[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum geometrischen Kalibrieren von optoelektronischen Messbildkameras gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 4.
[0002] Optoelektronische Messbildkameras umfassen typischerweise mindestens einen CCD- oder CMOS-Zeilen- oder Matrix-Sensor, der das einfallende Licht in elektrische Signale umwandelt. Nachfolgend wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit von CCD-Zeilen-Sensoren gesprochen, wobei die Aussagen auch auf andere Sensorentypen übertragbar sind.
[0003] Bei der geometrischen Kalibrierung von CCD-Messbildkameras besteht die Aufgabe darin, jedem CCD-Pixel seine Winkelkoordinaten (Azimut und Elongation) bezüglich der optischen Achse der Kamera zuzuordnen.
[0004] Es gibt dazu eine Reihe von üblichen Verfahren.
Sehr gebräuchlich ist die geometrische Kalibrierung einer Messbildkamera mit Hilfe eines Kollimators. Hierbei befindet sich im Brennpunkt des Kollimators ein punktförmiger Lichtfleck, dessen Licht den Kollimator als nahezu paralleles Licht verlässt. Die zu kalibrierende Kamera ist auf dieses aus dem Kollimator austretende Licht ausgerichtet. Damit wird auf der Fokalebene der Kamera dieser Punkt wieder abgebildet.
Seine Grösse entspricht dem Verhältnis der Brennweiten des Kollimators und der zu kalibrierenden Kamera. Üblicherweise hat der Kollimator gegenüber der zu kalibrierenden Kamera eine wesentlich längere Brennweite, wodurch der mit Hilfe eines Pinholes realisierte Leuchtfleck im Kollimator üblicherweise wesentlich verkleinert auf die Fokalebene der Kamera abgebildet wird.
[0005] Während der Kalibrierung befindet sich die Kamera auf einem Manipulator, der in zwei zueinander senkrechten Ebenen gedreht werden kann. Die Eintrittspupille der zu kalibrierenden Optik befindet sich dabei im Drehpunkt des Manipulators. Der Nullpunkt der Winkelkoordinaten (Azimut und Elongation) bezüglich der optischen Achse der Kamera wird durch Justierung der Kamera in Bezug auf die optische Achse des Manipulators festgelegt.
Hierzu dient ein Justierspiegel, d.h. ein Planspiegel, der fest und langzeitstabil mit der Kamera so verbunden ist, dass die Spiegelfläche senkrecht zur optischen Achse der Kamera ausgerichtet ist. In der Grundausrichtung der Kamera auf dem Manipulator muss sich dann nicht nur die Eintrittspupille des Manipulators im Drehpunkt der Kamera befinden, sondern auch die optische Achse des Manipulators muss senkrecht zum Kamerajustierspiegel stehen. Nach der erfolgreichen Justierung des Zustandes wird ein bestimmtes charakteristisches CCD-Pixel (z.B. das Mittelpixel einer CCD-Zeile) durch Schwenken des Manipulators angefahren und die so gefundenen Winkelwerte abgespeichert und als Nullpunkt definiert.
[0006] Während des weiteren Kalibrierprozesses werden die Winkel für Azimut und Elongation für alle weiteren Pixel der zu kalibrierenden Fokalebene gemessen und abgespeichert.
In der realen Messpraxis werden bei CCD-Zeilen nicht alle, sondern nur einige Punkte (z.B. 11) exakt vermessen und die Winkelkoordinaten der restlichen Punkte rechnerisch bestimmt. Bei einer Fokalebene mit beispielsweise 4 CCD-Zeilen wären dann 44 Punkte zu vermessen. Das wird für wissenschaftliche Zwecke auch so gemacht, ist aber so zeitaufwendig, dass es zur geometrischen Kalibrierung von industriell gefertigten Messbildkameras nicht durchführbar ist.
[0007] Aus der DE 19 727 281 C1 ist eine Vorrichtung zur geometrischen Kalibrierung von CCD-Kameras bekannt, umfassend eine kohärente Lichtquelle und ein synthetisches Hologramm zur Erzeugung einer wohldefinierten Teststruktur, wobei die kohärente Lichtquelle und das Hologramm derart zueinander angeordnet sind,
dass bei Beleuchtung des Hologramms durch die kohärente Lichtquelle das Hologramm eine dreidimensionale Teststruktur um die Fokalebene der CCD-Kamera herum erzeugt. Die kohärente Lichtquelle ist dabei als Laser oder parallele Weisslichtquelle ausgebildet. Diese prinzipiell sehr vorteilhafte Lösung ist in der praktischen Umsetzung relativ komplex, da entsprechende Kenntnisse zur Herstellung des Hologramms erforderlich sind.
