DE102019220364A1 - Kalibriereinrichtung und Verfahren zum Kalibrieren einer Vorrichtung - Google Patents

Abstract

Kalibriereinrichtung (100) für eine Vorrichtung (200), aufweisend:- ein Erfassungselement (10) zum Erfassen von Bilddaten;- eine Auswertungseinrichtung (20) die eingerichtet ist, die Bilddaten hinsichtlich eines Markierungselements mit einer ersten kollinearen Punktgruppe (A, B, C, D) mit einem ersten bekanntem Doppelverhältnis von Abständen der Punkte und mit einer zweiten kollinearen Punktgruppe (E, F, G, H) mit einem zweiten bekanntem Doppelverhältnis von Abständen der Punkte, wobei sich die beiden Punktgruppen (A, B, C, D), (E, F, G, H) unter einem definierten Winkel schneiden, auszuwerten; und- wobei die Auswertungseinrichtung (20) ferner ausgebildet ist, aus den ausgewerteten Bilddaten eine Position und Pose der Vorrichtung (200) zu ermitteln.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Kalibriereinrichtung. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Kalibrieren einer Vorrichtung. Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogrammprodukt.
• Stand der Technik
• Zur Bestimmung der Position von Punkten auf Objekten können Kameras verwendet werden. Basierend auf dem Bild welches ein Objekt auf dem Sensor einer oder mehrerer Kameras hinterlässt, kann durch mathematische Transformationen seine Position in einem Bezugskoordinatensystem bestimmt werden. In 1 ist prinzipiell dargestellt, wie ein Lichtstrahl des Punkts P^o durch eine Lochblende LB einer Kamera (nicht dargestellt) auf ein Bildsensorelement 10 fällt und an der Stelle P_k als ein Abbild erscheint. Wenn die Position der Lochblende LB, der Winkel der optischen Achse OA und der Abstand der Lochblende L vom Bildsensorelement 10 bekannt sind, lässt sich aus der Position des Abbilds P_k auf dem Bildsensorelement 10 die Gerade bestimmen, auf der P₀ liegen muss. Mit zwei Kameras lässt sich die genaue Position berechnen.
• Voraussetzung für ein solches Vorgehen ist, dass die Position und Ausrichtung jeder beteiligten Kamera bekannt ist. Das Verfahren zur Bestimmung von Position und Ausrichtung (Pose) der Kamera wird im Folgenden als „Kalibrierung“ bezeichnet.
• Die Anzahl der notwendigen Punkte zur Berechnung der Pose unterscheidet sich je nach verwendetem mathematischem Verfahren und je nach notwendiger Genauigkeit. Damit bestimmte Punkte des Bezugskoordinatensystems im Kamerabild automatisiert zugeordnet werden können, werden Markierungselemente verwendet. Dies sind Objekte, welche eindeutige Muster im Kamerabild hinterlassen. Sind die Markierungselemente erkannt, liefern sie die Position des Abbilds eines Punktes. Dadurch, dass das Markierungselement eindeutig ist, kann dieser nun mit seiner bekannten Position im Bezugskoordinatensystem assoziiert werden. Geschieht dies für ausreichend viele Punkte, so lässt sich die Pose errechnen.
• Die Erkennung von Markierungselementen kann entweder manuell oder automatisch erfolgen, wobei eine manuelle Bestimmung potentiell ungenau ist. Des Weiteren schließt eine manuelle Bestimmung eine Einbindung in einen vollautomatisierten Prozess aus.
• Bei der automatischen Erkennung werden herkömmlicher Weise visuelle Muster angebracht, die erkannt werden müssen und die einen Code beinhalten. 2 und 3 zeigen zwei Beispiele, wie ein digitaler Code in ein optisches Muster eingearbeitet werden kann.
• Eine frei verfügbare Library namens PlusLib kann ein schachbrettartiges Muster erzeugen, das einen bestimmten Code enthält. Das sogenannte „TRIP‟-Verfahren codiert binäre Zahlen in mehreren konzentrischen Ringen unterschiedlicher Radien.
