DE19957495B4 - Method and apparatus for calibrating aerial cameras - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zur Kalibrierung von Luftbildkameras (2), umfassend Mittel zur mechanischen Aufnahme der Luftbildkamera (2), Stellglieder zur Auslenkung der Luftbildkamera (2), eine Positionserfassungseinrichtung (7) und ein inertiales Navigationssystem (8), die mechanisch starr zueinander in oder an der Luftbildkamera (2) angeordnet sind, und eine optische Teststruktur (10), wobei die Stellglieder über eine Ansteuerelektronik ansteuerbar sind, die Auslenkung der Luftbildkamera (2) über die Positionserfassungseinrichtung (7) und das inertiale Navigationssystem (8) erfassbar ist, eine Aufnahme der optischen Teststruktur (10) unter zur Hilfenahme der Daten der Positionserfassungseinrichtung (7) und des inertialen Navigationssystems (8) korrigierbar und mit einer Sollbildaufnahme vergleichbar ist, wobei die Mittel zur Aufnahme der Luftbildkamera als federelastische Befestigungsmittel (4) ausgebildet sind.contraption for the calibration of aerial photography cameras (2), comprising means for mechanical Image of the aerial camera (2), actuators for the deflection of the Aerial camera (2), a position detecting device (7) and an inertial navigation system (8) mechanically rigid with each other in or on the aerial camera (2) are arranged, and an optical Test structure (10), wherein the actuators via a control electronics can be controlled, the deflection of the aerial camera (2) on the Position detecting device (7) and the inertial navigation system (8) is detectable, a recording of the optical test structure (10) under with the help of the data of the position detection device (7) and the inertial navigation system (8) correctable and with a Sollbildaufnahme is comparable, the means for recording the aerial camera formed as a resilient fastening means (4) are.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und die Vorrichtung zur Kalibrierung von Luftbildkameras.The The invention relates to a method and apparatus for calibration from aerial cameras.

Bei filmbasierenden oder digitalen Luftbildkameras ist sowohl eine geometrische als auch eine radiometrische Kalibrierung notwendig.at Film-based or digital aerial cameras are both a geometric one as well as a radiometric calibration necessary.

Dabei werden zur geometrischen Kalibrierung die Abbildungseigenschaften der Kamera herangezogen, um eine Mindestzahl von Linienpaaren pro Millimeter bezogen auf den Ort im Bildfeld zu bestimmen. Des weiteren wird hierzu beispielsweise ein Spalt oder ein durch ein Gitter erzeugtes Beugungsmuster verschoben und zur geometrischen Kalibrierung verwendet. Weiter ist auch die Verwendung von Lochblenden bekannt. Dabei werden die an der Lochblende erzeugten Besselfunktionen einer Szene ausgewertet, die Aussagen über die geometrische Abbildung enthält.there become the geometric properties of the imaging properties the camera used to a minimum number of line pairs per Millimeters relative to the location in the image field. Furthermore For this purpose, for example, a gap or generated by a grid Diffraction patterns shifted and used for geometric calibration. Next, the use of pinholes is known. It will be evaluated the Bessel functions of a scene generated at the pinhole, the statements about contains the geometric figure.

Bei all diesen Verfahren ist man bestrebt, die geometrischen Abbildungseigenschaften der Kamera in bezug auf das innere Koordinatensystem des Sensors auf die äußeren Koordinaten pixelweise zu bestimmen. Mit Hilfe der verschiedenen Verfahren kann dann die MTF der Kamera über das komplette 2D-Blickfeld pixel- oder punktweise bestimmt werden. Mittels der externen Anbindung an die Kamerakoordinaten erhält man somit die geometrische Kalibrierung eines jeden Pixels oder Punktes.at All of these methods seek to improve the geometric imaging properties the camera with respect to the internal coordinate system of the sensor on the outer coordinates to determine pixel by pixel. With the help of different procedures can then the MTF of the camera over the complete 2D field of view can be determined pixel or pointwise. By means of the external connection to the camera coordinates you get thus the geometric calibration of each pixel or point.

Die radiometrische Kalibrierung erfolgt beispielsweise mittels Eichstrahlern oder Monochromateren, wobei neben der radiometrischen Auflösung auch spektrale Eigenschaften der Kamera bestimmt werden.The radiometric calibration is done for example by means of calibration lamps or monochromats, wherein besides the radiometric resolution as well spectral characteristics of the camera are determined.

