Industrielle Bildverarbeitung – IBV6VO - FH-Wels
Industrielle Bildverarbeitung – IBV6VO - FH-Wels
Industrielle Bildverarbeitung – IBV6VO - FH-Wels
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<strong>Industrielle</strong> <strong>Bildverarbeitung</strong> <strong>–</strong> Tiefensehen<br />
<strong>Industrielle</strong> <strong>Bildverarbeitung</strong> <strong>–</strong><br />
<strong>IBV6VO</strong><br />
Tiefensehen<br />
K. Niel / Mai 2008 <strong>IBV6VO</strong> <strong>–</strong> VO12 1
<strong>Industrielle</strong> <strong>Bildverarbeitung</strong> <strong>–</strong> Tiefensehen<br />
Tiefensehen<br />
Stereoverfahren (= Parallaxenmethode)<br />
Begriffe<br />
Abschätzung der Auflösungsgrenzen<br />
Monokulare Hinweise<br />
Triangulation<br />
Laufzeitverfahren<br />
Literatur<br />
[1] X. Jiang, H. Bunke; Dreidimensionales Computersehen; Springer 1997;<br />
ISBN 3-540-60797-8<br />
K. Niel / Mai 2008 <strong>IBV6VO</strong> <strong>–</strong> VO12 2
<strong>Industrielle</strong> <strong>Bildverarbeitung</strong> <strong>–</strong> Tiefensehen<br />
Stereoverfahren<br />
Aus Lageunterschieden von Strukturelementen<br />
zweier Bilder derselben Szene wird die<br />
Tiefeninformation gewonnen.<br />
Pfannenofen <strong>–</strong><br />
Bestimmung des<br />
Badniveaus<br />
Flüssiger Stahl wird in<br />
Pfanne gegossen<br />
Problem: Bestimmung<br />
Höhe des Bades<br />
Entfernungswerte an<br />
drei Messstellen<br />
(C. Koll, BP 2004/05 bei<br />
voestalpine)<br />
K. Niel / Mai 2008 <strong>IBV6VO</strong> <strong>–</strong> VO12 3
<strong>Industrielle</strong> <strong>Bildverarbeitung</strong> <strong>–</strong> Tiefensehen<br />
Stereoverfahren<br />
Standardgeometrie:<br />
„Lochkamera“<br />
f … Brennweite<br />
b … Basisline<br />
- Beiden Bildebenen identisch<br />
- Beiden Optischen Achsen<br />
sind parallel<br />
- Zeilen der Stereobilder liegen<br />
parallel zur Basislinie<br />
− bf<br />
b + x −<br />
K. Niel / Mai 2008 <strong>IBV6VO</strong> <strong>–</strong> VO12 4<br />
z<br />
=<br />
l<br />
x<br />
r<br />
Abbildung aus [1]
<strong>Industrielle</strong> <strong>Bildverarbeitung</strong> <strong>–</strong> Tiefensehen<br />
Stereoverfahren<br />
Ausrichten der reellen Bildebene auf das Messobjekt -> bessere Nutzung<br />
der Sensorfläche<br />
Rektifikation von Stereobildern:<br />
Reell Neigung der Bildebenen<br />
Projektion der Bildebenen I auf<br />
die virtuelle Ebene V<br />
Abbildung aus [1]<br />
K. Niel / Mai 2008 <strong>IBV6VO</strong> <strong>–</strong> VO12 5
<strong>Industrielle</strong> <strong>Bildverarbeitung</strong> <strong>–</strong> Tiefensehen<br />
Stereoverfahren<br />
Epipolale Geometrie:<br />
Mächtige Einschränkung für mögliche Zuordnungen -> erhebliche<br />
Reduktion des Rechenaufwandes<br />
Punkt P wandert auf Sehstrahl PC l -> wird im linken Bild auf selben<br />
Bildpunkt I l abgebildet -> wandert in rechtem Bild auf Gerade E r I r<br />
Suche nach Disparität muss sich lediglich auf die Geraden ep<br />
beschränken.<br />
Abbildung aus [1]<br />
K. Niel / Mai 2008 <strong>IBV6VO</strong> <strong>–</strong> VO12 6