• Allen genannten konventionellen Methoden gemeinsam ist ein hoher, insbesondere algorithmischer Aufwand zur Erkennung der Muster.
• CN 103411553 A offenbart ein Kalibrierverfahren im Bereich von visueller Detektion. Dabei werden Cross Ratios zur Bestimmung einer Beleuchtungsebene und zur Detektion von 3D-Objekten verwendet.
• CN 102110290 A offenbart ein Verfahren zum Bereitstellen interner Parameter einer Kamera unter Verwendung von Triangulation.
• WO 90/09561 A2 offenbart ein Laser Range Imaging System unter Verwendung von projektiver Geometrie.
• Yu et al., Self calibration of focal length and rotation parameters using cross ratio, 1998, IEEE, pp. 1828-1833, verwendet Cross Ratios zur Berechnung von Linien in Schachbrettmustern. Es werden aber keine Punktgruppen identifiziert.
• Offenbarung der Erfindung
• Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Kalibriereinrichtung für eine Vorrichtung bereitzustellen.
• Gemäß einem ersten Aspekt schafft die Erfindung eine Kalibriereinrichtung für eine Vorrichtung, aufweisend:
• - ein Erfassungselement zum Erfassen von Bilddaten;
• - eine Auswertungseinrichtung die eingerichtet ist, die Bilddaten hinsichtlich eines Markierungselements mit einer ersten kollinearen Punktgruppe mit einem ersten bekanntem Doppelverhältnis von Abständen der Punkte und mit einer zweiten kollinearen Punktgruppe mit einem zweiten bekanntem Doppelverhältnis von Abständen der Punkte, wobei sich die beiden Punktgruppen unter einem definierten Winkel schneiden, auszuwerten; und
• - wobei die Auswertungseinrichtung ferner ausgebildet ist, aus den ausgewerteten Bilddaten eine Position und Pose der Vorrichtung zu ermitteln.
• Aufgrund des bekannten Doppelverhältnisses des Markierungselements ist genau bekannt, welches Markierungselement sensorisch erfasst wird. Vorteilhaft sind somit zu einer Ermittlung der Kalibrierung keine hochkomplexen Algorithmen erforderlich. Vorteilhaft können die Markierungselemente minimal invasiv in der Umgebung angebracht werden, wodurch ein geringstmöglicher Eingriff in die Umgebung erfolgt.
• Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Kalibrieren einer Vorrichtung, aufweisend die Schritte:
• - Erfassen von Bilddaten;
• - Auswerten der Bilddaten hinsichtlich eines Markierungselements mit einer ersten kollinearen Punktgruppe mit einem ersten bekannten Doppelverhältnis von Abständen der Punkte und mit einer zweiten kollinearen Punktgruppe mit einem zweiten bekanntem Doppelverhältnis von Abständen der Punkte, wobei sich die beiden Punktgruppen unter einem definierten Winkel schneiden; und
• - Ermitteln einer Position und einer Pose der Vorrichtung aus den ausgewerteten Bilddaten.
• Gemäß einem dritten Aspekt schafft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln die ausgebildet sind, das vorgeschlagene Verfahren auszuführen.
• Bevorzugte Ausführungsformen der Kalibriereinrichtung sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
• Eine vorteilhafte Weiterbildung der Kalibriereinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass Kalibriereinrichtung ferner eingerichtet ist, mit den ermittelten Doppelverhältnissen auf eine Datenbank mit globalen Koordinaten zuzugreifen. Vorteilhaft können dadurch globale Koordinaten entsprechen den ausgewerteten Bilddaten aus einer Datenbank abgerufen werden.
• Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Kalibriereinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Auswertungseinrichtung ferner ausgebildet ist, eine optische Hervorhebung jeweils wenigstens eines Punkts der wenigstens zwei Punktgruppen auszuwerten. Dadurch ist vorteilhaft unterstützt, dass die Punktgruppen eindeutig identifiziert und nicht miteinander verwechselt werden können. Eine Sicherheit der Kalibrierung ist auf diese Weise vorteilhaft erhöht.
• Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Kalibriereinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Auswertungseinrichtung ferner ausgebildet ist, eine Unterschiedlichkeit der Doppelverhältnisse der wenigstens zwei Punktgruppen auszuwerten. Auch auf diese Weise ist eine Eindeutigkeit der Punktgruppen unterstützt, wodurch eine Sicherheit der Kalibrierung unterstützt ist.
• Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Kalibriereinrichtung zeichnen sich dadurch aus, dass die Datenbank innerhalb oder außerhalb der Kalibriereinrichtung angeordnet ist. Dadurch ergeben sich vorteilhaft unterschiedliche technische Implementierungsmöglichkeiten für die Kalibriereinrichtung.
• Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Bauelemente haben dabei gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind.
• Offenbarte Vorrichtungsmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Verfahrensmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend die Kalibriereinrichtung in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen des Verfahrens zum Kalibrieren einer Vorrichtung ergeben und umgekehrt.
• In den Figuren zeigt:
• 1 eine schematische Darstellung einer Abbildungscharakteristik einer Kamera;
• 2, 3 Darstellungen von herkömmlichen Kalibrierelementen;
• 4 eine prinzipielle Darstellung einer Wirkungsweise des vorgeschlagenen Verfahrens;
• 5 eine prinzipielle Ansicht eines vorgeschlagenen Markierungselements mit zwei Punktgruppen;
• 6 eine prinzipielle Ansicht eines vorgeschlagenen Markierungselements mit zwei Punktgruppen mit Zahlenwerten;
• 7 eine Schrägansicht des vorgeschlagenen Markierungselements von 6;
• 8 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der vorgeschlagenen Kalibiereinrichtung;
• 9 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung mit der vorgeschlagenen Kalibiereinrichtung; und
• 10 eine prinzipielle Darstellung eines Verfahrens zum Kalibrieren einer Vorrichtung.
• Beschreibung von Ausführungsformen
• Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht insbesondere darin, eine Kalibriereinrichtung für eine Vorrichtung bereitzustellen, bei der eine geometrische Invarianz zur schnellen Identifikation eines Musters und damit aller beteiligten Punkte verwendet wird.
• 4 zeigt prinzipiell das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende geometrische Prinzip. Erkennbar sind vier Geraden, die sich in einem Punkt schneiden. Für jede andere Gerade, die alle vier Geraden schneidet gilt, dass für die Strecken zwischen den Schnittpunkten das Doppelverhältnis (engl. cross ratio) gleich ist (vgl. Pappus von Alexandria 290-350 CE, „Book IV“). Das Doppelverhältnis der Punkte auf der Linie L₁ berechnet sich zu: $$\left(\text{AC}:\text{BC}\right)*\left(\text{BD}:\text{AD}\right)$$

  
• Es ist identisch zum Doppelverhältnis der Punkte auf der Linie L₂, nämlich: $$\left(\text{A'C'}:\text{B'C'}\right)*\left(\text{B'D'}:\text{A'D'}\right)$$

  
• Bei der Berechnung werden nur die Strecken zwischen den Punkten herangezogen, wobei die Koordinatensysteme nicht betrachtet werden müssen.
• Beispielsweise kann die Linie L₂ einen Bildsensor einer Kamera repräsentieren, wobei die Linie L₁ eine Linie eines Bezugskoordinatensystems repräsentieren kann.
• Aus obiger Annahme folgt, dass das Doppelverhältnis von vier kollinearen Punkten im Bezugskoordinatensystem somit identisch ist mit den Doppelverhältnissen ihrer Abbilder im Bildsensor. Das Doppelverhältnis ist somit eine Invarianz der perspektivischen Transformation, wodurch über den Wert des Doppelverhältnisses eine Gruppe von Punkten identifiziert werden kann. Damit sind sowohl ihre Position im Bildsensor und im Bezugskoordinatensystem bekannt.
