Linsenfehlerkorrigierte Eichung von Halbleiterkameras mit Standardobjektiven für hochgenaue 3D — Messungen in Echtzeit

Zusammenfassung

Diese Arbeit befaßt sich mit Verfahren zur Eichung von CCD- oder ähnlichen Fernseh-Kameras. Durch Ausnutzung spezieller Eigenschaften dieser Kameras (Sensorzeilen und -spalten stehen senkrecht aufeinander, das Verhältnis ihrer jeweiligen Abstände ist konstant und genau bekannt) können die inneren und äußeren Kameraparameter schnell und genau bestimmt werden. Zu den inneren Parametern zählen Skalierungsfaktoren, der Hauptpunkt, die Kammerkonstante und Linsenfehlerkoeffizienten. Die äußeren Parameter geben die Lage des kamerafesten Koordinatensystems bezüglich eines durch den Eichkörper vorgegebenen Weltkoordinatensystems an. Die üblicherweise bei der Berücksichtigung von Linsenfehlern entstehenden nichtlinearen Terme werden eliminiert. Somit entfallen zeitraubende, iterative Optimierungsverfahren.

Darüber hinaus wird durch die getrennte Eichung des horizontalen Skalierungsfaktors die Verwendung eines Eichkörpers mit Eichpunkten in nur einer Ebene ermöglicht. Dies ist ein gewichtiger Vorteil, da die Herstellung bzw. genaue Ausmessung von dreidimensionalen Eichkörpem üblicherweise erheblichen Aufwand und Kosten verursacht. Die photogrammetrische Alternative, Selbstkalibrierung durch Bündelanpassung, erfordert zwar keine Kenntnis der Lage der Eichpunkte, jedoch muß ein und dieselbe Kamera in verschiedene Positionen gebracht werden. Auch erfolgt die Korrespondenzbestimmung bisher weitgehend manuell und das Verfahren ist programmtechnisch recht aufwendig.

Durch die Berücksichtigung des Linsenfehlers kann auf teure Meßobjektive verzichtet werden. Der maximale Abbildungsfehler (im gesamten Bildfeld) wird von mehr als zwei Bildpunkten auf etwa 0.06 Bildpunkte reduziert; der mittlere Fehler beträgt ungefähr 0.03 Bildpunkte.

Die Zeit für die Orientierungsbestimmung bei Kenntnis der inneren Parameter dauert auf einem Mikroprozessor (“C”-Hochsprache unter UNIX auf 68020) ungefähr lOmsec, kann also bei geeigneter Bildvorverarbeitung und Merkmalsextraktion schritthaltend mit der Fernseh-Halbbildfrequenz durchgeführt werden. Da bei den äußeren Kameraparametern eine Genauigkeit von besser als 0.02° Winkelfehler und 1/3 000 relativer translatorischer Fehler erzielt wird, eignet sich das Verfahren insbesondere für die dynamische Kontrolle oder die Eichung von Robotern. Allgemeine 3D-Messungen mit Triangulationsverfahren werden durch die Eichung der Orientierung mehrerer Kameras relativ zueinander ermöglicht.

Diese Arbeiten wurden zum Teil im Rahmen eines Forschungsaufenthaltes am IBM T. J. Watson Research Center in Yorktown Heights, New York, USA durchgeführt.