DE19536297A1 - Geometric calibration of optical 3-D sensors for three=dimensional measurement of objects - Google Patents
Geometric calibration of optical 3-D sensors for three=dimensional measurement of objectsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur geometrischen Ka librierung von optischen 3D-Sensoren zur dreidimensionalen Vermessung von Objekten relativ zu einem Referenzkoordina tensystem auf den Prinzipien der Streifenprojektion und der Triangulation, unter Verwendung wenigstens einer Ka mera, einer Einrichtung zur Digitalisierung und Speiche rung von Bildfolgen der Kamera, mindestens einem zur Ka mera fixierten Beleuchtungsprojektor, der zeitlich nach einander Lichtstrukturen aus wenigstens eindimensionalen Streifen innerhalb eines Arbeitsvolumens erzeugt, minde stens einer Beleuchtungseinrichtung zur gleichmäßigen Beleuchtung von reflektierenden und/oder streuenden Signalmarken einer Ka libriereinrichtung und eines Rechners zur Steuerung und Verarbeitung der Bilder sowie eine Vorrichtung zur Durch führung des Verfahrens.The invention relates to a method for geometric Ka calibration of optical 3D sensors for three-dimensional Measurement of objects relative to a reference coordinate system based on the principles of strip projection and triangulation, using at least one Ka mera, a device for digitization and spoke Image sequences of the camera, at least one for the camera mera fixed lighting projector, the time after each other light structures from at least one-dimensional Stripes generated within a working volume, min at least one Lighting device for uniform lighting of reflective and / or scattering signal marks of a Ka calibration device and a computer for control and Processing the images and a device for through conduct of the procedure.
Verfahren zur Kamerakalibrierung sind bekannt. Dabei wer den mit einer Kamera Punkte aufgenommen, deren Koordinaten bekannt sind, also die x-, y- und z-Koordinaten in der Welt bekannt sind und die Bilder ausgewertet. Die Kali brierung der Kamera beruht dann darauf, daß die Bildkoor dinaten mit den Weltkoordinaten in Übereinstimmung ge bracht werden. Die Kalibrierung eines Projektors ist im Unterschied dazu schwieriger, weil der Projektor gewisser maßen nicht sehen kann, wohin er leuchtet. Der Projektor sendet zwar einen bestimmten Streifen mit der Nummer x aus, es gibt jedoch keine Möglichkeit mit dem Projektor selbst festzustellen, wo der Streifen in der Welt landet, dazu bedarf es zusätzlicher Hilfsgeräte, nämlich weiterer Kameras im System. Beobachtet man mit einer kalibrierten und orientierten Kamera diese Streifen eines Projektors in der Welt und kennt die Streifen, die der Projektor intern (virtuell) gesendet hat, kann man den Zusammenhang zwi schen den externen (visuellen) Streifen des Projektors und den internen (virtuellen) Streifen des Projektors herstel len. Jedoch weiß man nicht, an welcher Stelle man sich längs eines externen Streifens befindet. Wenn der Streifen x gesendet wird, so findet man in der Welt mit der Kamera diesen Streifen x wieder, jedoch weiß man nicht, welche x- y-Stelle im Projektor, an der das Licht erzeugt wurde, dann an der Stelle x-y-z in der Welt auftaucht. Das bedeu tet, daß nicht jedem Bildpunkt der Kamera ein räumlicher Koordinatenwert zugeordnet werden kann.Methods for camera calibration are known. Here who the points recorded with a camera, their coordinates are known, i.e. the x, y and z coordinates in the World known and the images are evaluated. The potash bration of the camera is then based on the fact that the image dinates in accordance with the world coordinates be brought. The calibration of a projector is in the Difference more difficult because the projector certain can not see where it shines. The projector sends a certain stripe with the number x off, but there is no way with the projector find out where the strip ends up in the world, this requires additional auxiliary devices, namely more Cameras in the system. Observed with a calibrated and oriented these projector strips into camera the world and knows the stripes that the projector internally (virtual) has sent, you can see the connection between the external (visual) stripe of the projector and the projector's internal (virtual) strip len. However, you don't know where you are along an external strip. If the strip x is sent, so you can find in the world with the camera this stripe x again, but you don't know which x- y-position in the projector where the light was generated, then appears at x-y-z in the world. That means tet that not every pixel of the camera a spatial Coordinate value can be assigned.
Es sind flächenhafte optische Meßverfahren mit einer Ma trixkamera und einem Projektor für unkodierte oder ko dierte Streifen bekannt, bei denen die dreidimensionalen Koordinaten der Oberflächenpunkte aus den beiden Bildkoor dinaten des Kamerabildes und der an der jeweiligen Bildko ordinate detektierten Streifennummer berechnet werden (Reinhard W. Malz: Codierte Lichtstrukturen für 3-D-Meß technik und Inspektion, Thesis, Universität Stuttgart 1992, Reihe: Berichte aus dem Institut für Technische Op tik der Universität Stuttgart). Ebenso sind Verfahren mit mehreren Projektoren bekannt.There are two-dimensional optical measurement methods with a Ma trix camera and a projector for uncoded or ko dated strips known, in which the three-dimensional Coordinates of the surface points from the two image coordinates Dinaten of the camera image and the on the respective image ordinate detected strip number can be calculated (Reinhard W. Malz: Coded light structures for 3-D measurement technology and inspection, thesis, University of Stuttgart 1992, series: Reports from the Institute for Technical Op University of Stuttgart). Procedures are also included known to several projectors.
