Desarrollo de técnicas de calibración de cámaras y triangulación fotogramétrica para medición estereométrica móvil

Resumen

Esta tesis doctoral se enmarca dentro de la fotogrametría métrica digital, centrándose en dos campos muy relacionados con la fotogrametría métrica: la calibración de cámaras digitales que trabajan en el espectro visible y en el infrarrojo cercano, y en los procesos estereométricos para obtener información metrológica a partir de una pareja de imágenes. Por lo que el objetivo de esta tesis doctoral se puede desglosar en dos tareas destacadas: la primera ha consistido en el desarrollo de un software que permite realizar la calibración de cámaras y el tratamiento digital de imágenes; y la segunda tarea, ha sido la de desarrollar un prototipo de un sistema de medición estereométrico con dos cámaras giratorias en el que se han sustituido los encoders angulares por un proceso de medición fotogramétrico, y en el que ha sido fundamental el software desarrollado en la primera tarea. El software desarrollado es capaz de realizar la calibración de cualquier tipo de cámara digital que trabaje en el espectro visible y en el infrarrojo cercano, independientemente del ámbito fotogramétrico en el que vaya a ser usada (metrología dimensional, topografía aérea, bioingeniería,¿). Para ello ha sido imprescindible que la calibración se pueda realizar utilizando patrones de calibración tanto bidimensionales (2D) como tridimensionales (3D). Además, el software cuenta con todas las herramientas necesarias para poder obtener de una o varias imágenes digitales toda la información que se necesita para calibrar una cámara. Para ello se han desarrollado los algoritmos necesarios para realizar técnicas de tratamiento digital de imágenes, como pueden ser: la identificación y reconocimiento de marcadores y patrones de distintos tipos; la extracción de coordenadas dentro de la imagen de marcadores identificados; el emparejamiento de marcadores en pares de imágenes estereométricas; y la corrección de aberraciones y distorsiones que puedan deformar las imágenes captadas por la cámara. El software también es capaz de mostrar la información obtenida en todos los procesos realizados por las distintas herramientas tanto de forma numérica como de forma gráfica, así como de almacenar los resultados obtenidos en archivos de forma que está información pueda ser usada en un número de escenarios lo más amplio posible. Otro aspecto muy importante que se ha tenido en cuenta es que la aplicación pueda ser usada como un elemento docente dentro del ámbito universitario, y por lo tanto cuenta con las herramientas necesarias que facilitan el aprendizaje de las metodologías propias de la fotogrametría métrica y de calibración de cámaras. Dos de estas herramientas más importantes con las que cuenta el software desarrollado son: un generador de puntos de calibración sintéticos, y un simulador que emula el funcionamiento interno de una cámara digital basada en el modelo pin-hole. Este simulador, a partir de unas coordenadas (X,Y,Z) de unos puntos de calibración y de los parámetros intrínsecos y extrínsecos de una cámara, es capaz de reconstruir una imagen virtual igual a la que captaría una cámara real con los mismos parámetros definidos para la cámara virtual. La segunda tarea principal dentro de esta tesis, ha sido la de desarrollar un prototipo de un sistema de medición estereométrico con un grado de libertad giratorio en cada una de las dos cámaras que formaran el sistema. Las dos cámaras giran mediante motores de forma autónoma para que puedan realizar el seguimiento de un objeto, de tal forma que pueda ser medida su posición en el espacio de trabajo respecto a un sistema de referencia dado. Como las dos cámaras giran de forma independiente, es necesario conocer el ángulo girado por cada una de ellas para poder realizar los cálculos estereométricos necesarios para calcular la posición del objeto observado. En lugar de utilizar encoders angulares para medir el giro de las cámaras, estos han sido sustituidos por una medición fotogramétrica que realizaran las propias cámaras del sistema a partir de marcadores situados en la escena. De esta forma es posible conocer el ángulo girado por cada una de las cámaras, eliminando de esta forma los encoders angulares del sistema con el ahorro en coste que ello implica. Para esta segunda tarea se han utilizado los algoritmos de software desarrollados en la primera tarea, tanto para calibrar las cámaras del sistema como para realizar los cálculos del proceso de medición estereométrico.