vor dem Start von callibrate
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220
doc/callibrate_scene_roadmap.md
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220
doc/callibrate_scene_roadmap.md
Normal file
@@ -0,0 +1,220 @@
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# Roadmap: Szenen-Kalibrierung der Board-/Loose-Marker (`callibrate_scene`)
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Status: **Vorschlag / zur Abstimmung**
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Ort der Arbeit: `pipeline/` (nicht `approbot-pipeline/`, das bleibt die eingefrorene Kopie)
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Datum: 2026-06-04
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> Eingearbeitete Entscheidungen:
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> 1. **Gelenkzustand UNBEKANNT** → wird mitgeschätzt (kein FK-Welt-Anker a priori).
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> 2. **Set-Definition direkt in `robot.json`** über ein optionales `"set"`-Feld je Marker.
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> Marker bleiben im bisherigen Format an ihrem Link. Gleiches `set` = ein starr zusammenhängendes
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> Objekt mit **fixen relativen Bezügen**. **Kein `set` = loser Marker** (fix, aber Lage z.Zt. unbekannt).
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> 3. **Welt = Roboter (Konvention 2)**, Roboter steht *nicht* bei 0/0/0.
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> 4. **Primär eine Aufnahme (7 Bilder)**, *ohne* zusätzliche Base-Marker; mehrere Posen als Fallback.
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> 5. **Ausgabe vorerst `robot.calibrated.json`** (Debugging); später in-place nach `robot.json`.
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## 0. Machbarkeit — Kurzurteil
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**Ja, machbar** — die anspruchsvollere Variante, weil der Gelenkzustand mitgeschätzt wird und es
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keinen a-priori Welt-Anker gibt (weder Board noch Arm). Vorgehen:
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> **Erst ankerlos rekonstruieren** (metrisch, aus der bekannten Marker-Größe), **dann den Roboter
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> in die Rekonstruktion einpassen** — der eingepasste Roboter definiert die Welt — **dann die Sets
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> einpassen** und die Marker-Positionen aktualisieren.
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Bausteine im Bestand: Per-Marker-PnP (`solve_single_marker_pose`), Eck-Triangulation
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(`3b_corner_marker_poses.py`), Bündelausgleichung (`3_multiview_bundle_adjustment_v5...`),
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FK + θ-Schätzung (`pose_estimation.py`, `robot_fk.py`), Kabsch-Fit (`rigid_transform_no_scale`).
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**Ein Beobachtbarkeits-Knackpunkt** für „eine Aufnahme genügt ohne Base-Marker" steht in §7 — er ist
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beherrschbar, aber bewusst zu entscheiden.
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## 1. Problem & Zielbild
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**Realität:** Höhe/Orientierung zwischen Board und Arm sind ungenau. Marker ~20–105 liegen fix,
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aber unbekannt: teils Board-Platte, teils darunterliegendes A0-Blatt, teils einzeln aufgeklebt.
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**Vertrauenswürdig:** die *interne Geometrie* der Roboter-Links und die *relativen Bezüge innerhalb
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jedes Sets* (beide in `robot.json` hinterlegt), sowie die *Marker-Kantenlänge* (25 mm → Maßstab).
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**Unbekannt:** Gelenkwinkel, Kamera-Posen, Platzierung jedes Sets, Lage jedes losen Markers.
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**Ziel:** Nach der Kalibrierung hat jedes Set (als starres Objekt korrekt platziert) und jeder lose
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Marker (einzeln vermessen) eine korrekte Pose in einem roboter-verankerten Weltsystem.
