DE69934472T2

DE69934472T2 - Bestimmung der Position der optischen Achse einer Kamera

Info

Publication number: DE69934472T2
Application number: DE1999634472
Authority: DE
Inventors: Jean-Loup Rapidel; Jean-Thierry Lapreste; Gerard Rives; Michel Dhome; Jean-Marc Lavest
Original assignee: FFB
Current assignee: FFB
Priority date: 1998-11-20
Filing date: 1999-11-16
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2019-11-17
Also published as: FR2786267B1; DE69934472D1; EP1003013B1; EP1003013A1; FR2786267A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung für die Ermittlung der Position eines Beobachtungskoordinatensystems, das mit einem Bildaufnahmeorgan einer Kamera verbunden ist, in Bezug zu einem sichtbaren Koordinatensystem, das mit der Kamera fest verbunden ist.
Wenn eine Videokamera in einer Vorrichtung für die Ermittlung der räumlichen Position eines Gegenstandes eingesetzt wird, ist es notwendig, das geometrische Beobachtungs-Koordinatensystem genau zu kennen, das dem Bildaufnahmeorgan der Kamera zugeordnet ist. Tatsächlich ist dieses Beobachtungs-Koordinatensystem wegen den Fertigungstoleranzen der Kamera im Allgemeinen gegenüber dem sichtbaren Koordinatensystem, das dem mechanischen Aufbau der Kamera zugeordnet ist, verschoben.
Zwecks Vermeidung der Positionierungsfehler der Gegenstände ist es notwendig, diese Verschiebung in Betracht zu ziehen und somit die genaue Position des Beobachtungs-Koordinatensystems in Bezug zu dem mit dem Aufbau der Kamera verbundenen sichtbaren Koordinatensystem zu ermitteln oder mit jedem anderen mit dem Aufbau der Kamera verbundenen Koordinatensystem.
Diese Ermittlung ist im Allgemeinen kompliziert.
Die Erfindung hat die Aufgabe, ein einfaches Verfahren für die Ermittlung der Position des Beobachtungs-Koordinatensystems einer Kamera in Bezug zu einem sichtbaren Koordinatensystem anzugeben, das mit dieser Kamera fest verbunden ist.
Zu diesem Zweck hat die Erfindung als Gegenstand ein Verfahren zur Bestimmung der Position des Beobachtungs-Koordinatensystems in Bezug zu einem mit dem Aufbau der Kamera verbundenen sichtbaren Koordinatensystems, da durch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte aufweist:

a) es wird gegenüber der Kamera ein Spiegel aufgestellt, der eine Bezugspunktanordnung mit bekannter geometrischer Konfiguration aufweist, wobei der Spiegel so orientiert ist, dass die Reflexion des sichtbaren Koordinatensystems durch die Kamera beobachtet werden kann,
b) ausgehend von der Kamera wird ein Bild des Spiegels erstellt, in dem das reflektierte Bild des sichtbaren Koordinatensystems und die Bezugspunktanordnung erscheinen; und
c) es wird die Position des Beobachtungs-Koordinatensystems der Kamera in Bezug zum sichtbaren Koordinatensystem ermittelt, ausgehend von der Auswertung des Bildes, das durch die Reflexion des sichtbaren Koordinatensystems im Spiegel und der Bezugspunktanordnung erhalten wurde.

Entsprechend den unterschiedlichen Einsatzmöglichkeiten weist das Verfahren eine oder mehrere der folgenden Merkmale auf:

– in Schritt c), um die Position des Beobachtungs-Koordinatensystems in Bezug zu dem sichtbaren Koordinatensystem herzuleiten: c') man bestimmt die Position des Spiegels in Bezug zum Beobachtungs-Koordinatensystem der Kamera, ausgehend von der Auswertung des Bildes der Bezugspunktanordnung; c'') man bestimmt die Position des Bildes, das durch die Reflexion des sichtbaren Koordinatensystems im Spiegel (50) in Bezug zum Beobachtungs-Koordinatensystem der Kamera erhalten wurde; und c'') man bestimmt durch Berechnung die relative Position des Beobachtungs-Koordinatensystems in Bezug zum sichtbaren Koordinatensystem.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Ermittlung der Position eines Beobachtungs-Koordinatensystems, das dem Bildaufnahmeorgan einer Kamera zugeordnet ist, in Bezug zu einer räumlichen Richtung, definiert durch eine bekannte Gerade, wobei die Kamera mit einem an ihr befestigten sichtbaren Koordinatensystem ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, dass:

A) man bestimmt die Position des Beobachtungs-Koordinatensystems in Bezug zu dem sichtbaren Koordinatensystem durch ein Verfahren, wie weiter oben definiert;
B) man erzeugt zwei Bilder desselben Spiegels, auf denen das sichtbare Koordinatensystem erscheint, in zwei unterschiedlichen Positionen des Spiegels in einem Winkel um die Gerade verschoben;
C) man leitet die Position des Beobachtungs-Koordinatensystems in Bezug zu der Gerade her, die dem Schnitt der zwei Ebenen des Spiegels in den zwei unterschiedlichen Positionen entspricht, ausgehend von der Auswertung der durch Reflexion des sichtbaren Koordinatensystems in dem Spiegel erhaltenen Bilder und von der bestimmten Position des Beobachtungs-Koordinatensystems in Bezug zu dem sichtbaren Koordinatensystem.

