ES2321552T3 - Procedimiento para calibrar un sistema de medicion. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para calibrar un sistema de medición (1) basado en al menos una cámara (4) y destinado a determinar la situación de un objeto (2) en un sistema de coordenadas (3) tridimensional de referencia, en el que los parámetros externos e internos de la cámara se calibran en diferentes pasos, y en el que, en un primer paso de procedimiento, se determinan los parámetros internos de una cámara (4) determinada y se asignan fijamente a dicha cámara (4), caracterizado porque en un segundo paso de procedimiento se determina con un medio de medición externo la posición (6) de la cámara (4) montada en el sistema de medición, y en un tercer paso de procedimiento se determina la orientación (7) de la cámara (4) en el sistema de coordenadas de referencia tridimensional (3), mediante la evaluación de imágenes de la cámara.

Description

Procedimiento para calibrar un sistema de medición.

La presente invención se refiere a un procedimiento para calibrar un sistema de medición basado en al menos una cámara y destinado a determinar la situación de un objeto en un sistema de coordenadas tridimensional de referencia, en el que los parámetros externos e internos de la cámara se calibran en diferentes pasos y la posición de la cámara se determina con un medio de medición externo.

En el marco de una automatización cada vez mayor de los ciclos de procedimiento y de producción mediante manipuladores, por ejemplo robots, es preciso determinar de forma automatizada y con precisión la situación en el espacio
de los objetos que se han de tratar, para permitir que los manipuladores puedan atacar de forma precisa en los objetos.

Para ello, frecuentemente se emplean sistemas de medición ópticos que graban imágenes de los objetos en el espacio de tratamiento de los manipuladores y las evalúan por procesamiento de imágenes para determinar, a partir de características de los objetos grabados, su orientación en el espacio. El requisito para el funcionamiento de este tipo de sistemas de medición ópticos es un calibrado de los sistemas de grabación ópticos o las cámaras en un modelo de cámara geométrico que se toma como base para la evaluación de las imágenes. Para la calibración han de determinarse no sólo los llamados parámetros "internos" de la cámara, que se refieren a las propiedades del objetivo o de la lente de la cámara y a la disposición relativa del objetivo y el sensor de imágenes, por ejemplo, sensor CCD o CMOS, sino también los llamados parámetros "externos" de la cámara, que se refieren a la situación geométrica, la posición y la orientación de la cámara en el espacio.

Para la calibración de la cámara se han descrito una multitud de diferentes procedimientos de calibración. Una vista general la ofrece la disertación de R. Gerdes y col. "Kalibrierung eines digitalen Bildverarbeitungssystems mit CCD-Kamera" (Calibración de un sistema de procesamiento digital de imágenes con cámara CCD), tm - Technisches Messen 60 (1993) 6 y 60 (1993) 7/8, editorial R. Oldenbourg Verlag, en la que se describen enfoques clásicos para procedimientos de calibración. En un enfoque derivado de la fotogrametría se establece un modelo completo de la cámara y los parámetros del modelo se determinan mediante la evaluación de correspondencias de puntos. Las coordenadas de puntos se obtienen mediante la grabación de disposiciones de puntos bidimensionales o tridimensionales de un cuerpo de calibración y la asignación de los puntos de imagen a los puntos de escena correspondientes. Los sistemas de ecuaciones no lineales que se producen generalmente se resuelven de forma numérica con la ayuda de procedimientos de búsqueda iterativa. Los procedimientos de calibración que siguen este enfoque, generalmente, requieren intensos cálculos, pero también satisfacen los máximos requisitos de exactitud. Asimismo, se conocen modelos lineales, en los que se reducen los cálculos necesarios, pero también la exactitud alcanzable. Para una línea de fabricación industrial, sin embargo, este tipo de procedimientos de calibrado suelen ser demasiado complejos y, especialmente debido a las recalibraciones que frecuentemente se requieren durante la fabricación, no pueden emplearse con ahorro de tiempo y dinero. Además, generalmente es preciso predefinir valores iniciales adecuados para la iteración. Esto hace que resulte difícil una calibración totalmente automática durante un proceso en curso.

