Framos zur Objektivauswahl für Stereo-Anwendungen

Dezidierte Objektivauswahl

Framos zur Objektivauswahl für Stereo-Anwendungen

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Stereokameras sehen die Welt in 3D, sodass die mit ihnen ausgerüsteten Maschinen ähnlich wie Menschen agieren und interagieren können. Die Wahl des richtigen Objektivs ist dementsprechend viel wichtiger als bei der Einrichtung einer einzelnen Kamera – die Position und Perspektive jeder Kamera zur anderen bestimmt die Genauigkeit des Systems. In diesem Beitrag erfahren Sie, warum die Umgebungsparameter wie Temperatur, Bewegungen und Vibrationen berücksichtigt werden müssen.

Stephanie Simon, Product Expert Lenses bei Framos, Taufkirchen

Inhaltsverzeichnis

1. Wie das Design die Bildqualität beeinflusst

2. Herstellung und Praxistests

3. Welche Faktoren sollten berücksichtigt werden?

4. Fazit

Stereo-Systeme generieren eine 3D-Rekonstruktion aus zwei 2D-Bildern mit unterschiedlichen Perspektiven. Die Systeme bestehen Größtenteils aus zwei getrennten Kameras und damit zwei Sensoren und Objektiven. Für die Auswahl dieser Objektive müssen zusätzliche Aspekte hinsichtlich der Stabilität und der Systemumgebung berücksichtigt werden. Grundsätzlich besteht eine Stereo-Kamera aus zwei ähnlichen Sensoren und Objektiven, die durch einen Abstand x – auch Grundlinie genannt – getrennt sind. Je nach Brennweite überschneiden sich die Sichtfelder der beiden Objektive bei einem Abstand y vor dem Stereo-Kamerasystem. So werden die beiden Bilder mit leicht unterschiedlichen Perspektiven aufgenommen. Nachdem ein Bild eines bekannten Szenarios aufgenommen wurde, beispielsweise eines Testcharts für die Kalibrierung des Systems, können die folgenden Bilder zur Berechnung der Tiefeninformationen verwendet werden.

Eine hoch präzise Kalibrierung kann in den meisten Fällen nur werkseitig angeboten werden, da dazu hochauflösende Testcharts notwendig sind. Nach der Kalibrierung nimmt der Algorithmus, der die Tiefeninformationen berechnet, an, dass der Abstand zwischen den beiden Kameras und deren Ausrichtung zueinander konstant bleibt. Ändert sich einer dieser Parameter, kann die Berechnung der Tiefenwerte entweder ungenau werden, fällt eventuell sogar aus oder führt im schlimmsten Fall zu einem falschen Ergebnis. Deshalb muss die Ein- und Ausrichtung der beiden Kameras mit ihren Sensoren und Objektiven stabil gegenüber Einflüssen von außen sein. Die häufigsten Einflüsse sind die Ausdehnung und Kontraktion der unterschiedlichen Teile des Kamerasystems aufgrund von Temperaturschwankungen oder Stößen und Vibrationen.

Wie das Design die Bildqualität beeinflusst

Für ein robustes Design des Objektivs muss vor allem auf die mechanische Konstruktion geachtet werden: C-Mount-Objektive haben üblicherweise bewegliche Teile sowie eine variable Blendenöffnung und Fokussierringe. Technologisch fortgeschrittene Objektive verwenden dagegen ein Floating-System, um Stöße oder Vibrationen besser abzufangen. Fokus und Blende können hier normalerweise mit Feststellschrauben sicher fixiert werden. Allerdings müssen einige Objektivteile in ihrer Funktion beweglich bleiben, sodass es nicht möglich ist, sie komplett am Gehäuse zu fixieren. Dies kann, je nach Aufbau des Objektivs sowie in rauen Umgebungen, doch zu feinen Bewegungen führen. Und Stereo-Systeme reagieren auch auf kleine Änderungen sehr empfindlich, die in Ein-Kamera-Lösungen noch kein Problem darstellen würden. Die Stabilität hängt darüber hinaus von der Anzahl der Schrauben sowie den Schrauben selbst ab. Flachkopfschrauben erzielen beispielsweise aufgrund der höheren Verriegelungskraft stabilere Ergebnisse als Rändelschrauben. Die Objektivhersteller haben hierfür unterschiedliche Lösungen entwickelt: Eine Möglichkeit ist die Verwendung einer Feder, die auf die Elemente des Objektivs eine gewisse Kraft ausübt und diese in ihrer vorgesehenen Position hält. In einem M12-Objektiv kann für ähnliche Ergebnisse ein Gummiring anstelle einer Feder verwendet werden. Und eine weitere Lösung sind robuste ruggedized Objektive, bei denen einzelne Elemente mit dem Objektiv-Körper verklebt sind.

