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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erfassen von Relativbewegungen
von zwei Kameras eines Stereokamerasystems, mit denen Bilder eines
Objekts aus zwei unterschiedlichen Blickrichtungen aufgenommen werden.
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Weiterhin
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Stereokamerasystem
mit zwei Kameras, die Bilder eines Objekts aus zwei unterschiedlichen
Blickrichtungen aufnehmen, und mit einer Vorrichtung zum Erfassen
von Relativbewegungen der beiden Kameras.
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STAND DER TECHNIK
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Mit
Stereokamerasystemen können
dreidimensionale Bewegungen z. B. von Hintergrundpunkten oder Partikeln
aus mit jeder der einzelnen Kameras des Stereokamerasystems nacheinander
aufgenommenen zweidimensionalen Bildern unter der Annahme bestimmt
werden, dass die Relativlage der Kameras und insbesondere ihre Relativorientierung bekannt
ist und sich zwischen den die Bewegungen abbildenden aufeinanderfolgenden
Bildern nicht verändert.
In vielen praktischen Anwendungen kann dieses letzte Kriterium nicht
erfüllt
werden oder es besteht zumindest eine Unsicherheit darüber, ob
es erfüllt
ist. Ursachen sind z. B. Schwingungen im Bereich der Lagerung der
Kameras des Stereokamerasystems, deren Anregung in bestimmten Messumgebungen,
wie beispielsweise in Propellerflugzeugen, nicht grundsätzlich unterdrückt werden
kann.
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Es
sind Algorithmen bekannt, um die Bilder zweier Kameras eines Stereokamerasystems
zu entzerren bzw. deren Blickrichtung so umzurechnen, dass die Punkte
der Bilder zu einer dreidimensionalen Bewegung verrechnet werden
können.
Die Korrelation der Bilder beider Kameras, die zu einem Zeitpunkt
aufgenommen worden sind, ermöglicht
einen relativen Vergleich der Kamerapositionen. Mit Hilfe willkürlicher,
d. h. angenommener Einschränkungen der
vorhandenen Freiheitsgrade in Bezug auf die Bewegung der ersten
Kamera, die Bewegung der zweiten Kamera oder die Bewegung des Hintergrunds, lässt sich
dabei eine Korrektur der Bilder im Hinblick auf eine Relativbewegung
der beiden Kameras durchführen.
Diese nachträgliche
Kalibrierung im Hinblick auf die Relativbewegung der beiden Kameras
ist jedoch ungenau, wenn das mit den Kameras aufgenommene Objekt
keine Fixpunkte aufweist und die tatsächlichen Bewegungsrichtungen
der Punkte des mit den Kameras aufgenommenen Objekts unbekannt ist.
Zudem ist die willkürliche,
d. h. angenommene Einschränkung
der vorhandenen Freiheitsgrade realitätsfern. Geht man von der Position
und Ausrichtung einer der Kameras als Referenz aus, so berücksichtigt
dies nicht, dass sich die beiden Kameras in der Regel gleichzeitig
bewegen, ohne dass angegeben werden kann, welche sich wie bewegt.
Die Position der Punkte des von den Kameras aufgenommenen Objekts
ist in der Regel die zu bestimmende Information. Entsprechend können die
Punkte des Objekts in den mit den Kameras aufgenommenen Bildern
nicht als Referenz verwendet werden.
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Aus
der
DE 29 96 65 A ist
ein Verfahren zur Herstellung topographischer Karten bekannt, bei dem
Bilder eines Geländes
aus zwei unterschiedlichen Blickrichtungen mit zwei an einem Luftschiff entfernt
voneinander angeordneten Kameras angeordnet werden. Dabei sind auf
beide Kameras Hilfskameras aufgesetzt, die zum Zeitpunkt der jeweiligen Aufnahme
die gegenseitige Stellung der beiden Kameras zueinander (Neigung
und Azimut) mitfotografieren.
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Aus
der
DE 40 37 273 A1 ist
eine Einrichtung zur fotogrammetrischen Vermessung eines Objekts bekannt.
