DE19625361A1 - Method and device for geometrically measuring large objects with a multi-camera arrangement - Google Patents
Method and device for geometrically measuring large objects with a multi-camera arrangementInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur geometrischen Vermessung großer Objekte, vorzugsweise für im wesentlichen zweidimensional ausgedehnte Objekte, z. B. große Bleche oder Karosserieteile. Sie kommt in Anlagen zur Anwendung, die mit Hilfe mehrerer Kameras geometrische oder ortsabhängige Primärbilddaten von Objekten erfassen und durch nachfolgende elektronische Verarbeitung zu geometrischen Maßangaben oder ortsabhängigen Merkmalen gelangen.The invention relates to a method and a device for geometric Measuring large objects, preferably for essentially two-dimensionally extended objects, e.g. B. large sheets or body parts. It is used in systems that use several cameras capture geometric or location-dependent primary image data of objects and through subsequent electronic processing to geometric Dimensions or location-dependent features.
Es sind im Stand der Technik Anlagen und Verfahren bekannt, bei denen für die Messung und Erfassung großer Objekte Mehrkamerasysteme eingesetzt werden.Systems and methods are known in the prior art, in which for the measurement and detection of large objects used multi-camera systems will.
Ein solches System stellen RADINGER u. a. in "Mehrkamerasysteme für die Kontrolle von großen Blechen" (Zeitschrift Bleche, Bänder, Rohre 9-1993, S. 36-38, Vogel Verlag und Druck GmbH & Co KG Würzburg) vor. Das System sieht mehrere positionierte Kameras vor, die sich an relevanten Konturabschnitten, in diesem Fall an den Ecken, befinden. Damit die relevanten Objektkonturen bezüglich eines einheitlichen Koordinatensystems bestimmbar sind, wird eine Kalibrierung permanent mittels einer Art von Objektraster vorgenommen, der für den gesamten möglichen Arbeitsbereich der vier Kameras sogenannte Paßmarken besitzt und z. B. unterhalb des Objekts auf dem Objektträger aufgebracht ist. Nachteilig ist, daß für alle möglichen Lageabweichungen des Objekts bei einer Online-Kontrolle sichergestellt sein muß, daß sich innerhalb jedes Kamerabildfeldes Objektkanten und Paßmarken (Objektraster) nicht überschneiden oder verdecken. Andere ähnliche Lösungen sehen geeignete Kalibriervorlagen vor, die der Größe nach den Objekten angepaßt sind und an den relevanten Konturabschnitten, d. h. den eingestellten Kamerapositionen, Meßmarken aufweisen. Neben der mitunter erheblichen Größe einer solchen Kalibriervorlage erweist sich die Tatsache als besonders nachteilig, daß für unterschiedliche Objekte und folglich unterschiedliche Kamerapositionierung stets neue, angepaßte Kalibriervorlagen erforderlich sind.RADINGER u. a. in "Multi-camera systems for Control of large sheets "(magazine sheet, strips, tubes 9-1993, p. 36-38, Vogel Verlag and Druck GmbH & Co KG Würzburg). The system provides several positioned cameras that are relevant to Contour sections, in this case at the corners. So that relevant object contours with regard to a uniform coordinate system can be determined, a calibration is permanent by means of a type of Object grid made for the entire possible work area the four cameras have so-called pass marks and z. B. below the Object is applied to the slide. The disadvantage is that for everyone possible deviations in the position of the object during an online inspection it must be ensured that there is within each camera image field Do not overlap object edges and registration marks (object grid) or cover up. Other similar solutions provide suitable calibration templates which are adapted to the size of the objects and to the relevant ones Contour sections, d. H. the set camera positions, measuring marks exhibit. In addition to the sometimes considerable size of such Calibration template proves to be particularly disadvantageous that for different objects and consequently different camera positioning Always new, adapted calibration templates are required.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur geometrischen Vermessung großer Objekte mit einer kalibrierbaren Mehrkameraanordnung zu finden, die sich bei einfacher Gestaltung der Kalibriervorlage unkompliziert auf unterschiedliche Meßobjekte umstellen läßt.The invention has for its object a new way to geometric measurement of large objects with a calibratable To find multi-camera arrangement, which is simple design of the Calibration template can be easily converted to different measurement objects.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Verfahren zur geometrischen Vermessung großer Objekte mit einer Mehrkameraanordnung, bei dem eine beliebige, der Kompliziertheit und Größe des Objekts angepaßte Anzahl von Kameras im Raum angeordnet wird, wobei die Kameras auf charakteristische Teile des Objekts gerichtet werden, ohne daß ihre einzelnen Objektfelder notwendigerweise das gesamte Objekt abdecken und die metrische Verknüpfung ihrer Objektfelder und somit ihrer Bildfelder durch einen Kalibriervorgang erfolgt, dadurch gelöst, daß eine Kalibriervorlage, die wesentlich kleiner als die zu vermessenden Objekte ist und geometrische Elemente zur Festlegung von Punkten in einem Objektraum aufweist, schrittweise definiert verschoben wird, die Kalibriervorlage über eine hinreichend genaue Positioniereinrichtung eine Ortszuordnung in einem einheitlichen Koordinatensystem des Objektraumes erhält und diese Ortszuordnung erfaßt und gespeichert wird, die Kalibriervorlage mindestens in so vielen Schritten positioniert wird, daß wenigstens drei charakteristische Punkte, die durch mindestens ein geometrisches Element der Kalibriervorlage vorgegeben werden, innerhalb eines Kalibriervorganges im Objektfeld jeder Kamera erfaßt werden und eine Koordinatentransformation erfolgt, bei der die Koordinaten der charakteristischen Punkte von geometrischen Elementen aus dem lokalen Koordinatensystem der Kalibriervorlage in das einheitliche Koordinatensystem der Positioniereinrichtung umgesetzt werden.According to the invention, the object in a method for geometric Measuring large objects with a multi-camera arrangement, in which one any number of, adapted to the complexity and size of the object Cameras are arranged in the room, the cameras being characteristic Parts of the object are aimed without their individual object fields necessarily cover the entire object and the metric Linking your object fields and thus your image fields by one Calibration process takes place in that a calibration template, the is significantly smaller than the objects to be measured and geometrical Has elements for defining points in an object space, the calibration template is shifted in a defined manner sufficiently precise positioning device a location assignment in one maintains a uniform coordinate system of the object space and this Location assignment is recorded and saved, the calibration template at least in positioning so many steps that at least three characteristic ones Points created by at least one geometric element of the calibration template can be specified within a calibration process in the object field Camera are detected and a coordinate transformation takes place in which the coordinates of the characteristic points of geometric elements from the local coordinate system of the calibration template into the uniform Coordinate system of the positioning device can be implemented.
Für den Ablauf eines Kalibriervorganges ergeben sich infolge unterschiedlicher möglicher Formen der lokalen Kalibriervorlage verschiedene Varianten der Positionierschrittfolge.As a result of different calibration processes, there are different ones possible forms of the local calibration template different variants of the Positioning sequence.
Bei Verwendung einer kleinflächigen Kalibriervorlage mit nur einem geometrischen Element, das genauso einen charakteristischen Punkt definiert, wird diese vorteilhaft im Objektfeld jeder Kamera mindestens dreimal an verschiedenen Orten positioniert.When using a small-area calibration template with only one geometric element that also defines a characteristic point, this is advantageous at least three times in the object field of each camera positioned in different places.
Unter Anwendung einer kleinflächigen Kalibriervorlage mit nur einem geometrischen Element, das mindestens drei charakteristische Punkte definiert, wird zweckmäßig wenigstens einmal im Objektfeld jeder Kamera positioniert. Using a small-area calibration template with just one geometric element that has at least three characteristic points defined, is expediently at least once in the object field of each camera positioned.
