DE102005061931B4

DE102005061931B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Kalibrierung einer optischen Einrichtung

Info

Publication number: DE102005061931B4
Application number: DE200510061931
Authority: DE
Inventors: Thorsten Bothe; Achim Gesierich; Li Wansong; Michael Schulte
Original assignee: Bremer Institut fuer Angewandte Strahltechnik BIAS GmbH
Current assignee: Bremer Institut fuer Angewandte Strahltechnik BIAS GmbH
Priority date: 2005-12-23
Filing date: 2005-12-23
Publication date: 2011-04-14
Anticipated expiration: 2025-12-24
Also published as: DE102005061931A1

Abstract

Verfahren zur Kalibrierung einer optischen Einrichtung (1, 3), welche eine Vielzahl von strahlungsaussendenden und/oder strahlungsempfangenden Bildpunkten (CP, PP) umfasst, mit folgenden Schritten:
a) die optische Einrichtung (1, 3) wird vor einem Bilderzeuger (2) mit einer Messfläche (2a) umfassend eine Vielzahl von strahlungsaussendenden Messpunkten (MP) angeordnet;
b) von einem Bildaufnehmer (1) mit einer Vielzahl von Bildpunkten (CP) werden Strahlungsmuster aufgenommen, welche durch den Bilderzeuger (2) erzeugt und/oder an diesem gestreut werden, wobei die Strahlungsmuster eine von den Bildpunkten (CP) der optischen Einrichtung (1, 3) empfangene und/oder ausgesendete Strahlung wiedergeben;
c) aus den aufgenommenen Strahlungsmustern werden für wenigstens einen Teil der Vielzahl von Bildpunkten (CP, PP) der optischen Einrichtung (1, 3) Sichtstrahlen (S) ermittelt, wobei jeder Sichtstrahl (S) einem Bildpunkt (CP, PP) der optischen Einrichtung (1, 3) zugeordnet ist und wobei jeder Sichtstrahl (S) die durch die optische Einrichtung (1, 3) bedingte Orientierung des Strahlverlaufs einer von dem zugeordneten...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kalibrierung einer optischen Einrichtung, welche eine Vielzahl von strahlungsaussendenden und/oder strahlungsempfangenden Bildpunkten umfasst.
Optische Einrichtungen benötigen eine Kalibrierung, mit der aus den über die optische Einrichtung erfassten Signalen metrische Größen ermittelt werden können. Für optisch abbildende Systeme ist aus dem Stand der Technik die herkömmliche photogrammetrische Kalibrierung bekannt. Diese Kalibrierung verwendet das geometrische Modell der Pinhole- oder Loch-Kamera, um Systemparameter über einen räumlichen Rückschnitt zu erhalten. Es wird hierzu eine Anzahl von Referenzpunkten benötigt, wobei als Referenzpunkte z. B. photogrammetrische Marker verwendet werden, welche auf einer Markerplatte ausgebildet sind. Das Ergebnis der photogrammetrischen Kalibrierung sind die Positionen und Rotationswinkel der optischen Einrichtung sowie Verzeichnungsparameter, die das von der idealen Lochkamera abweichende Verhalten der optischen Einrichtung beschreiben. Es wird somit ein Satz von Kalibrierparametern erhalten, der bei späteren Messungen zur Koordinatenbestimmung verwendet werden kann.
Die photogrammetrische Kalibrierung weist den Nachteil auf, dass ihr immer ein idealisiertes Kameramodell zugrunde liegt und somit keine stark vom Idealfall abweichenden Optiken kalibriert werden können.
In der Druckschrift [1] wird ein Kalibriersystem für CCD-Kameras beschrieben, bei dem die Kamera auf einem Drehtisch angeordnet wird und die CCD-Pixelmatrix mit Hilfe eines auf jeden Kamerapixel auszurichtenden Lichtstrahls kalibriert wird. Ferner ist in dieser Druckschrift ein Verfahren zur Kalibrierung einer CCD-Kamera beschrieben, bei der die einzelnen CCD-Pixel mit Hilfe einer durch ein synthetisches Hologramm erzeugten Teststruktur kalibriert werden. Die in der Druckschrift [1] beschriebenen Verfahren sind sehr zeitaufwendig bzw. erfordern einen komplizierten Aufbau der Kalibrieranordnung.
In der Druckschrift DE 100 13 299 C2 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur geometrischen Kalibrierung pixelorientierter photosensitiver Elemente beschrieben. Die Druckschrift zeigt insbesondere die geometrische Kalibrierung einer CCD-Kamera, wobei durch ein Gitter eine Punktmusterverteilung auf einer Fokalebene erzeugt wird, auf der sich die CCD-Matrix befindet. Durch Verdrehen des Gitters wird die Punktmusterverteilung auf der CCD-Matrix gedreht.
In dem Dokument DE 103 40 023 B3 ist ein Verfahren zur Selbstkalibrierung eines Kamerasystems beschrieben, bei dem interne Kameraparameter mit Hilfe der Aufnahme eine Mehrzahl von Bildern einer Szene aus verschiedenen Positionen bzw. Blickrichtungen der Kamera bestimmt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren oder eine Vorrichtung zur Kalibrierung einer optischen Einrichtung zu schaffen, welche einfach aufgebaut sind und auf die Verwendung eines Modells zur Berechnung der Kalibrierung verzichten.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren umfasst die folgenden Schritte:

a) die optische Einrichtung wird vor einem Bilderzeuger mit einer Messfläche umfassend eine Vielzahl von strahlungsaussendenden Messpunkten angeordnet;
b) von einem Bildaufnehmer mit einer Anzahl von Bildpunkten werden Strahlungsmuster aufgenommen, welche durch den Bilderzeuger erzeugt und/oder an diesem in seinem ausgeschalteten Zustand gestreut bzw. reflektiert werden, wobei die Strahlungsmuster eine von den Bildpunkten der optischen Einrichtung empfangene und/oder ausgesendete Strahlung wiedergeben;
c) aus den aufgenommenen Strahlungsmustern werden für wenigstens einen Teil der Vielzahl von Bildpunkten der optischen Einrichtung Sicht- bzw. Projektionsstrahlen ermittelt, wobei jeder Sichtstrahl einem Bildpunkt zugeordnet ist und wobei jeder Sichtstrahl die durch die optische Einrichtung bedingte Orientierung des Strahlverlaufs einer von dem zugeordneten Bildpunkt empfangenen und/oder von dem zugeordneten Bildpunkt ausgesendeten Strahlung beschreibt.

