AT520909A1 - Kalibrierträger mit asymmetrischem geometrischem Kalibriermuster - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kalibrierträger (10) für die Erstellung einer Kalibrieraufnahme, der ein reguläres rasterförmiges Muster mit einer Anzahl von Positionen (11a) auf einer, insbesondere ebenen, Oberfläche (100) des Kalibrierträgers (10) für die Erstellung der Kalibrieraufnahme aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass drei Kalibrierpositionen (13a) auf dem Kalibrierträger (10) vorgegeben sind, wobei - die Kalibrierpositionen (13a) unter den Positionen (11a) des rasterförmigen Musters auf dem Kalibrierträger (10) ausgewählt sind, - die Kalibrierpositionen (13a) nicht-kollinear auf dem Kalibrierträger (10) angeordnet sind und einen Abstand von mehr als einem, insbesondere zumindest zwei, Rasterabständen zueinander aufweisen, und - die Anordnung der Kalibrierpositionen (13a) weder durch Rotation, noch durch Spiegelung, noch durch eine Kombination von Spiegelung und Rotation, in sich selbst überführbar ist, und dass der Kalibrierträger (10) an Positionen (11a) des Musters, die keine Kalibrierpositionen (13a) sind, Markierungen (11) aufweist und an den Kalibrierpositionen (13a) eine von den Markierungen (11) abweichende Oberflächenbeschaffenheit oder Farbe, insbesondere Sondermarkierungen (13), aufweist.

Description

Kalibrierträger mit asymmetrischem geometrischem Kalibriermuster

Die Erfindung betrifft einen Kalibrierträger für die Erstellung einer Kalibrieraufnahme gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Identifikation eines Musters von Markierungen auf der Oberfläche eines Kalibrierträgers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.

Aus dem Stand der Technik sind Kalibrierträger mit Standardkalibriermustern zum Kalibrieren von Kameras bekannt. Die bekannten Kalibrierträger haben oft ein reguläres Muster von Markierungen wie beispielsweise Punkten in Form eines regelmäßigen Rasters mit einem Rasterabstand von beispielsweise 1 mm aufgedruckt. Derartige bekannte Kalibrierträger werden beispielsweise dazu benutzt, die Brennweite einer Kameralinse oder die optische Verzerrung einer Kameralinse zu bestimmen, indem überprüft wird, auf welche Weise das Raster auf einem Abbild erscheint.

Nachteil bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kalibriermustern ist, dass Kalibriermuster, die beispielsweise als klassische Schachbrettmuster ausgebildet sind, zur Bestimmung der Kameraparameter zur Gänze detektiert werden müssen. Weiters sind Kalibriermustern mit einem zentral angeordneten Kalibrierelement wie beispielsweise einem Quadrat bekannt. Nachteil bei derartigen Kalibriermustern ist, dass die Erkennung des zentralen Quadrats sehr sensibel gegenüber Unschärfe bei der Aufnahme ist. Ein weiterer Nachteil bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kalibriermustern ist, dass durch große Helligkeitsunterschiede, wie sie beispielsweise bei der Verwendung von mehreren Beleuchtungseinheiten auftreten, ebenfalls Schwierigkeiten bei der Erkennung eines Kalibrierelements entstehen können.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Kalibriermuster mit einem einfach aufgebauten Kalibrierelement bereitzustellen, das robust gegenüber Unschärfe oder Helligkeitsunterschieden bei der Aufnahme ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe bei einem Kalibrierträger für die Erstellung einer Kalibrieraufnahme, der ein reguläres rasterförmiges Muster mit einer Anzahl von Positionen auf einer, insbesondere ebenen, Oberfläche des Kalibrierträgers für die Erstellung der Kalibrieraufnahme aufweist, mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass drei Kalibrierpositionen auf dem Kalibrierträger vorgegeben sind, wobei - die Kalibrierpositionen unter den Positionen des rasterförmigen Musters auf dem Kalibrierträger ausgewählt sind, - die Kalibrierpositionen nicht-kollinear auf dem Kalibrierträger angeordnet sind und einen Abstand von mehr als einem, insbesondere zumindest zwei, Rasterabständen zueinander aufweisen, und - die Anordnung der Kalibrierpositionen weder durch Rotation, noch durch Spiegelung, noch durch eine Kombination von Spiegelung und Rotation, in sich selbst überführbar ist.

Der Kalibrierträger weist an Positionen des Musters, die keine Kalibrierpositionen sind, Markierungen auf. An den Kalibrierpositionen weist der Kalibrierträger eine von den Markierungen abweichende Oberflächenbeschaffenheit oder Farbe, insbesondere Sondermarkierungen, auf.

Um zu gewährleisten, dass auch Standardkalibrierträger mit einem Standardkalibriermuster zur Erstellung eines erfindungsgemäßen Kalibrierträgers verwendet werden können, kann vorgesehen sein, dass das Muster von Positionen mit Markierungen ein reguläres orthogonales, insbesondere quadratisches, Muster oder ein reguläres hexagonales Muster ist.

