Camera Calibration with Non-Central Local Camera Models

Kamerakalibrierung ist eine wichtige Grundvoraussetzung für viele Computer-Vision-Algorithmen wie Stereo-Vision und visuelle Odometrie. Das Ziel der Kamerakalibrierung besteht darin, sowohl die örtliche Lage der Kameras als auch deren Abbildungsmodell zu bestimmen. Das Abbildungsmodell einer Kamera beschreibt den Zusammenhang zwischen der 3D-Welt und der Bildebene. Aktuell werden häufig einfache globale Kamera-Modelle in einem Kalibrierprozess geschätzt, welcher mit vergleichsweise geringem Aufwand und einer großen Fehlertoleranz durchgeführt werden kann. Um das resultierende Kameramodell zu bewerten, wird in der Regel der Rückprojektionsfehler als Maß herangezogen. Jedoch können auch einfache Kameramodelle, die das Abbildungsverhalten von optischen Systemen nicht präzise beschreiben können, niedrige Rückprojektionsfehler erzielen. Dies führt dazu, dass immer wieder schlecht kalibrierte Kameramodelle nicht als solche identifiziert werden. Um dem entgegen zu wirken, wird in dieser Arbeit ein neues kontinuierliches nicht-zentrales Kameramodell basierend auf B-Splines vorgeschlagen. Dieses Abbildungsmodell ermöglicht es, verschiedene Objektive und nicht-zentrale Verschiebungen, die zum Beispiel durch eine Platzierung der Kamera hinter einer Windschutzscheibe entstehen, akkurat abzubilden. Trotz der allgemeinen Modellierung kann dieses Kameramodell durch einen einfach zu verwendenden Schachbrett-Kalibrierprozess geschätzt werden. Um Kalibrierergebnisse zu bewerten, wird anstelle des mittleren Rückprojektionsfehlers ein Kalibrier-Benchmark vorgeschlagen. Die Grundwahrheit des Kameramodells wird durch ein diskretes Sichtstrahlen-basiertes Modell beschrieben. Um dieses Modell zu schätzen, wird ein Kalibrierprozess vorgestellt, welches ein aktives Display als Ziel verwendet. Dabei wird eine lokale Parametrisierung für die Sichtstrahlen vorgestellt und ein Weg aufgezeigt, die Oberfläche des Displays zusammen mit den intrinsischen Kameraparametern zu schätzen. Durch die Schätzung der Oberfläche wird der mittlere Punkt-zu-Linien-Abstand um einen Faktor von mehr als 20 reduziert. Erst dadurch kann das so geschätzte Kameramodell als Grundwahrheit dienen. Das vorgeschlagene Kameramodell und die dazugehörigen Kalibrierprozesse werden durch eine ausführliche Auswertung in Simulation und in der echten Welt mithilfe des neuen Kalibrier-Benchmarks bewertet. Es wird gezeigt, dass selbst in dem vereinfachten Fall einer ebenen Glasscheibe, die vor der Kamera platziert ist, das vorgeschlagene Modell sowohl einem zentralen als auch einem nicht-zentralen globalen Kameramodell überlegen ist. Am Ende wird die Praxistauglichkeit des vorgeschlagenen Modells bewiesen, indem ein automatisches Fahrzeug kalibriert wird, das mit sechs Kameras ausgestattet ist, welche in unterschiedliche Richtungen zeigen. Der mittlere Rückprojektionsfehler verringert sich durch das neue Modell bei allen Kameras um den Faktor zwei bis drei. Der Kalibrier-Benchmark ermöglicht es in Zukunft, die Ergebnisse verschiedener Kalibrierverfahren miteinander zu vergleichen und die Genauigkeit des geschätzten Kameramodells mithilfe der Grundwahrheit akkurat zu bestimmen. Die Verringerung des Kalibrierfehlers durch das neue vorgeschlagene Kameramodell hilft die Genauigkeit weiterführender Algorithmen wie Stereo-Vision, visuelle Odometrie oder 3D-Rekonstruktion zu erhöhen