Un segundo grupo de procedimientos de calibración intenta aprovechar las condiciones límites, físicas y geométricas, para dividir los parámetros del modelo de cámara en grupos individuales y determinarlos en pasos sucesivos, separados. Por esta reducción de los parámetros que se han de determinar en un paso disminuyen los cálculos necesarios en comparación con la búsqueda iterativa en el ámbito completo de los parámetros, aunque se puede alcanzar la misma exactitud elevada. Un procedimiento de este tipo se describe, por ejemplo, en la disertación de Roger Y. Tsai, "A Versatile Camera Calibration Technique for High-Accuracy 3D Machine Vision Metrology Using Off-the-Shelf TV Cameras and Lenses", IEEE Journal of Robotics and Automation, tomo RA-3, nº 4, agosto de 1987, en la que se toman como base condiciones geométricas para el movimiento de la cámara, para poder determinar los parámetros de la cámara por separado con sistemas de ecuaciones más sencillos. Esta solución, sin embargo, no puede aplicarse de forma universal debido a la limitación geométrica. Además, resulta desventajoso que para la calibración de la cámara se pretenda emplear un cuerpo de calibración separado con determinadas características geométricas. Un cuerpo de calibración de este tipo tiene que introducirse en el campo visual de la cámara, fuera de la secuencia de trabajo normal. Esto supone una considerable intervención en el proceso de producción. Para determinar los parámetros externos de la cámara, además es preciso conocer la situación (posición y orientación) del cuerpo de calibración en el sistema de medición. Esto requiere un esfuerzo correspondiente por la medición o por los aparatos de medición externos, así como la incorporación reproducible con alta precisión del cuerpo de calibración para la recalibración.

En el documento EP1143221A2 se describe un procedimiento similar para determinar la posición de un sistema de coordenadas de una pieza de trabajo en el espacio tridimensional, en el que para determinar su posición en el espacio, la pieza de trabajo se graba con al menos dos cámaras calibradas en el espacio. La calibración de las cámaras se efectúa en un modelo de cámara con diafragma perforado, estando previsto realizar el procedimiento sin placas de calibración. Para este fin, al calibrar las cámaras se realiza la medición directa de la posición y la orientación del orificio de entrada de luz de cada cámara, de tal forma que la posición y la orientación del orificio de entrada de luz de cada cámara se miden en su estado pasivo con un sistema de medición separado que es capaz de palpar directamente el orificio de entrada de luz y que proporciona la posición y la orientación del orificio de entrada de luz en el sistema mundial de coordenadas. Por lo tanto, en este caso, se produce una medición exclusivamente externa de la situación de la cámara, que comprende tanto la posición como la orientación de la cámara. Resulta desventajoso que para medir la orientación se requiere un medio auxiliar amplio y grande con varias marcas de medición. El medio auxiliar es un medio de medición y, por tanto, tiene que manejarse con el cuidado correspondiente, lo que resulta difícil en entornos industriales.

Otra desventaja consiste en que no es posible alcanzar la precisión necesaria para mediciones con precisión de píxeles o de subpíxeles para grandes distancias entre la cámara y el objeto a medir. Con una extensión del medio auxiliar, por ejemplo, de 400 mm con marcas de medición en los puntos exteriores y la determinación de una marca de medición con la precisión de 0,3 mm, a partir del juego de rayos puede calcularse que con una distancia de 2000 mm entre la cámara y el objeto a medir se produce un error de 3 mm, lo cual no es suficiente para muchas aplicaciones. La estructura en que se basa esta consideración está representada en la figura 3.

En el documento WO99/22281A se describe un procedimiento para medir la posición y la orientación de una o varias cámaras movidas. En la descripción del documento se señala que una imagen de un objeto visado por una cámara depende de once parámetros, al menos cinco de los cuales constituyen parámetros intrínsecos. Estos parámetros intrínsecos pueden establecerse mediante calibraciones conocidas que pueden realizarse en cuanto se hayan ensamblado los elementos de la cámara. La medición descrita detalladamente en el documento se dedica a la determinación de los seis parámetros extrínsecos que constituye la localización de la cámara. Para la determinación de los parámetros extrínsecos, que se realiza en un solo paso, se utiliza un dispositivo de visado fijo.

En el documento EP0763406A se describe un procedimiento para determinar la situación de un cuerpo en el espacio. Los procedimientos para determinar la situación de un cuerpo en el espacio son necesarios, especialmente en la fabricación de automóviles, cuando en un automóvil han de realizarse manipulaciones, por ejemplo, durante la soldadura, la pintura o la estanqueización de costuras. En el procedimiento conocido, en primer lugar, en un espacio con cámaras se incorporan placas de calibración que sirven para establecer la situación en el espacio o el sistema de coordenadas de la cámara correspondiente. De esta manera se miden las cámaras. Si ahora se pone un cuerpo en el espacio, se selecciona un punto característico del cuerpo. Mediante la cámara se reproduce la posición de un punto característico del cuerpo y se procesa junto con los valores para la medición de las cámaras. A partir de ello, se puede determinar la situación del cuerpo en el espacio en los seis grados de libertad en el espacio (es decir la situación del cuerpo y su orientación).