Des weiteren sind photogrammetrische optische Meßverfahren mit mehreren Matrixkameras oder eine Matrixkamera in meh reren Positionen bekannt, bei denen die dreidimensionalen Koordinaten eindeutig bestimmbarer Punkte im Raum aus meh reren Ansichten derselben numerisch bestimmt werden. Zur Erzeugung eindeutig bestimmbarer Punkte im Objektraum wer den natürliche Objektmerkmale, zum Beispiel reguläre oder stochastische Grauwert- oder Farbverteilungen am Objekt, ebenso genutzt wie künstliche Merkmale wie aufgeklebte oder aufprojizierte Marken bzw. reguläre oder stochasti sche Grauwert- oder Farbverteilungen.Furthermore, there are photogrammetric optical measuring methods with several matrix cameras or a matrix camera in several known positions where the three-dimensional Coordinates of clearly determinable points in space from several Other views of the same can be determined numerically. For Generation of clearly definable points in the object space the natural object characteristics, for example regular or stochastic gray value or color distributions on the object, as well as artificial features like glued on or projected brands or regular or stochasti gray value or color distributions.
Bekannt sind des weiteren photogrammetrische Verfahren, die die räumliche Lage einer Kamera relativ zu mehreren sichtbaren Referenzpunkten bestimmen können, deren abso lute Koordinaten bekannt sind (Räumlicher Rückwärts schnitt). Ebenso sind photogrammetrische Verfahren be kannt, die mehrere räumliche Lagen einer Kamera relativ zueinander bestimmen können, sofern die aus mehreren Lagen aufgenommenen Bilder mehrere gemeinsame Referenzpunkte enthalten, deren Koordinaten vorab nicht bekannt sein müs sen (Bündelausgleichung). Bei diesem Verfahren werden zu sätzlich zu den Lagen der Kamera auch die Koordinaten der in mehreren Bildern sichtbaren Punkte berechnet (Punktmes sung).Also known are photogrammetric methods, the spatial position of one camera relative to several can determine visible reference points, their abs lute coordinates are known (spatial backward cut). Likewise, photogrammetric methods are knows the several spatial positions of a camera relative can determine each other, provided that the multiple layers captured images have several common reference points contain, whose coordinates need not be known in advance sen (bundle adjustment). In this procedure, too In addition to the positions of the camera, the coordinates of the Points visible in several images are calculated (point mes solution).
Desweiteren sind photogrammetrische Kalibrierverfahren be kannt zur Bestimmung der Strahlgeometrie von Kameras. Hierbei werden durch mehrfache Beobachtung eines zeitlich invarianten Kalibrierkörpers mittels numerischer Verfahren die inneren Parameter der Kamera hinsichtlich Brennweite, Verzeichnungen etc. bestimmt. Photogrammetrische Kali brierverfahren erreichen eine hohe Präzision und erfordern keine Präzisionspositioniereinrichtungen. Bei einem Ob jektfeld von z. B. 250 mm×350 mm und einer Kameraauflösung von 500×700 Pixeln sind laterale Fehler im Objektfeld von <10 µm (1σ) erreichbar.Furthermore, there are photogrammetric calibration procedures Knows to determine the beam geometry of cameras. This is done by multiple observation of a temporal invariant calibration body using numerical methods the internal parameters of the camera in terms of focal length, Distortions etc. determined. Photogrammetric potash Brierverfahren achieve high precision and require no precision positioning devices. With an Ob jektfeld from z. B. 250 mm × 350 mm and a camera resolution of 500 × 700 pixels are lateral errors in the object field of <10 µm (1σ) achievable.
Des weiteren ist ein aktives optisches Triangulationsver fahren zur Bestimmung der Strahlgeometrie von Projektoren zur Oberflächenvermessung bekannt geworden, bei dem der Projektor in der Lage sein muß, Linienkreuze zu projizie ren, deren Lage von einem photogrammetrischen Kameraver band vermessen wird (Th. Strutz: Ein genaues aktives opti sches Triangulationsverfahren zur Oberflächenvermessung, Thesis, Technische Universität Braunschweig, 1993). Diese Kalibrierung erfordert somit einen speziellen Projektor, der Linienkreuze zu projizieren imstande ist. Furthermore there is an active optical triangulation ver drive to determine the beam geometry of projectors for surface measurement, in which the The projector must be able to project line crosses ren, the location of which by a photogrammetric camera ver band is measured (Th. Strutz: A precise active opti triangulation method for surface measurement, Thesis, Technical University Braunschweig, 1993). This Calibration therefore requires a special projector the line crosses are able to project.
Ebenso sind numerische Kalibrierverfahren bekannt, die den durch Zentralperspektiven von Kamera und Projektor sowie durch optische Abbildungsfehler verzerrten Bildraum [ξ(x,y)] mittels Polynome an den 3D-Objektraum (x,y,z) ad aptieren (B. Breuckmann et al: Präzisionskalibrierung von topometrischen Sensoren, LASER 95, München, 19.- 23.06.1995). Dabei wird eine weiße Platte, auf die mehrere schwarze Kreisringe aufgebracht sind, mehrfach exakt in Normalenrichtung verschoben und jeweils entsprechend dem Sensorprinzip mit unterschiedlichen Streifenmustern be leuchtet. Die innerhalb der Kreisringe detektierten Meßwerte werden zur Kalibrierung verwendet. Nachteilig ist, daß diese Kalibrierung eine hochgenaue und wohldefi nierte mechanische Positionierung erfordert, da die Kali brierplatte exakt in Normalenrichtung bewegt werden muß. Des weiteren ist die Korrekturrechnung aufgrund der zahl reichen Polynomkoeffizienten langwierig. Das Kalibrierver fahren ist nicht für den Einsatz in Verbindung mit photo grammetrischen Verfahren (Navigation, Bündeltriangulation) geeignet, welche auf kompakte und physikalisch begründete Kamera- und Projektormodelle gestützt sind.Numerical calibration methods are also known, which the through central perspectives of camera and projector as well Image space distorted by optical aberrations [ξ (x, y)] using polynomials on the 3D object space (x, y, z) ad aptieren (B. Breuckmann et al: Precision calibration of topometric sensors, LASER 95, Munich, 19.- 06/23/1995). A white plate is placed on top of several black circular rings are applied, several times exactly in Normal direction shifted and in accordance with the Sensor principle with different stripe patterns shines. The detected inside the circular rings Measured values are used for calibration. Disadvantageous is that this calibration is a highly accurate and well-defined ned mechanical positioning required because the Kali must be moved exactly in the normal direction. Furthermore, the correction calculation is based on the number long polynomial coefficients. The calibration ver driving is not for use in conjunction with photo grammatical procedures (navigation, bundle triangulation) suitable, which on compact and physically based Camera and projector models are supported.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, mit welchen bei einer Messung prinzipiell jedem Bildpunkt der Kamera ein räumlicher Koordinatenwert in einem Referenzkoordinatensy stem zugeordnet werden kann, wobei der Koordinatenwert be liebig reproduzierbar ist.The invention has for its object a method of the type mentioned and a device for To carry out the procedure with which to a measurement basically every pixel of the camera spatial coordinate value in a reference coordinate system stem can be assigned, the coordinate value be is reproducible.
