{"id":503,"date":"2018-02-14T07:00:00","date_gmt":"2018-02-14T07:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/framos.com\/articles\/stereo-anwendungen-brauchen-eine-dezidierte-objektivauswahl\/"},"modified":"2024-04-24T21:20:14","modified_gmt":"2024-04-24T21:20:14","slug":"stereo-anwendungen-brauchen-eine-dezidierte-objektivauswahl","status":"publish","type":"articles","link":"https:\/\/framos.com\/de\/fachartikel\/stereo-anwendungen-brauchen-eine-dezidierte-objektivauswahl\/","title":{"rendered":"Stereo-Anwendungen brauchen eine dezidierte Objektivauswahl"},"content":{"rendered":"

Stereokameras sehen die Welt in 3D, so wie wir Menschen. Somit k\u00f6nnen mit Stereokameras ausgestattete Maschinen \u00e4hnlich wie Menschen agieren und interagieren. Roboter k\u00f6nnen Gegenst\u00e4nde autonom ohne weitere Sensoren oder Leuchten greifen. Autonome Fahrzeuge k\u00f6nnen nicht nur Personen erkennen, die \u00fcber die Stra\u00dfe gehen, sondern auch die Entfernung, den Abstand und die Geschwindigkeit der Personen bestimmen. Die Wahl des richtigen Objektivs bei einer Stereo-Anwendung ist viel wichtiger als bei der Einrichtung einer einzelnen Kamera, da die Position und Perspektive jeder Kamera zur anderen die Genauigkeit des Systems bestimmt. Umgebungsparameter wie die Temperatur, Bewegungen und Vibrationen m\u00fcssen ebenfalls ber\u00fccksichtigt werden.<\/p><\/blockquote>\n

Wie arbeiten Stereo-Systeme?<\/h2>\n

Stereo-Systeme generieren eine 3D-Rekonstruktion aus zwei 2D-Bildern mit unterschiedlichen Perspektiven. Gr\u00f6\u00dftenteils bestehen die Systeme aus zwei getrennten Kameras und damit zwei Sensoren und Objektiven. F\u00fcr die Auswahl dieser Objektive m\u00fcssen zus\u00e4tzliche Aspekte hinsichtlich der Stabilit\u00e4t und der Systemumgebung ber\u00fccksichtigt werden. Grunds\u00e4tzlich besteht eine Stereo-Kamera aus zwei \u00e4hnlichen Sensoren und Objektiven, die durch einen Abstand x – auch Grundlinie genannt – getrennt sind. Je nach Brennweite \u00fcberschneiden 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, z.B. eines Testcharts f\u00fcr die Kalibrierung des Systems, k\u00f6nnen die folgenden Bilder zur Berechnung der Tiefeninformationen verwendet werden.<\/p>\n

Stabile Einrichtung<\/h2>\n

Eine hoch pr\u00e4zise Kalibrierung kann in den meisten F\u00e4llen nur werkseitig angeboten werden, da dazu hochaufl\u00f6sende 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.<\/p>\n

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Abbildung 1: Stereo-System: Der Abstand zwischen den beiden Sensoren – die sogenannte Grundlinie – und die Ausrichtung zueinander d\u00fcrfen sich nicht ver\u00e4ndern.<\/em><\/p>\n

\u00c4ndert sich einer dieser Parameter kann die Berechnung der Tiefenwerte entweder ungenau werden, f\u00e4llt eventuell sogar aus oder f\u00fchrt im schlimmsten Fall zu einem falschen Ergebnis. Deshalb muss die Ein- und Ausrichtung der beiden Kameras mit ihren Sensoren und Objektiven stabil gegen\u00fcber Einfl\u00fcssen von au\u00dfen sein. Die h\u00e4ufigsten Einfl\u00fcsse sind die Ausdehnung und Kontraktion der unterschiedlichen Teile des Kamerasystems aufgrund von Temperaturschwankungen oder St\u00f6\u00dfen und Vibrationen.<\/p>\n

Je nach Art und Aufgabe des Gesamtsystems sind unterschiedliche Parameter wichtiger. Beispiel: Ein Stereo-System mit einer gro\u00dfen Grundlinie ist anf\u00e4lliger f\u00fcr Temperaturschwankungen, da sich das Material weiter ausdehnen kann. Dagegen werden kleinere Systeme eher an Robotern angebracht und sind somit h\u00e4ufiger Vibrationen ausgesetzt.<\/p>\n

