Calibration d'un APN pour faire de la photogrammetrie
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Auteur Sujet: Calibration d'un APN pour faire de la photogrammetrie  (Lu 13299 fois)

guih

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Calibration d'un APN pour faire de la photogrammetrie
« le: 14 avril 2015 à 23:28:30 »

Bonjour,

Perrium m'a demandé d'ouvrir un petit sujet à propos de la calibration d'un appareil photo qui servirait à faire des modèles 3d ou des orthos. 
Une ortho-image est un produit qui doit être fin géométriquement et radiométriquement. Il est donc nécessaire de calibrer le système de prise de vue pour savoir comment il transforme ce qu'il reçoit.  :professor:

Il existe plusieurs moyens de calibrer sa caméra, certains sont plus onéreux que d'autres mais plus précis. Je vais essayer de tous les présenter.

Concrètement, Qu'est ce que ça apporte de calibrer sa caméra ?

Il existe 2 types de calibration.

La calibration géométrique va vous permettre de gagner en précision ( pas en résolution ) sur l'orthoimage.
La calibration radiométrique ou balance des blancs permet d'avoir des couleurs plus réaliste.

I - Calibration géométrique

théorie rapide :

En optique, selon l'approximation de gauss ( ou hypothèses ) , un rayon lumineux qui traverse une lentille mince peu ouverte, près de l'axe n'est pas dévié.



Seulement, en photogrammétrie, on va utiliser des objectifs grand angles pour avoir la meilleure profondeur de champs possible (et ainsi enregistrer un maximum de détails sur cette profondeur). Seulement, l'approximation de gauss est trop approximative pour l'utilisation de grands angles. :hammered:
On se placera donc dans un cadre qui s'appelle l'optique réelle parfaite et qui va prendre en compte les déviations induites par la lentille. Toutes ces déviations s'appellent la distorsion. Cette dernière se diffuse de manière radiale ( càd linéairement à partir du centre de la lentille ).





L'ordre de grandeur de ce phénomène pour une caméra numérique est de quelques dizaines de pixels jusqu'à une centaine pixels (appareil grand public) !
 :o :o :o Rassurez-vous, les logiciels que vous utilisez corrige cette distorsion radiale ... Mais, il y a toujours un mais que je vous expliquerai ensuite.

La calibration d'une caméra, c'est en faite modéliser cette distorsion + estimer le PPA et le PPS de cette caméra.

PPS ou Point principal de Symétrie : C'est le point qui intersection de l'axe optique avec le plan du capteur. La distorsion est nulle dans en point.
PPA ou Point Principal d'Autocollimation  : C'est la projection orthogonale (focale) du point d'entré de la caméra sur le capteur. La distorsion n'est pas nulle en ce point.



Ce qu'il faut retenir ici, c'est que distorsion évolue à partir du point principal de symétrie et grandit s'en éloignant. Cette erreur ( appelée dr ) est à ajouter pour avoir la vraie position de l'objet dans l'image. Cette distorsion est modélisé généralement sous la forme d'un polynôme impair de degré 3 ( mais il en existe jusqu'à 12 degrés) :
 
                                                                         a,b,c sont les paramètres à estimer lors de la calibration.
                                dr = ar^3+br^5+cr^7   avec r étant la distance du PPS à la position de l'objet réel sur le capteur
                                                                         dr étant cette erreur de distorsion à rajouter à la distance r.
                                       

Après la théorie, la pratique :

Tout logiciel qui calcule une aérotriangulation ( ajustement par faisceau ) utilise ces paramètres de calibrations. Par défaut, Photoscan utilise l'auto-étalonnage. Mais, nous y voilà. En faite, lors de l'initialisation du calcul, ces paramètres sont inconnus s'il on ne lui donne pas un fichier de calibration ... et donc il va les fixer comme nuls. Après quelques itérations, quand la solution commence à converger vers un résultat honnête, il va libérer ces paramètres dans le calcul pour qu'ils soient estimés. Attention, il fait parfois quelque chose d'assez précis ... Mais il ne le fait que dans le sens des moindres carrés, c'est à dire avoir la somme des résidus la plus petite...

Au final, les paramètres du polynômes, le PPS et le PPA sont estimés sur la base du calcul par moindres carré et sans aucune possibilité de vérifier si c'est juste.

