DE10340023B3 - Self-calibration of camera system involves inserting matrices describing transformations into equation giving equation system linear in calibration parameters until it can be fully solved by computer - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Selbstkalibrierung eines Kamerasystems, insbesondere eines solchen dessen Bilddaten elektronisch gespeichert werden nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.The The invention relates to a method for self-calibration of a camera system, especially one whose image data is stored electronically be after the preamble of the main claim.
Die Verwendung von Kameras für die metrische Rekonstruktion von aus verschiedenen Perspektiven aufgenommenen Szenen mit Hilfe von Rechnern hat in den letzten Jahren eine immer größere Verbreitung gefunden. Für solche Kamerasysteme sind allerdings die internen Parameter, beispielsweise die Brennweite, im Allgemeinen nicht a priori bekannt und während des Betriebs zudem teilweise variabel, z.B. beim Zoom. Ihre Kenntnis ist für eine metrische Rekonstruktion aber unabdingbar, so dass die Kamerasysteme vor oder während der Bildaufzeichnung zu kalibrieren sind.The Using cameras for the metric reconstruction of taken from different perspectives Scenes with the help of computers has always been in recent years wider distribution found. For however, such camera systems are the internal parameters, for example the focal length, generally not known a priori and during the In addition, operation partly variable, e.g. at the zoom. Your knowledge is for a metric reconstruction but indispensable, so the camera systems before or during to calibrate the image recording.
Die Bestimmung der Kameraparameter basiert üblicherweise auf einer von der Kamera aufgenommenen Bildsequenz eines Kalibriermusters aus verschiedenen Perspektiven. Eine Erweiterung ist die Kalibrierung anhand einer beliebigen starren Szene, zu der sich die Kamera während der Aufnahme relativ bewegt. Rotations- und Translationsfreiheitsgrade der Kamera bilden dabei die so genannten externen Kameraparameter, die oft ebenfalls nicht alle bekannt sind. Die automatische Berechnung der internen und externen Parameter aus der Bildsequenz wird als Selbstkalibrierung bezeichnet.The Determination of the camera parameters is usually based on one of the camera recorded image sequence of a calibration pattern different perspectives. An extension is the calibration based on any rigid scene that the camera encounters during the Recording relatively moved. Rotation and translational degrees of freedom The camera forms the so-called external camera parameters, the Often not all are known. The automatic calculation the internal and external parameters from the image sequence is called Self-calibration called.
Um auf möglichst einfache Weise robuste Werte für die berechneten Parameter zu erhalten, werden häufig Zwangsbedingungen (constraints) für die Kamerabewegung und/oder die Szene formuliert, die zusätzliche Informationen bereitstellen und/oder bestimmte Parameter von vornherein festlegen. Man unterscheidet bei den Verfahren zur Kamerakalibrierung zudem, ob die internen Kameraparameter unbekannte Fixgrößen sind oder zumindest teilweise fortgesetzt variieren.Around on as possible easy way to robust values for getting the calculated parameters are often constraints for the Camera movement and / or the scene formulates the extra Provide information and / or certain parameters from the outset establish. One differentiates with the procedures for the camera calibration Also, whether the internal camera parameters are unknown fixed sizes or at least partially continued to vary.
Zu den gängigsten Zwangsbedingungen für die Kamera selbst zählt, dass sie nur um ihr optisches Zentrum rotieren darf. In diesem Fall kann keine Tiefeninformation für die Szene aus der Bildsequenz extrahiert werden. Diese Kamerabewegung findet sich aber bei vielen Anwendungen, beispielsweise Videokonferenzsystemen. Typischerweise werden bei dieser Kamerabewegung Panoramen erzeugt (de Agapito, L.; Hartley, R.I; Hayman, E.: Linear Self-Calibration of a rotating and zooming Camera, IEEE Computer Society conference on Computer Visison and Pattern recognition, 1999, Volume 1, 23–25 Juni 1999, Seiten 15–21).To the most common Constraints for the camera itself counts, that she is only allowed to rotate around her optical center. In this case can not provide depth information for the scene will be extracted from the image sequence. This camera movement but is found in many applications, such as video conferencing systems. Typically, panoramas are created during this camera movement (de Agapito, L .; Hartley, R.I; Hayman, E .: Linear Self-Calibration of a rotating and zooming camera, IEEE Computer Society conference on Computer Visison and pattern recognition, 1999, Volume 1, June 23-25 1999, pages 15-21).
