DE10008520A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Gewinnung von Stereobildpaaren mit einer Rotationspanoramakamera für Anwendungen der Photogrammetrie und der Visualisierung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung in Form einer fotografischen Panoramakamera aus Meßkamerakopf und Rotationsantrieb mit bis zu 360 DEG rotierenden Objektiven und Bildsensoren zur Aufzeichnung von meßtechnisch in bekannter Weise weiter verarbeitbaren Stereobildpaaren für Anwendungen der Nahbereichsphotogrammetrie mit erfindungsgemäß vertikaler Stereobasis sowie ein Verfahren aus diesen primären Bildpaaren mit vertikaler Parallaxe sekundäre Stereobildpaare einer "Virtuellen Stereokamera" mit horizontaler Stereobasis zu generieren, die sich damit einer normalen visuellen Auswertung, d. h. der räumlichen Empfindung durch den Menschen bei der Betrachtung erschließen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung in Form einer fotografischen Panoramakamera aus Meßkamerakopf (10) und Rotationsantrieb (5) mit bis zu 360° rotierenden Objektiven und Bildsensoren zur Aufzeichnung von meßtechnisch in bekannter Weise weiter verarbeitbaren Stereobildpaaren für Anwendungen der Nahbereichsphotogrammetrie mit erfindungsgemäß vertikaler Stereobasis (A) sowie ein Verfahren aus diesen primären Bildpaaren mit vertikaler Parallaxe sekundäre Stereobildpaare einer "Virtuellen Stereokamera" mit horizontaler Stereobasis (B) zu generieren, die sich damit einer normalen visuellen Auswertung, d. h. der räumlichen Empfindung durch den Menschen bei der Bettachtung erschließen.

Stereoskopische Bildaufnahme- und Wiedergabeverfahren verfolgen seit der Erfindung der Photographie das Ziel, dem menschlichen Betrachter einen die Tiefenausdehnung der Objekte erfassenden räumlichen Bildeindruck zu vermitteln.

Das räumliche Sehen wird durch die Unterschiede der von beiden Augen aufgefangenen Bilder aufgrund der konvergenten Ausrichtung der beiden Strahlengänge auf das Objekt bei festem Basisabstand der Augen und der einer entsprechenden Verarbeitung der Signale im Gehirn ermöglicht. Die unterschiedliche Lage äquivalenter Bildpunkte in den beiden Teilbildern wird im allgemeinen als stereoskopische Parallaxe, die von der Objektentfernung, dem horizontalen Basisabstand der Augen bzw. der Objektive und der Tiefenausdehnung abhängt, bezeichnet.

Für die fotografische Aufnahme stereoskopischer Bilder werden seit der Frühzeit der Fotografie verschiedene Verfahren angewandt. Bekannte fotografische Kameras weisen zumeist zwei Objektive im durchschnittlichen Bassisabstand der menschlichen Augen auf. Statische Objekte können zeitlich nacheinander durch Translation einer üblichen Kamera mit nur einem Objektiv parallel zur horizontal liegenden Verbindungslinie der beiden menschlichen Augen aufgenommen werden.

Für Kameras mit nur einem Objektiv sind weiterhin sogenannte Stereo-Versätze bekannt, die eine Bildteilung in zwei nebeneinander auf dem Film bzw. einem elektronischen Bildsensor projezierte Stereoteilbilder bewirken. Desweiteren sind bildteilende Prismen und/oder Spiegelsysteme aus Gründen eines Filmtransportmechanismus vor allem für Laufbildverfahren bei Filmkameras und Projektoren bekannt, die mit nebeneinander angeordneten Aufnahmeobjektiven die Stereoteilbilder mit horizontaler Stereobasis umlenken und vertikal übereinander auf den Film abbilden. Bei der Wiedergabe werden diese Teilbilder mittel gegenläufigen Optiksystem mit horizontaler Parallaxe nebeneinander projeziert.

Die dargestellten bekannten Verfahren und Anordnungen zur Aufnahme vor Stereofotografien wurden bei Panoramakameras mit rotierenden Objektiven bzw. als ganzes rotierender Kamera analog angewandt.