Aus der DE 197 27 281 C1 ist eine Vorrichtung zur geometrischen Kalibrierung von CCD-Kameras bekannt, umfassend eine kohärente Lichtquelle und ein synthetisches Hologramm zur Erzeugung einer wohldefinierten Teststruktur, wobei die kohärente Lichtquelle und das Hologramm derart zueinander angeordnet sind, dass bei Beleuchtung des Hologramms durch die kohärente Lichtquelle das Hologramm eine 3D-Teststruktur um die Fokalebene der CCD-Kamera herum erzeugt. Prinzipiell ist es denkbar, die Hologramme auch derart auszubilden, so dass diese auch zur radiometrischen Kalibrierung benutzt werden können.From the DE 197 27 281 C1 a device for geometric calibration of CCD cameras is known, comprising a coherent light source and a synthetic hologram for generating a well-defined test structure, wherein the coherent light source and the hologram are arranged to each other such that upon illumination of the hologram by the coherent light source, the hologram a 3D test structure created around the focal plane of the CCD camera. In principle, it is also conceivable to design the holograms in such a way that they can also be used for radiometric calibration.

Aus der WO 96/38003 A1 ist eine Vorrichtung zur Kalibrierung von optischen Sensoren einer Luftbildkamera bekannt. Dabei weist die Vorrichtung Mittel zur Aufnahme der Luftbildkamera sowie ansteuerbare Stellglieder zur Auslenkung von Komponenten der Kamera auf. Weiter wird ein inertiales Navigationssystem und eine Positionserfassungseinrichtung zur Erfassung der Position und damit auch der Auslenkung der Luftbildkamera offenbart. Ferner können zu Kalibrierzwecken mittels der Luftbildkamera aufgenommene, üblicherweise einer optischen Teststruktur entsprechende Bilddaten auch unter zur Hilfenahme der Daten des inertialen Navigationssystems und der Positionserfassungseinrichtung korrigiert und mit Sollwertdaten verglichen werden.Out WO 96/38003 A1 is a device for calibration of optical Sensors of an aerial camera known. In this case, the device means for receiving the aerial camera and controllable actuators for deflecting components of the camera. Next is an inertial Navigation system and a position detection device for detection the position and thus also the deflection of the aerial camera revealed. Furthermore, can recorded for calibration purposes by means of the aerial camera, usually an optical test structure corresponding image data under for the aid of the data of the inertial navigation system and the Position detection device corrected and with setpoint data be compared.

Aus der DE 195 02 045 C2 ist eine Vorrichtung zur realitätsgetreuen Abbildung von zur Vorrichtung nach Betrag und Richtung mit vordefinierter Geschwindigkeit relativ bewegter Objekte bekannt, umfassend, im optischen Strahlengang hintereinander angeordnet, ein optisches Element zum Empfang für vom Objekt stammender Strahlung, eine ein Objektiv aufweisende Fokussiereinrichtung und eine in der Fokalebene angeordnete, mindestens ein lichtempfindliches Detektorelement aufweisende Empfangseinrichtung, welche mit hoher Frequenz Abbildungen erfasst und während der Erfassungsdauer relativ zur Fokussiereinrichtung mit einer der Verschiebung der jeweiligen Abbildung entsprechenden Geschwindigkeit mittels einer Stelleinrichtung bewegbar ist, wobei die Empfangseinrichtung eine Platte umfasst, auf als Feder ausgebildeten beweglichen Schwingelementen angeordnet ist, die in statischem Zustand die Platte parallel zu dem optischen Element halten und von einer elektronischen Stelleinrichtung mit einem piezoelektrischen Stellelement bewegbar sind. Dies ermöglicht eine Kompensation von Bildverwaschungen, ohne die gesamte Kamera bewegen zu müssen.From the DE 195 02 045 C2 is a device for realistic imaging of the device in magnitude and direction with predefined speed relatively moving objects known comprising, arranged in the optical path in succession, an optical element for receiving radiation from the object, a focusing device comprising a lens and one in the focal plane arranged, at least one photosensitive detector element having receiving means which detects high-frequency images and during the detection period relative to the focusing with a corresponding displacement of the respective image speed by means of an adjusting device is movable, wherein the receiving means comprises a plate on formed as a spring movable oscillating elements is arranged, which hold the plate in a static state parallel to the optical element and by an electronic actuator with a piezoelectric body lement are movable. This allows compensation of image blurring without having to move the entire camera.