Por lo tanto, la invención tiene el objetivo de proporcionar un procedimiento de calibración que, con una alta precisión, sea fácil de manejar y se pueda integrar de forma óptima en secuencias de producción automatizadas.

Este objetivo se consigue mediante un procedimiento de calibración con las características de la reivindicación 1. Según la invención, el procedimiento se desarrolla en al menos tres pasos de procedimiento, y en un primer paso de procedimiento se determinan los parámetros internos de una cámara determinada y se asignan fijamente a dicha cámara, en un segundo paso de procedimiento se determina la posición de la cámara montada en el sistema de medición y en un tercer paso de procedimiento se determina la orientación de la cámara en el sistema de coordenadas tridimensional de referencia, mediante la evaluación de imágenes de la cámara. La división en los pasos de procedimiento mencionados se ha elegido de tal forma que los pasos de procedimiento pueden realizarse de forma sencilla y de manera fácil con la tecnología habitual en el entorno industrial.

En primer lugar, los parámetros internos de un tipo de cámara se determinan, especialmente por separado, y se asignan fijamente a dicho tipo de cámara. Dado que la determinación de estos parámetros internos de la cámara es independiente del lugar de montaje posterior de la cámara, basta con determinar estos parámetros una vez para cada tipo de cámara o determinarlos en un laboratorio de medición especializado y considerarlos como conocidos para siguientes procedimientos de calibración con el mismo tipo de cámara.

En un segundo paso de procedimiento, para el que aún no es preciso poner en servicio la cámara en el lugar de montaje, se determina la posición de la cámara montada en el sistema de medición, especialmente con medios de medición externos. Esta medición es totalmente independiente de la determinación de los parámetros internos de la cámara y, por tanto, es independiente de errores que se produzcan durante ello. Por lo tanto, después del segundo paso de procedimiento, en mediciones independientes entre sí se han determinado, en procedimientos de medición totalmente independientes entre sí, los parámetros internos de la cámara, referidos a las propiedades de reproducción de la cámara, así como la posición espacial de la cámara en el sistema de coordenadas mundial o de referencia. La determinación de la posición absoluta de la cámara en el sistema de coordenadas de referencia es posible mediante sistemas de medición estándar sencillos, por ejemplo seguidores láser, que frecuentemente ya de por sí están instalados fijamente para la medición en instalaciones guiadas por robot.

En cambio, según la invención, la determinación de la orientación de la cámara en el espacio, que en comparación con la determinación de la posición usando medios de medición externos, causa un considerable trabajo de medición, se realiza mediante la evaluación de imágenes de la cámara aplicando los parámetros de la cámara, determinados en los dos primeros pasos de procedimiento. La evaluación de imágenes que se ha de prever para este fin es relativamente sencilla, porque en la imagen de una de las cámaras tan sólo hay que evaluar dos puntos de medición conocidos en el espacio. Al contrario de los procedimientos de calibración, en los que todos los parámetros externos e internos de la cámara se obtienen a partir de las imágenes mismas, esto supone un considerable aumento de prestación sin pérdida de precisión relacionada, porque por la evaluación de imágenes en el tercer paso de procedimiento, los datos de posición determinados de forma externa de la cámara así como los parámetros internos de la cámara se relacionan entre sí y se utilizan para la calibración conjunta.

Dado que un sistema de medición según la invención ha de montarse frecuentemente en puestos de trabajo ya existentes, es importante que el montaje y la calibración del sistema de medición puedan realizarse en un tiempo óptimo para evitar largos tiempos de suspensión, por ejemplo, en una línea de montaje o de producción. Para este fin, resulta ventajoso que el primer paso de procedimiento para determinar los parámetros internos de la cámara tenga lugar antes del montaje de la cámara en el sistema de medición o bajo condiciones de laboratorio en un procedimiento de medición conocido de por sí, especialmente mediante la incorporación de un cuerpo de calibración de alta precisión en una imagen de cámara. Una calibración realizada para un tipo de cámara tiene validez universal para este tipo de cámara, de modo que el primer paso de procedimiento no tiene que repetirse durante cada puesta en servicio de un sistema de medición con el mismo tipo de cámara. De esta manera, sigue aumentando la rentabilidad del procedimiento según la invención.

