Gegenseitige Orientierung von Mehrkamerasystemen mit nicht überlappendem Sichtfeld

摘要

Im Rahmen dieser Arbeit werden erfolgreich Lösungsansätze aus dem Bereich der Photo grammetrie und der Computer Vision verknüpft und erweitert, um die gegenseitige Orientierung in einem Mehrkamerasystem aus aufgezeichneten Bildsequenzen zu bestimmen. Die Kameras sind dabei auf einer gemeinsamen Plattform so angebracht, dass sich ihre Sichtfelder nicht überlappen und die Anordnung sich über die Zeit hinweg nicht verändert. Eine Möglichkeit, die gegenseitige Orientierung für derartige Anordnungen zu bestimmen, bieten gemeinsam ausgeführte Bewegungen. Damit alle Parameter der gegenseitigen Orientierung (Translation, Rotation, Maßstab) ermittelt werden können, muss die ausgeführte Bewegung gewisse Bedingungen erfüllen. Bei für die Problemstellung kritischen Bewegungen kann für einige der Parameter keine Lösung gefunden werden. Zu diesen kritischen Bewegungen gehören z.B. eine geradlinige Bewegung ohne jegliche Rotationen oder Bewegungen, bei denen die Rotation ausschließlich in einer vorgegebenen Ebene ausgeführt werden kann. Diese speziellen Bewegungsformen treten u. a. bei dem Einsatz von Mehrkamerasystemen in Robotern oder Fahrzeugen auf und werden in Form von Experimenten mit synthetischen und realen Bildsequenzen in dieser Arbeit detailliert analysiert. Für die Untersuchungen mit realen Daten ist die Rekonstruktion der Bewegung des Mehrkamerasystems aus den Bildsequenzen notwendig. Für die Experimente wird ein Kamerasystem verwendet, das aus zwei Stereosystemen besteht und zu jedem Aufnahmezeitpunkt eine dünn besetzte, variable 3D-Punktwolke liefert. Auf der Basis dieser Daten kann die Rekonstruktion der Bewegung des Mehrkamerasystems dann z. B. über die Identifikation von korrespondierenden 3D-Punkten zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfolgen. Dieses kombinatorische Problem der Zuordnung von 3D-Punkten erfordert ein automatisch arbeitendes Verfahren. Dazu wird als erster Schwerpunkt dieser Arbeit ein neuartiger Ansatz vorgestellt, der für jeden Punkt einer Punktwolke unter Einbeziehung seiner Nachbarn eine kompakte charakteristische Beschreibung berechnet, mit deren Hilfe die Punktzuordnung effizient und zuverlässig umgesetzt werden kann. Die Auswertung der Experimente und eine detaillierte Analyse des Algorithmus belegen die Leistungsfähigkeit des entwickelten Verfahrens zur Zuordnung von 3D-Punkten. Bei der Korrespondenzsuche für sechs Bildsequenzen mit jeweils 150-200 Aufnahmen sind nur wenige Fehlzuordnungen aufgetreten, die durch die Verwendung von robusten Verfahren identifiziert werden konnten und somit keinen Einfluss auf die folgenden Auswertungen hatten. Den zweiten Schwerpunkt der Arbeit bilden Untersuchungen des Einflusses unterschiedlicher Bewegungsformen auf das Verfahren zum Bestimmen der gegenseitigen Orientierung. Im Gegensatz zu anderen Arbeiten werden insbesondere die kritischen Bewegungen und ihr Einfluss auf a) die Bestimmbarkeit und b) die erreichbare Genauigkeit der Parameter der gegenseitigen Orientierung untersucht. Neu ist hier, dass Vorwissen für die Parameter der gegenseitigen Orientierung in die Ausgleichung eingeführt wird. Das Vorwissen wird als unsicher modelliert und als zusätzliche Beobachtung in die Ausgleichung integriert. Diese Vorgehensweise erlaubt es auch bei kritischen Bewegungen, so viele der Parameter der gegenseitigen Orientierung wie möglich zu bestimmen, ermöglicht im Anschluss eine statistische Bewertung der Ergebnisse und bietet die Möglichkeit, Fehler im Vorwissen aufzudecken. In einer Simulation wird zunächst anhand von unterschiedlichen vorgegebenen Bewegungen untersucht, welche der Parameter der gegenseitigen Orientierung bestimmt und welche Genauigkeiten für die Parameter im günstigsten Fall theoretisch erreicht werden können. Die Simulationen decken insbesondere die für die Aufgabenstellung kritischen Bewegungsformen ab. Anschließend werden die Resultate mit Ergebnissen experimenteller Untersuchungen verglichen. Mit den vorgestellten Methoden zur statistischen Bewertung der Ergebnisse wird darüber hinaus eine ungewollte Veränderung der gegenseitigen Orientierung der Mehrkamerasystems zwischen den einzelnen Experimenten aufgedeckt.