CC BY
402
КАЛИБРОВКА ЦИФРОВОЙ НЕМЕТРИЧЕСКОЙ КАМЕРЫ ПО СНИМКАМ ЗВЕЗДНОГО НЕБА
Вячеслав Николаевич Никитин
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования СГГА, тел. (913)712-37-50, e-mail: vslav. nikitin@gmail. com
Татьяна Викторовна Николаева
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрантка кафедры кадастра СГГА, тел. (923)129-64-95, e-mail: makarovo2010@yandex.ru
В данной статье представлено описание простого и универсального метода калибровки цифровых камер. Основной идеей является использование угловых положений звезд. Высокая точность достигается наличием актуальных каталогов и низкой собственной подвижности звезд. В качестве исходных данных используется звездный каталог и единственное изображение звездного неба.
Ключевые слова: калибровка, цифровая неметрическая камера, изображение звездного неба, каталог звезд.
CALIBRATION OF DIGITAL NON METRIC CAMERA ON THE IMAGES OF THE STAR SKY
Vyacheslav N. Nikitin
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph.D., Assoc. Prof. of department of photogrammetry and remote sensing SSGA, tel. (913)712-37-50, e-mail: vslav.nikitin@gmail.com
Tatiana V. Nikolaeva
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., a master of science of department of cadastral SSGA, tel. (923)129-64-95, e-mail: makarovo2010@yandex.ru
This article presents the description of a simple and universal method for calibration of digital cameras. The main idea is to use the angular positions of the stars. High accuracy is achieved by the relevant directories and low natural mobility of the stars. As a source of data used a star catalogue and a single image of the star sky.
Key words: calibration, digital non metric camera, the image of the star sky, catalogue of
stars.
На сегодняшний день большое количество аэрогеодезических предприятий развивают идею использования бытовых камер для получения пространственных данных. Компактность, оперативность, мобильность и доступность - вот основные предпосылки использования неметрических цифровых камер для измерительных целей. Исходя из этого, актуальной как никогда, является задача калибровки камеры, т.е. определение её элементов внутреннего ориентирования и параметров дисторсии.
Если раньше калибровка АФА осуществлялась, как правило, путем съемки специализированного полигона, то в настоящее время однозначного варианта калибровки нет. На данный момент можно столкнуться с пугающим разнообразием применяемых тест-объектов, методик получения данных, а также используемых программных продуктов для обработки. В любом случае их можно свести к двум группам методов: с использованием твердых опорных данных и без их использования [1].
Калибровка снимков с использованием твердых опорных данных надежна, но не всегда возможна. Метод обеспечивает высокую точность результатов, но создание полигонов для его реализации является сложным, дорогим и продолжительным процессом. Поэтому этот способ имеет ограниченное применение.
Метод без использования твердых опорных данных позволяет определять параметры центральной проекции без опорных данных. Этот метод не требует создания измерительного полигона, определения координат большого числа точек и постоянного обновления наружных знаков. Но метод эффективен только при строгом соблюдении геометрических условий, а также, предположительно, не обеспечивает достаточной точности определения параметров калибровки.
Известны способы калибровки аэрофотографической системы с использованием снимков звёзд. Преимущества этого метода - в простоте реализации, в отсутствии необходимости дополнительного оборудования. Широкое освещение этот метод получил за рубежом. Так в 1974 Шмид [2] осуществил калибровку объектива, звездным методом, определив по фотопластинке вручную более 2400 звезд.
Австрийские ученые предлагают свой метод звездной калибровки [3]. В своей работе они показывают, что в процессе калибровки основные причины смещения звезд (суточное движение, годовое смещение, рефракция) являются незначительными (<1 пикселя) и могут не учитываться. При этом регистрироваться в процессе фотографирования цифровым фотоаппаратом могут звезды до 20-й звездной величины включительно. Особенностью алгоритма является автоматическое выделение звезд на снимке с помощью цифровой обработки и автоматическая их идентификация.
