DE102005043070B4 - Method for high-precision three-dimensional measurement and / or reconstruction of objects with the aid of digital image recordings, for example for image evaluation of traffic routes - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur hochgenauen dreidimensionalen Vermessung und/oder Rekonstruktion von Objekten mit Hilfe digitaler Bildaufnahmen, beispielsweise zur Bildauswertung von Verkehrsstrecken, bei dem mit einer vor Erstanwendung einmalig hinsichtlich der Parameter zu kalibrierenden Kamera zumindest zwei digitale Bilder von dem Objekt unter gleichzeitiger Abbildung eines in die Objektansicht eingefügten Referenzelementes bekannter Geometrie aus unterschiedlichen Kamerapositionen aufgenommen werden, bei welchem in der Auswertung der aufgenommenen Bilder vom Objekt für dessen dreidimensionale Vermessung bzw. Rekonstruktion jeweils das Referenzelement bestimmt wird, bei dem in den aufgenommenen Bildern jeweils der oder die Bildpunkte des oder der auszuwertenden Raumpunkte sowie anschließend unter Berücksichtigung der ermittelten dreidimensionalen Kamerapositionen der aufgenommenen Bilder der oder die auszuwertenden Raumpunkte selbst bestimmt werden und bei dem im Falle der Rekonstruktion des Objekts die 3D-Koordinaten des oder der auszuwertenden Raumpunkte bzw. im Falle der Vermessung der oder die ermittelten Abstände zwischen den auszuwertenden Raumpunkten berechnet werden, dadurch gekennzeichnet, – dass zur Aufnahme der zumindest zwei digitalen Bilder vom Objekt ein planares Viereck als Referenzelement in die Objektansicht eingefügt wird, – dass bei der Auswertung der aufgenommenen digitalen Bilder die Bildkoordinaten der Eckpunkten des jeweils abgebildeten planaren Vierecks bestimmt werden, – dass von jedem aufgenommenen digitalen Bild die Positionen der Eckpunkte des planaren Vierecks in jeweils vom Kamerastandpunkt der Bildaufnahme spezifischer 3D-Koordinatendarstellung ermittelt werden, indem die 3D-Koordinaten dieser Eckpunkte bezogen auf das jeweilige Kamerazentrum euklidisch hergestellt werden und – dass aus diesen jeweils vom Kamerastandpunkt der Bildaufnahmen spezifischer 3D-Koordinaten der Eckpunkte des planaren Vierecks die dreidimensionalen Kamerapositionen der Bildaufnahmen ermittelt werden, indem mit diesen 3D-Koordinaten der Eckpunkte für je zwei Bilder eine optimierte Transformation berechnet wird, welche 3D-Punktkorrespondenzen zwischen den Kameras nur durch Translation und Rotation ineinander überführt, wobei eine Repräsentation der Transformation mit dualen Einheitsquaternionen verwendet wird, so dass durch ...Method for high-precision three-dimensional measurement and / or reconstruction of objects with the aid of digital image recordings, for example for image evaluation of traffic routes, where at least two digital images of the object are inserted into the object view with a camera to be calibrated once prior to the first use with respect to the parameters Reference element of known geometry from different camera positions are recorded, in which in each case the reference element is determined in the evaluation of the recorded images of the object for its three-dimensional measurement or reconstruction, in which in each of the images taken or the pixels of the spatial points to be evaluated, and then taking into account the determined three-dimensional camera positions of the recorded images, the space point or points to be evaluated are themselves determined and in the case of the reconstruction of the obj the 3D coordinates of the spatial point (s) to be evaluated or, in the case of the measurement, the distance (s) determined between the spatial points to be evaluated, characterized in that - to capture the at least two digital images of the object, a planar quadrangle as the reference element in the object view is added - that in the evaluation of the recorded digital images, the image coordinates of the vertices of each imaged planar quadrilateral are determined, - that are determined from each recorded digital image, the positions of the vertices of the planar quadrilateral in each of the camera viewpoint of the image acquisition specific 3D coordinate representation in that the 3D coordinates of these vertices are produced Euclidean relative to the respective camera center, and that the three-dimensional camera positon from these in each case from the camera viewpoint of the image recordings of specific 3D coordinates of the corner points of the planar quadrilateral an optimized transformation is calculated using these 3D coordinates of the vertices for every two images, which converts 3D point correspondences between the cameras by translation and rotation only, using a representation of the transformation with dual unit quaternions, so that through ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur hochgenauen dreidimensionalen Vermessung und/oder Rekonstruktion von Objekten mit Hilfe digitaler Bildaufnahmen unter minimalem Aufwand, beispielsweise zur Bildauswertung von Verkehrsstrecken. Häufig müssen von Szenarien, nicht nur bei Unfallgeschehen, geometrischen Erfassungen etc., Bilder aufgenommen werden, aus denen ein oder mehrere Einzelobjekte bzw. Bildpunkte in ihrer Position (Rekonstruktion) und/oder in ihrer relativen Lage zueinander (Vermessung) bestimmt werden, wobei eine möglichst exakte Koordinatenerfassung von entscheidender Bedeutung für den Zweck der Bildauswertung ist.The invention relates to a method for highly accurate three-dimensional measurement and / or reconstruction of objects using digital image recordings with minimal effort, for example for image analysis of traffic routes. Frequently, scenarios, not only in the case of accidents, geometric acquisitions, etc., must be used to record images from which one or more individual objects or pixels are determined in their position (reconstruction) and / or in their relative position relative to one another (measurement) As exact as possible coordinate detection is of crucial importance for the purpose of the image analysis.