Eine andere Beschränkung zur vereinfachten Kalibrierung besteht in der Anwesenheit eines bekannten Referenzobjekts, z. B. eines Maßstabs mit bekannter Lage, in allen Bildern einer Kalibrierungssequenz. Dies stellt jedoch eine Anforderung an die Szene dar, die sich zumindest dann nicht immer erfüllen lässt, wenn eine automatische Selbstkalibrierung zu unbekannten, zukünftigen Zeitpunkten geplant oder sogar unvermeidlich ist, beispielsweise bei der Rekonstruktion von historischen Stätten.A other restriction for simplified calibration is in the presence of a known reference object, z. B. a scale with a known position, in all images of a calibration sequence. This does however a requirement on the scene, at least not always meet leaves, if an automatic self-calibration to unknown, future Timing is planned or even unavoidable, for example in the reconstruction of historical sites.
Nur wenige Arbeiten befassen sich mit der Selbstkalibrierung frei bewegter Kameras, bei denen keine Bedingungen an die Szene gestellt werden, außer dass es sich um eine starre Szene handelt, und die Variation der internen Parameter möglich ist (z.B. M. Pollefeys, R. Koch, L. Van Gool: Self calibration and metric reconstruction in spite of varying and unknown internal camera parameters, In Proc. ICCV, p. 90–96, 1998). Diese Methoden sind technisch nachteilig, weil sie dazu neigen, aus leicht gestörten Bilddaten bereits stark gestörte Kalibrierungen zu berechnen bzw. keine sinnvollen Ergebnisse mehr zu liefern. Weiterhin gibt es in diesen Ansätzen kritische Kamerabewegungen, bei denen keine vollständige Kamerakalibrierung berechnet werden kann ohne dass das Auftreten dieser kritischen Situation erkannt wird, beispielsweise eine reine Verschiebung der Kamera.Just few works deal with the self-calibration of freely moving Cameras that do not provide conditions to the scene except that it is a rigid scene, and the variation of the internal parameters possible (e.g., M. Pollefeys, R. Koch, L. Van Gool: Self Calibration and metric reconstruction in the process of varying and unknown internal camera parameters, In Proc. ICCV, p. 90-96, 1998). These methods are technically disadvantageous because they tend to be slightly disturbed image data already severely disturbed Calibrations to calculate or no more meaningful results to deliver. Furthermore, there are critical camera movements in these approaches, where not complete Camera calibration can be calculated without the occurrence This critical situation is recognized, for example, a pure Shifting the camera.
Ein
Vorschlag zur Kamerakalibrierung für grundsätzlich beliebige Kamerabewegungen
und feste Kameraparameter ist aus der
Es ist ferner bekannt, eine Kamera mit einem fest montierten Beschleunigungs-Gyro-Sensor auszustatten, um neben Bildern auch gleichzeitig die Rotation der Kamera aufzuzeichnen (z.B. Suya You, Ulrich Neumann, and Ronald Azuma: Orientation Tracking for Outdoor Augmented Reality Registration. IEEE Computer Graphics and Applications 19, 6 (Nov/Dec 1999), 36–42). Diese Daten werden bei der numerischen Rekonstruktion der abgebildeten Szene, aber nicht zur Kamerakalibrierung, benutzt, weil bislang kein geeignet formuliertes Verfahren hierfür bekannt ist.It is also known to equip a camera with a permanently mounted acceleration gyro-sensor in order to simultaneously record not only images but also the rotation of the camera (eg Suya You, Ulrich Neumann, and Ronald Azuma: Orientation Tracking for Outdoor Augmented Reality Registration, IEEE Computer Graphics and Applications 19, 6 (Nov / Dec 1999), 36-42). These data are used in the numerical Re construction of the scene shown, but not for camera calibration, used because so far no suitably formulated method for this is known.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Selbstkalibrierung einer Kamera anzugeben. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen an.It is therefore an object of the invention, a method for self-calibration to specify a camera. The problem is solved by a method with the features of claim 1. The dependent claims give advantageous embodiments at.
Insbesondere ist es vorteilhaft mit fest montiertem Rotationssensor zu arbeiten, wobei die Sensor-Messdaten direkt in die Bestimmung der internen Kameraparameter einfließen, die selbst frei variieren dürfen.Especially it is advantageous to work with fixed rotation sensor, where the sensor measurement data directly into the determination of the internal Incorporate camera parameters, who are free to vary themselves.
Dabei wird vorausgesetzt, daß wenigstens eine Kamera und eine Mehrzahl von Bildern einer Szene, die aus verschiedenen Positionen und/oder Blickrichtungen des Kamerasystems aufgenommen wurden, sowie Messdaten der relativen Verdrehung wenigstens einer Kamera zwischen den einzelnen Aufnahmen vorhanden sind. Aus korrespondierenden Punkten in paarweise gewählten Bildern kann nun eine erste Matrix bestimmt werden, aus der relativen Verdrehung der wenigstens einen Kamera zwischen denselben gewählten Bildern kann dann eine zweite Matrix als Repräsentation der Verdrehung bestimmt werden, beide Matrizen können dann in eine Gleichung eingesetzt werden, die ein in den Kalibrierparametern lineares Gleichungssystem angibt, und weitere Matrizen sollten genauso aus weiteren Bildpaaren so lange bestimmt und eingesetzt werden, bis das lineare Gleichungssystem eindeutig lösbar ist und durch rechnerisches Lösen des Gleichungssystems alle Parameter des Kamerasystems bestimmt werden können.there it is assumed that at least a camera and a plurality of images of a scene consisting of different Positions and / or directions of the camera system recorded and measured data of the relative rotation of at least one Camera between each shot are present. From corresponding Points in pairs Images can now be a first matrix determined from the relative Rotation of the at least one camera between the same selected images can then a second matrix as representation The twist can be determined, then both matrices can be in an equation be used, which is a linear in the calibration parameters system of equations indicates, and more matrices should also from other image pairs determined and used until the system of linear equations clearly solvable is and by computational solving of the system of equations determines all parameters of the camera system can be.
Das Kamerasystem kann aus mehr als einer Kamera bestehen, wobei die festen Positionen und Orientierungen zueinander bekannt sind oder aus einer oder mehreren frei beweglichen und frei drehbaren Kameras bestehen. Vorteilhafterweise wird wenigstens eine der Kameras mit einem Rotationssensor zur Erfassung der relativen Verdrehung der Kamera zwischen zwei zeitlich getrennten Aufnahmen verbunden.The Camera system can consist of more than one camera, with the fixed positions and orientations to each other are known or from one or more freely movable and freely rotatable cameras consist. Advantageously, at least one of the cameras with a rotation sensor for detecting the relative rotation of the Camera connected between two separate shots.
Durch Aufstellen einer statistischen Fehlerfunktion mit den Messdaten zur Kameraverdrehung, der aufgenommenen Bilder, der berechneten Kameraparameter und der Vorbedingungen und Optimieren dieser kann die Orientierungsmessung stabilisiert werden zur Fehlerkompensation des Orientierungsmesssystems.By Set up a statistical error function with the measurement data to the camera rotation, the pictures taken, the calculated Camera parameters and the preconditions and optimizing this can the orientation measurement are stabilized for error compensation of the orientation measuring system.