Die Hersteller von Objektiven bieten jeweils unterschiedliche L\u00f6sungen in Aufbau und Material ihrer Objektive, um diese Anforderungen zu erf\u00fcllen. Die stabile Einrichtung der Objektivfassung und der Sensoren sind Aufgabe des Kameraherstellers oder Systemintegrators. Dennoch sind eine offene Diskussion und eine pr\u00e4zise Anpassung aller Komponenten notwendig, um ein optimales Ergebnis zu erzielen.<\/p>\n

Wie das Design die Bildqualit\u00e4t beeinflusst<\/h2>\n

F\u00fcr ein robustes Design des Objektivs muss vor allem auf die mechanische Konstruktion geachtet werden.<\/p>\n

C-Mount-Objektive haben gew\u00f6hnlicherweise bewegliche Teile sowie eine variable Blenden\u00f6ffnung und Fokussierringe. Technologisch fortgeschrittene Objektive verwenden dagegen ein Floating-System, um St\u00f6\u00dfe oder Vibrationen besser abzufangen. Fokus und Blende k\u00f6nnen normalerweise mit Feststellschrauben sicher fixiert werden. Allerdings k\u00f6nnen sich auch diese arretierten Teile je nach Aufbau des Objektivs in rauen Umgebungen \u00e2\u20ac\u017ebewegen\u201c. Unter diesen Umst\u00e4nden kann ein Objekt den Fokus verlieren oder aber die Blende ist beeintr\u00e4chtigt. Auch wenn die Feststellschrauben einen groben Fokussierfehler oder eine grundlegende \u00c4nderung der Blende verhindern, reagieren Stereo-Systeme auch auf kleine \u00c4nderungen sehr empfindlich, die in Ein-Kamera-L\u00f6sungen noch kein Problem darstellen w\u00fcrden. Da einige Objektivteile in ihrer Funktion beweglich bleiben m\u00fcssen, ist es nicht m\u00f6glich, sie komplett am Geh\u00e4use zu fixieren, was zu feinen Bewegungen f\u00fchrt. Die Stabilit\u00e4t h\u00e4ngt dar\u00fcber hinaus von der Anzahl der Schrauben und den Schrauben selbst ab. Flachkopfschrauben erzielen beispielsweise aufgrund der h\u00f6heren Verriegelungskraft stabilere Ergebnisse als R\u00e4ndelschrauben.<\/p>\n

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Abbildung 2: In einem Standardobjektiv bewegen sich alle Elemente des Objektivs vor und zur\u00fcck, w\u00e4hrend sich beim Floating-System einzelne Objektivelemente oder Gruppen von Objektivelementen zueinander bewegen. C-Mount-Objektive haben normalerweise Feststellschrauben f\u00fcr die Irisblende und den Fokus.<\/em><\/p>\n

Unterschiedliche Objektivhersteller haben hierf\u00fcr unterschiedliche L\u00f6sungen entwickelt. Eine M\u00f6glichkeit ist die Verwendung einer Feder, die auf die Elemente des Objektivs eine gewisse Kraft aus\u00fcbt und diese in ihrer vorgesehenen Position h\u00e4lt. Das Gute an dieser L\u00f6sung ist, dass der Fokus weiterhin eingestellt werden kann und die Feder die St\u00f6\u00dfe absorbiert, w\u00e4hrend ein weniger bewegliches System tendenziell brechen w\u00fcrde. Diese Objektive sind sto\u00dffest mit einer Verschiebung der optischen Achse von h\u00f6chstens 10\u00b5m* bei einer orthogonalen Beschleunigung von 10G. In einem M12-Objektiv kann f\u00fcr \u00e4hnliche Ergebnisse ein Gummiring anstelle einer Feder verwendet werden.<\/p>\n

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Abbildung 3: Eine Feder dr\u00fcckt die Objektivelemente in die korrekte Position.<\/em><\/p>\n

Eine weitere L\u00f6sung sind robuste \u00e2\u20ac\u017eruggedized\u201c Objektive. Die einzelnen Objektivelemente sind dort mit dem Objektiv-K\u00f6rper verklebt. F\u00fcr die Einstellung des Fokus wird das gesamte Objektiv-Set bewegt. Eine verriegelbare Sechskantmutter mit Klemmteil verriegelt den Fokus sicher, so dass diese Objektive einer Vibration von bis zu 10G und St\u00f6\u00dfen von bis zu 70G standhalten k\u00f6nnen. Die Irisblende ist fest eingestellt und hat keine beweglichen Blendenfl\u00fcgel. Normalerweise sind unterschiedliche Blenden\u00f6ffnungen verf\u00fcgbar, jedoch gibt es selbstverst\u00e4ndlich weniger Auswahl als bei einer variablen \u00c3\u2013ffnung.<\/p>\n