Die Anwendbarkeit der Erfindung erstreckt sich auf Rekonstruktion und Vermessung beliebiger abgebildeter Raumpunkte in Außen- wie auch Innenbereichen.The applicability of the invention extends to reconstruction and measurement of any mapped room points in outdoor as well as indoor areas.

Stand der TechnikState of the art

Es existieren Verfahren zur dreidimensionalen Rekonstruktion von Oberflächen, die sich der Projektion von Lichtmustern auf das zu rekonstruierende Objekt bedienen (beispielsweise DE 197 38 480 C1 ). Diese Verfahren erfordern aufwendige und teure Apparaturen, sind umständlich in Bedienung und Auswertung und erlauben im Allgemeinen nur eine ungenaue Auswertung auf Grund von Störungen der Lichtmuster sowie der Erkennung derselben in realen Umgebungen. Eine Anwendung im Außenbereich ist deshalb höchst eingeschränkt.There are methods for the three-dimensional reconstruction of surfaces that use the projection of light patterns on the object to be reconstructed (for example DE 197 38 480 C1 ). These methods require complex and expensive equipment, are cumbersome in operation and evaluation and generally allow only an inaccurate evaluation due to disturbances of the light pattern as well as the detection of the same in real environments. An outdoor application is therefore extremely limited.

Weiterhin sind Verfahren bekannt (z. B. US 6,348,918 B1 ), die bei der 3D-Rekonstruktion aus digitalen Bildaufnahmen die vollständigen Projektionsmatrizen der Kameras als bekannt voraussetzen und diese in die Berechnung einbeziehen. Damit erfordert die exakte Bestimmung der vollständigen Kameramatrizen ggf. einen sehr hohen verfahrenstechnischen Aufwand (im Patent wurde auch nicht offenbart wie die vorgegebenen Matrizen zustande kommen) sowie Methoden, auf die im speziellen Fall ebenfalls nicht eingegangen wird. Zudem kommen im konkreten Fall auf Schätzung basierende iterative Verfahren zum Einsatz, die keine Aussagen über Terminierung, Genauigkeit der Berechnung, Fehleranfälligkeit und Rechenzeit zulassen.Furthermore, methods are known (eg. US 6,348,918 B1 ), which in the 3D reconstruction from digital image recordings presuppose the complete projection matrices of the cameras as known and include them in the calculation. Thus, the exact determination of the complete camera matrices possibly requires a very high procedural effort (in the patent was also not disclosed how the given matrices come about) and methods that will not be discussed in the specific case also. In addition, estimation-based iterative methods are used in the specific case, which do not allow statements about termination, accuracy of calculation, error rate and computation time.

