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カメラ校正(画素を実寸に結びつける) — 使い方ガイド

この族は何をする道具箱か

画素の座標を、実世界の長さと向きに結びつける層です。ここが決まらないと、 どんなに精密にエッジを測っても答えは「画素」のままで、mm になりません。

21 op / 5 カテゴリ(numpy と scipy のみ。台帳は opscalib.py、実体は calib.py / caltab.py / fit_transform.py):

座標規約 —— ここを外すと例外なしに間違う

画素は (row, col)、ワールド平面の点は (x, y)。 camera_calibration の object_points は (x, y)、image_points_list は (row, col) です。入れ替えて渡すと fx と fy、cx と cy がそのまま 入れ替わった K が返り、再投影誤差は小さいままなので気づけません (tests/test_calib.py::test_xy_image_points_would_swap_axes がその結果を固定しています)。

流れ

flowchart TD
    CT["create_caltab<br/>板の理想点(板中心が原点)"]
    CT --> SIM["sim_caltab<br/>指定姿勢での見え方を合成"]
    SIM --> IMG["image2d<br/>校正板の画像"]
    IMG --> FC["find_caltab<br/>マーク中心(重心)"]
    FC --> PTS["points (N,2)<br/>(row, col)"]
    PTS --> CAL["camera_calibration<br/>Zhang 法・3 視点以上"]
    CAL --> K["table<br/>fx, fy, cx, cy, reproj_rms,<br/>orientation_rank_ratio"]
    IMG --> FMP["find_marks_and_pose<br/>対応づけ + 6-DoF 精密化"]
    K --> FMP
    CT --> FMP
    FMP --> POSE["table(pose 4x4 を含む)"]
    K --> PROJ["project_3d_point<br/>検算: 3-D 点 → 画素"]
    POSE --> PROJ
    POSE --> W2P["image_points_to_world_plane<br/>画素 → mm(z=0 平面)"]
    W2P --> MM["points (N,2)<br/>ワールド平面 [mm]"]

最初の 1 本

import numpy as np
import fullseye as fs

K = {"fx": 500.0, "fy": 500.0, "cx": 128.0, "cy": 128.0}
board = fs.ledger.create_caltab(7, 7, 10.0)          # 7x7、10 mm ピッチ

c, s = np.cos(0.2), np.sin(0.2)                       # 板を x 軸まわりに 0.2 rad 傾けて置く
pose = np.eye(4)
pose[:3, :3] = [[1, 0, 0], [0, c, -s], [0, s, c]]
pose[:3, 3] = [0.0, 0.0, 600.0]

sim = fs.ledger.sim_caltab(board, K, pose, 256)       # 見え方を合成
found = fs.ledger.find_marks_and_pose(sim["image"], K, board)

print(found["n_marks"], found["reproj_rms"])          # 49, 0.12 px 前後
print(found["pose"][:3, 3])                           # ≈ [0, 0.02, 600.5]

落とし穴(実測に基づく)

  1. 再投影誤差は配置の良し悪しを映さない。 2026-09-06 の実測で、同じ 10 視点・ 同じ雑音 0.05 px のまま板の傾きだけを 32 度から 2 度に変えると、再投影 RMS は 0.0690 → 0.0688(比 1.00 倍)なのに fx の誤差は 0.026 % → 7.33 %(281 倍)に なりました。配置を見たいなら camera_calibration が返す orientation_rank_ratio(大きいほど良い)を読んでください。

  2. 退化検出の門は、歪みのあるレンズでは鳴りません。 歪みが無ければ設計どおり 働きます(傾き 0 度で比 3.8e-14 を拒否)。しかし樽型歪み k1=-0.18 を入れると 比が傾きに関係なく 1.9e-06 前後に張り付き、分ける線が引けません。 しきい値では直せないので、比を返して判断材料を渡す形にしてあります。

  3. 平面 1 枚では fx/fy の比を検証できません(Zhang 2000: 平面 1 枚の ホモグラフィは内部パラメータに 2 つしか拘束を与えない)。誤った fy は 姿勢 6 自由度にほとんど吸収されます。内部パラメータを確かめたいなら 視点を 3 枚以上取るか、非平面のターゲットを使ってください。

  4. camera_calibration は歪みを推定しません。 閉形式は歪みを無視するので、 k1=-0.18 のレンズでは傾き 5 度で fx を 41 % 誤ります。初期値としては 使えますが、そのまま K として使わないこと。

くわしい実測は examples/poc_camera_calibration.py が章立てで示します(「再投影誤差 0.05 px は何も保証しない」)。

この族に入れなかったもの

mosaic.py の歪み込み RANSAC・球面モザイク・バンドル調整、 caltab.binocular_calibration、calib.vector_to_hom_mat2d などは、 名乗りと中身が食い違うか同名で規約が違うため台帳に載せていません。 理由は台帳 opscalib.py の docstring(「台帳に載せなかったもの」)に並べてあります。


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