<strong>Industrielle</strong> <strong>Bildverarbeitung</strong> <strong>–</strong> Tiefensehen<br />
Stereoverfahren<br />
Abschätzung der Auflösungsgrenze:<br />
Die Auflösungsgrenze ist jener<br />
minimale Abstand ∆H, den ein Punkt<br />
auf dem Sehstrahl in Richtung der einen<br />
Kamera wandern muss, um im Bild der<br />
anderen Kamera eine Verschiebung<br />
um den Pixelabstand P x hervorzurufen.<br />
∆H<br />
=<br />
Px<br />
* H<br />
f * b<br />
Gültig für b
<strong>Industrielle</strong> <strong>Bildverarbeitung</strong> <strong>–</strong> Tiefensehen<br />
* H<br />
Stereoverfahren<br />
x ∆H<br />
=<br />
Zahlenbeispiele für Auflösungsgrenzen: f * b<br />
Stereoskopisches<br />
Messgerät<br />
menschliches<br />
Auge<br />
Astronomie<br />
Entfernung<br />
zum Objekt<br />
10 m<br />
10 m<br />
300 Lj<br />
Basislänge<br />
100 mm<br />
65 mm<br />
300e6 km<br />
Brennweite<br />
60 mm<br />
20 mm<br />
K. Niel / Mai 2008 <strong>IBV6VO</strong> <strong>–</strong> VO12 8<br />
20 m<br />
1 µm<br />
1 µm<br />
P<br />
Punktgröße<br />
5,6 µm<br />
2<br />
Entfernungs-<br />
Auflösung<br />
0,1 m<br />
77 mm<br />
142 Lj<br />
Astronomische Entfernungsmaße:<br />
1 AE = 149,6 x 10 6 km (Astronomische Einheit; Radius Erdumlaufbahn)<br />
1 Lj = 9,46 x 10 12 km (Lichtjahr)<br />
1 pc = 30,86 x 10 12 km (1 Parallaxen Sekunde bei Radius 1 AE).
<strong>Industrielle</strong> <strong>Bildverarbeitung</strong> <strong>–</strong> Tiefensehen<br />
Stereoverfahren<br />
Schritte zur Auswertung:<br />
1. Definition eines Strukturelements im ersten Bild<br />
2. Finden dieses Strukturelementes im anderen Bild<br />
- Template Matching (Finden eines möglichst ähnlichen Bildbereiches)<br />
- Korrelation der Bildhelligkeit in Zeilenrichtung<br />
- bei Einzelspots: Ermittlung des jeweiligen COG (center of gravity <strong>–</strong><br />
Flächenschwerpunkt) in den beiden Bildern<br />
3. Ermittlung der Disparität (Versatz des Objektes zwischen den Bildern)<br />
4. Mit den Geometriedaten (Brennweite, Basislinie, Pixelgröße,<br />
Ausrichtungswinkel) Ermittlung der tatsächlichen Entfernung des<br />
Objektes.<br />
K. Niel / Mai 2008 <strong>IBV6VO</strong> <strong>–</strong> VO12 9
<strong>Industrielle</strong> <strong>Bildverarbeitung</strong> <strong>–</strong> Tiefensehen<br />
Stereoverfahren - Parallaxenverfahren<br />
Zusammenfassung der Begriffe<br />
Lochkamera<br />
Basislinie<br />
Standardgeometrie<br />
Rektifizierung der realen Geometrie<br />
Epipolare Geometrie<br />
Disparität<br />
Auflösungsgrenze.<br />
K. Niel / Mai 2008 <strong>IBV6VO</strong> <strong>–</strong> VO12 10
<strong>Industrielle</strong> <strong>Bildverarbeitung</strong> <strong>–</strong> Tiefensehen<br />
Monokulare Hinweise <strong>–</strong> Form aus Schattierung<br />
Beziehung zwischen gemessener Bildintenistät /<br />
Oberflächenorientierung unter Berücksichtigung der Anordnung von<br />
Beleuchtung und Kamera.<br />
Rekonstruktion der Flächennormalen<br />
Rekonstruktion der Tiefe<br />
Photometrisches Stereo<br />
Abbildung aus [1]<br />