Es sind auch Verfahren bekannt (z. B. EP 1 098 268 A2 ), in denen eine auf einer Vorrichtung nur in bestimmten Richtungen bewegliche Kamera genutzt wird, um mehrere Aufnahmen und Informationen über die Kamerapositionen zu erhalten. Diese erfordern neben der Kamera eine zusätzliche Apparatur, die zudem sehr exakt arbeiten muss und deren Parameter sich sehr genau bestimmen lassen müssen, wodurch insbesondere ein hoher technisch-ökonomischer und Installationsaufwand entsteht. Außerdem ist diese Methode der 3D-Vermessung/-Rekonstruktion bei größeren Abständen (etwa in Außenbereichen) zwischen Messobjekt und Kamera sehr ungenau, da die Disparitäten korrespondierender Bildpunkte zu gering und damit sehr anfällig gegenüber Störungen sind.Methods are also known (e.g. EP 1 098 268 A2 ), in which a camera movable on a device in only certain directions is used to obtain several shots and information about the camera positions. These require in addition to the camera an additional apparatus, which also has to work very accurately and their parameters must be determined very accurately, which in particular creates a high technical-economic and installation effort. In addition, this method of 3D measurement / reconstruction at larger distances (such as in outdoor areas) between the object to be measured and the camera is very inaccurate, since the disparities of corresponding pixels are too small and thus very susceptible to interference.

Des weiteren lassen einige Verfahren (beispielsweise WO 99/36884 A1 ) 3D-Vermessung nur sehr eingeschränkt zu. Im konkreten Beispiel muss die zu vermessende Strecke gar kollinear zu einer Strecke bekannter Länge sein, was für allgemeine Vermessungsaufgaben nicht praktikabel ist.Furthermore, some methods (for example WO 99/36884 A1 ) 3D measurement only very limited. In the concrete example, the track to be measured must even be collinear to a track of known length, which is not practical for general surveying tasks.

Andere Verfahren (z. B. Z. Zhang: A flexible new technique for camera calibration – IEEE Transactions an Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol. 22(11), 2000, S. 1330–1334) verwenden iterative nicht-lineare Optimierung zur Berechnung der externen Kameraparameter und liefern somit Ergebnisse ohne Aussagen über deren Genauigkeit bzw. Güte.Other methods (eg BZ Zhang: A Flexible New Technique for Camera Calibration - IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol. 22 (11), 2000, pp. 1330-1334) use iterative nonlinear optimization to calculate the external Camera parameters and thus deliver results without statements about their accuracy or quality.

Die US 6,621,921, B1 offenbart ein Bildverarbeitungsverfahren zur Vermessung dreidimensionaler Objekte. Das Objekt mit unbekannten Abmessungen wird zusammen mit einem bekannten Muster unter verschiedenen Blickrichtungen abgebildet. Anhand bekannter räumlicher Beziehungen ausgewählter Punkte des Musters lassen sich mit Hilfe verschiedener Koordinatensysteme, die ineinander umgerechnet werden, die unbekannten Abmessungen des Objektes ermitteln. Dabei werden separate Koordinatensysteme, für eine linke und eine rechte Kamera der Bildverarbeitungsvorrichtung jeweils bezogen auf ein Referenzkoordinatensystems berechnet, womit mindestens zwei Berechnungsvorgänge erforderlich werden.The US 6,621,921, B1 discloses an image processing method for measuring three-dimensional objects. The object of unknown dimensions is mapped together with a known pattern in different directions. On the basis of known spatial relations of selected points of the pattern, the unknown dimensions of the object can be determined by means of various coordinate systems which are converted into each other. In this case, separate coordinate systems are calculated for a left and a right camera of the image processing device in each case based on a reference coordinate system, whereby at least two calculation processes are required.

Aus der DE 197 46 942 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung von Korrekturfaktoren für auf die Bearbeitung von Videosignalen basierenden Messsystemen bekannt. Anhand der dort vorgeschlagenen Musterstruktur wird ein Koordinatensystem etabliert. Erfasste und auf dieses Koordinatensystem bezogene Messpunkte werden mit einer Videokamera abgeglichen und Korrekturfaktoren ermittelt, wobei der konkrete Verfahrensablauf nicht Gegenstand der Offenbarung ist.From the DE 197 46 942 A1 A method is known for determining correction factors for video signal processing based measuring systems. Based on the pattern structure proposed there, a coordinate system is established. Recorded and related to this coordinate system measurement points are compared with a video camera and determined correction factors, the specific process is not the subject of the disclosure.

