Камкин С.А.

Система калибровки цифровых фото и видеокамер с переменными параметрами внутреннего ориентирования

К современным аэрофотоаппаратам предъявляются высокие требования как по фотографическому качеству изображения, так и по геометрической точности. С точки зрения геометрической точности формирования снимков важное значение имеют такие показатели, как точность определения элементов внутреннего ориентирования и остаточной дисторсии объектива. В жестко фокусированных камерах эти показатели относительно стабильны и определяются в процессе периодической калибровки камер или снимков. В последнее время все чаще при фотосъемке местности используются цифровые фото и видеокамеры. Их достоинства заключаются в высоком фотографическом качестве получаемых изображений, в высоком уровне автоматизации съемочного процесса, в доступности для широкого круга пользователей. Параметры внутреннего ориентирования у таких камер менее стабильны, чем у аналоговых специализированных аппаратов, особенно, если речь идет о камерах с переменным увеличением изображения. В МИИГАИК такие камеры калибруют при минимальном и максимальном значении увеличения, что позволяет выполнять фотограмметрическую обработку лишь тех снимков, которые получены при этом увеличении, но не позволяет полностью использовать функциональные возможности новой техники.

В СибРКЦ «Земля» разработана методика фотограмметрической обработки материалов цифровой фото и видеосъемки, основанная на проективном преобразовании координат точек снимков в систему координат местности. В этом случае элементы внутреннего ориентирования не используются. Единственным требованием, которое предъявляется к изображению является отсутствие дисторсии. Теоретические предпосылки и практический опыт указывают на то, что при увеличении фокусного расстояния камеры (трансфокации изображения) как правило улучшаются ортоскопические свойства изображения. Это обстоятельство натолкнуло на мысль проверить динамику изменения ортоскопических своств изображений при изменении фокусного расстояния камеры. Для исследованиея было выбрано две камеры - это видеокамера Sony digital 8 DCR-TRV 410Е и цифровой фотоаппарат Camedia Olympus С-3040. В качестве тестового объекта было выбрано плоское здание с частыми оконными переплетами, выполнеными из аллюменевого уголка, так что погрешность идентификации характерных точек едва ли превысила 1-2 мм. Углы оконных переплетов были координированы безотражательным тахеометром Trimble 3305 в условной системе координат базовой линии. Всего было координировано 56 точек. Тест-объект был снят с различных расстояний с различным увеличением изображения. На каждом отстоянии выбиралось такое увеличение, которое позволяло распределить контрольные точки по всему полю кадра. Цифровым фотоаппаратом съемка велась при 1, 2, 2.5-кратном увеличении изображения. При съемке видеокамерой увеличение изменялось от 1 до 5 крат с шагом примерно через 1 крат. При каждом увеличении обрабатывалось по 4 кадра. Обработка изображений сводилась к следующим операциям:

-        ориентированию снимков относительно всех точек тест-объекта,

-        определению остаточных погрешностей ориентирования на опорных точках,

-        построению модели деформации изображения по расхождениям координат опорных точек,

-        построению регулярной сетки по полю снимка с определением деформаций в узлах этой сетки,

-        осреденению величин деформации в идентичных узлах сетки по снимкам, полученным при одинаковом отстоянии и увеличении изображения.

Ориентирование каждого снимка выполнялось по опорным точкам путем определения параметров однородного проективного преобразования координат из системы снимка в систему координат тест-объекта. Одновременно определялись элементы обратного преобразования из системы координат тест-объекта в систему координат снимка.

Остаточные погрешности ориентирования определялись в системе координат снимка как разность измеренных на снимках координат опорных точек и вычисленных координат этих же точек с использованием «геодезических» координат и параметров обратного преобразования.

Модель деформации строилась путем поликвадратической интерполяции расхождений координат опорных точек на снимках.

Регулярная сетка на снимке строилась с шагом в 10 пикселей. Значение расхождений координат определялось в каждом узле сетки по модели деформации. Таким образом формировалась матрица деформации каждого изображения. Полученные деформации рассматривались как величины составленные случайными погрешностями измерений и систематическими ошибками, вызванными дисторсией изображения. Для выделения систематической составляющей осреднялись матрицы деформации снимков, полученные при одинаковом увеличении и отстоянии. Таким образом получалась матрица характеризующая распределение систематической деформации по полю снимка при данном увеличении изображения.

Исследование матриц деформации изображения сводилось к оценке соотношения случайной и систематической составляющей в серии измерений и в сравнении абсолютного среднего значения систематической деформации, полученного при различных трансфокациях изображения.

Таблица 1.

Соотношения средних показателей деформации изображения

Увеличение	№ серии	Суммарное ср. квадр. значение (пиксель)	Случайная составляющая (пиксель)	Соотношение (%)
1		5,14	0,49	10
2		0,92	0,37	40
3		1,11	0,44	40

Результаты иследований показывают, что при увеличении изображения величины суммарных деформаций и случайных составляющих выравниваются, а абсолютные значения сближаются на уровне точности измерения снимков. Это свидетельствует об уменьшении влияния систематической составляющей в результатах измерений. Таким образом, уже двукратное увеличение изображения существенно уменьшает деформацию изображения и позволяет выполнять съемку в достаточно широком диапозоне увеличений.