CN103636201B - 用于确定摄影机的成像偏差的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定摄影机(10)的成像偏差的装置，所述装置具有：所述摄影机(10)，所述摄影机在第一距离(A1)上聚焦；测试结构单元(5)，所述测试结构单元以距所述摄影机(10)的第二距离(A2)设置在所述摄影机(10)的视域(30)中并且所述测试结构单元具有三维表面结构(6)，所述三维表面结构具有校准标记(K1‑Kn)；透镜单元(15)，所述透镜单元以距所述摄影机(10)的第三距离(A3)设置在所述测试结构单元(5)和所述摄影机(10)之间并且如此构造，使得所述三维表面结构(6)可由所述摄影机(10)成像；控制单元(25)，所述控制单元与所述摄影机连接并且如此构造，使得通过分析处理所述三维表面结构(6)的校准标记(K1‑Kn)的所拍摄的图像能够确定所述摄影机(10)的成像偏差。此外，本发明涉及一种用于确定摄影机的成像偏差的方法。
Description
技术领域
本发明涉及用于确定摄影机的成像偏差的装置和方法。
背景技术
在EP 1 376 051 B1中描述了借助校准物体和位置相关传感器对机动车上的图像传感器系统的校准。在此所述的用于校准优选位于机动车上的图像传感器系统的方法使用至少一个测试图像，其中图像传感器系统拍摄测试域以及使用所拍摄的测试域来校准，其中测试域具有校准相关特征，所述校准相关特征具有已知的空间几何布置，并且所述图像传感器系统拍摄所述校准相关特征。
DE 199 62 997 A1描述了一种用于校准传感器系统的方法，借助所述传感器系统在机动车的线路走向中实施物体的检测和分析处理。在所述方法中，借助传感器系统检测物体的特有数据并且将所述数据输送给校准单元，所述数据在考虑车辆的自身运动的情况下被识别为静止的或准静止的物体。在校准单元中，求得当前测量的数据与物体模型的数据的偏差作为误差向量并且为了模型数据在偏差最小化方向上的校正考虑所述偏差。
文献DE 198 15 106 B4描述了一种用于测量摄影机及透镜性能以进行摄影机追踪的方法，其中相对于真实环境和虚拟环境的合成图像中的至少一个真实物体在其中正确地设置至少一个虚拟物体，包括以下步骤：选择摄影机和透镜的接触调节，通过摄影机和透镜拍摄真实环境，以及将代表真实环境的第一视频信号传送给一个共同的显示装置，其中真实环境包含至少一个真实标度。
定焦镜头具有固定的焦点，其具有不变的距离调节。已知的方法是，使具有定焦镜头的摄影机在所谓的超焦距上聚焦。这样的聚焦的特征在于，景深范围位于无穷远和超焦距的一半之间。超焦距由焦距/在摄影机中使用的镜头、图像平面中可接受的模糊圈的直径和光圈值得到。汽车摄影机的超焦距的典型值位于4m和11m之间的范围中。这样的距离不能在制造环境中在检查装置中有意义地实现。
发明内容
本发明实现一种具有权利要求1的特征的用于确定摄影机的成像偏差的装置以及一种具有权利要求10的特征的方法。
在权利要求1中限定了一种用于确定摄影机的成像偏差的装置，其具有在第一距离上聚焦的摄影机、以距摄影机的第二距离设置在摄影机的视域中并且具有三维表面结构的测试结构单元，所述三维表面结构具有校准标记。所述装置还包括透镜单元和控制单元，所述透镜单元以距摄影机的第三距离设置在测试结构单元与摄影机之间并且如此构造，使得三维表面结构可由摄影机成像，所述控制单元与摄影机连接并且如此构造，使得通过分析处理三维表面结构的校准标记的所拍摄的图像可确定摄影机的成像偏差。
在权利要求10中限定了一种用于确定摄影机的成像偏差的方法，其包括：使摄影机在第一距离上聚焦，以距摄影机的第二距离设置具有三维表面结构的测试结构单元，所述三维表面结构具有校准标记，以及使用以距摄影机的第三距离设置的透镜单元来通过摄影机成像表面结构。所述方法还包括：通过摄影机拍摄三维表面结构的校准标记的图像，以及通过控制单元通过分析处理所拍摄的图像来确定摄影机的成像偏差。
