DE102019135222A1 - System for determining the field of view (FOV) of a camera - Google Patents
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Abstract
Ein System (21) wird zum Bestimmen eines Sichtfelds, FOV (Field of View), einer Kamera bereitgestellt, umfassend: eine Lichtquelle (22); einen Mustergenerator (23), der dafür ausgebildet ist, ein Muster aus von der Lichtquelle emittiertem Licht zu generieren; wobei der Mustergenerator (23) ein optisches Element umfasst, wobei das optische Element dafür ausgebildet ist, das Muster so zu dem Objektiv einer Kamera zu lenken, dass das FOV an dem Objektiv anhand des Musters bestimmt werden kann.A system (21) is provided for determining a field of view (FOV) of a camera, comprising: a light source (22); a pattern generator (23) which is adapted to generate a pattern from light emitted by the light source; wherein the pattern generator (23) comprises an optical element, the optical element being designed to direct the pattern to the lens of a camera in such a way that the FOV on the lens can be determined on the basis of the pattern.
Description
ErfindungsgebietField of invention
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Bestimmen des Sichtfelds einer Kamera. Insbesondere betrifft sie ein System, das verwendet werden kann, um das Sichtfeld für Kameras sowohl mit einem breiten als auch einem schmalen Sichtfeld zu bestimmen.The present invention relates to a system for determining the field of view of a camera. In particular, it relates to a system that can be used to determine the field of view for cameras with both a wide and a narrow field of view.
Allgemeiner Stand der TechnikGeneral state of the art
Das Sichtfeld einer Kamera oder eines optischen Systems ist die maximale Erstreckung des visuellen Bereichs, der durch die Kamera bei einer gegebenen Positionierung der Kamera sichtbar ist. Elemente außerhalb des Sichtfelds der Kamera, wenn sich die Kamera an einer gegebenen Position befindet, sind nicht durch die Kamera sichtbar. Das Sichtfeld wird in Graden gemessen, die die Größe des „Winkels“ anzeigen, für die Objekte vor einer Kamera durch die Kamera sichtbar sind. Kameras werden in einer großen Vielfalt von industriellen Anwendungsgebieten verwendet, beispielsweise für die Detektion in industriellen Prozessen und für das Aufnehmen von Bildern zur Beurteilung und Analyse. Somit ist es wichtig, dass das Sichtfeld der Kamera bestimmt werden kann, um seine Funktionalität und Eignung für eine gegebene Detektions- oder Aufnahmeaufgabe zu beurteilen.The field of view of a camera or an optical system is the maximum extent of the visual area that is visible by the camera for a given positioning of the camera. Elements outside the camera's field of view, when the camera is in a given location, are not visible to the camera. Field of view is measured in degrees that indicate the size of the "angle" that objects in front of a camera are visible to the camera. Cameras are used in a wide variety of industrial applications, for example for detection in industrial processes and for taking pictures for assessment and analysis. It is therefore important that the field of view of the camera can be determined in order to assess its functionality and suitability for a given detection or recording task.
Typischerweise beinhaltet ein Verfahren zum Messen des Sichtfelds (FOV) eines optischen Systems, ein oder mehrere Ziele in einer gewissen Distanz von der Kamera zu platzieren, wobei die Kamera auf einer Höhe (h) fixiert ist.
Je weiter das Ziel von der Kamera weg platziert wird, umso präziser kann die Messung des Sichtfelds bestimmt werden. Während große Distanzen zwischen einem Ziel und einer Kamera eine präzise FOV-Bestimmung liefern können, tendieren solche Distanzen als solche im Allgemeinen dazu, in einer industriellen Umgebung unpraktisch zu sein, insbesondere wenn schnelle Messungen des Sichtfelds erforderlich sind. Außerdem sind Systeme, die eine Bestimmung des Sichtfelds liefern, ohne Messungen über eine große Distanz zu erfordern, nur für Kameras mit einem schmalen Sichtfeld präzise. Dementsprechend ist es wünschenswert, ein System zu erzeugen, das verwendet werden kann, um das Sichtfeld für Kameras mit einem breiten als auch einem schmalen Sichtfeld zu bestimmen.The further the target is placed away from the camera, the more precisely the measurement of the field of view can be determined. As such, while large distances between a target and a camera can provide an accurate FOV determination, such distances generally tend to be impractical in an industrial setting, particularly when rapid field of view measurements are required. In addition, systems that provide a field of view determination without requiring long distance measurements are only accurate for cameras with a narrow field of view. Accordingly, it is desirable to create a system that can be used to determine the field of view for cameras with a wide as well as a narrow field of view.