Vorteilhaft reduziert sich die Positionierung der Kalibriervorlage auf eine eindimensionale Bewegung, wenn die Kalibriervorlage im wesentlichen nur eindimensional ausgedehnt ist, wobei die Bewegung annähernd orthogonal zur Richtung der Längsausdehnung der Vorlage erfolgt und im Objektfeld jeder Kamera jeweils drei charakteristische Punkte positioniert werden. Dabei wird zweckmäßig im Objektfeld jeder Kamera mindestens ein geometrisches Element mit wenigstens drei charakteristischen Punkten mindestens einmal positioniert.The positioning of the calibration template is advantageously reduced to one one-dimensional movement when the calibration template is essentially only is one-dimensionally extended, the movement being approximately orthogonal to the direction of the longitudinal extension of the template and in the object field three characteristic points are positioned for each camera. Here is useful in the object field of each camera at least one geometric Element with at least three characteristic points at least once positioned.
Der gleiche Effekt ergibt sich durch wenigstens einmaliges Positionieren von mindestens drei geometrischen Elementen, die jeweils nur einen charakteristischen Punkt definieren und nicht entlang einer Geraden angeordnet sind.The same effect results from positioning at least once at least three geometric elements, each only one define characteristic point and not along a straight line are arranged.
Eine weitere Variante mit langgestreckter Kalibriervorlage ergibt sich, wenn man zwei geometrische Elemente mit je einem charakteristischen Punkt mindestens zweimal im Objektfeld jeder Kamera positioniert.Another variant with an elongated calibration template results if one has two geometric elements, each with a characteristic point positioned at least twice in the object field of each camera.
Bei zweidimensionalen Meßaufgaben wird die Kalibriervorlage zweckmäßig unmittelbar über einem ebenen Objektträger parallel zu diesem mittels einer x-y-Positioniereinrichtung geführt, wobei die Kamera im wesentlichen senkrecht auf den Objektträger gerichtet sind.The calibration template is useful for two-dimensional measurement tasks directly above a flat slide parallel to this by means of an x-y positioning device out, with the camera essentially vertical are directed at the slide.
Für dreidimensionale Meßaufgaben ist es sinnvoll, im Objektraum räumlich geometrische Elemente zu positionieren und die Kamera mindestens paarweise als stereoskopisches System anzuordnen. Die Erzeugung von mindestens in zwei unterschiedlichen Ebenen angeordneten charakteristischen Punkten im Objektfeld jeder Kamera erfolgt vorteilhaft bei einer Kalibriervorlage mit mindestens einem geometrischen Element mittels eines dreidimensional arbeitenden (3D-)Manipulators, der die Kalibriervorlage im Objektfeld jeder Kamera vorführt. Bei einer vorzugsweise eingesetzten Kalibriervorlage, die in sich eine geeignete Anzahl von in mindestens zwei Ebenen angeordneten charakteristischen Punkten aufweist, wird diese zweckmäßig zweidimensional bewegt, um sie den Objektfeldern der stereoskopischen Kamerasysteme vorzuführen.For three-dimensional measurement tasks, it makes sense to spatially in the object space to position geometric elements and at least the camera to be arranged in pairs as a stereoscopic system. The generation of characteristic arranged at least in two different levels Points in the object field of each camera are advantageously used for one Calibration template with at least one geometric element using a three-dimensional (3D) manipulator, which the calibration template in Demonstrates the object field of each camera. With a preferably used Calibration template that contains a suitable number of at least two Has characteristic points arranged in planes, this is appropriately two-dimensionally moved to the object fields of the demonstrate stereoscopic camera systems.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung zur geometrischen Vermessung großer Objekte mit einer Mehrkameraanordnung, die eine entsprechend der Größe und Kompliziertheit der Objekte ausgewählte Anzahl von Kameras aufweist, wobei die Kameras im Raum positionierbar auf einer Einrichtvorrichtung angebracht und auf interessierende Merkmale des Objekts ausgerichtet sind, ohne daß ihre einzelnen Objektfelder notwendig das gesamte Objekt abdecken, sowie einer Trägereinrichtung für das jeweils zu untersuchende Objekt, wobei entlang der Trägereinrichtung eine Kalibriervorlage zur Kalibrierung der Kameras einführbar ist, dadurch gelöst, daß die Kalibriervorlage wesentlich kleiner als die zu vermessen den Objekte ist und mindestens ein geometrisches Element zur Festlegung von Punkten in einem Objektraum aufweist, ein geometrisches Element der Kalibriervorlage jeweils wenigstens einen charakteristischen Punkt enthält, der aus den Kamerabildern einfach interpolierbar und extrahierbar ist, wobei jeder Kamera innerhalb eines Kalibriervorgangs mindestens drei charakteristische Punkte, die eine ausreichend große Fläche im Kameraobjektfeld aufspannen, vorführbar sind, die Kalibriervorlage starr an eine hinreichend genaue Positioniereinrichtung gekoppelt ist, mit der der Kalibriervorlage eine genaue Ortslage im Objektraum entlang der Trägereinrichtung zuordenbar ist, wobei diese Ortszuordnung erfaßt und gespeichert wird, und eine Verarbeitungseinheit zur Koordinatentransformation, mittels der die Koordinaten der charakteristischen Punkte der geometrischen Elemente aus dem lokalen Koordinatensystem der Kalibriervorlage in das einheitliche Koordinatensystem der Positioniereinrichtung umgesetzt werden.The object is achieved in a device for geometrical measurement of large objects with a multi-camera arrangement, the one chosen according to the size and complexity of the objects Has a number of cameras, the cameras being positionable in space a device and attached to interesting features of the Object are aligned without their individual object fields being necessary cover the entire object, as well as a carrier device for each Object to be examined, with a Calibration template for calibrating the cameras can be introduced, thereby solved, that the calibration template is much smaller than the objects to be measured and at least one geometric element for defining points in has an object space, a geometric element of the calibration template each contains at least one characteristic point, which consists of the Camera images are easy to interpolate and extract, any camera within a calibration process at least three characteristic points that cover a sufficiently large area in the camera object field, demonstrable are, the calibration template rigidly to a sufficiently accurate Positioning device is coupled, with which the calibration template is accurate The location in the object space can be assigned along the carrier device, wherein this location assignment is recorded and stored, and a Processing unit for coordinate transformation, by means of which the Coordinates of the characteristic points of the geometric elements the local coordinate system of the calibration template in the uniform Coordinate system of the positioning device can be implemented.
Für zweidimensionale Meßaufgaben sind als geometrische Elemente zweckmäßig geradlinig berandete Flächen vorgesehen. Dabei ist die einfachste Form ein Dreieck, dessen Eckpunkte als charakteristische Punkte verwendet werden. Ebenfalls zweckdienlich sind geometrische Elemente in Form eines Vierecks, vorzugsweise eines Quadrats, wobei als charakteristische Punkte die Eckpunkte sowie der Diagonalenschnittpunkt zur Verfügung stehen.For two-dimensional measurement tasks are as geometric elements expediently provided with straight-edged surfaces. The easiest is Form a triangle, the corner points of which are used as characteristic points will. Geometric elements in the form of a are also useful Rectangles, preferably a square, the characteristic points being the Corner points and the diagonal intersection are available.
Als geometrische Elemente für zweidimensionale Meßaufgaben kommen weiterhin geschlossene Kegelschnittflächen in Betracht, wobei als charakteristische Punkte Mittelpunkte oder Brennpunkte zur Verfügung stehen. Vorzugsweise wird als charakteristischer Punkt der Mittelpunkt einer Kreisfläche verwendet.Coming as geometric elements for two-dimensional measuring tasks continue to be closed conical surfaces, where as characteristic points center points or focal points are available stand. The center point is preferably a characteristic point Circular area used.
