Kamerakalibrierung durch Sichtfäden mit pixelaufgelöster Fokusbestimmung (KaSiFo)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Abbildende Kamerasysteme sind die sensorische Grundlage für viele optische Messtechniken, die in der Produktionstechnik zur Qualitätskontrolle eingesetzt werden. Insbesondere zur dreidimensionalen Formmessung wird ein geometrischer Zusammenhang zwischen der Realwelt und dem Kamerabild benötigt. Dieser Zusammenhang wird im Rahmen der sogenannten Kamerakalibrierung bestimmt, wofür eine Vielzahl von Methoden und Modellen existieren. Das generische Kameramodell ordnet jedem Pixel einen individuellen Sichtstrahl zu, der auf die Quelle des empfangenen Lichts zeigt; somit können beliebige Verzeichnungen beschrieben werden. Die Kalibrierung des generischen Kameramodells ist anspruchsvoll. Meist wird ein Referenzobjekt mit einer großen Zahl von Markerpunkten in verschiedene Abstände und Orientierungen relativ zu Kamera gebracht, sodass jedem Pixel mehrere Markerpunkte zugeordnet sind. Indem die Positionen und Orientierungen des Referenzobjekts bestimmt werden, lassen sich Sichtstrahlen durch die nun im Raum lokalisierten Markerpunkte fitten. Die Bestimmung dieser Positionen und Orientierungen mit hoher Genauigkeit stellt jedoch ein komplexes numerisches Problem dar. Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung einer neuen Kalibriermethode für das generische Kameramodell. Die zu einem Kamerapixel gehörigen Markerpunkte werden zu sogenannten Sichtfäden verbunden. Die Abweichung der Sichtfäden von der Geradlinigkeit dient zur Definition von Kräften und Drehmomenten, die in einer Simulation auf das Referenzobjekt in seinen verschiedenen Lagen im Raum wirken. Somit sollen automatisch die geschätzten Lagen des Referenzobjektes verbessert werden, was eine genauere Kalibrierung ermöglicht. Als Referenzobjekt wird ein Flüssigkristallmonitor verwendet und die Referenzpunkte werden durch Phasenschieben bestimmt. Die genannte Kalibriermethode konnte in einer Simulationsumgebung auch für die simultane Kalibrierung mehrerer Kameras realisiert werden. Die Methode erwies sich jedoch als experimentell nicht praktikabel und der vorhanden Methode der Sichtstrahlkalibrierung unterlegen. Als weiteres Ziel dieses Projekts sollte der beim Phasenschieben anfallende Streifenkontrast zur pixelaufgelösten Bestimmung des Fokusabstandes verwendet werden. Zur Fokusbestimmung wurde ein mathematisches Modell für die Kontrastabnahme durch Defokussieren erstellt. Die pixelaufgelöste Fokusbestimmung konnte experimentell mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von Millimetern realisiert werden, was etwa 1% des Fokusabstands entspricht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
Sichtfäden - Ein neuer Ansatz zur generischen Kamerakalibrierung. Proc. DGaO, Bd. 122, B007, 2021
Shishir Gauchan, Jonas Bartsch, Ralf Bernhard Bergmann
-
Vision threads: a novel approach to generic camera calibration. Automated Visual Inspection and Machine Vision IV (2021, 6, 20), 15. American Geophysical Union (AGU).
Gauchan, Shishir; Bartsch, Jonas & Bergmann, Ralf B.
-
Extending vision ray calibration by determination of focus distances. Optics Express, 30(26), 47801.
Sperling, Yann; Bartsch, Jonas; Gauchan, Shishir & Bergmann, Ralf B.