Kurze Darstellung der ErfindungSummary of the invention
Die vorliegende Erfindung stellt ein System zum Bestimmen eines Sichtfelds, FOV, einer Kamera bereit, umfassend: eine Lichtquelle; einen Mustergenerator, der dafür ausgebildet ist, ein Muster aus von der Lichtquelle emittiertem Licht zu generieren; wobei der Mustergenerator ein optisches Element umfasst, wobei das optische Element dafür ausgebildet ist, das Muster zu dem Objektiv einer Kamera derart zu lenken, dass das FOV an dem Objektiv anhand des Musters bestimmt werden kann.The present invention provides a system for determining a field of view, FOV, of a camera comprising: a light source; a pattern generator configured to generate a pattern from light emitted by the light source; wherein the pattern generator comprises an optical element, wherein the optical element is designed to direct the pattern to the lens of a camera in such a way that the FOV on the lens can be determined on the basis of the pattern.
Dies ist vorteilhaft, da es für das Bestimmen des Sichtfelds einer Kamera ohne die Anforderung sorgt, Messungen über eine große Distanz zwischen einer Kamera und einem Ziel vorzunehmen. Weiterhin stellt es bereit, dass das Sichtfeld für Kameras sowohl mit einem breiten als auch einem schmalen Sichtfeld bestimmt werden kann. Das optische Element stellt bereit, dass ein Muster derart zu dem Objektiv einer Kamera gerichtet wird, dass ein Bild des Musters durch die Kamera erhalten werden kann, wodurch dafür gesorgt wird, dass das Sichtfeld der Kamera bestimmt werden kann. Mit dem Bild des Musters kann das Sichtfeld der Kamera unter Nutzung der Positionen von Elementen des Musters bestimmt werden.This is advantageous as it provides for determining the field of view of a camera without the requirement to take measurements over a long distance between a camera and a target. Furthermore, it provides that the field of view for cameras with both a wide and a narrow field of view can be determined. The optical element provides that a pattern is directed towards the lens of a camera in such a way that an image of the pattern can be obtained by the camera, whereby it is ensured that the field of view of the camera can be determined. With the image of the pattern, the field of view of the camera can be determined using the positions of elements of the pattern.
Die Lichtquelle kann einen Laser umfassen. Dies ist vorteilhaft, da es dafür sorgt, die Einführung von Lichtverzerrung in das System zu vermeiden.The light source can comprise a laser. This is beneficial as it helps avoid introducing light distortion into the system.
Der Mustergenerator kann ein brechendes optisches Element umfassen. Dies ist vorteilhaft, da es dafür sorgt, einen einzelnen Lichtstrahl in mehrere Strahlen auszubreiten, wodurch ein „Muster“ von Licht von einer einzelnen Quelle generiert wird. Je nach der Anordnung des beugenden optischen Elements können verschiedene Lichtmuster generiert werden.The pattern generator can comprise a refractive optical element. This is beneficial because it tends to spread a single beam of light into multiple beams, creating a "pattern" of light from a single source. Depending on the arrangement of the diffractive optical element, different light patterns can be generated.