Für dreidimensionale Meßaufgaben sind als günstige geometrische Elemente geradlinig berandete Körper, wie Pyramide, Pyramidenstumpf, Würfel, Quader etc., einsetzbar. Ebenfalls zweckmäßig, aber mit geringerer "Ausbeute" an charakteristischen Punkten, sind Rotationskörper, wie Kegel, Kugel, Rotationsellipsoid, einsetzbar. Vorzugsweise werden Kugeln mit ihrem charakteristischen Mittelpunkt verwendet.For three-dimensional measuring tasks are as cheap geometric elements straight-edged bodies, such as pyramids, truncated pyramids, cubes, cuboids etc., can be used. Also useful, but with a lower "yield" characteristic points are rotational bodies, such as cones, spheres, Rotational ellipsoid, can be used. Preferably balls with their characteristic center used.
Verwendet man als geometrische Elemente geradlinig berandete Flächen oder Körper, so genügt es zweckmäßigerweise, daß innerhalb eines Kalibriervorganges nur ein geometrisches Element im Bildfeld jeder Kamera positionierbar ist.If you use straight-edged surfaces or as geometric elements Body, it is conveniently sufficient that within a Calibration process only one geometric element in the image field of each camera is positionable.
Bei krummlinig berandeten Flächen oder Körpern und für redundanten Kalibrierungsbedarf sind vorteilhaft mehrere geometrische Elemente im Objektfeld jeder Kamera positionierbar. Das geschieht vorzugsweise durch starre Verknüpfung der Elemente innerhalb der Kalibriervorlage, kann aber auch durch Mehrfachpositionierung desselben geometrischen Elements mittels der Positioniereinrichtung erreicht werden.For curvilinear surfaces or bodies and for redundant ones Calibration requirements are advantageously several geometric elements in the Object field of each camera can be positioned. This is preferably done through rigid link of the elements within the calibration template, but can also by multiple positioning of the same geometric element using the positioning device can be reached.
Weist die verwendete Kalibriervorlage lediglich ein geometrisches Element mit einem charakteristischen Punkt (Kreis bzw. Kugel) auf, so ist die Kalibriervorlage vorteilhaft innerhalb des Objektfeldes jeder Kamera mindestens zweimal in unterschiedlichen Richtungen der Ebene bzw. des Raumes nach demselben Muster verschiebbar. Andererseits ist es von Vorteil, wenn die Kalibriervorlage nicht wesentlich über die Fläche eines Kamerabildfeldes hinausgeht, mehrere geometrische Elemente aufweist und von Objektfeld zu Objektfeld der Kameras zweidimensional verschiebbar ist.If the calibration template used only has a geometric element a characteristic point (circle or sphere), then the Calibration template advantageous within the object field of each camera at least twice in different directions of the plane or the Room can be moved according to the same pattern. On the other hand, it is an advantage if the calibration template does not significantly cover the area of a Camera field extends beyond, has several geometric elements and can be moved two-dimensionally from object field to object field of the cameras.
Eine weitere zweckmäßige Variante sieht vor, daß sich die Kalibriervorlage im wesentlichen eindimensional über eine (vorzugsweise die kürzere) Dimension der Trägereinrichtung erstreckt und mehrere geometrische Elemente in regelmäßiger Anordnung aufweist, wobei die Kalibriervorlage im wesentlichen nur eindimensional senkrecht zu ihrer Längsausdehnung beweglich ist. Dabei sind die geometrischen Elemente vorteilhaft entlang einer Geraden äquidistant aufgereiht. Vorzugsweise werden sie sogar entlang zweier paralleler Geraden aufgereiht, wobei die Reihen der geometrischen Elemente gegeneinander verschoben sein können (z. B. auf Lücke angeordnet sind).Another useful variant provides that the calibration template in essentially one-dimensional over a (preferably the shorter) dimension the support device extends and several geometric elements in has a regular arrangement, the calibration template essentially is only movable one-dimensionally perpendicular to its longitudinal extent. Here the geometric elements are advantageously equidistant along a straight line lined up. They are preferably even along two parallel straight lines lined up, with the rows of geometric elements facing each other can be shifted (e.g. arranged on a gap).
Die Erfindung basiert auf der Überlegung, ein Mehrkamerasystem, das zur Messung großer Objekte eingesetzt wird, schrittweise mit einer lokalen Kalibriervorlage zu kalibrieren. Diese Grundidee eignet sich für sämtliche Vorrichtungen, die Objektparameter und ortsabhängige Merkmale sowohl im zweidimensionalen als auch im dreidimensionalen Raum bestimmen. The invention is based on the consideration of a multi-camera system for Measurement of large objects is used, gradually with a local one Calibrate calibration template. This basic idea is suitable for everyone Devices, the object parameters and location-dependent features both in determine two-dimensional as well as in three-dimensional space.
Die für die Kalibrierung benutzte Vorlage wird durch geometrische Elemente gebildet, deren Position bezüglich charakteristischer Punkte mit hoher Genauigkeit bekannt ist und die im Kamerabild durch unkomplizierte Extraktion und Interpolation eine eindeutige Zuordnung der charakteristischen Punkte zulassen, auch wenn z. B. eine Kantenverwaschung das Kamerabild beeinträchtigt.The template used for the calibration is made up of geometric elements formed, their position with respect to characteristic points with high Accuracy is known and that in the camera image through uncomplicated Extraction and interpolation clearly assign the characteristic Allow points, even if e.g. B. an edge blurring the camera image impaired.
Mittels hinreichend genauer Bestimmung der Lage der Kalibriervorlage im Raum durch die Positioniereinrichtung können die räumlich verschobenen charakteristischen Punkte der geometrischen Elemente in einem einheitlichen Koordinatensystem dargestellt werden und ermöglichen die metrische Verknüpfung der Kamerabildfelder untereinander in bekannter Weise.By means of a sufficiently precise determination of the position of the calibration template in the Space through the positioning device can be spatially shifted characteristic points of the geometric elements in a uniform Coordinate system can be represented and enable the metric Linking the camera image fields to one another in a known manner.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der dazu vorgeschlagenen Vorrichtung ist es möglich, große Objekte mit einer kalibrierten Mehrkameraanordnung photogrammetrisch zu vermessen, wobei die Kalibriervorlage einfach und klein gestaltet wird und die Mehrkameraanordnung für unterschiedliche Objekte beliebig und einfach neu kalibrierbar ist.With the inventive method and the proposed It is possible to calibrate large objects with a device Multi-camera arrangement to be measured photogrammetrically, the Calibration template is designed simple and small and the Multi-camera arrangement for different objects arbitrarily and simply new is calibratable.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:The invention will be described in more detail below using an exemplary embodiment are explained. The drawings show:
Fig. 1 ein Übersichtsschema der erfindungsgemäßen Vorrichtung für laufende Bandkontrolle von im wesentlichen ebenen Objekten in der Seitenansicht, Fig. 1 is an overview diagram of the device according to the invention for current band control of substantially planar objects in the side view,
Fig. 2 eine Draufsicht von Fig. 1, Fig. 2 is a plan view of Fig. 1,
Fig. 3 ein Objekt mit ausgewählten Objektfeldern der einzelnen Kameras, die auf markante geometrische Merkmale des Objekts gerichtet sind, Fig. 3 shows an object with the selected object fields of the individual cameras, which are directed to distinctive geometric features of the object,
Fig. 4 eine vorteilhafte Gestaltung eines Kalibriersystems, bei der die Kalibriervorlage nur ein geometrisches Element aufweist, Fig. 4 shows an advantageous design of a calibration system, in which the calibration target includes only a geometrical element,
Fig. 5 ein elektronisch kombiniertes Kamerabild, bei dem im Kameraobjektfeld ein geometrisches Element, das genau einen charakteristischen Punkt definiert, viermal unterschiedlich positioniert wurde, Fig. 5 is a combined electronic camera, wherein the camera in the object field, a geometric element which defines exactly one characteristic point, four times positioned differently,
Fig. 6 eine Kalibriervorlage mit vier geometrischen Elementen, die bis zu 20 charakteristische Punkte definieren, mit Einbindung des lokalen Koordinatensystems in das einheitliche Koordinatensystem der Positioniereinrichtung, Fig. 6 shows a calibration target with four geometric elements defining characteristic up to 20 points, with involvement of the local coordinate system in the unified coordinate system of the positioning device,
Fig. 7 eine Kalibriervorlage mit im wesentlichen eindimensionaler Ausdehnung, die senkrecht zur Längsausdehnung positioniert wird. Fig. 7 shows a calibration target having a substantially one-dimensional extension, which is positioned perpendicular to the longitudinal extent.