Die Erfindung wird anhand von Figuren erläutert. Dabei zeigt:The The invention will be explained with reference to figures. Showing:
Zunächst wird
das im Folgenden verwendete Kameramodell erläutert. Das einfachste Modell
hierfür ist
das einer Lochkamera. Im 3D-Weltkoordinatensystem bestimmt sich
die Kameralage aus der Position des Kamerazentrums C und der Verdrehung
R der optischen Kameraachse gegen die Koordinatenachsen, wie in
Bei
der Lochkamera wird das Kamerazentrum mit dem – im Modell idealen – Brennpunkt
identifiziert, der wahlweise vor oder hinter der Bildebene liegen
kann. Es ist heute üblich,
von einer Bildebene vor dem Brennpunkt auszugehen, wie dies in
Ein
dreidimensionaler Szenenpunkt M in Weltkoordinaten wird nun über eine
lineare Abbildung auf einen Bildpunkt m in kamerafeste Pixelkoordinaten
abgebildet. Dabei ist es für
eine einfache Darstellung der Abbildung zweckmäßig, den Punkten je eine weitere
Koordinate (Eins) hinzuzufügen,
etwa als M = (X, Y, Z, 1)T und m = (x, y,
1)T. Man kann dann schreiben
Die
Kalibriermatrix repräsentiert
die Eigenschaften des Aufnahmesensors bzw. -systems d.h. meist eines
CCD-Chips. Sie enthält
die fünf
internen Kameraparameter:
f ist die Brennweite der Kamera in
Pixeln. Ist dx die Breite eines Pixels in mm, dann ergibt fdx die
Brennweite der Kamera in mm.
a ist das Seitenverhältnis der
Pixel. Es wird definiert als a = dy/dx, wobei dx und dy die Ausdehnung
der Pixel in x- und y-Richtung sind.
s beschreibt die Pixelscherung.
Diese ist abhängig
vom Winkel zwischen den Zeilen und Spalten des Aufnahmesensors.
c
= (cx, cy) beschreibt
mit zwei Parametern den Hauptpunkt der Kamera.The calibration matrix represents the properties of the recording sensor or system, ie usually a CCD chip. It contains the five internal camera parameters:
f is the focal length of the camera in pixels. If dx is the width of a pixel in mm, fdx will give the focal length of the camera in mm.
a is the aspect ratio of the pixels. It is defined as a = dy / dx, where dx and dy are the dimensions of the pixels in the x and y directions.
s describes the pixel shear. This depends on the angle between the lines and columns of the recording sensor.
c = (c x , c y ) describes the main point of the camera with two parameters.
Die Bestimmung der Parameter in K ist die Aufgabe der Selbstkalibrierung. Es kann bei modernen Kameras oft von s = 0 in guter Näherung ausgegangen werden.The Determining the parameters in K is the task of self-calibration. With modern cameras it is often assumed that s = 0 in a good approximation become.
Die durch die Projektionsmatrix P beschriebene Abbildung ist nicht eindeutig umkehrbar. Vielmehr werden durch die Zentralprojektion der Kamera alle Objektpunkte einer Fluchtlinie auf denselben Bildpunkt abgebildet. Aus einem einzigen Bild lassen sich deshalb keine Entfernungen zu den Objektpunkten bestimmen. Hierfür sind wenigstens zwei Bilder aus verschiedenen Perspektiven (Orte bzw. Zeitpunkte τ1, τ2) desselben Objekts zur Triangulation nötig.The The mapping described by the projection matrix P is not unique reversible. Rather, the central projection of the camera all object points of a line of flight are mapped to the same pixel. Therefore, no distances can be obtained from a single image determine the object points. There are at least two pictures for this from different perspectives (places or times τ1, τ2) of the same object needed for triangulation.