Der Mustergenerator kann ein holografisches optisches Element umfassen. Dies ist vorteilhaft, da es ein alternatives Mittel zum Ausbreiten eines einzelnen Lichtstrahls in mehreren Strahlen liefert, um wieder ein „Muster“ von Licht von einer einzelnen Quelle zu generieren. Holografische optische Elemente liefern zusätzliche Vielseitigkeit im Vergleich zu beugenden optischen Elementen und können spezifisch zugeschnitten werden, eine Einzellichtquelle über zwei senkrechte Ebenen auszubreiten, d.h., ein einzelnes holografisches Element kann zugeschnitten werden, eine Reihe von vertikalen und horizontalen Linien aus einer einzelnen Lichtquelle zu erzeugen.The pattern generator can comprise a holographic optical element. This is advantageous as it provides an alternative means of spreading a single beam of light in multiple beams to again generate a "pattern" of light from a single source. Holographic optical elements provide additional versatility compared to diffractive optical elements and can be specifically tailored to spread a single light source over two perpendicular planes, ie, a a single holographic element can be cropped to create a series of vertical and horizontal lines from a single light source.
Das generierte Muster kann eine Reihe von Punkten umfassen, oder das generierte Muster kann eine Reihe von horizontalen und vertikalen Linien umfassen, die mehrere Quadratformen bilden. Dies ist vorteilhaft, da es ein periodisches Muster bereitstellt, aus der das Sichtfeld einer Kamera bestimmt werden kann.The generated pattern can include a series of dots, or the generated pattern can include a series of horizontal and vertical lines that form multiple square shapes. This is advantageous because it provides a periodic pattern from which the field of view of a camera can be determined.
Die Quadratformen um die Ränder des generierten Musters können abgeschnitten sein, um halbe Quadrate oder halbe Rechtecke zu bilden. Dies ist vorteilhaft, da es dafür sorgt, dass, wenn das Muster repliziert wird, es keine Diskontinuität in den Abmessungen der Musterelemente gibt, wenn zum Beispiel ein halbes Quadrat an dem Rand eines Musters repliziert wird, erscheint das replizierte halbe Quadrat entlang dem ursprünglichen halben Quadrat, wodurch ein ganzes Quadrat aus den beiden Hälften gebildet wird (die anfängliche und replizierte Hälfte).The square shapes around the edges of the generated pattern can be clipped to form half squares or half rectangles. This is advantageous as it ensures that when the pattern is replicated there is no discontinuity in the dimensions of the pattern elements, for example when a half square is replicated on the edge of a pattern the replicated half square appears along the original half Square, creating a whole square from the two halves (the initial and replicated half).
Das System kann weiterhin einen Replikator (
Der Replikator kann einen würfel- oder quaderförmigen Kasten umfassen, umfassend: eine erste offene Seite; eine zweite geschlossene Seite umfassend einen Schirm zum Empfangen von von dem Mustergenerator ausgebreitetem Licht; zwei oder mehr Seiten umfassend reflektierende Oberflächen, wobei die reflektierenden Oberflächen sich intern innerhalb des Kastens gegenüberliegen und dafür ausgebildet sind, das Muster von dem Schirm zu reflektieren, um ein repliziertes Muster innerhalb des Kastens zu erzeugen, das durch die erste offene Seite gesehen werden kann. Dies ist vorteilhaft, da es dafür sorgt, dass ein Muster entlang mindestens einer Ebene bis in das Unendliche repliziert werden kann. Wenn vier Seiten reflektierende Oberflächen umfassen, wobei die reflektierenden Oberflächen einander innerhalb des Kastens intern gegenüberliegen, sorgt dies dafür, dass ein Muster entlang zwei Ebenen bis zum Unendlichen repliziert werden kann. Dies garantiert somit, dass das Sichtfeld einer Kamera innerhalb des replizierten Musters liegt und aus dem replizierten Element innerhalb des Musters bestimmt werden kann. Weiterhin sorgt es dafür, dass eine Verzerrung innerhalb des Kameraobjektivs detektiert werden kann, da eine Verzerrung sich auf größeren Mustern leichter identifizieren lässt.The replicator may comprise a cube or parallelepiped-shaped box comprising: a first open side; a second closed side comprising a screen for receiving light propagated by the pattern generator; two or more sides comprising reflective surfaces, the reflective surfaces internally opposed within the box and adapted to reflect the pattern from the screen to create a replicated pattern within the box that can be seen through the first open side . This is advantageous as it ensures that a pattern can be replicated to infinity along at least one plane. When four sides include reflective surfaces, the reflective surfaces internally facing each other within the box, this allows a pattern to be replicated along two planes to infinity. This thus guarantees that the field of view of a camera lies within the replicated pattern and can be determined from the replicated element within the pattern. It also ensures that distortion within the camera lens can be detected, since distortion can be identified more easily on larger patterns.
