Radiometrische Kalibrierung von Distanzmesskameras

Abstract

Distanzkameras sind in der Lage, in jedem Bildpunkt (Pixel) simultan Distanz und Amplitude aufgrund der Laufzeit eines ausgesandten Signals zu bestimmen. Diese Technologie vereint einige Vorteile von klassischen Messverfahren aus der Photogrammetrie und der Fernerkundung (z.B. Laserscanning, Auswertung von Bildern). Eine Limitierung ist die Genauigkeit der Distanzmessung, die verglichen mit anderen Geodätischen Messverfahren im Nahbereich (Zehner-Meter-Bereich) relativ niedrig ist. Ein wichtiger Indikator für die Distanzmessgenauigkeit ist die Amplitude, sie wird aus denselben Messdaten abgeleitet, aus denen auch die Distanz errechnet wird. Weiters kann bei kalibrierten Amplituden, gemeinsam mit den Distanzbeobachtungen, die (richtungsabhängige) Reflektivität der Objektoberfläche bestimmt werden. Die Reflektivität wiederum kann verwendet werden, um den Objektraum zu segmentieren bzw. um Objekte zu erkennen. Diese Arbeit beschreibt die Kalibrierung der Amplitude anhand der Distanzkamera Swissranger 3000. Es wurde nach Materialien gesucht, die sich als Kalibriertafeln eignen, d.h. plan sind und das Licht möglichst diffus reflektieren. Um die gewünschte diffuse Reflektivität zu erreichen wurde Kreidespray verwendet. Es wurde ein Kalibrierfeld erstellt, welches aus fünf Styrodurplatten bestand, die mit unterschiedlichen Farben besprüht wurden, um unterschiedliche Reflektivitätswerte zu erhalten. Um Referenzwerte hoher Genauigkeit zu erhalten, wurden die Reflektivitäten der einzelnen Tafeln mit einem Spektroradiometer gemessen. Mittels eines, rund um die Tafeln angebrachten, Festpunktfeldes wurde die Orientierung der Kamera indirekt bestimmt. Damit war es möglich, die Objektdistanzen mit hoher Qualität abzuleiten und die Positionen der Tafeln in den Bildern eindeutig zu bestimmen. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Schritte beschrieben, die nötig sind, um ein Differenzmodel zwischen den Soll-Amplituden und den mit der Distanzkamera gemessenen Amplituden zu erstellen. Danach wurde eine Kalibrierfunktion bestimmt, die das Differenzmodell beschreibt. Die Funktion besteht aus mehreren Termen, die verschieden Effekten zugeordnet werden können. Die Validierung der Kalibrierfunktion erfolgt visuell mittels Grafiken, die den Einfluss der unterschiedlichen Kalibrierterme zeigen.

Range Imaging Cameras (RIM) are capable of measuring distance and the amplitude simultaneously in each pixel, using the time-of-flight (TOF) of an signal. This technology combines several advantages of classical photogrammetric and remote-sensing measurement techniques, but there are also limitations. One limitation is the poor precision of the distance measurement, which is today at cm-level. An important indicator for the precision of the distance measurement is the amplitude, which is calculated from the same data as the distance. When the amplitude is calibrated, it should be possible to determine the (directional) reflectivity of the object surface. The reflectivity on the other hand can be used, as an example, for segmentation of the object space or to recognize objects. This master thesis is dealing with the calibration of the amplitude with the help of the RIMCamera Swissranger SR-3000. To build a calibration field, a flat surface is needed with diffuse reflection. To achieve this, five boards of the material styrodur were used, which were covered with five different colors of chalk to get different reflectivities. To get the reflectivity with high accuracy, the different colors where measured with a spectroradiometer. A control point field was fixed around the boards to determine the orientation of the camera indirect. Then it was possible to get the distance between the camera and the boards with higher precision and accuracy than with the RIM-Camera, and also to identify the boards in the captured pictures. The different steps which were necessary to create a difference model are described. This model represents the deviation between measured and calculated amplitude. Then a calibration function is determined, which describes this difference. This calibration function consists of different terms, which can be dedicated to different effects. The validation of the calibration function is made visually with different plots, these plots show the influence of the different terms.