Vorrichtung zur Kalibrierung einer Kamera

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur automatischen Kalibrierung einer Kamera.

Kameras werden u. a. in Kraftfahrzeugen vermehrt zur überwachung der Umgebung eingesetzt. Der Sichtbereich der Kamera muss exakt eingestellt werden, damit aus dem Bild gewonnene Objektinformationen ausgewertet und eine Situation, z.B. die Erkennung des Fahrspurverlaufs oder eine bevorstehende Kollision, richtig eingeschätzt werden kann. Die Kamerakalibrierung wird i. d. R. automatisch durchgeführt. Hierbei ist die schnelle und sichere Ausrichtung der Kameras auf ein vorgesehenes Zielgebiet von besonderer Bedeutung. Eine automatische Kalibrierung setzt voraus, dass die Positionen mehrerer Merkmale, die im Bild erkannt werden können, relativ zur Kamera bekannt sind. Für die praktische Umsetzung wird in einer definierten Position vor der Kamera eine Vorrichtung, z.B. eine Tafel, angeordnet, auf der ein Kalibriermuster aufgebracht ist. Um eine hohe Kalibriergenauigkeit zu erzielen, sollten im Muster so viele Merkmale bzw. Marken wie möglich erkannt werden. Um dies zu erreichen, wird häufig das Kalibriermuster größer als der Sichtbereich der Kamera gewählt. Im Bild ist dann nur ein Teilbereich des Musters dargestellt und bei der Verwendung eines regelmäßigen Musters ist eine Orientierung auf dem Kalibriermuster und damit eine eindeutige Kalibrierung des Abbildungsbereichs nicht mehr möglich. Dieses Problem kann durch die Verwendung von mindestens einer Orientierungsmarke im Kamerabild gelöst werden, deren Position vorgegeben ist. Z.B. verwendet Moravec eine Orientierungsmarke zusätzlich zu den Referenzmarken im Kalibriermuster. Die Referenzmarken sind in regelmäßigen Abständen angeordnet und die Orientierungsmarke befindet sich zwischen den Referenzmarken (http://www.frc.ri.cmu.edu/~hpm/project.archive/robot.papers /2000/ARPA.MARS.reports.00/ Report.0001.html).

Für die Genauigkeit der Kalibrierung ist zudem der Sichtbereich der Kamera relevant. Wenn eine Referenzmarke aufgrund des begrenzten Abbildungsbereichs nicht in ihrer vollständigen Form aufgenommen wird, wird evt. eine Referenzmarke nicht erkannt oder ihre Position wird falsch bestimmt, was die Genauigkeit der Kalibrierung beeinträchtigt.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kalibrierung einer Kamera anzugeben.

Diese Aufgabe wird gemäß einer Vorrichtung nach Patentanspruch 1 und einem Verfahren gemäß Patentanspruch 5 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche zeigen vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung auf.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Kalibrierung einer Kamera angegeben. Zu diesem Zweck ist in einem definierten Abstand ein Kalibriermuster im Sichtbereich der Kamera angeordnet. Das Kalibriermuster ist z.B. auf eine Tafel oder Wand aufgebracht oder es wird auf eine Fläche projiziert. Das Kalibriermuster weist mehrere Kalibriermarken auf. Die Genauigkeit einer Kalibrierung erhöht sich mit der Anzahl der erkannten Kalibriermarken, deshalb ist die Verwendung von möglichst vielen Kalibriermarken vorteilhaft. Um z. B. auch bei einem über den Abbildungsbereich der Kamera hinausgehenden Kalibriermuster mit einer regelmäßigen Anordnung der Kalibriermarken den Sichtbereich einer Kamera auszurichten, ist zumindest eine Orientierungsmarke im Sichtbereich angeordnet. Die Orientierungsmarke ist verglichen mit den Referenzmarken durch einen invertierten Kontrastübergang gekennzeichnet. Sind z.B. helle Referenzmarken auf einem dunklen Hintergrund angeordnet, dann ist die Orientierungsmarke dunkel auf einem hellen Hintergrund.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wiederholen sich die Referenzmarken zumindest in eine Raumrichtung regelmäßig, so dass die Referenzmarken z.B. gitterförmig angeordnet sind. Eine solche regelmäßige Anordnung reduziert den Rechenaufwand. Zudem kann durch eine geeignete symmetrische Form der Referenzmarken die Erkennung der Marken vereinfacht werden. Ein Kreis rotationssymmetrisch, d.h. die Ausrichtung der Referenzmarke im Kalibrierungsmuster kann vernachlässigt werden. Ein weiterer Vorteil liegt in der unaufwändigen Bestimmbarkeit des Kreismittelpunkts. Vorzugsweise ist eine Orientierungsmarke an zumindest einer dafür vorgesehenen Stelle im Sichtbereich der Kamera anstelle einer Referenzmarke angeordnet. So muss nicht geprüft werden, ob die Markierung zu einem Gitterpunkt passt oder dazwischen liegt, und der Rechenaufwand wird reduziert. In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung weist das Kalibriermuster zumindest einen zusätzlichen hellen Bereich auf dunklem Untergrund auf. Der helle Bereich dient zur Sichtfeldbestimmung und ist im idealen Abbildungsbereich der Kamera in der Nähe der äußeren Begrenzung angeordnet. Stimmt nun der tatsächliche Sichtbereich der Kamera, z.B.

aufgrund von störenden Objekten im Sichtfeld, nicht mit dem idealen überein, wird der helle Bereich nicht vollständig von der Kamera abgebildet.