Da die meisten C-Mount-Objektive aus Glaselementen und einem Metallgeh\u00e4use bestehen, sind Temperaturschwankungen ein kleineres Problem, weil der Ausdehnungskoeffizient von Glas und Metall eine relative niedrige Temperaturabh\u00e4ngigkeit hat. Somit ist die Bildverarbeitung \u00fcber einen breiten Temperaturbereich hinweg konstant.<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n
Objektiv<\/strong><\/td>\nTypischer Temperaturbereich<\/strong><\/td>\n<\/tr>\n
Standard-C-Mount-Objektiv (komplett aus Glas)<\/td>\n-10\u00b0C – +50\u00b0C<\/td>\n<\/tr>\n
C-Mount-Objektiv mit erweitertem Temperaturbereich<\/td>\n-20\u00b0C – +60\u00b0C (typisch)<\/td>\n<\/tr>\n
M12-Objektiv (komplett aus Glas und Metall)<\/td>\n0\u00b0C – -80\u00b0C, je nach zul\u00e4ssiger Fokusverschiebung<\/td>\n<\/tr>\n
M12-Objektiv (mit Kunststoffteilen)<\/td>\nJe nach Material, Beschichtung und Temperaturgradient vs. Zeit<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

Im Gegensatz dazu sind M12- oder M8-Objektive sowie Objektive f\u00fcr Platinenkameras sehr oft zumindest teilweise aus Kunststoff hergestellt. Bausteile aus Kunststoff k\u00f6nnen ihre Form mit der Temperatur ver\u00e4ndern und somit \u00e4ndert sich auch die optische Leistung bei unterschiedlichen Temperaturen. Ein Kunststoffgeh\u00e4use kann sich durch Temperaturschwankungen ausdehnen oder zusammenziehen und somit das Bild sch\u00e4rfer oder unsch\u00e4rfer stellen oder die Objektivelemente im Geh\u00e4use kippen. Eine L\u00f6sung hierf\u00fcr ist Material f\u00fcr die Objektivfassung oder die Objektivelemente, welche diese Ausdehnung ausgleicht.<\/p>\n

Ein Vorteil von Objektiven f\u00fcr Platinenkameras ist, dass sie mit einer festen \u00c3\u2013ffnung und ohne bewegliche Teile erh\u00e4ltlich sind. Der Fokus kann ge\u00e4ndert werden, indem man das Objektiv in bzw. aus der Fassung dreht. Durch Kleben eines Glas-\/Metallobjektivs auf eine Metallfassung erh\u00e4lt man damit eine einfache und doch stabile Objektiveinrichtung.<\/p>\n

Da M12-Objektive im Vergleich zu C-Mount-Objektiven klein und leicht sind (sogar wenn sie vollst\u00e4ndig aus Glas sind), wird der Einfluss von St\u00f6\u00dfen und Vibrationen stark reduziert.<\/p>\n

Was bei der Herstellung wichtig ist<\/h2>\n

Obwohl die mechanische Konstruktion des Objektivs f\u00fcr die Nutzung in Stereo-Anwendungen eine gro\u00dfe Rolle spielt, ist auch die Qualit\u00e4t von gro\u00dfer Bedeutung.<\/p>\n

In einem ersten Schritt m\u00fcssen alle Teile des Objektivs genau bemessen werden. Beispiel: Wenn das Objektivgeh\u00e4use zu weit und die Objektivelemente zu klein sind, bewegen sich die Elemente im Geh\u00e4use und kippen bei der Nutzung. In einem zweiten Schritt m\u00fcssen die Objektivelemente sehr genau im Geh\u00e4use montiert werden.<\/p>\n

Ein fixiertes, aber im Geh\u00e4use gekipptes Objektiv f\u00fchrt zu einer schlechteren Bildqualit\u00e4t. Ein lockeres Objektiv f\u00fchrt ebenfalls zu einer schlechteren Bildqualit\u00e4t oder zu unscharfen Bildern unter Vibrationen oder bei Bewegungen des Kamerasystems.<\/p>\n

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Abbildung 4: Objektiv mit gekippten oder lockeren Objektivelementen (Element 2 und 4).<\/em><\/p>\n

Nur eine exakte und qualitativ hochwertige Produktion verhindert lockere oder kipplige Objektive. Die Genauigkeit zwischen den Teilen grundlegender optischer Parameter wie Brennweite und \u00c3\u2013ffnung muss genau kontrolliert werden, da selbst nur leicht unterschiedliche Brennweiten zu ungenauen 3D-Messungen f\u00fchren.<\/p>\n

