Введение 3
Глава 1. Изучение методов фотограмметрической калибровки цифровых камер 5
1.1 Теоретические основы процесса фотограмметрической калибровки цифровых камер 5
1.2 Виды геометрических искажений в оптических системах 11
1.3 Калибровка цифровой неметрической камеры по снимкам испытательного полигона 18
1.4 Самокалибровка 24
Глава 2. Исследование методики калибровки цифровой неметрической камеры различными типами полиномов 27
2.1 Методика калибровки цифровой неметрической камеры по снимкам пространственного тест-объекта 27
2.2 Описание дисторсии разными типами полиномов 29
2.3 Критерии для оценки использования различных полиномов 32
Глава 3. Экспериментальные исследования 35
3.1 Исходные данные 35
3.2 Калибровка камеры по пространственному тест-объекту 36
3.3 Исследование различных видов полиномов для исправления дисторсии в программном обеспечение «Parallax» 40
3.4 Исследование поведения полиномов при искусственном изменение масштаба фотоснимка по одной из осей 45
Заключение 48
Список литературы 50
Приложение А 53
Приложение Б 58
Приложение В 70
Актуальность темы исследования. На современном этапе важнейшими методами получения достоверной информации о местности для целей получения карт, чертежей, планов, трехмерных моделей являются аэрофотосъемка и наземная съемка, выполняемые цифровыми неметрическими камерами.
Для обеспечения высоких измерительных и изобразительных свойств получаемых фотоснимков необходимо обеспечить ряд непременных условий, таких как неизменяемость элементов внутреннего ориентирования фотокамеры и остаточной дисторсии, постоянство других характеристик фотоаппаратов в любых условиях их эксплуатации. Так как решение измерительных задач по снимкам требует точного знания элементов внутреннего ориентирования фотокамеры и дисторсии изображения, то цифровые неметрические камеры периодически калибруются.
Существуют несколько методов калибровки цифровых неметрических камер. Они все время совершенствуются, для чего требуется детальное изучение представления дисторсии, а именно моделей полиномов различных видов.
Единого мнения по вопросу универсального вида полинома пока не существует. Авторы научных публикаций считают, что определенный вид полинома должен применяться при решении конкретной задачи, а не быть неизменным.
Степень разработанности темы. Изучением решения задачи калибровки занимались такие отечественные учёные, как Амромин П. Д., Антнпов И. Т., Гук А. П., Дубиновский В. Б., Журкин И. Г., Лобанов А. Н., Малявский Б. К., Михайлов А. П., Погорелов В. В., Тюфлин Ю. С., Чибуничев А. Г. и другие.
Среди зарубежных учёных вклад в исследования процесса калибровки внесли Brown D., Gnm А., Jacobsen К., Ackermann F., Norton С. и другие.
Целями данной работы являются изучение методов калибровки цифровых неметрических камер, исследование различных видов полиномов для исправления дисторсии на снимках.
Реализация поставленных целей включала в себя выполнение следующих задач:
• проанализировать современные подходы к калибровке камер;
• проанализировать существующие математические модели описания дисторсии;
• создать пространственного тест - объекта;
• изучить инструменты;
• выполнить калибровку цифровых неметрических камер/объективов.
• оценить качество, универсальность моделей полиномов для какого-либо ряда объективов
Объект и предмет исследования. Объект исследования - процесс калибровки съёмочных камер.
Предмет исследования - методика калибровки неметрических цифровых камер по снимкам пространственного тест - объекта.
Проведённые исследования базировались на известных теоретических данных о калибровке камер, полученных в результате анализа соответствующей научной и технической литературы. Эмпирической базой исследования служили результаты экспериментальных работ с использованием реальных снимков.
При проведении экспериментальных работ применялось следующее программное обеспечение: система компьютерной алгебры Mathcad, фотограмметрический комплекс «Parallax», средства Microsoft Office.
В рамках реализации поставленной цели изучения методов цифровых неметрических камер, были выполнены следующие задачи:
• рассмотрены методы калибровки цифровых неметрических камер, виды геометрических искажений в них, преимущества и недостатки методов, кратко рассмотрена универсальная высокоточная измерительная система «Parallax»;
• создан пространственный тест-объект и выполнена геодезическая привязка находящихся на нем марок с применением высокоточного тахеометра Leica TDA5005;
• исследована методика калибровки камер по пространственному тест- объекту,
• проанализированы модели полиномов различных видов для исправления дисторсии на снимках.
В результате анализа полученных данных, наиболее предпочтительными модели оказались полиномы Брауна-Конради, Лежандра и степенные полиномы по Лобанову А.Н., причем использование полной модель Брауна-Конради (со степенными полиномами) способно устранить практически любой вид геометрических искажений снимка.
Однако, нельзя сказать, что данные модели являются универсальными и подходят для любого вида камеры/объектива, хотя заметно превосходят остальные виды полиномов по среднеквадратическим невязкам. Для большинства объективов можно утверждать, что универсальными являются модель полиномов Брауна-Конради 1 в полном и минимальном вариантах, так как она учитывает математические и физические особенности оптических систем и справляется с дисторсией любой сложности.
Степенные полиномы по Лобанову так же показывают очень хороший результат и способны справляются практически с любым видом дисторсии и другими искажениями, но для них требуются геодезические данные очень высокой точности, так как полиномы способны не только устранять дисторсию, но и компенсировать ошибки геодезических измерений, при этом значительно искажая систему.
В результате калибровки различных объективов было установлено, что созданный пространственный тест-объект подходит для большинства вида камер/объективов. Исключения могут составлять объективы типа «рыбий глаз», когда по мере удаления от центра снимка марки значительно искажаются и перестают распознаваться. А так же длиннофокусные объективы, для которых необходим большой вынос выступающих марок относительно основной плоскости тест-объекта.
В заключении хотелось бы отметить, что в результате данной дипломной работы была создана методика, которая используется в производственном процессе высокоточной калибровки цифровых фотокамер «Научно-производственного предприятия «Фотограмметрия».