Fig. 8 eine weitere Ausgestaltung einer eindimensional ausgedehnten und senkrecht dazu eindimensional positionierbaren Kalibriervorlage, Fig. 8 shows another embodiment of a one-dimensionally extended and positioned perpendicularly thereto dimensional calibration target,
Fig. 9 ein Beispiel für die Gestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für dreidimensionale Meßaufgaben, Fig. 9 shows an example for the design of a device according to the invention for three-dimensional measuring tasks,
Fig. 10 eine Ausgestaltungsform einer dreidimensionalen Kalibriervorlage Fig. 10 shows an embodiment of a three-dimensional calibration target
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht im wesentlichen aus den Verfahrensschritten:The process according to the invention essentially consists of the Process steps:
- - Einrichten mehrerer Kameras auf ausgewählte geometrische Merkmale eines Objektes,- Set up multiple cameras on selected geometric features of an object,
- - Kalibrieren der Kameras in einem einheitlichen Koordinatensystem des Objektraumes durch:- Calibrate the cameras in a uniform coordinate system of the Object space through:
- - schrittweises Verschieben einer Kalibriervorlage, die wesentlich kleiner als die zu vermessenden Objekte ist und geometrische Elemente zur Festlegung von Punkten im Objektraum aufweist,- Gradually moving a calibration template, which is much smaller than the objects to be measured and geometric elements for Has points in the object space,
- - Ortszuordnung der Kalibriervorlage durch Erfassung und Speicherung der Verschiebeparameter einer Positioniereinrichtung, - Location assignment of the calibration template through acquisition and storage the displacement parameter of a positioning device,
- - Einstellung von definierten Verschiebeschritten, die anzahlmäßig und größenmäßig so gewählt sind, daß im Objektfeld jeder Kamera wenigstens drei charakteristische Punkte, die durch mindestens ein geometrisches Element der Kalibriervorlage vorgegeben werden, innerhalb eines Kalibriervorganges positioniert werden,- Setting of defined displacement steps, the number and are chosen in size so that in the object field of each camera at least three characteristic points by at least one geometric element of the calibration template are specified, be positioned within a calibration process,
- - Durchführen einer Koordinatentransformation, bei der die bekannten Koordinaten der charakteristischen Punkte von geometrischen Elementen aus dem lokalen Koordinatensystem der Kalibriervorlage in das einheitliche Koordinatensystem der Positioniereinrichtung umgesetzt werden,- Perform a coordinate transformation in which the known Coordinates of the characteristic points of geometric Elements from the local coordinate system of the calibration template in implemented the uniform coordinate system of the positioning device will,
- - Bestimmen geometrischer Merkmale (Größenabmaße, Abstände, Winkel, Linearitätsabweichungen etc.) aus den aktuellen Kamerabildern vorgeführter Objekte.- Determination of geometric features (size dimensions, distances, angles, Linearity deviations etc.) from the current camera images demonstrated objects.
Im weiteren werden die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte, die hauptsächlich in der Durchführung und Gestaltung der Kalibrierprozedur zu finden sind, im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert, ohne daß sich das Verfahren auf diese Art von Anlagen oder Vorrichtungen beschränkt.The process steps according to the invention, which mainly in the implementation and design of the calibration procedure are to be found in connection with the device according to the invention explained, without the procedure relating to this type of equipment or Devices limited.
In Fig. 1 wird der einfachste Fall einer Vermessung von ebenen Flächen, z. B. zur Prüfung zugeschnittener Bleche, in einem Übersichtsschema gezeigt. Ein Transportband 1 als Trägereinrichtung für die zu vermessenden Objekte (hier: Bleche) wird unter einer flexibel einstellbaren Mehrkameraanordnung 2 hindurchbewegt. Die Mehrkameraanordnung 2 wird erst durch die Hinzufügung eines Kalibriersystems 3 meßfähig im Sinne genauer photogrammetrischer Meßvorgänge, da sich die Objektfelder der einzelnen Kameras der Mehrkameraanordnung 2 nicht (bzw. nur in speziellen Ausnahmefällen) überlappen.In Fig. 1 the simplest case of a measurement of flat surfaces, for. B. for testing cut sheets, shown in an overview scheme. A conveyor belt 1 as a carrier device for the objects to be measured (here: sheets) is moved under a flexibly adjustable multi-camera arrangement 2 . The multi-camera arrangement 2 only becomes measurable in the sense of precise photogrammetric measuring processes by adding a calibration system 3 , since the object fields of the individual cameras of the multi-camera arrangement 2 do not overlap (or only in special exceptional cases).
Das Kalibriersystem ist also der Schlüssel zur metrischen Verknüpfung der Kamerabilder untereinander sowie der Maßkalibrierung innerhalb eines einzelnen Bildfeldes.The calibration system is therefore the key to metrically linking the Camera images with each other and the measurement calibration within one single image field.
Fig. 2 zeigt in der Draufsicht das in Fig. 1 skizzierte Blechprüfsystem. Auf dem Transportband 1 wird ein zu prüfendes Blech 4 (als Beispiel für beliebige zweidimensionale Objekte) transportiert. Durch eine Detektoreinrichtung wird das Vorhandensein des Blechs 4 im Aufnahmebereich der elektronischen Kameras 16 bis 21 signalisiert und eine Bildaufnahme ausgelöst. FIG. 2 shows a top view of the sheet metal testing system sketched in FIG. 1. A sheet 4 to be tested (as an example for any two-dimensional objects) is transported on the conveyor belt 1 . The presence of the sheet metal 4 in the recording area of the electronic cameras 16 to 21 is signaled by a detector device and image recording is triggered.
Die Kameras 16 bis 21 sind (z. B. paarweise) auf Querführungen 7, 8, 9 quer zur Laufrichtung des Transportbandes 1 positionierbar, wobei die Querführungen 7 bis 9 ihrerseits mittels Schlitten 10 bis 15 auf Längsführungen 5 und 6 verschiebbar sind. Diese Verschiebbarkeit der Kameras 16 bis 21 dient der Auswahl relevanter Konturbereiche des Objekts. Im Falle der Vermessung von Blechen 4 wurden im Beispiel die Ecken und ein Abschnitt der Längskante ausgewählt. Die Anzahl der Kameras ist je nach Meßaufgabe ebenfalls frei wählbar. In der Regel genügen für ein rechteckiges Blech, das nur auf Kantenmaßhaltigkeit geprüft wird, schon die vier Kameras 16, 17, 20 und 21. Die Kameras 18 und 19 dienen der Erfassung der Kantengeradheit und unterstützen die Prüfung der Rechtwinkligkeit.The cameras 16 to 21 can be positioned (e.g. in pairs) on transverse guides 7 , 8 , 9 transversely to the running direction of the conveyor belt 1 , the transverse guides 7 to 9 in turn being displaceable on longitudinal guides 5 and 6 by means of slides 10 to 15 . This displaceability of the cameras 16 to 21 serves to select relevant contour areas of the object. In the case of measuring sheet 4 , the corners and a section of the longitudinal edge were selected in the example. The number of cameras can also be freely selected depending on the measurement task. As a rule, the four cameras 16 , 17 , 20 and 21 are sufficient for a rectangular sheet that is only checked for dimensional accuracy. The cameras 18 and 19 serve to detect the straightness of the edges and support the checking of the perpendicularity.
Dazu zeigt Fig. 3 die Ausrichtung der Objektfelder 22 bis 27 der Kameras 16 bis 21 gegenüber den Ecken und Kanten des Bleches 4.For this purpose, Fig. 3 shows the orientation of the object fields 22 to 27 of the cameras 16 to 21 with respect to the corners and edges of the metal sheet 4.