本发明的优点
本发明保证，在驾驶员辅助系统中所使用的摄影机如此聚焦，使得景深范围可靠地覆盖对于功能而言重要相关的距离范围。本发明所基于的构思在于，能够通过不仅在远距离上而且在近距离上的物体的成像实现摄影机的足够好的校准。这对于图像的不同部分区域中的彼此分离的图像区域也进行验证，因为由在制造和安装期间出现的公差决定地以及由镜头的有缺陷的特性决定地，图像平面不能平行于图像传感器的表面定向。此外考虑的是，镜头的对比度传输函数与图像高度有关并且典型地从图像中央至边缘显著减小。
不仅对于制造过程中的焦点位置的调整而且在清晰度的最终检查中本发明能够实现适合的测试方法，所述测试方法在成像来自不同距离的物体时能够实现可达到的对比度的确定。借助透镜单元，可以由在较远的工作距离上聚焦的摄影机最大清晰地成像位于较小距离上的测试图。因此，测试图的大小可以缩减到可处理的尺寸上。
本发明的想法在于，替代否则具有在图像中能够实现对比度确定的测试图案的平面图，建立细分的测试图，所述测试图在不同的物距上对于进行测量的摄影机提供测试场。在此，目标在于能够以尽可能少的步骤实施检查。所述方法的优点在于，在较新的摄影机中高度存在的图像分辨率可以用于达到清晰度检查的尽可能大的测试覆盖。
根据本发明的一个有利的扩展方案，作为摄影机的成像偏差，可确定摄影机的景深的偏差和/或焦点位置的偏差。
根据所述装置的另一个有利的扩展方案，作为摄影机的成像偏差，可确定摄影机的俯仰偏差和/或偏转偏差和/或摆动偏差。
根据所述装置的另一个有利的扩展方案，作为成像偏差，可确定成像误差和/或球面像差和/或像散现象和/或像面弯曲。
根据本装置的另一个有利的扩展方案，所述装置包括光源，所述光源如此构造，使得校准标记可反射地、半透射地或透射地照明。
根据本装置的另一个有利的扩展方案，光源的波长是可调节的。
根据本装置的另一个有利的扩展方案，校准标记的图像可通过具有不同波长的光拍摄并且摄影机的成像偏差可根据波长确定。
根据本装置的另一个有利的扩展方案，透镜单元设计为具有可变焦距的光学元件并且所述光学元件的焦距可通过控制单元控制。
根据另一个有利的扩展方案，校准标记构造为具有不同条纹宽度的条纹图案和/或具有不同方向的正方形和/或文字数字符号。
这以有利的方式能够实现校准标记的辨识以及所拍摄的校准标记的图像的简化分析处理。
根据所述方法的一个有利的扩展方案，作为摄影机的成像偏差，确定摄影机的俯仰偏差和/或偏转偏差和/或摆动偏差。
根据所述方法的另一个有利的扩展方案，作为摄影机的成像偏差，确定成像误差和/或球面像差和/或像散现象和/或像面弯曲。
根据所述方法的另一个有利的扩展方案，通过具有不同波长的光拍摄校准标记的图像以及根据波长确定摄影机的成像偏差。这以有利的方式能够实现根据波长确定摄影机的光学成像误差。
附图说明
本发明的实施例在附图中示出并且在以下描述中进一步阐述。
附图示出：
图1：所述装置的第一实施方式的示意图；
图2：所述装置的第二实施方式的示意图；
图3：根据本发明的一种实施方式的校准标记的示意图；
图4：用于表示所述方法的一种实施方式的流程图。
在附图中，相同的和功能相同的元素、特征和组件(只要没有其他解释)分别设有相同的附图标记。
要理解的是，附图中的组件和元素出于清楚性和理解性的原因不一定彼此按比例给出。
具体实施方式
在图1中示出根据所述装置的第一实施方式的装置的重要组件。
装置包括摄影机10、测试结构单元5、透镜单元15和控制单元25。摄影机10在第一距离A1上聚焦。测试结构单元5以距摄影机10的第二距离A2设置在摄影机10的视域30中。例如测试结构单元5具有三维表面结构6，所述三维表面结构具有校准标记K1-K6。即使所述装置具有六个校准标记，所述装置不限于所述数量，也可以使用更多的或更少的校准标记。