Zweck der Erfindung ist zum Beispiel, Herstellungsmaschi nen, wie Pressen oder Fräsen oder Werkzeugmaschinen, mit tels der Erfindung so zu steuern, daß über die optische Aufnahme eines Probenkörpers ein hochgenaues Werkstück als Abbild des Probenkörpers hergestellt werden kann oder softwaremäßig praktisch beliebige Manipulationen am virtu ellen Bildmaterial vorgenommen und wieder als Werkstück ausgegeben werden können.The purpose of the invention is, for example, manufacturing machine such as pressing or milling or machine tools to control the means of the invention so that the optical Recording a specimen as a highly accurate workpiece Image of the specimen can be made or any manipulations on the virtu made of visual material and again as a workpiece can be spent.
Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß a) die Kalibriereinrichtung innerhalb und am Rande des zu kalibrierenden Arbeitsvolumens nacheinander in verschie dene Positionen relativ zu Kamera und Beleuchtungsprojek tor gebracht und die Kalibriereinrichtung jeweils so be leuchtet wird, daß die Bereiche der Signalmarken der Kali briereinrichtung in den digitalisierten und gespeicherten Bildern eine möglichst hohe Grauwert- oder Farbmodulation ohne Übersteuerung aufweisen, b) die Kalibrierung der Ka meras durch ein photogrammetrisches Standardverfahren er folgt zum Auffinden der Parameter der inneren und äußeren Orientierung, c) der Projektor einen Lichtmodulator auf weist, der nach außen sichtbare Muster aus beliebigen Streifen oder Pixeln als Bildelemente auf die Kalibrier einrichtung projiziert, d) zur Kalibrierung des Projektors dieser als inverse Kamera betrachtet wird, indem den äuße ren Bildelementen ein reales oder fiktives x-y-Projekti onsmuster definierter Breite aber unbestimmter Länge im Innern des Projektors zugeordnet wird, und zur Bestimmung der Parameter der inneren und äußeren Orientierung des Be leuchtungsprojektors mehrere Beobachtungen (Bildfolgen) herangezogen werden, in denen jeweils geometrische Zusam menhänge zwischen den x-y-Projektionsmusters (interne Pro jektorstreifenkoordinaten) und den korrespondierenden außen sichtbaren Mustern hergestellt werden, e) die gefun denen und gespeicherten Kalibrierparameter beim Einsatz des 3D-Sensorsystems zur Vermessung von Objekten von einem Algorithmus wiederverwendet werden, der einerseits die Strahlgeometrien innerhalb der Kamera und des Projektors korrigiert, zum anderen basierend auf dem Prinzip der Tri angulation die x,y,z-Koordinaten des Objektes im Objektraum berechnet.According to the invention, the object is that a) the calibration device inside and on the edge of the calibrating working volume one after the other in different positions relative to the camera and lighting project brought and the calibration device so be is lit that the areas of the signal marks of the potash briereinrichtung in the digitized and stored Images have the highest possible gray value or color modulation without oversteer, b) calibration of the Ka meras using a standard photogrammetric method follows to find the parameters of the inner and outer Orientation, c) the projector has a light modulator points, the externally visible pattern from any Stripes or pixels as picture elements on the calibration device projected, d) to calibrate the projector this is viewed as an inverse camera by the exterior a real or fictional x-y project pattern of defined width but indefinite length in Inside the projector is assigned, and for determination the parameters of the inner and outer orientation of the Be lighting projector multiple observations (image sequences) are used, in each of which geometric together relationships between the x-y projection patterns (internal pro ejector strip coordinates) and the corresponding ones externally visible patterns are produced, e) the found which and saved calibration parameters during use of the 3D sensor system for measuring objects from one Algorithm can be reused, on the one hand the Beam geometries within the camera and projector corrected, on the other hand based on the principle of the tri angulation the x, y, z coordinates of the object in the object space calculated.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß mit demselben prinzipiell jedem Bildpunkt auf aufnehmenden Kamera ein räumlicher Koordinatenwert in ei nem Referenzkoordinatensystem zugeordnet werden kann, der beliebig reproduzierbar ist. Dazu besteht die 3D-Sensoran ordnung aus mindestens einer Kamera, wie Videokamera, Still Video Camera, Scanning Camera, und einer Einrichtung zur Digitalisierung und Speicherung von Bildfolgen der Ka mera, mindestens einem zur Kamera fixierten Beleuchtungsprojektor, der zeitlich nacheinander Licht strukturen aus wenigstens eindimensionalen Streifen inner halb eines Arbeitsvolumens erzeugt, mindestens einer Be leuchtungseinrichtung zur gleichmäßigen Beleuchtung von reflektierenden und/oder streuenden Signalmarken einer Ka libriereinrichtung und aus einem Rechner zur Steuerung und Verarbeitung der Bilder.The advantage of the method according to the invention is in that with the same principle every pixel recording camera a spatial coordinate value in egg can be assigned to a reference coordinate system that is reproducible. The 3D sensor is used for this order from at least one camera, such as a video camera, Still Video Camera, Scanning Camera, and a facility for digitizing and storing sequences of images from the Ka mera, at least one fixed to the camera Lighting projector, the light sequentially in time structures of at least one-dimensional strips inside generated half a work volume, at least one Be lighting device for uniform illumination of reflective and / or scattering signal marks of a Ka calibration device and from a computer for control and Processing the pictures.