K. Niel / Mai 2008 <strong>IBV6VO</strong> <strong>–</strong> VO12 11
<strong>Industrielle</strong> <strong>Bildverarbeitung</strong> <strong>–</strong> Tiefensehen<br />
Triangulation<br />
Projektion von Lichtstrahlen <strong>–</strong> Punkt am Objekt<br />
Projektion von Lichtebenen <strong>–</strong> Linie am Objekt<br />
Codierter Lichtansatz<br />
Projektion binärer Muster<br />
Triangulation mit zwei Kameras<br />
Kalibrierung.<br />
K. Niel / Mai 2008 <strong>IBV6VO</strong> <strong>–</strong> VO12 12
<strong>Industrielle</strong> <strong>Bildverarbeitung</strong> <strong>–</strong> Tiefensehen<br />
Triangulation <strong>–</strong> Projektion von Lichtstrahlen<br />
Aufnahme des Lichtpunktes am Objekt<br />
- mittels Zeilenkamera (bis 8096 Pixel) oder<br />
- mittels PSD (position sensitive device) <strong>–</strong> Wert je ms<br />
Abbildung aus [1]<br />
Bildgenerierung durch Abtasten des Objektes in x- und y-Richtung.<br />
K. Niel / Mai 2008 <strong>IBV6VO</strong> <strong>–</strong> VO12 13
<strong>Industrielle</strong> <strong>Bildverarbeitung</strong> <strong>–</strong> Tiefensehen<br />
Triangulation <strong>–</strong> Projektion von Lichtebenen<br />
„Lichtschnittverfahren“<br />
Abbildung aus [1]<br />
Bildgenerierung durch Abtasten des Objektes jeweils die Richtung<br />
quer zur Lichtschnittebene.<br />
K. Niel / Mai 2008 <strong>IBV6VO</strong> <strong>–</strong> VO12 14
<strong>Industrielle</strong> <strong>Bildverarbeitung</strong> <strong>–</strong> Tiefensehen<br />
Triangulation <strong>–</strong> Codierter Lichtansatz<br />
Abbildung aus [1]<br />
Durch n projizierte Flächenmuster können 2 n Lichtebenen erzeugt<br />
werden<br />
Je Pixel wird der Code (Empfangscode) aus der Aufsummierung der<br />
zeitlich abfolgenden Flächenprojektionen generiert <strong>–</strong> dieser<br />
entspricht der Entferung zur Kamera.<br />
K. Niel / Mai 2008 <strong>IBV6VO</strong> <strong>–</strong> VO12 15
<strong>Industrielle</strong> <strong>Bildverarbeitung</strong> <strong>–</strong> Tiefensehen<br />
Triangulation <strong>–</strong> Projektion binärer Muster<br />
Lediglich die Projektion eines<br />
Binärbildes erlaubt <strong>–</strong> Bsp. Schachbrettmuster.<br />
Abbildung aus [1]<br />
K. Niel / Mai 2008 <strong>IBV6VO</strong> <strong>–</strong> VO12 16
<strong>Industrielle</strong> <strong>Bildverarbeitung</strong> <strong>–</strong> Tiefensehen<br />
Triangulation <strong>–</strong> mit zwei Kameras<br />
Abbildung aus [1]<br />
Verhinderung von Abdeckungen.<br />
Tiefenbilder aus<br />
linker und<br />
rechter Kamera<br />
Ergebnis nach Integration<br />
dreidimensionale Darstellung<br />
K. Niel / Mai 2008 <strong>IBV6VO</strong> <strong>–</strong> VO12 17
<strong>Industrielle</strong> <strong>Bildverarbeitung</strong> <strong>–</strong> Tiefensehen<br />
Triangulation <strong>–</strong> Kalibrierung<br />
Entweder Finden der Aufnehmergeometrie Parameter<br />
- Abtastungsintervall<br />
- Brennweite f<br />
- Lage und Orientierung der Kameras im Weltkoordinatensystem<br />
- Basislinie b<br />
