Optimisation de la caméra dans Agisoft Metashape : f, cx, cy, k1–k4, p1 et p2

L’optimisation de la caméra dans Agisoft Metashape constitue l’une des étapes les plus importantes pour améliorer la précision d’un projet de photogrammétrie, en particulier lors du traitement de levés effectués par drone à l’aide de points de contrôle au sol (GCP), de coordonnées de caméra RTK ou PPK.

Lorsque vous ouvrez la boîte de dialogue « Optimize Cameras » dans Metashape, vous verrez apparaître des paramètres tels que f, cx, cy, k1, k2, k3, k4, p1 et p2. Pour de nombreux utilisateurs, la difficulté ne réside pas dans la manière de lancer l’optimisation, mais dans la compréhension de la signification réelle de ces paramètres et du choix de ceux qu’il convient de sélectionner.

Ces valeurs décrivent la géométrie interne de la caméra et la distorsion optique introduite par l’objectif. Si elles sont mal estimées, le projet peut présenter des déformations systématiques, une précision verticale insuffisante, une erreur de reprojection excessive ou des résultats incohérents au niveau des points de contrôle au sol et des points de vérification.

Ce guide explique chacun des paramètres d’étalonnage des caméras Metashape, le fonctionnement de la fonction « Optimize Cameras » et dans quels cas il convient ou non d’optimiser les différents paramètres.

À quoi sert la fonction « Optimize Cameras » dans Agisoft Metashape ?

Lors de l’opération « Align Photos », Metashape estime à la fois l’orientation externe des caméras et leurs paramètres d’étalonnage internes.

L’orientation externe indique l’emplacement de chaque appareil photo et son orientation au moment de la prise de vue.

L’orientation interne décrit la géométrie de l’appareil photo lui-même, notamment la distance focale, la position du point principal et la distorsion de l’objectif.

Lorsque vous sélectionnerez ensuite :

Outils > Optimisation des caméras

ou si vous utilisez le bouton « Optimiser » dans le volet « Référence », Metashape effectue un nouvel ajustement par faisceaux.

Au cours de ce processus, le logiciel ajuste les paramètres estimés de la caméra et les coordonnées des points 3D tout en s’efforçant de minimiser l’erreur de reprojection et, lorsque des informations de référence sont disponibles, l’erreur de désalignement des coordonnées.

Pourquoi l’optimisation de l’appareil photo est-elle importante ?

Un appareil photo n’est pas un système d’imagerie mathématique parfait.

Même les appareils photo de cartographie haut de gamme présentent de légères différences entre leur géométrie théorique et la manière dont la lumière atteint effectivement le capteur.

Ces différences peuvent notamment inclure :

• Légère variation de la distance focale effective
• L’axe optique ne passe pas exactement par le centre de l’image
• Distorsion radiale de l’objectif
• Décentrage de la lentille
• Tolérances de fabrication
• Modifications de l’étalonnage liées à la mise au point

Metashape évalue ces effets à l’aide des paramètres d’étalonnage de la caméra.

Une estimation correcte revêt une importance particulière dans la cartographie aérienne, car de petites erreurs systématiques sur des centaines, voire des milliers de photographies peuvent entraîner une déformation perceptible du modèle final.

f : Distance focale

f correspond à la distance focale de l’appareil photo, exprimée en pixels.

Il s’agit de l’un des paramètres d’étalonnage interne les plus importants, car il influe directement sur la relation entre les coordonnées de l’image et la géométrie de visualisation.

Même si la longueur focale d’un objectif peut être indiquée comme étant de 24 mm, 35 mm ou toute autre valeur physique, la valeur f calibrée de Metashape est exprimée en pixels plutôt qu’en millimètres.

La distance focale effective estimée lors de l’étalonnage photogrammétrique peut différer légèrement de la valeur nominale indiquée par le fabricant.

C’est normal.

Pour la plupart des projets de photogrammétrie classiques, il convient d’inclure le paramètre f lors de l’optimisation, sauf si vous utilisez des valeurs de pré-étalonnage extrêmement fiables que vous souhaitez délibérément maintenir fixes.

cx et cy : coordonnées des points principaux

cx et cy décrivent la position du point principal de la caméra par rapport au centre de l’image.