透镜单元15例如以距摄影机10的第三距离A3设置在测试结构单元5和摄影机10之间并且允许借助摄影机10清晰地成像三维表面结构6，尽管摄影机没有在测试结构单元5上聚焦，因为通过透镜单元15在摄影机10的视域30中产生测试结构单元5的虚像5v。在此，测试结构单元5的虚像5v在距摄影机10的距离A1上产生并且因此可以由在相同距离A1上聚焦的摄影机10成像。
控制单元25与摄影机10和透镜单元15连接。控制单元25允许摄影机10的摄影机功能的控制以及图像数据的处理。控制单元25的基础是具有适于实时数据传输的摄影机接口的计算机单元。控制单元25此外例如具有用于摄影机控制以及用于图像数据获取以及用于图像数据处理以及用于偏差确定的软件。
为了实施不同的所谓的“通过聚焦扫描”(Through-Focus-Scans)(其包括在确定的焦点区域上确定景深)，为了实现摄影机10的相当好的景深确定，可以改变透镜单元15的相应焦点位置。
例如，透镜单元15设计为具有可变焦距的光学元件并且所述焦距可通过控制单元25控制。此外，控制单元25用于图像分析和摄影机10的偏差的确定。由摄影机10拍摄的图像通过控制单元25借助图像识别算法分析。
作为测试结构单元5可以在三维表面结构6上或者施加由USAF图(USAF-Resolution-Test-Chart：USAF分辨率测试图)已知的不同线对宽度的条纹图案或者施加根据在ISO 12233中提出的分析处理方法的倾斜正方形。测试结构单元5可以或者从摄影机侧照明，即反射地设计，或者透射地构造并且从各个校准标记K1-Kn的背侧照明。
校准标记K1-K6构造为具有不同条纹宽度的条纹图案和/或具有不同方向的正方形和/或其他的几何形状和/或文字数字符号。校准标记K1-K6通过摄影机10成像并且得出校准图案，所述校准图案填满摄影机10的摄影机图像。
为了分析校准标记K1-K6，使用定义的坐标系或编码的校准标记K1-K6。在自动测量中，校准标记K1-K6的编码以设置在真正的校准标记K1-K6周围的二进制码的形式实现。然后，通过相应的图像处理方法，除测量校准标记K1-K6的图像坐标以外也识别以及立刻指派其身份。
例如，摄影机10实施为在驾驶员辅助系统中使用的摄影机。例如，摄影机10构造为定焦实施。摄影机10可以如此聚焦，使得当在车辆中使用时景深范围可靠地覆盖对于摄影机功能而言重要相关的距离范围。也就是说，不仅以足够好的对比度成像例如80m-200m的远距离上的物体，而且以足够好的对比度成像例如3m-80m的近距离上的物体。
足够好的对比度成像对于由摄影机10拍摄的图像的不同角部中的彼此分离的图像区域进行验证，因为由安装技术中的公差以及由镜头特性决定地，图像平面不能平行于图像传感器的表面定向。
例如，测试结构单元5的三维表面结构6可以通过透镜单元15作为虚像5v产生并且如此由摄影机10成像。
例如，透镜单元15设计为具有两个光折射面的光学有效元件，所述两个光折射面中的至少一个设计成凸地或凹地拱曲。
此外，透镜单元设计为具有可变焦距的光学元件并且所述光学元件的焦距可通过控制单元25控制。
透镜单元15可以产生测试结构单元5的虚像作为光学图像，其中摄影机以距离A1在测试结构单元5的虚像5v上聚焦。
测试结构单元5例如借助三维表面结构6建立。三维表面结构6具有校准标记K1-K6，所述校准标记在不同的物距A11、A12上提供，用于校准进行测量的摄影机10。
校准标记K1-K6的编码例如是旋转不变的。由此，校准标记K1-K6的定向与姿势对于识别来说不起作用，所述编码对于所有位置是可唯一辨识的。