Dadurch wird ebenso gewährleistet, dass die Kosten und die Komplexität der Mustererstellung an einen bekannten Hersteller ausgelagert werden und die Anbringung eines Kalibrierelements von einem Benutzer vorgenommen werden kann.

Um für eine Bildaufnahmeeinheit einen Kalibrierträger mit einfach erfassbaren Kalibrierpositionen bereitzustellen, kann vorgesehen sein, dass - die Oberfläche des Kalibrierträgers an den Kalibrierpositionen frei von Markierungen ist, oder - an den Kalibrierpositionen Sondermarkierungen angeordnet sind, die ein Kalibrierelement bilden, wobei die Sondermarkierungen - größer oder kleiner als die Markierungen an den Positionen des Musters sind und/oder - eine andere Farbe und/oder Form aufweisen, als die Markierungen an den Positionen des Musters.

Die Erfindung sieht weiters ein Verfahren zur Identifikation eines Musters mit einer Anzahl von Positionen auf der Oberfläche eines Kalibrierträgers für zumindest eine Bildaufnahmeeinheit vor. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass a) eine Aufnahme des Kalibrierträgers mit der Bildaufnahmeeinheit erstellt wird, b) die Abbilder der Positionen des Musters in der Aufnahme detektiert werden, insbesondere indem die Abbilder der Markierungen des Musters in der Aufnahme detektiert und jeweils deren Mittelpunkt als Abbild einer Position festgelegt wird, c) die Abbilder der Kalibrierpositionen in der Aufnahme identifiziert werden, insbesondere durch Identifikation der Position der Abbilder der Sondermarkierungen des Kalibrierelements in der Aufnahme, d) eine affine Bildtransformation bestimmt wird, die die Abbilder der Kalibrierpositionen in eine vorab vorgegebene und der bekannten Lage der Kalibrierpositionen in Bezug auf den Kalibrierträger entsprechende Standardausrichtung überführt, und e) überprüft wird, ob ausgewählte der unter Anwendung der ermittelten affinen Bildtransformation bestimmten, insbesondere in einer vorgegebenen Umgebung um die Lage der Kalibrierpositionen angeordneten, Positionen der Abbilder der Positionen des Musters auf einem regulären rasterförmigen Muster liegen, das dem bekannten rasterförmigen Muster des Kalibrierträgers entspricht.

Im Unterschied zu aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, bei denen eine Anzahl von Aufnahmen verwendet wird, auf denen das Muster mit einer Anzahl von Positionen des Kalibrierträgers vollständig abgebildet sein muss, ist es bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ausreichend, wenn auf den Abbildungen die Kalibrierpositionen vollständig abgebildet ist.

Weitere Unterschiede zu aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren sind, dass in Schritt e) eines erfindungsgemäßen Verfahrens dank der asymmetrischen Anordnung der Kalibrierpositionen auch überprüfbar ist, ob bei der Erstellung der Aufnahme des Kalibrierträgers eine Spiegelung aufgetreten ist, wie dies bei Aufnahme von Abbildern mit Hilfe eines Spiegels der Fall ist. Bei den bekannten Verfahren unter Verwendung üblicher Kalibrierträger ist das Erkennen von derartigen Spiegelungen nicht möglich.

Eine erfindungsgemäße Anordnung von Kalibrierpositionen stellt unter allen möglichen Anordnung dar, die die geringste Anzahl an Kalibrierpositionen erfordert, sodass nur ein sehr kleiner Ausschnitt des Kalibrierträgers sicher erkannt werden muss. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist weiters weniger fehleranfällig, da das Auftreten von

Fehlern bei der Identifikation der Abbilder der Kalibrierpositionen in der Aufnahme durch deren geringe Anzahl reduziert wird.

Somit ist bei einem erfindungsgemäßen Verfahren im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Kalibrierverfahren eine geringere Anzahl von Aufnahmen als unbrauchbar zu verwerfen, da nur die Kalibrierpositionen klar erkennbar sein müssen. Die übrigen Positionen des Musters auf dem Kalibrierträger können bei einem erfindungsgemäßen Verfahren auch verwendet werden, wenn die Ränder des Musters in der Abbildung unscharf abgebildet sind, da die Kalibrierpositionen eine exakte Positionierung gewährleistet.

Zur zuverlässigen Detektion der Kalibrierpositionen auf einem Kalibrierträger kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass in Schritt c) zur Identifikation der Abbilder der Kalibrierpositionen in der Aufnahme die größten oder kleinsten aufgenommenen Abbilder von Markierungen als Abbilder der Sondermarkierungen des Kalibrierelements in der Aufnahme identifiziert werden, wobei vorzugsweise die Größe der Abbilder von Markierungen relativ zu ihren, vorzugsweise vier, benachbarten Abbildern von Markierungen bestimmt wird, und jeweils der Mittelpunkt der Abbilder der Sondermarkierungen als Abbild einer Kalibrierposition festgelegt wird.