Le point principal est le point d’intersection entre l’axe optique de l’objectif et le plan du capteur.

Dans un appareil photo théoriquement parfait, ce point coïnciderait exactement avec le centre géométrique du capteur.

Les appareils photo réels présentent généralement un léger décalage.

• cx représente le décalage horizontal.
• cy correspond au décalage vertical.

Ces deux valeurs sont exprimées en pixels.

Agisoft précise que les valeurs cx et cy sont généralement relativement faibles, souvent de l’ordre de quelques dizaines de pixels, voire moins.

Si les valeurs ajustées atteignent plusieurs centaines, voire plusieurs milliers de pixels, cela peut indiquer une solution d’étalonnage instable ou incorrecte plutôt qu’une véritable caractéristique physique de la caméra.

Pourquoi les valeurs de cx et cy peuvent-elles atteindre des valeurs irréalistes ?

Une géométrie inadéquate du réseau de caméras peut rendre difficile l’estimation indépendante de certains paramètres d’étalonnage.

Cela s’avère particulièrement pertinent dans le cadre des levés aériens, où chaque photographie présente pratiquement la même orientation.

Par exemple, le fait de survoler chaque ligne de cartographie avec la caméra dans une orientation exactement identique peut renforcer la corrélation entre les paramètres d’étalonnage de la caméra et la géométrie du projet.

Agisoft recommande tout particulièrement de vérifier les valeurs cx et cy ajustées lors du diagnostic des problèmes d’étalonnage.

S’ils atteignent des valeurs trop élevées pour être réalistes, il peut s’avérer judicieux de fixer ces paramètres et de réaligner l’ensemble de données sur un modèle de caméra plus restrictif.

k1, k2, k3 et k4 : distorsion radiale

Les paramètres k1, k2, k3 et k4 décrivent la distorsion radiale de la lentille.

La distorsion radiale entraîne un décalage des points de l’image en fonction de leur distance par rapport au centre optique de l’image.

Cet effet s’accentue généralement vers les bords et les coins de la photographie.

Voici deux formes courantes de distorsion radiale :

• Distorsion en tonneau: les lignes droites semblent s’incurver vers l’extérieur.
• Distorsion en « coussin à épingles »: les lignes droites semblent s’incurver vers l’intérieur.

Metashape utilise un modèle mathématique d’appareil photo pour estimer et corriger cette distorsion lors du traitement photogrammétrique.

k1

k1 est le premier coefficient de distorsion radiale et représente généralement la composante dominante de la distorsion radiale.

k2

k2 apporte une correction d’ordre supérieur et permet de mieux rendre compte de la distorsion radiale plus complexe vers la périphérie de l’image.

k3

k3 apporte une correction radiale supplémentaire d’ordre supérieur.

Cela pourrait s’avérer plus pertinent pour les objectifs présentant une distorsion plus importante ou plus complexe.

k4

k4 est un autre coefficient de distorsion radiale d’ordre supérieur.

Il ne faut pas l’activer automatiquement simplement parce que le fait d’ajouter des paramètres semble permettre un étalonnage plus précis.

L’ajout de paramètres superflus peut accroître la corrélation entre les valeurs d’étalonnage et rendre le modèle de caméra moins stable lorsque le réseau d’images ne fournit pas suffisamment d’informations pour les estimer de manière fiable.

Agisoft fournit donc des recommandations spécifiques concernant le flux de travail pour certaines caméras. Par exemple, dans son flux de travail DJI RTK actuel, Agisoft recommande d’exclure le k4 lors de l’optimisation des ensembles de données du DJI Matrice 4E.

p1 et p2 : Distorsion tangentielle

p1 et p2 sont des coefficients de distorsion tangentielle.

La distorsion tangentielle se produit lorsque les éléments de l’objectif ne sont pas parfaitement centrés ou alignés par rapport au capteur.

Au lieu d’une distorsion purement radiale autour du centre optique, les points de l’image peuvent être décalés de manière asymétrique.

Les paramètres p1 et p2 permettent de modéliser ces effets de décentrage.

Pour les appareils photo photogrammétriques standard, ces valeurs sont généralement bien inférieures aux effets de distorsion radiale dominants, mais elles peuvent néanmoins s’avérer importantes pour un étalonnage précis.