Der Schirm kann einen transparenten Diffuser umfassen. Dies ist vorteilhaft, da es eine geeignete Oberfläche zum Empfangen von Licht von dem Mustergenerator auf einer Seite der Oberfläche derart liefert, dass das Muster für eine Kamera auf der anderen Seite der Oberfläche sichtbar ist. Der Diffusor sorgt dafür, dass das auf einer Seite des Diffusors „empfangene“ Muster klar zur anderen Seite zur Betrachtung durch die Kamera „übertragen“ wird.The screen can comprise a transparent diffuser. This is advantageous as it provides a suitable surface for receiving light from the pattern generator on one side of the surface such that the pattern is visible to a camera on the other side of the surface. The diffuser ensures that the pattern “received” on one side of the diffuser is clearly “transmitted” to the other side for viewing by the camera.
Die reflektierenden Oberflächen können die interne Oberfläche des Kastens ganz bedecken. Dies ist vorteilhaft, da das Bereitstellen der reflektierenden Oberflächen, um die interne Oberfläche des Kastens in ihrer Gänze zu bedecken, sicherstellt, dass es in dem replizierten Muster keine Lücken oder Diskontinuitäten gibt. Alle derartigen Diskontinuitäten würden zu Ungenauigkeiten bei der Sichtfeldbestimmung führen und würden es erschweren, eine Verzerrung festzustellen.The reflective surfaces can completely cover the internal surface of the box. This is advantageous because providing the reflective surfaces to cover the internal surface of the box in its entirety ensures that there are no gaps or discontinuities in the replicated pattern. Any such discontinuity would lead to inaccuracies in the field of view determination and would make it difficult to detect a distortion.
Das System kann weiterhin eine Kamera umfassen, die an der ersten offenen Seite positioniert und ausgebildet ist, das replizierte Muster innerhalb des Kastens zu sehen. Dies ist vorteilhaft, da es dafür sorgt, dass eine zu testende Kamera relativ zu dem System platziert werden kann, um das Sichtfeld der Kamera zu bestimmen. Das System ist somit zur Verwendung mit einer beliebigen Kamera ausgebildet, die geeignet ist, relativ zu der ersten offenen Seite des Kastens positioniert zu werden.The system may further include a camera positioned on the first open side and configured to see the replicated pattern within the box. This is advantageous as it ensures that a camera to be tested can be placed relative to the system in order to determine the field of view of the camera. The system is thus adapted for use with any camera suitable for being positioned relative to the first open side of the box.
Die Erfindung liefert weiterhin ein Verfahren zum Bestimmen des Sichtfelds einer Kamera unter Verwendung des Systems, wobei das Verfahren umfassen kann: Generieren an dem Mustergenerator eines Musters aus von der Lichtquelle emittiertem Licht; Erhalten über eine Kamera eines Bildes des generierten Musters; Bestimmen des Sichtfelds der Kamera von den Positionen der mehreren Musterelemente in dem erhaltenen Bild des generierten Musters. Dies ist vorteilhaft, da es dafür sorgt, dass das Sichtfeld präzise bestimmt werden kann, während die Notwendigkeit entfällt, physikalische Messungen über große Distanzen vorzunehmen.The invention further provides a method of determining the field of view of a camera using the system, the method comprising: generating at the pattern generator a pattern of light emitted by the light source; Obtaining via a camera an image of the generated pattern; Determining the field of view of the camera from the positions of the plurality of pattern elements in the obtained image of the generated pattern. This is advantageous as it ensures that the field of view can be precisely determined while there is no need to take physical measurements over large distances.