Diese Einrichtung umfasst mehrere Kameras, die das Objekt aus unterschiedlichen
Richtungen abbilden. Darüber
hinaus bilden die Kameras jeweils ein außerhalb ihrer Abbildungsstrahlengänge in definierter
räumlicher
Absolutlage angeordnetes optisches Referenzmuster über Umlenkmittel
in Form teildurchlässiger
Spiegel ab, um hieraus die innere Orientierung und auch die räumliche
Position der Kameras relativ zueinander sowie relativ zu dem Objekt abzuleiten.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Stereokamerasystem
mit den Merkmalen der eingangs beschriebenen Art aufzuzeigen, mit
denen eine Entkopplung der Relativbewegungen der Kameras von Bewegungen
von Punkten des betrachteten Objekts möglich ist, um die Relativbewegungen
der beiden Kameras ohne Fixpunkte im Bereich des aufgenommenen Objekts
erfassen und bei der Auswertung der mit den Kameras aufgenommenen
Bilder berücksichtigen
zu können.
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LÖSUNG
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs
1 und ein Stereokamerasystem mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 6
gelöst.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele
des neuen Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis
5, bevorzugte Ausführungsformen
des neuen Stereokamerasystems in den abhängigen Patentansprüchen 7 bis
10 definiert.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei
dem neuen Verfahren zum Erfassen von Relativbewegungen von zwei
Kameras eines Stereokamerasystems werden von mindestens einer der beiden
Kameras aus Hilfsbilder des Objekts aufgenommen, wobei eine Hilfsblickrichtung
der Hilfsbilder zunächst
in einer festen Orientierung zu der Blickrichtung der einen Kamera
auf die andere Kamera hin verläuft,
wo die Hilfsblickrichtung mit einem Umlenkspiegel, der in einer
festen Orientierung zu der Blickrichtung der anderen Kamera ausgerichtet
ist, zu dem Objekt hin umgekehrt wird. Die Hilfsblickrichtung der
Hilfsbilder, die von der einen Kamera aus aufgenommen werden, entspricht
damit grundsätzlich
der Blickrichtung der Bilder, die mit der anderen Kamera aufgenommen
werden. Entsprechend werden reale Verschiebungen von Punkten des
beobachteten Objekts in diesen von der einen Kamera aus aufgenommenen
Hilfsbildern und den mit der anderen Kamera aufgenommenen Bildern
in gleicher Weise gesehen. Dies gilt jedoch nur, solange keine Relativbewegungen
zwischen den beiden Kameras auftreten. Eine Relativbewegung zwischen
den beiden Kameras führt
zu unterschiedlichen scheinbaren Verschiebungen der Punkte des beobachteten
Objekts in denn von der einen Kamera aus aufgenommenen Hilfsbildern
und den von der anderen Kamera aufgenommenen Bildern. Dies liegt
daran, dass sich die Bewegungen der beiden Kameras über den
Umlenkspiegel mit einem anderen "Hebel" auf die Hilfsbilder
auswirken, die von der einen Kamera aufgenommen werden, als auf
die mit der anderen Kamera direkt aufgenommenen Bilder. Unterschiedliche
Bewegungen von Punkten des beobachteten Objekts in den Hilfsbildern
und den zugehörigen
Bildern weisen daher auf Relativbewegungen zwischen den Kameras
hin, die sich separieren und entsprechend bei der Auswertung der
mit den Kameras aufgenommenen Bilder berücksichtigen lassen.
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Besonders
bevorzugt ist es bei dem neuen Verfahren, wenn von beiden Kameras
aus Hilfsbilder des Objekts aufgenommen werden, wobei der Hilfsblickrichtungen
der Hilfsbilder zunächst
in einer festen Orientierung zu der Blickrichtung der jeweiligen Kamera
auf die jeweils andere Kamera hin verlaufen, wo die Hilfsblickrichtungen
jeweils mit einem Umlenkspiegel, der in einer festen Orientierung
zu der Blickrichtung der jeweils anderen Kamera ausgerichtet ist, zu
dem Objekt hin umgelenkt werden. Die Aufnahme von Hilfsbildern von
jeder Kamera aus über
die jeweils andere Kamera hinweg, um eine Referenz für deren
Bilder im Hinblick auf Relativbewegungen der Kameras zu gewinnen,
ermöglicht
es, die Relativbewegungen im Hinblick auf die Bewegungen der einzelnen
Kameras aufzulösen.
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Idealerweise
stimmen die Blickfelder der Hilfsbilder, die von einer der Kameras
aus aufgenommen werden, im Bereich des Objekts mit dem Blickfeld
der Bilder, die mit der jeweils anderen Kamera aufgenommen werden, überein.