Qu’en est-il de b1 et b2 ?

Bien qu’ils ne soient pas toujours au cœur des flux de travail classiques liés aux drones, Metashape propose également :

• b1 – coefficient d’affinité
• b2 – coefficient de non-orthogonalité ou de skew

Ces valeurs sont exprimées en pixels et décrivent des écarts supplémentaires par rapport à la géométrie idéale d’un capteur d’appareil photo.

Agisoft recommande d’examiner ces valeurs conjointement avec les coordonnées cx et cy lors du diagnostic de résultats d’étalonnage suspects.

Des valeurs égales ou supérieures à dix pour b1 ou b2 peuvent indiquer que la solution d’étalonnage est instable.

Aperçu des paramètres d’étalonnage de la caméra

Quels paramètres devez-vous sélectionner dans la fonction « Optimiser les caméras » ?

Il n’existe pas de combinaison universelle de cases à cocher qu’il faille utiliser aveuglément pour tous les appareils photo et tous les projets de photogrammétrie.

Pour les flux de travail classiques de cartographie aérienne, Agisoft recommande d’optimiser un large ensemble de paramètres d’étalonnage une fois les points de contrôle au sol (GCP) placés ou lorsque des coordonnées précises de la caméra RTK sont utilisées.

Toutefois, certains modèles de caméras ou certaines configurations de projet peuvent nécessiter que certains paramètres restent fixes.

Les recommandations actuelles d’Agisoft concernant les drones RTK indiquent que, dans la plupart des cas, l’ensemble complet des paramètres peut être optimisé, à quelques exceptions près, telles que les paramètres b1 et b2 dans les projets utilisant des points de contrôle au sol (GCP) et le paramètre k4 pour les jeux de données du DJI Matrice 4E.

Ces exceptions montrent pourquoi cocher toutes les cases disponibles n’est pas toujours la meilleure approche.

Ajustement adaptatif d’un modèle de caméra

Metashape propose une option intitulée :

Ajustement adaptatif d’un modèle de caméra

Lorsqu’elle est activée, Metashape détermine automatiquement les paramètres d’orientation de la caméra intérieure qui doivent être ajustés.

Cela peut permettre d’éviter d’ajuster inutilement des paramètres qui ne sont pas suffisamment étayés par la géométrie de l’image.

Pour les utilisateurs ne disposant pas d’une stratégie spécifique d’étalonnage de la caméra, l’ajustement adaptatif du modèle peut donc constituer un point de départ plus sûr que l’activation manuelle de tous les coefficients possibles.

Qu’est-ce que les « corrections supplémentaires de Fit » ?

La boîte de dialogue « Optimiser les caméras » comprend également :

Apporter des corrections supplémentaires

Metashape utilise généralement le modèle de distorsion de Brown pour décrire la distorsion de l’appareil photo.

Agisoft précise que des corrections supplémentaires peuvent être activées lorsque le modèle standard ne rend pas suffisamment compte de la distorsion de l’appareil photo.

Cette option permet d’estimer des coefficients de correction supplémentaires au cours de l’optimisation.

Agisoft souligne que cela peut parfois permettre d’améliorer les résultats lors du traitement d’images prises par drone en mode RTK.

Toutefois, cela ne doit pas être considéré comme une option obligatoire pour chaque projet.

Quand faut-il exécuter la fonction « Optimiser les caméras » ?

Dans le cadre de la cartographie aérienne professionnelle, l’optimisation est généralement effectuée après :

• Alignement initial des photos
• Importation ou vérification des coordonnées de la caméra RTK/PPK
• Ajout et positionnement précis des points de contrôle au sol (GCP)
• Définition des valeurs correctes de précision de la caméra et des marqueurs
• Examen des informations de référence

Voici une séquence type :

1. Aligner les photos
2. Vérifier l’alignement
3. Ajouter ou vérifier les GCP
4. Configurer la précision de référence
5. Optimiser les caméras
6. Vérifier les points de contrôle et les erreurs de reprojection
7. Passez à la génération du nuage de points, du MNT et de l’orthomosaïque

Pourquoi les paramètres de précision de GCP sont-ils importants lors de l’optimisation ?