Als alternative Variante zur zuverlässigen Detektion der Kalibrierpositionen auf einem Kalibrierträger kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass in Schritt c) zur Identifikation der Abbilder der Kalibrierpositionen in der Aufnahme die aufgenommenen Abbilder von Markierungen, die eine andere Farbe oder Form als die übrigen Abbilder von Markierungen aufweisen oder deren Farbe einer vorgegebenen Farbe entspricht, als Abbilder der Sondermarkierungen des Kalibrierelements in der Aufnahme identifiziert werden, und jeweils der Mittelpunkt der Abbilder der Sondermarkierungen als Abbild einer Kalibrierposition festgelegt wird.

Eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur exakten Detektion der Kalibrierpositonen auf einem Kalibrierträger bei einem erfindungsgemäßen Verfahren kann vorsehen, dass in Schritt c) aufgrund von bereits identifizierten Abbildern von Markierungen die Lage des Musters in der Aufnahme sowie einzelne Musterpositionen ermittelt werden und Musterpositionen, an denen keine Abbilder von Markierungen des Musters erkannt wurden, als Abbilder der Kalibrierpositionen in der Aufnahme identifiziert werden.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.

Besonders vorteilhafte, aber nicht einschränkend zu verstehende Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen schematisch dargestellt und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielhaft beschrieben.

Im Folgenden zeigen schematisch:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Kalibrierträger,

Fig. 2 schematisch eine Anordnung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 3a und Fig. 3b schematisch die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 4a bis Fig. 4f Beispiele für erfindungsgemäße quadratische Kalibrierelemente, und Fig. 5a bis Fig. 5e Beispiele für erfindungsgemäße hexagonale Kalibrierelemente.

Aus dem Stand der Technik sind Kalibrierträger mit einem zumeist regulären Muster von Markierungen in Form eines regelmäßigen Rasters bekannt, auf denen meist ein zentral angeordnetes Kalibrierelement vorhanden ist. Nachteil bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kalibriermustern ist, dass diese sensibel gegenüber Unschärfe oder großen Helligkeitsunterschieden bei der Aufnahme sind, sodass das Probleme bei der Detektion des Kalibrierelements auftreten können.

Auf einem erfindungsgemäßen Kalibrierträger 10 ist ein reguläres rasterförmiges Muster mit einer Anzahl von Positionen 11a auf der Oberfläche 100 des Kalibrierträgers 10 vorgegeben, und unter den Positionen 11a des rasterförmigen Musters sind drei Kalibrierpositionen 13a ausgewählt.

Fig. 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Kalibrierträger 10, auf dessen Oberfläche 100 eine Anzahl von Positionen 11a mit Markierungen 11 für die Erstellung einer Kalibrieraufnahme in Form eines regulären rasterförmigen Musters angeordnet ist. Bei den Markierungen 11 des Musters handelt es sich im gezeigten Ausführungsbeispiel um Punkte, welche rasterförmig an den Positionen 11a auf der Oberfläche 100 des Kalibrierträgers 10 aufgedruckt sind. Das Muster von Markierungen 11 ist dabei als ein reguläres quadratisches Muster ausgebildet.

Die Kalibrierpositionen 13a sind bei einem erfindungsgemäßen Kalibrierträger 10 nicht-kollinear auf dessen Oberfläche 100 angeordnet und weisen einen Abstand von mehr als einem, insbesondere zumindest zwei, Rasterabständen zueinander auf. Die asymmetrische Anordnung der Kalibrierpositionen 13a ist weiters weder durch Rotation noch durch Spiegelung noch durch eine Kombination von Spiegelung und Rotation in sich selbst überführbar.

An Positionen 11a des Musters, die keine Kalibrierpositionen 13a sind, sind Markierungen 11 auf dem Kalibrierträger 10 angeordnet und an den Kalibrierpositionen 13a weist der Kalibrierträger 10 eine von den Markierungen 11 abweichende Oberflächenbeschaffenheit oder Farbe auf. Insbesondere sind Sondermarkierungen 13 an den Kalibrierpositionen 13a angeordnet, die sich in Form, Farbe oder Größe von den Markierungen 11 des Musters unterscheiden.

Alternativ kann die Oberfläche des Kalibrierträgers 10 an den Kalibrierpositionen 13a auch frei von Markierungen 11 sein, sodass an den Kalibrierpositionen 13a Fehlstellen im Muster von Markierungen 11 auftreten bzw. dass an den Kalibrierpositionen 13a die Oberfläche 100 des Kalibrierträgers 10 in Farbe und Oberflächenbeschaffenheit dem von Markierungen 11 freien Teil der Oberfläche 100 des Kalibrierträgers 10 entspricht.

Diese Eigenschaften gewährleisten, dass die drei Kalibrierpositionen 13a eines erfindungsgemäßen Kalibrierträgers 10 zuverlässig auch in unscharfen oder durch große Helligkeitsunterschiede verfälschten Aufnahmen 20 des Kalibrierträgers 10 zu detektieren sind.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind an den Kalibrierpositionen 13a Sondermarkierungen 13 angeordnet, die ein Kalibrierelement 12 bilden und sich in Form und Größe von den übrigen Markierungen 11 des Musters unterscheiden. Die Sondermarkierungen 13 des Kalibrierelements 12 sind als Rechtecke ausgebildet, die eine größere Fläche einnehmen als die übrigen, punktförmigen Markierungen 11 des Musters.