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### Marker-Klassen (aus dem `set`-Feld abgeleitet)
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| Klasse | Erkennung | bekannt | zu schätzen |
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| **Arm-Marker** (Roboter) | liegen an Arm-Links (Arm1…Finger) | Lage je Link | — definieren via Fit die Welt |
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| **Set-Marker** (starr) | `"set": "A0"`, `"set":"Brett"`, … | interne Relativlage (fix) | 6-DoF-Platzierung je Set |
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| **Lose Marker** | **kein** `set`-Feld | nur „fix vorhanden" | je Marker eigene 6-DoF-Pose |
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## 2. Set-Definition: `set`-Feld am Marker (kein Strukturumbau)
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Marker bleiben **wie bisher** in der `markers`-Liste ihres Links. Ein optionales `"set"` gruppiert sie:
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```jsonc
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"Board": {
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"parent": null, "mountPosition": [0,0,0], "mountRotation": [0,0,0],
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"markers": [
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{ "id": 210, "position": [ 20,-20,0.3], "normal": [0,0,1], "set": "A0" },
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{ "id": 211, "position": [250,-10,0.3], "normal": [0,0,1], "set": "A0" },
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{ "id": 215, "position": [250,-90,0.3], "normal": [0,0,1], "set": "Brett" },
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{ "id": 208, "position": [350,-90,0.3], "normal": [0,0,1], "set": "Brett" },
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{ "id": 205, "position": [750,-90,0.3], "normal": [0,0,1] } // kein set -> lose
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]
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}
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```
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- **Gleiches `set` ⇒ ein starres Objekt.** Die relativen Bezüge der Marker im Set gelten als **fix**;
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die Kalibrierung bestimmt nur die 6-DoF-Platzierung des ganzen Sets und schreibt die daraus
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resultierenden Positionen zurück (Format unverändert, relative Anordnung erhalten).
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- **Kein `set` ⇒ loser Marker.** Wird einzeln (Position + Normale + ggf. Spin) vermessen.
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- **Arm-Marker** brauchen kein `set`: ihr Link ist bereits ein starrer Körper und dient als
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Roboter-Referenz (sie werden *nicht* kalibriert, sondern definieren die Welt).
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- **Auto-Discovery** (Projekt-Konvention): Sets ergeben sich aus den `set`-Werten, nichts hartkodiert.
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Hinweis: `robot_fk.py` / `all_markers_world()` bleiben unverändert — das `set`-Feld ist reine
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Zusatzinfo, die nur der Kalibrier-Treiber auswertet.
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## 3. Algorithmus (Gelenkzustand unbekannt)
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### Phase A — Ankerlose, metrische Rekonstruktion
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1. **Detektion** (Schritt 1) → Ecken je Kamera.
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2. **Per-Marker-PnP** je Kamera aus der bekannten Marker-Größe (`SOLVEPNP_IPPE_SQUARE`) → volle
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Marker-Pose *relativ zur Kamera*. Kein Welt-Anker nötig.
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3. **Relativer Posen-Graph:** gemeinsam gesehene Marker verknüpfen Kamerapaare → Init aller Kamera-
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und Marker-Posen in einem *beliebigen* Szenen-Frame `S`.
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4. **Globale Bündelausgleichung** (scipy `least_squares`, Huber): verfeinert alle Kamera- und
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Marker-Posen über die Reprojektion aller Ecken. Maßstab fix durch Marker-Größe.
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→ konsistente, metrische 3D-Szene (Arm- **und** Set-/Loose-Marker) in `S`.
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### Phase B — Roboter einpassen = Welt definieren
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5. Arm-Marker per ID → Link zuordnen. **Fit** von Gelenkwinkeln θ **und** der Platzierung der
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FK-Wurzel in `S`, sodass `FK(θ)` der Arm-Marker die rekonstruierten Arm-Positionen trifft
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(erweitert `pose_estimation.py` um eine freie Wurzel-Platzierung statt fixer Identität).
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6. In das Weltsystem rücktransformieren. Welt-Ursprung = FK-Wurzel-Frame (= heutiges „Board"-Frame),
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Roboter sitzt mit dem fertigen θ darin — *nicht* bei 0/0/0 (§6).
