Aportaciones a la calibración de cámaras con distorsión geométrica: aplicación al control con realimentación visual

摘要

Esta tesis se ha dirigido hacia el desarrollo de algoritmos para el proceso de calibracion de una camara que introduce distorsion geometrica en las imagenes que adquiere, con el fin de utilizar la informacion visual que proporciona dicha camara como realimentacion en un bucle de control de posicion del extremo de un robot. Para ello han sido desarrollados, por un lado, algoritmos eficientes y robustos para la calibracion de camaras que por sus caracteristicas introducen distorsion geometrica en las imagenes que capturan; y por otro, se ha desarrollado un sistema completo de vision por computador capaz de suministrar informacion visual para posicionar de forma precisa el extremo de un robot mediante un control servo visual basado en posicion. Con respecto a la calibracion de camaras, se ha definido y formulado de forma completa el modelo de camara y se ha desarrollado un novedoso metodo de calibracion en dos fases. El modelo de camara disenado hace una clara distincion entre los parametros intrinsecos y extrinsecos teniendo en cuenta la distorsion radial introducida por la camara tipo dedo utilizada en la plataforma experimental, introduciendo nuevos parametros respecto a los modelos de camara tradicionales que facilitan la estimacion de los valores de todas las variables que se plantean. El metodo de calibracion propuesto presenta como principal ventaja su descomposicion en dos fases totalmente independientes: la primera en la que se estiman los parametros intrinsecos y la segunda para la estimacion de los extrinsecos. Dado que la consideracion de un fenomeno como la distorsion radial implica la aparicion de componentes no lineales en las ecuaciones del modelo de camara, en la primera fase del metodo de calibracion se ha desarrollado un algoritmo basado en la aproximacion de la curva de distorsion radial, de ecuacion no lineal, mediante una parabola de ecuacion conocida, lo que supone una formulacion matematica mucho mas simple y consecuentemente una menor carga computacional a la hora de estimar tanto el centro de la imagen como el coeficiente de distorsion. La estimacion de la posicion y orientacion de la camara se lleva a cabo en la segunda fase del metodo de calibracion. El metodo utilizado para la estimacion, de forma explicita, de los seis grados de libertad que definen dicha posicion y orientacion se ha basado en conceptos basicos de la proyeccion perspectiva: punto de fuga y linea de fuga. Tradicionalmente el calculo de los puntos de fuga, en presencia de ruido, se basa en la transformada Hough. En esta tesis se presenta un metodo alternativo mas preciso, eficiente y robusto que los existentes. El algoritmo que se presenta para obtener las coordenadas de un punto de fuga tiene su fundamento en una regresion lineal, en vez de utilizar un espacio acumulador como la esfera gaussiana, de forma que los resultados obtenidos en las distintas pruebas realizadas demuestran la mejoria frente a los algoritmos existentes. Por otro lado, el proceso de calibracion se ha combinado con el diseno de reguladores basicos que permiten llevar a cabo el control de la posicion del extremo de un robot basandose en la informacion visual proporcionada por la camara. Se ha demostrado que utilizando reguladores proporcionales se obtienen errores de posicion satisfactorios en todo el campo visual de la camara, gracias a la correccion de la distorsion efectuada con el modelo propuesto.