• Allein mit kollinearen Punkten lässt sich jedoch eine Pose im dreidimensionalen Raum nicht bestimmen. Dies erfordert zumindest einen weiteren Punkt, was in 5 der Punkt D=H ist. Eine Möglichkeit, Punkte zu erhalten, die mit ersteren nicht-kollinear sind, besteht darin, eine zweite Gruppe von kollinearen Punkten zu definieren.
• 5 zeigt zwei kollineare Punktgruppen bzw. Punktwolken A, B, C, D und E, F, G, H, die einen gemeinsamen Punkt D bzw. H aufweisen, der somit eine Schnittmenge der beiden Punktgruppen darstellt. Der Schnittpunkt stellt außerdem jeweils einen Punkt jeder Punktgruppe zur Berechnung des Doppelverhältnisses dar.
• Ein Markierungselement im vorgeschlagenen Verfahren markiert nicht nur einen Punkt, sondern eine Punktgruppe, wobei die Punktgruppe durch folgende zwei Doppelverhältnisse identifiziert wird:
  (A, B, C, D) und (E, F, G, H)
• Dadurch, dass das Doppelverhältnis unabhängig vom Bezugssystem und sogar unabhängig von der Größenskala ist, kann die notwendige Berechnung stark vereinfacht und Fehlerquellen minimiert werden. Die Berechnung eines Doppelverhältnisses besteht aus wenigen Additionen und Multiplikationen. Statt komplexer Muster müssen nur Bildpunkte identifiziert werden. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, mit sehr geringem Aufwand Paare von Punkten in Bezugskoordinatensystem und Abbild bereitzustellen.
• Da es sich bei den Markierelementen nur um Punkte von Punktgruppen handelt, die zudem eine bestimmte geometrische Beziehung haben müssen, lassen sich derartige Markierelemente in der Umgebung so anbringen, dass sie im Kontext anderer Punkte auf einer Oberfläche nicht als Markierelement auffallen. Es sollte allerdings sichergestellt sein, dass im Bild nicht zufällig Doppelverhältnisse auftauchen, die zur Kalibrierung einer Vorrichtung verwendet werden.
• Das vorgeschlagene Verfahren zum Kalibrieren einer Vorrichtung erfordert somit wenigstens zwei Punktgruppen, kann aber ohne Einschränkung der Allgemeinheit mit beliebig vielen Punktgruppen realisiert werden.
• Das vorgeschlagene Verfahren sieht somit zwei wesentliche Aufgaben vor: Zunächst werden Punktgruppen definiert, welche in der beobachteten Umgebung angebracht werden. Danach wird mittels eines Erkennens und Analysierens der vordefinierten und in der Umgebung angebrachten Punktgruppen eine Kalibrierung der Vorrichtung durchgeführt, wobei ein Erkennen der Punktgruppen als ein Schlüssel für einen Zugriff auf eine Datenbank gesehen werden kann, in der globale Koordinaten, die die erkannten Punktgruppen repräsentieren, hinterlegt sind.
• Bei der Generierung der Punktgruppen sollten vorzugweise folgende Parameter betrachtet werden:
• - Minimaler Betrachtungswinkel der Vorrichtung
• - Maximale Distanz der Vorrichtung zur Punkgruppe
• - Minimale Distanz der Vorrichtung zur Punktgruppe
• - Auflösung von auszuwertenden Bilddaten der Vorrichtung
• Ein Extremfall eines Kamerawinkels ergibt sich beispielsweise, wenn eine Kamera frontal auf die Linie einer Punktgruppe schaut. Dann liegen alle Abbilder auf einem einzigen Punkt im Bildsensor, wodurch ein Doppelverhältnis in diesem Fall nicht mehr berechnet werden kann. Ist die Distanz der Kamera von der Punktgruppe so groß, dass alle betrachteten Punkte durch einen einzigen Pixel dargestellt werden, so besteht dasselbe Problem. Ist die Kamera zu nahe, so kann es passieren, dass nicht alle Punkte auf dem Bildsensor erscheinen. Die Punkte müssen somit groß genug sein und genügend Kontrast besitzen, dass sie für die Kamera vom Rest des Bildes unterscheidbar bleiben. Die Doppelverhältnisse der Punktgruppen sollten einen genügend großen numerischen Abstand voneinander aufweisen, sodass ein Fehler in der Berechnung nicht zu einer Verwechslung führt.