Méthode pour calibrer sa caméra :

1) La méthode classique

Calibrer sa caméra sur un polygone d'étalonnage.


Là c'est celui de mon école  8). Une multitude de points géoréférencés, listés dans un fichier (  :respect2: transmis de génération en génération chez les géomètres, pour calibrer les appareils de nos profs ) avec une bonne profondeur entre ces points. Pour calibrer, faite une prise de vue en croix avec la focale au minimum.


Une prise de vue en croix ca ressemble à ca : 
                             :PhotoFlash:
 :PhotoFlash: :PhotoFlash: :PhotoFlash:      Il faut qu'il y est entre 0 et 15 de degré d'inclinaison de convergence vers le centre de la photo du milieu.   
                             :PhotoFlash:                 

Ensuite, on passe un coup de photoscan ou micmac en mesurant bien les points d'appuis sur les images ( en figeant quelque un pour le calcul, ils seront donc passés points de contrôle ) et on choisit un modèle de polynôme de distorsion de degré 3, 5, 7.

2) La méthode rapide mais moins précise. ( que je ne conseille pas, surtout sur des grands chantier )

On prévoit une prise de vue pour une calibration utilisable à un instant t. Pas besoin de points d'appuis. On prend un objet très texturé avec une bonne profondeur ( genre un angle de maison en pierre ), on se place à 5 mètre et on fait une prise de vue en croix. Ensuite, on passe un coup dans photoscan ou micmac avec un polynôme de degré 3 ou 5. Ensuite, on enchaîne directement sur son chantier. Pour un multi rotor, je conseille de faire cette prise de vue en croix dans les airs directement et pas au sol.

Cela permet d'avoir des valeurs initiales de calibration pour le calcul autre que 0. Il faudra les mettre dans un fichier de calibration. Ensuite, on donnera ce fichier en entré pour le gros calcul, qui estimera des écarts plus petits sur ces paramètres de la calibration.

3) EDIT : La méthode de la mire !

Sans vouloir faire de la pub Photomodeler propose un soft de photogrammetrie dans lequel
il y a une mire calibrée et qui marche apparemment plutôt bien ! (On imprime la mire sur une feuille A4, les coordonnées des points sont connus du coup à cette échelle)
Cette méthode reste moins précise que le polygone mais l'est plus que la méthode rapide :)

4) Méthode coûteuse $$$

Faite le faire par un professionnel. Vous aurez un rapport complet pour la calibration de votre appareil.

II - Calibration radiométrique


Chaque appareil photo à un capteur unique qui capte la lumière d'une certaine manière. Les appareils photos de types reflex sont déjà calibrés et un profil dit ICC est enregistré directement sur l'appareil. Pour les appareils compact et moins chères, c'est généralement un profil générique qui leur est attribué. Vous pouvez toujours calibrer vous même le votre mais il faut des connaissances de colorimétrie pour bien comprendre ces aspects. .

Ce site explique plus en détails comment faire un profil ICC pour un appareil photo si cela vous intéresse http://www.guide-gestion-des-couleurs.com/comment-calibrer-couleurs-appareil-photo.html

A noter que cette calibration ne change en rien la géométrie de l'image, c'est seulement esthétique.

III Mini-Conclusion et sources


Voici un petit aperçu de ce qu'est la calibration d'une caméra, je n'ai pas tout raconté, ce n'était pas le but. J'espère que vous avez compris pourquoi il vaut mieux faire une calibration de votre caméra ... La théorie pour l'ajustement des paramètres par moindres carré est normalement rigoureuse cependant il faut toujours avoir un oeil sur les valeurs qui sortent et avoir de quoi comparer, c'est toujours mieux !! ( d'où la nécessité de points d'appuis pour le calcul ;) )

Avis que je partage : Je pense que c'est assez pro de voir ça comme ça, si vous vendez des orthos à des géomètres et que leur mesures ne collent pas dessus,
c'est à vous qu'ils s'en prendront parce qu'ils savent que leur mesures sont bonnes ..  :punch: parole de géomètre  ;D

Je vous encourage à aller lire ces sources qui sont beaucoup plus détaillées et avec plus de rigueur mathématique pour les explications .
Si vous avez des questions ou des remarques, n'hésitez pas !

