Institut für Raumbezogene Informations- und Messtechnik
Hochschule Mainz - University of Applied Sciences

Kalibrierung eines Mehrkamerasystems

Zur Vermessung von Schächten im Bergbau wurde ein 360° Mehrkamerasystem entwickelt, das am i3mainz kalibriert wurde. Mithilfe einer simulierten Kalibrierung wurde ein geeignetes Kalibrierfeld aufgebaut und ein passender Prozess entwickelt, mit dem die innerere und relative Orientierung der Kameras bestimmt werden konnten.
Motivation und Ziele: 

Für die Vermessung von Schächten im Bergbau wurde von der DMT GmbH und dem DLR eine 360° Kamera entwickelt. Diese Kamera wird am Schachtaufzug montiert und soll während einer Fahrt einen überlappenden Bildverband des Schachts aufnehmen. Mit diesen Bildern und der 3D-Photogrammetrie kann dann eine digitale Rekonstruktion des Schachtes erstellt werden. Damit das System möglichst genaue Ergebnisse liefern kann, ist es erforderlich, die einzelnen Kameras zu kalibrieren. Diese Kalibrierung wurde in den Laboren des i3mainz durchgeführt. Dabei liegt die geforderte Genauigkeit der Kalibrierung bei 1 cm für Objektpunkte mit einem Abstand von ca. 4 m.

Aktivitäten: 

Die Kalibrierung des Mehrkamerasystems setzt sich aus der Bestimmung der inneren Orientierung der Einzelkameras und Bestimmung der relativen Orientierung der Kameras untereinander zusammen. Aufgrund des relativ schweren Systems (ca. 40 kg) und der damit eingeschränkten Beweglichkeit wurde ein kombiniertes Testfeldkalibrierverfahren eingesetzt, bei der die Parameter der inneren und äußeren Orientierung durch eine Ausgleichungsrechnung bestimmt werden.

Bei der Errichtung des Testfeldes mussten mehrere Faktoren berücksichtigt werden. Zum einen sollten die Objektabstände (Abstand Kamera zur Schachtwand) bei der Kalibrierung dem Abstand während der Aufnahme entsprechen. Zum anderen ergeben sich durch die verwendeten Kameras und Objektive bestimmte Anforderungen an die Größe und Verteilung der Zielmarken. Diese Faktoren werden zunächst in einer simulierten Kalibrierung untersucht um daraufhin ein reelles Testfeld zu erstellen.

Aufgrund der Verteilung der insgesamt 8 Kameras über den vollen horizontalen Bildwinkel von 360° wurde das Testfeld auch räumlich um verschiedene Kamerastandpunkte aufgebaut. Die Größe des Kalibrierfeldes liegt bei ca. 8 m x 6 m x 4 m (Länge, Breite, Höhe) und besteht aus codierten und uncodierten photogrammetrischen Zielmarken. Der Abstand zwischen den Zielmarken liegt bei ca. 40-80 cm. Die Position der Zielmarken wurde in einer Netzmessung mit einem Präzisionstachymeter bestimmt, bei der darauf geachtet wurde, dass günstige Schnittbedingen an den Zielmarken vorliegen.

FĂĽr die Kalibrierung der Kamera mussten Aufnahmen in verschiedenen Positionen gemacht werden. Insgesamt handelt es sich um 18 Positionen auf zwei Ebenen. Auf jeder der 18 Positionen wurde die Kamera in 12 Schritte einmal gesamt um die eigene vertikale Achse gedreht. Die Auswertung der 216 aufgenommen Bilder pro Kamera erfolgt in einer photogrammetrischen BĂĽndelblockausgleichung, bei der neben der Position und Ausrichtung des Bildes auch die innere Orientierung jeder Kamera berechnet wird.

Ergebnisse: 

Bei der Bestimmung der Zielmarkenposition wurde eine Genauigkeit von 1,7 mm (RMS der Konfidenzellipsoide) erreicht, welche ausreichend ist, um die geforderte Genauigkeit zu erfüllen. Die Parameter der inneren Orientierung wurden im Zuge der Bündelblockausgleichung direkt bestimmt. Die relative Orientierung wird im Bezug zur Kamera 1 angegeben und wurde durch Mittelung der äußeren Orientierung je Kamera bestimmt. Die Kalibrierung wurde durch unabhängige Kontrollaufnahmen überprüft. Die endgültige Genauigkeit lieg bei 7.6 mm (RMS der 3D-Restklaffen) und erfüllt damit die geforderte Genauigkeit. In Testmessungen konnten eine gesteigerte Rechengeschwindigkeit und verbesserte Genauigkeiten des Kamerasystems ermittelt werden.

Eckdaten

Zeitraum:     01.06.2018 - 31.07.2018
Beteiligte Personen:
  • – Patrick Lackas
Kooperation:
  • – DMT GmbH & Co. KG
Titelbild:
  • Mehrkamerasystem ohne Schutzabdeckung: Foto: i3mainz
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