[0008] Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum geometrischen Kalibrieren von optoelektronischen Messbildkameras zu schaffen, die bei einem einfachen Aufbau eine exakte Kalibrierung erlauben.
[0009] Die Lösung des technischen Problems ergibt sich mittels der Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 4.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
[0010] Das Mittel zur Erzeugung der Teststruktur ist als Doppel-Spaltblende ausgebildet, wobei die beiden Spalte aufeinander senkrecht stehen. Dadurch werden zwei zueinander senkrecht stehende Beugungsbilder erzeugt, die voneinander unabhängig sind, was die Auswertung erheblich erleichtert. Prinzipiell müssen die beiden Spalte nicht senkrecht aufeinanderstehen, wobei dann jedoch ein Lichtmuster in einem Winkel über dem optoelektronischen Sensor verläuft, was wiederum die Auswertung erschwert.
[0011] Dabei wird ausgenutzt, dass die Beugungsbilder eines Spaltes eine Lichtstruktur bilden, deren Helligkeitsverteilung einer analytisch bestimmbaren Winkelzuordnung entspricht. Dabei kann nach Definition eines Nullpunktes durch eine einzige Messung die gesamte Fokalebene kalibriert werden.
Dabei wird ausgenutzt, dass sich in der Richtung senkrecht zum Spalt eine Lichtstruktur bildet, deren Intensität mit einer sin x/x-Charakteristik symmetrisch zum Spalt variiert. Bei Verwendung von monochromatischem Licht bekannter Wellenlänge sowie bekannter Spaltbreite und Brennweite sind dabei die Nulldurchgänge mit mathematischer Exaktheit berechenbar. Bei einer Spaltbreite von 0,5 mm und einer Wellenlänge von 500 nm wiederholen sich die Nulldurchgänge der Spaltfunktion äquidistant alle 0,1 mm. Allgemein lässt sich die Intensität beschreiben durch
<EMI ID=2.0>
b = Spaltbreite, f = Brennweite der Optik, lambda = Wellenlänge der Lichtquelle.
Als Randbedingung muss dabei beachtet werden, dass der Intensitätsunterschied zwischen zwei Pixeln grösser als die Unterscheidungsstufe der radiometrischen Auflösung ist, was aber bei typischen Auflösungen von 10 Bit (1024 Graustufen) kein Problem darstellt. Aufgrund der Stetigkeit der Funktion ist es dabei ausreichend, wenn dieses Kriterium im Nulldurchgang der Verteilung zu den beiden benachbarten Pixeln erfüllt ist. Es sei angemerkt, dass neben einem Spalt noch andere beugende Strukturen in Frage kommen, wenn diese eine eindeutige mathematisch errechnete Winkelbeziehung in der Beugungsstruktur aufweisen. Voraussetzung für diese eindimensionale Intensitätsverteilung ist die Annahme, dass der Spalt eine unendliche Länge aufweist.
Bei endlicher Spaltbreite entsteht eine zweidimensionale Verteilung, die prinzipiell verwendbar ist, jedoch eine etwas komplexere Berechnung erfordert. Daher wird vorzugsweise die Spaltlänge grösser/gleich dem Durchmesser der Optik gewählt, so dass die Annahme eines unendlich langen Spaltes gerechtfertigt ist.
[0012] Weiter ist die Breite der Spalte veränderbar. Hierdurch kann einerseits eine Feinabstimmung erfolgen, so dass beispielsweise die Minima möglichst zentral ein Pixel treffen. Andererseits kann hierdurch sehr einfach und schnell eine zweite Messung durchgeführt werden, um mittels Korrelation die geometrische Kalibrierung zu verbessern.
Selbstverständlich können auch mehr als zwei Messungen durchgeführt werden.
[0013] In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wellenlänge der Lichtquelle veränderbar.
[0014] Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>eine Teildarstellung der Intensitätsverteilung einer Beugungsstruktur an einem Spalt und
<tb>Fig. 2<sep>eine schematische Darstellung zum geometrischen Kalibrieren einer optoelektronischen Messbildkamera.
[0015] In der Fig. 1 ist die Intensität der Beugungsstruktur an einem Spalt über dem Abstand dargestellt, wobei die Wellenlänge lambda = 500 nm, die Brennweite der Optik f = 0,1 m und die Spaltbreite b = 0,5 mm beträgt, wobei der Abstand in m dargestellt ist. Wie man erkennt, weist die Intensitätsverteilung alle 0,1 mm ein Minimum auf. Ist der Spalt in Y-Richtung ausgerichtet, so stellt sich die dargestellte Intensitätsverteilung in X-Richtung ein.
