IAPG: Projekte

Modellierung von photogrammetrischen Bildsensoren und Überprüfung von optischen 3D-Messsystemen

AGIP-Projekt von W. Tecklenburg, Th. Luhmann und H. Hastedt

In Zusammenarbeit mit CERN, Schweiz und AICON, Braunschweig

Hochgenaue Messungen im Bereich der Photogrammetrie werden heutzutage im Allgemeinen mit marktüblichen hochwertigen Digitalkameras durchgeführt. Wichtig für die Bestimmung von Punkten ist vor allem die Geometrie der verwendeten Kamera. Standarmäßig werden hierbei Kamerakonstante (ck) und Hauptpunktlage (xh, yh), radial-symmetrische Objektivverzeichung (a1, a2, a3), Linsendezentrierungen und tangential-asymmetrische Verzeichnung (b1, b2) sowie Affinität und Scherung (c1, c2) erfasst.

Dass die Kameraparameter für einen gesamten Messzeitraum stabil bleiben ist unwahrscheinlich. Die Umgebungsbedingungen und Handhabung sowie Schwerkrafteinfluss auf Objektive in unterschiedlichen Aufnahmerichtungen verursachen Veränderungen in der Geometrie. Bildvariante Parameter, welche Änderung der Kamerakonstanten sowie die Änderung des Bildhauptpunktes beschreiben, werden in einem neuen funktionalen Ansatz als zusätzliche Parameter in einer Bündelausgleichung eingeführt. Sie beschreiben mögliche Veränderungen des Objektivs gegenüber des Sensors.

Zur Beschreibung der übrigen Parameter wird ein stützpunktbezogenes, rasterförmiges Korrekturgitter auf Basis der Finite-Elemente-Methode berücksichtigt, wobei die Gitterschnittpunkte die Korrekturwerte als ebene Vektoren aufnehmen.

Kodak DCS 460, 3060 x 2036 Pixel,9 µm Pixelgröße	Schema einer Digitalkamera mit eingeblendetem Korrekturgitter	3D-Testfeld zur Verifizierung optischer Messsysteme nach VDI 2634	Korrekturgitter für ProBack645M mit 35mm Objektiv

Während des Projektes wurden sinifikante Genauigkeitssteigerungen erzielt (s.u.). Durch die bildvariante Modellierung können Kamerainstabilitäten im Prozess der Bündelausgleichung modelliert und ein starker Einfluss der Kameraparameter auf das photogrammetrische Ausgleichungsergebnis aufgezeigt werden. Verschiedene Untersuchungen (siehe hierzu die Veröffentlichungen) verdeutlichen Gravitationseinflüsse, die sich über die Messreihen verfolgen lassen. Sie zeigen deutlich die Problematik heutiger moderner marktüblicher Technik, bei der eine Komponentenstabilität nicht gewährleistet werden kann. Stark variierende Sensor-Objektiv-Beziehungen können mit dem entwickelten erweiterten Kameramodell bestimmt werden. Durch die Modellierung der Sensoreigenschaften in einem Korrekturgitter auf der Grundlage der Finite-Elemente-Methode war es möglich auch starke Sensordeformationen u.a. durch Einfluss von Wärme aufzuzeigen. Das integrierte Finite-Elemente Korrekturmodell verdeutlicht die Resteinflüsse, die auf das photogrammetrische Bündel wirken. Hierbei ist die Reproduzierbarkeit eines Korrekturgitters für eine Kamera-Objektiv-Kombination unabhängig von dessen Bestimmung gezeigt worden.

Zur Verifizierung des Kameramodells dient ein 3D-Testfeld auf Basis der VDI-Richtlinie 2634. Anhand 16 übergeordnet koordinierter Referenzpunkte werden Testdaten unterschiedlicher Kameras anhand verschiedener Aufnahmekonfigurationen geprüft. Hierbei können erhebliche Genauigkeitssteigerungen durch den erweiterten Kameraansatz erzielt werden hinsichtlich

• innerer Genauigkeit und
• äußerer Genauigkeit

• relativer Genauigkeit von bis zu 1:110000
• vergleichsweise 1:55000 mit herkömmlichen Parametersatz.

Hochgenaue Systemprüfungen unterliegen zur Zeit noch dem Mangel an hochgenau und konstant vorliegenden Testumgebungen. Hohes Entwicklungspotential liegt in dem Bereich der Bereitstellung entsprechender Prüfmittel für die Optische 3D-Messtechnik und wird in weiterführenden Untersuchungen näher betrachtet.

Im Besonderen soll in weitergehenden Forschungen der Einfluss von Lichtverhältnissen und Punktoperatoren untersucht werden. Während des Projektes zeigten sich signifikante Unterschiede in den Messverfahren für Bildpunkte. Es sollen hierzu Testreihen für Ellipsenmessungen und Template Matching erzeugt werden. Unterschiedliche Messumgebungen, bedingt durch einen zwischenzeitlichen Umzug der Testumgebung, werfen neue Fragestellungen u.a. in Bezug auf Beleuchtungs- und Sinalisierungstechniken auf. Unter Laborbedingungen sollen auch hier unterschiedliche Techniken untersucht werden.

Die Projektergebnisse sind im Wesentlichen in den bereitgestellten Veröffentlichungen ausführlich dargelegt.

Abstract:

Camera Modelling and Verification of optical 3D measuring systems
Digital high-resolution consumer cameras are widely available, and are increasingly used in close-range photogrammetry. The mechanical construction of the cameras often do not match photogrammetric requirements, thus have to be modelled sufficiently. An approach for camera modelling is discussed that allows image-variant parameters of interior orientation. In addition a correction model based on finite elements is integrated that provides the correction of remaining errors in the sensor space (e.g. unflatness). All functional parameters are estimated simultaneously in a bundle adjustment. For further description and results please take the possabiliy of paper-download below.

Veröffentlichungen/Publications:

Luhmann, T., Tecklenburg, W. (2000): "Kameramodellierung mit bildvarianten Parametern und finiten Elementen"; Publikationen der DGPF, Band 9. [pdf-484 KB]

Luhmann, T., Tecklenburg, W., Hastedt, H. (2001): "Camera modelling with Image-variant Parameters and finite Elements"; Optical 3-D Measurement Techniques V, Wien. [pdf-91 KB]

Hastedt, H., Luhmann, T., Tecklenburg, W. (2002): "Image-variant interior Orientation and sensor modelling of high-quality digital cameras"; ISPRS, Comm. V, Corfu. [pdf-188 KB]

Kurzbeschreibung des Projektes [pdf-512KB]