Ottimizzazione della fotocamera in Agisoft Metashape: f, cx, cy, k1–k4, p1 e p2

L’ottimizzazione della fotocamera in Agisoft Metashape è uno dei passaggi più importanti per migliorare la precisione di un progetto fotogrammetrico, soprattutto quando si elaborano rilievi effettuati con droni che utilizzano punti di controllo a terra (GCP), RTK o coordinate della fotocamera PPK.

Quando apri la finestra di dialogo “Ottimizza telecamere” in Metashape, vedrai parametri come f, cx, cy, k1, k2, k3, k4, p1 e p2. Per molti utenti, la difficoltà non sta nel capire come eseguire l’ottimizzazione, ma nel capire cosa significano effettivamente questi parametri e quali scegliere.

Questi valori descrivono la geometria interna della fotocamera e la distorsione ottica causata dall’obiettivo. Se vengono stimati in modo errato, il progetto potrebbe presentare deformazioni sistematiche, scarsa precisione verticale, errori di riproiezione eccessivi o risultati incoerenti nei punti di controllo a terra e nei punti di verifica.

Questa guida spiega ogni parametro di calibrazione della fotocamera in Metashape, come funziona la funzione “Ottimizza fotocamere” e quando è opportuno o meno ottimizzare i vari parametri.

Cosa fa la funzione “Optimize Cameras” in Agisoft Metashape?

Durante l’allineamento delle foto, Metashape stima sia l’orientamento esterno delle fotocamere sia i loro parametri di calibrazione interni.

L’orientamento esterno indica dove si trovava ogni fotocamera e come era ruotata al momento dello scatto.

L’orientamento interno descrive la geometria della fotocamera stessa, comprese la lunghezza focale, la posizione del punto principale e la distorsione dell’obiettivo.

Quando poi selezioni:

Strumenti >: Ottimizza le telecamere

oppure, se usi il pulsante “Ottimizza” nel pannello “Riferimento”, Metashape esegue un altro aggiustamento del fascio.

Durante questo processo, il software regola i parametri stimati della telecamera e le coordinate dei punti 3D, cercando di ridurre al minimo l’errore di riproiezione e, quando sono disponibili informazioni di riferimento, l’errore di disallineamento delle coordinate.

Perché è importante ottimizzare la fotocamera

Una fotocamera non è un sistema di imaging matematico perfetto.

Anche le fotocamere di mappatura di alta qualità presentano piccole differenze tra la loro geometria teorica e il modo in cui la luce raggiunge effettivamente il sensore.

Queste differenze possono includere:

• Leggera variazione della lunghezza focale effettiva
• L’asse ottico non passa esattamente per il centro dell’immagine
• Distorsione radiale dell’obiettivo
• Decentramento della lente
• Tolleranze di produzione
• Modifiche alla calibrazione legate alla messa a fuoco

Metashape calcola questi effetti usando i parametri di calibrazione della fotocamera.

Una stima corretta diventa particolarmente importante nella mappatura aerea, perché piccoli errori sistematici presenti in centinaia o migliaia di fotografie possono causare una deformazione evidente nel modello finale.

f: Lunghezza focale

f indica la lunghezza focale della fotocamera espressa in pixel.

È uno dei parametri di calibrazione interna più importanti perché influisce direttamente sul rapporto tra le coordinate dell’immagine e la geometria di visualizzazione.

Anche se l’obiettivo di una fotocamera può essere pubblicizzato come 24 mm, 35 mm o con un’altra lunghezza focale fisica, il valore f calibrato di Metashape è espresso in pixel anziché in millimetri.

La lunghezza focale effettiva stimata durante la calibrazione fotogrammetrica potrebbe differire leggermente dal valore nominale indicato dal produttore.

È normale.

Nella maggior parte dei normali progetti fotogrammetrici, f dovrebbe essere inclusa durante l’ottimizzazione, a meno che tu non stia lavorando con valori di precalibrazione altamente affidabili che vuoi mantenere fissi di proposito.

cx e cy: coordinate dei punti principali

cx e cy descrivono la posizione del punto principale della fotocamera rispetto al centro dell’immagine.

