DE19727281C1 - Verfahren und Vorrichtung zur geometrischen Kalibrierung von CCD-Kameras - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur geometrischen Kalibrierung von CCD-Kameras.

Bei CCD-Kameras befindet sich in der Brennebene hinter dem optischen Sys­ tem entweder eine CCD-Matrix oder eine oder mehrere CCD-Zeilen. Unter geometrischer Kalibration versteht man die Bestimmung der Blickrichtung jedes einzelnen Sensorpixels in den Objektraum. Wird eine ideal verzeich­ nungsfreie Optik benutzt und ist der geometrische Ort jedes Sensorpixels in der Fokalebene bekannt, so kann die jeweilige Blickrichtung einfach berechnet werden. Bei realen Optiken sind jedoch Verzeichnungen unvermeidlich. Außer­ dem weisen die Sensorpixel gewisse Toleranzen bezüglich ihrer Lage in der Fokalebene auf. Der Grund hierfür ist zum einen die nicht exakt durchführbare Justierung in der Fokalebene, zum anderen Abweichungen aufgrund der Mon­ tagetechnik der CCD-Matrix bzw. CCD-Zeilen, so daß diese nicht vollkommen plan sind, sondern Wölbungen und/oder Durchbiegungen aufweisen. Ein weite­ res Erfordernis für ein Verfahren zur geometrischen Kalibrierung ist die Bestim­ mung der Abbildungsschärfe für das Gesamtsystem.

Bei klassischen photometrischen Filmkameras werden Rahmenmarken auf den Film projiziert, die nachträglich eine Korrektur von Abbildungsfehlern er­ möglichen. Dieses Verfahren ist prinzipiell für CCD-Kameras mit Matrizen an­ wendbar, jedoch nicht für CCD-Zeilen. Zur Kalibrierung von CCD-Zeilen müßten zusätzlich CCD-Matrizen in der Fokalebene angeordnet werden und diese in Relation zu den CCD-Zeilen kalibriert werden.

Für CCD-Kameras ist daher ein Verfahren entwickelt worden, bei dem die CCD-Kamera auf einem zweiachsigen Drehtisch angeordnet ist (T. Ohlhof and W. Kornus: Geometric calibration of digital three line CCD cameras, Proceedings of the Symposium (ISPRS): Primary Data Acquisition and Evaluation, September 12-16, 1994 Como S. 71). Dabei wird die CCD-Kamera aus dem Objektraum mit einem feinen parallelen Lichtstrahl beleuchtet, der in Nullstellung des Drehtisches genau entlang der optischen Achse verläuft. Durch Drehung um zwei Winkel kann die Kamera immer in eine Position gedreht werden, so daß jedes einzelne Pixel beleuchtet wird. Die beiden Winkel können dann zur Bestimmung der Blickrichtung verwendet werden Nachteilig an dem Verfahren ist, daß aufgrund der isolierten Einzelvermessung jedes Pixels das Verfahren sehr zeitaufwendig ist. Außerdem handelt es sich um ein indirektes Verfahren, bei dem die Blickwinkel aus den Meßwerten errechnet werden müssen. Zur Bestimmung der Abbildungsgüte des Gesamtsystems wird die Punktverschmierungsfunktion PSF gemessen, indem der pixelfreie Lichtstrahl in Schrittweiten unterhalb einer Pixeldimension über ein Pixel wandert, was ebenfalls sehr zeitaufwendig ist.

Eine solche pixelorientierte Kalibrierung einer CCD-Matrix-Kamera ist darüber hinaus aus der US 5,444,481 bekannt, wo auf der CCD-Matrix vorherbestimmte Bildelemente aufgebracht werden, mittels derer die optische Achse bzw. die jeweilige Blickrichtung bestimmbar sind.