Для подтверждения работоспособности методики калибровки неметрического цифрового фотоаппарата по снимкам звездного неба был проведен эксперимент по получению и обработки снимков звездного неба в условиях г. Новосибирска.
Съемка звездного неба проводилась 20 мая 2012 года. К особенностям съемки можно отнести то, что она осуществлялась за пределами городской территории (около 10 км от города Новосибирска), за счет чего удалось минимизировать засветку небосклона городскими осветительными системами. Необходимо также отметить, что сложились благоприятные погодные условия. Днем прошел дождь, к вечеру небо прояснилось и температура понизилась до 10 0С, состояние атмосферы можно было оценить как идеальное, ветер отсутствовал.
В качестве еще одной особенности отметим, что съемка проводилась в направлении на северо - запад (от города). Из аппаратуры использовалась цифровая камера Sony NEX-5 и штатив [4].
Для данного метода калибровки из 30 снимков звездного неба был выбран один, который полностью смог удовлетворить предъявляемым требованиям (не засвечен, не зашумлен, четко различимы звезды, отсутствует смаз изображения, равномерное распределение звезд по всему полю снимка).
На первом этапе с изображения были удалены шум и помехи. Фильтрация проводилась в программном продукте Adobе Photoshop. С помощью инструментов Изображение - Коррекция - Характеристические кривые был установлен порог фильтрации 20. После визуальной оценки результата было принято решение об использовании его в дальнейшей обработке. Благодаря этому процессу было достигнуто улучшение качества изображения.
Распознавание точек осуществлялось с помощью программного продукта SteПarшm [5]. Он отображает небо таким, каким мы видим его невооружённым глазом в бинокль или телескоп. Для этого необходимо ввести координаты своего местоположения, а также дату наблюдений.
Маркировка точек на снимке осуществлялась в программном продукте MonoSDS. Программа MonoSDS разработана доцентом кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования, кандидатом технических наук Никитиным В.Н.
Название каждой точки на снимке должно соответствовать наименованию звезд в ПП Stellarium. В результате проделанной работы были опознаны и за-маркированны самые яркие звезды, принадлежащие таким созвездиям, как Большая Медведица, Малая Медведица, Дракон, Цефей, Кассиопея.
Внешний вид окна программы представлен на рис. 1.
Мицар (С иМа) - Н1Р65378 А ,
1оспгЪпма до 2.10 В V 0.0>1
Абсопо' •••• Ми~> оиотчим О Ж .
1»«иоо оошицояиИСооо!»»» ОММЮя^
ЧХООО* уго^ияоммш 1М*ШЛ(»МЧ1«-|г*ишр»«1М») Дкши
Чио^гоМмтаг 1МММ»М'М<1*1ма*м1 •
ММГМО'1 ♦ 27«,17Ч0‘)» 7»»МЧ1* 1го»ч»т р» ««но)
*7М'17ЧО'/+70'»ОТ<Ы10М«*)
% ■ «Г'и*с'
П«МШ: 0 0017]* ®
Рис. 1. Окно Stellarium
Для дальнейшей обработки использовался каталог ярких звезд на май 2012, в котором, как и в Stellarium, содержится вся основная информация о звездах [6]. Данный каталог послужил источником опорных данных, а именно
таких параметров звезд, как прямое восхождение и склонение. Эти значения были пересчитаны в прямоугольную систему координат.
Обработка данных производилась в программном продукте Equilibrium. В качестве главного геометрического условия для калибровки цифрового фотоаппарата по снимкам звездного неба использовалось условие коллинеарности. Схема вычисления показана на рис. 2.