Il punto principale è quello in cui l’asse ottico dell’obiettivo interseca il piano del sensore.

In una fotocamera teoricamente perfetta, questo punto coinciderebbe esattamente con il centro geometrico del sensore.

Le fotocamere vere di solito presentano un leggero scostamento.

• cx rappresenta lo scostamento orizzontale.
• cy rappresenta lo scostamento verticale.

Entrambi i valori sono espressi in pixel.

Agisoft fa notare che i valori di cx e cy sono di solito piuttosto piccoli, spesso poche decine di pixel o anche meno.

Se i valori corretti raggiungono diverse centinaia o addirittura migliaia di pixel, ciò potrebbe indicare una calibrazione instabile o errata, piuttosto che una vera e propria caratteristica fisica della fotocamera.

Perché cx e cy possono diventare così grandi da sembrare irrealistici?

Una geometria inadeguata della rete di telecamere può rendere difficile stimare in modo indipendente alcuni parametri di calibrazione.

Questo è particolarmente importante nelle riprese aeree, dove ogni foto ha quasi lo stesso orientamento.

Ad esempio, volare lungo ogni linea di mappatura mantenendo la fotocamera esattamente nello stesso orientamento può aumentare la correlazione tra i parametri di calibrazione della fotocamera e la geometria del progetto.

Agisoft consiglia espressamente di controllare i valori cx e cy corretti quando si individuano problemi di calibrazione.

Se diventano irrealisticamente grandi, potrebbe essere opportuno fissare quei parametri e riallineare il set di dati con un modello di fotocamera più limitato.

k1, k2, k3 e k4: Distorsione radiale

I parametri k1, k2, k3 e k4 descrivono la distorsione radiale dell’obiettivo.

La distorsione radiale fa sì che i punti dell’immagine vengano spostati in base alla loro distanza dal centro ottico dell’immagine.

L’effetto di solito diventa più marcato verso i bordi e gli angoli della foto.

Due forme comuni di distorsione radiale sono:

• Distorsione a barilotto: le linee rette sembrano curvare verso l’esterno.
• Distorsione a cuscinetto da spilli: le linee rette sembrano curvare verso l’interno.

Metashape utilizza un modello matematico della fotocamera per stimare e correggere questa distorsione durante l’elaborazione fotogrammetrica.

k1

k1 è il primo coefficiente di distorsione radiale e in genere rappresenta la componente dominante della distorsione radiale.

k2

k2 aggiunge una correzione di ordine superiore e aiuta a descrivere la distorsione radiale più complessa verso la zona esterna dell’immagine.

k3

k3 offre una correzione radiale aggiuntiva di ordine superiore.

Potrebbe diventare più importante per gli obiettivi con una distorsione più marcata o più complessa.

k4

k4 è un altro coefficiente di distorsione radiale di ordine superiore.

Non dovrebbe essere attivata automaticamente solo perché un numero maggiore di parametri sembra garantire una calibrazione più precisa.

Aggiungere parametri non necessari può aumentare la correlazione tra i valori di calibrazione e rendere il modello della fotocamera meno stabile quando la rete di immagini non fornisce informazioni sufficienti per stimarli in modo affidabile.

Agisoft fornisce quindi consigli specifici sul flusso di lavoro per alcune fotocamere. Ad esempio, nel suo attuale flusso di lavoro DJI RTK, Agisoft consiglia di escludere k4 quando ottimizzi i set di dati del DJI Matrice 4E.

p1 e p2: Distorsione tangenziale

p1 e p2 sono i coefficienti di distorsione tangenziale.

La distorsione tangenziale si verifica quando le lenti non sono perfettamente centrate o allineate rispetto al sensore.

Invece di avere una distorsione puramente radiale attorno al centro ottico, i punti dell’immagine possono essere spostati in modo asimmetrico.

I parametri p1 e p2 modellano questi effetti di decentramento.