根据实施和编码深度(12位或14位)，可以区分不同数量的不同校准标记K1-K6。对于大多数应用，具有最多147个不同数字的12位编码是足够的。14位版本允许区分516个数字。
在图2中示出根据所述装置的第二实施方式的装置的重要组件。
为了测试结构单元5的相机侧照明，例如构造有光源40a，所述光源与控制单元25连接。同样与控制单元25连接的另一光源40b可以实现从背侧的照明，其中各个校准标记K1-K6透射地构造。
光源40a、40b例如实施为在所发射的波长方面可调节的光源，例如以变色发光二极管的形式或者以其他发光二极管的形式。在此，通过控制单元25可以调节由光源40a、40b产生的色调。
图2的其他附图标记已经在图1的附图描述中阐明。
图3示出根据本发明一种实施方式的校准标记的示意图。
校准标记K1-Kn例如以在y方向和x方向上展开的场或矩阵的形式设置在测试结构单元5上并且在摄影机10的图像域中具有多个不同的物距(在z方向上)。校准标记K1-Kn的可能划分具有例如5种不同的物距，这些物距相应于摄影机10与测试结构单元5的虚像5v之间的3m、5m、11m、200m和无穷远的虚拟距离。
通过不仅代表近区中而且代表远区中的物距的测试域的对称分布，也可以借助唯一的测试图像检查摄影机10的正确焦点位置和图像传感器相对于图像平面的平行定向。
图4示出用于表示所述方法的一种实施方式的流程图。
在图4中给出的方法例如可借助以上所述的装置实施。然而，所述方法的可实施性不限于所述装置或装配有所述装置的摄影机校准系统的使用。
在第一方法步骤中，在第一距离A1上实现摄影机10的聚焦S1。
例如，在聚焦S1的第一方法步骤中，使摄影机10在超焦距上聚焦。超焦距优选位于25至300m的范围中。
在进一步的方法步骤中，以距摄影机10的第二距离A2设置S2具有三维表面结构6的测试结构单元5，所述三维表面结构6具有校准标记K1-Kn。
在进一步的方法步骤中，使用S3以距摄影机10的第三距离A3设置的透镜单元15来通过摄影机成像表面结构。
在进一步的方法步骤中，通过摄影机10拍摄S4三维表面结构6的校准标记K1-Kn的图像。优选地，在拍摄S4的方法步骤中，通过具有不同波长的光拍摄校准标记K1-Kn的图像并且根据波长确定摄影机10的成像偏差。
在进一步的方法步骤中，通过控制单元25通过所拍摄的图像的分析处理实施摄影机10的成像偏差的确定S5。优选地，在方法步骤S5中，确定摄影机10的成像偏差、摄影机10的景深的偏差和/或焦点位置的偏差。
此外，作为成像偏差，也可以确定摄影机10的俯仰偏差和/或偏转偏差和/或摆动偏差。同样，作为成像误差，可以确定球面像差和/或像散现象和/或像面弯曲。
所述方法允许校准或者在存在的偏差方面检验摄影机10或其他数字图像拍摄系统。
方法步骤的标记S1至S5不确定实施这些方法步骤的时间顺序。
Claims (13)
1.一种用于确定摄影机(10)的成像偏差的装置，所述装置具有：
所述摄影机(10)，所述摄影机在第一距离(A1)上聚焦；
测试结构单元(5)，所述测试结构单元为了确定所述摄影机的成像偏差以距所述摄影机(10)的第二距离(A2)设置在所述摄影机(10)的视域(30)中并且所述测试结构单元具有三维表面结构(6)，所述三维表面结构具有校准标记(K1-Kn)，其中，所述校准标记设置在所述摄影机的具有多个不同距离的场上；
控制单元(25)，所述控制单元与所述摄影机连接并且如此构造，使得通过分析处理所述三维表面结构(6)的校准标记(K1-Kn)的所拍摄的图像能够确定所述摄影机(10)的成像偏差，
其特征在于，
所述测试结构单元与所述摄影机之间的所述第二距离小于所述摄影机在其上聚焦的所述第一距离，