Das Verfahren kann weiterhin umfassen: Replizieren, an einem Replikator, des Musters von dem Mustergenerator, wobei das replizierte Muster mehrere Musterelemente umfasst; Erhalten, über die Kamera (
FigurenlisteFigure list
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1 zeigt ein Distanzverfahren des Erhaltens einer Sichtfeldmessung.1 Figure 11 shows a distance method of obtaining a field of view measurement. -
2A und2B zeigen ein Diagramm eines Systems gemäß der Erfindung, umfassend die Lichtquelle und den Mustergenerator.2A zeigt einen DOE-Mustergenerator,2B zeigt einen HOE-Mustergenerator.2A and2 B Figure 12 shows a diagram of a system according to the invention comprising the light source and the pattern generator.2A shows a DOE pattern generator,2 B shows a HOE pattern generator. -
3 zeigt ein Diagramm eines Systems gemäß der Erfindung, weiterhin umfassend den Replikator.3 Figure 3 shows a diagram of a system according to the invention further comprising the replicator. -
4 zeigt eine isometrische Ansicht der Vorderseite des Replikators, wobei ein Muster von dem Mustergenerator auf den Schirm des Replikators ausgebreitet wird.4th Figure 13 shows an isometric view of the front of the replicator with a pattern from the pattern generator being spread onto the screen of the replicator. -
5 zeigt eine isometrische Ansicht der Vorderseite des Replikators des Systems der Erfindung.5 Figure 3 shows an isometric view of the front of the replicator of the system of the invention. -
6 zeigt eine isometrische Ansicht der Rückseite des Replikators des Systems der Erfindung.6th Figure 3 shows an isometric view of the rear of the replicator of the system of the invention. -
7A bis7C zeigen die Replizierung eines Musters, das an dem Replikator auftritt, für eine, zwei und vier Seiten umfassende reflektierende Oberflächen.7A to7C show the replication of a pattern appearing at the replicator for one, two and four sided reflective surfaces. -
8 zeigt die Replizierung eines Musters unter Verwendung von zwei Seiten mit längeren reflektierenden Oberflächen als jenen in7A bis7C gezeigten.8th FIG. 13 shows the replication of a pattern using two sides with longer reflective surfaces than those in FIG7A to7C shown. -
9 zeigt ein durch den Mustergenerator generiertes beispielhaftes „Gittermuster“.9 shows an exemplary “grid pattern” generated by the pattern generator. -
10 zeigt ein Bespiel eines verzerrten Gittermusters mit einer „Zylinder“-Verzerrung.10 shows an example of a distorted grid pattern with a "cylinder" distortion. -
11 zeigt ein Beispiel eines verzerrten Gittermusters mit einer „Kissen“-Verzerrung.11 shows an example of a distorted grid pattern with a "pillow" distortion. -
12 zeigt ein Beispielbild, das durch eine Kamera aufgenommen ist, das verwendet wird, um das Sichtfeld der Kamera zu bestimmen.12th Figure 12 shows a sample image captured by a camera that is used to determine the camera's field of view.
Ausführliche BeschreibungDetailed description
Das System der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben.
Das System kann einen Mustergenerator umfassen, umfassend ein beugendes optisches Element (DOE)
Die Beugung durch die Gitter ist deterministisch und somit sind die gebeugten Winkel bekannt. Der gebeugte Winkel θq der Beugungsordnung q hängt von der Laserwellenlänge λ, der Beugungsordnung q und dem Gitter A ab. Der Winkel θq wird gefunden aus
Wenn die Lichtquelle monochromatisch ist (ein Laser), dann ist die einzige Variable die Beugungsordnung q, die eine Ganzzahl -n, -n+1,..., -2, -1, 0, +1, +2, ..., +n ist (d.h. 1. Ordnung, 2. Ordnung, 3. Ordnung usw.).If the light source is monochromatic (a laser) then the only variable is the diffraction order q, which is an integer -n, -n + 1, ..., -2, -1, 0, +1, +2, .. ., + n (i.e. 1st order, 2nd order, 3rd order, etc.).