Alternativ kann das Muster von Markierungen 11 ein reguläres orthogonales Muster (Fig. 4a bis Fig. 4f) oder ein reguläres hexagonales Muster (Fig. 5a bis Fig. 5e) sein. Die Sondermarkierungen 13 des Kalibrierelements 12 können alternativ auch kleiner als die übrigen Markierungen 11 des Musters sein und/oder eine andere Farbe aufweisen als die übrigen Markierungen 11 des Musters.

Vorteile eines Kalibrierträgers 10 mit einer derartigen Anordnung von Kalibrierpositionen 13a, bzw. einem derartigen Kalibrierelement 12, sind, dass nur die Kalibrierpositionen 13a bzw. das Kalibrierelement 12 bei der Erstellung einer Kalibrieraufnahme klar erkennbar sein müssen bzw. muss, während die Ränder des Kalibrierträgers 10 auch verdeckt oder verzerrt abgebildet sein können. Weiters ermöglicht die asymmetrische Anordnung der Kalibrierpositionen 13a, Spiegelungen in Aufnahmen des Kalibrierträgers 10 zu erkennen.

Sind bei der Erstellung einer Kalibrieraufnahme die Kalibrierpositionen 13a bzw. das Kalibrierelement 12 klar erkennbar, gewährleistet dies eine exakte Positionierung des Kalibrierträgers 10 gegenüber der Bildaufnahmeeinheit 2a, 2b, 2c und eine exakte Zuordnung der übrigen Markierungen 11 des Musters auf dem Kalibrierträger 10, sodass beispielsweise auch verzerrt abgebildete Markierungen 11 zur Ermittlung der Kameraparametern oder der Linsenverzerrung einer Bildaufnahmeeinheit 2a, 2b, 2c verwendet werden können.

Der Kalibrierträger 10 ist in Fig. 1 aus Glas gefertigt und weist eine ebene Oberfläche 100 auf. Alternativ kann der Kalibrierträger 10 auch beispielsweise aus Keramik oder Metall hergestellt sein.

Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau einer Anordnung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Identifikation eines Musters mit einer Anzahl von Positionen 11a auf der Oberfläche eines Kalibrierträgers 10 für zumindest eine Bildaufnahmeeinheit 2a, 2b, 2c. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind drei Bildaufnahmeeinheiten 2a, 2b, 2c aus verschiedenen Positionen im Raum auf den Kalibrierträger 10 gerichtet.

Bei der Bildaufnahmeeinheit 2a wird dabei das in einem Spiegel 4 reflektierte Spiegelbild zumindest eines Ausschnitts des Kalibrierträgers 10 aufgenommen. Die Bildaufnahmeeinheit 2b ist senkrecht auf den Kalibrierträger 10 gerichtet, während die Bildaufnahmeeinheit 2c ein Abbild des Kalibrierträgers 10 unter einem Winkel aufnimmt. Der Kalibrierträger 10 in Fig. 2 entspricht dem in Fig. 1 dargestellten Kalibrierträger 10 mit einem Muster mit einer Anzahl von Positionen 11a mit Markierungen 11 und drei Kalibrierpositionen 13a mit Sondermarkierungen 13, die ein Kalibrierelement 12 bilden.

Als erster Verfahrensschritt wird eine Aufnahme 20 des Kalibrierträgers 10 mit einer Bildaufnahmeeinheit 2a, 2b, 2c erstellt. Fig. 3a zeigt eine Aufnahme 20 des in Fig. 1 und

Fig. 2 dargestellten Kalibrierträgers 10, wobei in der Aufnahme 20 Abbilder 21a der Positionen 11a des Musters und Abbilder 21 der Markierungen 11 des Musters des Kalibrierträgers 10 abgebildet sind. Dabei ist zu erkennen, dass auf dem Abbild 20 das reguläre rasterförmige Muster verzerrt dargestellt ist. Die Abbilder 23a der Kalibrierpositionen 13, sowie die Abbilder 23 der Sondermarkierungen 13 des Kalibrierelements 12 sind in Fig. 3a ebenfalls verzerrt abgebildet.

Im nächsten Verfahrensschritt werden die Abbilder 21a der Positionen 11a des Musters in der Aufnahme 20 detektiert. Dazu werden im gezeigten Ausführungsbeispiel die Abbilder 21 der Markierungen 11 des Musters in der Aufnahme 20 detektiert und jeweils deren Mittelpunkt als Abbild 21a einer Position 11a festgelegt.

Anschließend werden in der Aufnahme 20 die Abbilder 23a der Kalibrierpositionen 13a in der Aufnahme 20 identifiziert. Dazu werden im gezeigten Ausführungsbeispiel die Positionen der Abbilder 23 der Sondermarkierungen 13 des Kalibrierelements 12 identifiziert. Dabei ist durch die asymmetrische Anordnung von nur drei Sondermarkierungen 13 auf dem erfindungsgemäßen Kalibrierträger 10 eine robustere und raschere Identifikation der Abbilder 23 der Sondermarkierungen 13 gewährleistet, als bei herkömmlichen Kalibrierträgern 10 mit einer größeren Anzahl an Sondermarkierungen 13.