Unter
Verwendung der eingangs eingeführten
dreidimensionalen Darstellung der zweidimensionalen Bildpunkte m1
= (m1x, m1y, 1)T, e1 =(e1x, e1y, 1)T, m2 = (m2x, m2y, 1)T, e2 = (e2x, e2y, 1)T kann man Vektorprodukte
n1 = e1 × m1
und n2 = e2 × m2
bilden, und diese sind Normalenvektoren zur selben Ebene, mithin
also identisch bis auf einen Faktor. Allerdings werden n1 und n2
noch in verschiedenen, zueinander verdrehten Koordinatensystemen
dargestellt. Gleichwohl ist dadurch plausibel (und in der Fachliteratur
wird dies auch bewiesen), dass es möglich ist, eine 3 × 3-Matrix
aufzustellen, die für
beliebige, korrespondierende Punkte in beiden Bildern die Bedingung
Die erfolgte Bestimmung von F aus Punktkorrespondenzen liefert noch nicht die gewünschten Kameraparameter. Vielmehr ist der Fachmann nun bestrebt, aus der Kenntnis von F auf die Projektionsmatrix P aus Gleichung (2) zu schließen. Diese Herangehensweise ist grundsätzlich nachteilig, weil in diesem Fall die Projektionsmatrix nicht eindeutig bestimmt werden kann. Ohne Kenntnis der Szene erhält man lediglich eine mit einer invertierbaren 4 × 4-Matrix transformierte Projektionsmatrix, wie allgemein in der Fachliteratur bewiesen wird.The the determination of F from point correspondences still delivers not the desired ones Camera parameters. Rather, the expert is now anxious from the Knowledge of F on the projection matrix P from equation (2) shut down. This approach is fundamentally disadvantageous because in In this case, the projection matrix can not be uniquely determined can. Without knowledge of the scene one gets only one with one invertible 4 × 4 matrix transformed projection matrix, as generally in the specialist literature is proved.
Wenn aber zusätzliche Rotationsinformationen zur Verfügung stehen, lässt sich ein völlig anderer Weg verfolgen, der den Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens ausmacht. Man kann nämlich zeigen, dass sich ein Gleichungssystem aufstellen lässt, das linear in den gesuchten Kameraparametern ist, die bis auf einen Skalierungsfaktor die einzigen Unbekannten darstellen. Zieht man also Punktkorrespondenzen ggf. aus mehreren Bildern heran, d.h. stellt man mehrere Fj,i aus den Forderungen miT Fj,i mj = 0 für Bildpaare i und j auf, so lassen sich die Parameter schnell gewinnen, und die obigen Nachteile des Zugangs über die Projektionsmatrizen treten nicht auf.However, if additional rotation information is available, a completely different way can be pursued, which constitutes the core of the method according to the invention. It can be shown that a system of equations can be set up which is linear in the sought-after camera parameters, which are the only unknowns except for a scaling factor. If one then draws point correspondences from several images, if one sets several F j, i from the requirements mi T Fj, i mj = 0 for image pairs i and j, then the parameters can be obtained quickly, and the above disadvantages of access via the projection matrices do not occur.
Das zu lösende Gleichungssystem lautet: mit Rj,i als Rotationsmatrix, die die Kameraorientierung des Bildes j in die des Bildes i überführt, also insbesondere Rj,i = RiRj T oder auch Rj,i = R(τi)RT(τj). Mit ρj,i wird der unbekannte Skalierungsfaktor bezeichnet, der beim Aufstellen der Fundamentalmatrizen nicht bestimmt werden kann. Die erste Matrix auf der rechten Seite von (5) beschreibt die Bildung des Vektorprodukts mit dem Epipol in Bild i, also dem Zielbild der Abbildung analog zur Definition von Rj,i.The system of equations to solve is: with R j, i as a rotation matrix which converts the camera orientation of the image j into that of the image i, that is to say in particular R j, i = R i R j T or also R j, i = R (τ i) R T (τ j). Ρ j, i denotes the unknown scaling factor that can not be determined when setting up the fundamental matrices. The first matrix on the right side of (5) describes the formation of the vector product with the epipole in image i, ie analogous to the target image of the image for the definition of R j, i .