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### Phase C — Set-Fit & Rückschreiben
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7. **Set-Marker (pro `set`):** Kabsch (`rigid_transform_no_scale`) bildet die **fixe interne Lage**
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auf die rekonstruierten Welt-Positionen ab → 6-DoF-Set-Platzierung → aktualisierte Positionen
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(= Platzierung ∘ interne Lage). Auch nicht gesehene Set-Marker erhalten so eine Position, sofern
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das Set über ≥3 nicht-kollineare Marker bestimmt ist.
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**Lose Marker:** triangulierte Pose direkt übernehmen.
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8. **Rückschreiben** nach `robot.calibrated.json` (Marker-Format unverändert, `set`-Felder erhalten)
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+ `calibration_report.json` (je Set die explizite Verschiebung/Verdrehung + RMS; je Marker Status).
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Nicht beobachtbare Größen → **`null`** (nie 0).
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### Fallback — mehrere Posen (statische Kameras)
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Mehrere Gelenkzustände bei festen Kameras: Kamera-Posen + Set-/Loose-Posen + Wurzel-Platzierung sind
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**geteilte** Unbekannte, je Pose ein eigener θ-Satz. Löst die §7-Schwächen vollständig auf.
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## 4. Eingaben & Ausgaben
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**Eingaben:** `robot.json` (Arm-Geometrie + `set`-Felder + fixe interne Set-Lagen);
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Szenen-Ordner mit `render_*.png` **oder** vorhandene `*_aruco_detection.json`.
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(Gelenkzustand wird NICHT benötigt.)
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**Ausgaben:** `robot.calibrated.json` (aktualisierte Marker-Positionen, Format wie bisher);
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`calibration_report.json` (je Set: Verschiebung/Verdrehung, RMS, #Kameras/#Marker, Status;
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je losem Marker: Pose oder `null`). Optional Viewer-Overlay Soll↔kalibriert.
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## 5. Neue / geänderte Dateien
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| Datei | Art | Inhalt |
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| `pipeline/calibrate_scene.py` | **neu** | Treiber: Auto-Discovery Kameras+Sets, Phase A→B→C, schreibt `robot.calibrated.json`+Report |
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| `pipeline/scene_reconstruct.py` | **neu** | Phase A: Per-Marker-PnP, Posen-Graph, globale BA (ankerlos) |
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| `pipeline/robot_register.py` | **neu** | Phase B: Fit θ + freie Wurzel-Platzierung (nutzt `robot_fk`) |
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| `pipeline/marker_sets.py` | **neu** | liest `set`-Felder aus `robot.json`; Klassifizierung Arm/Set/Lose |
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| `3b_corner_marker_poses.py` | **erweitern** | volle Marker-**Rotation** (Normale + Spin) aus 4 Ecken |
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| `pose_estimation.py` | **erweitern** | optionale freie Wurzel-Platzierung (für Phase B wiederverwendbar) |
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`2_estimate_camera_from_observations.py` / `robot_fk.py`: voraussichtlich **unverändert**.
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## 6. Weltursprung (Konvention 2, Roboter nicht bei 0/0/0)
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- Ursprung = FK-Wurzel-Frame (heute „Board"). Der Roboter sitzt mit seinem modellierten Versatz
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(`Base.jointToParent.origin` + Slider `x`) darin → **nicht** bei 0/0/0. Das deckt den Wunsch ab.
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- „Welt durch Roboter definiert" wird dadurch realisiert, dass die **Kalibrierung am Roboter
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verankert** (Fit θ + Wurzel-Platzierung über Arm-Marker), statt den Board-Markern zu vertrauen.
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Die Board-Positionen werden konsistent *neu* abgeleitet.
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- Der Kinematik-Baum bleibt unverändert. (Optionaler späterer Umbau „Base = Wurzel" möglich, aber
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für die Kalibrierung nicht nötig.)