Nach der Identifikation der Abbilder 23a der Kalibrierpositionen 13a wird eine affine Bildtransformation T bestimmt, wobei die affine Bildtransformation T eine robuste Approximation an die perspektivische Bildtransformation darstellt, die Abbilder 23a der Kalibrierpositionen 13a in eine vorab vorgegebene Standardausführung überführt. Bei der vorab vorgegebenen Standardausrichtung entsprechen die Abbilder 23a der Kalibrierpositionen 13a der bekannten Lage 31, 32, 33 der Kalibrierpositionen 13a bzw. der Sondermarkierungen 13 des Kalibrierelements 12 in Bezug auf den Kalibrierträger 10.

Durch die oben beschriebene Anordnung der Kalibrierpositionen 13a auf dem Kalibrierträger 10 ist gewährleistet, dass keine perspektivische Bildtransformation T ermittelt werden kann, die die Abbilder 23a der Kalibrierpositionen 13a in die bekannte Lage 31, 32, 33 der Kalibrierpositionen 13a in Bezug auf den Kalibrierträger 10 überführt, die nicht gleichzeitig die Abbilder 21a der Positionen 11a des Musters in die bekannten Positionen 34 der Positionen 11a des Musters in Bezug auf den Kalibrierträger 10 überführt.

In Fig. 3b ist die Anwendung einer derartigen affinen Bildtransformation T auf die Aufnahme 20 des Kalibrierträgers 10 dargestellt. Dabei ist zu erkennen, dass die in der Aufnahme 20 verzerrten Abbilder 23 der Markierungen 13 des Kalibrierelements 12 im Bild 30 durch die Anwendung der Bildtransformation T in eine Standardausrichtung überführt sind, sodass deren Lage der bekannten Lage 31, 32, 33 Kalibrierpositionen 13a bzw. der Sondermarkierungen 13 in Bezug auf den Kalibrierträger 10 entspricht.

Als nächster Verfahrensschritt wird überprüft, ob ausgewählte der unter Anwendung der ermittelten affinen Bildtransformation T bestimmten Positionen 34 der Positionen 11a der Markierungen 11 näherungsweise auf einem regulären rasterförmigen Muster 35 liegen, das dem bekannten Muster mit einer Anzahl von Positionen 11a mit Markierungen 11 des Kalibrierträgers 10 entspricht, wobei beispielsweise ein Abstandsschwellenwert bei der Überprüfung verwendet wird. Insbesondere werden zur Überprüfung ermittelte Positionen 34 der Markierungen 11 herangezogen, die in einer vorgegebenen Umgebung um die Lage 31, 32, 33 der Kalibrierpositionen 13a angeordnet sind.

In der entzerrten Aufnahme 30 in Fig. 3b ist zu sehen, dass die in der Aufnahme 20 verzerrten Abbilder 21 der Markierungen 11 des regulären rasterförmigen Musters des Kalibrierträgers 10 jedenfalls an den ausgewählten Positionen 34 annähernd entzerrt abgebildet sind und lokal das reguläre rasterförmige Muster von Markierungen 11 des Kalibrierträgers 10 widerspiegeln.

Dies wird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch sichergestellt, dass bei der Identifikation der Abbilder 21a der Positionen 11a des Musters im Zentrum der Aufnahme 20 mit der Identifikation potenzieller Abbilder 21a der Positionen 11a bzw. der Abbilder 21 von Markierungen 11 des Musters des Kalibrierträgers 10 begonnen wird.

Anschließend werden die Abbilder 23a der Kalibrierpositionen 13a identifiziert und ausgehend beispielsweise vom Kalibrierelement 12 bzw. den Abbildern 23 der Sondermarkierungen 13 des Kalibrierelements 12 kreisförmig um das Kalibrierelement 12 Abbilder 21a der Positionen 11a des Musters bzw. Abbilder 21 weiterer Markierungen 11 identifiziert. Wann immer drei neue Abbilder 21a identifiziert wurden, wird die lokale Bildtransformation, insbesondere perspektivische oder affine Abbildung T adaptiert, um eine gute lokale Näherung zu gewährleisten. Fehlt beispielsweise an einer Position das Abbild 21 einer Markierung 11, so wird dennoch mit der Identifikation weiterer Abbilder 21 von Markierungen 11 fortgefahren.

Vorteile einer derartigen Identifikation sind, dass der Verfahrensschritt sehr robust abläuft, die Abbilder 21a der Positionen 11a des Musters in der Abbildung 20 möglichst präzise und möglichst vollständig identifiziert werden können und dass die Identifikation schnell und mit geringer Rechnerleistung abläuft, sodass problemlos auch eine Identifikation von Abbildern 21a in mehreren Tausend Aufnahmen 20 in kurzer Zeit hintereinander ausgeführt werden kann.

