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Design, construction and programming of an automated positioning platform for the calibration of imaging systems

 
: Weber, Manuel
: Monroy Rodriguez, Rafael

Darmstadt, 2016, 106 S.
Darmstadt, TU, Bachelor Thesis, 2016
Englisch
Bachelor Thesis
Fraunhofer IGD ()
robotics; calibration; automation; systems engineering; kinematics; Research Area: Computer vision (CV)

Abstract
For the intrinsic and color calibration of large-scale photogrammetric 3D scanners no fully-automated process is yet available. This work intends to lay the foundations to address this issue.
During the course of this work the development of a new positioning system from scratch is performed. The development is based on a set of specifications which are assessed first. This assessment is following a standardized process model used in product development. The final goal being the positioning of several calibration patterns differing in type and use. The patterns used are precisely printed and produced in high quality. By acquiring several images of these patterns, it is possible to calibrate the cameras used in photogrammetric 3D scanners. Shortcomings regarding the time-consumption and inaccurate results of the manual calibration process motivated the development of a partly automated process.
It is the aim of this work to create a positioning system, controllable by a graphical user interface (GUI). The GUI needs to be programmed as part of this project and allows the user to directly control the platform with direct transformation, often referred to as forward kinematics. This enables the possibility of placing the end effector along the optical axes of the image sensors that have to be calibrated. The considered test-cases involve the execution of pre-defined joint configurations and trajectories. At the same time basic safety mechanisms for the detection and prevention of deviations and collisions are implemented.
A primary focus is on the movement of the end effector which is also constructed as part of this work and is independent of the positioning of the end point. Turning, tilting and translating relative to the optical axis of the respective imaging system is achieved. This is done with the help of a delta kinematic. The constraints in manufacturing are taken into account during the iterative refining process of the connecting and bearing parts. Among others the emerging generative manufacturing process Fused Deposition Modeling is applied as a rapid prototyping process.

 

Für die intrinsische Kalibrierung und Farbkalibrierung photogrammetrischer 3D-Scanner mit großem Umfang an Bildsensoren existieren bisher keine zugänglichen vollautomatisierten Kalibrierungsprozesse. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein erster Entwurf vorgestellt, wie solch ein System umgesetzt werden kann.
Auf Basis zunächst festzustellender Anforderungen befasst sich diese Arbeit mit der Entwicklung eines Positionierungssystems in Anlehnung an ein standardisiertes Vorgehensmodell in der Produktentwicklung. Die hier betrachtete Anwendung dieses Systems besteht in einer hinreichend genauen Positionierbarkeit mehrerer, sich in ihrer Art und Anwendung unterscheidender, Kalibrierungsziele in Form hochpräzise bedruckter und gefertigter Platten. Mit Hilfe unterschiedlicher Kalibriermuster wird sowohl eine intrinsische Kalibrierung, als auch eine Farbkalibrierung von photogrammetrischen 3D-Scannern durchgeführt. Dieser Prozess wird hier auf Grund der zuvor sehr zeitaufwändigen und ungenauen manuellen Kalibrierung durch eine Teilautomatisierung effizienter gestaltet.
In dieser Arbeit wird ein Verfahren des Positionierungssystems durch Vorwärtstransformation hin zu mindestens zwei vordefinierten Achskonfigurationen, gegenüber den zu kalibrierenden Bildsensoren, ermöglicht. Dies geschieht mittels einer zu programmierenden grafischen Benutzeroberfläche. Dabei werden grundlegende Sicherheitsmechanismen zur (Vorab-)Erkennung von Abweichungen und Kollisionen verwendet.
Besonders hervorzuheben ist die daran anschließende und von der Positionierung des Endpunktes unabhängige Bewegung des Endeffektors. Dieser wird unter Verwendung einer Deltakinematik ebenfalls eigens konstruiert und bietet Freiheitsgrade in Drehung, Neigung und Translation bezüglich der optischen Achse des jeweiligen Bildsystems. Bei der Umsetzung entworfener und ausgelegter Bauteile innerhalb des iterativen Verfeinerungsprozesses wird unter anderem das neu aufkommende generative Fertigungsverfahren Schmelzschichtung bzw. Fused Deposition Modeling als Rapid-Prototyping-Verfahren eingesetzt.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-421291.html