Der Kalibrierkörper (Welt) ist zum Zweck der Kalibrierung mit einem schwarz-weiß-gestreiften Muster ausgestattet, was ungefähr orthogonal zu dem ges endeten Streifenmuster des Projektors liegt. Dadurch werden die Streifen des Pro jektors periodisch unterbrochen und es entstehen ungefähr quadratische helle Lichtflecke. Diese Lichtflecke können von einer Kamera lokal, also in zwei oder in drei Dimen sionen, detektiert werden und geben eine Aussage über den Ort des Streifens im Referenzkoordinatensystem (Welt). Existieren zur Kalibrierung eines Projektors zwei Kameras, die ein Stereopaar bilden, so betrachten diese Kameras die Kalibrierplatte mit den weißen Quadraten. Dieses Stereo paar kann somit diese quadratischen weißen Flecken der Ka librierplatte im Raum bestimmen.The calibration body (world) is for the purpose of calibration equipped with a black and white striped pattern, which is approximately orthogonal to the stripe pattern ended of the projector. This will strip the Pro periodically interrupted and approximately arise square bright spots of light. These spots of light can from a camera locally, i.e. in two or three dimensions ions are detected and give a statement about the Location of the stripe in the reference coordinate system (world). If there are two cameras to calibrate a projector, which form a stereo pair, these cameras look at the Calibration plate with the white squares. This stereo can pair these square white spots of Ka Determine the vibratory plate in the room.
Ebenso ist es möglich, auf die zweite Kamera zu verzichten und die Ortsbestimmung der weißen Quadrate auf der Kali brierplatte mit einer einzigen Kamera zu bewerkstelligen. Das ist möglich, wenn mit der einer Kamera zunächst der Ort der Kalibrierplatte im Raum bestimmt wird über einen sogenannten Vorwärtsschnitt. Voraussetzung hierzu ist, daß die Kamera gewissermaßen die Geometrie der Kalibrierplatte kennt und aufgrund der perspektivischen Verzerrung die Lage der Kalibrierplatte relativ zu der Kamera berechnet, um dann in einem zweiten Schritt zu bestimmen, wo die weißen Quadrate in der Ebene der Kalibrierplatte liegen, so daß diese dreidimensional bestimmt sind. Zur Projektor kalibrierung wird zunächst ein Zwei-Kamera-System kali briert, d. h. es wird von einer Kamera selbst die innere Kalibrierung gemacht und anschließend die relative Zuord nung zueinander, so daß ein komplettes absolut kalibrier tes Stereopaar zur Verfügung steht. Dieses ist geeignet, Punkte im Raum absolut zu vermessen, die von beiden Kame ras gesehen werden. Werden somit weiße Projektorquadrate auf der Kalibrierplatte erzeugt, so können diese auch ab solut im Raum vermessen werden. Wird dies in verschiedenen Stellungen der Kalibrierplatte getan, so läßt sich der Strahlengang der Projektorstreifen im Raum verfolgen und durch das Projektionszentrum in der Kamera durch die Pro jektorpupille extrapolieren, womit die gesamte Geometrie des Projektors festgelegt ist.It is also possible to do without the second camera and the location of the white squares on the potash to accomplish the hotplate with a single camera. This is possible if with a camera the The location of the calibration plate in the room is determined using a so-called forward cut. The prerequisite for this is that the camera, so to speak, the geometry of the calibration plate knows and due to the perspective distortion Calculated the position of the calibration plate relative to the camera, to then determine in a second step where the white squares lie in the plane of the calibration plate, so that they are determined three-dimensionally. To the projector calibration is initially a two-camera kali system burns, d. H. it gets the inside of a camera itself Calibration done and then the relative assignment to each other, so that a complete absolute calibration tere stereo pair is available. This is suitable Absolutely measure points in space that came from both ras can be seen. Thus become white projector squares generated on the calibration plate, so you can also from can be measured in space. This will be different Positions of the calibration plate done, so the Track the beam path of the projector strips in space and through the projection center in the camera through the pro extrapolate ejector pupil, with which the entire geometry of the projector.
Die relative Position und Orientierung von Kamera und Pro jektor bzw. Kameras und Projektoren kann zueinander tem porär, d. h. für die Dauer von Kalibrierung und Messung oder dauerhaft, zum Beispiel durch eine mechanische starre Verbindung fixiert sein.The relative position and orientation of camera and pro ejector or cameras and projectors can tem porous, d. H. for the duration of calibration and measurement or permanently, for example by a mechanical rigid Connection fixed.
Zur Selbstkalibrierung der Kamera kann die Kalibrierein richtung vorteilhaft wenigstens vier kalibrierte und eine Vielzahl weiterer Signalmarken oder Referenzmarken aufwei sen, die sich im Bildfeld der Kamera befinden müssen. Dar aus können zunächst mit Hilfe direkter Lösungen (Literatur Beyer) Näherungen für die Elemente der äußeren Orientie rung der Kamera relativ zum Referenzkoordinatensystem (Weltkoordinatensystem) berechnet werden. Ausgehend von diesen Näherungen kann die exakte äußere Orientierung des aktiv-optischen Systems in bezug auf den objektbezogenen Koordinatenrahmen berechnet werden.The calibration can be used for self-calibration of the camera direction advantageously at least four calibrated and one Numerous other signal marks or reference marks that must be in the camera's field of view. Dar can initially be solved with the help of direct solutions (literature Beyer) approximations for the elements of the outer orientie tion of the camera relative to the reference coordinate system (World coordinate system) can be calculated. Starting from the exact external orientation of the active-optical system in relation to the object-related Coordinate frames can be calculated.
