DE102005047481A1 - Optical sensor e.g. camera, calibrating method for use in e.g. augmented reality system, involves determining transformation of optical sensors relative to tracking object by combination of two tracking-systems - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein System und ein Verfahren zur Kalibrierung eines optischen Sensors in einem Vermessungsraum, insbesondere zur Anwendung in einem Augmented Reality System, in der optischen Messtechnik, in der Bildverarbeitung, in der Medientechnik und/oder in der Bewegungserfassung (Motion Capturing).The The present invention describes a system and a method for Calibration of an optical sensor in a surveying room, in particular for use in an augmented reality system, in the optical Metrology, image processing, media technology and / or in motion capture.
Aus dem Stand der Technik sind sogenannte Augmented Reality Systeme bekannt. Diese erlauben die Überlagerung von computergenerierten, virtuellen Informationen mit Seheindrücken der realen Umgebung. Hierzu werden die Seheindrücke der realen Welt, vorzugsweise mit auf dem Kopf getragenen halbdurchlässigen Datenbrillen, mit virtuellen Informationen gemischt. Die Einblendung der virtuellen Informationen bzw. Objekte kann dabei kontextabhängig, d.h. angepasst und abgeleitet von der jeweilig betrachteten realen Umgebung ausgeführt sein. Als Informationen können grundsätzlich jede Art von Daten wie Texte, Abbildungen etc. verwendet werden.Out the prior art are so-called augmented reality systems known. These allow the overlay of computer generated, virtual information with visual impressions of the real environment. To this end, the visual impressions of the real world, preferably with semipermeable data glasses worn on the head, with virtual Information mixed. The insertion of the virtual information or objects can be context-dependent, i. adapted and derived be executed by the respective considered real environment. When Information can in principle Any type of data such as texts, illustrations etc. can be used.
Dokumentierte
Anwendungen der Technologie sehen einen Einsatz in der Produktion,
im Service und in der Entwicklung komplexer Produkte vor. Auch ist
der Einsatz der Technologie aus der Produktion von Flugzeugen bekannt.
Nach der Druckschrift
Zusätzlich sind aus dem Stand der Technik Positionserfassungssysteme bekannt, die die Position und/oder Orientierung von Objekten in einem Vermessungsraum bestimmen. Diese sogenannten Tracking-Systeme erlauben beispielsweise die Erfassung von bis zu sechs Freiheitsgraden eines Objektes. Zum Einsatz kommen Systeme mit unterschiedlichsten physikalischen Wirkprinzipien. Gängig sind sogenannte optische Tracking-Systeme, die durch verschiedene Verfahren der computergestützten Bildverarbeitung die Position von im Vermessungsraum befindlichen Objekten und/oder die Position der Kamera (bzw. des Bildaufnehmers der Kamera) über die Erkennung der Objekte bestimmen.In addition are known from the prior art position detection systems, which the position and / or orientation of objects in a survey room determine. These so-called tracking systems allow, for example the acquisition of up to six degrees of freedom of an object. To the The use of systems with different physical principles of action. common are so-called optical tracking systems by different Method of computer-aided image processing the position of objects in the survey room and / or the position of the camera (or the image sensor of the camera) over the Determine detection of the objects.
Zusätzlich sind aus dem Stand der Technik statistische Verfahren zur Optimierung von Messwerten bekannt (Nash, J. C. "The Singular-Value Decomposition and Its Use to Solve Least-Squares Problems." Ch. 3 in Compact Numerical Methods for Computers: Linear Algebra and Function Minimisation, 2nd ed. Bristol, England: Adam Hilger, pp. 30–48, 1990).In addition are from the prior art statistical methods of optimization from readings (Nash, J.C. "The Singular-Value Decomposition and Its Use to Solve Least-Squares Problems. "Ch. 3 in Compact Numerical Methods for Computers: Linear Algebra and Function Minimization, 2nd ed. Bristol, England: Adam Hilger, pp. 30-48, 1990).
Nachteilig an den bekannten Verfahren zur optischen Bestimmung der Position ist der eingeschränkte Arbeitsbereich sowie die starke Abhängigkeit der Qualität der Ergebnisse von Umgebungseinflüssen (z.B. Helligkeit). Vorteilhaft ist somit die Kombination verschiedener Trackingverfahren, um beispielsweise solche Umgebungseinflüsse zu kompensieren.adversely in the known method for the optical determination of the position is the restricted one Work area as well as the strong dependency of the quality of the results of environmental influences (e.g., brightness). Thus, the combination of different is advantageous Tracking method, for example, to compensate for such environmental influences.
Bekannte Verfahren des kombinierten Trackings benötigen eine aufwendige Initialisierungsprozedur durch einen erfahrenen Benutzer (z.B. durch das Auswählen definierter Punkte mit der Maus), um die verschiedenen Tracking-Systeme zueinander in Beziehung zu setzen. Weiter wirken sich die manuellen Eingriffe sehr ungünstig auf die Genauigkeit der Initialisierung aus und benötigen einen sehr hohen Zeitaufwand.Known Methods of combined tracking require a complex initialization procedure by an experienced user (e.g., by selecting defined Points with the mouse) to the different tracking systems to each other to relate to. Next affect the manual intervention very unfavorable on the accuracy of initialization and need one very high time expenditure.
