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Verifizierung und Quantifizierung von Einflussgrößen auf die Genauigkeit hochgenauer optischer 3D-Messsysteme

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

In Zusammenarbeit mit AICON, Braunschweig und G2 Metric, Frankreich

Abstract


Veröffentlichungen/Publications

Die Entwicklung hochgenauer optischer 3D-Messsysteme steigt mit dem Anspruch an hohem Genauigkeitsniveau und Automationsgrad. Hierbei werden Ein- und Mehrkamerasysteme basierend auf digitalen Bildsensoren mit unterschiedlichen Beleuchtungs- und Projektionseinrichtungen in verschiedenen Konstruktionen angeboten. Diese Messsysteme erreichen hohe Messgenauigkeiten, die vor allem in industriellen Anwendungsgebieten gefordert sind. Die hohen Genauigkeiten sind vor allem ein Produkt der Weiter- und Neuentwicklung von Bildsensoren mit hoher Auflösung (z.B. Kodak DCS645M mit ProBack-Sensor 4072*4072 Pixel). In der Photogrammetrie können Messgenauigkeiten im Bereich von ca. 0.02mm bei einem Messvolumen von ca. 2m erreicht werden. Die Ergebnisse unterliegen komplexen Rechenalgorithmen und der Beziehung von Objektraum zu Bildraum.

Mit dem Einsatz dieser optischen Messsysteme, vor allem in der Industrie, bedarf es der Abnahme und Überwachung der Systeme anhand einer einheitlichen Richtlinie. Hierzu wurde bis 2002 die VDI/VDE Richtlinie 2634 erstellt. Die richtlinienbasierte Abnahme und Überwachung der auf dem Markt befindlichen optischen 3D-Messsysteme wird zunehmend, sowohl bei Herstellern als auch Anwendern, eingesetzt. Hierzu werden an verschiedenen Orten Testkörper anhand der Vorgaben der Richtlinie konstruiert und installiert. Diese Testkörper enthalten kalibrierte Referenzlängen, die das Gütekriterium der Richtlinie bestimmen und die Rückführbarkeit gewährleisten. Die geforderten Genauigkeiten im Bezug auf die VDI/VDE Richtlinie und der gesetzten Spezifikationen des Messsystems können in vielen Fällen bereits nachgewiesen und reproduziert werden.

Die statistische Analyse der richtlinienbasierten Datensätze zeigt jedoch Restfehler auf, die nicht eindeutig spezifizierbar sind. Diese Restfehler sind längenabhängige Restunsicherheiten in den Längenmessabweichungen, die zurückgeführt werden können auf die Wechselwirkungen der unterschiedlichen Einflussfaktoren (Messsystem, Messumgebung, Temperatur, Auswertung, u.v.m). Zahlreiche Einflussparameter spielen hier eine große Rolle, deren einzelne Auswirkungen bisher nur wenig untersucht wurden. In ausschließlich praktischen Versuchen sind diese nicht unabhängig nachweisbar. Eine Vielzahl Veränderliche sind in praktischen Versuchen enthalten, die nicht komplett separierbar sind. Aufwendige Versuche unter gezielten Laborbedingungen sind zudem sehr unwirtschaftlich und zumeist nicht durchführbar aufgrund fehlender Laboreinrichtungen und fehlender optimaler Bedingungen.

Testkörper nach VDI/VDE
Detailaufnahme 2 Detailaufnahme 1

Testkörper nach VDI/VDE

Die Untersuchung der einzelnen Einfluss- faktoren wurde in verschiedenen Schritten realisiert. Zum einen wurde ein numerisches Simulationsverfahren entwickelt, mit dem die einzelnen Systemkomponenten speziell untersucht und analysiert werden können. Die Simulationen basieren hierbei auf realen Datensätzen, die von einem innerhalb des Projektes entstandenen Testkörper erstellt wurden. Der Testkörper diente als Verbindung der simulationsbasierten theoretischen Untersuchungen und der realen praktischen Messtechnik. Trotz der bestehenden Schwierigkeiten bezüglich der Bereitstellung geeigneter übergeordnet kalibrierter Referenzdaten ermöglichte das Simulations- verfahren die Analyse von Einflussfaktoren aus praktischen Messungen. Vielmehr noch, nur durch das Simulationsverfahren war es möglich die Parameter als Einzelgrößen zu betrachten.





Zum anderen sind praktische Untersuchungen zu Bildanalyseverfahren und verschiedenen Signalisierungsformen durchgeführt worden. Die durch die Simulationen gewonnenen Erkenntnisse wurden wiederum in praktischen Versuchen eingesetzt und somit von der Theorie in die Praxis umgesetzt.