Unter
bestimmten Voraussetzungen ergeben sich Lösungen von Gleichung (5) in
vorteilhafter Weise:
Sind die Hauptpunkte (ci,x,
ci,y) und (cj,x,
cj,y) bekannt, lassen sich die Brennweiten
fi und fj, die Pixelseitenverhältnisse
ai und aj und die
Pixelscherungen si und sj eindeutig
aus zwei Bildpaaren bestimmen.Under certain conditions, solutions of equation (5) result in an advantageous manner:
If the main points (c i, x , c i, y ) and (c j, x , c j, y ) are known, the focal lengths f i and f j , the pixel aspect ratios a i and a j and the pixel shifts s i and determine s j uniquely from two pairs of images.
Sind Hauptpunkte und Pixelscherungen gegeben, können Pixelseitenverhältnisse und Brennweiten aus einer einzigen Fundamentalmatrix und den Rotationsinformationen berechnet werden.are Given major points and pixel shearing, pixel aspect ratios can and focal lengths of a single fundamental matrix and rotation information be calculated.
Ein Sonderfall ist der einer rotierenden Kamera mit festem Zentrum, d.h. ohne Translation zwischen den Kamerazentren. Für Bilder, die bei einer reinen Drehung der Kamera entstehen, ist kein Epipol definiert, so dass Gleichung (5) nicht anwendbar ist.One Special case is that of a rotating camera with a fixed center, i.e. without translation between the camera centers. For pictures, The result of a pure rotation of the camera is not an epipole defined so that equation (5) is not applicable.
Für rotierende
Kameras lassen sich die Bildpunkte mi und mj eines Objektpunktes
M in den zueinander gedrehten Bildern i und j eindeutig aufeinander
abbilden, wie
Dabei
ist H∞ j,i eine 3 × 3-Matrix und die Vektoren
m sind wie zuvor die dreidimensionalen Entsprechungen zu den Bildpunkten
m in Pixelkoordinaten. H∞ j,i kann
aus vier unabhängigen
Punktkorrespondenzen bis auf einen Skalierungsfaktor bestimmt werden.
Es gilt allgemein
Um in allen Fällen der Kamerabewegung eine vollständige Kalibrierung und eine gleichzeitige Fehlerkorrektur für die Sensordaten zu erreichen wird eine statistische Kalibrierung an die obigen Kalibrierverfahren angeschlossen. Das Ziel ist es, die wahrscheinlichsten Kameraparameter zu schätzen unter Maßgabe der aufgetretenen Messung (Bilder, Rotationsmessungen) und formulierten bekannten Vorbedingungen. Dazu wird ein Fehler minimiert der nur durch das Vorwissen, die Bilder und die Rotationsdaten bestimmt wird. Der Fehler setzt sich zusammen aus einem Term zur Bewertung der Kameraparameter bzgl. der Bilder (Maximum Likelihood), einem Term zur Bewertung der Rotationsdaten und mehreren Termen zur Bewertung des Einhaltens der Vorbedingungen. Die Bewertung der Kameraparameter anhand der Bilddaten erfolgt mit Hilfe der Formeln (6) und (4).Around in all cases the camera movement a full Calibration and a simultaneous error correction for the sensor data To achieve this, a statistical calibration is connected to the above calibration procedures. The goal is to estimate the most likely camera parameters below proviso the measured measurement (images, rotational measurements) and formulated known preconditions. For this a mistake is minimized only determined by the prior knowledge, the images and the rotation data becomes. The error consists of a term for evaluation the camera parameter with regard to the pictures (maximum likelihood), a Term for evaluation of rotation data and multiple terms for evaluation compliance with the preconditions. The rating of the camera parameters Based on the image data is carried out using the formulas (6) and (4).