Aufgabenstellungtask

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein universell anwendbares und schnelles nicht pro-babilistisches Verfahren zur 3D-Vermessung und/oder -Rekonstruktion von Objekten zu schaffen, welches mit geringem ökonomischen und verfahrenstechnischen Aufwand, insbesondere einfach zu realisierenden Bildaufnahme- und Auswertebedingungen ohne besondere Anforderungen an die Objekte, verlässliche sowie gegen Störungen bei der Bildaufnahme weitgehend unempfindliche (robuste) Daten hoher und diesbezüglich auch bewertbarer Genauigkeit liefert.The invention is based on the object to provide a universally applicable and fast non-pro-babilistic method for 3D measurement and / or reconstruction of objects, which with low economic and procedural effort, especially easy to implement image acquisition and evaluation conditions without any special requirements for the objects, reliable and robust against disturbances in the image acquisition largely robust (robust) data high and in this respect also assessable accuracy provides.

Erfindungsgemäß wird in die durch Kameraaufnahmen zu erfassende Szene (Objektansicht) ein spezielles planares Viereck, beispielsweise ein Quadrat, als Referenzelement mit bekannter Geometrie eingefügt, welches gemeinsam mit dem zu vermessenden bzw. zu rekonstruierenden Objekt zwecks dreidimensionaler Auswertung aus verschiedenen Blickwinkeln (Kamerapositionen) aufgenommen wird.According to the invention, a special planar quadrilateral, for example a square, is inserted as a reference element with known geometry into the scene to be detected by camera shots, which is recorded together with the object to be measured or reconstructed from different angles (camera positions) for the purpose of three-dimensional evaluation ,

Bei der Auswertung dieser einzelnen digitalen Bilder werden jeweils die Eckpunkte des besagten planaren Vierecks als Bildkoordinaten sowie in vom jeweiligen Kamerastandpunkt der Bildaufnahme spezifischer 3D-Koordinatendarstellung bestimmt. Aus diesen vom jeweiligen Kamerastandpunkt der einzelnen Bildaufnahme betrachteten 3D-Koordinaten werden unter Berücksichtigung zumindest zweier Bilder vom Objekt die 3D-Kamerapositionen der Bildaufnahmen als Grundlage für die an sich bekannte rechentechnische Auswertung der dreidimensionalen Vermessung bzw. Rekonstruktion des Objekts ermittelt.In the evaluation of these individual digital images, the vertices of the said planar quadrilateral are determined as image coordinates as well as in the specific camera coordinate point of view of the specific 3D coordinate representation. Taking into account at least two images of the object, the 3D camera positions of the image recordings are determined as the basis for the computationally known evaluation of the three-dimensional measurement or reconstruction of the object, taking into account the 3D coordinates considered by the respective camera viewpoint of the individual image acquisition.

Mit dem vorgeschlagenen Verfahren gelingt es, eine metrische 3D-Vermessung mit absolut minimaler Interaktion am Einsatzort und bei der Nachbereitung am Rechner zu realisieren und dabei mathematisch stabile sowie gegen Fehler robuste Ergebnisse zu liefern, die im Hinblick auf Ihre Genauigkeit bewertbar sind. Erreicht wird dies durch eine semantisch zweckmäßige Separierung des Problems (monokulare Rekonstruktion-Euklidische Transformation-Rekonstruktion). Infolge dieser Aufgliederung erhält man mathematisch und vom Verfahrensaufwand jeweils bestmöglich beherrschbare Teilprobleme, kann diese direkt und stabil lösen (jeweils Lösungen im Sinne kleinster Fehlerquadrate) und beherrscht damit das gesamte Verfahren, welches somit hochgenau und unempfindlich gegen Störungen ist. Erforderliche Eingangsgrößen, wie Kameraparameter und Koordinaten des Vierecks, müssen nur einmal, sofern nicht durch Herstellerangaben bekannt, im Labor ermittelt werden (Kalibrierung). Die Interaktion am Vermessungs- bzw. Rekonstruktionsort beschränkt sich auf das Platzieren des besagten Referenzelementes (planares Viereck), so dass neben dem Bedienungsaufwand (Handling) auch der technische Aufwand minimal ist. Das Verfahren ist universell einsetzbar, sowohl im Außen- wie im Innenbereich, und stellt keinerlei Bedingungen an das zu vermessende bzw. zu rekonstruierende Objekt.With the proposed method, it is possible to realize a metric 3D measurement with absolutely minimal interaction at the place of use and in the postprocessing on the computer and thereby to provide mathematically stable and error-robust results that can be evaluated with regard to their accuracy. This is achieved by a semantically appropriate separation of the problem (monocular reconstruction-Euclidean transformation reconstruction). As a result of this breakdown obtained mathematically and the process costs each best possible controllable sub-problems, this can solve directly and stably (each solutions in terms of least squares) and thus dominates the entire process, which is thus highly accurate and insensitive to interference. Required input parameters, such as camera parameters and coordinates of the quadrilateral, need only be determined once in the laboratory (calibration) if not known by the manufacturer. The interaction at the measurement or reconstruction site is limited to the placement of the said reference element (planar quadrilateral), so that in addition to the operating effort (handling) and the technical complexity is minimal. The method can be used universally, both outdoors and indoors, and does not impose any conditions on the object to be measured or reconstructed.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment shown in the drawing.