Gemäß den bevorzugten Ausführungsformen:

– wird der Schritt A) der Bestimmung der Position des Beobachtungs-Koordinatensystems in Bezug zu dem sichtbaren Koordinatensystem ausgeführt, ausgehend von einem der in Schritt B) erzeugten Bilder für die Bestimmung der Position des Beobachtungs-Koordinatensystems in Bezug zu der Geraden; und
– der Spiegel wird aufgehängt und erstreckt sich senkrecht unter der Wirkung seines Eigengewichtes und dadurch, dass die zwei unterschiedlichen Positionen des Spiegels, in denen die Bilder erzeugt werden, beide solche Positionen sind, in welchen der Spiegel frei aufgehängt ist und im Winkel zwischen den zwei Positionen in der waagerechten Ebene versetzt ist, wobei die genannte Gerade durch die vertikale Drehachse des Spiegels definiert wird.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines Beobachtungs-Koordinatensystems, das mit dem Bildaufnahmeorgan einer Kamera verbunden ist, in Bezug zu einem sichtbaren Koordinatensystem, das an dieser Kamera angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass:

a) sie im Blickfeld der Kamera einen Spiegel aufweist, der eine Bezugspunktanordnung mit bekannter geometrischer Konfiguration aufweist, wobei der Spiegel derart orientiert ist, dass die Reflexion des sichtbaren Koordinatensystems in dem Spiegel durch die Kamera beobachtbar ist;
b) sie Mittel für die Erzeugung, ausgehend von der Kamera, eines Bildes des Spiegels aufweist, auf dem das Bild des sichtbaren Koordinatensystems und die Bezugspunktanordnung erscheinen; und
c) sie Mittel zur Herleitung der Position des Beobachtungs-Koordinatensystems der Kamera in Bezug zu dem sichtbaren Koordinatensystem, ausgehend von der Auswertung des im Spiegel durch Reflexion erhaltenen Bildes des sichtbaren Koordinatensystems und der Bezugspunktanordnung, aufweist.

Insbesondere weisen die genannten Mittel zur Herleitung der Position des Beobachtungs-Koordinatensystems in Bezug zu dem sichtbaren Koordinatensystem folgendes auf:

c') Mittel zum Bestimmen der Position des Spiegels in Bezug zu dem Beobachtungs-Koordinatensystem der Kamera, ausgehend von der Auswertung des Bildes der Bezugspunktanordnung;
c'') Mittel zum Bestimmen der Position des Bildes, das durch Reflexion in dem Spiegel des sichtbaren Koordinatensystems in Bezug zum Beobachtungs-Koordinatensystem der Kamera erhalten worden ist; und
c''') Mittel für die Berechnung der relativen Position des Beobachtungs-Koordinatensystems in Bezug zum sichtbaren Koordinatensystem.

Die Erfindung wird besser verstanden durch das Lesen der nachfolgenden Beschreibung, die ausschließlich beispielhaft und mit Beziehung auf die Zeichnungen angegeben wird, wobei:
1 eine Draufsicht einer optischen Anordnung gemäß der Erfindung ist, welche eingerichtet ist, um die relativen Positionen der vier Räder eines Kraftfahrzeuges zu bestimmen;
2A und 2B sind perspektivische Ansichten desselben optischen Referenzsystems der Anordnung der 1, in denen jeweils ein eigenes Beobachtungs-Koordinatensystem des Bildaufnahmeorgans und ein sichtbares Koordinatensystem, das durch eine Bezugspunktanordnung definiert wird, abgebildet sind;
3 ist eine perspektivische Ansicht eines optischen Referenzsystems, das gegenüber einem Spiegel aufgestellt ist, der zwischen zwei Positionen verfahrbar ist, um die Position des Beobachtungs-Koordinatensystems des optischen Systems in Bezug zu seines sichtbaren Koordinatensystems zu bestimmen; und
4 ist eine schematische Ansicht, welche die erfindungsgemäße Bestimmung der relativen Positionen der Beobachtungs-Koordinatensysteme der zwei gegenüberliegenden optischen Systeme illustriert;
Die in 1 dargestellte Anordnung ist dafür vorgesehen, um die relativen Positionen der vier Räder R eines Kraftfahrzeuges 10 optisch zu bestimmen;
Die Anordnung weist vier optische Systeme 12, 14, 16, 18 auf, die je einem Rad R des Fahrzeuges zugeordnet sind. Jedes davon enthält eine CCD-Videokamera, bezeichnet als 12A, 14A, 16A, 18A. Diese vier Kameras sind an eine zentrale Datenverarbeitungseinheit 20 angeschlossen, gebildet z. B. von einem Rechner, der für die Verarbeitung der empfangenen Bilder eingerichtet ist.