Der Term zur Bewertung der verbesserten Rotation verwendet das Fehlermodell des Rotationsmesssystems, um zu entscheiden, wie wahrscheinlich die aktuell geschätzte Rotation ist bei der aufgetreten Messung. Die weiteren Terme zur Formulierung des Vorwissens können zur Stabilisierung von schlecht bestimmbaren Parametern, wie dem Hauptpunkt benutzt werden. Diese Fehlerfunktion wird dann durch ein nichtlineares Minimierungsverfahren minimiert, um die wahrscheinlichsten Kameraparameter und Rotationsdaten zu bestimmen. Dabei werden die mit den obigen linearen Verfahren bestimmten Kameraparameter und die gemessenen Rotationsdaten als Startwerte benutzt.Of the Term for evaluating the improved rotation uses the error model the rotation measuring system to decide how likely the currently estimated Rotation has occurred during the measurement. The other terms to Formulation of prior knowledge can to stabilize badly determinable parameters, such as Main point to be used. This error function is then through minimized a nonlinear minimization method to be the most likely Camera parameters and rotation data to determine. Here are the camera parameters determined by the above linear methods and used the measured rotation data as starting values.
Die statistische Kalibrierung berechnet somit eine vollständige Kalibrierung und eine korrigierte Rotationsinformation. Diese korrigierte Rotationsinformation wird benutzt, um die System- und Messfehler des Sensors zu kompensieren.The Statistical calibration thus calculates a complete calibration and corrected rotation information. This corrected rotation information is used to compensate the system and measurement errors of the sensor.
Im
folgenden wird ein Beispiel gegeben:
Für einen Test der Kalibrierung
an realen Daten wurden Stillbilder von einer rotierenden Kamera
mit und ohne Einsatz des Zooms aufgenommen. In beiden Fällen wurden
Hauptpunkt, Pixelscherung und Pixelseitenverhältnis der Kamera als bekannt
vorausgesetzt. Die Rotation der Kamera wurde durch Rechnerbefehle
gesteuert, so dass die Rotationsinformation aus den Programmvorgaben
mit einer Unsicherheit von ca. 0,5° gegeben war. Eine Referenz
für die
tatsächliche
Brennweiteneinstellung wurde manuell ermittelt. Die Brennweite variierte
im Verlauf des Zoom-Experiments zwischen 875 und 1232 (gemessen
in Pixel). Zoom-bedingte, radiale Bildverzerrungen wurden vor der
Selbstkalibrierung korrigiert, was ohne Kenntnis der genauen Brennweite möglich ist.The following is an example:
For a test of real-time calibration, still images were taken from a rotating camera with and without zoom. In both cases, the camera's main point, pixel shear, and pixel aspect ratio were assumed to be known. The rotation of the camera was controlled by computer commands, so that the rotation information from the program specifications was given with an uncertainty of about 0.5 °. A reference for the actual focal length adjustment was determined manually. The focal length varied during the zoom experiment between 875 and 1232 (measured in pixels). Zoom-related radial image distortions were corrected before self-calibration, which is possible without knowing the exact focal length.
Aus der Bildsequenz wurden mit Verfahren nach dem Stand der Technik die Homographien mit Hilfe von Gleichung (6) aufgestellt und durch Reprojektion überprüft. Hierbei wurde ein mittlerer Pixelfehler von 0,8 festgestellt.Out Image sequence were determined by prior art methods the homographies are set up by means of equation (6) and by Reprojection checked. in this connection a mean pixel error of 0.8 was found.
Tripel
von Bildern wurden für
die Brennweitenkalibrierungen verwendet. Die Ergebnisse sind in
Weiter
wurde die Robustheit gegenüber
Rauschen untersucht:
Zur Einschätzung der Robustheit der Kalibrierung
gegenüber
Pixelfehlern und ungenauen Rotationsdaten wurden synthetische Daten
erzeugt und gezielt verrauscht.Furthermore, the robustness against noise was investigated:
To estimate the robustness of the calibration against pixel errors and inaccurate rotation data, synthetic data were generated and deliberately noisy.