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## 7. Beobachtbarkeit — Einzelaufnahme ohne Base-Marker (wichtig)
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Verifiziert an `robot.json`: `Base`, `Hand`, `Palm` haben **keine** Marker; erster markierter Link
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ist `Arm1`. Daraus folgt für EINE Pose mit unbekannten Gelenkwinkeln:
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- **Slider `x` und `Joint1 y` sind nicht von der absoluten Roboter-Platzierung trennbar** (2-DoF-
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Gauge-Freiheit): eine Verschiebung entlang der Schiene ≙ Änderung von `x`; eine Drehung um die
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`Joint1`-Achse ≙ Änderung von `y`. Die Set-/Loose-Marker erben diese 2 Freiheitsgrade.
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- **Gut bestimmt aus einer Pose:** `z, a, b, c, e` und damit die gesamte Szene *relativ*.
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Da Base-Marker mechanisch unerwünscht sind, der empfohlene Weg:
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- **Gauge per Konvention fixieren** (Default für Einzelaufnahme): `x`,`y` auf die gefittete
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Konfiguration / nominale Schienen-Null setzen und die Welt so definieren. Ergebnis ist
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**in sich konsistent** → für künftige Pose-Schätzung (Board als Anker) voll nutzbar; lediglich
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der *absolute* Schienen-Nullpunkt und die `Joint1`-Null sind dann Konvention, kein Messwert.
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- **Mehrere Posen** (Fallback), wenn die absolute Basis-Lage / absolute `x`,`y` wirklich gebraucht
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werden — das löst die 2 Freiheitsgrade vollständig auf.
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- *(optional, falls je möglich:* ein einzelner Base-/Schlitten-Marker würde Einzelaufnahme voll
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beobachtbar machen — derzeit zurückgestellt.)*
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QA: Reprojektions-RMS je Kamera; Set-Fit-Residuum (mm); Co-Visibility-Graph zusammenhängend?;
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≥3 nicht-kollineare Marker je Set; ≥2 Kameras je losem Marker (sonst Status `partial`/`unobserved`).
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## 8. Validierung (Sim zuerst)
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`pose.json` liefert in der Simulation GT-Gelenkwinkel **und** Kamera-Pos/Targets:
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1. Bekannte Sets künstlich verschieben/verdrehen → kalibrieren → Rück-Transform gegen Soll.
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2. Gefittete θ gegen GT-θ; gefittete Kamera-Posen gegen GT.
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3. Einzelaufnahme- vs. Mehrfach-Posen-Genauigkeit quantifizieren (belegt §7).
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4. Erst danach `data/recorded/`-Szenen.
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## 9. Phasen / Meilensteine
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- **P0 — `set`-Felder & Parser:** `set`-Felder in `robot.json` ergänzen; `marker_sets.py`
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(Arm/Set/Lose-Klassifizierung); FK-Welt-Positionen unverändert verifizieren.
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- **P1 — Ankerlose Rekonstruktion (Phase A):** Per-Marker-PnP + Posen-Graph + globale BA; gegen
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GT-Kamera-Posen (Sim) prüfen.
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- **P2 — Roboter-Registrierung (Phase B):** Fit θ + freie Wurzel-Platzierung; gegen GT-θ; §7-Gauge.
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- **P3 — Set-Fit & Rückschreiben (Phase C):** Kabsch + Loose → `robot.calibrated.json` + Report;
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Sim-Validierung mit künstlichem Offset.
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- **P4 — Mehrfach-Posen-Fallback.**
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- **P5 — Reale Szenen + Viewer-Overlay; danach in-place nach `robot.json`.**
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## 10. Verbleibende kleinere Punkte
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1. **Gauge-Konvention für Einzelaufnahme** (§7): `x`,`y` = gefittet, oder Schiene/`Joint1` auf
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nominal? (Beeinflusst nur den absoluten Nullpunkt, nicht die Set-Relativlagen.)
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2. **Set-Namensraum:** sind `set`-Namen global eindeutig oder pro Link? (Vorschlag: global, z.B.
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„A0", „Brett" — ein Set = ein physisches Objekt.)
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3. **Lose-Marker-Orientierung:** reicht Position + Normale, oder wird der Spin (Drehung um die
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Normale) gebraucht? (Bestimmt die nötige Genauigkeit von Phase C / 3b.)
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