Die optischen Systeme 12, 14, 16, 18 sind untereinander rund um das Fahrzeug 10 verfahrbar. Für eine korrekte Funktion der Anordnung sind die optischen Systeme unbeweglich in den vier Ecken eines Vierecks aufgestellt, insbesondere eines Rechtecks, welches das Fahrzeug umschließt.
Das optische System 12 ist in den 2A und 2B perspektivisch dargestellt. Die Videokamera 12A steht auf einem Dreifuß 24, welcher für die Aufstellung auf den Fußboden eingerichtet ist. Zusätzlich ist die Kamera 12A mit einer Zielscheibe 26 fest verbunden, die ein sichtbares Koordinatensystem (O, xyz) definiert, bezeichnet mit A12 und in 2A sichtbar. Die Zielscheibe 26 ist durch mechanische Mittel an dem Aufbau der Kamera und insbesondere in Bezug zu dem Beobachtungs-Koordinatensystem (O', x'y'z') befestigt. Das Beobachtungs-Koordinatensystem C12 ist mit dem Bildaufnahmeorgan 28 der Kamera 12A verbunden und insbesondere mit dessen CCD-Sensor.
Das optische System 12 bildet ein optisches Referenzsystem. Desgleichen bildet das optische System 16, aufgestellt in der entgegengesetzten Ecke bezogen auf das Fahrzeug in der Konfiguration in 1, ebenfalls ein optisches Referenzsystem und hat den gleichen Aufbau wie das optische System 12.
Hingegen sind die optischen Systeme 14 und 18 ohne Zielscheiben und weisen jeweils eine einfache Videokamera 14A, 18A auf, die von einem Dreifuß als Stütze getragen wird.
Als Variante haben die optischen Systeme 14 und 18 den gleichen Aufbau wie die optischen Systeme 12 und 16. In diesem Fall sind die vier optischen Systeme optische Referenzsysteme, was redundante Messungen gestattet und folglich eine größere Zuverlässigkeit des Ergebnisses dieser Messungen.
Wie in 2A dargestellt, ist die Zielscheibe 26 z. B. aus einer kreisförmigen Scheibe O gebildet, auf deren Umfang zwölf koplanare Punkte 26A verteilt sind. Zusätzlich hat die Zielscheibe 26 einen dreizehnten Punkt 26B, der vor der Hauptebene der Scheibe angeordnet ist, welche die zwölf Punkte 26A beinhaltet.
Dieser Punkt individualisiert die Scheibe 26 dem Winkel nach und ermöglicht die Definierung von zwei rechtwinkligen Achsen, Ox und Oy, in der Ebene der Zielscheibe. Die Achse Oy verläuft vorzugsweise rechts am Punkt 26B vorbei.
Die Zielscheibe 26 weist eine Hauptsymmetrieachse auf, definiert von den zwölf koplanaren Punkten, die regelmäßig entlang des Umfang der Scheibe verteilt sind. Die Hauptsymmetrieachse bildet eine Achse Oz, die rechtwinklig zu den Achsen Ox, Oy ist.
Die Achsen Oz, Oy, Oz und der Punkt O definieren das sichtbare Koordinatensystem A12.
Die Zielscheibe 26 bildet somit eine Bezugspunktanordnung mit bekannter geometrischer Konfiguration, welche das sichtbare Koordinatensystem A12 definiert.
Dieses ist in einer Position befestigt, die gegenüber dem Beobachtungs-Koordinatensystem C12 der Kamera bestimmt werden kann.
Wie in 2B dargestellt, hat das Beobachtungs-Koordinatensystem C12 als Mittelpunkt, bezeichnet durch O', den Mittelpunkt des CCD-Sensors der Kamera 12A. Das Beobachtungs-Koordinatensystem wird durch einen Trieder (O'x', O'y', O'z') definiert, wo O'z' die optische Achse der Kamera ist, O'x' eine parallele Achse zu den waagerechten Pixelreihen des CCD-Sensors ist und O'y' eine parallele Achse zu den senkrechten Pixelkolonnen des CCD-Sensors ist.
Die geometrische Konfiguration der Bezugspunktanordnung der Zielscheibe 26 ist in der Datenverarbeitungseinheit 20 gespeichert.
Die Datenverarbeitungseinheit 20 beinhaltet die Mittel für den Einsatz der Algorithmen für die Bestimmung der räumlichen Position eines Gegenstandes. Insbesondere ist sie für die Bestimmung der Position eines Gegenstandes eingerichtet, der eine Bezugspunktanordnung mit einer bekannten geometrischen Konfiguration trägt, wobei diese Konfiguration im Vorhinein in der Einheit 20 gespeichert ist. Diese Position wird ausgehend von dem Bild dieses Gegenstandes bestimmt, das durch eine Kamera, welche an der Datenverarbeitungseinheit angeschlossen ist, aufgenommen worden ist. Die räumliche Position des Gegenstandes wird in Bezug zu dem Beobachtungs-Koordinatensystem C12 der Kamera berechnet. Der eingesetzte Algorithmus ist beliebiger Natur und wird angepasst, und z. B. wie in der Anmeldung WO 94/05969 beschrieben.