Erfindungsgemäß werden dabei die Strahlungsmuster in Schritt b) in mehreren Relativpositionen des Bilderzeugers zur optischen Einrichtung erzeugt und/oder gestreut bzw. reflektiert, wobei für zumindest zwei Relativpositionen eine Messung durchgeführt wird, mit der für wenigstens einen Teil der Bildpunkte der optischen Einrichtung jeweils die Position desjenigen Messpunkts auf der Messfläche des Bilderzeugers ermittelt wird, der in dem aufgenommenen Strahlungsmuster für die Bestrahlung eines jeweiligen Bildpunkts des Bildaufnehmers verantwortlich ist, wobei über diese Positionen die Lage der Sichtstrahlen im Raum ermittelt wird. Auf diese Weise kann durch die Bestimmung der Positionen der Messpunkte in mehreren Positionen des Bilderzeugers der Sichtstrahl über die Durchstoßpunkte durch diese Positionen bestimmt werden.
Die Begriffe ”optische Einrichtung” und ”Strahlung” sind hier und im folgenden allgemein zu verstehen, insbesondere kann unter Strahlung jede Art von elektromagnetischer Strahlung verstanden werden, insbesondere das normal sichtbare Licht, jedoch auch Wärmestrahlung im Infrarotbereich. Die optische Einrichtung ist deshalb nicht nur eine Einrichtung zum Aussenden bzw. Empfangen von Licht, sondern es kann sich hierbei auch um eine thermografische Einrichtung zum Erfassen bzw. Aussenden von Wärmestrahlung handeln. Auch der Begriff ”Bildpunkt” bzw. ”Messpunkt” ist allgemein dahingehend zu verstehen, dass er ggf. auch einen kleinen Bildbereich bzw. Messflächenbereich umfasst, wobei diese Bereiche in Bezug auf die gesamte Bild- oder Messfläche sehr klein sind, so dass sie in den betrachteten räumlichen Dimensionen als Punkte angesehen werden können.
Das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren ist in seinem Aufbau sehr einfach, da im Wesentlichen zur Kalibrierung nur ein Bilderzeuger mit einer Vielzahl von strahlungsaussendenden Messpunkten benötigt wird. Durch die Berechnung von Sichtstrahlen für jeden Bildpunkt wird eine einfache Beschreibung einer beliebigen Kameraoptik geschaffen, wobei gänzlich auf Modellannahmen verzichtet wird. Vielmehr wird jedem Bildpunkt der kalibrierten optischen Einrichtung ein Sichtstrahl zugeordnet, so dass bei einer nachfolgenden Messung mit dem kalibrierten System beispielsweise durch Verschneiden von Sichtstrahlen Positionen von Objekten im Raum bestimmt werden können. Ein Anwendungsfall ist hierbei die Kalibrierung einer dreidimensionalen Koordinaten vermessenden Kamera, welche dreidimensionale Positionen im Raum durch die photografische Erfassung des Bildes eines Streifenprojektors mit einer Kamera ermittelt. Durch Verschneiden der Sichtstrahlen von Projektor und Kamera kann hiebei die Position von Objekten im Raum bestimmt werden. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Kalibrierung besteht darin, dass hochgenaue Ergebnisse geliefert werden, da der Kalibrierung kein Idealmodell zugrunde gelegt wird, sondern das optisch abbildende System vollständig für jeden Bildpunkt beschrieben wird. Die Kalibrierung eignet sich insbesondere für stark vom Idealfall abweichende optischen Systeme, wobei in diesen Systemen mit Hilfe der Sichtstrahl-Kalibrierung sehr exakt die Verzeichnung bestimmt werden kann und ggf. eine entsprechende Bildentzerrung vorgenommen werden kann.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die in Schritt b) erzeugten Strahlungsmuster periodische Strahlungsmuster, insbesondere sinusförmige Helligkeitsmuster, mit denen auf einfache Weise, insbesondere durch eine Phasenmessung, die Position der Messpunkte auf der Messfläche ermittelt werden kann. Vorzugsweise wird eine Absolutphasenmessung zur Ermittlung der Positionen der Messpunkte verwendet. Das Prinzip der Absolutphasenmessung ist hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt und beispielsweise in den Druckschriften [2] und [3] beschrieben. Die Helligkeitsmuster sind hierbei vorzugsweise Streifenmuster auf der Messfläche, insbesondere sich in vertikaler und/oder horizontaler Richtung erstreckende Streifenmuster.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Bildpunkte der optischen Einrichtung und/oder die Bildpunkte des Bildaufnehmers und/oder die Messpunkte des Bilderzeugers Bildpixel, das heißt, es handelt sich bei den verwendeten Komponenten um hochauflösende digitale Bilderzeugungs- oder Bildaufnahmeeinrichtungen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der im Verfahren verwendete Bilderzeuger ein Monitor, insbesondere ein TFT-Monitor, wobei die Messfläche des Bilderzeugers im Wesentlichen durch den Bildschirm des Monitors gebildet ist. Zur Wiedergabe von exakten periodischen Strahlungsmustern ist der Monitor ferner in Bezug auf dessen Grauwertverlauf linearisiert, so dass sichergestellt ist, dass es sich bei den wiedergegebenen Mustern um exakte periodische Muster, insbesondere um Sinusmuster handelt. Durch die Verwendung eines TFT-Monitors können in dem erfindungsgemäßen Verfahren somit bereits aus dem Stand der Technik bekannte Einrichtungen zur Kalibrierung eingesetzt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Messfläche des Bilderzeugers eine Streuschicht auf, welche sowohl die Streuung von auf der Messfläche einfallender Strahlung als auch die Transmission von von der Messfläche ausgehender Strahlung ermöglicht.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der verwendete Bildaufnehmer zur Aufnahme der Strahlungsmuster ein Teil der zu kalibrierenden optischen Einrichtung. Die Bildpunkte der optischen Einrichtung fallen somit mit den Bildpunkten des Bildaufnehmers zusammen. Es ist jedoch auch möglich, dass der Bildaufnehmer kein Bestandteil der zu kalibrierenden optischen Einrichtung, sondern eine Komponente der Kalibrieranordnung selbst ist.
Im Falle, dass die optische Einrichtung einen Bildaufnehmer umfasst, der dem im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Bildaufnehmer entspricht, kann die Kalibrierung wie folgt ablaufen:

– in mehreren Relativpositionen des Bilderzeugers zum Bildaufnehmer wird jeweils eine Zuordnung von Bildpunkten des Bildaufnehmers zu Messpunkten des Bilderzeugers ermittelt, wobei die Zuordnung für einen jeweiligen Bildpunkt des Bildaufnehmers die Position desjenigen Messpunkts auf der Messfläche angibt, der für die Bestrahlung des jeweiligen Bildpunktes des Bildaufnehmers verantwortlich ist; und
– aus den ermittelten Zuordnungen wird die Lage der Sichtstrahlen im Raum berechnet.

Die Zuordnungen liefern somit wenigstens zwei Positionen von Messpunkten, die einem Bildpunkt des Bildaufnehmers zugeordnet sind, wobei diese Positionen Durchstoßpunkte der Sichtstrahlen bilden, so dass auf diese Weise einfach die Lage der Sichtstrahlen ermittelt werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die optische Einrichtung einen Bildausstrahler, der wie folgt kalibriert wird:

– in mehreren Relativpositionen des Bilderzeugers zur optischen Einrichtung wird jeweils eine erste Zuordnung von Bildpunkten eines Bildaufnehmers zu Messpunkten des Bilderzeugers ermittelt und/oder vorgegeben, wobei die erste Zuordnung für einen jeweiligen Bildpunkt des Bildaufnehmers die Position desjenigen Messpunkts des Bilderzeugers angibt, der für die Bestrahlung des jeweiligen Bildpunkts des Bildaufnehmers verantwortlich ist;
– in den mehreren Relativpositionen wird jeweils die von dem Bildausstrahler erzeugte Strahlung an dem ausgeschalteten Bilderzeuger gestreut bzw. reflektiert und es wird eine zweite Zuordnung von Bildpunkten des Bildaufnehmers zu Bildpunkten des Bildausstrahlers ermittelt, wobei die zweite Zuordnung für einen jeweiligen Bildpunkt des Bildaufnehmers die Position desjenigen Bildpunkts des Bildausstrahlers angibt, der für die Bestrahlung des jeweiligen Bildpunkts des Bildaufnehmers verantwortlich ist;
– in den mehreren Relativpositionen wird jeweils aus der ersten und zweiten Zuordnung eine dritte Zuordnung von Bildpunkten des Bildausstrahlers zu Messpunkten des Bilderzeugers ermittelt, wobei die dritte Zuordnung für einen jeweiligen Bildpunkt des Bildausstrahlers die Position desjenigen Messpunkts auf der Messfläche angibt, der von dem jeweiligen Bildpunkt des Bildausstrahlers bestrahlt wird, und
– aus den dritten Zuordnungen wird die Lage der Sichtstrahlen im Raum ermittelt.