Nachteilig an allen bekannten Arten der Kalibrierung ist, dass zwar die Kamera kalibriert wird, die Einbindung in das Gesamtsystem, beispielsweise beim Einbau in ein Flugzeug, unberücksichtigt bleibt.adversely At all known types of calibration is that while the camera calibrated, the integration into the overall system, for example during the Installation in an airplane, disregarded remains.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kalibrierung von Luftbildkameras zu schaffen, mittels derer eine umfassende Kalibrierung unter Berücksichtigung des Gesamtsystems möglich ist.Of the The invention is therefore based on the technical problem of a method and to provide a device for calibrating aerial cameras, by means of which a comprehensive calibration under consideration of the entire system possible is.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 6. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution the technical problem arises from the objects with the features of the claims 1 and 6. Further advantageous embodiments of the invention result from the dependent claims.

Hierzu umfasst die Vorrichtung Mittel zur mechanischen Aufnahme der Luftbildkamera, Stellglieder zur Auslenkung der Luftbildkamera, eine Positionserfassungseinrichtung und ein inertiales Navigationssystem, die mechanisch starr zueinander in oder an der Luftbildkamera angeordnet sind, die Auslenkung der Luftbildkamera über die Positionserfassungseinrichtung und das inertiale Navigationssystem erfassbar ist, eine Aufnahme der optischen Teststruktur unter zur Hilfenahme der Daten der Positionserfassungseinrichtung und des inertialen Navigationssystems korrigierbar und mit einer Sollbildaufnahme vergleichbar ist, so dass neben der herkömmlichen geometrischen und radiometrischen Kalibrierung auch das inertiale Navigationssystem und die Positionserfassungseinrichtung, sowie deren Justierung zueinander kalibriert werden. Dadurch ergibt sich auch eine Kalibrierung hinsichtlich Flugbewegungen bzw. Flugrestbewegungen, falls die Kamera im Flugzeug stabilisiert wird. Bei filmbasierenden Luftbildkameras, die nicht notwendigerweise mit einem inertialen Navigationssystem ausgebildet sein müssen, kann somit auch die Forward Motion Compensation FMC beurteilt werden. Bei digitalen Luftbildkameras ist hingegen das inertiale Navigationssystem zwingend notwendig, da die Daten des INS zur Korrektur der Bilddaten benötigt werden. Wird nun beispielsweise mittels eines Hologramms ein 3D-Testmuster in Form eines ins unendliche abzubildenden Spalts auf die Kamera geworfen, so muss nach der Korrektur durch die Daten der Positionserfassungseinrichtung und des inertialen Navigationssystems wieder der gerade Spalt als Aufnahme erhalten werden. Aus gegebenenfalls vorhandenen Abweichungen kann dann auf eine relative Verschiebung der Positionserfassungseinrichtung zum inertialen Navigationssystem geschlossen werden. Dabei sind die Mittel zur Aufnahme der Luftbildkamera als federelastisches Befestigungsmittel ausgebildet.For this purpose, the device comprises means for mechanically recording the aerial camera, actuators for deflecting the aerial camera, a position detection device and an inertial navigation system, which are mechanically rigidly arranged in or on the aerial camera, the deflection of the aerial camera via the position detection device and the inertial navigation system can be detected, a picture of the optical test structure with the help of the data of Positi onserfassungseinrichtung and the inertial navigation system can be corrected and compared with a target image recording, so that in addition to the conventional geometric and radiometric calibration and the inertial navigation system and the position detection device, and their adjustment are calibrated to each other. This also results in a calibration with respect to flight movements or residual flight movements, if the camera is stabilized in the aircraft. In the case of film-based aerial camera, which does not necessarily have to be designed with an inertial navigation system, the forward motion compensation FMC can thus also be assessed. In the case of digital aerial cameras, on the other hand, the inertial navigation system is absolutely necessary because the data of the INS is needed to correct the image data. If, for example, a 3D test pattern in the form of a gap to be imaged in the infinite is thrown onto the camera by means of a hologram, then after the correction by the data of the position detection device and the inertial navigation system the straight gap must again be obtained as a recording. From possibly existing deviations can then be concluded that a relative displacement of the position detection device to the inertial navigation system. The means for receiving the aerial camera are designed as a resilient fastening means.

Die Stellglieder sind vorzugsweise als Piezoelemente ausgebildet, die mit geringem Steuerungsaufwand präzise Bewegungen der Luftbildkamera erlauben.The Actuators are preferably designed as piezoelectric elements, the with little control effort precise movements of the aerial camera allow.