La posición de la cámara puede determinarse de forma sencilla midiendo un único punto distintivo de la cámara en forma de una marca de medición que se encuentra en una relación conocida con la cámara. Esto ofrece la ventaja de que con el medio de medición externo para determinar la posición de la cámara tan sólo hace faltar visar, registrar y evaluar un único punto de medición, por lo que la determinación de la posición en el espacio es posible con medios de medición habituales y en poco tiempo.

Para ello, de marca de medición puede servir una característica distintiva o sobresaliente en la carcasa de la cámara, por ejemplo una esquina, un canto u otro punto de la cámara, especialmente en forma de punto. Asimismo, según la invención es posible fijar una marca de medición a la cámara para medir la posición de la cámara. Para ello, de una manera sencilla, es posible insertar o enroscar en el porta-objetivo una tapa con la marca de medición, y medirla con un medio de medición externo, por ejemplo, un seguidor láser o un teodolito. Al conocerse la construcción de la cámara entre las tomas del objetivo y el sensor de imágenes, se puede establecer una relación sencilla con los parámetros internos de la cámara, determinados en el primer paso de procedimiento, que se refieren especialmente a las propiedades del objetivo y la lente y a la geometría de la disposición del objetivo y el sensor de imágenes. Posibles errores de posición se compensan por la orientación calculada a partir de la imagen.

Por lo tanto, tras finalizar este segundo paso de procedimiento está determinada la posición de la cámara instalada en el sistema métrico de coordenadas de referencia común del sistema de medición. Posición significa en este contexto la fijación de las coordenadas X, Y y Z del sistema mundial de coordenadas. La orientación de la cámara, es decir, especialmente la orientación del objetivo, todavía no se conoce después del segundo paso de procedimiento.

Según la invención, la orientación de la cámara puede determinarse en otro paso de procedimiento, especialmente en un tercer paso de procedimiento, mediante el registro de dos o más características en una imagen de cámara, siendo conocida la posición de las características en el sistema de coordenadas mundial o de referencia. Para resolver las ecuaciones que se han de establecer para determinar las tres orientaciones Rx_{k}, Ry_{k}, Rz_{k}, se precisan matemáticamente al menos dos características reproducidas a través de la cámara y sus coordenadas en la matriz de imagen en forma de coordenadas bidimensionales de imagen X_{b} e Y_{b}. La evaluación de estas características en la imagen de cámara puede realizarse de forma automática o de forma interactiva gráfica mediante un sistema de evaluación de imágenes instalado en el ordenador. Lo esencial es que las características registradas y evaluadas en la imagen de la cámara se conozcan en el sistema de coordenadas de referencia.

Según la invención, las características pueden ser parte del objeto, cuya situación se ha de medir. De esta manera, al montar la cámara se consigue una calibración libre de cuerpos de calibración, ya que no hace falta usar un cuerpo de calibración de geometría conocida. Un cuerpo de calibración es un cuerpo elaborado explícitamente para el fin de la calibración de la cámara y del sistema, el cual ha de incorporarse en el ámbito visual de una cámara. Para lograr la precisión de medición necesaria en la determinación de todos los parámetros de la cámara mediante el cuerpo de calibración, el cuerpo de calibración tiene que estar elaborado con una precisión que supere al menos en un factor 10 la precisión de medición a la que se aspira. Esto no es necesario en el presente caso de la calibración en tres etapas del sistema, ya que únicamente ha de determinarse la orientación de la cámara en el espacio mediante características (de medición) registradas en la imagen. Se ha mostrado que para ello se puede recurrir a características del objeto mismo que se ha de tratar. Preferentemente, se trata de elementos distintivos de la forma del objeto, por ejemplo agujeros, cantos o similares, que de todas formas ha de manejarse y medirse en el puesto de trabajo.

La posición de las características reproducidas en la cámara puede determinarse por medición mediante un medio de medición externo o a partir del conocimiento de la posición de las características en coordenadas del objeto y la medición subsiguiente de la situación del objeto en el sistema de coordenadas de referencia con medios externos. La posición de las características en coordenadas del objeto puede determinarse, por ejemplo, a partir de datos de construcción (CAD) conocidos, una medición previa de las posiciones de características mediante la medición del objeto, por ejemplo, en una casa de medición o similar. En lugar de la medición de la situación del objeto en el sistema de coordenadas de referencia, como sistema de referencia se puede recurrir también a una suposición o definición de la situación actual del objeto durante la puesta en servicio del sistema. Eventualmente, también es posible aplicar en el objeto a manejar artificialmente características de medición separados, por ejemplo pegando, por adhesión magnética o similar. En este caso, las posiciones de las coordenadas del objeto no se conocen y se determinan con medios de medición externos.

