Quello descritto finora è il
modello ideale di presa; in realtà l’immagine di ogni punto si forma in una
posizione diversa da quella ideale e questo genera delle cosiddette
deformazioni o distorsioni dell’immagine (Fig. 1b). Le distorsioni più comuni
sono quella a cuscinetto e a barilotto (Fig. 2). Per l’impiego dei fotogrammi
occorre conoscere l’entità degli errori dovuti alla distorsione e, se possibile
ridurne l’incidenza. In particolare è necessario conoscere la funzione e i
parametri che descrivono la distorsione, anche questi determinabili con una
procedura di calibrazione della camera.
![fig2](../Immagini/univ/tesi/fig2.jpg)
Fig. 2 – Distorsioni di una ripresa fotografica, al
cetro quella ideale in assenza di distorsioni.
LA
PROCEDURA DI
CALIBRAZIONE DI UN OBIETTIVO AMATORIALE
Presso il Laboratorio di Topografia e Fotogrammetria del
Dipartimento d’Ingegneria dell’Università degli Studi di Ferrara (Fig. 3), si è
approntata una procedura di calibrazione.
![fig3](../Immagini/univ/tesi/fig3.jpg)
Fig. 3 – La ripresa della griglia di calibrazione.
La procedura utilizza un software commerciale,
Photomodeler (Gianinetto et altri, 2005), che suggerisce le fasi della
calibrazione ed esegue il calcolo dei parametri della camera fotografica.
La camera che è stata principalmente utilizzata è la
reflex digitale Nikon D70 con sensore digitale da 6 megapixel (http://www.europe-nikon.com e http://www.nital.it),
su cui è stato montato l’obiettivo Nikkor, a focale fissa, pari a 35 mm e, in alternativa, un obiettivo zoom 18-70mm, fissato anch’esso
durante le prove a 35 mm
(Fig. 4).
E’ solo il caso di sottolineare
che è consigliabile l’uso dell’obiettivo fisso, perchè solo questo garantisce
che la distanza focale si mantenga costante durante tutta la calibrazione e i
successivi rilevamenti fotogrammetrici.
Nelle prove eseguite, si è poi
utilizzata, a fianco della Nikon D70, una seconda camera fotografica, di tipo
compatto di fascia alta: la
Konica Minolta Dimage A200 (http://www.konicaminoltafoto.it/)
con sensore da 8 megapixel (Fig. 4, a destra).
![fig4](../Immagini/univ/tesi/fig4.jpg)
Fig. 4 – Da sinistra verso destra: la
fotocamera reflex digitale Nikon D70 (vista frontale e laterale), l’obiettivo
Nikkor 35mm, la fotocamera digitale Konica Minolta Dimage A200.
La calibrazione avviene utilizzando una griglia di 100
punti stampata su un supporto rigido (Fig. 5). Agli angoli della griglia sono
presenti 4 diversi simboli, impiegati nella procedura di orientamento
automatico dei fotogrammi. La griglia sarà stampata in scala 1:1 e dovrà essere
piana e priva d’asperità.
![fig5](../Immagini/univ/tesi/fig5.jpg)
Fig. 5 – La griglia di calibrazione utilizzata dal
software Photomodeler Pro 5.
Durante le operazioni di
calibrazione, la camera è stata posta sul treppiede e le prese sono state
effettuate con il comando a distanza, onde evitare eventuali movimenti della
fotocamera. Le riprese devono essere almeno 8 e devono mantenere la medesima
distanza tra camera e griglia, e la medesima inclinazione dell’asse di presa
restasse di circa 45° rispetto alla normale uscente dal piano. Durante tutte le
prese effettuate è stata inoltre mantenuta la medesima messa a fuoco.
La procedura di calibrazione
richiede quattro stazioni di presa, una per ogni lato della griglia; da
ciascuna di queste si possono realizzare fino a 3 scatti, ruotando la camera di
+/- 90° attorno all’asse di ripresa.