• Für die Spezifikation der Punktgruppe ergeben sich vorzugsweise folgende Parameter:
• - Farbe, Form und Fläche der Punkte in einer Punktgruppe
• - Granularität G des Abstands zwischen Punkten: Jeder Abstand von Punkten auf einer Linie ist ein Vielfaches der Granularität G. Die Granularität G sollte somit groß genug sein, damit Punkte selbst bei maximalem Abstand zur Vorrichtung unterscheidbar bleiben
• - Maximale Strecke S einer Punktgruppe: Die max. Strecke S sollte so gewählt werden, dass selbst bei minimalem Abstand zur zu kalibrierenden Vorrichtung alle Punkte mittels eines Bildsensors der Vorrichtung erfasst werden
• - Die Abstände der Punkte einer Punktgruppe lassen sich durch drei Ganzzahlen k₁, k₂, k₃ ungleich Null beschreiben, so dass sich für eine Punktgruppe mit den Punkten A, B, C, und D ergibt: AB = k₁ * G, BC = k₂ * G, und CD = k₃ * G
• - Anzahl der definierbaren Punktgruppen N_k: N ergibt sich aus der Anzahl der möglichen Kombinationen für k₁, k₂, k₃, wobei die Summe k₁ * G + k₂ * G + k₃ * G kleiner gleich der maximalen Strecke S ist
• Das Doppelverhältnis einer Punktgruppe A, B, C, D ist gleich dem Doppelverhältnis für die Punktgruppe D, C, B, A. Dies bedeutet, dass es unerheblich ist, von welcher Seite die Punktgruppe betrachtet wird. Jedoch bedeutet es auch, dass, wenn eine Punktgruppe erkannt wurde, es nicht eindeutig ist, welcher Punkt A oder D, bzw. C oder B ist. Mindestens ein Punkt der Punktgruppe ist deshalb vorzugsweise besonders gekennzeichnet bzw. optisch hervorgehoben sein, z.B. durch Farbgebung.
• Zur Bestimmung der Pose ist zumindest die Bestimmung von einem weiteren, nicht-kollinearen Punktes notwendig. Kann dieser eindeutig erkannt und der Punktgruppe zugeordnet werden, so darüber hinaus keine weitere Information notwendig.
• Bei der Verwendung mehrerer Punkgruppen potenziert sich die Anzahl der möglichen Marker. Es ist jedoch nicht möglich, alle Punktgruppenkombinationen zu verwenden. Da die Punkte einer Punktgruppe alle auf einer Linie liegen müssen, dann bei der Verwendung mehrerer Punkgruppen jeweils die Markierung eines Punktes eingespart werden. Dieser kann nämlich als Schnittpunkt zweier Punktgruppen definiert werden.
• Die Schnittpunkte können weiterhin als Vorgabe für die Richtung verwendet werden, so dass keine Extra-Markierung eines Randpunktes notwendig ist. Dadurch, dass mehrere Punktgruppen verwendet werden, entfällt ebenfalls die Notwendigkeit eines nicht-kollinearen Punktes.
• Die Anzahl der möglichen Marker erhöht sich exponentiell. Wenn die Punktgruppen nicht durch Farbe oder Form unterscheidbar sind, so sollte darauf geachtet werden, dass niemals eine Vertauschung einer Kombination verwendet wird.
• Wird beispielsweise eine Kombination verwendet, bei der eine Punktgruppe A das Doppelverhältnis Co und eine Punktgruppe B das Doppelverhältnis C₁ aufweist, dann darf es keine Kombination von A und B geben, wobei B das Doppelverhältnis Co und A das Doppelverhältnis C₁ hat. Es wäre sonst nämlich nicht eindeutig, um welche Kombination von Punktgruppen es sich handelt.