Die Figur zeigt die Bildaufnahme einer auszuwertenden Szene, insbesondere eines in dieser zu vermessenden bzw. zu rekonstruierenden Objekts 1 jeweils aus verschiedenen Kamerapositionen 2, 3 (Bildaufnahmen des Objekts 1 aus unterschiedlichen Blickwinkeln). Im Überschneidungsbereich der durch Strahlengänge 4 bzw. 5 dargestellten Blickfelder der beiden aufzunehmenden Bilder ist eine dreidimensionale Auswertung möglich.The figure shows the image recording of a scene to be evaluated, in particular an object to be measured or reconstructed in it 1 each from different camera positions 2 . 3 (Image captures the object 1 from different angles). In the overlap area of the beam paths 4 respectively. 5 shown fields of view of the two images to be recorded is a three-dimensional evaluation possible.

In diesen durch die Strahlengänge 4 und 5 begrenzten gemeinsamen Szenenbereich der Bildaufnahmen wird erfindungsgemäß ein planares Viereck 6 als Referenzelement mit bekannter Geometrie platziert, welches gemeinsam mit dem Objekt 1 aus jeder Kameraposition 2, 3 durch eine aus Übersichtsgründen nicht dargestellte Kamera aufgenommen wird. Im dargestellten Beispiel wird das Referenzelement durch ein planares Quadrat realisiert. Dieses wird in relativer Lage so in den besagten Szenenbereich eingefügt, dass die Kamera zur späteren exakten Koordinatenbestimmung der in den auszuwertenden digitalen Bildern zu erfassenden Eckpunkte desselben bei der Bildaufnahme aus den Kamerapositionen 2, 3 jeweils möglichst steil auf das planare Viereck 6 gerichtet ist.In these through the beam paths 4 and 5 limited common scene area of the images is inventively a planar quadrilateral 6 placed as a reference element with known geometry, which together with the object 1 from every camera position 2 . 3 is recorded by a camera, not shown for reasons of clarity. In the example shown, the reference element is realized by a planar square. This is inserted in a relative position in the said scene area, that the camera for the later exact coordinate determination to be detected in the evaluated digital images vertices of the same in the image recording from the camera positions 2 . 3 each as steep as possible on the planar quadrangle 6 is directed.