Die Analysen ergaben wichtige Hinweise auf Teilkomponenten des photogrammetrischen Systems. So haben Bildmessungen aufgrund ihrer Messunsicherheit einen signifikanten Einfluss auf das Resultat. Dieses Ergebnis steht in strengem Zusammenhang zu der Erkenntnis, dass Systemmaßstäbe Auslöser für längenabhängige Restunsicherheiten innerhalb photogrammetrischer Auswertungen sind. Aufgrund der mit Messungenauigkeiten belasteten Bildpunktmessung der abgebildeten Objekt- und Maßstabspunkte und der Festlegung der 3D-Strecke zwischen den durch die optische Messtechnik bestimmten Maßstabspunkten kommt es zu starken Widersprüchen bei der Systemauswertung. Das System wird durch die Bündelausgleichung und die Systemfestlegung so beeinflusst, dass sich Trends ergeben. Die Messergebnisse, die Längenmessabweichungen als Kriterium für die äußere Systemgenauigkeit sowie die innere Systemgenauigkeit, liegen dennoch innerhalb der erwarteten Genauigkeitsbereiche. Die simulationsbasierten Untersuchungen legten mögliche Genauigkeits- und Zuverlässigkeitssteigerungen durch eine Mehrfach-Erfassung dar. Hierbei konnten auch Trendminimierungen festgestellt werden. Die Ergebnisse konnten anhand praktischer Versuche im Hinblick auf die innere Systemgenauigkeit nachgewiesen werden. Diese Erkenntnisse geben wichtige Hinweise für die Verwendung bestimmter Digitalkameras und Aufnahmeverfahren für die photogrammetrische Objekterfassung und -auswertung.

Eine Lösung der Spannungen von taktil gemessenen Maßstabslängen und der 3D-Messung mittels optischer Messtechnik kann ggf. in Zukunft besser gelöst werden. Aufgrund der immer stärker aufkommenden Lasertracker-Technik bieten sich flexible Messsysteme zur Kalibrierung von Referenzobjekten für die Photogrammetrie mit hohen Genauigkeiten, wie sie sonst nur durch Koordinatenmessmaschinen gegeben sind. Die Entwicklung und Genauigkeitssteigerung auf diesem Gebiet gibt Hoffnung auf die Vor-Ort-Bereitstellung kalibrierter Koordinaten, die ggf. sogar ein höheres Genauigkeitsniveau bereitstellen, als es durch Photogrammetrie möglich ist.

Die Untersuchungen zu den Bildmessverfahren entsprachen noch nicht den Erwartungen. Es konnte festgestellt werden, dass die heute auf dem Markt verfügbaren Ellipsenoperatoren innerhalb der Messgenauigkeiten vergleichbare Ergebnisse liefern. Es traten jedoch starke Klaffungen im Vergleich zu Template-Matching-Verfahren auf, was neue Fragen aufwirft.

Allein die Erkenntnisse der während des Projektes angestrengten Untersuchungen geben neue Ideen und Fragestellungen für weiterführende Arbeiten. Die Untersuchungen wurden zurzeit nur für hochauflösende Digitalkameras und deren Einsatz nach VDI/VDE 2634 durchgeführt. Ähnliche Ergebnisse und Probleme sind aber auch übertragbar auf viele Anwendungen, die auf gleichen funktionalen Modellen basieren. Für die einzelnen eingesetzten Messsysteme und Spezifikationen bedarf es dann aber noch der Anpassung der Analyseverfahren.

Abschließend kann vermekrt werden, dass das Forschungsprojekt zu einem positiven Abschluss gebracht werden konnte, es zeigten sich viele Aspekte, die darauf schließen, dass noch viel Forschungspotential für die optische 3D-Messtechnik vorliegt.


Abstract:

Verification and Quantification of influences on the accuracy of high-precise optical 3D measuring systems
Within this project several influences that affect the photogrammetric process will be investigated. Various results of camera modelling show remaining influences which need to be modelled for verification purposes. The effect of different illumination techniques like infrared lightning on the geometric figure are unsufficiently known. Another project part will be the research on measuring algorithms like ellipse fitting and Template Matching. Most influences are already described in different research projects but need to be verified for nowadays used techniques. For these research purposes the Monte-Carlo-Method will be used. Cognitions and solutions on various uncertainties are expected applying this method to the research content.

For further description and results please take the possabiliy of paper-download below.

Veröffentlichungen/Publications:

Hastedt, H.,Luhmann, T., Tecklenburg, W. (2004): "Modellierung hochauflösender digitaler Kameras im Hinblick auf ihre Verifizierung nach VDI/VDE 2634"; Luhmann (ed.): Photogrammetrie, Laserscanning, Optische 3D-Messtechnik - Beiträge der 3. Oldenburger 3D-Tage, Wichmann Verlag, Heidelberg. [pdf-1.06 MB]

Hastedt, H. (2004): "Monte-Carlo-Simulation in Close-Range Photogrammetry"; Proceedings 20th ISPRS Congress, Istanbul, Turkey, 2004, in: The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Science, Vol. 35. [pdf-335 KB]

Hastedt, H.,Luhmann, T., Tecklenburg, W. (2004): "Bestimmung von Einflussgrößen in der Nahbereichphotogrammetrie mittels Monte-Carlo-Simulation"; Publikationen der DGPF, Band 16, Halle. [pdf-319 KB]

Hastedt, H., Luhmann, T., Tecklenburg, W. (2005):"Simulationsbasiertes Systemdesignfür die optische Messtechnik nach VDI/VDE 2634"; Publikationen der DGPF, Band 14, Eckhard Seyfert (Hrsg) [pdf-323 KB]

Kurzbeschreibung des Projektes [pdf-257 KB]

 

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