Der Bildaufnehmer in dieser Ausführungsform des Verfahrens stellt somit ein Hilfselement dar, mit dem über die Ermittlung von ersten und zweiten Zuordnungen schließlich durch Variablensubstitution eine dritte Zuordnung ermittelt wird, welche zur Bestimmung der Sichtstrahlen im Raum verwendet wird.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Kalibrierung des gesamten Bilderfassungsbereichs der optischen Einrichtung der Bilderzeuger und die optische Einrichtung relativ zueinander in verschiedenen Abständen und Winkeln angeordnet. Hierbei wird vorzugsweise nur die optische Einrichtung in verschiedene Verdreh- und/oder Verkipp-Positionen verdreht und/oder verkippt, wohingegen der Bilderzeuger nur in verschiedene Abstandspositionen linear verschoben werden kann. Auf diese Weise wird eine Kalibrierung der optischen Einrichtung auch auf engem Raum ermöglicht, da nicht der Bilderzeuger großräumig seine Winkelposition verändert, sondern die Veränderung der Winkelposition auf einfache Weise durch Verdrehen und Verkippen der optischen Einrichtung selbst gewährleistet wird.
In einer bevorzugten weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind der oder die verwendeten Bildaufnehmer Kameras, insbesondere CCD-Kameras, und/oder der oder die verwendeten Bildausstrahler sind Projektoren.
Neben dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung ferner eine Vorrichtung zur Kalibrierung einer optischen Einrichtung auf der Basis des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Vorrichtung umfasst:

– einen Bilderzeuger mit einer Messfläche umfassend eine Vielzahl von strahlungsaussendenden Messpunkten zur Anordnung vor der optischen Einrichtung, wobei die Messfläche derart ausgestaltet ist, dass sie Strahlungsmuster erzeugen kann;
– eine Auswertungseinheit, welche von einem Bildaufnehmer aufgenommene Strahlungsmuster, die durch den Bilderzeuger in mehreren Relativpositionen des Bilderzeugers zur optischen Einrichtung erzeugt und/oder gestreut bzw. reflektiert wurden und eine von den Bildpunkten der optischen Einrichtung empfangene und/oder ausgesendete Strahlung wiedergeben, derart auswertet, dass aus den aufgenommenen Strahlungsmustern für wenigstens einen Teil der Vielzahl von Bildpunkten der optischen Einrichtung Sichtstrahlen ermittelt werden, wobei jeder Sichtstrahl einem Bildpunkt der optischen Einrichtung zugeordnet ist und wobei jeder Sichtstrahl die durch die optische Einrichtung bedingte Orientierung des Strahlverlaufs einer von dem zugeordneten Bildpunkt empfangenen und/oder von dem zugeordneten Bildpunkt ausgesendeten Strahlung beschreibt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dabei derart ausgestaltet, dass für zumindest zwei Relativpositionen eine Messung durchgeführt wird, mit der für wenigstens einen Teil der Bildpunkte der optischen Einrichtung jeweils die Position desjenigen Messpunkts auf dem Bilderzeuger ermittelt wird, der in den aufgenommenen Strahlungsmustern für die Bestrahlung eines jeweiligen Bildpunkts des Bildaufnehmers verantwortlich ist, und dass über diese Positionen die Lage der Sichtstrahlen im Raum ermittelt wird.
Vorzugsweise ist die Auswertungseinheit derart ausgebildet, dass sie periodische Strahlungsmuster auswertet, so dass eine Phasenmessung zur Positionsbestimmung der Messpunkte, insbesondere eine Absolutphasenmessung, mit der erfindungsgemäßen Kalibriervorrichtung durchgeführt werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst die Vorrichtung eine Einrichtung zum Verändern der Relativposition des Bilderzeugers in Bezug auf eine vor dem Bilderzeuger angeordnete optische Einrichtung. Vorzugsweise beinhaltet die Einrichtung zum Verändern der Relativposition des Bilderzeugers eine Linearverfahranordnung zum Verfahren des Bilderzeugers in horizontaler Richtung, insbesondere eine Linearverfahrschiene. Vorzugsweise umfasst die Einrichtung zum Verändern der Relativposition des Bilderzeugers auch eine Befestigungseinrichtung für die optische Einrichtung, insbesondere eine verdreh- und/oder verkippbare und/oder in der Höhe verstellbare Befestigungseinrichtung.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kalibriervorrichtung beinhaltet die Vorrichtung den bei der Kalibrierung verwendeten Bildaufnehmer. Vorzugsweise ist hierbei der Bilderzeuger in festen Positionen zum Bildaufnehmer angeordnet, wobei für die festen Positionen in der Auswertungseinheit eine Zuordnung von Bildpunkten des Bildaufnehmers zu Messpunkten des Bilderzeugers gespeichert ist und wobei die Zuordnung für einen jeweiligen Bildpunkt des Bildaufnehmers die Position desjenigen Messpunkts auf der Messfläche angibt, der für die Bestrahlung des jeweiligen Bildpunkts des Bildaufnehmers verantwortlich ist. Durch die Vorabspeicherung dieser Zuordnung wird insbesondere die Kalibrierung eines Bildausstrahlers erleichtert, da die Zuordnung von Bildpunkten des Bildaufnehmers zu Messpunkten des Bilderzeugers nicht nochmals separat berechnet werden muss.
In einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung ermittelt die Auswertungseinheit in Abhängigkeit von der Optik der optischen Einrichtung und der Größe der Messfläche des Bilderzeugers Relativpositionen zwischen Bilderzeuger und optischer Einrichtung, und die optische Einrichtung und/oder der Bilderzeuger sind automatisch in diese Relativpositionen bewegbar, um den gesamten Bilderfassungsbereich der optischen Einrichtung zu kalibrieren. Auf diese Weise wird automatisiert eine Kalibrierung des gesamten Bilderfassungsbereichs durch eine entsprechende Auswertung der für die Bilderfassung relevanten Größen gewährleistet.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine Verschlussvorrichtung, insbesondere eine automatische Verschlussvorrichtung, die vor einem zu kalibrierenden Bildausstrahler angeordnet werden kann. Hierdurch wird sichergestellt, dass während der Bildaufnahme durch den Bildaufnehmer kein Licht des Bildausstrahlers auf die Messfläche gelangt.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Bilderzeuger ein Monitor, insbesondere ein TFT-Monitor, wobei die Messfläche im Wesentlichen durch den Bildschirm des Monitors gebildet ist. Der Monitor ist hierbei vorzugsweise in Bezug auf dessen Grauwertverlauf linearisiert.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, in der sowohl ein Bildaufnehmer als auch ein Bildausstrahler kalibrierbar sind, weist die Messfläche des Bilderzeugers eine Streuschicht auf, welche sowohl die Streuung von auf der Messfläche einfallender Strahlung als auch die Transmission von von der Messfläche ausgehender Strahlung ermöglicht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung des Prinzips des erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens;
2 eine schematische Darstellung der Durchführung einer Absolutphasenmessung zur Kalibrierung einer Kamera mit dem erfindungsgemäßen Verfahren;
3 eine schematische Darstellung der Durchführung einer Absolutphasenmessung zur Kalibrierung eines Projektors mit dem erfindungsgemäßen Verfahren;
4 eine schematische Darstellung eines in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendbaren Monitors;
5 eine Prinzipdarstellung der Positionsveränderung zur Kalibrierung einer Kamera in einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
6 eine perspektivische Darstellung des Ablaufs der Positionsveränderung zur Kalibrierung einer 3D-Kamera gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In 1 ist schematisiert in Draufsicht der Vorgang der Kalibrierung einer Kamera 1 mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gezeigt. Die Kamera ist eine Digitalkamera mit einem Objektiv 1a und einem CCD-Matrixfeld 1b mit einer Vielzahl von Bildpunkten in der Form von Bildpixeln. Zur Kalibrierung dieser Kamera wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren pixelweise für die Bildpunkte jeweils ein Sichtstrahl S ermittelt, der für die Bestrahlung des jeweiligen Bildpunkts verantwortlich ist. Zur Bestimmung des Sichtstrahls wird ein Bilderzeuger 2 verwendet, der in unterschiedliche Positionen angeordnet wird und in 1 nur schematisch dargestellt ist. Der Bilderzeuger ist insbesondere ein TFT-Monitor, wie in Bezug auf 4 noch näher erläutert wird. Entscheidend ist, dass der Bilderzeuger eine Messfläche 2a mit strahlungsaussendenden Messpunkten aufweist, wobei die Messpunkte vorzugsweise analog zu den Bildpunkten der Kamera Bildpixel sind. Die Messfläche stellt hierbei vorzugsweise den Bildschirm des Monitors dar. Ferner muss der Bilderzeuger 2 in der Lage sein, ein periodisches Muster auf seiner Messfläche darzustellen, insbesondere ein sinusförmiges Helligkeitsmuster in der Form von Streifen. Mit Hilfe eines solchen Musters wird es möglich, mit Hilfe einer so genannten Absolutphasenmessung (siehe Druckschrift [3]) die genaue Pixelposition eines Messpunktes auf der Messfläche zu identifizieren. Der Ablauf der Absolutphasenmessung wird noch näher in Bezug auf 2 und 3 erläutert.