其中，所述装置还包括透镜单元(15)，所述透镜单元构造为具有两个光折射面的光学元件，所述两个光折射面中的至少一个面凸地或凹地拱曲地构造，并且所述透镜单元以距所述摄影机(10)的第三距离(A3)设置在所述测试结构单元(5)和所述摄影机(10)之间并且如此构造，使得所述三维表面结构(6)能够由所述摄影机(10)清晰地成像，
其中，所述透镜单元还设计为具有可变焦距的光学元件并且所述焦距能够通过所述控制单元(25)控制。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，作为所述摄影机(10)的成像偏差，能够确定所述摄影机(10)的景深的偏差和/或焦点位置的偏差。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，作为所述摄影机(10)的成像偏差，能够确定所述摄影机(10)的俯仰偏差和/或偏转偏差和/或摆动偏差。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其中，作为所述摄影机(10)的成像偏差，能够确定成像误差和/或球面像差和/或像散现象和/或像面弯曲。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述装置包括光源，所述光源如此构造，使得所述校准标记(K1-Kn)能够反射地、半透射地或透射地照明。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述光源在波长方面是可调节的。
7.根据权利要求1或2所述的装置，其中，通过具有不同波长的光能够拍摄所述校准标记(K1-Kn)的图像并且根据波长能够确定所述摄影机(10)的成像偏差。
8.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述校准标记(K1-Kn)构造为具有不同条纹宽度的条纹图案和/或具有不同方向的正方形和/或文字数字符号。
9.一种用于确定摄影机(10)的成像偏差的方法，所述方法具有以下步骤：
使摄影机(10)在第一距离(A1)上聚焦(S1)；
以距所述摄影机(10)的第二距离(A2)设置(S2)具有三维表面结构(6)的测试结构单元(5)，所述三维表面结构具有校准标记(K1-Kn)，所述测试结构单元与所述摄影机之间的所述第二距离小于所述摄影机在其上聚焦的所述第一距离，其中，所述校准标记设置在所述摄影机的具有多个不同距离的场上；
使用(S3)以距所述摄影机(10)的第三距离(A3)设置的透镜单元(15)来通过所述摄影机(10)成像所述三维表面结构(6)，所述透镜单元构造为具有两个光折射面的光学元件，所述两个光折射面中的至少一个面凸地或凹地拱曲地构造，其中，所述透镜单元还设计为具有可变焦距的光学元件并且所述焦距能够通过控制单元(25)控制；
通过所述摄影机(10)拍摄(S4)所述三维表面结构(6)的校准标记(K1-Kn)的图像；
通过所述控制单元(25)通过分析处理所拍摄的图像来确定(S5)所述摄影机的成像偏差。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，作为所述摄影机(10)的成像偏差，确定所述摄影机(10)的景深的偏差和/或焦点位置的偏差。
11.根据权利要求9或10中任一项所述的方法，其中，作为所述摄影机(10)的成像偏差，确定所述摄影机(10)的俯仰偏差和/或偏转偏差和/或摆动偏差。
12.根据权利要求9或10所述的方法，其中，作为所述摄影机(10)的成像偏差，确定成像误差和/或球面像差和/或像散现象和/或像面弯曲。
13.根据权利要求9或10所述的方法，其中，通过具有不同波长的光拍摄所述校准标记(K1-Kn)的图像以及根据波长确定所述摄影机(10)的成像偏差。
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