In vorteilhafter Weise können zur näherungsweisen automa tischen Orientierung der Kalibriereinrichtung relativ zur Kamera wenigstens drei der kalibrierten und/oder der Viel zahl der weiteren Signalmarken kodiert sein, sofern die Koordinaten der letzteren zumindest näherungsweise bekannt sind. Mit dem Einsatz kodierter Signalmarken und direkten Lösungen für die Bestimmung der Näherungen kann somit das Verfahren vollautomatisch durchgeführt werden. Dabei kön nen die Berechnungen sowohl Indikatoren für die Genauig keit, d. h. Standardabweichungen der Orientierungselemente, als auch Indikatoren für die Robustheit des Verfahrens ausgeben.Advantageously, for approximate automa table orientation of the calibration device relative to Camera at least three of the calibrated and / or the lot number of further signal marks must be encoded, provided that Coordinates of the latter are known at least approximately are. With the use of coded signal marks and direct Solutions for determining the approximations can do that Procedures are carried out fully automatically. You can the calculations are both indicators of accuracy speed, d. H. Standard deviations of the orientation elements, as well as indicators of the robustness of the process output.
Bei mehreren Kameras können diese über gleiche oder unter schiedliche Fokussierung für verschiedene Entfernungen verfügen ebenso wie sie über gleiche oder unterschiedliche Bildwinkel verfügen können wie die Kameras auch gleiche oder unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit aufweisen können. Ebenso können die Kameras in die gleiche oder in verschiedene Raumrichtungen blicken und gleichzeitig oder zu unterschiedlichen Zeiten Bilder aufnehmen.If there are several cameras, they can be on the same or under different focusing for different distances have the same or different just like them Angle of view can have the same as the cameras or have different spectral sensitivity can. Likewise, the cameras can be in the same or in look at different spatial directions and at the same time or take pictures at different times.
Es können durch das Verfahren Signalmarken mit einem hohen Kontrast mit sehr hoher Genauigkeit vermessen werden und zwar wenigstens zwischen 1/30 bis 1/100 Pixel.The method can produce signal marks with a high Contrast can be measured with very high accuracy and at least between 1/30 and 1/100 pixels.
Will man solche Systeme kalibrieren, die nur aus einer Ka mera und einem Projekt bestehen, so ist eine Zusatzinfor mation erforderlich, es muß dann gefordert werden, daß die Kalibrierplatte exakt beschrieben wird, d. h., daß diese vollständig eben ist und daß die schwarzen Streifen, die den Projektorstreifen schneiden, ebenfalls präzise defi niert sind. Ist das der Fall, kann aus einem einzigen Ka merabild jeweils die Lage der Kalibrierplatte im Raum be stimmt werden, womit wiederum die Lage der weißen Quadrate auf der Kalibrierplatte bestimmt ist. Beim Zweikamerakali brierverfahren werden die weißen Quadrate auf der Kali brierplatte von beiden Kameras gesehen, weitere Informatio nen der Platte sind nicht erforderlich. Beim Einkameraka librierverfahren muß, um die Kalibrierplatte im Raum loka lisieren zu können, auch eine Vermessung der Retromarken oder Signalmarken der Kalibrierplatte erfolgen. Auf der Basis dieser Information wird eine affine Transformation durchgeführt, aus der sich die Lage der Kalibrierplatte ergibt. Bei der affinen Transformation wird das beobach tete Bild der Retromarken bzw. Signalmarken mit einem ab gespeicherten Bild der Kalibrierplatte verglichen, die Platte wird dann durch eine numerische Operation so ge dreht, bis das Bild mit dem angespeicherten Bild überein stimmt, wodurch dann alle sechs Freiheitsgrade der Drehung der Translation im Raum bekannt sind.If you want to calibrate systems that only consist of a Ka mera and a project exist, is additional information mation required, it must then be required that the Calibration plate is exactly described, d. that is, this is completely flat and that the black stripes that cut the projector strip, also precisely defined are nated. If this is the case, one Ka each picture shows the position of the calibration plate in the room are correct, which in turn means the position of the white squares on the calibration plate. With two-camera potash the white squares on the potash brierplatte seen from both cameras, more information The plate is not required. At the Einkameraka librierverfahren must loka to the calibration plate in the room to be able to also measure the retro marks or signal marks on the calibration plate. On the The basis of this information is an affine transformation carried out, from which the position of the calibration plate results. This is observed in the affine transformation tete image of the retro marks or signal marks with a stored image of the calibration plate compared that Disk is then so ge through a numerical operation rotates until the image matches the saved image true, which then turns all six degrees of freedom of rotation translation in space are known.