Da die meisten C-Mount-Objektive aus Glaselementen und einem Metallgehäuse bestehen, sind Temperaturschwankungen ein kleineres Problem, weil der Ausdehnungskoeffizient von Glas und Metall eine relative niedrige Temperaturabhängigkeit hat. Im Gegensatz dazu bestehen M12- oder M8-Objektive sowie Objektive für Platinenkameras allerdings sehr oft zumindest teilweise aus Kunststoff. Diese Bauteile verändern ihre Form je nach Temperatur, wodurch sich auch die optische Leistung ändert. Eine Lösung hierfür ist, für die Objektivfassung oder die Objektivelemente Materialien zu verwenden, die diese Ausdehnung ausgleichen.

Herstellung und Praxistests

Neben der mechanischen Konstruktion des Objektivs hat für die Nutzung in Stereo-Anwendungen auch die Qualität eine große Bedeutung. Hersteller müssen alle Bestandteile genau bemessen und montieren, sodass sie sich nicht ungewollt bewegen oder kippen können. Ein lockeres Objektiv führt ebenfalls zu einer schlechteren Bildqualität sowie zu unscharfen Bildern unter Vibrationen oder bei Bewegungen des Kamerasystems. Ein gängiges Verfahren, um lockere Objektivelemente zu vermeiden, ist ein Verkleben der Elemente am Gehäuse. So werden lockere und damit bewegliche Objektivelemente bei Stößen und Vibrationen oder einfachen Bewegungen umgangen. Bei größeren Temperaturbereichen oder bezüglich der langfristigen Stabilität von Systemen kann diese Lösung allerdings auch zu Problemen führen, da der Wärmeausdehnungskoeffizient des verwendeten Klebstoffes berücksichtigt werden muss. Dasselbe gilt für sein Alterungsverhalten – es muss zum Beispiel geprüft werden, wie lange er Temperaturänderungen standhält ohne brüchig zu werden.

Neben den theoretischen Ausführungen zur Eignung und zum Aufbau ist es wichtig, die Objektive während der Prototypphase intensiv zu testen. So wird sichergestellt, dass die technischen Daten und Bedingungen erfüllt werden. Hersteller von C-Mount-Objektiven prüfen ihre Objektive zum Beispiel regelmäßig und teilen diese Ergebnisse entweder öffentlich oder auf Anfrage mit. Hersteller von Objektiven für Platinenkameras haben in vielen Fällen ebenfalls die Möglichkeit, ihre Produkte unter Stößen und Vibrationen zu prüfen. Diese Prüfungen erfolgen normalerweise auf Anfrage des Kunden und somit nach dessen Vorgaben und Forderungen. Grundsätzlich empfiehlt sich immer eine Prüfung innerhalb des gesamten Stereo-Systems, insbesondere wenn Stöße, Vibrationen oder Temperaturschwankungen vor Ort zu erwarten sind.

Welche Faktoren sollten berücksichtigt werden?

Aufgrund des breiten Angebots an Stereo-Bildverarbeitungssystemen gibt es keine feste Faustregel. Allerdings sollten folgende Punkte bei der Auswahl beachtet werden:

  • Temperaturbereich, in dem das Stereo-System arbeiten soll;
  • Stöße und Vibrationen, die auf das Stereo-System wirken;
  • Bewegungskräfte, denen das Stereo-System ausgesetzt ist;
  • Größe des Systems, etwa die Maße der Grundlinie und der Brennweite.

Fazit

Sofern die Systembedingungen und die Umgebungsfaktoren überprüft sowie die Komponenten entsprechend eingekauft und getestet wurden, sollten Kamerahersteller und Systemingenieure sicher sein können, dass sich ihre Objektive für Stereo-Bildverarbeitungssysteme eignen. Da der Korrekturaufwand mit der Anzahl der Komponenten, die das Ergebnis beeinflussen, steigt, ist das Objektiv nicht nur einer der wichtigsten Teile in Ein-Kamera-Systemen, es gewinnt bei zwei Kameras weiter an Bedeutung. ik

www.framos.com

Details zu den Objektiven bei Framos:

hier.pro/IrfJV

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