Zur Bestimmung des Sichtstrahls S wird der Bilderzeuger 2 in verschiedene Relativpositionen in Bezug auf die Kamera 1 angeordnet. In 1 sind vier solcher Relativpositionen Pos.₁, Pos.₂, Pos.₃, sowie Pos.₄ wiedergegeben. Zunächst wird der Bilderzeuger in der Position Pos.₁ angeordnet und anschließend werden Bilder des Bilderzeugers mit sich in horizontaler X-Richtung und vertikaler Y-Richtung erstreckenden Streifenmustern aufgenommen. Mit Hilfe der Absolutphasenmessung kann dann die Position von jedem Messpunkt auf der Messfläche 2a identifiziert werden und hieraus bestimmt werden, welcher Messpunkt für die Bestrahlung eines jeweiligen Bildpixels auf der CCD-Matrix verantwortlich ist. Es wird somit in der Position Pos.₁ für jeden Bildpixel der Kamera 1 ein für dessen Bestrahlung verantwortlicher Messpunkt mit der Koordinate (x, y)_1.1 bestimmt.
Da die genaue Position Pos.₁ des Bilderzeugers 2 in Bezug auf die Kamera 1 nicht bekannt ist, muss zumindest eine weitere Messung in einer anderen Position des Bilderzeugers in Bezug auf die Kamera durchgeführt werden. Der Bilderzeuger wird deshalb in die Position Pos.₂ bewegt, welche weiter entfernt von der Kamera ist. Analog zur Durchführung der Messung in der Position Pos.₁ wird wiederum für jedes Bildpixel der Matrix 1b die Position desjenigen Messpunktes auf der Messfläche 2a des Bilderzeugers 2 ermittelt, der für die Bestrahlung des jeweiligen Bildpixels verantwortlich ist. Für einen vorbestimmten Bildpixel ergibt sich somit neben der ersten Koordinate (x, y)_1.1 in der Position Pos.₁ eine weitere Position eines Messpunktes (x, y)_1.2 in der Position Pos.₂. Beide Positionen stellen somit Durchstoßpunkte des zu ermittelnden Sichtstrahls S dar, der das entsprechende Pixel bestrahlt. Da eine Gerade eindeutig durch zwei Punkte festgelegt ist, kann über diese Punkte die Lage des Sichtstrahls ermittelt werden.
Um die Genauigkeit der Bestimmung des Sichtstrahls noch weiter zu verbessern, kann der Bilderzeuger 2 noch in weiteren Positionen in Bezug auf die Kamera 1 angeordnet werden. In 1 sind hierbei noch zwei weitere Positionen Pos.₃ und Pos.₄ gezeigt, wobei diese Positionen weiter entfernt von der Kamera 1 sind als die Positionen Pos.₁ und Pos.₂. Ferner sind die Positionen Pos.₃ und Pos.₄ in unterschiedlichen Winkeln zueinander angeordnet. Durch pixelweise Absolutphasenmessung in diesen beiden weiteren Positionen ergeben sich weitere Durchstoßpunkte (x, y)_1.3 und (x, y)_1.4 des zu ermittelnden Sichtstrahls, so dass mehr Messwerte vorliegen und die Lage des Sichtstrahls S im Raum genauer bestimmt werden kann. Die Sichtstrahlen werden in einer Auswertungseinheit der erfindungsgemäßen Kalibriervorrichtung berechnet, wobei die Auswertungseinheit insbesondere eine Computereinheit ist. Zur Berechnung werden numerische Algorithmen verwendet. Die Auswertungseinheit ist schematisiert in 6 wiedergegeben.
Zur Berechnung der Sichtstrahlen werden zuerst mit einer direkten linearen Transformation, welche ein hinlänglich aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren ist, die Positionen des Bilderzeugers und die Parameter der inneren Orientierung der Kamera als Startwerte der numerischen Algorithmen bestimmt. Anschließend werden verbesserte Positionen des Bilderzeugers mit Hilfe der numerischen Algorithmen ermittelt. Die Sichtstrahlen werden – wie oben bereits beschrieben – als Gerade durch die Durchstoßpunkte der ermittelten Messpunktpositionen des Bilderzeugers bestimmt, wobei verschiedene Ansätze zur Behandlung der Kamera-Apertur bestehen. Ein Ansatz ist die Verwendung einer flexiblen Apertur, bei der die Apertur einstellbar verstärkt gegenüber den Durchstoßpunkten gewichtet wird.
2 zeigt schematisiert die Durchführung der Absolutphasenmessung zur Bestimmung der Positionen der Messpunkte auf der Messfläche des Bilderzeugers, wobei im Folgenden angenommen wird, dass die Messpunkte einzelne Pixel sind. Im rechten Teil der 2 ist in Draufsicht die CCD-Matrix 1b der Kamera wiedergegeben, wobei die Positionen der Bildpixel in X-Richtung mit i und die Positionen der Bildpixel in Y-Richtung mit j bezeichnet sind. Ferner ist im rechten Teil der 2 die Messfläche 2a des Bilderzeugers 2 dargestellt, wobei die Positionen der Bildpixel der Messfläche in X-Richtung mit s und in Y-Richtung mit t bezeichnet sind. Wie angedeutet ist, gibt es für jeden Kamera-Pixel CP eine eindeutige Zuordnung zu einem Pixel MP der Messfläche. Die Zuordnung wird über den Sichtstrahl S bestimmt, dessen Orientierung zur Verdeutlichung mit einem dicken Pfeil wiedergegeben ist. Der Sichtstrahl beschreibt dabei über seine Durchstoßpunkte durch die Messfläche, welcher Pixel MP in einer vorgegebenen Position der Messfläche 2a für die Bestrahlung eines Pixels CP auf der Matrix 1b verantwortlich ist.
Im linken Teil der 2 ist schematisiert die Absolutphasenmessung in Draufsicht angedeutet. Hierbei werden unterschiedliche Streifenmuster in der Form von Sinusmustern ”sin” auf der Messfläche 2a sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung wiedergegeben. Für die einzelnen Messpunkte werden die Phasen des Sinus bestimmt. In 2 sind hierbei beispielhaft zwei Messpunkte (s, t)₁ und (s, t)₂ mit den entsprechenden Phasen f₁ und f₂ angedeutet. Bei der Absolutphasenmessung werden die Phasen für Helligkeitsmuster mit unterschiedlicher Periode bestimmt, wodurch dann die Absolutphase und somit die Position des jeweiligen Messpunkts MP auf der Messfläche 2a bestimmt werden kann. Die Positionen auf dem Bilderzeuger können hierdurch sogar subpixelgenau für jeden Bildpixel auf der Matrix 1b ermittelt werden. Wie im Vorangegangen dargelegt wurde, kann durch eine derartige Absolutphasenmessung an mehreren Relativpositionen des Bilderzeugers 2 in Bezug zur Kamera 1 der Sichtstrahl S ermittelt werden.
Mit dem in Bezug auf 2 beschriebenen Verfahren können die Sichtstrahlen einer zu kalibrierenden Kamera auf einfache Weise bestimmt werden. Sollte die zu kalibrierende optische Einrichtung alternativ oder zusätzlich einen Bildausstrahler, insbesondere in der Form eines Projektors, aufweisen, werden die Sichtstrahlen gemäß der Anordnung der 3 bestimmt. Der zu kalibrierende Projektor ist hierbei mit dem Bezugszeichen 3 bezeichnet und umfasst ein Objektiv 3a sowie eine Matrix 3b mit strahlungsaussendenden Pixeln. Im Unterschied zum Verfahren der 2 wird zur Bestimmung der Sichtstrahlen eine Hilfskamera 1' verwendet. Diese Kamera ist Teil der Kalibriervorrichtung, sofern die zu kalibrierende optische Einrichtung nur aus dem Projektor 3 besteht. Alternativ kann die Kamera jedoch auch Teil der zu kalibrierenden optischen Einrichtung sein, das heißt, die optische Einrichtung umfasst neben dem Projektor 3 auch die Kamera 1'. Dies ist insbesondere bei 3D-Kameras der Fall, bei denen dreidimensionale Bilder mit Hilfe der Streifenprojektionstechnik unter der Verwendung eines Streifenprojektors aufgenommen werden. Solche Kameras sind hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt und beispielsweise in der Druckschrift [4] beschrieben.