Vorzugsweise kann mit einer Kamera und einem Projektor ein aktives 3D-Meßsystem kalibriert und ein solches Meßsystem aufgebaut werden, wozu zum Zwecke der Kalibrierung eine zweite Kamera beigestellt wird, die mit der ersten Kamera ein Stereopaar bildet, solange die Kamera kalibriert wird. Nach erfolgter Kalibrierung kann die zweite beigestellte Kamera wieder entfernt werden, wonach der kalibrierte Pro jektor zusammen mit der ersten verbleibenden Kamera ein aktives Meßsystem bildet. Dieser Ansatz mit zwei Kameras zur Kalibrierung kann selbstverständlich auch für Systeme benutzt werden, die von vornherein und permanent zwei Ka meras aufweisen. In diesem Fall könnte die Streifenauswer tung des Projektors sowohl mit der einen als auch mit der anderen Kamera erfolgen, so daß gewissermaßen zwei gekop pelte Meßsysteme vorliegen, die einmal mit der einen Ka mera und dem Projektor und das andere Mal mit der anderen Kamera und demselben Projektor arbeiten. Ebenso ist es möglich, daß beide Kameras, wie beim Kalibrieren, auch beim Messen ein Stereopaar bilden und der Projektor als zusätzliche Information zur Markierung des Objektes ver wendet wird. Preferably, one with a camera and a projector active 3D measuring system calibrated and such a measuring system be built up, for which purpose a calibration second camera is provided with the first camera forms a stereo pair as long as the camera is calibrated. After the calibration has been carried out, the second one provided Camera are removed again, after which the calibrated Pro injector together with the first remaining camera active measuring system. This approach with two cameras for calibration can of course also for systems are used, which from the start and permanently two Ka exhibit meras. In this case, the strip could be ejected the projector with both one and the other another camera, so that, so to speak, two kopeck pelte measuring systems are available that once with a Ka mera and the projector and the other time with the other Camera and the same projector work. It is the same possible that both cameras, as when calibrating, too form a stereo pair when measuring and the projector as additional information for marking the object ver is applied.
Wesentlich ist, daß die Kalibrierplatte in ihrer Form be kannt ist, die Anordnungen der Signalmarken vorab vermes sen wird und daß die Kalibrierplatte über codierte Marken verfügt, die eine automatische Orientierung der Kalibrier platte im Raum ermöglicht; wenigstens vier Gitterpunkte auf der Kalibrierplatte dienen dann der Orientierung der selben relativ zur Kamera. Vorteilhaft ist es, wenn die vier Kalibrierpunkte codiert sind, damit ihre Reihenfolge automatisch identifiziert werden kann.It is essential that the calibration plate be in its shape is known, the arrangements of the signal marks in advance sen and that the calibration plate over coded marks has an automatic orientation of the calibration plate in the room allows; at least four grid points on the calibration plate then serve to orient the same relative to the camera. It is advantageous if the four calibration points are coded to make their order can be identified automatically.
Vorteilhaft wird ein Projektor verwendet, der nur ein ein ziges periodisches Grauwert- oder Farbgitter projiziert, das in ein Phasenbild umgerechnet werden kann (laterales Phasenshiftverfahren), wobei die für die Kalibrierung er forderlichen Projektorstreifen synthetisch aus dem Phasen bild abgeleitet werden und die Schwarz-Weiß-Schwarz-Über gänge der synthetischen Streifen jeweils Orte konstanter Phase im Phasenbild darstellen.A projector is advantageously used which is only a one projected periodic grayscale or color grid projected, that can be converted into a phase image (lateral Phase shift method), the for calibration he required projector strips synthetically from the live image derived and the black-white-black-over of the synthetic stripes each place more constant Display the phase in the phase image.
Der Algorithmus zur Wiedererkennung der Kalibrierparameter korrigiert ebenfalls die im Projektormodell vorgesehenen und von üblichen Fehlermodellen für Kameras abweichenden Verzeichnungsfehler, zum Beispiel durch eine zylindrische Projektionsoptik verursachten Fehler; der zunächst nicht direkt beobachtbare Ort längs des Projektorstreifens wird zum Zwecke der Verzeichnungskorrektur über eine iterative Rechnung bestimmt.The algorithm for recognizing the calibration parameters also corrects those provided in the projector model and deviating from common error models for cameras Distortion errors, for example due to a cylindrical Projection optics caused errors; not at first directly observable location along the projector strip for the purpose of correcting the distortion using an iterative Invoice determined.
Ist die Kalibriereinrichtung eine ebene Kalibrierplatte, so kann sie wenigstens vier kalibrierte Signalmarken auf weisen, und das zur Kalibrierung erforderliche schwarz- weiße Streifengitter bekannter Geometrie synthetisch er zeugt werden, indem ein berechnetes Streifengitter mit Hilfe der aktuell bestimmte Orientierungsparameter in die Bildebene der Kamera transformiert und mit dem Bild der Kalibrierplatte logisch verknüpft wird.If the calibration device is a flat calibration plate, it can have at least four calibrated signal marks point, and the black- white stripes of known geometry synthetic he be created by using a calculated strip grid Help with the currently determined orientation parameters in the Image plane of the camera transformed and with the image of the Calibration plate is logically linked.
Vorteilhaft ist somit als Kalibriereinrichtung eine ebene Kalibrierplatte, die wenigstens vier kalibrierte Signal marken und ein schwarz-weißes Streifengitter bekannter Geometrie aufweist.A plane is therefore advantageous as a calibration device Calibration plate, the at least four calibrated signal brands and a black and white striped grille Has geometry.
Die Kalibriereinrichtung kann aber auch eine nichtebene Kalibrierplatte sein, die wenigstens vier kalibrierte Si gnalmarken und ein schwarz-weißes Streifengitter bekannter Geometrie aufweist, wobei wenigstens zwei Kameras zum Ein satz gelangen, mit welchen die aktuelle Topologie der Ka libriereinrichtung jederzeit nachmeßbar ist.The calibration device can also be a non-plane Be calibration plate, the at least four calibrated Si markers and a black and white striped grille Has geometry, with at least two cameras for one with which the current topology of the Ka Libriereinrichtung is measurable at any time.
