Kamerakalibrierung¶
Um die Stereokamera als Messinstrument zu verwenden, müssen die Kameraparameter, wie die Brennweite, die Objektivverzeichnung und die Lage der Kameras zueinander, genau bekannt sein. Diese Parameter werden durch Kalibrierung bestimmt und für die Rektifizierung der Bilder, die Grundlage für alle anderen Bildverarbeitungsmodule ist, verwendet (siehe Planare Rektifizierung). Der rc_visard ist bereits ab Werk kalibriert. Nichtsdestotrotz kann es vorkommen, dass die Kalibrierung überprüft und neu durchgeführt werden muss, wenn der rc_visard einer starken mechanischen Beanspruchung ausgesetzt war. Mit diesem Modul lassen sich die Kalibrierungsüberprüfung und Neukalibrierung vornehmen.
Selbstkalibrierung¶
Im Kamerakalibrierungsmodul läuft im Hintergrund automatisch der Selbstkalibriermodus mit niedriger Frequenz. In diesem Modus überwacht der rc_visard die Ausrichtung der Bildzeilen beider rektifizierten Bilder. Wirken mechanische Kräfte auf den rc_visard ein, wird er beispielsweise fallen gelassen, kann dies zu einer Fehlausrichtung führen. Kommt es zu einem erheblichen Ausrichtungsfehler, wird dieser automatisch korrigiert. Nach einem Neustart und einer Korrektur wird der aktuelle Kalibrierungsversatz in der Logdatei des Kameramoduls erfasst (siehe Download der Logdateien):
„rc_stereocalib: Current self-calibration offset is 0.00, update counter is 0“
Der Aktualisierungszähler (update counter) wird nach jeder automatischen Korrektur um eins erhöht. Nach einer manuellen Neukalibrierung des rc_visard wird der Zähler auf 0 zurückgesetzt.
Unter normalen Umständen, wenn der rc_visard keiner mechanischen Belastung ausgesetzt ist, dürfte die Selbstkalibrierung des rc_visard nicht auftreten. Die Selbstkalibrierung erlaubt dem rc_visard, auch nach Erkennung einer falschen Ausrichtung normal zu arbeiten, da diese automatisch korrigiert wird. Dessen ungeachtet wird empfohlen, die Kamera manuell neu zu kalibrieren, wenn der Aktualisierungszähler nicht auf 0 steht.
Kalibriervorgang¶
Die manuelle Kalibrierung kann über die Registerkarte Kamera-Kalibrierung der Web GUI vorgenommen werden. Diese Registerkarte bietet einen Assistenten, der den Benutzer durch den Kalibriervorgang führt.
Hinweis
Da der rc_visard bereits ab Werk kalibriert ist, ist in aller Regel keine Neukalibrierung der Kameras nötig. Eine Neukalibrierung ist nur erforderlich, wenn das Gerät einer starken mechanischen Belastung ausgesetzt war, wenn es beispielsweise fallen gelassen wurde.
Schritt 1: Einstellung der Kalibrierparameter¶
Die Qualität der Kamerakalibrierung hängt stark von der Qualität des Kalibriermusters ab. Kalibriermuster für den rc_visard können von Roboception bezogen werden.
Abb. 26 Kalibriereinstellungen
Um die Kalibrierung der Kamera überprüfen bzw. neu durchführen zu können, muss in der Web GUI das Modul Kamera-Kalibrierung ausgewählt werden. Dafür sind im ersten Schritt, wie im Screenshot oben gezeigt, die Breite und Höhe des Kalibriermusters anzugeben. Mit Klick auf Weiter gelangt der Benutzer zum nächsten Schritt.
Schritt 2: Kalibrierung überprüfen¶
Im zweiten Schritt kann die aktuelle Kalibrierung überprüft werden. Um diese Prüfung vorzunehmen, muss das Muster so gehalten werden, dass es sich gleichzeitig im Sichtfeld beider Kameras befindet. Alle schwarzen Quadrate des Musters müssen komplett sichtbar und dürfen nicht verdeckt sein. Jedes korrekt erkannte Quadrat wird mit einem grünen Haken belegt. Das Muster kann nur dann korrekt erkannt werden, wenn alle schwarzen Quadrate erkannt werden. Nachdem das Muster vollständig erkannt wurde, wird der Kalibrierfehler automatisch berechnet und das Ergebnis auf dem Bildschirm angegeben.
