Modellierung, Kalibrierung, Evaluierung und Anwendung

Abstract

In den letzten Jahren kommen immer mehr nicht perspektivische Kamerasysteme beim maschinellen Sehen zur Anwendung, die vor allem ein deutlich erweitertes Blickfeld bieten. Das klassische perspektivische Abbildungsmodell lässt sich hier häufig nicht mehr erfolgreich anwenden. In dieser Arbeit wird ein generisches Abbildungsmodell vorgestellt, welches übliche Kamerasysteme akkurat modellieren kann. Solche Kamerasysteme schließen insbesondere klassische perspektivische Systeme, aber auch Fischaugen- und Spiegellinsen-Kamerasysteme ein. Die Nutzung eines einheitlichen Abbildungsmodells ermöglicht schließlich eine einfache Verwendung und Kalibrierung von heterogenen Stereokamerasystemen, also einer Kombination von unterschiedlichen Kameratypen, die vorteilhafte Eigenschaften gegenüber klassischen Stereosystemen bieten. Nicht zuletzt trägt die in dieser Arbeit vorgestellte einheitliche Modellierung und Kalibrierung von Mono- und Stereokamerasystemen dazu bei, Fehler durch falschen Umgang oder falsche Wahl von Methoden der Modellierung oder Kalibrierung zu vermeiden und den Kamerakalibrierprozess insgesamt zu vereinfachen. In dieser Arbeit wurden verschiedene Ansätze der Modellierung untersucht und evaluiert. Es wurde eine generische Modellierung vorgeschlagen, die die untersuchten spezifischen Abbildungsmodelle vollständig ersetzen kann. Für die Kalibrierung nicht linearer Abbildungsmodelle wurde eine einheitliche Methode zur Startwertbestimmung vorgeschlagen und evaluiert. Die Genauigkeit der Kalibrierung mittels einheitlicher Methoden wurde anhand diverser realer Kamerasysteme untersucht und bewertet. Es konnte gezeigt werden, dass die dabei auftretenden Fehler deutlich im Subpixelbereich liegen. Durch Erweiterung des klassischen Konzepts der Epipolargeometrie um die generische Abbildungsmodellierung konnten schließlich heterogene Stereokamerasysteme kalibriert und genaue Stereomodelle abgeleitet werden.The application of perspective camera systems in photogrammetry and computer vision is state of the art. In recent years non-perspective and especially omnidirectional camera systems have increasingly been used in close-range photogrammetry tasks. In general, the perspective camera model, i.e. pinhole model, cannot be applied when using non-perspective camera systems. However, several camera models for different omnidirectional camera systems are proposed in literature. Using different types of cameras in a heterogeneous camera system may lead to an advantageous combination. The advantages of different camera systems, e.g. field of view and resolution, result in a new enhanced camera system. If these different kinds of cameras can be modeled, using a unified camera model, the total calibration process can be simplified. Sometimes it is not possible to give the specific camera model in advance. In these cases a generic approach is helpful too. Furthermore, a simple stereo reconstruction becomes possible when using a fisheye and a perspective camera for example. In this work camera models for perspective, wide-angle and omnidirectional camera systems were evaluated. A generic camera model were introduced that fully substitutes specific camera models. The crucial initialization of the model''s parameters is conducted using a new generic method that is independent of the particular camera system. The accuracy of this generic camera calibration approach is validated by the calibration of a dozen of real camera systems up to subpixel accuracy. Finally, it has been shown that a unified method of modeling, parameter approximation and calibration of interior and exterior orientation can be applied to a generic stereo system to derive precise 3D object data