Per le fotocamere fotogrammetriche standard, questi valori sono di solito molto più piccoli rispetto agli effetti di distorsione radiale dominanti, ma possono comunque essere importanti per una calibrazione accurata.

E b1 e b2?

Anche se non sono sempre al centro dei flussi di lavoro standard con i droni, Metashape offre anche:

• b1 – coefficiente di affinità
• b2 – non ortogonalità o coefficiente di asimmetria

Questi valori sono espressi in pixel e descrivono ulteriori scostamenti rispetto alla geometria ideale del sensore della fotocamera.

Agisoft consiglia di controllare questi valori insieme a cx e cy quando si analizzano risultati di calibrazione sospetti.

Se i valori di b1 o b2 sono pari a dieci o più, potrebbe significare che la soluzione di calibrazione è instabile.

I parametri di calibrazione della fotocamera in breve

Quali parametri dovresti selezionare in “Ottimizza telecamere”?

Non esiste una combinazione universale di caselle di selezione che si debba usare ciecamente per ogni fotocamera e ogni progetto fotogrammetrico.

Per i tipici flussi di lavoro di mappatura aerea, Agisoft consiglia di ottimizzare un’ampia serie di parametri di calibrazione dopo aver posizionato i GCP o quando si utilizzano coordinate precise della fotocamera RTK.

Tuttavia, alcune telecamere o configurazioni di progetto potrebbero richiedere che alcuni parametri rimangano fissi.

Le attuali raccomandazioni di Agisoft sui droni RTK indicano che, nella maggior parte dei casi, è possibile ottimizzare l’intera serie di parametri, con alcune eccezioni specifiche come b1 e b2 nei progetti con GCP e k4 per i set di dati del DJI Matrice 4E.

Queste eccezioni dimostrano perché selezionare tutte le caselle di controllo disponibili non è sempre l’approccio migliore.

Adattamento adattivo del modello di fotocamera

Metashape include un’opzione chiamata:

Adattamento adattivo del modello della telecamera

Quando è attivata, Metashape individua automaticamente quali parametri di orientamento delle telecamere interne vanno regolati.

Questo può aiutarti a evitare di adattare inutilmente parametri che non trovano un adeguato supporto nella geometria dell’immagine.

Per chi non ha una strategia specifica di calibrazione della fotocamera, l’adattamento adattivo del modello può quindi rappresentare un punto di partenza più sicuro rispetto all’attivazione manuale di ogni singolo coefficiente possibile.

Cosa sono le “Fit Additional Corrections”?

La finestra di dialogo “Ottimizza telecamere” include anche:

Aggiungi ulteriori correzioni

Metashape di solito usa il modello di distorsione di Brown per descrivere la distorsione dell’obiettivo.

Agisoft spiega che è possibile attivare ulteriori correzioni quando il modello standard non descrive in modo sufficientemente accurato la distorsione dell’obiettivo.

Questa opzione calcola i coefficienti di correzione aggiuntivi durante l’ottimizzazione.

Agisoft sottolinea che a volte può migliorare i risultati durante l’elaborazione delle immagini RTK riprese dai droni.

Comunque, non va considerata un’opzione obbligatoria per ogni progetto.

Quando dovresti eseguire “Ottimizza telecamere”?

Nella mappatura aerea professionale, l’ottimizzazione viene solitamente eseguita dopo:

• Allineamento iniziale delle foto
• Importazione o verifica delle coordinate della telecamera RTK/PPK
• Aggiungere e posizionare con precisione i GCP
• Impostazione dei valori corretti di precisione della telecamera e dei marker
• Verifica delle informazioni di riferimento

Una sequenza tipica è:

1. Allinea le foto
2. Controlla l’allineamento
3. Aggiungi o verifica i GCP
4. Configura la precisione di riferimento
5. Ottimizza le telecamere
6. Controlla i punti di controllo e gli errori di riproiezione
7. Passa alla generazione di nuvole di punti, DEM e ortomosaici

Perché le impostazioni di precisione di GCP sono importanti durante l’ottimizzazione

“Ottimizza telecamere” non considera la calibrazione delle telecamere in modo isolato.