3D Particle Tracking Velocimetry Method: Advances and Error Analysis

A full three-dimensional particle tracking system was developed and tested. By using three separate CCDs placed at the vertices of an equilateral triangle, the threedimensional location of particles can be determined. Particle locations measured at two different times can then be used to create a three-component, three-dimensional velocity field. Key developments are: the ability to accurately process overlapping particle images, offset CCDs to significantly improve effective resolution, allowance for dim particle images, and a hybrid particle tracking technique ideal for three-dimensional flows when only two sets of images exist. An in-depth theoretical error analysis was performed which gives the important sources of error and their effect on the overall system. This error analysis was verified through a series of experiments, which utilized a test target with 100 small dots per square inch. For displacements of 2.54mm the mean errors were less than 2% and the 90% confidence limits were less than 5.2 μm in the plane perpendicular to the camera axis, and 66 μm in the direction of the camera axis. The system was used for flow measurements around a delta wing at an angle of attack. These measurements show the successful implementation of the system for three-dimensional flow velocimetry

Collaborative development of diffraction-limited beamline optical systems at US DOE light sources

An ongoing collaboration among four US Department of Energy (DOE) National Laboratories has demonstrated key technology prototypes and software modeling tools required for new high-coherent flux beamline optical systems. New free electron laser (FEL) and diffraction-limited storage ring (DLSR) light sources demand wavefront preservation from source to sample to achieve and maintain optimal performance. Fine wavefront control was achieved using a novel, roomtemperature cooled mirror system called REAL (resistive element adjustable length) that combines cooling with applied, spatially variable auxiliary heating. Single-grating shearing interferometry (also called Talbot interferometry) and Hartmann wavefront sensors were developed and used for optical characterization and alignment on several beamlines, across a range of photon energies. Demonstrations of non-invasive hard x-ray wavefront sensing were performed using a thin diamond single-crystal as a beamsplitter

Theory and development of a camera-based noncontact vibration measurement system

Title from PDF of title page; abstract from research PDF (University of Missouri--Columbia, viewed on June 25, 2014).Dramatic advancement in technologies for high-speed high-resolution digital cameras in recent years enables the development of camera-based full-field noncontact measurement systems for vibration testing of flexible multibody systems undergoing large rigid-body motion and elastic/plastic deformations. A few of such systems exist in today's metrology market, but they are inconvenient for use and prohibitively expensive. Most seriously, they are not really appropriate for structural vibration testing because their measurement accuracy is low due to several technical reasons, including inappropriate setting of cameras and experimental setup because of user's innocence of video-grammetry, non-precise corner detection and other problems of image processing techniques, and inaccurate modeling and calibration of cameras. This thesis develops and puts together a complete set of necessary techniques for the development of a camerabased noncontact full-field vibration measurement system using inexpensive off-the-shelf digital cameras. An optimal combination of appropriate methods for corner detection, camera calibration, lens distortion modeling, and measurement applications is proposed and numerically and experimentally verified. Moreover, we derive/improve some image processing methods and 3D reconstruction algorithms to improve vibration measurement accuracy. The proposed methods include: 1) a corner detection method for processing 2D images with sub-pixel resolutions, 2) an improved flexible camera calibration method for easy and fast calibration with high accuracy, 3) a lens distortion model for correcting radial, decentering, and thin prism distortions, 4) a set of guidelines for setting up cameras and experiments for measurement, and 5) algorithms for measurement applications. The proposed corner detection method improves Foerstner's corner detector, which improved Moravec's and Harris's corner detectors. The proposed camera calibration method improves Zhang's flexible technique, which works without knowing the object's 3D geometry or computer vision. The method only requires the camera to observe a planar pattern (e.g., a checker board) shown at two or more independent orientations by arbitrarily moving the planar pattern (or the camera). Estimation of the camera's intrinsic parameters (i.e., focal length, principal point, the skewness parameter and aspect ratios of the two image axes, and lens distortion parameters) and extrinsic parameters (i.e., camera's location and orientation with respect to the referential world coordinate system) consists of an approximate initial guess based on linear closed-form solutions and then nonlinear optimization for refinement. This approach is between the photogrammetric calibration and the self-calibration. Compared with photogrammetric calibration techniques that use expensive calibration objects of two or three orthogonal planes, the proposed technique is easy to use and flexible. To examine the proposed methods and their combined effects against high measurement accuracy, two Canon EOS-7D DSLR cameras are used for theoretical studies and experimental verifications. Numerical and experimental results show that the recommended methods together with our improved image processing techniques is feasible for the development of a camera-based noncontact full-field vibration measurement system with high precision and low cost. This camera-based measurement instrument has the potential for developing new structural testing techniques and can open new possibilities for research and development in mechanical and aerospace engineering, computer science, animal science, and many other fields