Im Hinblick auf die Verwendung solcher Algorithmen wird es bevorzugt, im Voraus geeichte Kameras zu verwenden, um die Fehler auszugleichen, die von den Unvollkommenheiten der Kamera und des Sensors, die sie aufweist, herrühren.
Zu diesem Zweck werden für jede Kamera deren innere Eigenschaften (Beobachtungs-Koordinatensystem, Brennpunkt, Größe des Bildelements oder der Pixel, Radialverzerrung, Tangentialverzerrung) und äußere Eigenschaften (Verfahr- und Drehmatrixen und die, an dem beobachteten Gegenstand angewendet, ein absolut identisches Bild zu dem von der Kamera beobachteten und von seinen Verzerrungen befreiten Bild darstellen. Es werden somit durch bekannte Verfahren die Korrekturen bestimmt, bevor diese auf die aufgenommenen Bildern angewendet werden, um die korrekte räumliche Position eines Gegenstandes zu ermitteln.
Für den Einsatz des Verfahrens gemäß der Erfindung ist es notwendig, für jedes optische Referenzsystem 12, 16, die relativen Positionen des Beobachtungs-Koordinatensystems der Kamera und des durch die Zielscheibe definierten sichtbaren Koordinatensystems zu kennen. In der Folge ist es äußerst kompliziert, sogar unmöglich, bei der Befestigung der Zielscheibe an der Kamera dieses so zu befestigen, dass die zwei Koordinatensysteme C12 und A12 genau übereinstimmen.
In 3 wird ein für die Bestimmung der relativen Position der zwei Koordinatensystems C12 und A12 des eigenen optischen Systems 12 verwendetes Verfahren gezeigt. Das für das optische System 16 verwendete Verfahren ist analog.
Gemäß diesem Verfahren ist das optische System 12 gegenüber der reflektierenden Seite einer Spiegelebene 50 aufgestellt. Dieser Spiegel ist an einem Träger 52 aufgehängt. Die Aufhängungsmittel sind für eine freie Drehbewegung des Spiegels um eine vertikale Achse Δ eingerichtet.
Der Spiegel 50 weist auf seiner reflektierenden Seite eine Bezugspunktanordnung 54A auf, welche in schwarzen Scheiben bestehen, die nach einer bekannten geometrischen Figur aufgeteilt sind, wie z. B. einem Viereck. Eine zusätzliche Referenzmarke 54B ist vor der reflektierenden Seite des Spiegels 50 angeordnet. Die geometrische Konfiguration der Referenzmarken 54A und 54B ist bekannt und in der Datenverarbeitungseinheit 20 gespeichert.
In 3 ist die Normale zu dem Spiegel 50 mit n bezeichnet. Diese Normale ist rechtwinklig zu dem Spiegel und passiert den Mittelpunkt der Figur, welcher durch die Bezugspunktanordnung 54A und 54B abgegrenzt ist. Der Spiegel weist ein eigenes Koordinatensystem (O_m, x_my_mz_m) auf, dessen Mittelpunkt O_m der Mittelpunkt der Figur ist, die durch die Marken 54A abgegrenzt ist. Die Achse O_mz_m erstreckt sich entlang der Normalen n. Die Achsen O_mx_m und O_my_m erstrecken sich rechtwinklig zueinander in der Ebene des Spiegels 50. Vorteilhafterweise erstreckt sich die Achse O_my_m parallel zu einer Achse Δ.
Die Zielscheibe 26, welche die Bezugspunktanordnung 26A und 26B trägt, reflektiert sich auf der reflektierenden Oberfläche des Spiegels 50 und bildet auf dem Spiegel ein Bild der Zielscheibe, mit 56 bezeichnet.
Somit erhält die Kamera 12A in dem Beobachtungs-Koordinatensystem C12 ein Bild der reflektierenden Seite des Spiegels 50, das einerseits die Bezugspunktanordnung 54A und 54B und anderseits das reflektierte Bild 56 der von dem optischen System getragenen Zielscheibe enthält.
Da die Kamera 12A an die Datenverarbeitungseinheit 20 angeschlossen ist, bestimmt diese, ausgehend von dem gespeicherten Algorithmus, die Position des Spiegels 50 in Bezug zu dem Beobachtungs-Koordinatensystem C12, ausgehend von dem aufgenommenen Bild der von dem Spiegel getragenen Bezugspunktanordnung 54A und 54B.
Gleichfalls bestimmt die Datenverarbeitungseinheit 20, durch Anwendung des gespeicherten Algorithmus, die Position der virtuellen Abbildung der Zielscheibe 26 in Bezug zu dem Beobachtungs-Koordinatensystem C12 der Kamera. Insbesondere bestimmt die Datenverarbeitungseinheit 20 die Position eines virtuellen sichtbaren Koordinatensystems (O'', x''y''z''), das der virtuellen Abbildung der Zielscheibe 26 bezüglich des Beobachtungs-Koordinatensystem (O', x'y'z') der Kamera zugeordnet ist.
Das sichtbare virtuelle Koordinatensystem (O'', x''y''z'') ist die virtuelle Abbildung des sichtbaren Koordinatensystems (O, xyz), das durch Reflexion im Spiegel 50 erhalten wird.