Die Positionserfassungseinrichtung ist vorzugsweise als GPS- oder DGPS-Empfänger ausgebildet. Das inertiale Navigationssystem ist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform als Gyro-Kreisel ausgebildet.The Position detection device is preferably designed as a GPS or DGPS receiver. The inertial navigation system is in another preferred embodiment designed as a gyro gyro.

Vorzugsweise wird die optische Teststruktur mittels eines Hologramms gebildet, mittels dessen die geometrischen und radiometrischen Eigenschaften der Kamera bestimmbar sind. Im einfachsten Fall erzeugt das Hologramm einen ins unendlichen abgebildeten Spalt, über dessen Verschiebung die Kamera flächenhaft ausgemessen werden kann.Preferably is the optical test structure formed by means of a hologram, by means of which the geometric and radiometric properties the camera can be determined. In the simplest case, the hologram generates an infinite gap, over whose displacement the Camera areal can be measured.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Kalibrierung von Luftbildkameras.The Invention will be described below with reference to a preferred embodiment explained in more detail. The single figure shows a schematic block diagram of a device for calibration of aerial cameras.

Die Vorrichtung 1 zur Kalibrierung einer Luftbildkameras 2 umfaßt ein Gehäuse 3, federelastische Befestigungselemente 4 und Piezoelemente 5. Die Luftbildkamera 2 umfaßt ein Objektiv 6, eine Positionserfassungseinrichtung 7 und ein inertiales Navigationssystem 8, die mittels einer Justageeinrichtung 9 mechanisch starr miteinander verbunden sind. Die federelastischen Befestigungsmittel 4 und die Piezoelemente 5 sind in X-, Y- und Z- Richtung zur Luftbildkamera 2 angeordnet, wobei in der Darstellung die Z- Richtung nicht dargestellt ist. Des weiteren sind die Piezoelemente 5 mit einer Ansteuerelektronik verbunden, die die Piezoelemente 5 in mechanische Schwingungen versetzen, wobei die Ansteuerelektronik dabei vorzugsweise ein Frequenzspektrum der Zielflugzeugklassen nachbildet.The device 1 for calibrating an aerial camera 2 includes a housing 3 , spring-elastic fasteners 4 and piezo elements 5 , The aerial camera 2 includes a lens 6 , a position detection device 7 and an inertial navigation system 8th by means of an adjustment device 9 mechanically rigidly connected. The spring-elastic fasteners 4 and the piezo elements 5 are in the X, Y and Z directions to the aerial camera 2 arranged, wherein in the illustration, the Z direction is not shown. Furthermore, the piezo elements 5 connected to a control electronics that the piezo elements 5 in mechanical vibrations, the control electronics preferably emulates a frequency spectrum of the target aircraft classes.

Zur Kalibrierung wird die Luftbildkamera 2 mittels der federelastischen Mittel an dem Gehäuse 3 befestigt. Mittels eines Mustergenerators wird eine optische Teststruktur 10 erzeugt, mittels derer eine geometrische und radiometrische Kalibrierung der Luftbildkamera erfolgt. Über die Piezoelemente 5 wird dann eine Bewegung entlang der 6 Freiheitsgrade erzeugt. Diese Bewegungen werden von der Positionserfassungseinrichtung 7 und dem inertialen Navigationssystem 8 erfaßt. Bei der ausschließenden Bildauswertung werden die aufgenommenen Bilddaten mittels der Daten der Positionserfassungseinrichtung 7 und des inertialen Navigationssystems 8 korrigiert, so daß im Idealfall die unbewegte Teststruktur 10 erscheint. Weist hingegen die Struktur einen konstanten Versatz auf, so läßt dieser auf einen konstanten Offset schließen, der in der Gesamtübertragungsfunktion der Luftbildkamera 2 berücksichtigt werden kann. Variiert der Versatz hingegen, so ist dies ein Anzeichen dafür, daß die mechanische Verbindung zwischen Positionserfassungseinrichtung 7 und dem inertialen Navigationssystem 8 nicht starr ist und korrigiert werden muß. Als Ergebnis erhält somit die Gesamtübetragungsfunktion der Luftbildkamera 2, deren geometrische und radiometrische Kalibrierung, die Güte der Positionserfassungseinrichtung 7, des inertialen Navigationssystems 8 und deren Justierung zueinander, sowie die Güte der Auswertesoftware.For calibration, the aerial camera 2 by means of the resilient means on the housing 3 attached. By means of a pattern generator becomes an optical test structure 10 generated by means of which a geometric and radiometric calibration of the aerial camera takes place. About the piezo elements 5 will then move along the 6 Generated degrees of freedom. These movements are performed by the position detection device 7 and the inertial navigation system 8th detected. In the exclusive image evaluation, the captured image data is acquired by the position detection device data 7 and the inertial navigation system 8th corrected, so that ideally the stationary test structure 10 appears. If, on the other hand, the structure has a constant offset, then this suggests a constant offset, which is the overall transfer function of the aerial camera 2 can be taken into account. On the other hand, if the offset varies, this is an indication that the mechanical connection between the position detection device 7 and the inertial navigation system 8th not rigid and needs to be corrected. As a result, thus receives the Gesamtübetragungsfunktion the aerial camera 2 , their geometric and radiometric calibration, the quality of the position detection device 7 , the inertial navigation system 8th and their adjustment to each other, as well as the quality of the evaluation software.