Zudem sind keine Verfahren bekannt, die zusätzlich Beschleunigungs- und oder Bewegungszustände initialisieren können.moreover No methods are known which additionally acceleration and or states of motion can initialize.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Prozess der Kalibrierung eines optischen Sensors bezüglich eines externen Tracking-Systems wesentlich zu vereinfachen und zu beschleunigen und damit eine bessere und genauere Überlagerung zu erreichen.Of the Invention is based on the object, the process of calibration an optical sensor with respect to significantly simplify and enhance an external tracking system accelerate and thus a better and more accurate overlay to reach.
Die zuvor hergeleitete und aus dem Stand der Technik hervorgehende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst, bei dem die Kalibrierung eines optischen Sensors durch die Kombination mit einem zweiten Tracking-System erreicht wird, das vorteilhaft gemäß Patentanspruch 9 in einem oder mehreren der dort genannten Gebiete Anwendung findet. Weiterhin betrifft die Erfindung ein System zur Kalibrierung eines optischen Sensors in einem Vermessungsraum mit einem implementierten erfindungsgemäßen Verfahren, wie in Patentanspruch 10 angegeben.The previously derived and derived from the prior art task is inventively a method according to claim 1 solved, in which the calibration of an optical sensor by the combination achieved with a second tracking system that is beneficial according to claim 9 applies in one or more of the areas mentioned therein. Furthermore, the invention relates to a system for calibrating an optical Sensors in a survey room with an implemented method according to the invention, as specified in claim 10.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kalibrierung eines optischen Sensors mit einem Tracking-System bezüglich eines Tracking-Gegenstandes mit einem externen, weiteren Tracking-System, bei dem die Transformation des optischen Sensors relativ zu dem im Vermessungsraum befindlichen Tracking-Gegenstand über die Kombination mindestens zweier Tracking-Systeme bestimmt wird.Especially The invention relates to a method for calibrating an optical Sensor with a tracking system with respect to a tracking object with an external, additional tracking system, where the transformation of the optical sensor relative to that in the surveying space Tracking item about the combination at least two tracking systems is determined.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Further advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.
Im
folgenden wird eine Ausführungsform
der Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten
Der
optische Sensor
Zusätzlich wird
durch ein zweites, externes Tracking-System
Das
Weltkoordinatensystem
Zur
Kalibrierung des Gesamtsystems muss die Transformation vres des Tracking-Gegenstandes
Hierzu wird in folgenden Schritten vorgegangen:For this The procedure is as follows:
1.
Bestimmung der Position und/oder Rotation der für das optische Tracking-System
Dazu
wird beispielsweise ein weiterer Sensor mit einem Tracking-System
in dem Koordinatensystem
In
einem anderen Fall ist es auch vorteilhaft, das Koordinatensystem
Je nach Tracking-System ist für die Bestimmung der Position und Rotation die Erfassung von mindestens drei Trackingpunkte (P1, P2, P3) erforderlich.Depending on the tracking system, at least three tracking points (P 1 , P 2 , P 3 ) are required to determine position and rotation.
2.
Berechnung der Transformation vtra zwischen
Tracking-Gegenstand (
3.
Berechnung der Transformation vres des Tracking-Gegenstandes
(
Zusätzlich zu
den Schritten 1–3
können
folgende Schritte in einer vorteilhaften Ausprägung des Systems durchgeführt werden,
insbesondere unter Bewegung der Anordnung aus Sensor
4. Speichern der Transformation vres,4. Save the transformation v res ,
5. Erneutes Durchlaufen der Schritte 1–4,5th Re-running steps 1-4,
6. Erzeugen einer optimierten Transformation vresopt durch Anwendung von mathematischen Optimierungsverfahren, vorteilhafterweise der Verfahren Downhill-Simplex oder Levenberg-Marquardt.6. Generate an optimized transformation v resopt by applying mathematical optimization methods, advantageously the methods Downhill-Simplex or Levenberg-Marquardt.
