

2005.908

0.40189

1601.615

6.043

0.49994

1602.252

2006.364

1.57412

1205.114

2010.311

0.35621

796.692

2010.175

0.47167

401.280

2012.647

0.48934

-5.956

2013.889

0.64511

3192.559

2405.638

0.81414

2797.725

2406.340

0.44881

2400.355

2407.208

0.44148

1996.029

2408.551

0.42803

1604.289

2411.898

0.38458

1205.757

6.830

0.36087

1193.633

2408.185

0.40471

877.474

745.683

0.46627

1252.603

672.163

0.39267

793.146

2405.672

0.47528

2495.234

607.174

0.40569

1672.3 65

214.671

0.35784

400.044

2406.334

0.48934

394.607

352.654

0.43844

3031.800

3188.863

0.74966

-3.128

2408.455

0.46914

3277.562

2656.231

1.00964

2800.406

2810.4 60

0.50870

2398.603

2810.271

0.47837

1998.024

2808.964

0.46306

1595.472

2804.644

0.41780

1199.406

2806.644

0.42747

801.419

5.003

0.44194

798.139

2803.291

0.48050

393.227

2307.933

0.49869

-0.245

2804.748

0.48578

3184.167

3209.818

0.97017

2801.139

3205.679

0.56881

2397.632

3205.604

0.50546

1994.033

3211.675

0.44612

1601.522

3211.659

0.43940

1199.519

3203.376

0.44292

800.168

3207.201

0.48843

400.526

10.457

0.14920

399.530

3212.951

0.49845

2.647

3209.009

0.49458

3133.162

3607.983

1.07663

2799.489

3609.810

0.61604

2402.508

3608.023

0.50869

2002.970

3610.717

0.48139

1598.698

3610.232

0.44223

1199.121

3603.992

0.44309

799.755

3611.307

0.48193

397.094

3611.455

0.48656

2.412

10.097

0.17129

-4.380

3612.671

0.49980

3200.554

4005.976

1.20711

2801.671

4008.440

0.65520

2403.351

4011.751

0.48925

1997.280

4008.250

0.45632

1600.382

4014.564

0.46022

1194.870

4012.198

0.51751

799.407

4009.357

0.45491

403.891

4011.351

0.46954

-6.846

4008.879

0.37916

Источник: https://www.bibliofond.ru/detail.aspx?id=729613