Nach Aufnahme des Szenenbereiches einschließlich des Referenzelements in mindestens zwei digitalen Bildaufnahmen erfolgt die Auswertung derselben am Rechner. Dazu werden in den Bildaufnahmen die Bildpunkte der Eckpunkte des planaren Vierecks 6 und die Bildpunkte der zu rekonstruierenden bzw. zu vermessenden Punkte durch manuelle Anwahl oder teilautomatisiert mit Hilfe von farbigen Markierungen der Eckpunkte des planaren Vierecks 6 ermittelt. Mit den Bildkoordinaten der Eckpunkte des planaren Vierecks 6 und dessen bekannter Geometrie als Eingaben werden über die monokulare Rekonstruktion (vgl. K. Voss, R. Neubauer, M. Schubert: Monokulare Rekonstruktion für Robotvision – Verlag Shaker, Aachen, 1995, S.76 ff.) die 3D-Koordinaten dieser Eckpunkte, bezogen auf das Kamerazentrum, euklidisch hergestellt. So erhält man je Bildaufnahme die exakten 3D-Eckpunktkoordinaten des planaren Vierecks 6 bezogen auf das jeweilige Kamerazentrum, indem man lediglich drei unkomplizierte lineare Gleichungssysteme löst. Mit diesen bildbezogenen 3D-Koordinaten der Eckpunkte des planaren Vierecks 6 lässt sich für je zwei Bilder eine Transformation berechnen, welche die 3D-Punktkorrespondenzen zwischen den Kameras nur durch Rotation und Translation ineinander überführt. Da in der Praxis immer Störungen auftreten, wird diese Transformation mit der Methode von Walker und Shao (M. W. Walker, L. Shao, R. A. Volz: Estimating 3D location Parameters using dual number quaternions – Computer Vision, Graphics and Image Processing: Image Under-standing, Vol. 54, 1991, S. 358–367) als beste Lösung im Sinne kleinster Fehlerquadrate bestimmt. Hierbei wird eine Repräsentation der Transformation mit dualen Einheitsquaternionen verwendet, die darin resultiert, dass für die optimale Lösung lediglich der Eigenvektor zum größten Eigenwert einer bestimmten Matrix ermittelt werden muss, also in der Lösung eines Eigenwertproblems, welches voll beherrschbar ist. Hat man diese Transformation (Rotation und Translation) zwischen den 3D-Punktkorrespondenzen zweier Aufnahmen bzw. Kameras ermittelt, dann sind dies gleichzeitig die Parameter für Rotation und Translation zwischen den Kameras, also deren externe Parameter. So setzt man ohne Beschränkung der Allgemeinheit das Zentrum des Weltkoordinatensystems in das Projektionszentrum der ersten Kamera und berechnet mit der erwähnten Methode Rotation und Translation der zweiten Kamera (oder bei mehreren Kameras jeder weiteren) bezüglich der ersten Kamera. Durch diese Berechnung sind die externen Parameter und somit die vollständigen Abbildungsmatrizen der Kameras bestimmt. Daraus kann unter Verwendung der Bildpunkte des oder der zu vermessenden bzw. zu rekonstruierenden Raumpunkte mit Standardverfahren (beispielsweise R. Hartley, A. Zisserman: Multiple View Geometry in Computer Vision, Second Edition – Cambridge University Press, Cambridge, 2002, S. 312 ff.) die Position des bzw. der entsprechenden Punkte im 3D-Raum durch an sich bekannte Triangulation berechnet werden, wozu lediglich die Singulärwertzerlegung einer Matrix durchgeführt werden muss, um wiederum die beste Lösung im Sinne der kleinsten Fehlerquadrate (aber hier für die 3D-Koordinaten) zu erhalten.After recording the scene area including the reference element in at least two digital image recordings, the same is done on the computer. For this purpose, the image points of the corner points of the planar quadrilateral are in the image recordings 6 and the pixels of the points to be reconstructed or measured by manual selection or semi-automated by means of colored markings of the corner points of the planar quadrilateral 6 determined. With the image coordinates of the vertices of the planar quadrilateral 6 and its known geometry as inputs are the monocular reconstruction (see K. Voss, R. Neubauer, M. Schubert: Monocular reconstruction for Robot Vision - Verlag Shaker, Aachen, 1995, p.76 ff.) The 3D coordinates of these vertices related to the camera center, Euclidian produced. Thus, the exact 3D vertex coordinates of the planar quadrilateral are obtained for each image acquisition 6 in relation to the respective camera center, by solving only three uncomplicated systems of linear equations. With these image-related 3D coordinates of the vertices of the planar quadrilateral 6 For every two images a transformation can be calculated, which converts the 3D point correspondences between the cameras only by rotation and translation. Since interference always occurs in practice, this transformation is done using the method of Walker and Shao (Walker, L. Shao, Mass., Volz: Estimating 3D location Parameters using dual number quaternions - Computer Vision, Graphics, and Image Processing: Image Under-standing , Vol. 54, 1991, pp. 358-367) as the best solution in terms of least squares. In this case, a representation of the transformation with dual unit quaternions is used, which results in that for the optimal solution only the eigenvector for the largest eigenvalue of a certain matrix has to be determined, ie in the solution of an eigenvalue problem which is fully controllable. If one has determined this transformation (rotation and translation) between the three-dimensional point correspondences of two exposures or cameras, these are at the same time the parameters for rotation and translation between the cameras, ie their external parameters. Thus, without limiting generality, the center of the world coordinate system is placed in the projection center of the first camera and, using the mentioned method, it calculates the rotation and translation of the second camera (or with several cameras of each other) with respect to the first camera. This calculation determines the external parameters and thus the complete image matrices of the cameras. This can be calculated using the pixels of the spatial point (s) to be measured or reconstructed using standard methods (for example R. Hartley, A. Zisserman: Multiple View Geometry in Computer Vision, Second Edition - Cambridge University Press, Cambridge, 2002, p. 312 et seq .) the position of the respective points in the 3D space can be calculated by triangulation known per se, for which only the singular value decomposition of a matrix has to be performed, in turn the best solution in terms of least squares (but here for the 3D coordinates ) to obtain.