Ausgehend von den relativen Positionen des Beobachtungs-Koordinatensystems (O', x'y'z') in Bezug zu dem Koordinatensystem des Spiegels (O_m, x_my_mz_m) einerseits und dem virtuellen sichtbaren Koordinatensystem (O'', x''y''z'') in Bezug zu dem Beobachtungs-Koordinatensystem (O', x'y'z') andererseits bestimmt die zentrale Datenverarbeitungseinheit 20 die Position des Beobachtungs-Koordinatensystems (O', x'y'z') der Kamera in Bezug zu dem sichtbaren Koordinatensystem (O, xyz), definiert von der Zielscheibe 26.
Zu diesem Zweck geht die Datenverarbeitungseinheit 20 wie folgt vor.
Durch den von der Einheit 20 verwendeten Algorithmus wird die Position des virtuellen Bildes, das mit dem Bild 56 der Zielscheibe übereinstimmt und durch Reflexion im Spiegel 50 erhalten worden ist, durch die Auswertung des durch die Kamera 12A aufgenommenen Bildes bestimmt.
Diese Positionierung ermöglicht die Bestimmung einer Übergangsmatrix M_0-v zwischen dem virtuellen Koordinatensystem (O'', x''y''z''), verbunden mit dem virtuellen Bild und dem Beobachtungs-Koordinatensystem (O', x'y'z'). Diese Koordinatensystem-Änderung drückt sich als Matrix folgenderweise aus:
wo R eine 3 × 3-Rotationssubmatrix ist
T eine 1 × 3-Translationssubmatrix ist;
(x'', y'', z'') die Koordinaten eines Punktes M in dem sichtbaren virtuellen Koordinatensystem (O'', x''y''z'') sind; und
(x', y', z') die Koordinaten des Punktes M in dem Beobachtungs-Koordinatensystem (O', x'y'z') sind.
Durch einen Algorithmus derselben Art bestimmt die Datenverarbeitungseinheit 20 die Position des Spiegels 50 und insbesondere seines zugeordneten Koordinatensystems (O_m, x_my_mz_m) in dem Beobachtungs-Koordinatensystem (O', x'y'z'), das mit der Kamera verbunden ist. Um das auszuführen, wertet die Datenverarbeitungseinheit 20 das durch die Kamera aufgenommene Bild des Spiegels 50 aus und bestimmt die Position des Spiegels 50, ausgehend von der Auswertung der Position der Referenzmarken 54A und 54B, die im Bild erscheinen.
Eine Übergangsmatrix M_m zwischen dem Beobachtungs-Koordinatensystem (O', x'y'z') und dem Koordinatensystem (O_m, x_my_mz_m) des Spiegels ist somit bestimmt. Die Koordinaten des gleichen Punktes M in den zwei Koordinatensystemen sind folglich durch die Beziehung
verknüpft, wo R_m eine 3 × 3-Rotationssubmatrix ist,
T_m eine 1 × 3-Translationssubmatrix ist; und
(x_m, y_m, z_m) die Koordinaten des Punktes M des Koordinatensystems des Spiegels (O_m, x_my_mz_m) sind.
Hieraus wird abgeleitet:
worin M_m ^–1 die Inverse der Matrix M_m ist.
Es ist somit möglich, in dem sichtbaren virtuellen Koordinatensystem (O'', x''y''z'') die Koordinaten eines Punktes M als Funktion seiner Koordinaten in dem Koordinatensystem des Spiegels (O_m, x_my_mz_m) durch die folgende Matrixbeziehung auszudrücken:
Um die Position eines reellen Punktes M in dem Koordinatensystem des Spiegels (O_m, x_my_mz_m) zu bestimmen, wird die Eigenschaft verwendet, nach der das virtuelle Bild eines Punktes mit den Koordinaten (x, y, z) in einem gegebenen Koordinatensystem, wenn sich der Spiegel in der Ebene Ox, Oy erstreckt, die Koordinaten (x, y, –z) hat.
Somit werden die Koordinaten (x'', y'', z'') des virtuellen Bildes im sichtbaren virtuellen Koordinatensystem des Punktes M mit den Koordinaten (x, y, z) in dem sichtbaren Koordinatensystem durch Anwendung der folgenden Diagonalmatrix S_y erhalten:
Die Koordinaten (x, y, z) eines Punktes M, ausgedrückt in dem sichtbaren Koordinatensystem (O, xyz), werden als Funktion der Koordinaten (X_my_mZ_m) desselben Punktes in dem Koordinatensystem des Spiegels (O_m, x_my_mz_m) in der Form
ausgedrückt.
M₀'= M_0-V'·S_z, wobei M₀' folglich die Übergangsmatrix des Koordinatensystems des Spiegels (O_m, x_my_mz_m) zu dem sichtbaren Koordinatensystem (O, xyz) ist.