• Ein konkretes Beispiel für eine Auslegung zweier sich schneidender Punkgruppen zeigt 6. Ein dazu verwendetes Programm verwendet die Einheit ,1' zur Längendarstellung. Für die Punktgruppe der Linie L₃ ergibt sich ein Doppelverhältnis (AC : BC) * (BD : AD) = 1,25308; für die Punkgruppe der Linie L₄ ergibt sich ein Doppelverhältnis (EF : GF) * (FH / EH) = 1,03665. Für das Markierelement würde somit folgende Zuordnung zwischen globalen Koordinaten und Doppelverhältnis-Paar in einer Datenbank hinterlegt:
  Doppelverhältnis-Paar: (1,25308; 1,03665) ⇔ Globale Koordinaten von A, B, C, D = H, E, F, G.
• Wenn also von einer Vorrichtung, z.B. einer Kamera ein Doppelverhältnis-Paar detektiert wird, das in der Nähe von (1,25308; 1,03665) liegt, kennt man die globalen Koordinaten der beteiligten Punkte der Punktgruppen, wobei die Bildkoordinaten dem Sensorbild entnommen werden können.
• Eine Detektion von Punkten in digitalisierten Bildern ist gemäß Stand der Technik ohne Probleme umsetzbar. Es wird an dieser Stelle vorausgesetzt, dass ein System existiert, welches aus einem aufgenommenen Kamerabild eine Menge von Punktkandidaten extrahiert.
• Ein Bild eines detektierten Markierelements ist in 7 dargestellt, wobei mit Hilfe eines Pixelabstandmess-Tools Entfernungen manuell zwischen den abgebildeten Punkten manuell bestimmt werden können. Durch eine automatisierte Abstandsmessung lassen sich vorteilhaft noch genauere Werte erzielen.
• Im Idealfall sind alle Punkte bekannt. Ist dies jedoch nicht der Fall, so müssen die Punktkandidaten erst bestimmt werden. Dies lässt sich ohne großen Aufwand bestimmen. Die Punkte einer Gruppe müssen kollinear sein. Da die Punkte im Bildbereich zweidimensional sind, muss für drei Punkte A, B, und C gelten: $$\left(\text{Fl}\ddot{\text{a}}\text{che des Dreiecks ABC}=0\right){\text{A}}_{\text{x}}\left({\text{B}}_{\text{y}}-{\text{C}}_{\text{y}}\right)+{\text{B}}_{\text{x}}\left({\text{C}}_{\text{y}}-{\text{A}}_{\text{y}}\right)+{\text{C}}_{\text{x}}\left({\text{A}}_{\text{y}}-{\text{B}}_{\text{y}}\right)=0$$

  
• Ähnliche Formeln lassen sich für vier Punkte herleiten. Das vorgeschlagene Verfahren zur Kalibrierung einer Vorrichtung kann somit wie folgt beschrieben werden:
1. 1. Eine Bild-Analyse liefert Punkte im aufgenommenen Bild mit Koordinaten (X,Y) oder (X, Y, Z) wenn Tiefeninformationen vorhanden sind.
2. 2. Ein Kollinearitätsfilter ermittelt vorhandene Punktkandidaten.
3. 3. Es werden Doppelverhältnisse für alle Punktgruppen sich schneidender Linien ermittelt.
4. 4. In einer Datenbank wird nach einem passenden Doppelverhältnis-Paar gesucht.
5. 5. Die Punktinformationen werden an einen Optimierungsalgorithmus weitergereicht, der z.B. eine gewünschte Verstellung der Vorrichtung vornehmen kann oder eine Auswertungscharakteristik der Vorrichtung optimieren kann.
