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Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung 1 WS 2017/18 Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz Image-based Measurement Human visual system Neurophysiology Color (perception, illumination, calibration, constancy) Image formation (CCD, CMOS sensors) Image acquisition Projective geometry Camera models, camera calibration Fundamental algorithms Salient point detection and description Linear algebra (RQ, SVD), Estimating H, P, F, Practical issues, Camera Pose Specific algorithms in detail Camera calibration, F, PnP 3D scene structure (from stereo, motion, …), 4D Multibody structure and motion

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Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung

Professor Horst Cerjak, 19.12.2005

1

WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

Image-based Measurement

• Human visual system

• Neurophysiology

• Color (perception, illumination, calibration, constancy)

• Image formation (CCD, CMOS sensors)

• Image acquisition• Projective geometry

• Camera models, camera calibration

• Fundamental algorithms• Salient point detection and description

• Linear algebra (RQ, SVD), Estimating H, P, F, Practical issues, Camera Pose

• Specific algorithms in detail• Camera calibration, F, PnP

• 3D scene structure (from stereo, motion, …), 4D Multibody structure and motion

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WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

Calibration Issues

• Linear Models– Homography estimation H

– Epipolar geometry F, E

– Interior camera parameters K

– Exterior camera parameters R,t

– Camera pose R,t

• Algorithms– Interest Point Detection + Description

– Overdetermined systems of linear equations Error Minimization

– Direct Linear Transform – DLT

– Normalization

– Nonlinearities iterative error minimization, Levenberg-Marquardt

– Outliers Robustness, RANSAC

3

2

1

333231

232221

131211

3

2

1

'

'

'

'

x

x

x

hhh

hhh

hhh

x

x

x

x

x

H

MtMZ

Y

X

pppp

pppp

pppp

y

x

m

|

1

~

1 34333231

24232221

14131211

RKP

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3

WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

Pinhole Camera

• “real” camera

image plane πi (x,y): Zcam = -f

x

y

Zcam

Xcam

Ycam

“principal”

point (x0,y0) “optical axis”

m(x,y)

M(Xcam,Ycam,Zcam)

f

“focal length” f

• 2D projection 3D scene

• m(x,y) ↔ line of sight = viewing direction

M’(Xcam’,Ycam’,Zcam’)

• “Pinhole” C … “center of projection”

Ccam

X Y

Z

M(X,Y,Z,1) M’(X’,Y’,Z’,1)

R,tm(x,y,1)

• “interior” camera parameters

– x0, y0, f, …

• “exterior” parameters

– camera pose

– R, t

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Professor Horst Cerjak, 19.12.2005

4

WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

Pinhole Camera

image plane πi (x,y): Zcam = -f

x

y

Zcam

Xcam

Ycam“principal”

point (x0,y0) “optical axis”

f Ccam

X Y

Z

M(X,Y,Z,1)M’(X’,Y’,Z’,1)

R,tm(x,y,1)

MZ

Y

X

pppp

pppp

pppp

y

x

m

P

1

~

1 34333231

24232221

14131211P : 3 x 4 matrix

“camera projection matrix”

[Pollefeys p.24, eq. (3.8)]

Mm P~

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WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

The Basic Pinhole Model

Note: Figures taken from, notation according to [Hartley,Zisserman]

xZfYZfXZYXX TT ~)/,/(),,(~

~ … inhomog. coord.

XZ

Y

X

f

f

Z

fY

fX

xZ

Y

X

P

101

0

0

1

… homog. coord.

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WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

The Basic Pinhole Model

0~

|)1,,diag(

01

01

01

101

0

0

IP fff

f

f

f

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WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

Principal Point Offset

camXZ

Y

X

yf

xf

Z

ZyfY

ZxfX

xZ

Y

X

P

101

0

0

1

0

0

0

0

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WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

Principal Point Offset

camcam XXyf

xf

x

0~

|

01

01

01

1

0

0

IK

1

0

0

yf

xf

Kcamera calibration matrix

interior/internal parameters

interior/internal orientation

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WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