Vorzugsweise wird die zu kalibrierende bzw. kalibrierte Kamera in Kraftfahrzeugen zur Umgebungserfassung eingesetzt.

Ein Verfahren zur Kalibrierung einer Kamera wird angegeben. Dabei wird das Kamerabild zeilenweise ausgelesen und auf Helligkeitssprünge hin untersucht. Die Helligkeitssprünge geben die Umrisse von Kalibriermerkmalen wieder. Anhand des festgelegten Helligkeitsübergangs z.B. helle Referenzmarke auf dunklem Untergrund, wird zwischen Referenzmarke und einer dazu kontrastinvertierten Orientierungsmarke unterschieden.

Vorzugsweise wird zunächst die Position der Orientierungsmarke im Bild bestimmt und davon ausgehend die Position der Referenzmarken im Bild ausgewertet. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass die Position der Referenzmarken relativ zur Orientierungsmarke bekannt ist und die Auswertung schneller erfolgen kann. In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung weist das Kalibriermuster zumindest einen zusätzlichen hellen Bereich auf dunklem Untergrund auf. Der helle Bereich dient zur Sichtfeldbestimmung und ist im idealen Abbildungsbereich der Kamera in der Nähe der äußeren Begrenzung angeordnet. Zur Sichtfeldbestimmung werden also nur Helligkeitssprünge an einem Bildrand mit hellem Bereich untersucht. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung grenzt der helle Bereich nicht unmittelbar an die äußere Begrenzung des Abbildungsbereichs. Es wird beim Auslesen einer Zeile zunächst ein Helligkeitssprung von dunkel auf hell beobachtet und dann von hell auf dunkel. Der Abstand zwischen den beiden Helligkeitssprüngen wird mit einem gespeicherten Sollwert verglichen. Stimmt der Abstand nicht mit dem vorgegebenen Abstand überein, ist der Sichtbereicht eingeschränkt. Aus dem bestimmten Abstand kann das Maß der Sichtfeldeinschränkung und die Auswirkung auf den Kalibrierungsprozess und zukünftige Messungen mit der Kamera abgeschätzt werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung der helle Bereich unmittelbar an die äußere Begrenzung des Abbildungsbereichs. In diesem Fall wird in einer Zeile der Abstand zwischen Zeilenbeginn und Kontrastsprung von hell auf dunkel wird ausgewertet und es wird wie oben beschrieben verfahren.

Weitere Vorteile und Besonderheiten der Erfindung werden anhand von einem Ausführungsbeispiel und zwei Abbildungen näher erläutert.

Fig. 1: Kalibriermuster mit Orientierungsmarke

Fig. 2: Kalibriermuster mit Orientierungsmarke, die durch einen invertierten Kontrastübergang gekennzeichnet ist.

In Figur 1 ist ein bekanntes Kalibriermuster mit Orientierungsmarke dargestellt. Referenz- (1) und Orientierungsmarke (2) sind helle Kreise auf dunklem Untergrund. Eine solche Anordnung hat den Nachteil, dass bei der Erkennung einer Kalibriermarke (1,2) nicht entschieden werden kann, ob eine Referenzmarke (1) oder eine Orientierungsmarke (2) vorliegt. Es muss erst anhand weiterer Kalibriermarken (1,2) geprüft werden, ob die Kalibriermarke (1,2) zu den periodisch angeordneten Referenzmarken (1) gehört oder eine dazwischen angeordnete Orientierungsmarke (2) ist.

In Figur 2 ist ein Kalibriermuster mit Orientierungsmarke (2), die einen invertiertem Kontrastübergang aufweist, dargestellt. Das Kalibriermuster eignet sich insbesondere für Bildaufnehmer, die zeilenweise ausgelesen werden. Die Bilddaten werden auf Kontrastsprünge untersucht. Das in Figur 2 dargestellte Kalibriermuster ermöglicht eine schnelle und sichere Durchführung der Kalibrierung, eine Auswertung der Bilddaten mit kleinem Datenspeicher und eine Sichtfeldbestimmung der Kamera.

Mit der Orientierungsmarke (2) kann die Position der Kamera eindeutig bestimmt werden. Die Orientierungsmarke (2) unterscheidet sich durch einen invertierten Kontrastübergang von den Referenzmarken (1) und ist damit durch eine Kontrastanalyse eindeutig im Bild erkennbar. Die Orientierungsmarke wird mit demselben Algorithmus wie die Referenzmerkmale ausgewertet und erkannt, was die Bildauswertung und damit den Kalibriervorgang erheblich vereinfacht. Es wird zunächst die Position der Orientierungsmarke (2) bestimmt und davon ausgehend die Position der Referenzmarken (2). Die Referenzmarken (1) sind auf äquidistanten Gitterpunkten angeordnet. Die Kalibriermarken (1,2) sind kreisförmig, da der Mittelpunkt eines Kreises sehr genau ermittelt werden kann.

Zusätzlich sind zwei helle Balken (3) rechts und links in den Randbereichen des Kalibriermusters angeordnet. Die Balken (3) sollen die Grenzen eines möglicherweise eingeschränkten Abbildungsbereichs der Kamera sichtbar machen. Der Kontrast im Bereich

der hellen Balken (3) nimmt ab, wenn der Abbildungsbereich z.B. durch störende Objekte am Rand des Strahlengangs verkleinert wird. Die Kontraständerung kann wieder mit demselben Algorithmus bestimmt werden, der auch zur Erkennung der Kalibriermarken (1,2) genutzt wird.