Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme.

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1 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 1/36 Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Oberseminar TAMS: 22. Juni 2003

2 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 2/36

3 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 3/36 Inspiration Biologie omnidirektionale Sicht in der Natur: Tag-Insekten Nacht-Insekten Krustentieren Beispiel: Gigantocypris Große Augen Optik wie bei Teleskopen einfallendes Licht Lücke

4 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 4/36 Übersicht Biologie Omnivision-Systeme Fixed Viewpoint Contstraint Eigenschaften catadioptischer Systeme Panoramabilder Anwendungen in der Robotik

5 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 5/36 Übersicht Biologie Omnivision-Systeme Fixed Viewpoint Contstraint Eigenschaften catadioptischer Systeme Panoramabilder Anwendungen in der Robotik

6 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 6/36 Omnidirektionale Sichtsysteme Drei unterschiedliche Systeme: 1.Fischauge-Objektiv 2.rotierende Kamera 3.catadioptrische Sichtsysteme dioptrics Linsen catoptrics Spiegel

7 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 7/36 Geschichte 1970: U.S.-Patent von Rees Kamera & hyberbolider Spiegel 1990: Echtzeit-Verarbeitung der Bilddaten konische, sphärische und hyperbolide Spiegel 1997: Theoretische Analyse von Nayar & Baker paraboloider Spiegel mit telezentrischer Linse

8 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 8/36 Spiegel-Designs

9 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 9/36 Vor- und Nachteile Kann das omnidirektionale Bild in ein normales perspektivisches Bild umgewandelt werden? Wie schmal ist der Astigmatismus? Werden Standard-Linsen und Kameras benutzt? Wie groß ist der vertikale Blickwinkel?

10 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 10/36 Übersicht Biologie Omnivision-Systeme Fixed Viewpoint Contstraint Eigenschaften catadioptischer Systeme Panoramabilder Anwendungen in der Robotik

11 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 11/36 Single Viewpoint Projektionszentrum des Spiegels ermöglicht geometrisch korrekte Projektionen Zuordnung: Intensitätswert eines Pixel Lichtstrahl aus bestimmter Richtung Zuordnung kann vorausberechnet werden

12 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 12/36 Grundlage: Lochkamera Objekt optische Achse Loch Bildebene Bild Mattscheibe

13 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 13/36 Viewpoint Kamera Spiegel Viewpoint

14 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 14/36 Fixed Viewpoint Constraint (1) optische Achse Bildebene Loch Viewpoint v = (0,0) c p = (0,c) Weltpunkt z r Normale +

15 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 15/36 Fixed Viewpoint Constraint (2) Gesucht: Spiegeloberfläche z (r) Lösung der quadratischen Differentialgleichung:

16 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 16/36 Allgemeine Lösung

17 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 17/36 Lösung (1) k = 2 und c > 0 planer Spiegel:

18 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 18/36 Lösung (2) k 2 und c = 0 konischer Spiegel: v (0,0) = p (0,c)

19 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 19/36 Lösung (3) k > 0 und c = 0 sphärischer Siegel:

20 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 20/36 Lösung (4) k > 0 und c > 0 ellipsoider Spiegel: v p Spiegel Bildebene

21 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 21/36 Lösung (5) k > 2 und c > 0 hyperboloider Spiegel: v p Spiegel Bildebene

22 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 22/36 Übersicht Biologie Omnivision-Systeme Fixed Viewpoint Contstraint Eigenschaften catadioptischer Systeme Panoramabilder Anwendungen in der Robotik

23 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 23/36 Auflösung catadioptrischer Systeme v p Spiegel Bildebene Pixel dA d d

24 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 24/36 Unschärfe v Spiegel Bildebene Weltpunkt f

25 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 25/36 Aufbau zwei Möglichkeiten: Glaskugel Glasröhre v p

26 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 26/36 Reflexionen v p schwarze Nadel

27 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 27/36 Alternative bei Reflektionen v paraboloider Spiegel CCD-Element telezentrische Linse

28 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 28/36 Übersicht Biologie Omnivision-Systeme Fixed Viewpoint Contstraint Eigenschaften catadioptischer Systeme Panoramabilder Anwendungen in der Robotik

29 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 29/36 Panoramabilder Omnidirektional Panorama 359° 180° 0° 0°180°

30 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 30/36

31 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 31/36

32 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 32/36 Panoramabildern Projektion auf Zylinder Interpolation Nearest Neighbour Bilineare Interpolation Bikubische Interpolation Filter Vorteile bei horizontal angewandten Filtern

33 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 33/36 Übersicht Biologie Omnivision-Systeme Fixed Viewpoint Contstraint Eigenschaften catadioptischer Systeme Panoramabilder Anwendungen in der Robotik

34 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 34/36 Anwendungen in der Robotik (1) Lokalisation Snapshot-Vergleich Feature-Extraktion (z.B. Symmetrie) Messgerät Drehungen Tiefenmessung (Stereo)

35 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 35/36 Anwendungen in der Robotik (2) Modellbildung meistens Aufnahmen an mehreren Orten danach Tiefenkarte dann Modell Überwachungskamera Tracking

36 Arbeitsbereich Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS Grundlagen omnidirektionaler Sichtsysteme Daniel Westhoff westhoff@informatik.uni-hamburg.de 36/36 Danke für die Aufmerksamkeit!