Bearbeitung und Gewinnung von Tiefeninformation durch die Kopplung zweier Kameras

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Wie mit den zwei Augen des menschlichen Sehsystems, ist es auch mit zwei Kameras möglich, Tiefeninformation aus einer Bildszene zu ermitteln. Dieses Verfahren ist ausführlich in der Diplomarbeit Bideo beschrieben und praktisch umgesetzt. Eine kurze Einführung in dieses Thema ist nachfolgend im Artikel zu finden.

Eine weitere Möglichkeit zur Gewinnung der Tiefeninformation sind spezielle Kameras, wie die PMD-Kameras.


Positionierung der Kameras

Für die Positionierung der beiden Kameras gibt es verschiedene Möglichkeiten. Zunächst kann man die Kameras wie in Abb.1 aufstellen.

Abb.1: parallele Anordnung

Aus bisherigen Erfahrung mit 3D Stereo Filmen müssen die Kameras im 3D Modell aber schräg angeordnet, um einen räumlichen Eindruck zu erzielen.
Aus Gesprächen mit 3D Stereo Fotografen und Informationen aus dem Internet ist hervorgegangen, dass die parallele Anordnung korrekt ist und die Berechnung der Tiefeninformation so relativ simpel ist.

Berechnung der Tiefeninformation

Die Berechnung der Tiefeninformation geschieht auf Grundlagen der Disparität in den beiden Stereobildern. Predrag Steric von der Technischen Universität in Wien schreibt zur Disparität Folgendes:
Die Disparität ist in der Stereo Vision ein unumgänglicher Parameter. Darunter versteht sich dievertikale oder horizontale Verschiebung zwischen zwei zusammengehörenden Punkten in den beiden Stereobildern. Zur besseren Verständnis stelle man sich vor es werde ein rechtes und ein linkes leicht unterschiedliches Bild derselben Szene übereinander gelegt, so dass das linke Bild über das rechte Bild zum Liegen kommt. Für einen ausgewählten Punkt X im linken Bild, gilt in der Regel, dass ein korrespondierender Punkt Y im rechten Bild nicht direkt darunter liegt, sondern eine Verschiebung (Disparität) aufweist.

Abb.2: Disparität in Bildern

Die Disparität in Bildern ist umgekehrt proportional zur Entfernung eines Objektes zur Kamera. Die genaue Entfernung lässt sich berechnen mit Formel 1:

Z = (Bf)/d

Dabei ist B die Stereobasis, also die Entfernung der beiden Kameras zueinander. Z ist die Tiefe, d die Disparität und f die Brennweite der Kameras. Mit Hilfe obiger Formel lässt sich die Tiefeninformation berechnen, jedoch sind einige Limitationen gegeben. Besonders schwierig ist das Finden korrespondierender Bildbereiche in beiden Bildern. Bei unseren Versuchen wurde ein Datenhandschuh mit zwei Leuchtdioden verwendet, deren Position im Bild leicht zu ermitteln ist. Durch die Leuchtkraft der Dioden kann man sie leicht von den übrigen Bildinhalten unterscheiden. Grundsätzlich gilt: Je näher das Objekt an der Kamera ist, desto fehlerfreier ist die Berechnung der Tiefe. Der wichtigste Parameter ist dabei die Disparität. Die Bilder der Kameras werden mittels Framegrabber-Karten in den PC übertragen. Dort wird dann der Wert der Disparität in der Einheit Pixel kalkuliert. Die Bestimmung einer absoluten Tiefeninformation erfordert die genaue Kenntnis der Paramater aller Komponenten des Aufbaus und der Kameras.

Das die Bestimmung dieser Parameter nicht trivial ist, kann für einfcahe Anwendungen der Wert der Disparität selbst als einziger Indikator für die Tiefeninformation verwendendet werden. Hieruas ist eine relative Entfernung/Tiefeninformation ableitbar, welche oft für die Steuerung einer Anwendung ausreicht, also sich z.B. auf die Steuerung in einer 3D Umgebung abbilden läßt. Auch bei Bewegung nach links und rechts variieren teilweise die Werte der Disparität, obwohl keine tatsächliche Bewegung in die Tiefe stattgefunden hat. Praktisch kann hier Abhilfe geschaffen werden, indem man die erhaltenen Werte glättet, z.B. mit einem Mittelwert-Operator.

Eine ausführliche Abhandlung zu diesen Themen ist in der Diplomarbeit Bideo zu finden.