Eventualmente, puede resultar ventajoso que un robot instalado en el sistema se dirija a dos posiciones en la imagen de cámara y que una característica en el robot se mida a través del sistema de procesamiento de imágenes o se localice especialmente por interacción gráfica. Dado que, generalmente, el robot trabaja con calibración métrica, se conocen las coordenadas de las posiciones de las dos características del robot en el sistema de coordenadas de referencia y se pueden utilizar para el tercer paso de procedimiento. Este procedimiento es ventajoso especialmente para la recalibración de cámaras, por ejemplo, en caso de un fallo o un recambio de la una cámara, ya que la recalibración puede realizarse de forma totalmente automática. En este caso, los pasos de procedimiento uno y dos ya no tienen que realizarse, porque los parámetros determinados pueden considerarse constantes. El tercer paso de procedimiento puede ser realizado por un robot de forma totalmente automática, dado el caso, incluso por orden automática, por lo que también la recalibración resulta especialmente sencilla.

Con el sistema según la invención se describe un procedimiento para la calibración de un sistema de medición basado en cámaras y destinado a determinar posiciones de objetos en los seis grados de libertad (posiciones X, Y, Z y orientaciones R_{x}, R_{y}, y R_{z}), que además de alcanzar una alta exactitud puede realizarse con medios auxiliares habituales y estructurarse de forma sencilla.

Más características, ventajas y posibilidades de aplicación de la invención resultan también de la siguiente descripción de ejemplos de realización y del dibujo.

Muestran:

La figura 1 esquemáticamente la estructura de medición para el procedimiento según la invención para la calibración de un sistema de medición basado en al menos una cámara;

la figura 2 una cámara del sistema de medición y

la figura 3 esquemáticamente, una disposición para la estimación de errores.

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En la figura 1 está representado esquemáticamente un sistema de medición 1 para determinar la situación de un objeto 2 realizado como carrocería, en un sistema de coordenadas tridimensional de referencia, que constituye el sistema mundial de coordenadas. Para ello, el objeto 2 se registra con una cámara óptica 4 calibrada y se determina la situación del objeto 2 con la ayuda de características determinadas del objeto.

Antes de poder determinar con el sistema de medición 1 la posición y la orientación del objeto 2 en el sistema de coordenadas 3, al poner en servicio el sistema de medición 1 ha de calibrarse la cámara 4.

Calibración significa establecer una relación de cálculo entre las coordenadas de imagen X_{b}, Y_{b} de un sistema de coordenadas de imagen 5, la cámara 4 y un sistema métrico de coordenadas de referencia o mundial 3 que describe en general el espacio tridimensional con las coordenadas X, Y y Z. El procedimiento para establecer esta relación es la modelación de la relación física entre los dos sistemas de coordenadas 3, 5. Para ello, se modelan y se registran los parámetros de todos los hechos físicos que determinan la reproducción de un punto discrecional en el espacio al sensor de imágenes de una cámara digital 4 especial.

En este contexto se distingue entre los parámetros internos y los parámetros externos de la cámara. Los parámetros externos de la cámara son la posición 6 y la orientación 7 de la cámara 4 en el sistema de coordenadas de referencia 3 que pueden registrarse como vector hexadimensional (X_{k}, Y_{k}, Z_{k}, Rx_{k}, Ry_{k}, Rz_{k}) Los parámetros internos de la cámara son, por ejemplo, el ancho de imagen f, los coeficientes de registro kappa K_{1} y K_{2}, las extensiones de los elementos del sensor de imágenes d_{x} y d_{y}, las inclinaciones \Delta_{x} y \Delta_{y} del plano de sensor de imágenes con respecto al eje óptico y el punto de paso S_{x} y S_{y} del eje óptico por el sensor de imágenes. Para la calibración de la cámara 4 empleada en el sistema de medición 1 se calibran los parámetros externos e internos en distintos pasos que se describen en detalle a continuación.

En el primero de los al menos tres pasos de procedimiento se determinan los parámetros de la cámara 4 y se asignan fijamente a dicha cámara 4.