• Die Ausgabe der Detektion liefert also eine Liste von Punkten im Bildkoordinatensystem und im Bezugskoordinatensystem. Sind Tiefeninformationen vorhanden (z-Koordinate), könnte das Ergebnis lauten:
  (A_x, A_y, A_z) ⇔ (A_{x_global}, A_{y_global}, A_{z_global}), (B_x, B_y, B_z) ⇔ (B_{x_global}, B_{y_global}, B_{z_global}), (Cx, Cy, Cz) ⇔ (C_{x_global}, C_{y_global}, B_{z_global}), (D_x, D_y, D_z) ⇔ (D_{x_global}, D_{y_global}, D_{z_global}), (E_x, E_y, E_z) ⇔ (E_{x_global}, E_{y_global}, E_{z_global}), (F_x, F_y, F_z) ⇔ (F_{x_global}, F_{y_global}, F_{z_global}), (G_x, G_y, G_z) ⇔ (G_{x_global}, G_{y_global}, G_{z_global})
• Der Punkt H entfällt in diesem Beispiel, da er dem Punkt D entspricht.
• Da das vorgeschlagene Verfahren minimale Anforderungen an die Bild-Analyse stellt, kann der zur Kalibrierung der Kamera erforderliche Rechenaufwands reduziert werden. Das vorgeschlagene Verfahren kann überall dort zur Anwendung kommen, wo ein Gerät, z.B. eine Kamera seine aktuelle Pose (Position und Ausrichtung) schnell und ohne großen Rechenaufwand aus den Daten seiner Umgebung bestimmen muss. Die Umgebung, in der das zu kalibrierende Gerät angeordnet ist, wird mit den vorgeschlagenen Punktgruppen versehen, deren Positionen bekannt sind.
• Beispielsweise kann das vorgeschlagene Verfahren zur Kalibrierung von Kameras verwendet werden, deren exakte Positionen sich durch Erschütterungen mit der Zeit verändern können (z.B. Kameras in einem Parkhaus, die zur Erfassung einer Umgebung systembedingt sehr exakt ausgerichtet sein sollten). Denkbar ist zum Beispiel auch, das vorgeschlagene Verfahren auf Drohnen mit CPUs geringer Rechenleistung auszuführen, die z.B. einen Produktionsprozess begleiten. Mithilfe des vorgeschlagenen Verfahrens sind eine Position und eine Ausrichtung der Drohne vorteilhaft stets gut bekannt. Eigenständige Systeme können alleine durch ihre Kameras Ihre aktuelle Position bestimmen, ohne dass eine Triangulation oder ähnliches notwendig ist. Dies könnte beispielsweise auch bei mobilen Produktionsplattformen zum Einsatz kommen oder bei Robotern, die Lager befüllen und lehren.
• 8 zeigt ein Blockschaltbild einer vorgeschlagenen Kalibriereinrichtung 100. Man erkennt ein Erfassungselement 10 zum Erfassen von Bildsensordaten SD, die z.B. mittels einer Kamera erfasst wurden. Funktional mit dem Erfassungselement 10 ist eine Auswertungseinrichtung 20 verbunden, welche eine Auswertung der erfassten Bildsensordaten SD gemäß den oben erläuterten Prinzipien vornimmt. Am Ausgang der Auswertungseinrichtung 20 können Kalibrierdaten KD ausgegeben werden, die eine Position und eine Ausrichtung der Vorrichtung 200 umfassen. Eine Datenbank mit den globalen Koordinaten kann intern oder extern der Kalibriereinrichtung 100 angeordnet sein, beispielsweise kann eine funkbasierte Anbindung an eine externe Datenbank realisiert sein.
• 9 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 200 mit der vorgeschlagenen Kalibriereinrichtung 100. Die Vorrichtung 200 kann dabei vorzugsweise eine Kamera, die in einer Infrastruktur (z.B. Parkhaus) oder auf einem Fahrzeug verbaut sein kann, ausgebildet sein. Ferner kann die Vorrichtung 200 als jegliches Gerät, dessen Position und Ausrichtung ermittelt werden soll, ausgebildet sein.
• 10 zeigt einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Kalibrieren einer Vorrichtung.
• In einem Schritt 300 wird ein Erfassen von Bilddaten durchgeführt.