Um die Koordinaten eines Punktes in dem sichtbaren Koordinatensystem (O, xyz), ausgehend von den Koordinaten (x*, y', z') desselben Punktes in dem Be obachtungs-Koordinatensystem (O, x'y'z'), zu bestimmen, wird aus den Beziehungen (1) und (2) die folgende Matrixbeziehung hergeleitet:
Somit ist ersichtlich, dass die zentrale Datenverarbeitungseinheit 20 durch Anwendung dieser Berechnung die Position des der Kamera zugeordneten Beobachtungs-Koordinatensystems C12 bestimmen kann in Bezug zu dem sichtbaren Koordinatensystem 12B, das der Zielscheibe, die einstückig mit dieser Kamera ist, zugeordnet ist.
Zusätzlich ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass die Anordnung der optischen Systeme und insbesondere der optischen Referenzsysteme in Bezug auf die Senkrechte des Prüfplatzes des Fahrzeuges positioniert wird.
Zu diesem Zweck wird ein Bild des Spiegels 50 in einer ersten Position desselben bestimmt, das in 3 mit dicken Linien dargestellt ist. Der Spiegel wird dann in eine zweite Position verfahren, die in 3 mit gestrichelten Linien dargestellt ist. Die Verstellung wird um die Aufhängeachse Δ des Spiegels vorgenommen. Diese Achse Δ entspricht der Senkrechten des Anwendungs-Ortes der Anordnung.
Ausgehend von dem gespeicherten Algorithmus bestimmt die zentrale Datenverarbeitungseinheit 20 für die zwei Positionen des Spiegels die Koordinaten der Ebenen, in welchen sich der Spiegel erstreckt. Die Gerade Δ entspricht dem Schnitt der so bestimmten Ebenen. Die zentrale Datenverarbeitungseinheit 20 bestimmt somit die relative Position des optischen Referenzsystems in Be zug auf eine Familie waagerechter Ebenen, die eine kapitale Bedeutung für den charakteristischen Fall der Fahrzeuggeometrie haben.
In 4 sind schematisch die gegenüberliegenden optischen Systeme 12 und 14 dargestellt, in Abwesenheit des Kraftfahrzeuges 10. Die optischen Systeme 12 und 14 sind wie in 1 einander gegenüber aufgestellt, in einem ausreichenden Abstand, um die Durchfahrt des Fahrzeuges 10 zu gestatten.
Um zum Beispiel die relative Position der Vorderräder des Fahrzeuges zu bestimmen, ist es vorteilhaft, die relativen Positionen der Beobachtungs-Koordinatensysteme zu bestimmen, die den optischen Systemen 12 und 14 zugeordnet sind. Diese sind in 6 als C12 und C14 bezeichnet.
Die Übergangsmatrix zwischen dem Beobachtungs-Koordinatensystem C12 und dem sichtbaren Koordinatensystem A12 ist bekannt, da sie durch das oben erläuterte Verfahren bestimmt wird.
Um die relativen Positionen der Beobachtungs-Koordinatensysteme C12 und C14 zu bestimmen, erstellt das optische System 14, gesteuert durch die zentrale Datenverarbeitungseinheit 20, ein Bild der Zielscheibe 26. Dieses Bild wird durch die zentrale Datenverarbeitungseinheit 20 bearbeitet.
Diese bestimmt in Kenntnis der geometrischen Konfiguration der Bezugspunktanordnung der Zielscheibe 26, unter Verwendung des gespeicherten Algorithmus die relative Position der Zielscheibe 26 in Bezug zu dem Beobachtungs-Koordinatensystem C14 des beobachtenden optischen Systems. Sie leitet somit die Position des sichtbaren Koordinatensystems A12, definiert durch die Zielscheibe 26, in Bezug zu dem Beobachtungs-Koordinatensystem C14 her.
In Kenntnis der Übergangsmatrix von dem Beobachtungs-Koordinatensystem C12 zu dem sichtbaren Koordinatensystem A12 und umgekehrt, bestimmt die zentrale Datenverarbeitungseinheit 20 die relativen Positionen der Beobachtungs-Koordinatensysteme C12 und C14.
Somit bestimmt die zentrale Datenverarbeitungseinheit 20 die relative Position zwischen den den beiden gegenüberliegenden optischen Systemen 12 und 14 zugeordneten Beobachtungs-Koordinatensystemen.
Desgleichen beobachtet das dem optischen System 12 bezogen zu dem Aufstellungs-Ort des Fahrzeuges 10 entgegengesetzt angeordnete optische System 16 die vom optischen System 12 getragene Zielscheibe 26 in Abwesenheit des Fahrzeuges. In entsprechender Weise bestimmt die zentrale Datenverarbeitungseinheit 20 die Position des Beobachtungs-Koordinatensystems, bezeichnet mit C16, das dem optischen System 16 zugeordnet ist, in Bezug zu dem Beobachtungs-Koordinatensystem C12 des optischen Referenzsystems.
Abschließend, da das optische System 16 gleichfalls mit einer festen Zielscheibe ausgerüstet ist, die in Beziehung zu der eingegliederten Kamera in dem optischen System fest eingebaut ist, erlaubt es die Beobachtung von diesen durch das optische System 18 in der zentralen Datenverarbeitungseinheit 20 die Bestimmung der Position des Beobachtungs-Koordinatensystems, bezeichnet mit C18, das dem optischen System 18 zugeordnet ist, in Bezug zu dem Beobachtungs-Koordinatensystem C16 des optischen Referenzsystems 16.