Die eingesetzten mathematischen Verfahren (Lösung linearer Gleichungssysteme, Lösung eines Eigenwertproblems einer Matrix, Singulärwertzerlegung einer Matrix) sind voll beherrschbar, direkt zu lösen und stabil. Es wird, wie beschrieben, jeweils die beste Lösung im Sinne kleinster Fehlerquadrate berechnet.The applied mathematical methods (solution of linear equation systems, solution of an eigenvalue problem of a matrix, singular value decomposition of a matrix) are fully controllable, directly solvable and stable. It is, as described, each calculated the best solution in terms of least squares.

Sind die 3D-Koordinaten des oder der gesuchten Raumpunkte ermittelt, können auf einfache Weise bei Vermessung zwischen zwei Raumpunkten der Euklidische Abstand berechnet oder im Fall einer Rekonstruktion die 3D-Koordinaten erhalten werden.If the 3D coordinates of the one or more spatial points are determined, the Euclidean distance can be calculated in a simple manner when measuring between two spatial points, or the 3D coordinates can be obtained in the case of a reconstruction.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Objektobject
2, 32, 3
Kamerapositioncamera position
4, 54, 5
Strahlengangbeam path
66
planares Viereckplanar quadrilateral

Claims (5)

Verfahren zur hochgenauen dreidimensionalen Vermessung und/oder Rekonstruktion von Objekten mit Hilfe digitaler Bildaufnahmen, beispielsweise zur Bildauswertung von Verkehrsstrecken, bei dem mit einer vor Erstanwendung einmalig hinsichtlich der Parameter zu kalibrierenden Kamera zumindest zwei digitale Bilder von dem Objekt unter gleichzeitiger Abbildung eines in die Objektansicht eingefügten Referenzelementes bekannter Geometrie aus unterschiedlichen Kamerapositionen aufgenommen werden, bei welchem in der Auswertung der aufgenommenen Bilder vom Objekt für dessen dreidimensionale Vermessung bzw. Rekonstruktion jeweils das Referenzelement bestimmt wird, bei dem in den aufgenommenen Bildern jeweils der oder die Bildpunkte des oder der auszuwertenden Raumpunkte sowie anschließend unter Berücksichtigung der ermittelten dreidimensionalen Kamerapositionen der aufgenommenen Bilder der oder die auszuwertenden Raumpunkte selbst bestimmt werden und bei dem im Falle der Rekonstruktion des Objekts die 3D-Koordinaten des oder der auszuwertenden Raumpunkte bzw. im Falle der Vermessung der oder die ermittelten Abstände zwischen den auszuwertenden Raumpunkten berechnet werden, dadurch gekennzeichnet, – dass zur Aufnahme der zumindest zwei digitalen Bilder vom Objekt ein planares Viereck als Referenzelement in die Objektansicht eingefügt wird, – dass bei der Auswertung der aufgenommenen digitalen Bilder die Bildkoordinaten der Eckpunkten des jeweils abgebildeten planaren Vierecks bestimmt werden, – dass von jedem aufgenommenen digitalen Bild die Positionen der Eckpunkte des planaren Vierecks in jeweils vom Kamerastandpunkt der Bildaufnahme spezifischer 3D-Koordinatendarstellung ermittelt werden, indem die 3D-Koordinaten dieser Eckpunkte bezogen auf das jeweilige Kamerazentrum euklidisch hergestellt werden und – dass aus diesen jeweils vom Kamerastandpunkt der Bildaufnahmen spezifischer 3D-Koordinaten der Eckpunkte des planaren Vierecks die dreidimensionalen Kamerapositionen der Bildaufnahmen ermittelt werden, indem mit diesen 3D-Koordinaten der Eckpunkte für je zwei Bilder eine optimierte Transformation berechnet wird, welche 3D-Punktkorrespondenzen zwischen den Kameras nur durch Translation und Rotation ineinander überführt, wobei eine Repräsentation der Transformation mit dualen Einheitsquaternionen verwendet wird, so dass durch die Transformation die vollständigen Abbildungsmatrizen der Kameras mit den externen Parametern der Kameras bestimmt sind.Method for high-precision three-dimensional measurement and / or reconstruction of objects with the aid of digital image recordings, for example for image evaluation of traffic routes, where at least two digital images of the object are inserted with a camera to be calibrated once before the first use with the simultaneous image of one inserted into the object view Reference