Camera Rotation and Translation

CXX cam

~~~R

XC

X cam

10

~RR XCx

~| IKR

4 x 4

P3 P3

3 x 4

P2 P3

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WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

Camera Rotation and Translation

C~

| IKRP 3 x 4 projection matrix P

9 degrees of freedom

3 “internal parameters” in K

3 rotation angles in R

3 translations in C~

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WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

Camera Rotation and Translation

C~

| IKRP

Simplified notation: avoid explicit modeling of C

t|CttXXcam

RKPRR

~ ,

~~

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WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

• Pinhole– 3 parameters in K

• CCD– 4 parameters

• Finite projective camera– 5 parameters

– “skew” s

From Pinhole Real Cameras: K

1

0

0

yf

xf

K

yyxxy

x

fmfmy

x

, ,

1

0

0

K

mx

my

1

0

0

y

xs

y

x

K

3 x R, 3 x t

9

10

11

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WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

Projective Camera

• Finite projective camera:– K is an upper triangular matrix

– KR is non-singular

• General projective camera:– P is an arbitrary 3 x 4 matrix of rank 3

– P has also 11 degrees of freedom

4

1|~

| pC MIMIKRP

34333231

24232221

14131211

pppp

pppp

pppp

P

But: We model real cameras

as finite projective cameras

(+ lens distortion)

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WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

Camera Calibration in Practice (1)

• Take – 1 picture of a 3D calibration target,

– or several pictures of a planar calibration target

(take care so that all parameters can be recovered !)

• Establish point correspondences

• Calculate P– set of linear equations

• Decompose P

niXx ii 1 ,~~

t

|RKP

MZ

Y

X

pppp

pppp

pppp

y

x

m

P

1

~

1 34333231

24232221

14131211

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WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

3D Targets

[Hartley + Zisserman][Heikkilä]

Photogrammetry [Godding / Jähne]

• Many ways to build …

• Corners vs. circles (center of gravity) …

• Precision of building, attaching, …

• CNC measured points …

• EMT: coordinate measurement machine

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WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

Simulating a 3D target by actuating a CMM

Camera calibration @ EMT using a CMM (coordinate measurement machine)

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WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

2D vs. 3D Targets

f = 28mm, z ~ 300mm f = 50mm, z ~ 470mm f = 84mm, z ~ 720mm

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WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

2D Targets

f = 28mm, z ~ 280mm f = 50mm, z ~ 470mm f = 84mm, z ~ 720mm

• arbitrary scaling !

– z/f ~ const.

– closeup of toy car vs. real car at a distance …

• but: subtle differences in image quality !

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WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

Image Quality (1)

f = 28mm, z ~ 280mm f = 50mm, z ~ 470mm

lens distortion !

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WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

Image Quality (2)

f = 28mm, z ~ 280mm f = 50mm, z ~ 470mm

“chromatic aberration”

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WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

Lens Distortion Model

• Several ways to model

• Most common:– Scene >> lens system C is ok

– Radial lens distortion ki

– Tangential lens distortion tj

– Radial >> tangential

– Polynomial approximation up to varying order

(x0,y0)

,0

xxx ,0

yyy 22 yxr

)1)(2)2((' 2

32

221

64

2

2

31rtyxtrxtrxkrxkrxkxx

)1)(2)2((' 2

32

221

64

2

2

31rtyxtrytrykrykrykyy

r

x

y

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WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

Camera Calibration in Practice (2)

• Take – 1 picture of a 3D calibration target,

– or several pictures of a planar calibration target

• Establish point correspondences

• Calculate P– set of linear equations

• Decompose P

A first

estim

ate

for

linear

Inte

rior

para

mete

rs (

K)

• Add nonlinear relationships (model ki, tj)

• Perform iterative optimization (w.r.t. some error)

• Enforce constraints (such as structure of K and R)

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WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

What can be measured with one calibrated camera?

• Directions (lines of sight)

• Angles between directions

• 3D reconstruction (“motion stereo”, SaM):– Camera is moved

– Several images are taken

– Point correspondences between the images are

established

• Special case: planar scene + known extrinsics– Angles, distances, areas

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WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

More Than One Camera

• Multiple views:– Epipolar geometry

– Uncalibrated stereo: “Fundamental” matrix F

– Calibrated stereo: “Essential” matrix E

– Stereo rig

– Camera motion

many views

tracking

Structure + Motion (S+M)

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WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

Epipolar Geometry (1)

• Figures from [Hartley + Zisserman]

• C, C’, x, x’, X are co-planar (lie in the “epipolar plane” π)

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WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

Epipolar Geometry (2)

• Assume that only C, C’, and x are known

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WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

Epipolar Geometry (3)

• π projects on “epipolar lines” l and l’

• “baseline”: connects C, C’

• “epipoles”: e, e’

C C’

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WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

Epipolar Geometry (4)

• When 3D position of X varies, π “rotates” about the baseline

• Family of planes – “epipolar pencil” – “Ebenenbüschel”

C C’

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WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

Epipolar Geometry – Example 1:

Converging Cameras [Hartley+Zisserman]

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WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

Epipolar Geometry – Example 2:

Forward Translation [Hartley+Zisserman], [Pollefeys]

e

e’

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WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

The Fundamental Matrix F (1)

We had an example:

Homography H

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WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

The Fundamental Matrix F (2)

• Transfer xi via Xi in π to xi’

• 2D homography Hπ maps each xi to xi’

''' xel

'''' xexe

0

0

0

' ,''

1

'

2

'

1

'

3

'

2

'

3

'

3

'

2

'

1

ee

ee

ee

e

e

e

e

e

xxelxx

FHH '' :'

“skew-symmetric”

matrix

xl

F'

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WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

The Fundamental Matrix F (3)

• F relates x in one image with its corresponding

epipolar line l’ in the other image (all X in R3 !):

• The corresponding point x’ must lie on l’:

• This relates to:

• How to estimate F?

xl

F'

0'' ,0'' lxlx T

0' xx T F

Point correspondences

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WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

Two Calibrated Cameras: Essential Matrix E

• “Essential matrix” E– Similar to F

– Relates calibrated stereo rig

– Internal matrices K and K’ are known

tt T

RRRE R, t

xxxx T 1ˆ ,0ˆ'ˆ KE “normalized coordinates” x̂

FKKEEKKTTT xx ' 0'' 1

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WS 2017/18Image-based Measurement 4 Calibration Axel Pinz

Calibration Issues

• Linear Models– Homography estimation H

– Epipolar geometry F, E

– Interior camera parameters K

– Exterior camera parameters R,t

– Camera pose R,t

• Algorithms– Interest Point Detection + Description

– Overdetermined systems of linear equations Error Minimization

– Direct Linear Transform – DLT

– Normalization

– Nonlinearities iterative error minimization, Levenberg-Marquardt

– Outliers Robustness, RANSAC

3

2

1

333231

232221

131211

3

2

1

'

'

'

'

x

x

x

hhh

hhh

hhh

x

x

x

x

x

H

MtMZ

Y

X

pppp

pppp

pppp

y

x

m

|

1

~

1 34333231

24232221

14131211

RKP