Ein in Fig. 2 nicht dargestelltes Kalibriersystem würde gemäß dem Stand der Technik aus einem exakt maßhaltigen Blech 4 im Zusammenwirken mit einem Objektraster (z. B. Paßmarken auf dem Objektträger) bestehen, wodurch bei großen Blechen 4 unhandliche Kalibriervorlagen bewegt werden müßten.A calibration system, not shown in FIG. 2, would consist, according to the state of the art, of an exactly dimensionally stable sheet 4 in cooperation with an object grid (e.g. registration marks on the slide), as a result of which bulky calibration templates would have to be moved in the case of large sheets 4 .
Im Gegensatz dazu geht die Erfindung einen Schritt in eine neue Richtung, die in Fig. 4 als Grundschema fixiert ist.In contrast, the invention takes a step in a new direction, which is fixed in Fig. 4 as a basic scheme.
Das erfindungsgemäße Kalibriersystem 3 besteht aus einer Positioniereinrichtung 30 mit einer kleinflächigen (d. h. gegenüber der zu messenden Objektgröße wesentlich kleineren) Kalibriervorlage 33.The calibration system 3 according to the invention consists of a positioning device 30 with a small-area calibration template 33 (ie considerably smaller than the object size to be measured).
Aus Fig. 4 läßt sich entnehmen, daß die Positioniereinrichtung 30 für zweidimensionale Meßaufgaben in der Regel eine zweidimensionale Positionierung der Kalibriervorlage 33 gestattet, die über Längsführungen 28 und über eine mittels Schlitten 31 gekoppelte Querführung 29 realisiert wird.From FIG. 4 it can be seen that the positioning device 30 for two-dimensional measuring tasks generally permits two-dimensional positioning of the calibration template 33 , which is implemented via longitudinal guides 28 and via a transverse guide 29 coupled by means of a slide 31 .
Die Positioniereinrichtung 30 gestattet es somit, die Kalibriervorlage 33 im gesamten von den Kameras 16 bis 21 einstellbaren Objektraum von Objektfeldern 22 bis 27 nach Bedarf exakt zu positionieren. Unabhängig von der Formateinstellung des Kamerasystems wird also erfindungsgemäß schrittweise die Kalibriervorlage 33 im Objektfeld 22 bis 27 jeder Kamera 16 bis 21 positioniert. Das geschieht bei der in Fig. 4 eingesetzten Kalibriervorlage 33, die nur ein geometrisches Element 34 (hier beispielhaft: einen Kreis) mit nur einem charakteristischen Punkt (Kreismittelpunkt) aufweist, indem die Kalibriervorlage 33 mindestens dreimal, vorteilhaft viermal, in jedem Kameraobjektfeld 22 bis 27 positioniert wird. Damit entstehen in jedem (elektronisch kombinierten) Kamerabild 36, wie in Fig. 5 dargestellt, Kreisabbildungen, aus denen mit beliebiger Genauigkeit jeweils die Mittelpunkte 37 bis 42 als charakteristische Punkte interpoliert und extrahiert werden können, so daß im speziellen Beispiel vier nicht auf einer Geraden liegende Punkte zur Kalibrierung innerhalb der Kamerabilder 36 und der Kamerabilder 36 zueinander vorliegen. Die Kalibrierung erfolgt in diesem Fall vollständig über die Positioniereinrichtung und die Ortszuweisung in deren einheitlichen Koordinatensystem.The positioning device 30 thus allows the calibration template 33 to be positioned exactly as required in the entire object space of object fields 22 to 27 that can be set by the cameras 16 to 21 . Irrespective of the format setting of the camera system, the calibration template 33 is thus gradually positioned in the object field 22 to 27 of each camera 16 to 21 according to the invention. This takes place in the calibration template 33 used in FIG. 4, which has only one geometric element 34 (here, for example: a circle) with only one characteristic point (center of the circle), in that the calibration template 33 at least three times, advantageously four times, in each camera object field 22 to 27 is positioned. This results in circular images in each (electronically combined) camera image 36 , as shown in FIG. 5, from which the center points 37 to 42 can be interpolated and extracted as characteristic points with arbitrary accuracy, so that four are not on a straight line in the specific example there are points for calibration within the camera images 36 and the camera images 36 relative to one another. In this case, the calibration is carried out entirely via the positioning device and the location assignment in its uniform coordinate system.
Eine andere Variante zeigt Fig. 6. Die Kalibriervorlage 33 weist in diesem Fall geometrische Elemente 34 in Form von Vierecken, vorzugsweise Quadraten 41 bis 44 auf, die als charakteristische Punkte jeweils Diagonalenschnittpunkte 45 und Eckpunkte 46 bereitstellen. In diesem Fall würde das in Fig. 5 bezeichnete Kamerabild 36 innerhalb einer Bildaufnahme die gesamte Kalibriervorlage 33 (oder zumindestens alle geometrischen Elemente 34 in Form der Quadrate 41 bis 44) aus Fig. 6 enthalten.Another variant is shown in FIG. 6. In this case, the calibration template 33 has geometric elements 34 in the form of squares, preferably squares 41 to 44 , which each provide diagonal intersection points 45 and corner points 46 as characteristic points. In this case, the camera image 36 designated in FIG. 5 would contain the entire calibration template 33 (or at least all the geometric elements 34 in the form of the squares 41 to 44 ) from FIG. 6 within one image acquisition.
Selbst bei Abbildung von nur einem einzigen Quadrat 41 steht bei ausreichender Größe des Quadrats 41 bereits eine ausreichende Menge charakteristischer Punkte zur Verfügung, die - jedem Kameraobjektfeld einmalig vorgeführt - eine Kalibrierung gestattet. Mit der Kalibriervorlage 33 gemäß Fig. 6 wird also eine Redundanz der Kalibrierung erreicht.Even with illustration of only a single square 41 is at a sufficient size of the square 41 is already a sufficient amount of characteristic points are available which - each camera object field once demonstrated - allows calibration. A redundancy of the calibration is thus achieved with the calibration template 33 according to FIG. 6.
Andererseits kann man natürlich auch nur bestimmte charakteristische Punkte der geometrischen Elemente 34 auswählen (z. B. die Diagonalenschnittpunkte 45 der Quadrate 41 bis 44) und die übrigen Punkte (in diesem Fall folglich die Eckpunkte 46) zur besseren Interpolation und Extraktion der ausgewählten Diagonalenschnittpunkte 45 nutzen.On the other hand, it is of course also possible to select only certain characteristic points of the geometric elements 34 (e.g. the diagonal intersection points 45 of the squares 41 to 44 ) and the remaining points (in this case consequently the corner points 46 ) for better interpolation and extraction of the selected diagonal intersection points 45 use.
Bei der letzteren Festlegung der charakteristischen Punkte gestaltet sich der Kalibriervorgang dann folgendermaßen.The latter defines the characteristic points Then calibrate as follows.
