Calibration d'une caméra de type réflex grand public

La bonne réussite d'une calibration dépend de plusieurs facteurs:
- de l'utilisation et de la précision que l'on attend de cette calibration. Si l'on veut mesurer un immeuble à 10 cm prés, une calibration n'est pas nécessaire.
- de l'appareil photo et de la qualité de l'objectif de cet appareil.
- une focale fixe avec débrayage de l'autofocus est nécessaire si l'on vue des résultats acceptables.
- de la précision XYZ et du nombre de cibles qui serviront à cette calibration.
- de la précision de pointé de ces cibles sur les photos
- du type de calibration que l'on fera; Focale et PPA, correction radiale ou correction en Grille.

1) Les exigences de la caméra
 
Si vous voulez assurer une précision minimum et une qualité de photo suffisante, il est nécessaire d'avoir un objectif de focale Fixe de qualité, un nombre de méga pixels important et si possible un capteur au format 24x36.
Si l'on veut position le centre perspectif de la caméra par des mesures topographiques ou GPS, la position de l'axe du fond de chambre doit être définie. On doit pouvoir déterminer de façon précise la position de l'axe de la rotule du support d'appareil dans le système caméra. Voir chapitre Menu(CLI 03)  Pour Importer/Exporter un fichier de trajectographie (points GPS et angles). 
Tous les automatismes d'autofocus doivent être débrayables afin de garantir que la focale soit stable et que la mise au point reste à l'infini.
Vous devez connaitre la taille réelle du capteur et vérifier que le rapport Hauteur/Largeur de cette taille est en correspondance avec celui en pixels (24mm/36mm = 2400pix/3600pix).
Si ce n'est pas le cas , on recalcule une Hauteur/Largeur de capteur pour que ce rapport  corresponde exactement à celui des pixels.


2) Trouver le centre perspectif d'une caméra numérique et les offsets.

Nous proposons  une méthode simple qui permet de trouver la position du centre perspectif d'une caméra.

Selon la photo ci-dessous, Photographier une règle graduée ou un kutch.
Mettre une ouverture très faible et une mise au point à l'infini ou sur une focale connue.

 

Dist_Kutch_CP = inconnue à calculer

Vous obtenez une photo de ce type :

Distance KUTCH


Grace à la photo, vous pouvez lire la distance de l'objet photographié, correspondant à la largeur du capteur.
Mesure_Kutch_Lu_Sur_La_Photo = 277mm-25mm = 252mm .  

On obtient la hauteur entre le Centre perspectif et le Kutch par la formule :
Dist_Kutch_CP = Focale / Taille_Capteur * Mesure_Kutch_Lu_Sur_La_Photo,

Connaissant la position de ce centre perspectif, il est facile de trouver les offsets de la rotule d'un pied de caméra dans le système d'axe passant par ce centre perspectif. Par exemple pour trouver 'oz' = offset Z, on peut placer la caméra selon la figure suivante et mesurer la hauteur de l'axe de la rotule par rapport à la table et de déduire la constante qui permet de se placer au niveau du centre perspectif.

 


3) Préparation de la calibration et méthode théorique.

Partons du principe que l'on veut calibrer l'appareil à 1/2 pixel près et que notre appareil a une résolution de 4000x5000 pixels (20 millions de pixels).
Si l'on veut mesurer par voie topographique l'on veut conforter la calibration par des mesures topographique, si notre photo couvre une surface de 50 x 50 mètres, la précision des XYZ fournie devra être de 50/5000*05 mètres soit 5 mm.

La meilleure solution pour calibrer une caméra est d'utiliser la corrélation Automatique.
Il faut photographier de plusieurs endroit, un lieu qui se prête bien à l'autocorrélation. Image non lisse et non répétitive.
Par exemple murs de pierres naturelles, Flancs de montagnes, Sol pris d'une terrasse ou en aérien.
Eviter les lieux artificiels, ils sont souvent composé de surfaces lisses ou de motifs répétitifs.

Pour calculer les coefficients de correction radiale et de pincushion de façon précise, il faut corréler des images décalées.

Pour calculer correctement la focale sans mesures de points fixes, il faut photographier un même lieu sous des angles différents.
Ainsi, un même point aura des profondeurs tés différentes selon l'inclinaison de l'axe de prise de vue. Le calcul de focale sera possible.

 Certains dossiers, avec beaucoup de points d'appuis avec un champ de profondeurs important se prêtent à une calibration de camera

4) Exemple de méthode pour calibrer une caméra

Cette méthode consiste à prendre un lieu se prêtant à l'autocorrélation, avec un nombre de photos, décalées et prisent sous des angles différents, comme précisé au chapitre précédent.

a) Définition de la caméra.

Ne pas oublier de cocher la liste des corrections que l'on veut calculer (Voir chapitre Caméra) , placer le type de focale a "Focale Fixe à Recalculer" et à supprimer toute forme de calibration autre que les coefficients approchés KRADIAL et KPINCUS approchés s'ils existent.

b) Position des prise de vues.

Dans le schéma suivant, la prise de vue de référence est en rouge, les prises de vues parallèles en Cyan et les obliques en Magenta.

Il faut éviter de prendre plusieurs clichés du même endroit. En effet, le logiciel refuse la corrélation de deux clichés ayant le même centre perspectif . Les visées en sifflet (écart CP / Distance objet inférieur à 1%) sont éliminées.


c) Calcul des éléments de calibration.

Valider le calcul de calibration de caméra dans les paramètres de calculs en bloc :

Le calcul de calibration fait partie intégrante du calcul en bloc.
Il suffit donc de lancer une corrélation automatique pour obtenir les résultats attendus.

Il est judicieux de commencer par faire cette corrélation automatique sur quelques clichés pour obtenir des résultat approchés.
Ayant des valeurs approchés, refaire une nouvelle corrélation avec l'ensemble des clichés.

 
c) Outils de visualisation des écarts.
Les outils relatifs à la calibration s'appliquent sur une sélection de clichés et se trouvent dans le menu suivant:
CAL 01
CAL 02
CAL 03
CAL 04
CAL 05
(CAL 01) Pour sauvegarder les mesures courantes de l'image.
Cette fonction sauve également toute une série d'informations relatives aux mesures clichés, aux écarts Images et Clichés ainsi que les rayons et les écarts rayon constatés.
Tous ces éléments peuvent être importés dans Microsoft EXCEL et vous permettre de faire vos propre Analyses.
Les lignes de ce fichier sont de la forme:
Nom_Pt;Cliche;X_Image_Pix;Y_Image_Pix;X_Pix_C;Y_Pix_C;Ect_X_Pix;Ect_Y_Pix;X_Cli_mm;Y_Cli_mm;Ex_Cli;Ey_Cli;Rayon;EctRay
 G100;0007;2371.25;1588.00;-20.72;-0.26;0.54;-0.00;-0.0923;-0.0050;0.0026;0.0000;0.0924;-0.0026
G101;0007;2278.57;1589.25;-113.40;0.99;-0.27;-0.45;-0.5179;-0.0129;-0.0013;0.0021;0.5181;0.0012
G102;0007;2093.10;1592.02;-298.86;3.76;-0.22;-0.42;-1.3763;-0.0256;-0.0010;0.0020;1.3765;0.0010


(CAL 02) Pour restaurer ce que vous avez sauvegarder précédemment.
Cette fonction exploite les mesure les mesures image pour en déduire des coordonnées clichés.
Ces mesures sont transformées en coordonnées clichés puis stockées.
Cette transformation utilise les éléments de clichés et de caméra courants, orientations internes et corrections radiales courantes.
L'intérêt de passer par ces coordonnées images qu'elles ne dépendent pas des paramètres de caméra ni de la focale, contrairement aux coordonnées clichés.

(CAL 03) Pour envoyer sous forme de polylignes, les écarts radiaux constatés.
L'origine est en 0,0,0 Autocad, l'axe des X correspond au Rayon et l'aye des Y à l'écart constaté multiplié par un facteur d'échelle.
Le facteur d'échelle des écarts proposé est de 10.
Vous pouvez également filtrer les mesure à prendre en compte par une distance minimum. Les point proches ne ferons pas partie du graphe.
Dans notre cas on a mis 50 mètres de façon à éliminer les mesures relatives au panneaux de publicité.
Le graphe des clichés sélectionnés dessine ce qui suit:

Chaque polyligne crée contient les information relative au cliché d'où elle provient stockée sous forme de XDATA. La fonction (CAL 05) permet de les visualiser.
Sur l'image précédente, la Polyligne Grippée est celle que l'on a dessiner manuellement. Elle passe par une estimation visuelle des corrections moyennes à apporter.
Un point est créé selon un pas en X de 1mm. En listant cette polyligne, les Y nous fournissent la liste des corrections radiales de notre caméra (au coefficient d'échelle près).
Il vous reste à sauvegarder votre fichier Actuel, à saisir ces corrections Radiales de la caméra actuelle sous la forme:
RADIALCOR;1.00;0.0136;0.0307;0.0405;0.0478;0.0521;0.0505;0.0441;0.0310;0.0123;-0.0101;-0.0392;-0.0713;-0.1017;-0.1375;-0.1740;-0.2113
et à sauvegarder cette caméra. Déjà, si vous visualisez des clichés, vous pouvez constater une nette amélioration des écarts entre la photo et les données graphiques.

(CAL 04) Pour corriger les mesures clichés actuelles des corrections radiales que vous venez de saisir.
Sans cette fonction, les mesures clichés sont inchangées et donc les corrections radiales n'ont pas d'effets sur les résultats d'Aérotriangulation.
En appliquant cette fonction, vos mesures clichés actuelles se trouvent corrigées des corrections radiales de la caméra associée.
Une autre méthode pour obtenir des données clichés corrigés, consisterai à réimporter les mesures images que vous avez sauvegarder par la fonction (CAL 01)
Un nouveau calcul d'Aérotriangulation avec recalcule de focale et de point principal selon les moindres carrés vous fournis normalement les résultats attendus.
Vous pouvez à nouveau redessiner le graphe des  écarts par la fonction (CAL 03) . Normalement, ces polylignes doivent êtres plates et proches de l'axe X:

Si nécessaire, une nouvelle correction, à ajouter à la précédente peut être déduite.
Si vous estimez qu'il reste encore 0.001mm à corriger au rayon 10mm, alors ajoutez 0.001mm à votre correction initiale.

(CAL 05) Pour lister les informations XDATA concernant PMS3D d'un objet Autocad.
Elle est utile pour retrouver le no de cliché concerné par une polyligne du graphe créé par la fonction précédente.

e) Résultats Obtenus.

Lors de la calibration d'une caméra réflex avec un objectif de 20mm grand public,  nous avons obtenu un Emq sur les mesures clichés d'un demi pixel.
Cette calibration a permis de diviser par 15 les écarts sur les mesures.