La fonction « Optimiser les caméras » ne considère pas l’étalonnage des caméras de manière isolée.

Lorsque les coordonnées de référence sont activées, Metashape tente de compenser les erreurs de reprojection des images par les erreurs relatives aux coordonnées de référence connues.

Cela signifie que des valeurs de précision erronées peuvent influencer le degré de confiance que Metashape accorde aux coordonnées des caméras ou aux points de contrôle au sol.

Par exemple, attribuer une précision au centimètre près, ce qui n’est pas réaliste, à des coordonnées qui ne sont en réalité précises qu’à quelques mètres près peut entraîner l’ajustement par faisceaux vers des données de référence erronées.

Veillez à toujours utiliser des valeurs réalistes pour la précision de la caméra et des marqueurs.

Comment vérifier l’étalonnage ajusté de la caméra

Une fois l’optimisation terminée, ouvrez :

Outils > Calibrage de l’appareil photo

puis sélectionnez :

Onglet « Ajusté ».

Ceci présente les valeurs d’étalonnage de la caméra estimées par Metashape.

Veuillez prêter une attention particulière aux points suivants :

• f
• cx et cy
• b1 et b2
• Coefficients de distorsion radiale
• Incertitude des paramètres
• Corrélation entre les paramètres

Utilisez le graphique de distorsion

Metashape propose également un graphique de distorsion permettant d’évaluer le modèle de caméra.

Cette visualisation peut afficher :

• Distorsion totale
• Déformation radiale
• Distorsion de décentrage
• Corrections supplémentaires
• Erreurs résiduelles de reprojection

Le graphique résiduel est particulièrement utile, car il permet de mettre en évidence des tendances systématiques dans l’espace des images qui indiquent que le modèle d’appareil photo sélectionné ne décrit pas correctement l’objectif ou le système photographique.

Un plus grand nombre de paramètres ne garantit pas toujours une plus grande précision

Il s’agit de l’un des concepts les plus importants en matière d’optimisation des appareils photo.

On peut être tenté de sélectionner tous les paramètres d’étalonnage disponibles dans Metashape, en partant du principe qu’un modèle plus complexe est forcément meilleur.

Ce n’est pas forcément vrai.

Chaque paramètre supplémentaire doit s’appuyer sur suffisamment d’informations indépendantes issues du réseau d’images.

Si la géométrie du projet est peu précise, les paramètres peuvent présenter une forte corrélation entre eux ou avec l’orientation de la caméra et la forme du terrain.

Il peut en résulter une erreur de reprojection apparemment faible, mais un étalonnage de la caméra instable et un modèle déformé.

Comment améliorer la stabilité de l’étalonnage de la caméra

Une bonne acquisition d’images permet à Metashape de distinguer la distorsion de la caméra de la géométrie du projet.

Parmi les pratiques utiles, on peut citer :

• Prévoyez un chevauchement important entre les images.
• Prenez des photos sous différents angles.
• N’hésitez pas à inclure des images en oblique lorsque cela s’avère pertinent.
• Évitez autant que possible les trajectoires de vol très répétitives.
• Utilisez des lignes transversales pour les projets de levés exigeants.
• Dans la mesure du possible, modifiez l’orientation de la caméra entre deux lignes de vol.
• Utilisez des points de contrôle au sol (GCP) précis ou des données de référence RTK.
• Utilisez des points de contrôle indépendants pour vérifier les résultats.

Un réseau de caméras performant s’avère souvent plus utile que de tenter de corriger un ensemble de données de mauvaise qualité en ajoutant a posteriori des coefficients d’étalonnage supplémentaires.

Faut-il utiliser des paramètres de caméra pré-étalonnés ?

Metashape permet de saisir manuellement les paramètres d’étalonnage connus dans :

Outils > Calibrage de l’appareil photo

Si des informations d’étalonnage très précises sont disponibles grâce à une procédure d’étalonnage en laboratoire fiable, certains paramètres peuvent être verrouillés afin qu’ils ne soient pas modifiés lors des opérations « Aligner les photos » ou « Optimiser les caméras ».

Toutefois, les spécifications nominales du fabricant ne correspondent pas nécessairement à un étalonnage photogrammétrique complet.