Zu Beginn der Kalibrierung einer Kamera, z. B. Kamera 16 aus Fig. 2, wird die Kalibriervorlage 33 so im Objektfeld 22 dieser Kamera 16 positioniert, daß alle Quadrate 41 bis 44 gleichzeitig erfaßt werden. Die Diagonalenschnittpunkte 45 werden als charakteristische Punkte der Kalibriervorlage 33 definiert durch die Lage der geometrischen Elemente 34, die in diesem Fall die Quadrate 41 bis 44 sind. Die Diagonalenschnittpunkte 45 sind in einem lokalen Koordinatensystem (x′, y′) der Kalibriervorlage 33 mit dessen Koordinatenursprung 50 genau bekannt, so daß die Transformation der Koordinaten x′ und y′ in das einheitliche Koordinatensystem x, y der Positioniereinrichtung 30 mit dessen Koordinatenursprung 51 einfach vonstatten gehen kann, indem die Koordinatenabweichungen Δx und Δy zwischen den Koordinatenursprüngen 50 und 51 zu den lokalen Koordinaten x′ und y′ der Diagonalenschnittpunkte 45 addiert werden. Die Koordinatenabweichungen Δx und Δy ergeben sich dabei aus der aktuellen Position der Kalibriervorlage 33 innerhalb des einheitlichen Koordinatensystems (x, y) der Positioniereinrichtung 30.At the beginning of the calibration of a camera, e.g. B. camera 16 from FIG. 2, the calibration template 33 is positioned in the object field 22 of this camera 16 in such a way that all squares 41 to 44 are detected simultaneously. The diagonal intersection points 45 are defined as characteristic points of the calibration template 33 by the position of the geometric elements 34 , which in this case are the squares 41 to 44 . The diagonal intersections 45 are precisely known in a local coordinate system (x ′, y ′) of the calibration template 33 with its coordinate origin 50 , so that the transformation of the coordinates x ′ and y ′ into the uniform coordinate system x, y of the positioning device 30 with its coordinate origin 51 can simply take place by adding the coordinate deviations Δx and Δy between the coordinate origins 50 and 51 to the local coordinates x ′ and y ′ of the diagonal intersection points 45 . The coordinate deviations .DELTA.x and .DELTA.y result from the current position of the calibration template 33 within the uniform coordinate system (x, y) of the positioning device 30 .
Die von der Kamera 16 erfaßten geometrischen Elemente 34 lassen eine hinreichend genaue Extraktion der festgelegten charakteristischen Punkte zu. Diese charakteristischen Punkte dienen zur Berechnung der Transformationsvorschrift zwischen Bild- und Objektkoordinaten in bekannter Weise, wodurch eine koordinatenmäßige Kalibrierung der Kameras erfolgt.The geometric elements 34 detected by the camera 16 permit a sufficiently precise extraction of the defined characteristic points. These characteristic points are used to calculate the transformation rule between image and object coordinates in a known manner, as a result of which the cameras are calibrated in terms of coordinates.
Fig. 7 beinhaltet eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens, bei der die Kalibriervorlage 33 nur eindimensional positioniert zu werden braucht. Dazu sind zwei Führungen 28 vorgesehen, auf denen zwei Schlitten 31 laufen, zwischen denen eine langgestreckte, im wesentlichen eindimensional ausgedehnte Kalibriervorlage 33 starr angeordnet ist. Die Besonderheit dieser Kalibriervorlage 33 besteht in einer linearen Aufreihung von geometrischen Elementen 34, die so eng gestaltet sein muß, daß bei jeder denkbar möglichen Stellung der Kameras 16 bis 21, in deren Bildfeldern 22 bis 27 wenigstens drei nicht auf einer Geraden liegende charakteristische Punkte positionierbar sind. Fig. 7 includes an embodiment of the calibration method according to the invention needs to be in the calibration target 33 is one-dimensionally positioned. For this purpose, two guides 28 are provided, on which two slides 31 run, between which an elongated, essentially one-dimensionally extended calibration template 33 is rigidly arranged. The special feature of this calibration template 33 consists in a linear arrangement of geometric elements 34 , which must be designed so closely that at every conceivable position of the cameras 16 to 21 , in their image fields 22 to 27, at least three characteristic points not lying on a straight line can be positioned are.
Das geschieht vorteilhaft mit geometrischen Elementen 34 in Form von Kreisen, wie in Fig. 7 dargestellt, wobei der Kreisabstand kleiner als die Dimension des Objektfeldes der Kameras sein muß, so daß wenigstens zwei Kreise gleichzeitig in einem Objektfeld liegen. Zusätzlich ist bei dieser bevorzugten Variante eine zweite Positionierung je Kameraobjektfeld erforderlich. Zweckmäßig sind die Kreise äquidistant angeordnet.This is advantageously done with geometric elements 34 in the form of circles, as shown in FIG. 7, the circle spacing having to be smaller than the dimension of the object field of the cameras, so that at least two circles are simultaneously in one object field. In addition, with this preferred variant, a second positioning per camera object field is required. The circles are expediently arranged equidistantly.
Bei Verwendung einer Folge von geometrischen Elementen 34, die mindestens drei charakteristische Punkte definieren, wie beispielsweise Dreiecke, Rechtecke, Quadrate etc., genügt es, wenn je Objektfeld wenigstens ein geometrisches Element 34 positionierbar ist. Das wird regelmäßig sichergestellt, indem deren Abstände wiederum kleiner als die Dimension der Kameraobjektfelder sind. Größere Dichte bzw. Mehrfachpositionierung innerhalb eines Kamerabildfeldes führt, wie bereits erwähnt, zu Redundanz und Genauigkeitszuwachs. When using a sequence of geometric elements 34 , which define at least three characteristic points, such as triangles, rectangles, squares, etc., it is sufficient if at least one geometric element 34 can be positioned per object field. This is regularly ensured by the distances between them being smaller than the dimensions of the camera object fields. As already mentioned, greater density or multiple positioning within a camera image field leads to redundancy and an increase in accuracy.
Kehrt man zu den Kreisen als geometrische Elemente 34 zurück, und möchte dennoch eine Mehrfachpositionierung innerhalb eines Kameraobjektfeldes vermeiden, so gibt Fig. 8 eine geeignete Lösung für die Gestaltung der Kalibriervorlage 33 an. Die parallel angelegten Reihen von Kreisen sind dabei entweder exakt zueinander ausgerichtet, so daß jede Kamera mindestens ein Quadrat aus vier Kreisen vorgeführt bekommt, wenn die Kalibriervorlage 33 entsprechend positioniert wird, oder sie sind zwar parallel, aber zueinander versetzt angeordnet, so daß mindestens eine im Dreieck angeordnete Konfiguration von Kreisen im Objektfeld der Kamera zu sehen ist. Unter Berücksichtigung der jeweils nur eindimensional im wesentlichen senkrecht zur Längsausdehnung der Kalibriervorlage 33 veränderlichen Position der geometrischen Elemente 34 (hier: Kreise) werden dann durch einfache Transformation der lokalen Koordinatenrichtung x′ + Δx = x (bei y′ = y) die Koordinaten der charakteristischen Punkte (hier: Kreismittelpunkte) in das einheitliche Koordinatensystem (x, y) umgesetzt.If one returns to the circles as geometric elements 34 and nevertheless wishes to avoid multiple positioning within a camera object field, FIG. 8 gives a suitable solution for the design of the calibration template 33 . The parallel rows of circles are either exactly aligned with each other so that each camera is shown at least one square of four circles when the calibration template 33 is positioned accordingly, or they are arranged in parallel but offset from one another so that at least one in A triangular configuration of circles can be seen in the object field of the camera. Taking into account the position of the geometric elements 34 (here: circles), which is only one-dimensionally essentially perpendicular to the longitudinal extension of the calibration template 33 , the coordinates of the characteristic coordinates are then obtained by simply transforming the local coordinate direction x ′ + Δx = x (at y ′ = y) Points (here: circle centers) are converted into the uniform coordinate system (x, y).
Fig. 9 zeigt nun als Erweiterung der oben beschriebenen Vorrichtungen und Abläufe eine Einrichtung zur Erfassung der räumlichen Lage eines Körpers, im konkreten Fall eine stilisiert dargestellte Autokarosserie 64 vor dem technologischen Schritt einer Unterbodenbehandlung. Die Unterbodenbehandlung soll mit einem Roboterarm (Manipulator 65) ausgeführt werden. Deshalb müssen einzelne Arbeitsschritte angelernt werden, indem der Manipulator 65 in die entsprechende Position geführt wird. Dabei bewegt sich der Manipulator 65 in einem einheitlichen Koordinatensystem (x, y, z) mit dem Koordinatenursprung 69. Fig. 9 now shows as an extension of the devices and procedures described above, a device for detecting the spatial position of a body, in the specific case a stylized automobile body 64 shown in front of the technological step of a sub-soil treatment. The underbody treatment is to be carried out with a robot arm (manipulator 65 ). For this reason, individual work steps have to be taught by moving the manipulator 65 into the corresponding position. The manipulator 65 moves in a uniform coordinate system (x, y, z) with the coordinate origin 69 .