[0016] In der Fig. 2 ist nun schematisch die Vorrichtung 1 zum Kalibrieren einer optoelektronischen Messbildkamera dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst eine kohärente, monochromatische Lichtquelle 2, eine Doppel-Spaltblende 3 und eine Messbildkamera 4.
Die Messbildkamera 4 umfasst eine Optik 5 und eine Fokalebene 6, auf der mindestens ein optoelektronischer Sensor 7 angeordnet ist. Die Doppel-Spaltblende 3 umfasst einen Spalt, der sich in X-Richtung erstreckt, und einen Spalt der sich in Y-Richtung erstreckt. Es sein nun angenommen, dass auf der Fokalebene 6 mehrere CCD-Zeilen angeordnet sind, die sich in X-Richtung erstrecken.
[0017] Die Doppel-Spaltblende wird durch die, beispielsweise als Laser ausgebildete Lichtquelle 2 beleuchtet. Aufgrund des Spaltes in Y-Richtung wird ein Beugungsmuster in X-Richtung erzeugt. Dieses Beugungsmuster wird über die Optik 5 auf die Fokalebene 6 bzw. die optoelektronischen Sensoren 7 abgebildet.
Da das Beugungsmuster theoretisch unendlich lang ist, wird die CCD-Zeile über die volle Länge beleuchtet, wobei jedoch praktisch sicherzustellen ist, dass die Intensität an den Rändern der CCD-Zeile noch ausreichend gross ist im Verhältnis zur radiometrischen Auflösung der CCD-Zeile. Kann dies nicht gewährleistet werden, so muss die geometrische Länge der Randpixel durch die anderen Werte extrapoliert werden. Entsprechend liefert der Spalt in X-Richtung ein Beugungsmuster in Y-Richtung, so dass die CCD-Zeilen auch in Y-Richtung geometrisch kalibriert werden können. Anschliessend werden die CCD-Zeilen ausgelesen. Da die Orte der Nullpunkte exakt ermittelbar sind, kann auch die geometrische Lage jedes Pixels in X- und Y-Richtung exakt bestimmt werden.
The invention relates to a device and a method for geometric calibration of optoelectronic measuring cameras according to the preamble of claim 1 and of claim 4.
Optoelectronic gauging cameras typically include at least one CCD or CMOS line or matrix sensor that converts the incident light into electrical signals. The following is spoken without limiting the generality of CCD line sensors, the statements are also applicable to other types of sensors.
In the geometric calibration of CCD measuring cameras, the task is to assign each CCD pixel its angular coordinates (azimuth and elongation) with respect to the optical axis of the camera.
There are a number of conventional methods.
Very common is the geometric calibration of a camera with the help of a collimator. Here, at the focal point of the collimator is a point-shaped light spot whose light leaves the collimator as a nearly parallel light. The camera to be calibrated is aligned with this light emerging from the collimator. Thus, this point is reproduced on the focal plane of the camera again.
Its size corresponds to the ratio of the focal lengths of the collimator and the camera to be calibrated. Usually, the collimator has a much longer focal length relative to the camera to be calibrated, whereby the light spot realized with the aid of a pinhole is usually imaged in the collimator in a substantially reduced manner onto the focal plane of the camera.
During calibration, the camera is on a manipulator that can be rotated in two mutually perpendicular planes. The entrance pupil of the optical system to be calibrated is located in the pivot point of the manipulator. The zero point of the angular coordinates (azimuth and elongation) with respect to the optical axis of the camera is determined by adjusting the camera with respect to the optical axis of the manipulator.
An adjustment mirror, i. a plane mirror that is firmly and long-term stable connected to the camera so that the mirror surface is aligned perpendicular to the optical axis of the camera. In the basic orientation of the camera on the manipulator then not only the entrance pupil of the manipulator must be located in the pivot point of the camera, but also the optical axis of the manipulator must be perpendicular to the camera leveling mirror. After successful adjustment of the state, a certain characteristic CCD pixel (e.g., the center pixel of a CCD line) is approached by panning the manipulator and storing the angle values thus found and defined as zero point.
During the further calibration process, the angles for azimuth and elongation for all other pixels of the focal plane to be calibrated are measured and stored.
In real measuring practice not all, but only a few points (for example 11) are measured with CCD lines and the angular coordinates of the remaining points are determined by calculation. For a focal plane with 4 CCD lines, for example, 44 points would have to be measured. This is done for scientific purposes, but is so time consuming that it is not feasible for the geometric calibration of industrially manufactured measuring cameras.
From DE 19 727 281 C1 a device for the geometric calibration of CCD cameras is known, comprising a coherent light source and a synthetic hologram for generating a well-defined test structure, wherein the coherent light source and the hologram are arranged to each other,
when the hologram is illuminated by the coherent light source, the hologram generates a three-dimensional test structure around the focal plane of the CCD camera. The coherent light source is designed as a laser or parallel white light source. This solution, which is very advantageous in principle, is relatively complex in practical implementation since appropriate knowledge for producing the hologram is required.
