Vliv geometrických distorzí optických systémů na přesnost a kvalitu 3D modelu zájmového objektu

Jiří Doležel

Bachelor's thesis

The influence of geometric distortions of optical systems on the accuracy and quality of 3D models of the object of interest

Abstract:

Bakalářská práce se zabývá vlivem geometrické nedokonalosti čoček na kvalitu 3D modelů, při použití metody Structure-from-Motion. Software využívá fotografie objektu z různých úhlů k vytvoření bodů, pomocí přiřazujících algoritmů, které vyhledají stejné objekty zájmu, v různých fotografiích. Software následně pomocí triangulace vypočítá vzdálenost od objektu, pozici fotoaparátu a umístí body do tzv. bodového mračna. Protože je metoda ovlivněna kvalitou fotografií, je tak zákonitě ovlivněna kvalitou použité optiky. Ztěžujícím faktorem při sběru fotek je výskyt optických chyb, jako je optická distorze neboli zkreslení obrazu. Distorze je změřena pomocí metody kalibrace čočky, použitím několika fotografií tzv. kalibračního cíle – objektu se známými rozměry, na rovném podkladu. Kalibrační software na základě posunu stejných bodů v různých fotografiích určí míru zakřivení v podobě distorzních koeficientů. Jaký vliv má distorze optik na kvalitu a přesnost fotogrammetrických modelů? Modely vytvořené pomocí různých optických systémů jsou porovnány s výsledky laserového měření, které jsou v branné jako přesná reference. Na základě rozdílu vzdáleností bodů jednotlivých modelů je určen dopad distorze na přesnost bodových mračen. U optik s vyšší mírou optického zkreslení je prokázána nejnižší přesnost vytvořených modelů. Počet bodů v rozsahu nejmenší naměřené vzdálenosti od bodového mračna reference (0 až 8 cm), klesl z 34,1% na 21,43% od nejpřesnějšího modelu, k nejméně přesnému bodovému mračnu. Vzrůst radiální distorze o 2,24% tak snížil počet bodů dosahujících nejvyšší přesnosti o 12,67%. Přestože existuje řada publikací zkoumající kvalitu fotogrammetrických metod, nenašel jsem studii řešící dopad geometrické distorze na přesnost. Tato studie by tak mohla rozšířit znalosti o vlivu optického zkreslení na kvalitu metody Structure-from-Motion.

Abstract:

This bachelor thesis deals with the influence of geometric distortions in optical systems, caused by geometrical imperfections of lenses, on the quality and accuracy of 3D models, created by Structure from motion technique. Software uses images of the object, taken from different angles, to generate keypoints thanks to recognition algorithms, which determine matches of objects in the scene. The software calculates the distance from the object and estimates position of the camera, after which the software uses the key points to generate a point cloud. Because Structure from motion is influenced by the quality of images, it is affected by the quality of used lens. Optical aberations like geometrical distortion increase the difficulty of surface reconstruction when using photogrammetric techniques. Optical distortion is measured based on lens calibration techniques, using multiple pictures of calibration target (checker board pattern with known distances of individual squares). Calibration software generates a net of matching key points and based on the change of their positions calculates distortion coefficients for radial and tangential distortion. How does optical distortion affect the accuracy of photogrammetric models? 3D models which are created using different optical systems are compared to a point cloud created by terrestrial laser scan (TLS), which is used as an accurate reference. Based on the distance of individual points between created models and laser scan, I determined the influence of geometric distortion on the accuracy of point clouds. Models created using optical systems with higher distortion levels proved to be least accurate. The number of points in the most accurate point range (0 to 8 cm), decreased from 34,1% to 21,43% between the most accurate model and the least accurate point cloud. The increase of radial distortion by 2,24% decreased the number of most accurate points by 12,67%. Although there are many publications studying the quality of photogrammetric methods, I didnt find one that determines the influence of distortion on the accuracy of models. This study could provide information about the the impact of optical distortion, on the accuracy of Structure-from-Motion method.

Keywords

Fotogrammetrie, Distorze, Structure-from-Motion, 3D modelování

Keywords

Photogrammetry, Distortion, Structure-from-Motion, 3D modeling

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 31. 3. 2021

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Jan Komárek, Ph.D.
• Reader: Jiří Prošek, Ing.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Environmental Sciences

Bachelor programme / field:
Landscaping / Landscape Technical and Administration Services