Quando le coordinate di riferimento sono attivate, Metashape cerca di bilanciare gli errori di riproiezione delle immagini con gli errori relativi alle coordinate di riferimento note.

Questo significa che valori di precisione errati possono influire sul grado di affidabilità che Metashape attribuisce alle coordinate della fotocamera o ai punti di controllo a terra.

Ad esempio, attribuire una precisione irrealistica al centimetro a coordinate che in realtà hanno una precisione di soli pochi metri può far sì che l’aggiustamento del fascio si orienti verso dati di riferimento errati.

Usa sempre valori realistici per la precisione della telecamera e dei marker.

Come controllare la calibrazione della fotocamera corretta

Dopo l’ottimizzazione, apri:

Strumenti >: calibrazione della fotocamera

e seleziona:

Scheda modificata.

Qui puoi vedere i valori di calibrazione della fotocamera stimati da Metashape.

Presta particolare attenzione a:

• f
• cx e cy
• b1 e b2
• Coefficienti di distorsione radiale
• Incertezza dei parametri
• Correlazione tra i parametri

Usa il grafico della distorsione

Metashape offre anche un grafico di distorsione per valutare il modello della fotocamera.

Questa visualizzazione può mostrare:

• Distorsione totale
• Distorsione radiale
• Distorsione da decentramento
• Altre correzioni
• Errori residui di riproiezione

Il grafico dei residui è particolarmente utile perché può rivelare modelli sistematici nello spazio dell’immagine che indicano che il modello di fotocamera scelto non descrive adeguatamente l’obiettivo o il sistema fotografico.

Avere più parametri non significa sempre maggiore precisione

Questo è uno dei concetti più importanti nell’ottimizzazione della fotocamera.

Potresti essere tentato di selezionare tutti i parametri di calibrazione disponibili in Metashape, partendo dal presupposto che un modello più complesso sia sempre migliore.

Non è detto che sia vero.

Ogni parametro aggiuntivo deve essere supportato da informazioni indipendenti sufficienti presenti nella rete di immagini.

Se la geometria del progetto è poco solida, i parametri potrebbero diventare fortemente correlati tra loro o con l’orientamento della telecamera e la forma del terreno.

Il risultato può essere un errore di riproiezione apparentemente basso, ma una calibrazione della fotocamera instabile e un modello distorto.

Come migliorare la stabilità della calibrazione della fotocamera

Una buona acquisizione delle immagini aiuta Metashape a distinguere la distorsione della fotocamera dalla geometria del progetto.

Ecco alcune pratiche utili:

• Usa una forte sovrapposizione delle immagini.
• Scatta foto da diverse angolazioni.
• Inserisci immagini oblique quando è opportuno.
• Se possibile, evita geometrie di volo troppo ripetitive.
• Usa le linee di traversata per i progetti di rilevamento più impegnativi.
• Se possibile, cambia l’orientamento della fotocamera tra una linea di volo e l’altra.
• Usa GCP precisi o dati di riferimento RTK.
• Usa dei punti di controllo indipendenti per verificare i risultati.

Una rete di telecamere ben strutturata è spesso più utile che cercare di correggere un set di dati carente aggiungendo coefficienti di calibrazione a posteriori.

Dovresti usare i parametri della fotocamera già calibrati?

Metashape ti permette di inserire manualmente i parametri di calibrazione noti in:

Strumenti >: calibrazione della fotocamera

Se si dispone di dati di calibrazione altamente precisi ottenuti tramite una procedura di calibrazione di laboratorio affidabile, è possibile impostare alcuni parametri in modo che non vengano modificati durante le operazioni “Allinea foto” o “Ottimizza fotocamere”.

Tuttavia, le specifiche nominali del produttore non corrispondono necessariamente a una calibrazione fotogrammetrica completa.

Per le normali fotocamere di consumo e quelle dei droni, si ricorre comunemente all’autocalibrazione di Metashape durante l’allineamento e l’ottimizzazione.