Para ello, la cámara 4 y el objetivo 8 de la cámara 4, representado en la figura 2, se montan en un espacio de calibración separado, por ejemplo, durante la fabricación y la preconfección del sistema de medición 1 El objetivo 8 se ajusta especialmente en cuanto a la distancia del objetivo y el diafragma se ajusta especialmente para las condiciones durante el uso posterior del sistema de medición 1, y se toma en servicio la cámara 4. A la distancia del objeto, planificada posteriormente, se registra la imagen de un cuerpo de calibración de geometría conocida, que no está representado en detalle en la invención, y se evalúa de la manera conocida. De esta manera, se determinan los parámetros internos de la cámara 4 empleada para el sistema de medición 1, con el objetivo 8 correspondiente. Durante esta calibración de los parámetros internos de la cámara, realizada en el lugar de montaje posterior del sistema de medición, que también se denomina calibración "offsite", se determinan los parámetros internos de una cámara 4 determinada con un objetivo 8 determinado en situaciones de grabación predefinidas. Los parámetros internos de la cámara, que pueden determinarse en laboratorio antes del montaje del sistema de medición 1, son válidos para cualquier cámara 4 del mismo tipo, así como para otras cámaras y objetivos de construcción suficientemente idéntica al sistema de cámara calibrado, compuesto por la cámara 4 y el objetivo 8.

Este procedimiento tiene la ventaja de que la calibración de los parámetros internos de la cámara no tiene que realizarse durante el montaje del sistema de medición 1 en el lugar de uso posterior, para el que generalmente se dispone de poco tiempo, y de que bajo condiciones de laboratorio, generalmente, resulta más fácil determinar los parámetros internos de la cámara con una exactitud suficiente. Sin embargo, la invención no se limita a la posibilidad de realizar el primer paso de procedimiento de la manera descrita anteriormente. De forma equivalente, el primer paso de procedimiento puede realizarse también después de un montaje fijo de la cámara 4 con objetivo 8, que se ha de instalar en el lugar de uso, es decir, mediante una llamada calibración "onsite". Para ello, un cuerpo de calibración se posiciona cerca del lugar de uso y se realiza la calibración interna de la cámara. No es necesario conocer la posición del cuerpo de calibración en el sistema de coordenadas de referencia. Por lo tanto, no se requiere ningún medio de medición externo para ello. El cuerpo de calibración simplemente tiene que ser registrado y reproducido por la cámara 4. Una vez determinados los parámetros de cámara internos de la combinación compuesta por la cámara 4 y el objetivo 8, que generalmente se desarrolla de la misma manera que en la variante antes descrita del procedimiento, se quita el cuerpo de calibración. Esta calibración de los parámetros internos de la cámara requiere más tiempo para montar el sistema de medición 1, pero en lo que se refiere a la calidad, en principio, conduce al mismo resultado. En esta variante también es posible intercambiar los pasos de procedimiento primero y segundo.

Una vez montada la cámara 4 del sistema de medición 1 en el lugar de montaje definitivo, en un segundo paso de procedimiento se determina la posición 6 de la cámara 4, es decir, se determinan las coordenadas X_{k}, Y_{k}, Z_{k} de la cámara en el sistema de coordenadas de referencia 3. Para ello, es posible mantener la orientación de la unidad montada formada por la cámara 4 y el objetivo 8, especialmente después de orientarla y ajustarla a la zona de imagen deseada para grabar el objeto 2 y disponer en la carcasa una marca de medición 9 o usar como marca de medición 9 una característica distintiva, preferentemente en forma de punto, de la carcasa de cámara. Mediante la medición externa, por ejemplo mediante un seguidor láser o un teodolito, se determina exactamente la posición de esta marca de medición 9 en el sistema de coordenadas de referencia 3. Gracias al conocimiento de la geometría de la carcasa de la cámara 4 y la disposición del sensor de imagen de forma correspondiente, se pueden sacar conclusiones con respecto a la posición relevante de la cámara X_{k}, Y_{k}, Z_{k}. Esta medición de la posición 6 de la cámara tiene la ventaja de poder realizarse estando completamente montada la cámara.

Según una variante del segundo paso de procedimiento también es posible quitar el objetivo 8 de la cámara 4 montada fijamente e incorporar una marca de medición 9 en el portaobjetivo normalizado y de alta precisión de la cámara 4. También en este caso, la posición de dicha marca de medición 9 se determina mediante una medición externa, pudiendo sacarse conclusiones sobre la posición de la cámara por la relación conocida y constante entre la marca de medición 9 y el sensor de imagen en la cámara 4 o de otras características de referencia de la cámara.