In seguito si caricano le
immagini all’interno del software Photomodeler, che riconosce in maniera
automatica i punti della griglia, ne determina le coordinate, e ricostruisce il
modello tridimensionale delle riprese calcolandone i parametri (distanza
focale, coordinate del punto principale XC e YC,
dimensioni del sensore, coefficienti Ki del polinomio di distorsione
radiale).
UN ESEMPIO DI CALCOLO DEI PARAMETRI DI CALIBRAZIONE
Con la procedura descritta, si sono determinati i parametri
di calibrazione per la Nikon D70
(Tabella 1), con obiettivo a focale fissa Nikkor 35mm e per la Konica Minolta
Dimage A200. I risultati della calibrazione confermano quanto ci si aspetta
dalla diversa tecnologia costruttiva delle fotocamere: i parametri di
distorsione radiale della Nikon D70 sono di due ordini di grandezza inferiori
rispetto ai parametri della Konika Minolta Dimage A200, indicando così una
maggiore qualità complessiva dell’ottica della macchina digitale reflex Nikon
rispetto alla Konica Minolta.
Parametro
|
Nikon D70
con
obiettivo 35 mm
|
Konica
Minolta
Dimage A200
|
Valori
ottenuti dalla calibrazione
|
Valori
dichiarati
|
Valori
ottenuti dalla calibrazione
|
Valori
dichiarati
|
Distanza focale (mm)
|
37,844
|
35,0
|
6,841
|
7,0
|
Base sensore CCD (mm)
|
24,331
|
23,7
|
8,224
|
8
|
Altezza sensore CCD (mm)
|
16,154
|
15,6
|
6,171
|
6
|
Xc (mm)
|
12,175
|
N.D.
|
4,077
|
N.D.
|
Yc (mm)
|
8,154
|
N.D.
|
3,098
|
N.D.
|
K1
|
7,61 x 10-5
|
N.D.
|
4,42 x 10-3
|
N.D.
|
K2
|
-9,5 x 10-8
|
N.D.
|
-7,5 x 10-5
|
N.D.
|
Tab. 1 – Risultati della calibrazione
della fotocamera reflex digitale Nikon D70 con obiettivo 35mm e della
fotocamera digitale Konica Minolta Dimage A200 con obiettivo zoom fissato a
28mm equivalenti. Notare come i valori di K1 e di K2 della
Konica Minolta sono di due ordini di grandezza superiori rispetto alla D70.
LE VERIFICHE SPERIMENTALI
Per confermare l’importanza della procedura di
calibrazione sono state effettuate alcune prove e verifiche sperimentali,
rilevando la facciata del padiglione meridionale della Certosa di Ferrara come
segue: sono stati materializzati e rilevati per via topografica 8 punti d’appoggio
individuati da target cartacei, necessari per le successive operazioni
d’orientamento e di restituzione delle immagini (Fig. 6).
L’orientamento e la restituzione
sono avvenuti per raddrizzamento su fotopiani, attraverso il software
Photometric (http://www.meridianaoffice.it ). L’ultima
versione di Photometric contiene un database dei parametri di distorsione di una serie di
camere digitali ed obiettivi, simili a quelli calcolati con la calibrazione di
laboratorio (Tabella 1).
Le
immagini sono state raddrizzate con tre diversi profili: (A) senza utilizzare parametri, (B) utilizzando quelli
suggeriti da Photometric ed infine (C) utilizzando i parametri calcolati da
Photomodeler nella procedura di calibrazione.
![fig6](../Immagini/univ/tesi/fig6.jpg)
Fig. 6 – Le riprese fotogrammetriche.
A sinistra: punti d’appoggio fotografici (PF) e punti di controllo (PC). A
destra: i segmenti di controllo (D). In alto a destra: particolari del target
cartaceo e di quello riflettente.
In uno dei fotogrammi ottenuto
con camera in posizione standard, come in Fig. 6 a sinistra, i punti di
controllo non occupavano la parte superiore del fotogramma, per questo motivo
si sono realizzate ulteriori prese con la camera ruotata di 90° in senso
orario.