Weitere Vorteile sind, dass zur Durchführung der Identifikation Standardalgorithmen, wie sie beispielsweise in der Bibliothek OpenCV enthalten sind, verwendet werden können und die Identifikation sehr robust gegenüber Defokusierung ist, da ausgehend vom Zentrum einer Aufnahme 20 die Abbilder 21a der Positionen 11a detektiert bzw. die Abbilder 23a der Kalibrierpositionen 13a identifiziert werden.

Dabei können zur Identifikation der Abbilder 23a der Kalibrierpositionen 13a die größten oder kleinsten aufgenommenen Abbilder 21, 23 von Markierungen 11, 13 als Abbilder 23 von Sondermarkierungen 13 eines Kalibrierelements 12 in einer Aufnahme 20 identifiziert werden. Dazu wird vorzugsweise die Größe der Abbilder 21, 23 von Markierungen 11, 13 relativ zu beispielsweise vier benachbarten Abbildern 21, 23 von Markierungen 11, 13 bestimmt und jeweils die drei größten bzw. kleinsten Abbilder 21, 23 als Abbilder 23 einer Sondermarkierung 13 in der Aufnahme 20 identifiziert.

Dadurch werden auch Abbilder 21, 23 von Markierungen 11, 13, die unscharf oder verzerrt in der Aufnahme 20 zu erkennen sind, korrekt als Abbild 21 einer Markierung 11 des Musters oder als Abbild 23 einer Sondermarkierung 13 des Kalibrierelements 12 identifiziert. Als Abbilder 23a der Kalibrierpositionen 13a wird jeweils der Mittelpunkt eines Abbilds 23 einer Sondermarkierung 13 ermittelt.

So ist ausgeschlossen, dass Abbilder 21 von Markierungen 11 des Musters, welche sich beispielsweise am Rand des Kalibrierträgers 10 befinden und in der Aufnahme 20 perspektivisch verzerrt und beispielsweise größer abgebildet sind, als Abbilder 23 der Sondermarkierung 13 des Kalibrierelements, fälschlicherweise ebenfalls als Abbilder 23 der Sondermarkierung 13 identifiziert werden.

Alternativ können zur Identifikation der Abbilder 23a der Kalibrierpositionen 13a bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die aufgenommenen Abbilder 21, 23 von Markierungen 11, 13, die eine andere Farbe als die übrigen Abbilder 21, 13 von Markierungen 11, 13 haben, oder deren Farbe einer vorgegebenen Farbe entspricht, als Abbilder 23 der

Sondermarkierungen 13 des Kalibrierelements 12 in der Aufnahme 20 identifiziert werden. Als Abbilder 23a der Kalibrierpositionen 13a wird jeweils der Mittelpunkt eines Abbilds 23 einer Sondermarkierung 13 ermittelt.

Alternativ können zur Identifikation der Abbilder 23a der Kalibrierpositionen 13a bei einem erfindungsgemäßen Verfahren aufgrund von bereits identifizierten Abbildern 21 von Markierungen 11 die Lage des Musters in der Aufnahme 20 sowie einzelne Musterpositionen ermittelt werden und Musterpositionen, an denen keine Abbilder 21 von Markierungen 11 des Musters erkannt wurden, als Abbilder 23a der Kalibrierpositionen 13a in der Aufnahme 20 identifiziert werden. Das heißt, dass in der Aufnahme 20 Fehlstellen im regulären rasterförmigen Muster von Markierungen 11 auf dem Kalibrierträger 10 als Abbilder 23a von Kalibrierpositionen 13a identifiziert werden.

Bei der affinen Bildtransformation T handelt es sich um einen Sonderfall einer perspektivischen Bildtransformation. Bei einer affinen Bildtransformation bzw. Abbildung, handelt es sich um eine Abbildung zwischen zwei affinen Räumen, bei der Kollinearität, Parallelität und Teilverhältnisse bewahrt bleiben oder gegenstandslos werden. Somit liegen Abbilder von kollinearen Punkten, d.h. Punkten, die auf einer Geraden liegen, ebenfalls auf einer Geraden, wobei die Teilverhältnisse zwischen den Bildpunkten den Teilverhältnissen zwischen den Punkten im Urbild entsprechen, oder die Punkte auf einer Geraden werden auf einen Punkt abgebildet. Die Abbilder zweier paralleler Geraden sind parallel, sofern keine der beiden Geraden auf einen Punkt abgebildet wird.

Daher sind nur drei Kalibrierpositionen 13a bzw. Sondermarkierungen 13 zur Überführung der Abbilder 23a der Kalibrierpositionen 13a bzw. der Abbilder 23 der

Sondermarkierungen 13 des Kalibrierelements 12 in die Standardausrichtung notwendig. Mit Hilfe der drei Kalibrierpositionen 13a bzw. Sondermarkierungen 13 des

Kalibrierelements 12 können eine etwaige Scherung, Rotation oder Spiegelung in der Abbildung 20 in Bezug auf den Kalibrierträger 10 einfach und zuverlässig korrigiert werden.