Damit Lageabweichungen einer Karosserie 64 im Fertigungsprozeß zu einer beim Anlernen verwendeten Musterkarosserie keine Störungen hervorrufen, müssen diese bei der Positionierung des Manipulators 65 im Fertigungsprozeß berücksichtigt (kalibriert) werden.So that positional deviations of a body 64 in the manufacturing process from a model body used during teaching do not cause any disturbances, these must be taken into account (calibrated) when positioning the manipulator 65 in the manufacturing process.
Um räumliche Positionsaufnahmen zu erreichen, werden Kameras 58 bis 63 (mindestens) paarweise als stereoskopische Systeme angeordnet und auf interessierende Details des Objekts (Autokarosserie 64) gerichtet. Im Beispiel erfassen jeweils zwei Kameras einen Bezugspunkt 66, 67 bzw. 68 der Karosserie 64. Die Kameras 58 bis 63 werden auf das einheitliche Koordinatensystem des Manipulators 65 kalibriert.In order to achieve spatial position recordings, cameras 58 to 63 are (at least) arranged in pairs as stereoscopic systems and directed to details of interest of the object (car body 64 ). In the example, two cameras each record a reference point 66 , 67 and 68 of the body 64 . The cameras 58 to 63 are calibrated to the uniform coordinate system of the manipulator 65 .
Die Kalibrierung erfolgt gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, indem mit dem Manipulator 65 eine 3D-Kalibriervorlage 33 in das jeweilige Objektfeld der Kamerapaare (oder im allgemeinen Fall: einer Kameragruppe aus mehreren Kameras) gefahren wird. Als Ort für die Positionierung der Kalibriervorlage 33 wird etwa die Position der Bezugspunkte 66, 67 und 68 (bei vorhandener Karosserie 64) eingestellt. Diese räumliche Position der Kalibriervorlage 33 ist über die Einstellung des Manipulators 65 in dessen eigenem Koordinatensystem (x, y, z) bekannt. Die Position der Kalibriervorlage 33 wird erfindungsgemäß zur Transformation der charakteristischen Punkte von geometrischen Elementen der Kalibriervorlage 33 in das einheitliche Koordinatensystem (x, y, z) zugrunde gelegt.The calibration is carried out according to the method according to the invention in that a manipulator 65 is used to move a 3D calibration template 33 into the respective object field of the camera pairs (or in the general case: a camera group composed of several cameras). The position of the reference points 66 , 67 and 68 (with the body 64 present ) is set as the location for the positioning of the calibration template 33 . This spatial position of the calibration template 33 is known from the setting of the manipulator 65 in its own coordinate system (x, y, z). According to the invention, the position of the calibration template 33 is used to transform the characteristic points of geometric elements of the calibration template 33 into the uniform coordinate system (x, y, z).
Die als "Black-Box" oben eingeführte 3D-Kalibriervorlage 33 für dreidimensionale Meßaufgaben wird in einer vorteilhaften Ausführung in Fig. 10 gezeigt. Sie besteht vorzugsweise aus einer ebenen Grundplatte 70, an der die geometrische Elemente in Form von Kugeln 71 auf orthogonalen Stäben 72 unterschiedlicher Länge angebracht sind. Die Kugeln 71 definieren durch ihre Mittelpunkte charakteristische Punkte in unterschiedlichen Ebenen innerhalb des lokalen Koordinatensystems (x′, y′, z′) der Kalibriervorlage 33 mit seinem Koordinatenursprung 73. Die Transformation der lokalen Koordinaten x′, y′, z′ erfolgt auf gleiche Weise wie in den oben beschriebenen zweidimensionalen Meßaufbauten.The 3D calibration template 33 for three-dimensional measurement tasks introduced above as a "black box" is shown in an advantageous embodiment in FIG. 10. It preferably consists of a flat base plate 70 on which the geometric elements in the form of balls 71 are attached to orthogonal rods 72 of different lengths. The balls 71 define characteristic points in different planes within the local coordinate system (x ′, y ′, z ′) of the calibration template 33 with its coordinate origin 73 through their center points. The transformation of the local coordinates x ′, y ′, z ′ takes place in the same way as in the two-dimensional measurement setups described above.
Falls es sich bei den Meßobjekten, wie z. B. beim Unterboden einer Karosserie 64, um nahezu flächige Objekte mit unwesentlichen Erhebungen und Vertiefungen gegenüber ihrer Grundfläche handelt, kann es gegebenenfalls auch zweckmäßig sein, daß die Kalibriervorlage 33 lediglich zweidimensional bewegt wird (hier: z. B. ausschließlich mit ihrer Grundplatte 70 entlang einer parallelen zur y-z-Ebene). Als geometrische Elemente 34 sind, ebenfalls analog zum 2D-Fall, ebenflächige Körper geeignet, wobei zur Nutzung der Ecken als charakteristische Punkte, möglichst solche Körper verwendet werden, bei denen durch die stereoskopische Kameraanordnung dieselben Eckpunkte jeweils von allen Kameras einer zugeordnete Gruppe (z. B. Kamera paar) gleichzeitig eindeutig gesehen werden können. Dazu eignen sich beispielsweise gerade Pyramiden und Pyramidenstümpfe. Will man mit Rotationskörpern eine Redundanz der Kalibrierung erreichen oder mit weniger geometrischen Elementen die erforderliche Menge von charakteristischen Punkten der Kalibriervorlage 33 darstellen, sind (gleichfalls analog zur 2D-Kalibriervorlage 33) die Brennpunkte oder Mittelpunkte von Rotationsellipsoiden geeignet oder auch Spitze, Höhenfußpunkt oder Kreisflächenmittelpunkte von geraden Kreiskegeln oder -kegelstümpfen einsetzbar.If it is in the test objects, such as. B. in the underbody of a body 64 , almost flat objects with insignificant elevations and depressions relative to their base, it may also be appropriate that the calibration template 33 is only moved two-dimensionally (here: z. B. only along with its base plate 70) a parallel to the yz plane). Likewise analogous to the 2D case, planar bodies are suitable as geometric elements 34 , with bodies where the stereoscopic camera arrangement uses the same corner points of all cameras of an assigned group (e.g. B. camera pair) can be clearly seen at the same time. For example, straight pyramids and truncated pyramids are suitable for this. If you want to achieve a redundancy of the calibration with rotating bodies or represent the required number of characteristic points of the calibration template 33 with fewer geometric elements, the focal points or centers of rotation ellipsoids are also suitable (also analogous to the 2D calibration template 33 ) or point, height base or circle center points of straight circular cones or truncated cones can be used.
Die Art der geometrischen Elemente 34 erfordert dann wiederum innerhalb aller Kameraobjektfelder entweder Mehrfachpositionierungen (z. B. bei Kugeln, Ellipsoiden, Kegeln, d. h. bei Körpern, die einzeln nicht die erforderliche Anzahl charakteristischer Punkte liefern) oder einmalige Positionierung der Kalibriervorlage 33, wenn ein geometrisches Element 34 allein mehr als drei charakteristische Punkte definiert oder die charakteristischen Punkte durch mehrere starr durch die Kalibriervorlage 33 verbundene geometrische Elemente 34 in der erforderlichen Anzahl bereitgestellt werden.The type of geometric elements 34 then in turn requires either multiple positioning within all camera object fields (e.g. in the case of spheres, ellipsoids, cones, i.e. in the case of bodies which individually do not provide the required number of characteristic points) or one-time positioning of the calibration template 33 if a geometric one Element 34 alone defines more than three characteristic points or the characteristic points are provided in the required number by a plurality of geometric elements 34 rigidly connected by calibration template 33 .
