Influence of relative orientation constraints in two-head digital camera calibration

Abstract

Image acquisition systems based on multi-head arrangement of digital frame cameras, such as the commercial systems DMC, UltraCam, besides others, are attractive alternatives enabling larger  imaging area when compared to a single frame camera. Considering that in these systems, cameras are tightly attached to an external mount, it is assumed that relative position and orientation between cameras are stable during image acquisition and, consequently, these constraint can be included in the calibration step. This constraint is acceptable because estimates of the relative orientation (RO) parameters between cameras, from previously estimated exterior orientation parameters, present higher and significant deviations than the expected physical variations, due to error propagation. In order to solve this problem, this work presents an approach based on simultaneous calibration of two or more cameras using constraints that state that the relative rotation matrix and the distance between the cameras head are stable. Experiments with images acquired by an arrangement of two Hasselblad H2D cameras were accomplished, without and with the mentioned constraints. The experiments showed that the calibration process with RO constraints allows better results than the approach based on single camera calibration, provided that the estimation has included only images with good target distribution.Os sistemas de aquisição de imagens baseados em arranjos de câmaras digitais de quadro, tais como os sistemas DMC, UltraCam, dentre outros, são alternativas que possibilitam um maior recobrimento da área imageada em comparação a uma única câmara. Nestes sistemas as câmaras são montadas em suportes rígidos, podendo-se, então, admitir que a posição relativa entre as câmaras mantém-se estável durante a etapa de aquisição, sendo esta uma restrição que pode ser incorporada ao processo de calibração. Este tipo de injunção pode ser justificado uma vez que a estimativa dos elementos de orientação relativa, em função dos parâmetros de orientação exterior ajustados, apresenta variações significativamente maiores que as variações físicas esperadas, por conta da propagação de erros no ajustamento. Para resolver este problema, propõe-se neste trabalho  a calibração simultânea de duas câmaras, fixando-se, por meio de injunções, os elementos de orientação relativa, isto é, a matriz de rotação relativa e a distância entre os centros perspectivos das câmaras, admitindo-se que a estrutura de suporte das câmaras seja estável. Foram realizados experimentos de calibração com imagens  coletadas por um arranjo composto por duas câmaras digitais  Hasselblad H2D, sem e com o uso das injunções mencionadas. Os resultados mostraram que a introdução das injunções de orientação relativa permite melhores resultados que a calibração individual de cada câmara, desde que sejam coletadas imagens em condições geométricas favoráveis