Es wird angemerkt, dass, wo der Einfallsstrahl kollimiert wird, auch die Beugungsordnungen kollimiert bleiben.It is noted that where the incident beam is collimated, the diffraction orders also remain collimated.
Ein standardmäßiges Beugungsgitter ist so ausgebildet, dass es das Licht über eine Ebene senkrecht zu den Linien des Gitters ausbreitet. Indem zwei Gitter verwendet werden, die parallel zueinander platziert sind, wobei aber die Linien des ersten Gitters senkrecht zu dem zweiten Gitter verlaufen, ist es möglich, das Licht über zwei senkrechte Ebenen auszubreiten. Als solches kann aus einem einzelnen Strahl ein Muster von Strahlen
Alternativ kann ein holografisches Element (HOE)
Das generierte Muster kann in Form einer Reihe von Punkten vorliegen. Alternativ umfasst das generierte Muster eine Reihe von horizontalen und vertikalen Linien, die mehrere quadratische oder rechteckige Formen bilden. Ein derartiges Muster vom Quadrat- oder „Gitter“-Typ kann beispielsweise als Ergebnis der Nutzung eines abtastenden Lasers als die Lichtquelle gebildet werden.The generated pattern can be in the form of a series of points. Alternatively, the generated pattern includes a series of horizontal and vertical lines that form multiple square or rectangular shapes. Such a square or "grid" type pattern can be formed, for example, as a result of using a scanning laser as the light source.
Der Kasten umfasst weiterhin mindestens zwei Seiten, die reflektierende Oberflächen
Die Weise der Replizierung wird weiter bezüglich
Bezüglich
Bezüglich
Weil das generierte Muster
Weiterhin sorgt das auf die beschriebene Weise replizierte Muster dafür, dass ein Grad an Verzerrung in der Kamera oder dem Kameraobjektiv detektiert werden kann. Beispielsweise zeigt
Es wird nun ein Verfahren zum Bestimmen des Sichtfelds einer Kamera beschrieben. Das Verfahren kann unter Verwendung des hierin beschriebenen Systems durchgeführt werden. Eine Lichtquelle liefert Licht an einen Mustergenerator. Der Mustergenerator generiert ein Muster aus von der Lichtquelle emittiertem Licht. Ein Bild des generierten Musters wird über eine Kamera (
Die Wörter „umfasst/umfassend“ und die Wörter „mit/einschließlich“ werden, wenn sie hierin unter Bezugnahme auf die vorliegende Erfindung verwendet werden, verwendet, um die Anwesenheit von festgestellten Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten oder Komponenten zu spezifizieren, schließen aber die Anwesenheit oder das Hinzufügen von einem oder mehreren anderen Elementen, ganzen Zahlen, Schritten, Komponenten oder Gruppen davon nicht aus.The words "comprises" and the words "including" when used herein with reference to the present invention are used to specify the presence of identified features, integers, steps, or components, but include those The presence or addition of one or more other elements, integers, steps, components or groups thereof does not preclude.
Es versteht sich, dass gewisse Merkmale der Erfindung, die der Klarheit halber im Kontext von separaten Ausführungsformen beschrieben werden, auch in Kombination in einer einzelnen Ausführungsform vorgesehen sein können. Umgekehrt können verschiedene Merkmale der Erfindung, die der Kürze halber im Kontext einer einzelnen Ausführungsform beschrieben werden, auch separat oder in einer beliebigen geeigneten Teilkombination bereitgestellt werden.It will be understood that certain features of the invention, which for the sake of clarity are described in the context of separate embodiments, can also be provided in combination in a single embodiment. Conversely, various features of the invention, which for the sake of brevity are described in the context of a single embodiment, may also be provided separately or in any suitable sub-combination.
Claims (14)
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R163 | Identified publications notified |