Original paper

Integrated 3D Range Camera Self-Calibration

[Integrierte Selbstkalibrierung distanzmessender 3D-Kameras]

Westfeld, Patrick; Maas, Hans-Gerd

Abstract

An integrated bundle adjustment has been developed to facilitate the precise definition of the geometry of time-of-flight range imaging cameras, including the estimation of range-measurement-specific correction parameters modelling linear, periodic and sensor-position-dependent effects of a distance measurement. The integrated calibration routine jointly adjusts data from both information channels (amplitude and range) and automatically estimates optimum observation weights. The method is based on the flexible principle of self-calibration. It does not require spatial object data, thus avoiding the time-consuming determination of reference distances with superior accuracy. The accuracy analyses carried out using a PMD[vision]® CamCube 2.0 confirm the correctness of the proposed functional contexts, but they also exhibit challenges caused by non-parameterised range-measurement-specific errors. The level of accuracy of the observations is computed by variance component estimation and becomes in mean / pixel for an amplitude image coordinate measurement and 9.5 mm for a distance measurement. The precision of a 3D point coordinate can be set at 5 mm after calibration, compared to several centimetres before applying any correction terms. In the case of depth imaging technology, which is influenced by a variety of noise sources, this accuracy level is very promising.

Kurzfassung

Die entwickelte integrierte Bündelblockausgleichung ermöglicht die Bestimmung der exakten Aufnahmegeometrie distanzmessender 3D-Kameras sowie die Schätzung distanzmessspezifischer Korrekturparameter zur Modellierung linearer, periodischer und sensorpositionsabhängiger Fehleranteile einer Streckenmessung. Die integrierte Kalibrierroutine gleicht in beiden Informationskanälen (Amplitude und Distanz in jedem Pixel) gemessene Größen gemeinsam aus und bestimmt dabei simultan optimale Beobachtungsgewichte. Die Methode basiert auf dem flexiblen Prinzip der Selbstkalibrierung und benötigt keine Objektrauminformation, wodurch insbesondere die aufwändige Ermittlung von Referenzmaßenübergeordneter Genauigkeit entfällt. Die am Beispiel des PMD[vision]® CamCube 2.0 durchgeführten Genauigkeitsuntersuchungen bestätigen die Richtigkeit der aufgestellten funktionalen Zusammenhänge, zeigen aber auch Schwächen aufgrund noch nicht parametrisierter distanzmessspezifischer Fehler. Die durch eine Varianzkomponentenschätzung festgelegten Genauigkeitsniveaus der ursprünglichen Beobachtungen betragen im Mittel 1/35 Pixel für die Amplitudenbildkoordinatenmessung und 9,5 mm für die Streckenmessung. Die Qualität der 3D-Neupunktkoordinaten kann nach einer Kalibrierung mit 5 mm angegeben werden. Im Vergleich bewegt sich diese ohne Anbringen von Korrekturtermen im Bereich einiger Zentimeter. Für die durch eine Vielzahl von meist simultan auftretenden Rauschquellen beeinflusste Tiefenbildtechnologie ist dieser Genauigkeitswert sehr vielversprechend.

Keywords

bundle adjustmentintegrated calibrationrange imaging cameravariance component estimation