Claims (6)

Vorrichtung zur Kalibrierung von Luftbildkameras (2), umfassend Mittel zur mechanischen Aufnahme der Luftbildkamera (2), Stellglieder zur Auslenkung der Luftbildkamera (2), eine Positionserfassungseinrichtung (7) und ein inertiales Navigationssystem (8), die mechanisch starr zueinander in oder an der Luftbildkamera (2) angeordnet sind, und eine optische Teststruktur (10), wobei die Stellglieder über eine Ansteuerelektronik ansteuerbar sind, die Auslenkung der Luftbildkamera (2) über die Positionserfassungseinrichtung (7) und das inertiale Navigationssystem (8) erfassbar ist, eine Aufnahme der optischen Teststruktur (10) unter zur Hilfenahme der Daten der Positionserfassungseinrichtung (7) und des inertialen Navigationssystems (8) korrigierbar und mit einer Sollbildaufnahme vergleichbar ist, wobei die Mittel zur Aufnahme der Luftbildkamera als federelastische Befestigungsmittel (4) ausgebildet sind.Device for calibrating aerial cameras ( 2 ) comprising means for mechanically capturing the aerial camera ( 2 ), Actuators for the deflection of the aerial camera ( 2 ), a position detection device ( 7 ) and an inertial navigation system ( 8th ), which are mechanically rigid with each other in or on the aerial camera ( 2 ) and an optical test structure ( 10 ), wherein the actuators are controlled via a control electronics, the deflection of the aerial camera ( 2 ) via the position detection device ( 7 ) and the inertial navigation system ( 8th ), a photograph of the optical test structure ( 10 ) using the data from the position-capture device ( 7 ) and the inertial navigation system ( 8th ) is correctable and comparable with a reference image recording, wherein the Means for receiving the aerial camera as resilient fastening means ( 4 ) are formed. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellglieder als Piezoelemente (5) ausgebildet sind.Apparatus according to claim 1, characterized in that the actuators as piezo elements ( 5 ) are formed. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionserfassungseinrichtung (7) als GPS- oder als DGPS- Empfänger ausgebildet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the position detection device ( 7 ) is designed as a GPS or DGPS receiver. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das inertiale Navigationssystem (8) als Gyrokreisel ausgebildet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the inertial navigation system ( 8th ) is designed as Gyro gyro. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Teststruktur (10) als Hologramm ausgebildet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the optical test structure ( 10 ) is designed as a hologram. Verfahren zur Kalibrierung von Luftbildkameras (2) mittels einer Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, umfassend folgende Verfahrensschritte: a) Erzeugen einer Bewegung der Luftbildkamera (2) durch die durch die Ansteuerelektronik beaufschlagten Stellglieder, b) Aufnehmen der optischen Teststruktur (10) durch die bewegte Luftbildkamera (2), c) Bestimmen aller Freiheitsgrade der Luftbildkamera (2) durch die Positionserfassungseinrichtung (7) und das inertiale Navigationssystem (8), d) Berechnung einer bewegungskompensierten Aufnahme mittels der Daten aus Verfahrensschritt c) und e) Vergleichen der Aufnahme gemäß Verfahrensschritt d) mit einer Sollaufnahme der optischen Teststruktur (10).Method for calibrating aerial cameras ( 2 ) by means of a device ( 1 ) according to claim 1, comprising the following method steps: a) generating a movement of the aerial camera ( 2 ) by the actuators acted upon by the control electronics, b) recording the optical test structure ( 10 ) through the moving aerial camera ( 2 ), c) determining all degrees of freedom of the aerial camera ( 2 ) by the position detection device ( 7 ) and the inertial navigation system ( 8th ), d) calculating a motion-compensated recording by means of the data from method step c) and e) comparing the recording according to method step d) with a desired recording of the optical test structure ( 10 ).
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