Después de la determinación externa de la posición 6 de la cámara 4 en el espacio, se tiene que determinar la orientación 7 de la cámara, es decir, la orientación del objetivo 8. Para ello, en un tercer paso de procedimiento se evalúan imágenes de la cámara para determinar la orientación 7 de la cámara 4 en el sistema de coordenadas tridimensional de referencia 3.

El cálculo de la orientación 7 de la cámara 4 en el espacio o, en general, de los parámetros externos de la cámara se basa en la solución de ecuaciones de la representación proyectiva. Este enfoque se llama modelo de cámara con diafragma perforado. La base del modelo de cámara con diafragma perforado es la condición límite válida para todos los puntos del espacio, consistente en que la línea visual de cada punto del espacio (X, Y, Z) debe pasar por el centro de proyección formado por el agujero de la cámara con diafragma perforado. El punto de incidencia de la línea visual en el sensor de imagen determina entonces las coordenadas de imagen X_{b} e Y_{b}. Entonces, para cada punto del espacio pueden establecerse dos ecuaciones que corresponden al teorema de rayos:

(1)\frac{X_{b}}{f} = \frac{X_{k}}{Z_{k}}

y

(2)\frac{Y_{b}}{f} = \frac{Y_{k}}{Z_{k}}

siendo f el ancho de imagen y X_{k}, Y_{k} y Z_{k} las coordenadas del punto de espacio en el sistema de coordenadas de la cámara.

Para las coordenadas del punto de espacio en el sistema de coordenadas de referencia de la cámara es válido

(3),X_{k} = T_{k} * X

siendo X_{k} las coordenadas del punto de espacio en el sistema de coordenadas de referencia de la cámara en representación vectorial, y siendo X las coordenadas del punto de espacio en el sistema de referencia mundial en representación vectorial y siendo T_{k} una matriz de transformación del tamaño 4x4 (representaciones en coordenadas homogéneas) del sistema de referencia de la cámara con respecto al sistema de referencia mundial.

La matriz de transformación se calcula de forma unívoca a partir de los seis parámetros X_{k}, Y_{k}, Z_{k}, Rx_{k}, Ry_{k}, Rz_{k} de los parámetros externos de la cámara. Para el procedimiento contemplado se conocen los parámetros traslacionales de la posición de la cámara X_{k}, Y_{k}, Z_{k}. Por lo tanto, midiendo sólo un punto de espacio no es posible determinar las tres desconocidas Rx_{k}, Ry_{k}, Rz_{k} a partir de las dos ecuaciones. Por lo tanto, se requieren al menos dos puntos de espacio para calcular, a partir de las cuatro ecuaciones resultantes (1) y (2), las tres orientaciones Rx_{k}, Ry_{k}, Rz_{k}.

Para ello, un objeto de medición 2, por ejemplo en forma de una carrocería tal como está representado en la figura 1, se posiciona en el lugar de medición, y para determinar la orientación 7 de la cámara se usan dos o más características de medición 10 visibles en la imagen de la cámara. La posición de las características de medición 10 se conoce en el sistema de coordenadas de referencia 3. Para ello son posibles las siguientes alternativas.

La posición de las características de medición 10 puede determinarse en un sistema de coordenadas de objeto 11 con las coordenadas X_{o}, Y_{o}, Z_{o} (en representación vectorial X_{o}). Para determinar las características de medición 10 en el sistema de coordenadas de referencia 3, en este caso ya sólo tiene que determinarse la posición del objeto 2 en el sistema de coordenadas de referencia 3, por ejemplo, mediante una medición externa. Los datos de posición de las características de medición 10 en el sistema de coordenadas de referencia 3 se calculan entonces a partir de la relación

(4),X = T_{o} * X_{o}

siendo T_{o} una matriz de transformación del tamaño 4x4 del sistema de coordenadas de referencia 3 con respecto al sistema de coordenadas del objeto 11.

En lugar de determinar los datos de posición de las características de medición 10 en el sistema de coordenadas del objeto 11 a partir de los datos de construcción, éstos pueden determinarse también mediante una medición del objeto 2, por ejemplo, en una casa de medición. Dado que, en muchos casos, estas posiciones de las características de medición 10 del objeto 2 en un sistema de coordenadas de objeto 11 se conocen de todas formas, frecuentemente resulta más sencillo que, en lugar de una medición indirecta de todas las características de medición 10 con medios de medición externos directamente en el sistema de coordenadas de referencia 3, se realice sólo una vez la medición de la posición del objeto 2 en el sistema de coordenadas de referencia 3, calculando a partir de ello la posición de las características de medición 10.

