High-Accuracy Camera Calibration and Scene Acquisition

209 Pages·2014·9.65 MB·English

Scuola Dottorale di Ateneo
Graduate School
Dottorato di ricerca
in Informatica
Ciclo 27
Anno di discussione 2015
High-Accuracy Camera Calibration and Scene
Acquisition
SETTORE SCIENTIFICO DISCIPLINARE DI AFFERENZA: INF/01
Tesi di Dottorato di Filippo Bergamasco, matricola 820576
Coordinatore del Dottorato Tutore del Dottorando
Prof. Riccardo Focardi Prof. Andrea Torsello

UNIVERSITÀ CA’ FOSCARI VENEZIA
◦
DOTTORATO DI RICERCA IN INFORMATICA, 27 CICLO
(A.A. 2011/2012 – 2013/2014)
High-Accuracy Camera Calibration and Scene
Acquisition
SETTORE SCIENTIFICO DISCIPLINARE DI AFFERENZA: INF/01
TESI DI DOTTORATO DI FILIPPO BERGAMASCO
MATR. 820576
TUTORE DEL DOTTORANDO
AndreaTorsello
COORDINATORE DEL DOTTORATO
RiccardoFocardi
October,2014
Author’sWebPage: http://www.dsi.unive.it/~bergamasco
Author’se-mail: [email protected]
Author’saddress:
DipartimentodiScienzeAmbientali,InformaticaeStatistica
UniversitàCa’FoscariVenezia
ViaTorino,155
30172VeneziaMestre–Italia
tel. [phone]
fax. [phone]
web: http://www.dais.unive.it
TomybelovedFrancesca,
forherunconditionalandcontinuous
supportovertheyears.
Tomyfamily,AndreaTorselloandthewholecv::labgroup
-FilippoBergamasco

Abstract
Inthisthesiswepresentsomenovelapproachesinthefieldofcameracalibrationand
high-accuracy scene acquisition. The first part is devoted to the camera calibration
problemexploitingtargetscomposedbycircularfeatures. Specifically,westartbyim-
provingsomepreviousworkonafamilyoffiducialmarkerswhichareleveragedtobe
used as calibration targets to recover both extrinsic and intrinsic camera parameters.
Then,byusingthesamegeometricconceptsdevelopedforthemarkers,wepresenta
methodtocalibrateapinholecamerabyobservingasetofgenericcoplanarcircles.
Inthesecondpartwemoveourattentiontounconstrained(non-pinhole)camera
models. We begin asking ourselves if such models can be effectively applied also to
quasi-centralcamerasandpresentapowerfulcalibrationtechniquethatexploitactive
targetstoestimatethehugenumberofparametersrequired. Then,weapplyasimilar
method to calibrate the projector of a structured-light system during the range-map
acquisition process to improve both the accuracy and coverage. Finally, we propose
a way to lower the complexity of a complete unconstrained model toward a pinhole
configurationbutallowingacompletegenericdistortionmap.
In the lastpartwe study two different scene acquisition problems, namely: Accu-
rate3Dshapereconstructionandobjectmaterialrecovery. Intheformer,wepropose
a novel visual-inspection device for the dimensional assessment of metallic pipe in-
takes. In the latter, we formulate a total-variation regularized optimization approach
forthesimultaneousrecoveryoftheopticalflowandthedichromaticcoefficientsofa
scenebyanalyzingtwosubsequentframes.

Sommario
In questa tesi sono proposti nuovi approcci nel campo della calibrazione di video-
cameredigitaliericostruzioneaccuratadellascena. Laprimaparteèdedicataalprob-
lema della calibrazione, affrontato sfruttando target composti da pattern di features
circolari. Nello specifico vengono dapprima approfonditi degli approcci precedente-
mentepubblicatidall’autoresufamigliedifiducialmarkersbasatisuschemidipunti
circolariestudiatoilloroutilizzocometargetdicalibrazione. Successivamente,sfrut-
tando alcuni concetti di geometria proiettiva introdotti per i markers, viene discusso
unmetodoperlacalibrazionedivideocamerepinholeattraversol’analisidiinsiemidi
genericicerchicoplanari.
Nella seconda parte della tesi vengono approfondite tematiche riguardanti la cal-
ibrazione di videocamere assumendo un modello a raggi liberi non pinhole. La trat-
tazioneiniziaponendosiilquesitosetalimodellipossanoefficacementeesseresfrut-
tati (in termini di accuratezza e facilità di calibrazione) anche nei contesti in cui il
modello pinhole con distorsione radiale è globalmente considerato ottimale. Nello
studio della questione viene proposta una tecnica di calibrazione basata su un ot-
timizzazione alternata di un funzionale che permette la stima dei parametri che de-
scrivonociascunraggiosfruttandocorrispondenzericavatedatargetattivi. Successi-
vamente, la stessa tecnica viene utilizzata per calibrare il proiettore di un sistema di
scansionealucestrutturataincontemporaneaconilprocessodiacquisizione. Infine,
viene proposto un modello a raggi liberi vincolati a passare per un unico centro ot-
tico,fornendoquindiunametodologiapercrearecamerepinholevirtualidotatediuna
mappadidistorsionecompletamentenonvincolata. L’approcciocombinalapotenza
del modello pinhole (offrendo tutti gli strumenti matematici di geometria proiettiva)
conl’accuratezzadiunmodelloaraggiliberi.
Infine, nell’ultima parte vengono affrontati due diversi problemi di acquisizione.
Nel primo, viene proposto un sistema industriale di misurazione di imboccature el-
littiche di tubature. Nel secondo viene presentato un algoritmo per la stima simul-
taneadeiparametridelmodellodicromaticoedell’opticalflowapartiredadatimulti-
spettraliacquisitidaunascena.