• In einem Schritt 310 wird ein Auswerten der Bilddaten hinsichtlich eines Markierungselements mit einer ersten kollinearen Punktgruppe (A, B, C, D) mit einem ersten bekannten Doppelverhältnis von Abständen der Punkte und mit einer zweiten kollinearen Punktgruppe (E, F, G, H) mit einem zweiten bekanntem Doppelverhältnis von Abständen der Punkte, wobei sich die beiden Punktgruppen (A, B, C, D), (E, F, G, H) unter einem definierten Winkel schneiden, durchgeführt.
• In einem Schritt 320 wird ein Ermitteln einer Position und einer Pose der Vorrichtung 200 aus den ausgewerteten Bilddaten durchgeführt.
• Vorteilhaft kann das oben genannte Verfahren als eine Software ausgebildet sein, welche auf der elektronischen Kalibriereinrichtung 100 abläuft. Auf diese Weise ist eine leichte Adaptierbarkeit des Verfahrens unterstützt.
• Der Fachmann erkennt, dass eine Vielzahl von Abwandlungen der Erfindung möglich ist, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• CN 103411553 A [0009]
• CN 102110290 A [0010]
• WO 9009561 A2 [0011]

Claims (9)

1. Kalibriereinrichtung (100) für eine Vorrichtung (200), aufweisend: - ein Erfassungselement (10) zum Erfassen von Bilddaten; - eine Auswertungseinrichtung (20) die eingerichtet ist, die Bilddaten hinsichtlich eines Markierungselements mit einer ersten kollinearen Punktgruppe (A, B, C, D) mit einem ersten bekanntem Doppelverhältnis von Abständen der Punkte und mit einer zweiten kollinearen Punktgruppe (E, F, G, H) mit einem zweiten bekanntem Doppelverhältnis von Abständen der Punkte, wobei sich die beiden Punktgruppen (A, B, C, D), (E, F, G, H) unter einem definierten Winkel schneiden, auszuwerten; und - wobei die Auswertungseinrichtung (20) ferner ausgebildet ist, aus den ausgewerteten Bilddaten eine Position und Pose der Vorrichtung (200) zu ermitteln.
2. Kalibriereinrichtung (100) nach Anspruch 1, die ferner eingerichtet ist, mit den ermittelten Doppelverhältnissen auf eine Datenbank mit globalen Koordinaten zuzugreifen.
3. Kalibriereinrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Auswertungseinrichtung ferner ausgebildet ist, eine optische Hervorhebung jeweils wenigstens eines Punkts der wenigstens zwei Punktgruppen (A, B, C, D), (E, F, G, H) auszuwerten.
4. Kalibriereinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Auswertungseinrichtung ferner ausgebildet ist, eine Unterschiedlichkeit der Doppelverhältnisse der wenigstens zwei Punktgruppen (A, B, C, D), (E, F, G, H) auszuwerten.
5. Kalibriereinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenbank innerhalb der Kalibriereinrichtung (100) angeordnet ist.
6. Kalibriereinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenbank außerhalb der Kalibriereinrichtung (100) angeordnet ist.
7. Verfahren zum Kalibrieren einer Vorrichtung (200), aufweisend die Schritte: - Erfassen von Bilddaten; - Auswerten der Bilddaten hinsichtlich eines Markierungselements mit einer ersten kollinearen Punktgruppe (A, B, C, D) mit einem ersten bekannten Doppelverhältnis von Abständen der Punkte und mit einer zweiten kollinearen Punktgruppe (E, F, G, H) mit einem zweiten bekanntem Doppelverhältnis von Abständen der Punkte, wobei sich die beiden Punktgruppen (A, B, C, D), (E, F, G, H) unter einem definierten Winkel schneiden; und - Ermitteln einer Position und einer Pose der Vorrichtung (200) aus den ausgewerteten Bilddaten.
8. Verwendung einer Kalibriereinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für eine Kamera.
9. Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zum Ausführen des Verfahrens nach Anspruch 7, wenn es auf einer Kalibriereinrichtung (100) abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.

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