Ein g\u00e4ngiges Verfahren, um lockere Objektivelemente zu vermeiden, ist ein Verkleben der Elemente am Geh\u00e4use. So werden lockere und damit bewegliche Objektivelemente bei St\u00f6\u00dfen und Vibrationen oder einfachen Bewegungen umgangen. Bei gr\u00f6\u00dferen Temperaturbereichen oder bez\u00fcglich der langfristigen Stabilit\u00e4t von Systemen kann diese L\u00f6sung allerdings auch zu Problemen f\u00fchren. Verkleben ist nicht perfekt, da auch hier der W\u00e4rmeausdehnungskoeffizient des verwendeten Klebstoffes ber\u00fccksichtigt werden muss. Dasselbe gilt f\u00fcr sein Alterungsverhalten: Es muss zum Beispiel gepr\u00fcft werden, wie lange er Temperatur\u00e4nderungen standh\u00e4lt ohne br\u00fcchig zu werden.<\/p>\n

Praxistests innerhalb des Gesamtsystems<\/h2>\n

Neben den theoretischen Ausf\u00fchrungen zur Eignung und zum Aufbau ist es wichtig, die Objektive w\u00e4hrend der Prototypphase intensiv zu testen. So wird sichergestellt, dass die technischen Daten und Bedingungen erf\u00fcllt werden.<\/p>\n

Hersteller von C-Mount-Objektiven pr\u00fcfen ihre Objektive regelm\u00e4\u00dfig und teilen diese Ergebnisse entweder \u00f6ffentlich oder auf Anfrage. Hersteller von Objektiven f\u00fcr Platinenkameras haben in vielen F\u00e4llen ebenfalls die M\u00f6glichkeit, ihre Produkte unter St\u00f6\u00dfen und Vibrationen zu pr\u00fcfen. Diese Pr\u00fcfungen erfolgen normalerweise auf Anfrage des Kunden und somit nach dessen Vorgaben und Forderungen. Normalerweise ist es auf Anfrage immer m\u00f6glich, die Widerstandsf\u00e4higkeit eines Objektivs auf der Grundlage seiner Werte und basierend auf Erfahrungen mit dem Design einzusch\u00e4tzen.<\/p>\n

Grundlegend empfiehlt sich immer die Pr\u00fcfung innerhalb des gesamten Stereo-Systems, insbesondere, wenn St\u00f6\u00dfe, Vibrationen oder Temperaturschwankungen vor Ort zu erwarten sind. Wie bereits dargelegt, k\u00f6nnen unterschiedliche Komponenten wie Objektiv- und Fassungsmaterialien untereinander agieren. Dar\u00fcber hinaus k\u00f6nnen sich die Vibrationen, denen ein Objektiv in einem Kamerasystem unterliegt, stark von denen w\u00e4hrend der Pr\u00fcfung des Objektivs unterscheiden, da die gesamte Kamera zum Beispiel viel schwerer ist als ein (M12-) Objektiv, oder das Geh\u00e4use die Vibrationen des Systems verst\u00e4rken oder d\u00e4mpfen kann.<\/strong><\/p>\n

Welche Faktoren sollten ber\u00fccksichtigt werden?<\/h2>\n

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

    \n
  • Temperaturbereich, in dem das Stereo-System arbeiten soll;<\/li>\n
  • St\u00f6\u00dfe und Vibrationen, die auf das Stereo-System wirken;<\/li>\n
  • Bewegungskr\u00e4fte, denen das Stereo-System ausgesetzt ist;<\/li>\n
  • Gr\u00f6\u00dfe des Systems, z.B. Ma\u00dfe der Grundlinie und Brennweite.<\/li>\n<\/ul>\n

    Sofern die Systembedingungen und die Umgebungsfaktoren \u00fcberpr\u00fcft sowie die Komponenten entsprechend eingekauft und getestet wurden, sollten Kamerahersteller und Systemingenieure sicher sein k\u00f6nnen, dass sich ihre Objektive f\u00fcr 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 sogar an Bedeutung.<\/p>\n

    Shop-Referenzen:<\/h2>\n

    Computar: Ruggedized \u00e2\u20ac\u017eR\u201c-Serie
    \nFujinon: \u00e2\u20ac\u017e4D High Resolution Performance\u201c, Daten zu St\u00f6\u00dfen und Vibrationen
    \nKowa: schwingungsd\u00e4mpfende, sto\u00dffeste \u00e2\u20ac\u017eV\u201c-Serie,
    \nSunex: athermalisierte Objektive<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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