Aus der DE 195 36 297 A1 ist ein Verfahren zur geometrischen Kalibrierung von optischen 3-D-Sensoren zur dreidimensionalen Vermessung von Objekten relativ zu einem Referenzkoordinatensystem bekannt, wobei unter Verwendung wenigstens einer Kamera, einer Einrichtung zur Digitalisierung und Speicherung von Bildfolgen der Kamera, einem zur Kamera fixierten Beleuchtungsprojektor, der zeitlich nacheinander Lichtstrukturen aus wenigstens eindimensionalen Streifen innerhalb eines Arbeitsvolumens erzeugt, einer Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung von reflektierenden Signalmarken einer Kalibriereinrichtung und eines Rechners zur Steuerung und Verarbeitung der Bilder. Die Kalibriereinrichtung wird innerhalb und am Rande des Arbeitsvolumens in verschiedene Positionen relativ zu Kamera und Beleuchtungsprojektor gebracht und jeweils so beleuchtet, daß die Bereiche der Signalmarken der Kalibriereinrichtung in den digitalisierten und gespeicherten Bildern eine möglichst hohe Grauwert- oder Farmodulation ohne Übersteuerung aufweisen. Die Kalibrierung der Kamera erfolgt durch ein photogrmmetrisches Standardverfahren zum Auffinden der inneren und äußeren Orientierung. Der Projektor weist einen Lichtmodulator auf, der nach außen sichtbare Muster aus beliebigen Streifen oder Pixeln als Bildelemente auf die Kalibriereinrichtung projiziert. Zur Kalibrierung des Projektors wird dieser als inverse Kamera betrachtet, indem den äußeren Bildelementen ein reales oder fiktives x-y-Projektionsmuster definierter Breite aber unbestimmter Länge im Innern des Projektors zugeordnet wird, und zur Bestimmung der Parameter der inneren und äußeren Orientierung des Beleuchtungsprojektors mehrere Beobachtungen herangezogen werden, in denen jeweils geometrische Zusammenhänge zwischen den x-y-Projektionsmustern und den korrespondierenden außen sichtbaren Mustern hergestellt werden. Die gefundenen und gespeicherten Kalibrierparameter werden beim Einsatz des 3D-Sensorssystems zur Vermessung von Objekten von einem Algorithmus wiederverwendet, der einerseits die Strahlgeometrien innerhalb der Kamera und des Projektors korrigiert, zum anderen basierend auf dem Prinzip der Triangulation die x,y,z-Koordinaten des Objektes im Objektraum berechnet. Nachteilig an dem Verfahren ist, daß die Brennweite des Objektivs der Kamera und der Projektor aufeinander abgestimmt werden müssen. Des weiteren muß auch die Abbildung vom Projektor kalibriert werden, so daß das Verfahren insgesamt immer noch zeitwendig ist.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zur geometrischen Kalibrierung einer CCD-Kamera und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, mit dem die Kalibrierung schneller durchführbar ist.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 4. Durch die Erzeugung einer wohldefinierten drei­ dimensionalen Teststruktur, aus deren Funktionswerten eineindeutig auf die jeweilige Schnittebene zurückgeschlossen werden kann, ist die jeweilige geo­ metrische Ausrichtung jedes einzelnen Pixels und die Punktverschmierungs­ funktion PSF der Pixel durch eine einzige Aufnahme gleichzeitig bestimmbar. Anhand der PSF kann eine eine Scharfeinstellung vorgenommen werden, nämlich die Bestimmung des Abstandes der Fokalebene von einer Haupt­ ebene des optischen Systems. Dies alles führt zu einer beträchtlichen Ein­ sparung an Meßzeit. Des weiteren läßt sich die Kalibrierung leicht automa­ tisieren und auch außerhalb eines Labores durchführen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Objektiv und/oder die Fokalebene der kalibrierten CCD- Kamera ausgewechselt werden muß, was eine Dekalibrierung zur Folge hat.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbei­ spieles näher erläutert. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur geometrischen Kalibrierung einer CCD-Kamera und

Fig. 2 eine Darstellung der Schnittebenen einer realen Fokalebene.

