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Experimental and Theoretical Investigation of Correlating TOF-Camera Systems

Rapp, Holger

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Abstract

This thesis investigates Time-of-Flight (TOF) 3D imaging systems. A mathematical model is developed to predict the systematic errors and statistical uncertainties of such cameras. In order to determine the errors experimentally and to test the model, a custom experimental setup has been built for this work. Chapter 2 provides a detailed discussion of this experimental setup. Three camera systems are investigated experimentally: the PMD[vision] 19k, the SwissRanger SR-3000) and the Effector O3D. All cameras have a maximum measurement range of 7.5 m. This thesis discusses the experiments, the results and the implication of this tests and concludes with a critical discussion of the results. Possible ways to correct the revealed systematic errors is presented in the discussion. This work reveals three common systematic errors: the variation due to the anharmonic LED modulation provokes a periodic depth error of around 80-200 mm (depending on camera), the inhomogeneity of the pixels accounts for around 20 mm and the constant offset depending on the integration time was found to vary between 35-100 mm. The statistical variances at 30% of the maximum amplitude was found to be between 9 mm and 23 mm. Moreover, a technique to detect and remove overexposed pixels whenever possible is presented. With the proposed calibration, the absolute systematic error could be reduced in a sample calibration for the SwissRanger SR-3000 from maximal 300 mm (standard deviation: 40.81 mm) to below 16 mm (standard deviation: 3.16 mm) for all well exposed pixels. This work has been done within the framework of the Lynkeus-3D project (http://www.lynkeus-3d.de) supported by the BMBF (Bundesministerium für Bildung und Forschung) and in close cooperation with industry partners. The investigations of this work led to the detection and the mending of a construction error in one of the camera systems.

Translation of abstract (German)

Diese Arbeit untersucht Time-of-Flight (TOF, Flugzeit basierte) 3D Bildgebungssysteme. Sie enthält die Beschreibung des mathematischen Modells, das nötig ist um die systematischen Fehler und die statistischen Unsicherheiten solcher Kameras vorherzusagen. Um die Fehler experimentell zu bestimmen und um das Modell zu testen wurde für diese Arbeit ein Versuchsstand aufgebaut. Kapitel 2 enthält eine detaillierte Beschreibung dieses Aufbaus. Drei Kameras wurden experimentell untersucht: die PMD[vision] 19k, die SwissRanger SR-3000 und die Effector O3D Kamera. Alle Kameras haben einen maximalen Messbereich von 7,5 m. Diese Arbeit beschreibt die Experimente, die Ergebnisse und die sich daraus ergebenden Folgen und schließt mit einer ausführlichen Diskussion der Resultate. Möglichkeiten, die systematischen Fehler zu korrigieren werden in der Diskussion präsentiert. Diese Arbeit brachte drei gemeinsame systematische Fehler zutage: Die periodischen Abweichungen aufgrund der anharmonischen LED-Modulation erzeugt einen periodischen Fehler in der Tiefenmessung von ca. 80-200 mm (je nach Kamera); die Inhomogenität der Pixel verfälscht die Messung um ca. 20 mm und der von der Integrationszeit abhängige konstante Offset liegt zwischen 35 und 100 mm. Die statistischen Schwankungen bei 30% der maximaler Amplitude liegen zwischen 9 mm und 23 mm. Des weiteren wird eine Methode vorgestellt um, soweit technisch möglich, ?überbelichtete Pixel zu detektieren und zu entfernen. Mit der vorgeschlagenen Kalibration konnte der absolute systematische Fehler aller gut ausgeleuchteten Pixel der SwissRanger SR-3000 von maximal 300 mm (Standardabweichung: 40,81 mm) auf unter 16 mm (Standardabweichung: 3,16 mm) reduziert werden. Diese Arbeit entstand in enger Zusammenarbeit mit Industriepartnern im Rahmen des vom BMBF (Bundesministerium für Bildung und Forschung) getragenen Lynkeus-3D Projekts (http://www.lynkeus-3d.de). Die Untersuchungen dieser Arbeit führten zu der Entdeckung und Behebung eines Konstruktionsfehlers in einem der Kamera-Systeme.

Item Type: Master's thesis
Date Deposited: 29. Oct 2007 11:59
Date: 2007
Faculties / Institutes: Service facilities > Interdisciplinary Center for Scientific Computing
Subjects: 530 Physics
Uncontrolled Keywords: Flugzeitmessung , Swissranger , PMD , O3D , TOFTime-of-Flight , TOF , Swissranger , PMD , O3D
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