Dabei kann allein aus einer Relativverschiebung der Blickfelder
gegeneinander auf eine Relativbewegung der Kameras geschlossen werden.
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Die
Hilfsbilder, die von der einen Kamera aus über den Umlenkspiegel an der
anderen Kamera aufgenommen werden, können mit der einen Kamera selbst
aufgenommen werden, indem in deren Strahlengang beispielsweise ein
halbdurchlässiger
Spiegel angeordnet wird. Vorzugsweise ist jedoch für die Hilfsbilder
eine Hilfskamera vorgesehen, die starr mit der Kamera verbunden
ist, von der aus die Hilfsbilder aufgenommen werden.
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Idealerweise
wird das neue Verfahren so durchgeführt, dass fortlaufend Lageveränderungen von
Punkten des Objekts in den Bildern, die mit den Kameras aufgenommen
werden, mit solchen in den Hilfsbildern abgeglichen werden, um bei
der Bestimmung von Bewegungen der Punkte des Objekts aus den Bildern
gleichzeitige Relativbewegungen der beiden Kameras herauszurechnen.
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Bei
dem neuen Stereokamerasystem mit zwei Kameras, die Bilder eine Objekts
aus zwei unterschiedlichen Blickrichtungen aufnehmen, ist mindestens
eine Hilfsaufnahmeeinrichtung vorgesehen, um von einer der beiden
Kameras aus Hilfsbilder des Objekts aufzunehmen, deren Hilfsblickrichtung
bereits im Zusammenhang mit dem neuen Verfahren erläutert wurde.
Diese Hilfsaufnahmeeinrichtung ist Teil der Vorrichtung zum Erfassen
von Relativbewegungen der beiden Kameras. Vorzugsweise sind zwei Hilfsaufnahmeeinrichtungen
vorgesehen, um von beiden Kameras aus Hilfsbilder des Objekts aufzunehmen.
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Die
bevorzugten Merkmale der Hilfsabbildungseinrichtungen entsprechen
denjenigen des neuen Verfahrens. Die ideale Ausführungsform des neuen Verfahren
wird bei dem neuen Stereokamerasystem durch eine Korrektureinrichtung
umgesetzt, die fortlaufend Lageveränderungen von Punkten des Objekts
in den Bildern mit solchen in den Hilfsbildern abgleicht, um bei
der Bestimmung von Bewegungen der Punkte des Objekts aus den Bildern
gleichzeitige Relativbewegungen der beiden Kameras herauszurechnen.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung
genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer
Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ
zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen
erzielt werden müssen.
Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten
Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander
sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen.
Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen
der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls
abweichend von den gewählten
Rückbeziehungen
der Patentansprüche
möglich
und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in
separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung
genannt werden. Diese Merkmale können
auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso
können in
den Patentansprüchen
aufgeführte
Merkmale für weitere
Ausführungsformen
der Erfindung entfallen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert und
beschrieben.
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1 zeigt
den prinzipiellen Aufbau einer Ausführungsform des neuen Stereokamerasystems zur
Umsetzung des neuen Verfahrens.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Das
in 1 skizzierte Stereokamerasystem 1 weist
zwei Kameras 2 und 3 auf, die Bilder eines Objekts 4 aus
unterschiedlichen Blickrichtungen 5 und 6 aufzunehmen.
Das Objekt 4 kann beispielsweise ein Lichtschnitt sein,
in dem mit dem Stereokamerasystem 1 die dreidimensionale
Bewegungen von Partikeln, die sich in dem Lichtschnitt bewegen,
nach dem Konzept der Particle Image Velocimetry (PIV) erfasst werden
sollen. Um diese Bewegung aufzulösen,
müssen
die Kameras 2 und 3 nicht nur eine definierte
Relativlage und -Orientierung bezüglich ihrer Blickrichtungen 5 und 6 aufweisen,
sondern diese Relativlage und -Orientierung darf sich zwischen den einzelnen
Bildern, die die Bewegung von Punkten des Objekts 4 dokumentieren,
nicht verändern.
In vielen Umgebungen ist eine unveränderte Relativlage und Relativorientierung
der Kameras 2 und 3 jedoch unrealistisch, weil
beispielsweise Schwingungen im Bereich einer Lagerung der Kameras 2 und 3 unvermeidbar
auftreten. Dann ist es wichtig, die auftretenden Relativbewegungen
der Kameras 2 und 3 zu erfassen, um sie bei der
Auswertung der mit den Kameras 2 und 3 aufgenommenen
Bilder des Objekts 4 berücksichtigen, d. h. herauszurechnen
zu können.
Zu diesem Zweck ist eine Vorrichtung zum Erfassen von Relativbewegungen
der beiden Kameras 2 und 3 vorgesehen, die zwei
Hilfsaufnahmeeinrichtungen aufweist. Die eine Hilfsaufnahmeeinrichtung
besteht aus einer Hilfskamera 7, die starr mit der Kamera 2 verbunden
ist und die auf einen Umlenkspiegel 8 gerichtet ist, welcher
starr mit der Kamera 3 verbunden ist. Eine Hilfsblickrichtung 9 der
Hilfskamera 7 wird dabei von dem Umlenkspiegel 8 auf
die Blickrichtung 6 der Kamera 3 umgelenkt. Die
Hilfskamera 7 nimmt entsprechend Hilfsbilder des Objekts 4 auf,
die im Wesentlichen den Bildern des Objekts 4 entsprechen, die
mit der Kamera 3 aufgenommen werden. So resultieren reale
Bewegungen von Punkten des Objekts 4 in grundsätzlich gleiche
Verschiebungen in den Hilfsbildern, die mit der Hilfskamera 7 aufgenommen
werden, und in den Bildern, die mit der Kamera 3 aufgenommen
werden. Anders wirken sich jedoch Lage- und Orientierungsveränderungen
der -Kamera 3 gegenüber
dem Objekt 4 aus, weil diese für die Kamera 7 mit
dem Umlenkspiegel 8 und des Abstands der Hilfskamera 7 von
dem Spiegel 8 übersetzt,
d. h. vergrößert werden.
So kann zwischen realen Bewegungen von Punkten des Objekts 4 und
scheinbaren Bewegungen von Punkten des Objekts 4 aufgrund von
Lage- und Orientierungsänderungen
der Kamera 3 unterschieden werden. Eine weitere Hilfsabbildungseinrichtung
umfasst eine Hilfskamera 10, die starr mit der Kamera 3 verbunden
ist und die mit ihrer Hilfsblickrichtung 11 zunächst auf
die Kamera 2 gerichtet ist, wo ihre Hilfsblickrichtung 11 mit
einem starr mit der Kamera 2 verbundenen Umlenkspiegel 12 auf die
Blickrichtung 5 der Kamera 2 umgelenkt wird. Es ist
klar, dass sich Lage- und Orientierungsänderungen der Kamera 2 nicht
nur in den Hilfsbildern widerspiegeln, die mit der Hilfskamera 10 aufgenommen werden,
sondern auch in den Hilfsbildern, die mit der Hilfskamera 7 aufgenommen
werden. Die scheinbaren Verschiebungen der Punkte des Objekts 4 aufgrund
von Lage- und Orientierungsänderungen
der Kamera 2 sind dabei jedoch grundsätzlich andere als diejenigen,
die durch Lage- und Orientierungsveränderungen der Kamera 3 über den
Umlenkspiegel 8 hervorgerufen werden. Es kann also zwischen
den Lage- und Orientierungsänderungen
der einzelnen Kameras 2 und 3 unterschieden werden.
Besonders empfindlich reagieren die mit den Hilfskameras 7 und 10 aufgenommenen
Hilfsbilder auf Orientierungsänderungen
der Kameras 2 und 3, die zu einem Verkippen der
Umlenkspiegel 12 und 8 gegenüber den Hilfskameras 10 und 7 führen. Die
Blickfelder aller Kameras 2 und 3 und Hilfskameras 7 und 10 im
Bereich des Objekts 4 stimmen im Wesentlichen überein.
Die Blickfelder der Hilfskameras 7 und 10 sind hier
im Wesentlichen nur der Übersichtlichkeit
halber etwas kleiner dargestellt. Durch Relativbewegungen der Kameras 2 und 3 kann
es natürlich
dazu kommen, dass auch grundsätzlich übereinstimmende Blickfelder
gegeneinander verschoben werden.
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- 1
- Stereokamerasystem
- 2
- Kamera
- 3
- Kamera
- 4
- Objekt
- 5
- Blickrichtung
- 6
- Blickrichtung
- 7
- Hilfskamera
- 8
- Umlenkspiegel
- 9
- Hilfsblickrichtung
- 10
- Hilfskamera
- 11
- Hilfsblickrichtung
- 12
- Umlenkspiegel