In der Folge, analog zu dem in 4 beschriebenen Verfahren, gestattet die Kenntnis der relativen Positionen des sichtbaren Koordinatensystems der von dem optischen System 16 getragenen Zielscheibe und des dem optischen System 16 zugeordneten Beobachtungs-Koordinatensystems die Bestimmung der relativen Positionen der Beobachtungs-Koordinatensysteme C16 und C18.
Somit wird, wenn ein optisches System ein Referenzsystem wird, die Anordnung im Ganzen durch Vermessung referenziert.
Nachdem das Fahrzeug 10 an seinen Platz gebracht wird, können sich die vier optischen Systeme nicht mehr gegenseitig beobachten. Jedoch ist jede der Anordnungen dazu geeignet, ein Bild eines Rades R des Fahrzeuges aufzunehmen.
Wie in der Anmeldung WO-94/05969 beschrieben, ist jedes Rad mit einem Target oder einem Anbau 60 ausgestattet, der starr und in einer bekannten Weise an dem Rad befestigt ist. Jedes Target weist eine Bezugspunktanordnung auf, die eine bekannte und in der Datenverarbeitungseinheit 20 gespeicherte geometrische Anordnung hat.
Bevor man zu der Bestimmung der relativen Position der Targets und folglich der Räder vorgeht, ist es vorteilhaft, den Umfang jedes Targets und dessen Exzentrizität in Betracht zu ziehen, damit die zentrale Datenverarbeitungseinheit 20 diese in den nachfolgenden Berechnungen berücksichtigt. Zu diesem Zweck wertet die Einheit 20, unter Verwendung eines an sich bekannten Verfahrens mehrere Bilder jedes Rades, die in bestimmten unterschiedlichen Positionen aufgenommen worden sind, aus.
Ausgehend von der gleichzeitigen Beobachtung jedes Targets 60 von den vier optischen Systemen, bestimmt die zentrale Datenverarbeitungseinheit 20 die relative Position jedes Rades in Bezug zu dem Beobachtungs-Koordinatensystem, das der Kamera zugeordnet ist, was an sich bekannt ist. Tatsächlich, da der Mittelpunkt des Rades bekannt ist und die waagerechten Ebenen bekannt sind, deren Schnitt mit der Ebene der Räder bekannt ist, die Senkrechte des Platzes bekannt ist, ist es leicht, die charakteristischen Winkel und Abstände der Fahrzeuggeometrie zu finden.
In Kenntnis der relativen Positionen der Beobachtungs-Koordinatensysteme der vier optischen Systeme leitet die zentrale Datenverarbeitungseinheit 20 die relativen Positionen der vier Räder des Fahrzeuges her. Es ist ebenfalls möglich, die Geometrie des Fahrzeuges zu bestimmen und die ganzen Einstelloperationen auszuführen, die für die zufriedenstellende Funktion des Fahrzeuges notwendig sind.
Man versteht, dass mit einer solchen Anordnung die Position der vier optischen Systeme für jedes Fahrzeug verändert werden kann. Zusätzlich ist es nicht notwendig, für jeden Messvorgang eine feste Position zwischen den optischen Systemen beizubehalten. Es ist einfacherweise ausreichend, dass die Einheit 20 für jedes Fahrzeug erneut die relativen Positionen der den verschiedenen optischen Systemen zugeordneten Beobachtungs-Koordinatensystemen bestimmt, unter Verwendung des oben erläuterten Verfahrens. Somit hat die Anordnung einen geringen Platzbedarf und kann leicht außerhalb der Anwendungsphase gelagert werden.
Übrigens können die hier beschriebene Anordnung und das Verfahren für eine beliebige Anzahl Kameras verallgemeinert werden, bei denen sich die einen bezüglich den anderen referenzieren. Somit ist es möglich, das Fahrzeug in verschiedenen Stellungen und in verschiedenen Höhen zu vermessen.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Position eines Beobachtungs-Koordinatensystems (C12), zugeordnet dem Bildaufnahmeorgan (28) einer Kamera (12A), in Bezug zu einem sichtbaren Koordinatensystem (26), das an dieser Kamera befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte aufweist: a) es wird gegenüber der Kamera (12A) ein Spiegel (50) aufgestellt, der eine Bezugspunktanordnung (54) mit bekannter geometrischer Konfiguration aufweist, wobei der Spiegel (50) so orientiert ist, dass die Reflexion des sichtbaren Koordinatensystems (26) in dem Spiegel (50) durch die Kamera (12A) beobachtbar ist, b) durch die Kamera (12A) wird ein Bild des Spiegels (50) erstellt, in dem das reflektierte Bild (56) des sichtbaren Koordinatensystems (26) und die Bezugspunktanordnung (54) erscheinen; und c) es wird die Position des Beobachtungs-Koordinatensystems (C12) der Kamera (12A) in Bezug zu dem sichtbaren Koordinatensystem (26) ermittelt, ausgehend von der Auswertung des Bildes, das durch die Reflexion des sichtbaren Koordinatensystems (26) und der Bezugspunktanordnung (54) im Spiegel (50) erhalten wurde.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c), um die Position des Beobachtungs-Koordinatensystems (C12) in Bezug zu dem sichtbaren Koordinatensystem (26) zu ermitteln: c') die Position des Spiegels (50) in Bezug zu dem Beobachtungs-Koordinatensystem (C12) der Kamera (12A) bestimmt wird, ausgehend von der Auswertung des Bildes der Bezugspunktanordnung (54); c'') die Position des Bildes (56) bestimmt wird, das durch die Reflexion des sichtbaren Koordinatensystems (26) im Spiegel (50) in Bezug zum Beobachtungs-Koordinatensystem (C12) der Kamera (12A) erhalten wurde; und c''') durch Berechnung die relative Position des Beobachtungs-Koordinatensystems (C12) in Bezug zum sichtbaren Koordinatensystem (26) bestimmt wird.