Bei der Sichtstrahl-Kalibrierung des Projektors ist zu ermitteln, in welche Richtung ein Bildpixel des Projektors aufgrund der Optik des Projektors strahlt. Zur Bestimmung des Sichtstrahls S muss wiederum in mehreren Positionen des Bilderzeugers 2 in Bezug auf den Projektor 3 eine Absolutphasenmessung durchgeführt werden, um zu ermitteln, welcher Messpunkt auf der Messfläche 2a des Bilderzeugers 2 durch einen jeweiligen Bildpixel des Projektors bestrahlt wird. Im rechten Teil der 3 sind die einzelnen Pixelfelder des Projektors 3, des Bilderzeugers 2 und der Hilfskamera 1' wiedergegeben. In der Pixelmatrix 3b des Projektors wird die X-Position eines Projektorpixels PP mit 1 und die Y-Position eines Projektorpixels mit m bezeichnet. Analog zur 2 wird auf der Pixelmatrix 1b der Hilfskamera 1' die X-Position eines Kamerapixels CP mit i und die Y-Position eines Kamerapixels mit j bezeichnet. Ebenso wird auf der Messfläche 2a des Bilderzeugers die X-Position eines Messpunktes MP mit s und die Y-Position des Messpunktes mit t bezeichnet.
Um den Projektor 3 kalibrieren zu können, ist es erforderlich, dass der Bilderzeuger 2 nicht nur ein Bild ausstrahlen kann, sondern auch im ausgeschalteten Zustand eine Streuung von Strahlung ermöglicht, wie sich aus den folgenden Erläuterungen ergeben wird. Deshalb ist der Bilderzeuger 2 mit einer halbtransparenten Schicht versehen, welche im ausgeschalteten Zustand eine Streuung von Strahlung ermöglicht. Eine solche Streueigenschaft kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass ein herkömmlicher TFT-Monitor mit einer dünnen, streuenden Schicht besprüht wird, wobei die Schicht beispielsweise mit einem so genannten Developer-Spray erzeugt werden kann, wobei dieses Spray eigentlich zur Rissdetektion dient. Statt eines Sprays könnte beispielsweise auch Kalk auf die Oberfläche des Monitors aufgetragen werden oder eine matte Streufolie angebracht, beispielsweise angeklebt werden.
Zur Ermittlung der Positionen der Messpunkte MP auf der Messfläche 2a wird zunächst – analog zur Absolutphasenmessung der 2 – eine Absolutphasenmessung bei angeschaltetem Monitor 2 durchgeführt, um die Positionen der Messpunkte MP zu ermitteln, welche für die Bestrahlung der jeweiligen Bildpixel der Matrix 1b der Hilfskamera 1' verantwortlich sind. Es wird somit eine Beziehung zwischen den Pixeln CP der Hilfskamera 1' und den Pixeln MP des Bilderzeugers 2 ermittelt, das heißt, für jeden Pixel (i, j) der Kamera 1' ist die entsprechende Koordinate des Messpunktes (s, t) des Bilderzeugers bekannt. Dies ist in 3 durch die Gerade Z1 angedeutet. In einem nächsten Schritt wird der Bilderzeuger 2 abgeschaltet und mit Hilfe von sinusförmigen Streifenmustern, die von dem Projektor 3 erzeugt und an der Messfläche 2a gestreut werden, werden wiederum mit Hilfe einer Absolutphasenmessung die Positionen der Projektorpixel PP ermittelt, welche für die Bestrahlung eines jeweiligen Pixels CP der Kamera 1 verantwortlich sind. Diese Zuordnung ist in 3 mit der Geraden Z2 bezeichnet. Es ist somit die Beziehung der Projektorpixel zu den Kamerapixeln, das heißt l, m (i, j) bekannt. Nun kann die Beziehung l, m (i, j) invertiert werden, was zu der Beziehung i, j (1, m) führt. Diese Daten können dann in die Beziehung zwischen den Pixeln MP des Bilderzeugers 2 und den Bildpixeln CP der Kamera s, t (l, m) eingesetzt bzw. substituiert werden, so dass sich insgesamt ergibt: s, t (i(l, m) j(l, m)) = s, t (l, m). Somit ist für jede Koordinate eines Messpunktes (s, t) auch der entsprechende Projektorpixel (l, m) bekannt. Diese Zuordnung ist in 3 mit der gestrichelten Geraden Z3 angedeutet. Wird diese Zuordnung nun für mehrere Monitorpositionen bestimmt, kann wiederum der Sichtstrahl S des Projektors in Analogie zu der in Bezug auf 2 beschriebenen Ermittlung bestimmt werden.
Bei der Sichtstrahlberechnung der obigen Kombination aus Kamera und Projektor muss ferner berücksichtigt werden, dass bei der Verwendung eines Monitors die Absolutphasenmessung des Monitors in einer Ebene im Monitor (TFT-Ebene) erfolgt, wohingegen die Phasenmessung des Projektors auf der Oberfläche des Monitors erfolgt.
Deshalb gibt es in einem solchen Fall verschiedene Berechnungsvarianten für die Sichtstrahlen. In einer ersten Variante wird eine parametrisierte Sichtstrahl-Kalibrierung berechnet, bei der die gleichen Parameter ermittelt werden wie bei einer normalen photogrammetrischen Kalibrierung. In einer zweiten Variante werden Kamera und Projektor einzeln kalibriert und anschließend wird ihre Orientierung zueinander ermittelt. Der Abstand zwischen den einzelnen Absolutphasenmessungen von Monitor und Projektor wird hierbei jedoch nicht berücksichtigt. Diese Variante ist somit zwar die schnellste, jedoch auch die ungenaueste Berechnung der Sichtstrahlen. Eine weitere Variante besteht darin, dass Kamera und Projektor gleichzeitig kalibriert werden. Die TFT-Ebene und die Monitoroberfläche werden in diesem Falle mit demselben Polynom 6. Grades beschrieben. Für den Abstand zwischen den beiden Polynomen wird ein fester Wert, beispielsweise 0,5 mm angenommen. Dieser Wert wurde beispielsweise vorab anhand eines defekten TFT-Monitors durch Messung der Dicke der Frontglasscheibe ermittelt. Diese Berechnung ist langsamer als die separate Berechnung der Sichtstrahlen, erreicht jedoch eine höhere Genauigkeit. Eine vierte und letzte Variante der Berechnung der Sichtstrahlen besteht darin, dass Kamera und Projektor gleichzeitig kalibriert werden, wobei das Polynom für den Monitor und das Polynom für den Projektor unabhängig voneinander berechnet werden. Dadurch entsteht ein variabler Abstand zwischen Monitorebene und Projektorebene. Die separate Berechnung der Polynome ist sehr zeitaufwendig, wodurch diese vierte Variante die langsamste Berechnung der Sichtstrahlen ist.
Anstatt die Beziehung der Positionen der Messpunkte des Bilderzeugers 2 zu Pixeln der Kamera 1' zu bestimmen, ist es in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens auch möglich, dass diese Positionen bereits vorab für verschiedene Relativpositionen des Bilderzeugers zur Kamera 1' bekannt sind. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn die Kamera 1' ein Teil der Kalibriervorrichtung ist, denn dann kann vorab sichergestellt werden, dass Bilderzeuger und Kamera nur in bestimmten Relativpositionen zueinander positionierbar sind und dass in jeder dieser Positionen die Zuordnung zwischen Kamerapixel und Messpunkt in einem entsprechenden Speicher in der Auswertungseinheit hinterlegt ist. Auf diese Weise kann das Verfahren zur Kalibrierung des Projektors beschleunigt werden, da keine zusätzliche Absolutphasenmessung für die Kamera 1' durchgeführt werden muss.
4 zeigt in schematisierter perspektivischer Ansicht einen in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendbaren Bilderzeuger in der Form eines TFT-Monitors 2. Die Messpunkte die Messfläche 2a werden durch die einzelnen Pixel des Bildschirms des Monitors gebildet. Der Monitor wird an die bereits oben erwähnte Auswertungseinheit angeschlossen, wobei zur Messung sinusförmige Streifenmuster ”sin” auf dem Monitor wiedergegeben werden. In 4 ist beispielhaft ein sich in vertikaler Richtung erstreckendes Streifenmuster durch Schraffierung angedeutet. Um eine hohe Messgenauigkeit zu erreichen, ist es notwendig, dass der Monitor in Bezug auf seine Helligkeitswiedergabe linearisiert ist, das heißt, dass der Monitor derart angesteuert wird, dass seine Helligkeitsmuster auch genau einem Sinusmuster entsprechen. Wie bereits zuvor dargelegt wurde, wird der Monitor vorzugsweise mit einer dünnen streuenden Schicht versehen, um auch eine Streuung von Strahlung zu ermöglichen, welche bei der Kalibrierung eines Projektors benötigt wird.