Abb. 27 Überprüfung der Kalibrierung
Werden einige der Quadrate nicht oder nur für kurze Zeit erkannt, so kann dies an einem unpräzisen oder beschädigten Kalibriermuster oder an schlechten Lichtverhältnissen liegen.
Hinweis
Um einen aussagekräftigen Kalibrierfehler berechnen zu können, muss das Muster so nah wie möglich an die Kameras gehalten werden. Bedeckt das Muster lediglich einen kleinen Bereich der Kamerabilder, ist der Kalibrierfehler grundsätzlich geringer als wenn das Muster das gesamte Bild ausfüllt.
Der typische Kalibrierfehler beläuft sich auf etwa 0,3 Pixel. Liegt der Fehler unter einem Wert von 0,4 bis 0,5 Pixel, kann der Kalibriervorgang übersprungen werden. Ist der errechnete Kalibrierfehler jedoch größer, sollte eine Neukalibrierung vorgenommen werden, um sicherzustellen, dass der Sensor volle Leistung erbringt. Mit Klick auf Weiter gelangt der Benutzer zum nächsten Schritt.
Achtung
Große Kalibrierfehler können durch falsch kalibrierte Kameras, ein unpräzises Kalibriermuster oder eine falsch eingetragene Musterbreite oder Musterhöhe verursacht werden. Der Benutzer muss sich daher vergewissern, dass das Muster präzise und die erfassten Breiten- und Höhendaten korrekt sind. Anderenfalls kann die manuelle Kalibrierung sogar dazu führen, dass die Kameras dekalibriert werden!
Schritt 3: Durchführung der Kalibrierung¶
Bevor die Kalibrierung vorgenommen wird, sollte die Belichtungszeit der Kamera richtig eingestellt werden. Um ein gutes Kalibrierergebnis zu erzielen, sollten die Bilder gut belichtet und Bildrauschen vermieden werden. Die maximale Belichtungszeit im automatischen Modus sollte groß genug sein, um einen sehr kleinen Verstärkungsfaktor zu erzielen, idealerweise um 0,0 dB. Die Verstärkung wird, wie in Abb. 28 gezeigt, unter den Kamerabildern angegeben.
Abb. 28 Start des Kalibriervorgangs
Zur Kalibrierung muss das Kalibriermuster in verschiedenen Ausrichtungen vor die Kamera gehalten werden. Die Pfeile, die von den Ecken des Musters bis zu den grünen Bildschirmbereichen führen, geben an, dass alle Musterecken innerhalb der grünen Rechtecke platziert werden müssen. Diese grünen Rechtecke sind sensible Bereiche. Mit dem Schieberegler Größe der sensiblen Bereiche lässt sich, wie im Screenshot in Abb. 28 gezeigt, die Größe der Rechtecke einstellen, um die Kalibrierung zu vereinfachen. Es ist jedoch zu bedenken, dass die Größe nicht zu stark erhöht werden darf, da dies auf Kosten der Kalibriergenauigkeit gehen kann.
Häufig wird der Fehler begangen, das Muster bei der Kalibrierung falsch herum zu halten. Dieser Fehler lässt sich leicht erkennen, da sich die von den Musterecken zu den grünen Rechtecken verlaufenden Linien in diesen Fall kreuzen (siehe Abb. 29).
Abb. 29 Wird das Kalibriermuster falsch herum gehalten, kreuzen sich die grünen Linien.
Hinweis
Die Kalibrierung mag umständlich erscheinen, da das Muster hierfür in bestimmten vordefinierten Stellungen gehalten werden muss. Dieses Vorgehen ist jedoch notwendig um ein qualitativ hochwertiges Kalibrierergebnis zu erreichen.
Monokalibrierung¶
Um den rc_visard vollständig zu kalibrieren, müssen zunächst beide Kameras einzeln intrinsisch kalibriert werden. Anschließend wird durch die Stereokalibrierung die Ausrichtung der beiden Kameras zueinander bestimmt. In den meisten Fällen wird die intrinsische Kalibrierung der beiden Kameras nicht beeinträchtigt. Daher sollte die Option Monokalibrierung überspringen auf der Registerkarte Kalibrieren ausgewählt werden, um die Monokalibrierung bei der ersten Neukalibrierung zu überspringen. Anschließend sind die in Stereokalibrierung angegebenen Schritte zu befolgen. Führt die Stereokalibrierung nicht zu einem akzeptablen Kalibrierfehler, sollte die Kalibrierung erneut vorgenommen werden, jedoch ohne die Monokalibrierung zu überspringen.