Für den Fall der rotierenden Kamera wurde eine virtuelle Kamera mit Zentrum im Koordinatenursprung um x- und y-Achse um bis 6° verdreht. Die Kamera beobachtete gleichförmig verteilte, in einem Kubus angeordnete Szenenpunkte und erzeugte berechnete Bilder von 512 × 512 Pixeln. Die Positionen der Bildpunkte wurden gleichförmig um bis zu Pixel verrauscht. Weiterhin wurde die Rotationsinformation um bis zu 2° pro Achse verrauscht. In der virtuellen Kamera waren alle Kameraparameter a priori bekannt, insbesondere wurden f = 415 und a = 1,1 festgelegt.In the case The rotating camera was a virtual camera with center in the Coordinate origin about x- and y-axis rotated by 6 °. The camera watched uniform distributed, arranged in a cube scene points and generated calculated images of 512 × 512 Pixels. The positions of the pixels became uniform up to pixels noisy. Furthermore, the rotation information became up to 2 ° per axis noisy. In the virtual camera were all camera parameters a priori known, in particular, f = 415 and a = 1.1 were set.
In
den
Für die frei bewegte Kamera wurden sechs virtuelle Kameras auf einer Kugeloberfläche mit Blickrichtung ins Kugelinnere angeordnet. Die Szenenpunkte wurden zufällig im Kugelinneren verteilt und von den Kameras auf 512 × 512 Pixel abgebildet. Im Übrigen wurden die Bilder wie oben beschrieben verrauscht.For the free moving camera were using six virtual cameras on a spherical surface Viewing direction arranged inside the ball. The scene points were fortuitously distributed inside the ball and from the cameras to 512 × 512 pixels displayed. Furthermore The pictures were noisy as described above.
Den
Dabei
ergibt sich folgender Effekt der statistischen Kalibrierung:
Um
den Effekt der statistischen Kalibrierung zu verdeutlichen, wurde
die Robustheitsmessung anhand synthetischer Daten für die rotierende
Kamera mit f = 415 wiederholt, wobei die y-Komponente des Hauptpunktes
nun auf den Wert cy = 201 (Bildzentrum)
gesetzt wurde. Die lineare Kalibrierung berechnete aus den verrauschten Bildern
keine robuste Schätzung
für cy, wie man an
To clarify the effect of the statistical calibration, the robustness measurement was repeated using synthetic data for the rotating camera with f = 415, whereby the y-component of the main point was now set to the value c y = 201 (image center). The linear calibration did not compute from the noisy images a robust estimate for c y how to
Bei der statistischen Kalibrierung wird eine Fehlerfunktion aufgestellt, die es zu minimieren gilt. Unter anderem enthält die Fehlerfunktion einen Summanden, der gegen Null strebt, je näher die Messwerte für den Hauptpunkt bei der jeweiligen Bildmitte liegen, wie es sein muss laut den gewählten Vorgaben. Schließt man die numerische Minimierung dieser Fehlerfunktion (mit Standardprogrammen) der linearen Parameterbestimmung an, so erhält man verbesserte Schätzwerte für die Kameraparameter. Dies soll unter der statistischen Kalibrierung verstanden werden. In vielen praktischen Anwendungen wird man aber auf diesen letzten Optimierungsschritt auch verzichten können, etwa wenn es nur um ein Update der Brennweite geht.During statistical calibration, an error function is set up which should be minimized. Among other things, the error function includes a summand that tends to zero, the closer the measurements for the main point are at the respective center of the image, as must be according to the selected specifications. Including the numerical minimization of this error function (with standard programs) of the linear parameter determination, one obtains improved estimates for the camera parameters. This should be understood by statistical calibration. In many practical applications, but you will be on this last Opti Even if you only need to update the focal length, you can do without
Die
statistische Kalibrierung bestimmte den Hauptpunkt und die Pixelscherung
auch aus verrauschten Bildern sehr robust, wie man exemplarisch
anhand von
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