Merci à Mr Yves Egels pour toutes ces infos mises en lignes !

http://fad.ensg.eu/moodle/course/category.php?id=61 -> Présentation globale des déformations géométriques dans une image ( il n'y a pas que la distorsion comme erreur )
http://sfpt.fr/parchi/?p=178 -> Comparaison caméra étalonnée et non étalonné
http://sfpt.fr/parchi/?p=79 -> Modèle de distorsion

Des liens pour aller plus loin :

Historique du développement des calibrations
Le modèle de PhotoScan
Le modèle Fraser












 


 



« Modifié: 08 août 2016 à 14:57:53 par guih »
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Slyfly

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« Réponse #1 le: 15 avril 2015 à 00:03:06 »

Super Guih !  :doublepouce:
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Mkboy

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Calibration d'un APN pour faire de la photogrammetrie
« Réponse #2 le: 15 avril 2015 à 08:26:56 »

 :respect2: :respect2: :respect2: :respect2: :respect2: :respect2: :respect2: :respect2:

Merci beaucoup pour cette explication très complète !

 :clapping: :clapping: :clapping:


Yo.


PS Un modo pour peut être l'épingler non? Merci
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guih

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« Réponse #3 le: 15 avril 2015 à 09:49:43 »

voilà pas de soucis, je précise aussi qu'il existe d'autres déformations géométriques dans une photo, la distorsion n'est pas la seule ( ca reste la principale et la plus simple à corriger )
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sylcor

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Calibration d'un APN pour faire de la photogrammetrie
« Réponse #4 le: 15 avril 2015 à 10:16:39 »

Wahooooo, quand je vois la qualité des post de notre "stagiaire" on ne va pas pouvoir le laisser sans rémunération bien longtemps. 
J'ai un chassis de 450 en rab. ..
si tu le veux et que tu as envie d'avoir ton multi il est à toi....
à chacun de nous de faire son geste si Guih veut se lancer...
on va bien trouver une 4 moteurs,  une carte kk ou autre, et 4 esc...
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guih

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« Réponse #5 le: 15 avril 2015 à 10:26:43 »

Héhé merci c'est gentil !! Le but de la calibration étant que vous preniez de belles photos et d'en faire des orthos précises et sérieuses à la fin .. vous et peut-être bientôt moi :) !!
Perrium m'a déjà envoyé du matos à brancher sur le PC pour que je comprenne les mécanismes !
« Modifié: 15 avril 2015 à 10:39:31 par guih »
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Hydro_Ydé

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« Réponse #6 le: 15 avril 2015 à 10:55:17 »

Chapeau pour l'exposé.  :clapping:
Merci à toi et à Perrium de donner une approche scientifique qui fera du bien à tous ceux concernés par l'ortophoto, à n'en pas douter !
Digérons d'abord ce bel exposé et revenons avec des procédures opérationnelles pour des calibrations efficaces sur le terrain.  :librarian:
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« Réponse #7 le: 01 mai 2015 à 20:27:30 »

Super! Merci pour l'explication claire. Juste une question sur la méthode avec polygone d'étalonnage: si j'ai tout compris, l'idée c'est de:
- définir une scène avec une profondeur suffisante avec des points de références de coordonnés connues (levé à la station totale par exemple),
- faire une prise de vue en croix de cette scène,
- lancer une modélisation dans photoscan par exemple, en référençant le modèle sur la base des points de références de la scène,
- ainsi les différents coefficients de calibration calculés par photoscan s'appuieront sur un modèle " contraint" par les points de références (d'où l'importance d'une répartition homogène et d'une densité suffisante...).
On récupère ainsi pour le couple (boîtier,objectif i.e. focale) les coefficients et la calibration est faite.

J'ai bon?
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guih

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« Réponse #8 le: 01 mai 2015 à 21:46:56 »

Oui, c'est ca :). Cependant pour être encore plus précis les paramètres estimés du polynôme dépendent du modèle du polynôme. Ce modèle démêm du système de lentille dans le système de prise de vue. Autrement dit le polynome employé n'est pas le même pour un gopro, pour un reflex + boitier ou pour une grosse caméra utilisé pour de la prise de vue aérienne. Je ne connais pas très bien photoscan et les différent polynomes qu'il y a dedans ( s'il y en a des différents je ne suis même pas sur ... ). Mais son modèle du polynome est suffisant pour bien des appareils photos à mon avis ! ;)