Wenn die Kalibriereinrichtung eine ebene Kalibrierplatte ist, die wenigstens vier kalibrierte Signalmarken auf weist, so kann das zur Kalibrierung erforderliche schwarz- weiße Streifengitter bekannter Geometrie synthetisch er zeugt werden, indem ein berechnetes Streifengitter mit Hilfe der aktuell bestimmten Orientierungsparameter in die Bildebene der Kamera transformiert und mit dem Bild der Kalibrierplatte logisch verknüpft wird.If the calibration device is a flat calibration plate which has at least four calibrated signal marks points, the black- white stripes of known geometry synthetic he be created by using a calculated strip grid Help with the currently determined orientation parameters in the Image plane of the camera transformed and with the image of the Calibration plate is logically linked.
Weitere Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere in einer Kostenreduktion durch Verzicht auf mechanische Prä zisionspositioniereinrichtungen wie Koordinatenmeßgeräte, Präzisions-Meßroboter, oder zusätzliche Präzisionsmeßsy steme, wie Theodolit, Interferometer, die ansonsten die Länge von Werkstück oder Sensor vermessen. Further advantages of the invention consist in particular in a cost reduction by dispensing with mechanical pre precision positioning devices such as coordinate measuring machines, Precision measuring robot, or additional precision measuring system systems, such as theodolite, interferometers, which otherwise the Measure length of workpiece or sensor.
Kurzbeschreibung der Zeichnung, in der zeigen:Brief description of the drawing, in which:
Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung einer Kamera- Projektor-Einheit als Sensor, der auf eine Kalibrierplatte gerichtet ist, Fig. 1 shows a schematic representation of a camera projector unit as a sensor that is directed to a calibration plate,
Fig. 2 eine mögliche Ausführung einer Kalibriereinrichtung in Form einer ebenen Kalibrierplatte, Fig. 2 shows a possible embodiment of a calibration device in the form of a planar calibration plate,
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Verschiebung der Kalibrierplatte im Arbeitsvolumen, Fig. 3 is a schematic illustration of the shift of the calibration plate in the working volume,
Fig. 4 eine beleuchtete Kalibrierplatte mit retroreflektierenden Marken, Fig. 4 an illuminated calibration with retroreflective marks,
Fig. 5 ein typisches Beleuchtungsfeld eines Projektors, wie er im Verfahren Anwendung findet, Fig. 5 shows a typical illumination field of a projector, as applied in the process,
Fig. 6 eine Kalibrierplatte unter Beleuchtung mit einem periodischen Projektorstreifenmuster. Fig. 6 is a calibration plate under illumination with a periodic projector stripe pattern.
Fig. 1 zeigt eine kompakte Ausführung eines 3D-Sensors bestehend aus einer Kamera 10 und einen Projektor 11, wo bei die Strahlen der Kamera 10 mit x-y-Koordinaten und die eindimensionale Streifenkoordinate des Projektors 11 mit z bezeichnet sind. Weiterhin ist in Fig. 1 eine Kalibrier platte 12 mit mehreren Signalmarken 13 gezeigt, die sich im Blickfeld von Kamera 10 und Projektor 11 befindet. Fig. 1 shows a compact embodiment of a 3D sensor consisting of a camera 10 and a projector 11, where referred to in the rays of the camera 10 with xy-coordinates and the one-dimensional Streifenkoordinate the projector 11 with z. Furthermore, a calibration plate 12 with a plurality of signal marks 13 is shown in FIG. 1, which is in the field of view of camera 10 and projector 11 .
Fig. 2 zeigt eine mögliche Ausführung einer Kalibrierein richtung als ebene Platte 21 mit den vier Ecken A, B, C, D und mit drei verschiedenen Strukturen: Erstens codierte Marken 22 mit einem eindeutig identifizierbaren Label, die in der Mitte der Kalibrierplatte 21 quadratisch angeordnet sind. Weitere uncodierte Marken 23, weiterhin parallele schwarz-weiße Streifenmuster 24, die in der Anwendung dann orthogonal zu den Projektorstreifen stehen und aus den Projektorstreifen stückweise Abschnitte herausschneiden. Fig. 2 shows a possible embodiment of a calibration device as a flat plate 21 with the four corners A, B, C, D and with three different structures: First, coded marks 22 with a clearly identifiable label, which are arranged in the middle of the calibration plate 21 square are. Further uncoded marks 23 , furthermore parallel black and white stripe patterns 24 , which in use are then orthogonal to the projector stripes and cut out sections of the projector stripes piece by piece.
Fig. 3 zeigt schematisch, wie eine Kalibrierplatte 30 mit ihren vier Ecken A, B, C, D im Arbeitsvolumen 31 bewegt wird, wobei das Arbeitsvolumen 31 dargestellt ist durch ein Drahtmodell mit den Punkten P1 bis P12 in Zuordnung der Ecken A, B, C, D die den Punkten P1 bis P12 entsprechen sol len; diese Punkte werden in einer Tabelle abgelegt, Ta belle 1. Fig. 3 shows schematically how a calibration plate 30 having its four corners A, B, C, D is moved in the working volume 31, wherein the working volume 31 is illustrated by a wireframe with the points P1 to P12 in correspondence of the corners A, B, C, D which correspond to points P1 to P12; these points are stored in a table, Table 1.
Fig. 4 beschreibt die Kalibrierplatte 41 der Fig. 2 und eine Beleuchtung mit retroreflektierenden Marken 42, wobei nur diese mit erkennbarer Helligkeit zu sehen sind. FIG. 4 describes the calibration plate 41 of FIG. 2 and illumination with retroreflective marks 42 , only these being visible with a recognizable brightness.
Fig. 5 zeigt das typische Beleuchtungsfeld des Projek tors, bei dem mehrere Projektorstreifen jeweils zu einem Streifenblock zusammengefaßt sind, z. B. ist im Streifen block 51 der Projektstreifen 1 bis 8 zusammengefaßt und auf weiß geschaltet, im Streifenblock 52 sind die Projek torstreifen 9 bis 16 zusammengefaßt und schwarz geschaltet usw. Fig. 5 shows the typical lighting field of the projector tor, in which several projector strips are combined to form a strip block, for. B. in the strip block 51 the project strips 1 to 8 are combined and switched to white, in the strip block 52 the projector strips 9 to 16 are combined and switched black etc.