The invention is therefore based on the technical problem of providing a method and an apparatus for geometrically calibrating optoelectronic measuring camera, which allow a precise calibration with a simple structure.
The solution of the technical problem is obtained by means of the objects having the features of claims 1 and 4, respectively.
Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.
The means for generating the test structure is formed as a double-slit diaphragm, wherein the two columns are perpendicular to each other. As a result, two mutually perpendicular diffraction images are generated, which are independent of each other, which greatly facilitates the evaluation. In principle, the two gaps do not have to be perpendicular to one another, in which case, however, a light pattern runs at an angle over the optoelectronic sensor, which in turn makes the evaluation more difficult.
It is exploited that the diffraction images of a gap form a light structure whose brightness distribution corresponds to an analytically determinable angle assignment. In this case, after defining a zero point by a single measurement, the entire focal plane can be calibrated.
It is exploited that forms a light structure in the direction perpendicular to the gap whose intensity varies with a sin x / x characteristic symmetrical to the gap. When using monochromatic light of known wavelength and known gap width and focal length while the zero crossings are calculated with mathematical accuracy. With a gap width of 0.5 mm and a wavelength of 500 nm, the zero crossings of the gap function are repeated equidistantly every 0.1 mm. In general, the intensity can be described by
<EMI ID = 2.0>
b = slit width, f = focal length of the optics, lambda = wavelength of the light source.
As a constraint, it should be noted that the intensity difference between two pixels is greater than the discrimination level of the radiometric resolution, which is not a problem at typical 10-bit (1024 gray scale) resolutions. Due to the continuity of the function, it is sufficient if this criterion is met in the zero crossing of the distribution to the two neighboring pixels. It should be noted that, in addition to a gap, other diffractive structures may also be considered if they have an unambiguously mathematically calculated angular relationship in the diffraction structure. The prerequisite for this one-dimensional intensity distribution is the assumption that the gap has an infinite length.
With a finite gap width, a two-dimensional distribution arises, which can be used in principle, but requires a somewhat more complex calculation. Therefore, the gap length is preferably greater than / equal to the diameter of the optics chosen, so that the assumption of an infinitely long gap is justified.
Further, the width of the column is variable. In this way, on the one hand, a fine-tuning can take place so that, for example, the minima hit a pixel as centrally as possible. On the other hand, a second measurement can be carried out very simply and quickly in order to improve the geometric calibration by means of correlation.
Of course, more than two measurements can be performed.
In a preferred embodiment, the wavelength of the light source is variable.
The invention will be explained in more detail with reference to a preferred embodiment. The figures show:
<Tb> FIG. 1 <sep> a partial representation of the intensity distribution of a diffraction structure at a gap and
<Tb> FIG. 2 <sep> is a schematic representation of the geometric calibration of an optoelectronic measuring camera.
1, the intensity of the diffraction structure is shown at a gap over the distance, wherein the wavelength λ = 500 nm, the focal length of the optics f = 0.1 m and the gap width b = 0.5 mm, where the distance is shown in m. As can be seen, the intensity distribution has a minimum every 0.1 mm. If the gap is aligned in the Y direction, the intensity distribution shown in the X direction is established.
2, the device 1 for calibrating an optoelectronic measuring camera is now shown schematically. The device 1 comprises a coherent, monochromatic light source 2, a double slit diaphragm 3 and a measuring camera 4.
The measuring camera 4 comprises an optic 5 and a focal plane 6, on which at least one optoelectronic sensor 7 is arranged. The double slit diaphragm 3 includes a gap extending in the X direction and a gap extending in the Y direction. Assume now that on the focal plane 6, a plurality of CCD lines are arranged, which extend in the X direction.
The double slit diaphragm is illuminated by, for example, designed as a laser light source 2. Due to the gap in the Y direction, a diffraction pattern is generated in the X direction. This diffraction pattern is imaged via the optics 5 onto the focal plane 6 or the optoelectronic sensors 7.
Since the diffraction pattern is theoretically infinitely long, the CCD line is illuminated over the full length, but it is practically to be ensured that the intensity at the edges of the CCD line is still sufficiently large in relation to the radiometric resolution of the CCD line. If this can not be guaranteed, the geometric length of the boundary pixels must be extrapolated by the other values. Accordingly, the gap in the X direction provides a diffraction pattern in the Y direction, so that the CCD lines can also be geometrically calibrated in the Y direction. Subsequently, the CCD lines are read out. Since the locations of the zero points can be determined exactly, the geometric position of each pixel in the X and Y directions can also be determined exactly.