Wählt man als geometrische Elemente 34 geeignete ebene Flächen und ordnet diese in verschiedenen Ebenen an (ohne daß sich die Flächen im Kameraobjektfeld überlappen), können diese ebenfalls in einer 3D- Kalibriervorlage 33 anstelle der Kugeln 71 von Fig. 10 Anwendung finden, indem sie auf den Stäben 72 parallel zur Grundplatte 70 befestigt werden. Dazu werden vorzugsweise Kreise oder Quadrate verwendet.If one chooses suitable flat surfaces as geometric elements 34 and arranges them in different planes (without the surfaces overlapping in the camera object field), these can also be used in a 3D calibration template 33 instead of the balls 71 of FIG. 10 by clicking on the rods 72 are attached parallel to the base plate 70 . Circles or squares are preferably used for this.
Obwohl prinzipiell innerhalb einer Kalibriervorlage 33 die Wahl der zweckmäßigen geometrischen Elemente nicht beschränkt ist, sollte man sich aus Gründen der Interpolation und Extraktion der charakteristischen Punkte aus den Kamerabildern auf eine Form festlegen.Although the choice of the appropriate geometric elements is not limited in principle within a calibration template 33 , one should commit to a shape for reasons of interpolation and extraction of the characteristic points from the camera images.
Ebenso ist eine redundante Kalibrierung durch Einmalpositionierung mittels starr innerhalb einer Kalibriervorlage 33 verbundenen charakteristischen Punkten (unabhängig davon, ob mittels eines oder mehrerer geometrischer Elemente definiert) einer Mehrfachpositionierung eines einzelnen Punktes oder zweier charakteristischer Punkte innerhalb der Kameraobjektfelder vorzuziehen.Likewise, redundant calibration by one-time positioning using characteristic points rigidly connected within a calibration template 33 (regardless of whether defined by means of one or more geometric elements) is preferable to multiple positioning of a single point or two characteristic points within the camera object fields.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und den dafür angegebenen Vorrichtungen ist es möglich, mit einfachen Mitteln einer speziell gestalteten, lokalen Kalibriervorlage 33 und einer Positioniereinrichtung mit definierter, hinreichend genauer Ortszuordnung Kameras einer Mehrkameraanordnung für anspruchsvolle photogrammetrische Meßaufgaben zu kalibrieren, ohne daß sich deren Objektfelder überlappen oder die Kalibriervorlage gleichzeitig von allen Kameras gesehen werden muß.With the method according to the invention and the devices specified therefor, it is possible to calibrate cameras of a multi-camera arrangement for demanding photogrammetric measurement tasks with simple means of a specially designed, local calibration template 33 and a positioning device with defined, sufficiently precise location assignment, without their object fields overlapping or that Calibration template must be seen by all cameras at the same time.
Claims (28)
- - eine Kalibriervorlage (33), die wesentlich kleiner als die zu vermessenden Objekte ist und geometrische Elemente (34, 41, 42, 43, 44, 71) zur Festlegung von Punkten im Objektraum aufweist, schrittweise definiert verschoben wird,
- - die Kalibriervorlage (33) über eine hinreichend genaue Positioniereinrichtung (30, 65) eine Ortszuordnung in einem einheitlichen Koordinatensystem des Objektraumes erhält und diese Ortszuordnung erfaßt und gespeichert wird,
- - die Kalibriervorlage (33) mindestens in so vielen Schritten positioniert wird, daß wenigstens drei charakteristische Punkte (37, 38, 39, 40, 45, 46), die durch mindestens ein geometrisches Element (34, 41, 42, 43, 44, 71) der Kalibriervorlage (33) vorgegeben werden, innerhalb eines Kalibriervorganges im Objektfeld (22, 23, 24, 25, 26, 27) jeder Kamera erfaßtwerden, und
- - eine Koordinatentransformation erfolgt, bei der die Koordinaten der charakteristischen Punkte von geometrischen Elementen (34, 41, 42, 43, 44, 71) aus dem lokalen Koordinatensystem der Kalibriervorlage (33) in das einheitliche Koordinatensystem der Positioniereinrichtung (30, 65) umgesetzt werden.
- a calibration template ( 33 ), which is significantly smaller than the objects to be measured and has geometric elements ( 34 , 41 , 42 , 43 , 44 , 71 ) for determining points in the object space, is shifted in a defined manner step by step,
- the calibration template ( 33 ) receives a location assignment in a uniform coordinate system of the object space via a sufficiently precise positioning device ( 30 , 65 ) and this location assignment is recorded and stored,
- - The calibration template ( 33 ) is positioned in at least so many steps that at least three characteristic points ( 37 , 38 , 39 , 40 , 45 , 46 ), which are defined by at least one geometric element ( 34 , 41 , 42 , 43 , 44 , 71 ) of the calibration template ( 33 ) are specified within a calibration process in the object field ( 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 ) of each camera, and
- - A coordinate transformation takes place, in which the coordinates of the characteristic points of geometric elements ( 34 , 41 , 42 , 43 , 44 , 71 ) are converted from the local coordinate system of the calibration template ( 33 ) into the uniform coordinate system of the positioning device ( 30 , 65 ) .
- - die Kalibriervorlage (33) wesentlich kleiner als die zu vermessenden Objekte ist und mindestens ein geometrisches Element (34, 41, 42, 43, 44, 71) zur Festlegung von Punkten im Objektraum aufweist,
- - ein geometrisches Element (34, 41, 42, 43, 44, 71) der Kalibriervorlage (33) jeweils wenigstens einen charakteristischen Punkt (37, 38, 39, 40, 45, 46) aufweist, der aus den Kamerabildern einfach interpolierbar und extrahierbar ist, wobei jeder Kamera innerhalb eines Kalibriervorgangs mindestens drei charakteristische Punkte (37, 38, 39, 40, 45, 46), die eine ausreichend große Fläche im Kameraobjektfeld (22, 23, 24, 25, 26, 27) aufspannen, vorführbar sind,
- - die Kalibriervorlage (33) starr an eine hinreichend genaue Positioniereinrichtung (30, 65) gekoppelt ist, mit dem der Kalibriervorlage (33) eine genaue Ortslage im Objektraum zuordenbar ist, wobei diese Ortszuordnung erfaßt und gespeichert wird,
- - eine Verarbeitungseinheit zur Koordinatentransformation, mittels der die Koordinaten der charakteristischen Punkte (37, 38, 39, 40, 45, 46) der geometrischen Elemente (34, 41, 42, 43, 44, 71) aus dem lokalen Koordinatensystem der Kalibriervorlage (33) in das einheitliche Koordinatensystem der Positioniereinrichtung (30, 65) umgesetzt werden.
- - The calibration template ( 33 ) is significantly smaller than the objects to be measured and has at least one geometric element ( 34 , 41 , 42 , 43 , 44 , 71 ) for defining points in the object space,
- - A geometric element ( 34 , 41 , 42 , 43 , 44 , 71 ) of the calibration template ( 33 ) each has at least one characteristic point ( 37 , 38 , 39 , 40 , 45 , 46 ) that can be easily interpolated and extracted from the camera images Each camera can perform at least three characteristic points ( 37 , 38 , 39 , 40 , 45 , 46 ) within a calibration process that span a sufficiently large area in the camera object field ( 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 ) ,
- - The calibration template ( 33 ) is rigidly coupled to a sufficiently precise positioning device ( 30 , 65 ) with which the calibration template ( 33 ) can be assigned an exact location in the object space, this location assignment being recorded and stored,
- - A processing unit for coordinate transformation, by means of which the coordinates of the characteristic points ( 37 , 38 , 39 , 40 , 45 , 46 ) of the geometric elements ( 34 , 41 , 42 , 43 , 44 , 71 ) from the local coordinate system of the calibration template ( 33 ) are converted into the uniform coordinate system of the positioning device ( 30 , 65 ).
Priority Applications (5)
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