Bei der Kalibrierung eines optischen Systems mit der erfindungsgemäßen Kalibriervorrichtung besteht häufig das Problem, dass der Bilderfassungsbereich des optischen Systems, beispielsweise der Öffnungswinkel einer Kamera, derart groß sind, dass durch die Messfläche des Bilderzeugers der Kalibriervorrichtung nicht alle Bildpixel der Kamera erfasst werden. Es ist deshalb notwendig, dass die Winkelpositionen zwischen optischer Einrichtung und Bilderzeuger verändert werden, um alle Bildpunkte der optischen Einrichtung zu erfassen. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass der Bilderzeuger in Bezug auf die Kamera verdreht wird. Besonders bei kurzbrennweitigen Kameraobjektiven ist jedoch der Messbereich sehr groß, so dass die Positionierung des Bilderzeugers sehr aufwändig ist und sehr viel Platz für die unterschiedlichen Winkelpositionen des Bilderzeugers benötigt wird. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass durch die Bewegung des Bilderzeugers Verformungen der Messfläche des Bilderzeugers, insbesondere Durchbiegungen der Messfläche, auftreten können, welche das Messergebnis stark verfälschen. Deshalb wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kalibriervorrichtung auf eine Verdrehung des Bilderzeugers verzichtet. Vielmehr ist die Kalibriervorrichtung derart ausgestaltet, dass die zu kalibrierende optische Einrichtung drehbar und/oder verkippbar auf einem Gestell befestigbar ist, wobei vor dem Gestell eine Linearverfahrmaschine vorgesehen ist, mit welcher der Bilderzeuger, insbesondere in Form eines Monitors, nur in horizontaler Richtung verfahren werden kann, so dass sich die Winkelposition des Monitors nicht verändert.
In 5 ist in Draufsicht ein solches Prinzip einer Kalibriervorrichtung gezeigt, wobei sich Einzelheiten des Aufbaus der Vorrichtung aus der weiter unten beschriebenen 6 ergeben. In 5 ist schematisiert die zu kalibrierende Kamera 1 gezeigt, wobei die einzelnen Dreiecke D1, D2, D3 und D4 jeweils den Öffnungswinkel der Kamera in unterschiedlichen Verdreh-Positionen der Kamera zeigen. Bei der Kalibrierung wird die Kamera jeweils in die einzelnen Drehpositionen angeordnet und anschließend wird der Monitor 2, der in 5 schraffiert wiedergegeben ist, in wenigstens zwei unterschiedlichen Positionen linear innerhalb des Rechtecks R verfahren, wodurch auf einfache Weise der gesamte Öffnungswinkel der Kamera erfasst werden kann und gleichzeitig nur ein geringer Platzbedarf für die Verschiebung des Monitors innerhalb des Rechtecks R benötigt wird.
6 zeigt schematisiert in perspektivischer Ansicht beispielhaft den Ablauf einer Kalibrierung eines Projektor-Kamera-Systems in der Form einer 3D-Kamera 6, welche sowohl über einen Streifenprojektor als auch eine bildaufnehmende Kamera verfügt, wie durch die beiden dargestellten Objektive der 3D-Kamera 6 ersichtlich wird. Das zu kalibrierende System wird hierbei an eine Auswertungseinheit 4 in der Form eines Computers angeschlossen, wobei in der Auswertungseinheit mit Hilfe von numerischen Algorithmen die Sichtstrahlen des Kamera-Projektor-Systems 6 berechnet werden. Die Darstellung der Berechnungsergebnisse erfolgt beispielsweise über einen Monitor 5, der an dem Computer 4 angeschlossen ist.
In dem in 6 gezeigten Messablauf wird als Bilderzeuger ein Monitor 2 verwendet, der entlang einer Linearverfahrschiene 7 verfahrbar ist. Ferner wird ein Dreibein-Stativ 8 eingesetzt, auf dessen oberem Ende das zu kalibrierende System 6 befestigt ist. Das Stativ ist dabei derart ausgestaltet, dass es ein Verdrehen und Verkippen des Systems auf dem Stativ ermöglicht. Vorzugsweise umfassen sowohl die Linearverfahrschiene 7 als auch das Stativ 8 entsprechende Motoren, welche über eine Steuerung angesteuert werden können und eine Verschiebung des Monitors bzw. eine Verdrehung und/oder Verkippung des Systems 6 ermöglichen.
In der ersten Position a) befindet sich der Monitor 2 sehr nahe an dem System 6, so dass durch den Monitor der gesamte Öffnungswinkel der Kamera und des Projektors des Kamera-Projektor-Systems erfasst werden. In dieser Position wird zunächst die Absolutphasenmessung der Kamera und anschließend die Absolutphasenmessung des Projektors durchgeführt. Es ist hierbei vorzugsweise ein so genannter Shutter vorgesehen, der bei der Absolutphasenmessung der Kamera das Objektiv des Projektors abdeckt, um Interferenzen durch strahlende Projektorpixel bei der Messung zu vermeiden.
In einem nächsten Schritt b) wird dann der Monitor 2 über die Linearverfahrmaschine 7 in eine zweite Position bewegt, die weiter entfernt von dem Kamera-Projektor-System ist. Das Verfahren des Monitors in die zweite Position ist durch den Pfeil P angedeutet. In dieser Position besteht das Problem, dass der Öffnungswinkel der Kamera und des Projektors durch den Monitor nicht mehr komplett erfasst werden. Deshalb wird das Kamera-Projektor-System 6 in verschiedene Verdreh- und Verkipp-Positionen angeordnet, wie sich aus den Schritten b) bis e) der 6 ergibt. In diesen Schritten wird das Sichtfeld des Kamera-Projektor-Systems 6, welches in den entsprechenden Positionen vom Monitor 2 erfasst wird, mit F1 bezeichnet, wohingegen das Sichtfeld des Kamera-Projektor-Systems, welches in den jeweiligen Positionen nicht vom Monitor 2 erfasst wird, mit F2 bezeichnet wird.
Im Schritt b) des Verfahrens neigt sich die Montierung des Stativs nach vorne und dreht sich nach rechts, so dass der obere linke Bereich des Kamera-Projektor-Systems 6 durch den Monitor 2 erfasst wird. Anschließend wird in Schritt c) die Kamera nach links bewegt, wodurch der obere rechte Bereich des Systems 6 ausgefüllt wird. Nachdem diese beiden Messungen in Schritt b) und c) erfolgt sind, kippt die Montierung des Teleskops das System 6 nach hinten und dreht es nach rechts (Schritt d)). Jetzt wird der untere rechte Bereich des Systems 6 durch den Monitor 2 ausgefüllt. Schließlich dreht die Montierung das System 6 nach links, so dass nun der untere linke Bereich des Kamera-Projektor-Systems 6 ausgefüllt ist (Schritt e)).
In jeder der Positionen a) bis e) wird die im Vorangegangenen erläuterte Absolutphasenmessung sowohl für die bildaufnehmende Kamera als auch den Projektor des Systems 6 durchgeführt, wodurch schließlich der gesamte Bilderfassungsbereich der 3D-Kamera erfasst wird und die Sichtstrahlen mit Hilfe der Auswertungseinheit 4 berechnet werden können. Ein großer Vorteil des Messablaufs der 6 besteht darin, dass die Winkelposition des Monitors nicht verändert wird, sondern nur eine lineare Verschiebung des Monitors bewirkt wird. Eine Änderung der Winkelposition wird lediglich über ein Verdrehen und Verkippen der zu kalibrierenden Einrichtung 6 erreicht. Hierdurch benötigt die erfindungsgemäße Kalibriervorrichtung bei der Durchführung der Messung wenig Platz und es wird ferner verhindert, dass das Messergebnis durch Verbiegungen im Monitor, welche bei dessen Verkippung verursacht werden können, verfälscht wird.
Literaturverzeichnis:

[1] DE 197 27 281 C1
[2] DE 103 45 586 A1
[3] J. Burke, T. Bothe, W. Osten, C. Hess: ”Reverse engineering by fringe projection”. Proc. SPIE Vol. 4778, 2002, Seiten 312–324
[4] T. Bothe, W. Osten, A. Gesierich, W. Jüptner: ”Compact 3D-Camera”, Proc. SPIE Vol. 4778, 2002, Seiten 48–59

Claims

Verfahren zur Kalibrierung einer optischen Einrichtung (1, 3), welche eine Vielzahl von strahlungsaussendenden und/oder strahlungsempfangenden Bildpunkten (CP, PP) umfasst, mit folgenden Schritten: a) die optische Einrichtung (1, 3) wird vor einem Bilderzeuger (2) mit einer Messfläche (2a) umfassend eine Vielzahl von strahlungsaussendenden Messpunkten (MP) angeordnet; b) von einem Bildaufnehmer (1) mit einer Vielzahl von Bildpunkten (CP) werden Strahlungsmuster aufgenommen, welche durch den Bilderzeuger (2) erzeugt und/oder an diesem gestreut werden, wobei die Strahlungsmuster eine von den Bildpunkten (CP) der optischen Einrichtung (1, 3) empfangene und/oder ausgesendete Strahlung wiedergeben; c) aus den aufgenommenen Strahlungsmustern werden für wenigstens einen Teil der Vielzahl von Bildpunkten (CP, PP) der optischen Einrichtung (1, 3) Sichtstrahlen (S) ermittelt, wobei jeder Sichtstrahl (S) einem Bildpunkt (CP, PP) der optischen Einrichtung (1, 3) zugeordnet ist und wobei jeder Sichtstrahl (S) die durch die optische Einrichtung (1, 3) bedingte Orientierung des Strahlverlaufs einer von dem zugeordneten Bildpunkt (CP, PP) empfangenen und/oder von dem zugeordneten Bildpunkt (CP, PP) ausgesendeten Strahlung beschreibt, wobei die Strahlungsmuster in Schritt b) in mehreren Relativpositionen des Bilderzeugers (2) zur optischen Einrichtung (1, 3) erzeugt und/oder gestreut werden, wobei für zumindest zwei Relativpositionen eine Messung durchgeführt wird, mit der für wenigstens einen Teil der Bildpunkte (CP, PP) der optischen Einrichtung (1, 3) jeweils die Position desjenigen Messpunkts (MP) auf dem Bilderzeuger (2) ermittelt wird, der in den aufgenommenen Strahlungsmustern für die Bestrahlung eines jeweiligen Bildpunkts (CP) des Bildaufnehmers (1) verantwortlich ist, und wobei über diese Positionen die Lage der Sichtstrahlen (S) im Raum ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt b) erzeugten und/oder gestreuten Strahlungsmuster periodische Strahlungsmuster sind, mit denen die Positionen der Messpunkte (MP) auf der Messfläche (2a) des Bilderzeugers (2) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die periodischen Strahlungsmuster sinusförmige Helligkeitsmuster sind.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die sinusförmigen Helligkeitsmuster Streifenmuster auf der Messfläche (2a) des Bilderzeugers (2) sind.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifenmuster sich in vertikaler und/oder in horizontaler Richtung erstreckende Streifenmuster sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Positionen der Messpunkte (MP) auf der Messfläche (2a) des Bilderzeugers (2) eine Phasenmessung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenmessung eine Absolutphasenmessung ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildpunkte (CP, PP) der optischen Einrichtung (1, 3) und/oder die Bildpunkte (CP) des Bildaufnehmers (1) und/oder die Messpunkte (MP) des Bilderzeugers (2) Bildpixel sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in den Schritten a) und b) des Anspruchs 1 verwendete Bilderzeuger (2) ein Monitor ist, wobei die Messfläche (2a) durch den Bildschirm des Monitors gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Monitor ein TFT-Monitor ist.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Monitor in Bezug auf dessen Grauwertverlauf linearisiert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfläche (2a) des Bilderzeugers (2) eine Streuschicht aufweist, welche sowohl die Streuung von auf die Messfläche (2a) einfallender Strahlung als auch die Transmission von von der Messfläche (2a) ausgehender Strahlung ermöglicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildaufnehmer (1), der in Schritt c) des Verfahrens nach Anspruch 1 verwendet wird, ein Teil der zu kalibrierenden optischen Einrichtung ist und die strahlungsempfangenden Bildpunkte (CP) der optischen Einrichtung die Bildpunkte des Bildaufnehmers (1) sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildaufnehmer (1), der in Schritt c) des Verfahrens nach Anspruch 1 verwendet wird, kein Bestandteil der zu kalibrierenden optischen Einrichtung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung (1, 3) einen Bildaufnehmer (1) umfasst, der dem in Schritt c) des Verfahrens nach Anspruch 1 verwendeten Bildaufnehmer (1) entspricht und welcher wie folgt kalibriert wird: – in mehreren Relativpositionen des Bilderzeugers (2) zum Bildaufnehmer (1) wird jeweils eine Zuordnung von Bildpunkten (CP) des Bildaufnehmers (1) zu Messpunkten (MP) des Bilderzeugers (2) ermittelt, wobei die Zuordnung für einen jeweiligen Bildpunkt (CP) des Bildaufnehmers die Position desjenigen Messpunkts (MP) auf der Messfläche (2a) angibt, der für die Bestrahlung des jeweiligen Bildpunkts (CP) des Bildaufnehmers (1) verantwortlich ist; und – aus den ermittelten Zuordnungen wird die Lage der Sichtstrahlen (S) im Raum berechnet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung (1, 3) einen Bildausstrahler (3) mit einer Vielzahl von Bildpunkten (PP) umfasst, der wie folgt kalibriert wird: – in mehreren Relativpositionen des Bilderzeugers (2) zum Bildausstrahler (3) und Bildaufnehmer (1) wird jeweils eine erste Zuordnung (Z1) von Bildpunkten (CP) des Bildaufnehmers (1) zu Messpunkten (MP) des Bilderzeugers (2) ermittelt und/oder vorgegeben, wobei die erste Zuordnung (Z1) für einen jeweiligen Bildpunkt (CP) des Bildaufnehmers (1) die Position desjenigen Messpunkts (MP) des Bilderzeugers (2) angibt, der für die Bestrahlung des jeweiligen Bildpunkts (CP) des Bildaufnehmers (1) verantwortlich ist; – in den mehreren Relativpositionen wird jeweils die von dem Bildausstrahler (3) erzeugte Strahlung an dem ausgeschalteten Bilderzeuger (2) gestreut und es wird eine zweite Zuordnung (Z2) von Bildpunkten (CP) des Bildaufnehmers (1) zu Bildpunkten (PP) des Bildausstrahlers (3) ermittelt, wobei die zweite Zuordnung (Z2) für einen jeweiligen Bildpunkt (CP) des Bildaufnehmers (1) die Position desjenigen Bildpunkts (PP) des Bildausstrahlers (3) angibt, der für die Bestrahlung des jeweiligen Bildpunkts (CP) des Bildaufnehmers (1) verantwortlich ist; – in den mehreren Relativpositionen wird jeweils aus der ersten und zweiten Zuordnung (Z1, Z2) eine dritte Zuordnung (Z3) von Bildpunkten (PP) des Bildausstrahlers (3) zu Messpunkten (MP) des Bilderzeugers (2) ermittelt, wobei die dritte Zuordnung (Z3) für einen jeweiligen Bildpunkt (PP) des Bildausstrahlers (3) die Position desjenigen Messpunkts (MP) auf der Messfläche (2a) angibt, der von dem jeweiligen Bildpunkt (PP) des Bildausstrahlers (3) bestrahlt wird; und – aus den dritten Zuordnungen wird die Lage der Sichtstrahlen (S) im Raum ermittelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kalibrierung des gesamten Bilderfassungsbereichs der optischen Einrichtung (1, 3) der Bilderzeuger (2) und die optische Einrichtung (1, 3) relativ zueinander in verschiedenen Abständen und Winkeln angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung (1, 3) in verschiedene Verdreh- und/oder Verkipp-Positionen verdreht und/oder verkippt wird und der Bilderzeuger (2) in verschiedene Abstandspositionen linear verschoben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die verwendeten Bildaufnehmer (1) Kameras sind und/oder der oder die verwendeten Bildausstrahler (3) Projektoren sind.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Kameras CCD-Kameras sind.
Vorrichtung zur Kalibrierung einer optischen Einrichtung (1, 3) mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optische Einrichtung eine Vielzahl von strahlungsaussendenden und/oder strahlungsempfangenden Bildpunkten (CP, PP) umfasst, beinhaltend: – einen Bilderzeuger (2) mit einer Messfläche (2a) umfassend eine Vielzahl von strahlungsaussendenden Messpunkten (MP) zur Anordnung vor der optischen Einrichtung (1, 3), wobei die Messfläche (2a) derart ausgestaltet ist, dass sie Strahlungsmuster erzeugen kann; – eine Auswertungseinheit (4) zum Auswerten der von einem Bildaufnehmer (1) aufgenommenen Strahlungsmuster, die durch den Bilderzeuger (2) in mehreren Relativpositionen des Bilderzeugers (2) zur optischen Einrichtung (1, 3) erzeugt und/oder gestreut wurden und eine von den Bildpunkten (CP, MP) der optischen Einrichtung (1, 3) empfangene und/oder ausgesendete Strahlung wiedergeben, – wobei die Auswertungseinheit (4) derart ausgestaltet ist, dass sie aus den aufgenommenen Strahlungsmustern für wenigstens einen Teil der Vielzahl von Bildpunkten (CP, PP) der optischen Einrichtung (1, 3) Sichtstrahlen (S) ermittelt, wobei jeder Sichtstrahl (S) einem Bildpunkt (CP, PP) der optischen Einrichtung (1, 3) zugeordnet ist und wobei jeder Sichtstrahl (S) die durch die optische Einrichtung (1, 3) bedingte Orientierung des Strahlverlaufs einer von dem zugeordneten Bildpunkt (CP, PP) empfangenen und/oder von dem zugeordneten Bildpunkt (CP, PP) ausgesendeten Strahlung beschreibt, – wobei die Vorrichtung derart ausgestaltet ist, dass für zumindest zwei Relativpositionen eine Messung durchgeführt wird, mit der für wenigstens einen Teil der Bildpunkte (CP, PP) der optischen Einrichtung (1, 3) jeweils die Position desjenigen Messpunkts (MP) auf dem Bilderzeuger (2) ermittelt wird, der in den aufgenommenen Strahlungsmustern für die Bestrahlung eines jeweiligen Bildpunkts (CP) des Bildaufnehmers (1) verantwortlich ist, und dass über diese Positionen die Lage der Sichtstrahlen (S) im Raum ermittelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit (4) derart ausgebildet ist, dass sie periodische Strahlungsmuster auswertet.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit (4) derart ausgebildet ist, dass sie die periodischen Strahlungsmuster auf der Basis einer Absolutphasenmessung auswertet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Einrichtung (7, 8) zum Verändern der Relativposition des Bilderzeugers (2) in Bezug auf eine vor dem Bilderzeuger (2) angeordnete optische Einrichtung (1, 3) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (7, 8) zum Verändern der Relativposition des Bilderzeugers (2) eine Linearverfahranordnung (7) zum Verfahren des Bilderzeugers (2) in horizontaler Richtung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Linearverfahranordnung (7) eine Linearverfahrschiene ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (7, 8) zum Verändern der Relativposition des Bilderzeugers (2) eine Befestigungseinrichtung für die optische Einrichtung (1, 3) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungseinrichtung für die optische Einrichtung (1, 3) eine verdreh- und/oder verkippbare und/oder in der Höhe verstellbare Befestigungseinrichtung ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung den bei der Kalibrierung verwendeten Bildaufnehmer (1) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Bilderzeuger (2) in festen Positionen zum Bildaufnehmer (1) angeordnet werden kann, wobei für die festen Positionen in der Auswertungseinheit (4) jeweils eine Zuordnung von Bildpunkten (CP) des Bildaufnehmers (1) zu Messpunkten (MP) des Bilderzeugers (2) gespeichert ist und wobei die Zuordnung für einen jeweiligen Bildpunkt (CP) des Bildaufnehmers (1) die Position desjenigen Messpunkts (MP) auf der Messfläche (2a) angibt, der für die Bestrahlung des jeweiligen Bildpunkts (CP) des Bildaufnehmers (1) verantwortlich ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit (4) in Abhängigkeit von der Optik der optischen Einrichtung (1, 3) und der Größe der Messfläche (2a) des Bilderzeugers (2) Relativpositionen zwischen Bilderzeuger (2) und optischer Einrichtung (1, 3) ermittelt und die optische Einrichtung (1, 3) und/oder der Bilderzeuger in diese Relativpositionen automatisch bewegbar sind, um den gesamten Bilderfassungsbereich der optischen Einrichtung (1, 3) zu kalibrieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Verschlussvorrichtung umfasst, die vor einem zu kalibrierenden Bildausstrahler (3) angeordnet werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlussvorrichtung eine automatische Verschlussvorrichtung ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Bilderzeuger (2) ein Monitor ist, wobei die Messfläche (2a) durch den Bildschirm des Monitors gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass der Monitor ein TFT-Monitor ist.
Vorrichtung nach Anspruch 34 oder 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Monitor in Bezug auf dessen Grauwertverlauf linearisiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfläche (2a) des Bilderzeugers (2) eine Streuschicht aufweist, welche sowohl die Streuung von auf die Messfläche (2a) einfallender Strahlung als auch die Transmission von von der Messfläche (2a) ausgehender Strahlung ermöglicht.