Kamerakalibrierung durch Sichtfäden mit pixelaufgelöster Fokusbestimmung (KaSiFo)

• Antragsteller: Professor Dr. Ralf Bernhard Bergmann
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 418992697

Abbildende Systeme wie Kameras und Projektoren werden häufig für zwei- und dreidimensionale Koordinatenmessungen und Machine Vision verwendet. Beispiele dafür sind Streifenprojektion und Deflektometrie, bei denen mit Kameras ein projiziertes oder angezeigtes Muster betrachtet wird. Der Bildnehmer, in der Regel eine CCD oder CMOS Kamera, überträgt das Licht aus dem dreidimensionalen Objektraum in den zweidimensionalen Bildraum. Die Abbildungsfunktion (inklusive der Linseneinflüsse) muss bekannt sein, um die Objekt-Bild Beziehung herstellen zu können. Diese wird durch Kamerakalibrierungen geliefert, welche damit fundamental für jeden Messprozess sind.Der klassische und verbreitete Ansatz der Kamerakalibrierung nimmt ein Lochkameramodell an. Die darauf basierende photogrammetrische Kalibrierung wurde in der Forschung lange und ausführlich untersucht und stößt immer wieder an ihre Grenzen. Neue Forschungsfelder in der optischen Metrologie, wie effiziente Mehrkamera- oder umfassende Projektor- bzw. Display-Kalibrierung benötigen jedoch genauere und flexible Methoden. Statt das Lochkameramodell weiter anzupassen, geht der anspruchsvollere Ansatz der generischen oder so genannten Sichtstrahlkalibrierung von unabhängigen Strahlen für jedes Pixel aus. Er kann Linseneinflüsse präziser beschreiben und ist dabei gleichzeitig flexibler als andere Ansätze. Es sind jedoch noch weitere Forschungsarbeiten nötig, um das volle Potential entfalten zu können.Zusammen mit den Vorteilen dieser Art der Kalibrierung kommt der Bedarf großer Datenmengen und aufwändiger Auswertung. Ein Einsatz üblicher Kalibriermarker, wie Schachbrettmuster, ist nicht mehr ausreichend. Um die notwendige räumliche Datendichte zu erzielen, werden phasengeschobene Muster über einen Bildschirm als Markierungen verwendet. Für die Kalibrierung kostet es allerdings viel Rechenzeit, die genauen Positionen und Ausrichtungen der einzelnen Bildschirmplatzierungen virtuell zu rekonstruieren, bis die Sichtstrahlen aus den Daten ermittelt sind.In diesem Vorhaben wird eine alternative Optimierungsmethode der generischen Kalibrierung vorgestellt, welche anstatt von Sichtstrahlen von „Sichtfäden“ ausgeht. Diese verbinden die Korrespondenzpunkte des zu ermittelnden Sichtstrahls an mehreren Bildschirmplatzierungen. Durch ein „Spannen“ dieser Fäden zu Strahlen werden die virtuellen Bildschirme im Messvolumen rechentechnisch verschoben, bis sie den realen Bildschirmplatzierungen zur Aufnahme entsprechen. Damit kann eine Optimierung schneller und genauer durchgeführt werden, als dies bisher möglich ist.Darüber hinaus soll aus den vorliegenden Messdaten der Kamerakalibrierung für jedes Pixel der Fokus berechnet werden. Dadurch wird ein weiterer Kalibrierparameter abgeleitet, der nicht nur die neue Methode unterstützt, sondern Anwendern zudem einen einfachen Zugang zur Fokuslage ihrer Systeme ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen