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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer Kamera gemäß dem Oberbegriff vom Patentanspruch 1.
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Ein solches Verfahren zum Kalibrieren einer Kamera ist beispielsweise der
DE 10 2006 055 758 B4 als bekannt zu entnehmen. Bei diesem Verfahren wird ein bekanntes ebenes Schachbrettmuster mit der Kamera in mehreren Relativstellungen zur Kamera abgebildet, wobei in den Abbildern des Schachbrettmusters Lagen von Kreuzungspunkten von Kanten anhand von Lagen von Sattelpunkten der Helligkeitintensitätsverteilung in den Abbildern des Schachbrettmusters verfolgt werden, und wobei zunächst Groblagen der Kreuzungspunkte der Kanten ermittelt werden, die als Aufpunkte für eine subpixelgenaue Bestimmung der Lage der zugehörigen Sattelpunkte der Helligkeitsintensitätsverteilung verwendet werden. Dabei ist es vorgesehen, dass mindestens einer der Kreuzungspunkte in dem Schachbrettmuster mit einer durch Bildverarbeitung der Abbilder des Schachbrettmusters lesbaren Positionsangabe markiert ist, die eine Kodierung der Orientierung und der Lage des Kreuzungspunkts innerhalb des Schachbrettmusters erfasst und dass für die Ermittlung der Groblagen der Kreuzungspunkte der Kanten, die Abbilder des Schachbrettmusters mit einem Kantenoperator bearbeitet werden und anschließend in der Mitte des jeweiligen Abbilds eine U-Transformation durchgeführt wird.
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Mit anderen Worten ist es bei dem Verfahren vorgesehen, dass wenigstens ein Kalibrierungsobjekt in zumindest eine vorgebbare Stellung relativ zur Kamera bewegt wird. Dabei wird wenigstens ein Bild des sich in der vorgebbaren Stellung befindenden Kalibrierungsobjekts mittels der Kamera erfasst, sodass anhand des Bilds des Kalibrierungsobjekts die Kamera schließlich kalibriert werden kann. Üblicherweise ist die Kalibrierung einer Kamera sehr zeitaufwendig.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die Kamera auf besonders einfache und zeitgünstige Weise kalibriert werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass die Kamera besonders einfach und zeitgünstig kalibriert werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Stellung des Kalibrierungsobjekts und eine Orientierung, welche das Kalibrierungsobjekt in der Stellung einnimmt, mittels einer Methode der Theorie der optimalen Experimente ermittelt werden.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Kameras herkömmlicherweise initial kalibriert werden, um Kameraparameter zu bestimmen. Hierzu wird ein bekanntes Muster, zum Beispiel ein Schachbrettmuster, an unterschiedlichen Positionen beziehungsweise Stellungen und in unterschiedlichen Orientierungen in diesen Stellungen im Raum gehalten, und an jeder dieser Stellungen wird eine Aufnahme mit der Orientierten gemacht. Mit anderen Worten wird mittels der Kamera wenigstens ein Bild des bekannten Musters, welches sich in einer der Stellungen befindet, mittels der Kamera erfasst. Dieses erfasste Bild wird auch als Aufnahme bezeichnet. Üblicherweise wird eine Vielzahl von solchen Aufnahmen gemacht. Die Aufnahmen werden gespeichert, damit diese Aufnahmen mittels eines Computers nachbearbeitet werden können. Bei der späteren Bearbeitung mittels des Computers kann es vorkommen, dass die Kameraparameter beziehungsweise ihre Werte nicht hinreichend gut geschätzt werden können, da die Aufnahmen rein nach Gefühl und Erfahrung gemacht worden sind. Eine solche herkömmliche Kalibrierung ist aus dem allgemeinen Stand der Technik hinlänglich bekannt.
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Der Erfindung liegt nun die Idee zugrunde, die Anzahl an Aufnahmen auf ein Minimum zu begrenzen und so eine vorgegebene Genauigkeit der Kalibrierung zu erreichen. Dazu werden die Methoden der „Theorie der optimalen Experimente” genutzt, um die Stellung beziehungsweise Position und die Orientierung des Kalibrierungsobjekts, welches auch als Target bezeichnet wird und in der Aufnahme auftreten soll, zu berechnen.
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Es wurde berechnet, dass mittels der sogenannten D-Optimalität die Stellung und die Orientierung des Targets aus einer Hesse-Matrix besonders gut berechnet werden können. Hierzu wird das Minimum aller Determinanten der Hesse-Matrix, die in der Optimierung der Kalibrierung berechnet wird, minimiert.
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Ferner ist es denkbar, eine äquivalente Berechnung mittels der sogenannten E-Optimalität durchzuführen. Bei der E-Optimalität wird der Eigenwert der inversen Hesse-Matrix, der sogenannten Fischer-Information-Matrix, betrachtet. Im Optimierungsschritt wird der kleinste Eigenwert maximiert. Mithilfe dieses Ansatzes ist eine initiale Online-Kalibrierung realisierbar. Dies bedeutet, dass ein Computerprogramm, dass die Berechnung zur Minimierung durchführt, während der Aufnahme die nächste Stellung, in beziehungsweise an welcher das Target repräsentiert werden soll, angeben kann, sodass die Aufnahmen des Targets auf ein Minimum beschränkt werden können. Ferner ist es denkbar, die Stellung und die Orientierung in Abhängigkeit von der I-Optimalität zu berechnen.
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Umgesetzt werden kann die Kalibrierung beziehungsweise das erfindungsgemäße beispielsweise in einer Roboterapplikation, um die extrinsischen Kameraparameter und das Koordinatensystem des Roboters auf ein Koordinatensystem für Berechnungen zu transformieren. Zudem ist die Positionierung und die Orientierung des Roboters mit dem Target sehr genau. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, das Target mittels des Roboters zu positionieren und zu orientieren, das heißt in die jeweilige Stellung und die jeweilige Orientierung zu bewegen. Hierzu wird beispielsweise im Computer der Arbeitsbereich des Roboters hinterlegt. Dies bedeutet, dass in diesem Arbeitsbereich das Target präsentiert werden kann. Hierunter ist zu verstehen, dass das Target mittels des Roboters in dem Arbeitsbereich bewegt werden kann, sodass das Target mittels des Roboters innerhalb des Arbeitsbereichs in jeweilige Stellungen und Orientierungen bewegt werden kann. Dann werden unterschiedliche Positionen in einem Computermodell angefahren und dort wird dann im Computer das Target virtuell präsentiert. Daraufhin wird an jeder der Positionen mit den Orientierungen die D- und E-Optimalität berechnet. Zu der Position mit der größten Information – dies ist das Ergebnis der E-Optimalität – wird der Roboter hinbewegt. So kann nach einer minimalen Anzahl an Roboter-Positionen ein vorgegebener Fehler eingehalten werden, wobei dieser Fehler besonders klein gehalten werden kann. Somit existiert eine onlinefähige Realisierung, um Daten für eine Kalibrierung der Kamera auszuwerten.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in der einzigen Fig. eine schematische Ansicht einer Kamera, welche im Rahmen eines entsprechenden Verfahrens kalibriert wird.
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Die einzige Fig. zeigt in einer schematischen Ansicht eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Kamera, welche im Rahmen eines entsprechenden Verfahrens kalibriert wird. Bei diesem Verfahren wird wenigstens ein Kalibrierungsobjekt 12 in zumindest eine vorgebbare Stellung relativ zur Kamera 10 bewegt. Es kann vorgesehen sein, dass das Kalibrierungsobjekt 12 in mehrere, voneinander unterschiedliche Stellungen im Raum bewegt wird, um eine besonders vorteilhafte und genaue Kalibrierung der Kamera 10 zu realisieren.
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Um die Kalibrierung der Kamera 10 nun besonders einfach und zeitgünstig durchführen zu können, wird die jeweilige Stellung des Kalibrierungsobjekts 12 sowie eine jeweilige Orientierung, die das Kalibrierungsobjekt 12 in der jeweiligen Stellung einnimmt, mittels wenigstens einer Methode der Theorie der optimalen Experimente ermittelt.
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Aus der Fig. ist erkennbar, dass als da Kalibrierungsobjekt 12 ein bekanntes Muster in Form eines Schachbrettmusters verwendet wird. Ferner wird die Kalibrierung der Kamera 10 mittels eines in der Fig. besonders schematisch dargestellten Roboters 14 durchgeführt, indem das Kalibrierungsobjekt 12 mittels des Roboters 14 relativ zur Kamera 10 automatisch im Raum bewegt wird, wodurch das Kalibrierungsobjekt 12 in die jeweiligen, berechneten Orientierungen und Stellungen automatisch bewegt wird. In diesen Stellungen wird jeweils wenigstens ein Bild des Kalibrierungsobjekts mittels der Kamera 10 erfasst, wobei das jeweilige, erfasste Bild auch als Aufnahme bezeichnet wird. Anhand der Aufnahmen kann dann die Kamera 10 kalibriert werden. Da die Stellungen und Orientierungen mithilfe der Methoden der Theorie der optimalen Experimente berechnet werden, können die Anzahl an Stellungen und somit die Anzahl an Orientierungen und in der Folge die Anzahl an erforderlichen Aufnahmen zum Kalibrieren der Kamera 10 besonders gering gehalten werden, sodass die Kamera 10 einfach und zeitgünstig kalibriert werden kann.
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Der Roboter 14 umfasst eine Mehrzahl von gelenkig miteinander verbundenen Roboterachsen 16, welche relativ zueinander bewegbar sind. Ferner umfasst der Roboter 14 eine Basis 18, über welche der Roboter an einem Boden gehalten ist. Das Kalibrierungsobjekt 12 ist an einer der Roboterachsen 16 gehalten und kann somit mittels des Roboters 14 im Raum umherbewegt werden. Zum Berechnen der Stellungen und Orientierungen ist eine Recheneinrichtung 20 vorgesehen, mittels welcher der Roboter 14 angesteuert wird, um dadurch das Kalibrierungsobjekt 12 mittels des Roboters 14 im Raum zu bewegen.
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Die Methoden der Theorie der optimalen Experimente werden genutzt, um die jeweilige Stellung beziehungsweise Position und die Orientierung des Kalibrierungsobjekts 12, welches auch als Target bezeichnet wird, zu berechnen. Mithilfe der sogenannten D-Optimalität kann die jeweilige Stellung und Orientierung des Targets aus der Hesse-Matrix berechnet werden. Dazu wird beispielsweise das Minimum aller Determinanten der Hesse-Matrix, die in der Optimierung der Kalibrierung berechnet wird, minimiert. Eine äquivalente Berechnung kann mithilfe der sogenannten E-Optimalität berechnet werden. Ferner kann auch die sogenannte I-Optimalität zur Kalibrierung zum Einsatz kommen.
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Insgesamt kann eine besonders hohe und immer gleichbleibende Aufnahmequalität im Rahmen der Kalibrierung der Kamera 10 sichergestellt werden. In der Folge kann beispielsweise eine Produktionsanlage mit einer hohen Sicherheit betrieben werden. Insbesondere kann die Inbetriebnahme-Zeit für Sensoren minimiert werden. Die Kamera 10 kann beispielsweise in einer Produktionsanlage zum Herstellen von Produkten, insbesondere Kraftwagen, zum Einsatz. Hierbei wird beispielsweise eine Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) durchgeführt, in deren Rahmen sich Arbeitsbereiche von Robotern und Personen überschneiden. Mittels der Kamera 10 ist es aufgrund ihrer vorteilhaften Kalibrierung möglich, Objekte, welche unerwünschte Weise in einen der Arbeitsbereiche eindringen, zu identifizieren, um entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten. Dadurch kann ein besonders sicherer Betrieb der Produktionsanlage realisiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006055758 B4 [0002]