Pour les caméras grand public et les caméras de drones, on utilise généralement l’auto-étalonnage de Metashape lors de l’alignement et de l’optimisation.

Erreurs courantes en matière d’optimisation des caméras

Vérifier tous les paramètres sans comprendre le fonctionnement de l’appareil photo

Un nombre trop élevé de coefficients peut rendre le modèle de caméra inutilement complexe et instable.

Ignorer les valeurs cx et cy non réalistes

Des décalages très importants du point principal peuvent indiquer un mauvais étalonnage plutôt qu’une caractéristique physique inhabituelle de la caméra.

Optimisation avant la mise en place du GCP

Si des GCP doivent être utilisés pour contraindre le modèle final, il est généralement préférable de les placer et de les vérifier avant l’optimisation finale.

Utilisation d’une précision de référence incorrecte

L’optimisation dépend de la pondération relative des mesures de l’image et des mesures de référence. Des valeurs de précision irréalistes peuvent donner lieu à des résultats trompeurs.

Évaluation de l’erreur de reprojection uniquement

Une faible erreur de reprojection ne garantit pas automatiquement une bonne précision absolue du levé.

Il convient également d’examiner, dans la mesure du possible, des points de contrôle indépendants.

Recommandations finales

L’optimisation de la caméra dans Agisoft Metashape ne se résume pas à un simple bouton qu’il faudrait actionner en sélectionnant tous les paramètres.

Chaque coefficient d’étalonnage décrit une caractéristique physique ou mathématique spécifique du système d’imagerie :

• f – distance focale
• cx, cy – position du point principal
• k1–k4 – distorsion radiale de l’objectif
• p1, p2 – distorsion tangentielle de l’objectif
• b1, b2 – affinité et non-orthogonalité des capteurs

Pour la plupart des projets professionnels de cartographie par drone, optimisez la caméra après l’alignement et une fois que des informations de référence fiables ont été ajoutées.

Utilisez des paramètres de précision réalistes, vérifiez les valeurs d’étalonnage ajustées et validez le résultat final à l’aide de points de contrôle plutôt que de vous fier exclusivement à l’erreur de reprojection.

Surtout, n’oubliez pas que le modèle d’étalonnage idéal dépend de la caméra et du réseau d’images. Un modèle de caméra plus simple et bien contraint peut donner de meilleurs résultats de relevé qu’un modèle très complexe dont les paramètres ne peuvent pas être estimés de manière fiable.

Foire aux questions

Que signifie la lettre « f » dans Agisoft Metashape ?

f correspond à la distance focale calibrée de la caméra, exprimée en pixels.

Que signifient les paramètres « cx » et « cy » dans Metashape ?

cx et cy indiquent la position horizontale et verticale du point principal par rapport au centre de l’image, mesurées en pixels.

Que sont k1, k2, k3 et k4 ?

Il s’agit de coefficients de distorsion radiale sans dimension utilisés pour modéliser la distorsion de l’objectif, qui varie en fonction de la distance par rapport au centre optique de l’image.

Que sont p1 et p2 ?

p1 et p2 sont des coefficients de distorsion tangentielle utilisés pour décrire les effets de décentrage asymétrique des verres correcteurs.

Dois-je optimiser tous les paramètres de la caméra dans Metashape ?

Pas systématiquement. Le jeu de paramètres approprié dépend de la caméra, de l’ensemble de données et de la géométrie du relevé. Agisoft fournit des recommandations spécifiques pour certains flux de travail et certaines caméras.

Quand dois-je lancer la fonction « Optimiser les caméras » ?

En matière de cartographie aérienne, l’optimisation est généralement effectuée après l’alignement des photos et une fois que les points de contrôle au sol (GCP) ou les informations de référence RTK/PPK précises ont été configurés.

Faut-il activer la fonction k4 sur le DJI Matrice 4E ?

Les recommandations actuelles d’Agisoft concernant le traitement RTK des données DJI préconisent d’exclure le k4 lors de l’optimisation de la caméra pour les projets DJI Matrice 4E.

À quoi sert l’option « Ajuster les corrections supplémentaires » ?

Cela permet à Metashape d’estimer des corrections supplémentaires pour les distorsions qui ne sont pas correctement prises en compte par son modèle de distorsion par défaut « Brown ».