Tutto questo per le due diverse camere, con le seguenti
combinazioni:
-
Nikon D70 con obiettivo fisso Nikkor 35mm
e successivamente con obiettivo zoom fissato
a 35mm;
-
Minolta con obiettivo zoom, con lunghezza focale
fissata a 35mm equivalenti.
Per il confronto si sono rilevati 10 nuovi punti di
controllo sulla facciata (Fig. 6
a sinistra), individuati da target cartacei con elemento rifrangente. I
risultati delle verifiche sperimentali sono riportati in Tabella 2 e nella
Figure 7 e 8. In particolare si è
eseguito un rilievo con stazione totale Pentax R-125 con funzionamento in
assenza di prisma, che ha fornito le coordinate dei punti di controllo assunte
poi come valori di riferimento. In seguito si sono eseguiti tre diversi
rilievi fotografici, rispettivamente con la macchina Nikon D70 e l’obiettivo
35mm, con la Nikon D70 e zoom fissato a 35mm,
ed infine con la Dimage A200.
Ciascun fotogramma è stato elaborato con il software di raddrizzamento Photometric,
secondo i profili A,B e C già descritti (vedere anche Fig. 7). In Fig. 8 sono riportati i risultati dello studio statistico
sugli scarti in percentuale rispetto al valore vero, delle lunghezze dei
segmenti, i cui estremi erano rappresentati dai punti di controllo.
![tab2](../Immagini/univ/tesi/tab2.jpg)
Tab. 2 – Dati statistici relativi agli scarti
(espressi in cm) tra le coordinate dei punti di controllo determinate sulle
immagini raddrizzate, e quelle note dal rilievo con stazione totale.
![fig7](../Immagini/univ/tesi/fig7.jpg)
Fig. 7 – Due istogrammi rappresentano per
due misure di controllo (A = Immagine raddrizzata senza l’utilizzo dei
parametri, B = Immagine raddrizzata utilizzando i parametri del database di
Photometric, C = Immagine raddrizzata utilizzando i parametri calcolati con
Photomodeler).
![fig8](../Immagini/univ/tesi/fig8.jpg)
Fig. 8 – I casi di studio: rilievo con
Nikon D70 e obiettivo 35mm, rilievo con Nikon D70 e obiettivo zoom fissato a
35mm, rilievo con Konika Minolta Dimage A200; valutati su un prospetto alla
distanza di 25 metri.
Gli istogrammi rappresentano lo studio statistico effettuato sugli scarti
percentuali calcolati per tutte le
combinazioni di segmenti, ottenibili dai 10 punti in Figura 6 (e con la presa a
camera ruotata di 90° in senso orario), per un totale di 90 valori.
Il confronto è stato eseguito
tra le coordinate dei punti rilevati con stazione totale, assunti come valori
veri e le coordinate lette sulle immagini raddrizzate, con o senza l’utilizzo
dei parametri di calibrazione. Si è pure eseguito il confronto tra le lunghezze
di tutti i segmenti che congiungono i punti di controllo, quindi è stato
realizzato uno studio statistico sugli errori assoluti, con il calcolo
dell’errore medio, della deviazione standard e la definizione dei valori minimi
e massimi (Fig. 8).
Le barre degli istogrammi
di Fig. 8 rappresentano, rispettivamente, per ciascuna degli accoppiamenti
camera-obiettivo, gli scarti ottenuti con tre diverse elaborazioni ed in
particolare: utilizzando i parametri calcolati con la procedura prevista in
Photomodeler (C), utilizzando invece i parametri del database del software di
raddrizzamento (B) ed, infine, senza inserire alcun parametro (A). Il primo
gruppo di barre è riferito alla camera Nikon D70 con l’obiettivo fisso, segue la NikonD70 con l’obiettivo
zoom 18-70 mm
fissato a 35 mm, infine sono riportati i risultati ottenuti
con la Konika Minolta
Dimage A200.
In generale si nota che
l’utilizzo della fotocamera reflex digitale Nikon D70 accoppiata al software di
raddrizzamento Photometric 2007 genera scarti, rispetto al rilievo eseguito con
la stazione totale, dell’ordine di pochi millimetri, per tutti i punti e i
segmenti sulla facciata, posta ad una distanza di circa 25 m dal punto di presa.