En lugar de usar, para determinar la orientación 7 de la cámara 4, características de medición 10 de un objeto 2 que de todas formas se usa en el transcurso del procedimiento, también pueden aplicarse en cualquier objeto de medición marcas de medición especiales, cuyo posicionamiento puede realizarse, o bien, mediante una medición externa directamente en el lugar de aplicación, o bien, mediante una medición previa en un sistema de coordenadas 11 del objeto y la medición de la posición del objeto 2 en el lugar de aplicación. Alternativamente, también puede emplearse en el lugar de aplicación un cuerpo de calibración separado, cuya posición se determina en el sistema de coordenadas de referencia 3 y a partir del cual pueden deducirse las características de medición 10 en el sistema de coordenadas de referencia 3. Esto puede realizarse, o bien, por una geometría conocida del cuerpo de calibración, o bien, mediante la medición directa de la posición de las características de medición.

Mediante la calibración en tres etapas de la cámara 4 empleada en el sistema de medición 1, cuyos pasos de calibración no tienen que sucederse obligatoriamente de forma inmediata, los parámetros internos y externos de la cámara pueden determinarse con relativamente poco trabajo y la preparación del sistema de medición 1 puede realizarse en un tiempo optimizado. Esto se refiere especialmente a la variante de procedimiento, en la que los parámetros internos para el sistema constituido por la cámara 4 y el objetivo 8 se asignan en el primer paso de procedimiento antes del montaje y se asignan fijamente a la cámara 4 y en el que el tercer paso de procedimiento se realiza con la ayuda de características de medición existentes en el objeto 2, ya que al tomar en servicio una instalación, de todas formas es necesario comprobar el desarrollo del procedimiento y medir exactamente el objeto 4. Entonces, con la ayuda de estos datos puede realizarse la calibración completa de la cámara, sin que la calibración se retrase por pasos de procedimiento propios.

Esta calibración, en particular, los pasos de procedimiento dos y tres, puede realizarse también durante el servicio en curso sin interrumpir una producción para una recalibración del sistema de medición 1.

Lista de signos de referencia

1

Sistema de medición

2

Objeto, carroza

3

Sistema de coordenadas de referencia o mundial

4

Cámara

5

Sistema de coordenadas de imagen

6

Posición de la cámara

7

Orientación de la cámara

8

Objetivo

9

Características

10

Característica (de medición)

11

Sistema de coordenadas del objeto

Claims (10)

1. Procedimiento para calibrar un sistema de medición (1) basado en al menos una cámara (4) y destinado a determinar la situación de un objeto (2) en un sistema de coordenadas (3) tridimensional de referencia, en el que los parámetros externos e internos de la cámara se calibran en diferentes pasos, y en el que, en un primer paso de procedimiento, se determinan los parámetros internos de una cámara (4) determinada y se asignan fijamente a dicha cámara (4), caracterizado porque en un segundo paso de procedimiento se determina con un medio de medición externo la posición (6) de la cámara (4) montada en el sistema de medición, y en un tercer paso de procedimiento se determina la orientación (7) de la cámara (4) en el sistema de coordenadas de referencia tridimensional (3), mediante la evaluación de imágenes de la cámara.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el primer paso de procedimiento se realiza antes del montaje de la cámara (4) en el sistema de medición (1).

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la posición (6) de la cámara (4) se determina mediante la medición de un punto señalizado de la cámara, que se encuentra en una relación conocida con la cámara (4).

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque para medir la posición (6) de la cámara (4) se puede fijar una marca de medición (9) a la cámara (4).

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque para determinar la orientación (7) de la cámara (4) en el espacio, en una imagen de cámara se pueden registrar dos o más características (10), cuyas posiciones en el sistema de coordenadas de referencia (3) son conocidas.

6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado porque las características (10) son una parte del objeto (2), cuya posición ha de medirse.

7. Procedimiento según la reivindicación 5 ó 6, caracterizado porque la posición de las características (10) se mide con medios de medición externos.

8. Procedimiento según la reivindicación 5 ó 6, caracterizado porque la posición de las características (10) en un sistema de coordenadas (11) del objeto se conocen o se determinan, y se determina la posición del objeto (2) en el sistema de coordenadas de referencia (3).

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 5 a 8, caracterizado porque las características (10) son elementos distintivos de la forma del objeto (2).

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 5 a 9, caracterizado porque las características (10) se establecen mediante una característica que está especificada en un aparato de manejo o un robot y que se puede desplazar de forma calibrada a la imagen de la cámara siendo medida en al menos dos posiciones.