COMPARISON OF METHODS FOR GEOMETRIC CAMERA CALIBRATION

Commission V/5 ABSTRACT: Methods for geometric calibration of cameras in close-range photogrammetry are established and well investigated. The most common one is based on test-fields with well-known pattern, which are observed from different directions. The parameters of a distortion model are calculated using bundle-block-adjustment-algorithms. This methods works well for short focal lengths, but is essentially more problematic to use with large focal lengths. Those would require very large test-fields and surrounding space. To overcome this problem, there is another common method for calibration used in remote sensing. It employs measurements using collimator and a goniometer. A third calibration method uses diffractive optical elements (DOE) to project holograms of well known pattern. In this paper these three calibration methods are compared empirically, especially in terms of accuracy. A camera has been calibrated with those methods mentioned above. All methods provide a set of distortion correction parameters as used by the photogrammetric software Australis. The resulting parameter values are very similar for all investigated methods. The three sets of distortion parameters are cross- compared against all three calibration methods. This is achieved by inserting the gained distortion parameters as fixed input into the calibration algorithms and only adjusting the exterior orientation. The RMS (root mean square) of the remaining image coordinate residuals are taken as a measure of distortion correction quality. There are differences resulting from the different calibration methods. Nevertheless the measure is small for every comparison, which means that all three calibration methods can be used for accurate geometric calibration. KURZFASSUNG: In der Nahbereichphotogrammetrie gibt es bewahrte und gut untersuchte Methoden zur geometrischen Kalibrierung. Die gebrauchlich- ste basiert darauf, bekannte Muster eines Testfeldes aus verschiedenen Richtungen zu photographieren. Die Parameter eines Verzeich- nungsmodelles werden im Rahmen einer Bundel-Block-Ausgleichung berechnet. Diese Kalibriertechnik funktioniert gut fur kurzbren- nweitige Optiken; eine Verwendung langbrennweitiger Optiken ist hingegen umstandlich, da grose Testfelder und viel Platz in der Umgebung benotigt wird. In der Fernerkundung wird deshalb die Kalibrierung mit Kollimator und Goniometer bevorzugt. Eine dritte Methode basiert auf der Analyse eines holographischen Musters, das mit Hilfe eine diffraktiven optischen Elementes (DOE) erzeugt wird. In diesem Beitrag werden diese Kalibriermethoden empirisch verglichen, mit besonderem Augenmerk auf die Genauigkeit. Eine Kamera wurde mit den genannten Methoden kalibriert. Alle Methoden geben einen Satz an Verzeichnungsparametern aus, wie sie in der photogrammetrischen Software Australis verwendet werden. Die Werte der Verzeichnungsparametersatze unterscheiden sich von Methode zu Methode nicht wesentlich. Die Verzeichnungsparametersatze werden verglichen, indem sie jeweils als nicht auszugleichende Parameter in alle drei Kalibrieralgorithmen eingesetzt werden; nur die ausere Orientierung und die gemessenen Bild- koordinaten werden ausgeglichen. Der RMS (root mean square) der Bildkoordinatenresiduen wird als vergleichbares Mas verwendet. Es weist kleine Differenzen auf, die auf die unterschiedlichen Verfahren zuruckzufuhren ist. Das Mas ist jedoch in allen Fallen relativ klein, sodass alle Kalibriermethoden zur prazisen geometrischen Kalibrierung verwendet werden konnen.