Thesis - RWTH Aachen University

3.2 Abgleich der Daten virtueller und realer Kameras 55
Reale
Kameras
Entfernung der
Linsenverzerrungen
Kalibrierung
Überführung zu
virtuellen Aufnahmen
Farbnormalisierung
Enfernung reaktive
von Rauschen Verhalten
Abbildung 3.4: Ablauf des Abgleiches der realen mit den virtuellen Aufnahmen.
Farbnormalisierung vermindern. Rauschen in den realen Aufnahmen ist auf die Kameraqualität, die
Beleuchtungsvariation und die Störungen bei der Übertragung des analogen Videosignals von Kamera
zum Rechner und der nachfolgenden Digitalisierung zurückzuführen. Da Rauschen eine fehlerbehaftete
Segmentierung im Bild verursachen kann, wird hier ein Filter zum Entfernen von Rauschen aus
den realen Aufnahmen angewendet.
3.2.1 Kamerakalibrierung
Wegen unterschiedlicher Kameraeigenschaften können zwei Aufnahmen aus zwei unterschiedlichen
Kameras nicht deckungsgleich sein. Deswegen müssen die Eigenschaften bestimmt und die Aufnahmen
der realen Kameras entsprechend den Parametern der virtuellen Kameras transformiert werden,
damit ein Vergleich realer und virtueller Bilder möglich ist.
Zur Bestimmung der Kameraparameter ist jedoch ein Modell notwendig, das die Projektionseigenschaften
der Abbildung von Raumpunkten auf die Bildebene beschreibt. Das Lochkameramodell stellt
ein solches Modell dar. Es besteht aus einer Bildebene und einem Loch mit unendlich kleinen Dimensionen
(Brennpunkt, Focal Point oder Principal Point), durch das Lichtstrahlen auf die Bildebene
fallen. Dadurch lassen sich Raumpunkte auf die Bildebene projizieren. Der Abstand zwischen Brennpunkt
und Bildebene ist als Brennweite oder Fokallänge f (Focal Lenght), die orthogonale Projektion
des Brennpunktes auf der Bildebene als Bildhauptpunkt bekannt. Die Gerade, die Bildhauptpunkt
und Brennpunkt verbindet, wird als Sichtachse (Optical Axis) der Kamera bezeichnet. Die Position
der Bildpunkte relativ zum Bildhauptpunkt werden im Koordinatensystem der Bildebene {I} beschrieben.
Das Kamerakoordinatensystem {K} gibt dagegen die Position des Brennpunktes und die
Orientierung der Kamera relativ zu einem Weltkoordinatensystem {W } an, bezüglich welchem die
Koordinaten der Raumpunkte beschrieben sind (Abbildung 3.5).
Sei M ein Raumpunkt mit Koordinaten ( K x, K y, K z) T bezüglich des Kamerakoordinatensystems,
dann ist das Verhältnis von M zu seiner Projektion auf der Bildebene ( I x, I y) durch Gleichung 3.1
angegeben.
I x = f K x
K z ,
I y = f K y
K z
Gleichung 3.1 gibt jedoch nicht die Pixelkoordinaten im Bild wider. Dafür müssen Ix und Iy zusätzlich
mit zwei Parametern au und av skaliert werden, um die Einheiten in Pixel umzuwandeln. Der
Parameter au repräsentiert die Skalierung in der u-Achse des Kamerabildes und in ähnlicher Weise
bestimmt av die Skalierung in der v-Achse. Diese Beziehungen werden in der Kalibrierungsmatrix K
zusammengefasst:
⎡
⎤
−fau −fashear −u0
K = ⎣ 0 −fav −v0⎦
(3.2)
0 0 1
(3.1)