Fig. 6 zeigt die Kalibrierplatte der Fig. 2 unter Be leuchtung mit einem periodischen Projektorstreifenmuster unter einem Winkel von 90 Grad; bei dieser Art der Be leuchtung werden die Projektorlichtstreifen in kleine qua dratische Bereiche 61 unterteilt, die einer Vermessung ei ner photogrammetrischen Erkennung und Vermessung mittels Kamera und Bildkorrelation zugänglich sind, und zwar gemäß der Fig. 3. Fig. 6 shows the calibration plate of Fig. 2 under illumination with a periodic projector stripe pattern at an angle of 90 degrees; With this type of illumination, the projector light strips are subdivided into small square areas 61 , which are accessible for measurement of a photogrammetric detection and measurement by means of a camera and image correlation, specifically according to FIG. 3.
Die Erfindung ist insbesondere dazu anwendbar, eine Ein- Kamera-Projektor-Einheit oder eine Zwei-Kamera-Projek toreinheit unter Verzicht auf teure Präzisionskalibrier einrichtungen zu kalibrieren, um mit einem dergestalt ka librierten Ein-Kamera-Projektor-Sensor oder Zwei-Kamera- Projektor-Sensor bei einer nachfolgenden Messung prinzipi ell jedem Bildpunkt der Kamera einen räumlichen Koordina tenwert in einem Referenzkoordinatensystem in eindeutiger und reproduzierbarer Weise zuzuordnen. Damit können Her stellungsmaschinen, wie Pressen oder Fräsen oder Werkzeug maschinen angesteuert werden, so daß über die optische Aufnahme eines Probenkörpers ein hochgenaues Werkstück als Abbild des Probenkörpers hergestellt werden kann oder softwaremäßig praktisch beliebige Manipulationen am virtu ellen Bildmaterial vorgenommen und wieder als Werkstück ausgegeben werden können.The invention is particularly applicable to a Camera-projector unit or a two-camera project Gate unit without the need for expensive precision calibration devices to calibrate to such a ka librated one-camera projector sensor or two-camera Projector sensor in principle for a subsequent measurement Every pixel of the camera has a spatial coordina ten value in a reference coordinate system in a clear and assign it in a reproducible way. Her position machines, such as presses or milling machines or tools machines can be controlled so that the optical Recording a specimen as a highly accurate workpiece Image of the specimen can be made or any manipulations on the virtu made of visual material and again as a workpiece can be spent.
Claims (9)
- a) die Kalibriereinrichtung innerhalb und am Rande des zu kalibrierenden Arbeitsvolumens nacheinander in verschiedene Positionen relativ zu Kamera und Beleuchtungsprojektor gebracht und die Kalibrier einrichtung jeweils so beleuchtet wird, daß die Bereiche der Signalmarken der Kalibriereinrichtung in den digitalisierten und gespeicherten Bildern eine möglichst hohe Grauwert- oder Farbmodulation ohne Übersteuerung aufweisen,
- b) die Kalibrierung der Kameras durch ein photogram metrisches Standardverfahren erfolgt zum Auffinden der Parameter der inneren und äußeren Orientie rung,
- c) der Projektor einen Lichtmodulator aufweist, der nach außen sichtbare Muster aus beliebigen Strei fen oder Pixeln als Bildelemente auf die Kali briereinrichtung projiziert,
- d) zur Kalibrierung des Projektors dieser als inverse Kamera betrachtet wird, indem den äußeren Bildele menten ein reales oder fiktives x-y-Projektionsmu ster definierter Breite aber unbestimmter Länge im Innern des Projektors zugeordnet wird, und zur Be stimmung der Parameter der inneren und äußeren Orientierung des Beleuchtungsprojektors mehrere Beobachtungen (Bildfolgen) herangezogen werden, in denen jeweils geometrische Zusammenhänge zwischen den x-y-Projektionsmustern (interne Projek torstreifenkoordinaten) und den korrespondierenden außen sichtbaren Mustern hergestellt werden,
- e) die gefundenen und gespeicherten Kalibrierparame ter beim Einsatz des 3D-Sensorsystems zur Vermes sung von Objekten von einem Algorithmus wiederver wendet werden, der einerseits die Strahlgeometrien innerhalb der Kamera und des Projektors korri giert, zum anderen basierend auf dem Prinzip der Triangulation die x,y,z-Koordinaten des Objektes im Objektraum berechnet.
- a) the calibration device within and on the edge of the work volume to be calibrated successively brought into different positions relative to the camera and lighting projector and the calibration device is illuminated in such a way that the areas of the signal marks of the calibration device in the digitized and stored images have the highest possible gray value or Have color modulation without overdrive,
- b) the calibration of the cameras is carried out using a standard photogram metric method to find the parameters of the inner and outer orientation,
- c) the projector has a light modulator which projects externally visible patterns from any strips or pixels as image elements onto the calibration device,
- d) to calibrate the projector it is viewed as an inverse camera by assigning a real or fictional xy projection pattern of defined width but indefinite length inside the projector to the outer picture elements, and to determine the parameters of the inner and outer orientation of the Lighting projector several observations (image sequences) are used, in each of which geometric connections between the xy projection patterns (internal projector strip coordinates) and the corresponding externally visible patterns are made,
- e) the calibration parameters found and stored when using the 3D sensor system for measuring objects are reused by an algorithm which on the one hand corrects the beam geometries within the camera and the projector, and on the other hand the x based on the principle of triangulation, y, z coordinates of the object are calculated in the object space.
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