Für den Prozess der Monokalibrierung ist das Kalibriermuster für beide Kameras in den in Abb. 30 angegebenen Stellungen zu halten.
Abb. 30 Musterposen für die Monokalibrierung
Nachdem die Ecken oder Seiten des Kalibriermusters auf die sensiblen Bereiche ausgerichtet wurden, zeigt der Kalibriervorgang automatisch die nächste Stellung an. Sobald der Prozess für die linke Kamera abgeschlossen ist, ist er ebenso für die rechte Kamera zu wiederholen.
Stereokalibrierung¶
Nachdem die Monokalibrierung abgeschlossen ist bzw. wenn sie übersprungen wurde, beginnt der Prozess der Stereokalibrierung. Bei der Stereokalibrierung wird die relative Rotation und Translation der Kameras zueinander ermittelt.
Zunächst sollte das Muster in einem Abstand von weniger als 40 cm vor den Sensor gehalten werden. Es muss auf beiden Bildern vollständig sichtbar sein und die Blickrichtung der Kameras sollte senkrecht zum Muster stehen. Ist im Bild eine grüne Umrandung zu sehen, so bedeutet dies, dass die Bilder für die Kalibrierung akzeptiert wurden.
Abb. 31 Erster Schritt der Stereokalibrierung: Positionierung des Kalibriermusters in einem Abstand von weniger als 40 cm vor dem Sensor
Danach sollte das Muster wenigstens 1 m von den Kameras entfernt gehalten werden. Das kleine Kreuz in der Mitte der Bilder sollte sich innerhalb des Musters befinden und die Blickrichtung der Kameras sollte senkrecht zum Muster stehen. Ist im Bild eine grüne Umrandung zu sehen, so bedeutet dies, dass die Bilder für die Kalibrierung akzeptiert wurden.
Abb. 32 Zweiter Schritt der Stereokalibrierung: Positionierung des Musters in einem Abstand von mehr als 1 m zum Sensor
Hinweis
Falls alle Häkchen auf dem Kalibriermuster verschwinden, liegt dies daran, dass die Kamerablickrichtung nicht senkrecht zum Muster steht, das grüne Kreuz sich nicht innerhalb des Musters befindet oder das Muster zu weit von der Kamera entfernt ist.
Schritt 4: Kalibrierergebnis speichern¶
Mit Klick auf die Schaltfläche Kalibrierung berechnen wird der Kalibriervorgang beendet und das Endergebnis angezeigt. Der eingeblendete Wert ist der mittlere Reprojektionsfehler aller Kalibrierpunkte. Er ist in Pixeln angegeben und beläuft sich typischerweise auf einen Wert von etwa 0,3.
Hinweis
Das eingeblendete Ergebnis ist der nach der Kalibrierung bestehende Mindestfehler. Der reale Fehler liegt auf keinen Fall darunter, könnte theoretisch jedoch höher sein. Dies gilt für jeden Algorithmus zur Kamerakalibrierung und ist der Grund dafür, warum das Kalibriermuster in verschiedenen Positionen vor den Sensor zu halten ist. So ist sichergestellt, dass der reale Kalibrierfehler den errechneten Fehler nicht signifikant überschreitet.
Mit Klick auf Kalibrierung speichern wird das Kalibrierergebnis übernommen und auf dem Sensor gespeichert.
Achtung
War vor der Durchführung der Kamerakalibrierung eine Hand-Auge-Kalibrierung auf dem rc_visard gespeichert, so sind die Werte der Hand-Auge-Kalibrierung möglicherweise ungültig geworden. Daher ist das Hand-Auge-Kalibrierverfahren zu wiederholen.
Parameter¶
Dieses Modul wird in der REST-API als rc_stereocalib bezeichnet.
Hinweis
Die verfügbaren Parameter und die Statuswerte des Moduls zur Kamerakalibrierung sind nur für den internen Gebrauch bestimmt und können ohne vorherige Ankündigung Änderungen unterzogen werden. Die Kalibrierung sollte gemäß den vorstehenden Anweisungen und ausschließlich in der Web GUI vorgenommen werden.
Services¶
Hinweis
Die verfügbaren Services des Moduls zur Kamerakalibrierung sind lediglich für den internen Gebrauch bestimmt und können ohne vorherige Ankündigung Änderungen unterzogen werden. Die Kalibrierung sollte gemäß den vorstehenden Anweisungen und ausschließlich in der Web GUI vorgenommen werden.