element of known geometry from different camera positions are recorded, in which in each case the reference element is determined in the evaluation of the recorded images of the object for its three-dimensional measurement or reconstruction, in which in each of the images taken or the pixels of the spatial points to be evaluated, and then taking into account the determined three-dimensional camera positions of the recorded images, the space point or points to be evaluated are themselves determined and in the case of the reconstruction of the obj the 3D coordinates of the spatial point (s) to be evaluated or, in the case of the measurement, the distance (s) determined between the spatial points to be evaluated, characterized in that - to capture the at least two digital images of the object, a planar quadrangle as the reference element in the object view is added - that in the evaluation of the recorded digital images, the image coordinates of the vertices of each imaged planar quadrilateral are determined, - that are determined from each recorded digital image, the positions of the vertices of the planar quadrilateral in each of the camera viewpoint of the image acquisition specific 3D coordinate representation in that the 3D coordinates of these vertices are produced Euclidean relative to the respective camera center, and that the three-dimensional camera positon from these in each case from the camera viewpoint of the image recordings of specific 3D coordinates of the corner points of the planar quadrilateral an optimized transformation is calculated using these 3D coordinates of the vertices for every two images, which converts 3D point correspondences between the cameras by translation and rotation only, using a representation of the transformation with dual unit quaternions, so that the transformation determines the complete imaging matrices of the cameras with the external parameters of the cameras. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur automatischen und exakten, in den digitalen Bildern subpixelgenauen, Bestimmung der Eckpunkte des planaren Vierecks dessen Ecken vorzugsweise farbig oder als Helligkeits- bzw. Graustufenwert markiert sind. A method according to claim 1, characterized in that for the automatic and exact subpixel accurate in the digital images, determination of the vertices of the planar quadrilateral whose corners are preferably colored or marked as brightness or gray level value. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als planares Viereck ein Quadrat, beispielsweise mit 1 m-Kantenlänge, vorgesehen ist.A method according to claim 1, characterized in that a square, for example with 1 m edge length, is provided as a planar quadrilateral. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des in die Objektansicht einzufügenden planaren Vierecks und/oder die Kamerapositionen für die Bildaufnahmen des Objekts so gewählt werden, dass die Kamera zur exakten Koordinatenbestimmung der in den auszuwertenden digitalen Bildern zu erfassenden Eckpunkte des planaren Vierecks bei der Bildaufnahme jeweils möglichst steil auf das planare Viereck gerichtet ist.A method according to claim 1, characterized in that the position of the planar quadrangle to be inserted into the object view and / or the camera positions for the image recordings of the object are selected so that the camera for exact coordinate determination of the to be evaluated in the digital images to be detected vertices of the planar quadrilateral is aimed as steeply as possible on the planar quadrilateral when taking pictures. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kamerapositionen zur Aufnahme der zumindest zwei digitalen Bilder vom Objekt in der Lage ihrer auf das Objekt gerichteten optischen Achse jeweils um einen Winkel von wenigstens 30° unterscheiden.A method according to claim 1, characterized in that the camera positions for receiving the at least two digital images of the object in the position of their directed on the object optical axis each differ by an angle of at least 30 °.
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