Per ciascuna fotocamera
l’utilizzo dei parametri calcolati con la procedura fornita dal software
Photomodeler porta ad abbassare ulteriormente, seppur di poco, gli scarti,
mentre i parametri suggeriti dal database presente nel software di
raddrizzamento Photometric 2007 non sempre producono i risultati sperati.
L’APPLICAZIONE
Visti i buoni risultati ottenuti
con la camera Nikon e l’obiettivo a focale fissa Nikkor da 35 mm, si è deciso di
realizzare il rilevamento fotogrammetrico di un edificio storico posto lungo la
cinta muraria di Ferrara, l’edificio di Porta Paola. Alle preliminari
operazioni d’inquadramento e d’appoggio fotografico, si è aggiunto anche un
rilievo di dettaglio, per definire l’andamento planimetrico dell’edificio.
Si è quindi realizzato un modello tridimensionale (Fig. 9)
in ambiente CAD 3D, su cui si sono poi
inserite le immagini raddrizzate di ciascuna componente dei prospetti, in
ambiente AutoDesk VIZ. Il monumento di Porta Paola così riprodotto è ora
fruibile su DVD, in visione animata e con commento sonoro (Chiorboli e Gatti,
2005-b; Gatti e Pacchiega, 2005-b).
![fig9](../Immagini/univ/tesi/fig9.jpg)
Fig. 9 – Il modello dell’edificio di Porta Paola di
Ferrara, realizzato con Autodesk VIZ.
CONCLUSIONI
I casi studiati hanno previsto
l’utilizzo di due diverse fotocamere, di cui una dotata di un obiettivo a
focale fissa. I fotogrammi sono stati
elaborati con il software Photometric 2007. I risultati prodotti
dall’utilizzo dell’abbinamento Nikon D70 e obiettivo a focale fissa calibrato
sono risultati i migliori ed in linea con quelli ottenuti con un rilevamento
con stazione totale.
Infine i test di confronto
hanno evidenziato che i parametri di calibrazione ottenuti attraverso la
procedura descritta apportano miglioramenti di lieve entità nella restituzione
finale.
RINGRAZIAMENTI
Si
ringrazia la ISIWEB
s.r.l., distributrice di Photomodeler per l’Italia, per la concessione in prova
del software Photomodeler.
BIBLIOGRAFIA
Brown D.C. (1971); “Close-Range Camera Calibration”;
Photogrammetric Engineering vol. 37, n.8; pagg. 855-866.
Chiorboli
A., Gatti M. (2005-a); “Low cost”
techniques for building surveying and their 3D representation”; Proceedings
of ISARC 2005, Paper number 16. Ferrara, 11-14 September 2005.
Chiorboli A., Gatti M. (2005-b); “Un volo virtuale attraverso “Piazza del Municipio” di Ferrara”;
Università degli Studi di Ferrara, Facoltà di Ingegneria, Corso di Rilevamento
e Rappresentazione dell’Ambiente Costruito; DVD Multimediale, A.A. 2005-2006.
Gatti M., C. Pacchiega
(2005-a); “Il rilevamento e la rappresentazione di un ambiente costruito.
L’esempio di via Vittorio Veneto in Ferrara”; Rivista dell’Agenzia del
Territorio, n. 3/2005, pp. 5-14, Roma.
Gatti M., C. Pacchiega (2005-b); “Il Rilevamento e la
Rappresentazione in ambiente multimediale. “Il caso di via
Vittorio Veneto in Ferrara”; Cultural Identity. Il filo di Arianna: Arte
come identità culturale. Presidenza del Consiglio dei Ministri, Torino, 28
novembre 2005.
Gianinetto M., Roncoroni F., Scaioni M. (2005); “Calibration
of Thermal Imagery for Integration into 3D VR Models”; 3D Digital Imaging
and Modeling: Applications of Heritage Industry Medicine and Land”, 17-18
maggio 2005, Padova.