- Gleichung der Lichtebenen im Weltkoordinatensystem<br />
Oder Ermittlung der Inversen Transmissionsmatrix<br />
- Aufnahme bekannter Kaliebrierkörper<br />
- Methode der kleinsten Quadrate.<br />
K. Niel / Mai 2008 <strong>IBV6VO</strong> <strong>–</strong> VO12 18
<strong>Industrielle</strong> <strong>Bildverarbeitung</strong> <strong>–</strong> Tiefensehen<br />
Laufzeitverfahren<br />
Eigenschaften der Signale<br />
Direkte Messung der Laufzeit<br />
Laufzeitmessung durch Amplitudenmodulation<br />
Laufzeitmessung durch Frequenzmodulation.<br />
K. Niel / Mai 2008 <strong>IBV6VO</strong> <strong>–</strong> VO12 19
<strong>Industrielle</strong> <strong>Bildverarbeitung</strong> <strong>–</strong> Tiefensehen<br />
Laufzeitverfahren<br />
Übersicht<br />
Abbildung aus [1]<br />
K. Niel / Mai 2008 <strong>IBV6VO</strong> <strong>–</strong> VO12 20
<strong>Industrielle</strong> <strong>Bildverarbeitung</strong> <strong>–</strong> Tiefensehen<br />
Laufzeitverfahren <strong>–</strong> Eigenschaften der Signale<br />
Bündelungsfähigkeit<br />
Ausbreitungsgeschwindigkeit<br />
Reflexionseigenschaft<br />
Ausbreitungswinkel bestimmt Auflösungsvermögen<br />
Zeitauflösevermögen der Elektronik (Messung der Laufzeit)<br />
bestimmt Tiefenauflösung<br />
- Bsp. Schall: v = 330 m/s -> 1 cm Tiefen- -> 60 µs Zeitauflösung<br />
- Bsp. Licht: v = 3 x 10 8 m/s -> 1 cm Tiefen- -> 67 ps Zeitauflösung.<br />
K. Niel / Mai 2008 <strong>IBV6VO</strong> <strong>–</strong> VO12 21
<strong>Industrielle</strong> <strong>Bildverarbeitung</strong> <strong>–</strong> Tiefensehen<br />
Laufzeitverfahren <strong>–</strong> direkte Messung der Laufzeit<br />
Radar<br />
Ultraschallsensor<br />
Lasersensor.<br />
K. Niel / Mai 2008 <strong>IBV6VO</strong> <strong>–</strong> VO12 22
<strong>Industrielle</strong> <strong>Bildverarbeitung</strong> <strong>–</strong> Tiefensehen<br />
Laufzeitverfahren <strong>–</strong> Laufzeitmessung durch Amplitudenmodulation<br />
Keine Laserimpulse sonder kontinuierliches Laserlicht<br />
Lichtleistung wird sinusförmig mit Frequenz f AM moduliert<br />
Es wird Phasenverschiebung zwischen Sende- und Empfangssignal<br />
gemessen<br />
Eindeutigkeitsbereich nur in halber Wellenlänge von f AM<br />
Bsp.: f AM = 17,75 MHz -> Eindeutigkeitsbereich 8,45 m; Bestimmung der<br />
Phasenverschiebung mit 12 Bit -> Tiefenauflösung 2,0 mm; Aufnahmezeit<br />
im Bereich von Sekunden.<br />
K. Niel / Mai 2008 <strong>IBV6VO</strong> <strong>–</strong> VO12 23
<strong>Industrielle</strong> <strong>Bildverarbeitung</strong> <strong>–</strong> Tiefensehen<br />
Laufzeitverfahren <strong>–</strong> Laufzeitmessung durch Frequenzmodulation<br />
Lichtleistung wird dreieck- oder sinusförmig mit Frequenz f FM<br />
moduliert<br />
Reflektiertes Signal weist Abweichung in Frequenz etwas von<br />
Ausgesandtem Signal auf <strong>–</strong> Schwebungseffekt durch Überlagerung<br />
Referenztechnik zur Vermeidung der Ermittlung der exakten<br />
Frequenzen f FM und ∆f.<br />
K. Niel / Mai 2008 <strong>IBV6VO</strong> <strong>–</strong> VO12 24
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