~jft Уравнивание вычислений [v.0.01718] - Условие коллинеарности для звёзд 7 .xml * | о || В
Файл Вычисления
к у D Н f о-о I 14 І-И = 0 A L сК V Й <- оО ■>
13: Width/2 О
Л
Рис. 2. Схема вычисления
При обработке результатов была принята модель дисторсии, принятая в ПП Photomod. Результаты калибровки представлены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты калибровки
Модель камеры Формат изображения, pix Радиальная дисторсия Децентрация объектива Координаты главной точки, pix Фокальное расстояние, pix Число измерений Ошибка еденицы веса, ц, pix
Sony- NEX-5, объектив Sel-16F28 4295*3056 -7.870138e-9 1.308415e-15 -2.182302e-23 -1.73021e-7 5.30925e-8 -16.811595 2.356136 3113.7170 59 0.31
По итогам выполнения данной работы можно сформулировать несколько проблем данного метода. В наших широтах очень редко складываются подходящие условия для фотографирования звездного неба: на результат могут повлиять задымленность атмосферы, неустойчивость воздушных потоков, облач-
ность, засветка от Луны и г. Новосибирска. Результаты калибровки цифровой камеры Sony NEX5 использовались при обработке материалов крупномасштабной аэрофотосъемки в ПП Photomod [7]. Методика работоспособна, но требует учета климатических особенностей местности. В качестве дальнейшего совершенствования метода калибровки цифровых камер по снимку звездного неба необходимо автоматизировать процесс маркирования и идентификации звезд на снимке и автоматически определять поправку за рефракцию.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Дубиновский, В. Б. Калибровка снимков [текст] / В. Б. Дубиновский. - М.: Недра, 1982. - 224 с.
2. H.H. Schmid, Stellar calibration of the orbigon lens, Photogrammetric Engineering, 40(1), pp 101-111,1974
3. A. Klaus, J. Bauer, K. Karner, P. Elbischger, R. Perko, H. Bischof, “Camera Calibration from a Single Night Sky Image,” IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pa t-tern Recognition, 2004.
4. Описание цифровой камеры Sony-NEX-5 [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://club.dns-shop.ru/rude-move/blog/Sony-NEX-5NK-компактная-камера-зеркального-качества/
5. Домашний планетарий Stellarium [Электронный ресурс]- Режим доступа: http://www.stellarium.org/ru/
6. Каталог ярких звезд [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://asa.usno.navy.mil/SecH/BrightStars.html
7. Никитин В.Н., Семенцов А.В. Опыт построения ортофотоплана по данным крупномасштабной аэрофотосъемки, выполненной с использованием неметрической цифровой камеры // Сб. материалов IX Международного научного конгресса «ГЕО-Сибирь-2013». Новосибирск: СГГА. В печати.
8. Никитин В.Н., Семенцов А.В. Использование дополнительных геометрических условий при решении геодезических и фотограмметрических задач // Вестник СГГА. - 2012. -Вып. 4 (20). - С. 41-46.
9. Ессин, А.С., Ессин С.С. Разработка методики пространственной фотограмметрической обработки материалов цифровой аэрофотосъемки, полученной с беспелотного летательного аппарата // ГЕО-Сибирь-2007. III Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 25-27 апреля 2007 г.). - Новосибирск: СГГА, 2007. Т. 3. - С. 48-52.
10. Eссин А.С., Ессин С.С. Технология фотограмметрической обработки аэрофотоснимков, полученных с БПЛА, в целях создания ортофотопланов // ГЕО-Сибирь-2009. V Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 20-24 апреля 2009 г.). - Новосибирск: СГГА, 2009. Т. 4, ч. 1. - С. 72-75.
11. Ессин А.С. Совершенствование технологии фотограмметрической обработки материалов аэровидеосъемки в целях создания ортофотопланов // ГЕО-Сибирь-2006. II Междунар. науч. конгр.: сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2006 г.). - Новосибирск: СГГА, 2006. Т. 3. - С. 73-79.
12. Широкова Т.А., Антипов А.В. Методика создания планов крупного масштаба по данным аэрофотосъемки и воздушного лазерного сканирования // Вестник СГГА. - 2012. -Вып. 3(19). - С. 43-51.
© В.Н. Никитин, Т.В. Николаева, 2013
