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Entwicklung und Evaluierung von Kalibrierverfahren für Infrarotkameras

 
: Schwarzkopf, Klaus
: Santos, Pedro

Darmstadt, 2007, 66 S.
Darmstadt, Hochschule, Bachelor Thesis, 2007
Deutsch
Bachelor Thesis
Fraunhofer IGD ()
camera calibration; position tracking

Abstract
Die vorliegende Bachelorarbeit befasst sich mit verschiedenen optischen Kalibrierverfahren für Infrarotkameras. Solche Kameras werden häufig für optische, markerbasierte Trackingsysteme verwendet - vor allen Dingen für AR/VR Anwendungen - um die 3D Position von Benutzern oder Interaktionsgeräten zu ermitteln. Je besser die verwendeten Infrarotkameras kalibriert werden können, desto besser sind die Ergebnisse der Positionsbestimmung. Da aktuelle Systeme sehr teuer sind und nur von grossen Firmen beispielsweise der Automobilindustrie eingsetzt werden, wurden im Rahmen eines Industrieprojektes am Fraunhofer-IGD sogenannte "Low Cost" Infrarotkameras gebaut, um zusammen mit geeigneter stereo-tracking Software eine günstigere Alternative zu schaffen bei angemessener Genauigkeit.
Für eine Kamerakalibrierung müssen die intrinsischen Parameter der Kamera ermittelt werden. Zu diesen Parametern gehören die Brennweite f, der Mittelpunkt (Cx,Cy) der optischen Achse, welcher zugleich auch Mittelpunkt der radialen (k1, k2) und tangentialen (p1, p2) Linsenverzerrung ist, der Parameter , gibt die Schiefe der CCD-Bildachsen an und der Skalierungsfaktor sx.
Geprüft wurde, welcher Algorithmus reproduzierbare und plausible intrinsische Parameter liefert. Dazu wurden die Methoden nach Roger Tsai und nach Zhengyou Zhang implementiert und erstmalig miteinander verglichen. Die zur Kalibrierung benötigten Bilder, bzw. Punkte wurden mit einer Holzvorrichtung und an einer Drehbank aufgenommen. Sie drehten und neigten das zuvor erstellte Schachbrettmuster in vorher definierte Richtungen. Bei der Auswertung der so aufgenommenen Bilder stellte sich heraus, dass beide Algorithmen bessere Ergebnisse liefern, wenn das Kalibrierungsmuster um 75°bis 45°geneigt ist.
Dazu wurde ein Verfahren entwickelt, das die Neigung ermittelt und die für die Kalibrierung ungeeigneten Bilder herausfiltert. Durch Messungen wurde herausgefunden, dass die nichtkoplanare Methode nach Tsai das Bild mit einer Abweichung von 0.07350 px besser entzerrte, als die koplanare Version mit 0.22475 px und die Methode nach Zhang mit 0.15800 px. Die wahre effektive Fokuslänge konnte nicht ermittelt werden, da sie nicht der Brennweite des Optikherstellers entspricht. Die kleinste Standardabweichung der Fokuslänge konnte durch den nicht koplanaren Algorithmus nach Tsai kalibriert werden. Da diese Kalibrierungsmethode zu aufwendig ist und die koplanare Version zu instabile Werte lieferte, wurde zu Gunsten der Zhang Methode entschieden.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-63644.html