Verfahren zur Bestimmung der Position eines Beobachtungs-Koordinatensystems (C12), zugeordnet dem Bildaufnahmeorgan (28) einer Kamera (12A) in Bezug zu einer räumlichen Richtung, definiert durch eine bekannte Geraden (Δ), wobei die Kamera (12A) mit einem an ihr befestigten sichtbaren Koordinatensystem (26) ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, dass: A) die Position des Beobachtungs-Koordinatensystems (C12) in Bezug zu dem sichtbaren Koordinatensystem (26) durch ein Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche bestimmt wird; B) zwei Bilder desselben Spiegels (50) erzeugt werden, auf denen das sichtbare Koordinatensystem (26) erscheint, in zwei unterschiedlichen, um einem Winkel um die Gerade (Δ) verschobenen Positionen des Spiegels (50); C) die Position des Beobachtungs-Koordinatensystems (C12) in Bezug zu der Geraden (Δ) ermittelt wird, welche dem Schnitt der zwei Ebenen des Spiegels (50) in den zwei unterschiedlichen Positionen entspricht, ausgehend von der Auswertung der durch Reflexion des sichtbaren Koordinatensystems (26) in dem Spiegel (50) erhaltenen Bilder und von der ermittelten Position des Beobachtungs-Koordinatensystems (C12) in Bezug zu dem sichtbaren Koordinatensystem (26),
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt A) der Bestimmung der Position des Beobachtungs-Koordinatensystems (C12) in Bezug zu dem sichtbaren Koordinatensystem (26) ausgehend von einem der im Schritt B) erzeugten Bilder für die Bestimmung der Position des Beobachtungs-Koordinatensystems (C12) in Bezug zu der Geraden (Δ) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (50) aufgehängt wird und sich senkrecht unter der Wirkung seines Eigengewichtes erstreckt und dadurch, dass die zwei unterschiedlichen Positionen des Spiegels (50), in denen die Bilder erzeugt werden, beide solche Positionen sind, in denen der Spiegel frei aufgehängt ist und in einem Winkel zwischen den zwei Positionen in der waagerechten Ebene versetzt ist, wobei die genannte Gerade (Δ) durch die vertikale Drehachse des Spiegels (50) definiert wird.
Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines Beobachtungs-Koordinatensystems (C12), zugeordnet dem Bildaufnahmeorgan (28) einer Kamera (12A), in Bezug zu einem sichtbaren Koordinatensystem (26), das an dieser Kamera befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie folgendes aufweist: a) einen Spiegel (50) gegenüber der Kamera (12A), der eine Bezugspunktanordnung (54) mit bekannter geometrischer Konfiguration aufweist, wobei der Spiegel (50) derart orientiert ist, dass die Reflexion des sichtbaren Koordinatensystems (26) in dem Spiegel (50) durch die Kamera (12A) beobachtbar ist; b) Mittel für die Erzeugung (20) eines Bildes des Spiegels (50) durch die Kamera (12A), auf dem das Bild (56) des sichtbaren Koordinatensystems (26) und die Bezugspunktanordnung (54) erscheinen; und c) Mittel für die Ermittlung (20) der Position des Beobachtungs-Koordinatensystems (C12) der Kamera (12A) in Bezug zu dem sichtbaren Koordinatensystem (26), ausgehend von der Auswertung des durch die Reflexion im Spiegel (50) erhaltenen Bildes des sichtbaren Koordinatensystems (26) und der Bezugspunktanordnung (54).
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Mittel für die Ermittlung der Position des Beobachtungs-Koordinatensystems (C12) in Bezug zu dem sichtbaren Koordinatensystem (26) folgendes aufweisen: c') Mittel für die Bestimmung der Position des Spiegels (50) in Bezug zu dem Beobachtungs-Koordinatensystem (C12) der Kamera (12A), ausgehend von der Auswertung des Bildes der Bezugspunktanordnung (54); c'') Mittel für die Bestimmung der Position des Bildes (56), erhalten durch Reflexion des sichtbaren Koordinatensystems in dem Spiegel (50) in Bezug zum Beobachtungs-Koordinatensystem (C12) der Kamera (12A); und c''') Mittel für die Berechnung der relativen Position des Beobachtungs-Koordinatensystems (C12) in Bezug zum sichtbaren Koordinatensystem (26).