Harrastajavalokuvaajalle kamera on ensisijaisesti väline tallentaa tilanteita, muistoja ja tunnelmia. Ensimmäiseksi ei ehkä tule ajatelleeksi, että kameraa voidaan käyttää myös mittaus- ja mallinnustyökaluna.
Kyseessä ei ole mikään uusi keksintö, sillä aihetta on tutkittu jo pitkään maanmittausoppiin kuuluvan fotogrammetrian tieteenalan piirissä. Fotogrammetria on kohteiden kolmiulotteista mittaamista kuvien avulla. Sitä hyödynnetään esimerkiksi karttojen teossa, maaston topografisessa mallintamisessa ja tiesuunnittelussa ilmakuvien pohjalta.
Kiinnostus alaan on kuitenkin herännyt uudelleen digitaalisen kuvauksen ja kuvankäsittelyn sekä konenäön kehittymisen myötä. Näiden hyödyntäminen kameran avulla tehtävissä mittauksissa antaa mahdollisuuksia kokonaan uusille sovelluksille. Tarkkojen mittausten edellytyksenä on kameran kalibrointi, jota tutkitaan Oulun yliopiston sähkö- ja tietotekniikan osaston konenäön ryhmässä.
Kameran kalibroinnissa selvitetään kameran kuvatasolle saapuvien valonsäteiden tulosuunta kameraan nähden. Kalibroinnin avulla kaksiulotteisista kuvista saa tietoa kolmiulotteisesta näkymästä siten, että mittasuhteet ovat oikein. "Olemme esimerkiksi toteuttaneet järjestelmän, jossa viemäriputkea pitkin kulkeva robottikamera rakentaa tallentamansa videokuvan pohjalta kolmiulotteisen mallin viemärin rakenteesta", tutkija Juho Kannala konenäön ryhmästä kertoo.
Maailmalla tietokonenäköön perustuvia mittausjärjestelmiä on testattu mm. lääketieteessä tähystysleikkausten yhteydessä, teollisuuden laadunvalvonnassa, robottien ohjauksessa ja jopa kehitettäessä elokuvien erikoistehosteita.
Kalibrointia voi tehdä kahdella tavalla, hyödyntämällä joko erityistä kalibrointikappaletta, jonka mittasuhteet ovat tarkasti tiedossa, tai kuvasarjaa, joka sisältää useita kuvia samasta näkymästä. Jälkimmäisessä tapauksessa puhutaan itsekalibroinnista, koska erityistä kalibrointikappaletta ei tarvita ja kalibrointi voidaan suorittaa myös jälkikäteen pelkän kuvasarjan perusteella.
Kalibrointiin vaikuttaa keskeisesti kameratyyppi. Perinteisissä kameroissa kuva on perspektiiviprojektion mukainen, jolloin sen mittasuhteet eivät näytä vääristyneiltä. Laajakulmaisuuden kasvaessa kuvan reuna-alueella olevat suorat vääristyvät. Laajakulmaisuutta voidaan lisätä tavalliseen kameraan erityisellä laajakulmaobjektiivilla, mutta lisäksi on olemassa erityisiä laajakulmakameroita, kuten kalansilmäkameroita ja katadioptrisia kameroita.
Kalansilmäkamera näyttää yhdessä kuvassa mahdollisimman leveän näkymän, ja voimakas vääristymä on kuvan tyypillinen ominaisuus. Esimerkiksi ovisilmän linssi luo samantyyppisen kuvan kuin kalansilmäkamera. Eri kalansilmäkamerat voivat noudattaa erilaista projektiomallia.
Katadioptriset kamerat käyttävät linssin lisäksi peiliä, jolloin yhteen kuvaan on mahdollista sisällyttää käytännössä esimerkiksi kokonainen huone katosta lattiaan kaikkine seinineen. Tällaista kameraa on sovellettu mm. videoneuvotteluissa ja kiinteistönvälittäjien apuna. Laajakulmaisen kameran etuna esimerkiksi videoneuvottelusovelluksessa on, että yhdellä videokameralla voidaan näyttää kaikki pöydän ääressä istujat samanaikaisesti.
Kalibroinnin avulla on mahdollista selvittää kulloinenkin vääristymän aste, jolloin kuvan todellisten mittasuhteiden mallintaminen on mahdollista. Esimerkiksi kiinteistönvälittäjän on mahdollista ottaa laajakulmaisella kameralla huoneen keskellä yksi kuva, ja kalibrointitietoa hyödyntäen muodostaa huoneesta malli, josta linssivääristymä on korjattu. Mallin avulla asiakkaat voivat myöhemmin tutustua kohteeseen tarkemmin.
Perinteisten kameroiden kalibrointi on melko tunnettu ja tutkittu ongelma, mutta laajan kuvakulman kameroiden kalibrointia on tutkittu vähemmän.
"Meidän tavoitteenamme onkin kehittää riittävän yleinen malli, joka sopii sekä tavallisten että laajakulmaisten kameroiden tarkkaan kalibrointiin", Kannala kertoo.