Errori comuni nell’ottimizzazione della fotocamera

Controllare ogni parametro senza capire come funziona la fotocamera

Aggiungere altri coefficienti può rendere il modello della fotocamera inutilmente complesso e instabile.

Ignorare i valori cx e cy non realistici

Uno scostamento molto elevato del punto principale può indicare una calibrazione non corretta piuttosto che una caratteristica fisica insolita della fotocamera.

Ottimizzazione prima dell’inserimento del GCP

Se hai intenzione di usare i GCP per vincolare il modello finale, di solito è meglio posizionarli e verificarli prima dell’ottimizzazione finale.

Utilizzo di un’accuratezza di riferimento errata

L’ottimizzazione dipende dalla ponderazione relativa delle misurazioni dell’immagine e di quelle di riferimento. Valori di precisione non realistici possono portare a risultati fuorvianti.

Valutazione del solo errore di riproiezione

Un errore di riproiezione basso non garantisce automaticamente una buona precisione assoluta del rilevamento.

Ogni volta che è possibile, bisognerebbe anche controllare i punti di controllo indipendenti.

Raccomandazioni finali

L’ottimizzazione della fotocamera in Agisoft Metashape non è semplicemente un pulsante che va premuto con tutti i parametri selezionati.

Ogni coefficiente di calibrazione descrive una specifica caratteristica fisica o matematica del sistema di imaging:

• f – lunghezza focale
• cx, cy – posizione del punto principale
• k1–k4 – distorsione radiale dell’obiettivo
• p1, p2 – distorsione tangenziale dell’obiettivo
• b1, b2 – affinità e non ortogonalità dei sensori

Per la maggior parte dei progetti professionali di mappatura con droni, ottimizza la fotocamera dopo l’allineamento e dopo aver aggiunto informazioni di riferimento affidabili.

Usa impostazioni di precisione realistiche, controlla i valori di calibrazione modificati e verifica il risultato finale usando dei punti di controllo, invece di basarti esclusivamente sull’errore di riproiezione.

Ma soprattutto, ricorda che il modello di calibrazione ideale dipende dalla fotocamera e dalla rete di immagini. Un modello di fotocamera più semplice e ben definito può dare risultati migliori rispetto a un modello molto complesso i cui parametri non si riescono a stimare in modo affidabile.

Domande frequenti

Cosa significa “f” in Agisoft Metashape?

f è la lunghezza focale calibrata della fotocamera, espressa in pixel.

Cosa sono cx e cy in Metashape?

cx e cy indicano la posizione orizzontale e verticale del punto principale rispetto al centro dell’immagine, misurate in pixel.

Cosa sono k1, k2, k3 e k4?

Sono coefficienti di distorsione radiale adimensionali che servono a modellare la distorsione dell’obiettivo, che varia in base alla distanza dal centro ottico dell’immagine.

Cosa sono p1 e p2?

p1 e p2 sono coefficienti di distorsione tangenziale utilizzati per descrivere gli effetti di decentramento asimmetrico delle lenti.

Devo ottimizzare tutti i parametri della fotocamera in Metashape?

Non automaticamente. L’insieme di parametri appropriato dipende dalla fotocamera, dal set di dati e dalla geometria del rilevamento. Agisoft fornisce raccomandazioni specifiche per alcuni flussi di lavoro e alcune fotocamere.

Quando dovrei eseguire “Ottimizza telecamere”?

Per la mappatura aerea, l’ottimizzazione viene solitamente eseguita dopo l’allineamento delle foto e dopo aver configurato i GCP o le informazioni di riferimento RTK/PPK precise.

È meglio attivare la modalità K4 sul DJI Matrice 4E?

Le attuali linee guida di Agisoft per l’elaborazione dei dati RTK DJI consigliano di escludere il canale k4 durante l’ottimizzazione della fotocamera per i progetti con DJI Matrice 4E.

A cosa serve l’opzione “Adatta correzioni aggiuntive”?

Questo permette a Metashape di calcolare ulteriori correzioni per le distorsioni che non sono rappresentate in modo adeguato dal suo modello predefinito di distorsione della fotocamera Brown.