Die Vorrichtung 1 zur geometrischen Kalibrierung einer CCD-Kamera umfaßt eine kohärente Lichtquelle zur Erzeugung parallelen Weißlichtes 2 und ein synthetisches Hologramm 3, das vorzugsweise als Weißlichthologramm aus­ gebildet ist. Das synthetische Hologramm 3 wurde zuvor errechnet, um eine wohldefinierte dreidimensionale Teststruktur f (x, y, z) unter Berücksichtigung einer idealisierten Kameraoptik 4 der zu kalibrierenden CCD-Kamera zu schaffen und anschließend mittels der bekannten Herstellungsverfahren für Hologramme gefertigt. Die kohärente Lichtquelle, die beispielsweise als Laser ausgebildet ist, und das synthetische Hologramm 3 sind derart zueinander angeordnet, daß das synthetische Hologramm 3 eine reale dreidimensionale Teststruktur f (x, y, z) um die Fokalebene der CCD-Kamera herum erzeugt. Der Abstand der Fokalebene der CCD-Kamera zur Kameraoptik 4 ist idealerweise die Brennweite f der Kameraoptik 4. Des weiteren ist die Fokalebene im Ideal­ fall derart angeordnet, daß deren X-Koordinate konstant ist. Auf der Fokalebe­ ne sind die CCD-Zeilen oder -Matrizen der CCD-Kamera angeordnet. Ist nun die Fokalebene richtig zur Kameraoptik justiert und die auf der Fokalebene angeordneten CCD-Elemente plan zur Fokalebene, so erfassen die einzelnen CCD-Pixel jeweils einen Funktionswert f (x = const., y, z) der dreidimensionalen Teststruktur. Sind hingegen die auf der Fokalebene angeordneten CCD- Elemente gewölbt und/oder gebogen, so erfassen benachbarte CCD-Pixel Funtionswerte f (x, y, z) mit unterschiedlichen x-Werten. Anhand der erfaßten Funktionswerte f (x, y, z) kann dann auf die reale Position eines jeden einzelnen CCD-Pixels zurückgeschlossen werden. Eine mögliche Funktion f (x, y, z) für die dreidimensionale Teststruktur ist beispielsweise

In der Fig. 2 ist gestrichelt die reale Fokalebenenposition 5 dargestellt sowie die jeweils zugehörigen zweidimensionalen Schnittebenen 6 der dreidimensiona­ len Teststruktur.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur geometrischen Kalibrierung von CCD-Kameras, um­ fassend eine kohärente Lichtquelle und ein synthetisches Hologramm (3) zur Erzeugung einer wohldefinierten Teststruktur f (x, y, z), wobei die kohärente Lichtquelle und das Hologramm (3) derart zueinander angeordnet sind, daß bei Beleuchtung des Hologramms (3) durch die kohärente Lichtquelle das Hologramm (3) eine dreidimensionale Teststruktur f (x, y, z) um die Fokalebene (5) der CCD-Kamera herum erzeugt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kohä­ rente Lichtquelle als Laser oder parallele Weißlichtquelle ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das synthetische Hologramm (3) als Weißlichthologramm ausgebildet ist.

4. Verfahren zur geometrischen Kalibrierung von CCD-Kameras mittels einer kohärenten Lichtquelle und eines synthetischen Hologramms (3), umfassend folgende Verfahrensschritte:

• a) Berechnung eines synthetischen Hologramms (3) einer wohldefi­ nierten, idealen Teststruktur f (x, y, z) unter Berücksichtigung einer idealisierten Kameraoptik (4) der zu kalibrierenden CCD-Kamera,
• b) Beleuchtung dieses Hologramms (3) mittels der kohärenten Lichtquelle, so daß die reale dreidimensionale Teststruktur f (x, y, z) um die Fokalebene (5) der CCD-Kamera herum erzeugt wird und
• c) parallele Auswertung aller Sensorpixel durch Ermittlung der jeweiligen Schnittebene (6) durch die Teststruktur f (x, y, z) aus den einzelnen Bildinformationen jedes einzelnen Sensorpixels.