Bei anderen perspektivischen Bildtransformationen werden vier Kalibrierpositionen 13a bzw. Sondermarkierungen 13 eines Kalibrierelements 12 benötigt, um diese Effekte zuverlässig zu korrigieren. Dies bedeutet, dass ein erfindungsgemäßes Verfahren unter Verwendung einer affinen Bildtransformation stabiler und schneller abläuft, da weniger Parameter zu bestimmen sind. Dafür müssen die affinen Näherungen an die tatsächliche perspektivische Abbildung in jedem Schritt angepasst werden.

Ein erfindungsgemäßes Kalibrierelement 12 kann vorteilhafterweise auch als Aufkleber ausgestaltet sein und somit einfach auf einem Standardkalibrierträger mit einem Muster von Markierungen 11 nachträglich platziert werden. Das Kalibrierelement 12 weist dabei drei nicht-kollineare Sondermarkierungen 13 auf, die auf dem Muster von Markierungen 11 eines Standardkalibrierträgers angeordnet werden können und sich von den übrigen Markierungen 11 insbesondere in Form, Farbe oder Größe unterscheiden.

Die Sondermarkierungen 13 des Kalibrierelements 12 weisen dabei einen Abstand von mehr als einem, insbesondere zumindest zwei, Rasterabständen zueinander auf und die Anordnung der Sondermarkierungen 13 des Kalibrierelements 12 ist weder durch Rotation noch durch Spiegelung noch durch eine Kombination davon in sich selbst überführbar.

Fig. 4a bis Fig. 4f zeigen Beispiele regulärer quadratischer Muster von Positionen 11a mit Markierungen 11 unter denen jeweils drei nicht-kollineare Kalibrierpositionen 13a ausgewählt sind, die Sondermarkierungen 13 in Form eines Kalibrierelements 12 auf dem Muster von Markierungen 11 aufweisen. Dabei zeigen Fig. 4a bis Fig. 4d Kalibrierelemente 12, bei denen die drei Sondermarkierungen 13 den kleinstmöglichen Abstand zueinander aufweisen, und weder durch Rotation noch Spiegelung oder eine Kombination in sich selbst überführbar sind. Die Fig. 4e und 4f zeigen jeweils Beispiele für ein erfindungsgemäßes Kalibrierelement 12, bei dem die Sondermarkierungen 13 größere Rasterabstände zueinander aufweisen.

In den Fig. 5a bis Fig. 5e sind Beispiele regulärer hexagonaler Muster von Positionen 11a mit Markierungen 11 unter denen jeweils drei nicht-kollineare Kalibrierpositionen 13a ausgewählt sind, die Sondermarkierungen 13 in Form eines Kalibrierelements 12 auf dem Muster von Markierungen 11 aufweisen. Fig. 5a und Fig. 5b zeigen Beispiele für Kalibrierelemente 12 mit einem kleinstmöglichen Rasterabstand zwischen den drei nicht-kollinearen Sondermarkierungen 13 des Kalibrierelements 12.

In den Fig. 5c bis Fig. 5e sind jeweils Beispiele für Kalibrierelemente 12 mit größeren Rasterabständen zueinander dargestellt und in allen Fig. 5a bis Fig. 5e ist die Anordnung der Sondermarkierungen 13 des Kalibrierelements 12 derart gewählt, dass sie weder durch Rotation noch durch Spiegelung oder eine Kombination davon in sich selbst überführbar sind.

Die Sondermarkierungen 13 sind in den in Fig. 4a bis Fig. 4f und Fig. 5a bis Fig. 5e gezeigten Ausführungsbeispielen als kreisförmige Markierungen, die größer sind und eine andere Farbe aufweisen als die übrigen Markierungen 11 des Musters, dargestellt. Alternativ können die Sondermarkierungen 13 des Kalibrierelements 12 jedoch auch kleiner als die übrigen Markierungen 11 des Musters sein oder die Kalibrierpositionen 13a sind an Musterpositionen im Muster von Positionen 11a angeordnet, an denen keine Markierungen 11 vorhanden sind.

Kalibrierträger 10 mit erfindungsgemäßen Kalibrierpositionen 13a bzw. einem erfindungsgemäßen Kalibrierelement 12 und erfindungsgemäße Verfahren zur Identifikation eines Musters von Positionen 11a auf der Oberfläche 100 eines Kalibrierträgers 10 für zumindest eine Bildaufnahmeeinheit 2a, 2b, 2c können zur Bestimmung der intrinsischen und extrinsischen Kameraparameter, wie beispielsweise der optischen Verzerrung oder der Brennweite, verwendet werden.