In
einer weiteren Ausführungsform
können folgende
Schritte in einer vorteilhaften Ausprägung des Systems durchgeführt werden:
Bestimmung
der Transformationen vopt, vtra,
wie oben beschrieben, in Bezug auf eine erste Position des Bildaufnehmers
Determining the transformations v opt , v tra , as described above, with respect to a first position of the image sensor
Das Levenberg-Marquardt-Optimierungsverfahren wird beschrieben in: Hartley, R. und Zisserman, A.: "A Multiple View Geometry in Computer Vision", Cambridge University Press 2003, während das Downhill-Simplex-Optimierungsverfahren ein linearer Optimierungsalgorithmus ist, der von Nelder und Mead entwickelt wurde in: "A Simplex Method for Function Minimization", Computer Journal, 7: 308–313, 1965.The Levenberg-Marquardt optimization procedure is described in: Hartley, R. and Zisserman, A .: "A Multiple View Geometry in Computer Vision ", Cambridge University Press 2003, while the Downhill simplex optimization method a linear optimization algorithm developed by Nelder and Mead in: "A Simplex Method for Function Minimization ", Computer Journal, 7: 308-313, 1965th
In diesem Zusammenhang sind A1...An bzw. B1...Bn konkrete Ausprägungen von A bzw. B in der aufgeführten Gleichung. Wenn die Messungen A bzw. B perfekt wären, würde ein einziges Messungspaar A1 und B1 ausreichen, um die Gleichung zu lösen. Da die Messungen aber stets ungenau sind, braucht man redundante Daten (A1...An bzw. B1...Bn), um den Fehler im Ergebnis zu minimieren (im Sinne der kleinsten Fehlerquadrate).In In this context, A1 ... An or B1 ... Bn are specific expressions of A or B in the listed Equation. If measurements A and B were perfect, then a single pair of measurements would be made A1 and B1 are enough to solve the equation. But the measurements are always inaccurate, one needs redundant data (A1 ... An or B1 ... Bn), to minimize the error in the result (in the sense of the smallest Squares).
Vorteile
und Anwendungen des Systems und Verfahrens sind:
Die Vorteile
des beschrieben Verfahrens zur Kalibrierung liegen in der einfachen
und benutzerfreundlichen Handhabung. Es sind keine Vorkenntnisse mehr über die
mathematischen Hintergründe
(Transformationen) der verschiedenen Tracking-Systeme nötig und die Kalibrierung ist über eine
einfache Benutzeroberfläche
möglich.Advantages and applications of the system and method are:
The advantages of the method described for calibration lie in the simple and user-friendly handling. There is no need to know anything about the mathematical background (transformations) of the various tracking systems and the calibration is possible through a simple user interface.
Zusätzlich entfällt das Vermessen des Bildaufnehmers in Bezug auf den Tracking-Gegenstand, der mit herkömmlichen Messmethoden, insbesondere auf Grund von Fertigungstoleranzen des Optischen Sensors, mit einer hinreichenden Genauigkeit nur sehr schwer möglich ist. Das nachträgliche Vermessen erfordert zusätzlich meist die Demontage des Sensors, was ebenfalls entfällt.In addition, this is no longer necessary Measuring the image sensor with respect to the tracking object, with usual Measuring methods, in particular due to manufacturing tolerances of Optical sensor, with a sufficient accuracy only very hardly possible is. The subsequent Surveying additionally requires usually the disassembly of the sensor, which is also omitted.
Weiter sind keine komplizierten Eingriffe durch den Benutzer in das System nötig und alle Berechnungen werden automatisch durchgeführt. Dadurch steigt die Genauigkeit der Kalibrierung.Further are no complicated interventions by the user in the system necessary and all calculations are done automatically. This increases the accuracy the calibration.
Durch die schnelle und genaue Kalibrierung des Systems können vor allem in mobilen Umfeldern, wie z.B. im Bereich Service und Wartung oder in der Produktion, Anwendungen der Augmented Reality Technologie schnell und effizient realisiert werden.By The fast and accurate calibration of the system can be done before especially in mobile environments, e.g. in the area of service and maintenance or in production, applications of augmented reality technology be realized quickly and efficiently.
- 100100
- Optischer Sensoroptical sensor
- 100-1100-1
- Bildaufnehmerimager
- 100-2100-2
- Optisches Tracking-Systemoptical Tracking system
- 200200
- Bekannte Punkte in der UmgebungKnown Points in the environment
- 300300
- Tracking-GegenstandTracking the subject
- 300-1300-1
- Tracking-SystemTracking system
- 400400
- WeltkoordinatensystemWorld coordinate system
- 500500
-
Koordinatensystem
des Tracking-Systems (
300-1 )Coordinate system of the tracking system (300-1 ) - vopt_1 bis vopt_3 v opt_1 to v opt_3
- Transformationtransformation
- vgeg_1 bis vgeg_3 v geg_1 to v geg_3
- Transformationtransformation
- vres v res
- Transformationtransformation
- A1, A2A1, A2
- Abweichungdeviation
- B1, B2B1, B2
- Abweichungdeviation
Claims (10)
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE200510047481 DE102005047481A1 (en) | 2004-09-29 | 2005-10-04 | Optical sensor e.g. camera, calibrating method for use in e.g. augmented reality system, involves determining transformation of optical sensors relative to tracking object by combination of two tracking-systems |
Applications Claiming Priority (2)
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---|---|---|---|
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE102005047481A1 true DE102005047481A1 (en) | 2007-04-05 |
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ID=37852791
Family Applications (1)
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---|---|---|---|
DE200510047481 Withdrawn DE102005047481A1 (en) | 2004-09-29 | 2005-10-04 | Optical sensor e.g. camera, calibrating method for use in e.g. augmented reality system, involves determining transformation of optical sensors relative to tracking object by combination of two tracking-systems |
Country Status (1)
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- 2005-10-04 DE DE200510047481 patent/DE102005047481A1/en not_active Withdrawn
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