Sinon il faut pouvoir récupérer ces paramètres estimés et les contraindres dans les prochains calculs ;). ( ne pas hésiter à relancer le même calcul avec ces paramètres contraints et voir l'évolution des résidus finaux )
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Leseb

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« Réponse #9 le: 01 mai 2015 à 21:55:08 »

Merci pour ta réponse. Je testerai ça des que possible (faut juste que je fasse un banc de calibration...).
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Francklin

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« Réponse #10 le: 01 mai 2015 à 22:20:44 »

Merci pour le super tuto Guih  :doublepouce:, il faut aussi éviter les valeurs d'ouvertures de diaph extrêmes : trop ouvert ou trop fermé (même si ça aide pour la profondeur de champ) je ne sais pas ce que ca vaut pour la photogrammétrie mais je il me semble qu'en photo ça n'aide pas sur les bords d'image non plus
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« Réponse #11 le: 03 mai 2015 à 14:39:05 »

Oui tout à fait, du coup comme on veut une grande profondeur de champs on prend un diaphragme fermé mais pas trop :)
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Mkboy

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« Réponse #12 le: 18 mai 2015 à 18:12:38 »


Tu viendrais pas nous l'expliquer en direct dans les Alpes à la fin du mois de Juin?  ;D

http://www.mk-fr.info/forum/index.php?topic=25207.new;topicseen#new

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« Réponse #13 le: 19 mai 2015 à 09:41:28 »

J'aimerais bien mais le problème pour moi c'est l'organisation sur le wk c'est tendu. Il faut que je m'organise avec la boite ou je fais mon stage ... Je n'y suis pas encore alors leur parler de prendre déjà un jour ou deux de congés  :okjesors: 
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Mkboy

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« Réponse #14 le: 19 mai 2015 à 11:06:16 »

Effectivement c'est très compréhensible!

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« Réponse #15 le: 14 août 2015 à 22:47:30 »

Merci pour le super tuto Guih  :doublepouce:, il faut aussi éviter les valeurs d'ouvertures de diaph extrêmes : trop ouvert ou trop fermé (même si ça aide pour la profondeur de champ) je ne sais pas ce que ca vaut pour la photogrammétrie mais je il me semble qu'en photo ça n'aide pas sur les bords d'image non plus

Oui, en générale, à pleine ouverture les bords sont floues. Et très fermé la netteté globale diminue. Je ne crois pas que ça ne joue sur les déformations par contre.
Ces caractéristiques peuvent être connues. Par exemple voici celles du Sony 16mm : http://www.photozone.de/sony_nex/728-sony16f28nex7?start=1

En tout cas merci Guih. Reste à comprendre comment faire concrètement... surtout la mire.
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guih

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« Réponse #16 le: 14 août 2015 à 23:59:30 »

Bah photoscan à des ciblettes et fait de la reco automatique ;) c'est un peu le meme principe mais je ne sais pas ce que ca vaut ... faudrait comparer un set photoscan/micmac/polygone
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LeNigérien

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« Réponse #17 le: 03 avril 2016 à 08:57:54 »

Merci à toi Guih, pour ce poste passionnant.

Perso, je fais pas mal de photo, disons classique, pour ne par parler d'aérienne que je ne pratique pas encore.

J'utilise le logiciel Dxo (http://www.dxo.com/fr/photographie/logiciels-photo/dxo-opticspro). Ce soft propose en standard, et pour de nombreux boîtiers (du très gros au très petit) des corrections automatique de distorsion.

Pensez-vous qu'il puisse être intéressant, la je ne parle que du point de vue géométrique, de l'utiliser pour "corriger" les photos avant de les balancer dans un soft comme PhotoScan ou Pix4D?

Si personne ne possède ce logiciel, je suis prêt à faire un traitement de test à condition que l'appareil (boitier ou boitier + objectif) soit supporté et vous renvoyer les photos pour traitement final. Seul difficulté potentiel, ma connexion internet et les poids des fichiers.

Au plaisir de lire vos commentaires
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Mkboy

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« Réponse #18 le: 03 avril 2016 à 09:01:27 »

Que ça soit Photoscan ou Pix4D, ils corrigent automatiquement la distorsion des photos.

Yo.
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« Réponse #19 le: 03 avril 2016 à 09:11:39 »

Le font-ils aussi bien que DxO?!

L’intérêt de ce soft pourrait éventuellement être là.
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