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   1. Kalibrierträger (10) für die Erstellung einer Kalibrieraufnahme, der ein reguläres rasterförmiges Muster mit einer Anzahl von Positionen (11a) auf einer, insbesondere ebenen, Oberfläche (100) des Kalibrierträgers (10) für die Erstellung der Kalibrieraufnahme aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass drei Kalibrierpositionen (13a) auf dem Kalibrierträger (10) vorgegeben sind, wobei - die Kalibrierpositionen (13a) unter den Positionen (11a) des rasterförmigen Musters auf dem Kalibrierträger (10) ausgewählt sind, - die Kalibrierpositionen (13a) nicht-kollinear auf dem Kalibrierträger (10) angeordnet sind und einen Abstand von mehr als einem, insbesondere zumindest zwei, Rasterabständen zueinander aufweisen, und - die Anordnung der Kalibrierpositionen (13a) weder durch Rotation, noch durch Spiegelung, noch durch eine Kombination von Spiegelung und Rotation, in sich selbst überführbar ist, und der Kalibrierträger (10) an Positionen (11a) des Musters, die keine Kalibrierpositionen (13a) sind, Markierungen (11) aufweist und an den Kalibrierpositionen (13a) eine von den Markierungen (11) abweichende Oberflächenbeschaffenheit oder Farbe, insbesondere Sondermarkierungen (13), aufweist.
2. 2. Kalibrierträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster von Positionen (11a) mit Markierungen (11) ein reguläres orthogonales, insbesondere quadratisches, Muster oder ein reguläres hexagonales Muster ist.
3. 3. Kalibrierträger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Kalibrierträgers (10) an den Kalibrierpositionen (13a) frei von Markierungen (11) ist, oder an den Kalibrierpositionen (13a) Sondermarkierungen (13) angeordnet sind, die ein Kalibrierelement (12) bilden, wobei die Sondermarkierungen (13) - größer oder kleiner als die Markierungen (11) an den Positionen (11a) des Musters sind und/oder - eine andere Farbe und/oder Form aufweisen, als die Markierungen (11) an den Positionen (11a) des Musters.
4. 4. Verfahren zur Identifikation eines Musters mit einer Anzahl von Positionen (11a) auf der Oberfläche (100) eines Kalibrierträgers (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für zumindest eine Bildaufnahmeeinheit (2a, 2b, 2c), wobei a) eine Aufnahme (20) des Kalibrierträgers (10) mit der Bildaufnahmeeinheit (2a, 2b, 2c) erstellt wird, b) die Abbilder (21a) der Positionen (11a) des Musters in der Aufnahme (20) detektiert werden, insbesondere indem die Abbilder (21) der Markierungen (11) des Musters in der Aufnahme (20) detektiert und jeweils deren Mittelpunkt als Abbild (21a) einer Position (11a) festgelegt wird, c) die Abbilder (23a) der Kalibrierpositionen (13a) in der Aufnahme (20) identifiziert werden, insbesondere durch Identifikation der Position der Abbilder (23) der Sondermarkierungen (13) des Kalibrierelements (12) in der Aufnahme (20), d) eine affine Bildtransformation (T) bestimmt wird, die die Abbilder (23a) der Kalibrierpositionen (13a) in eine vorab vorgegebene und der bekannten Lage (31, 32, 33) der Kalibrierpositionen (13a) in Bezug auf den Kalibrierträger (10) entsprechende Standardausrichtung überführt, und e) überprüft wird, ob ausgewählte der unter Anwendung der ermittelten affinen Bildtransformation (T) bestimmten, insbesondere in einer vorgegebenen Umgebung um die Lage (31, 32, 33) der Kalibrierpositionen (13a) angeordneten, Positionen (34) der Abbilder (21a) der Positionen (11a) des Musters näherungsweise auf einem regulären rasterförmigen Muster (35) liegen, das dem bekannten rasterförmigen Muster des Kalibrierträgers (10) entspricht.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) zur Identifikation der Abbilder (23a) der Kalibrierpositionen (13a) in der Aufnahme (20) die größten oder kleinsten aufgenommenen Abbilder (21, 23) von Markierungen (11, 13) als Abbilder (23) der Sondermarkierungen (13) des Kalibrierelements (12) in der Aufnahme (20) identifiziert werden, wobei vorzugsweise die Größe der Abbilder (21, 23) von Markierungen (11, 13) relativ zu ihren, vorzugsweise vier, benachbarten Abbildern (21, 23) von Markierungen (11, 13) bestimmt wird, und jeweils der Mittelpunkt der Abbilder (23) der Sondermarkierungen (13) als Abbild (23a) einer Kalibrierposition (13a) festgelegt wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) zur Identifikation der Abbilder (23a) der Kalibrierpositionen (13a) in der Aufnahme (20) die aufgenommenen Abbilder (21, 23) von Markierungen (11, 13), die eine andere Farbe oder Form als die übrigen Abbilder (21, 23) von Markierungen (11, 13) aufweisen oder deren Farbe einer vorgegebenen Farbe entspricht, als Abbilder (23) der Sondermarkierungen (13) des Kalibrierelements (12) in der Aufnahme (20) identifiziert werden, und jeweils der Mittelpunkt der Abbilder (23) der Sondermarkierungen (13) als Abbild (23a) einer Kalibrierposition (13a) festgelegt wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) aufgrund von bereits identifizierten Abbildern (21) von Markierungen (11) die Lage des Musters in der Aufnahme (20) sowie einzelne Musterpositionen ermittelt werden und Musterpositionen, an denen keine Abbilder (21) von Markierungen (11) des Musters erkannt wurden, als Abbilder (23a) der Kalibrierpositionen (13a) in der Aufnahme (20) identifiziert werden.