Schon um 1890 konstruierte Jules Dames in Paris eine 360° "Cyclographe Camera" mit zwei nebeneinander liegenden und um eine gemeinsame Achse rotierenden Objektiven, Verschlußschlitzen und zwei Filmspulen. Desweiteren werden Stereopanoramen statischer Objekte mit einer auf einem Stativdrehteller rotierenden 360° Panoramakamera nach dem von normalen Kameras bekannten Translationsverfahren mit zwei nacheinander erfolgenden Aufnahmen von zwei um eine horizontale Stereobasis verschiedenen Kamerastandpunkten hergestellt.

Im Fotomagazin 11/1962 stellte die amerikanische Firma Globe eine Kleinbild-Weitwinkel-Stereokamera vor, die mit zwei nebeneinander rotierenden Objektiven im festen Basisabstand die zwei Stereoteilbilder scannerartig mit einem horizontalen Bildwinkel von 120° auf den in einer Doppelkurve gekrümmt liegenden Film nebeneinander aufzeichnet.

Neben Stereokameras die anfänglich Bilder zur reinen räumlichen Empfindung bei der visuellen Auswertung d. h. zur Betrachtung durch den Menschen aufnehmen sollten, wurden schon frühzeitig danach Kameras für den Zweck einer meßtechnischen Auswertung der Bilder zur Nutzung in der sich herausbildenden Nahbereichsphotogrammetrie entwickelt. Aufgrund der bis weit ins 20. Jahrhundert alleinig vorherrschenden optischen Verfahren der Bildwiedergabe, Bildrekonstruktion und Analyse kamen bei der Bildaufnahme die prinzipiell gleichen Geräteanordnungen und Aufnahmeverfahren wie für die bildmäßige Stereofotografie zum Einsatz.

Panoramakameras mit rotierender Optik und analoger Bildaufzeichnung auf fotografischem Film wurden für Zwecke der Nahbereichsphotogrammetrie vor allem wegen der bekannten prinzipbedingten einseitig starken tonnenförmigen Verzeichnung der Bilder und ihrer damit verbundenen schwierigen bzw. unmöglichen optischen Entzerrung für eine einfache und rationelle meßtechnischen Weiterverarbeitung der Bilder nicht verwendet. Die seit den siebziger Jahren zunehmende und heute ausschließlich vorherrschende digitale Bildverarbeitung bei der Auswertung von Bildern in der Nahbereichsphotogrammetrie führte zum Bestreben digitale Kameras zur direkten Bildaufnahme einzusetzen, und damit das im Hybridprozeß nötige Scannen der Filme zu erübrigen und eine durchgängigen digitalen Bildmeß- und Auswerteprozeß zu schaffen.

Die digitale Nahbereichsphotogrammetrie fußt gegenwärtig auf den Einsatz von Flächensensoren (fast ausschließlich CCD Matrizen). Damit wird, was die Auswertealgorithmen anbetrifft, nahtlos an die klassische Nahbereichsphotogrammetrie angeknüpft (z. B. Karl Kraus, Photogrammetrie, Band 1, Dümmler Verlag, Bonn). Da CCD-Matrizen größerer Dimension, ab 4000 × 4000 Bildpunkten, gegenwärtig sehr teuer sind, werden Verfahren entwickelt, um mit einer Vielzahl von digitalen Aufnahmen, basierend auf Kameras mit kleineren Flächensensoren und im unkalibrierten Zustand, eine 3D Auswertung des abgebildeten Objekts vorzunehmen. In der Diplomarbeit von Herrn Lisowski (Auswertung von Bilddaten eines Rotationszeilenscanners, TU Berlin 1997, und zum selben Thema: Wolfram Lisowski, Albert Wiedemann 18. Wissenschaftlich-Technische Jahrestagung der DGPF 14.-16. Oktober 1998, Publikationen der Deutschen Gesellschaft für Photogrammetrie und Fernerkundung Band 7 1999) wurde gezeigt, daß mit rotierenden Zeilenkameras Abbildungen gewonnen werden können, die eine photogrammetrische Auswertung ermöglichen. Selbes wurde auch in der Offenlegungsschrift DE 44 28 055 A1 von Ulrich Clauß nachgewiesen. Diesen Verfahren liegt die Idee zugrunde, von mehreren Orten Rotationsscanns durchzuführen. Die so gewonnen Bilder lassen sich photogrammetrisch auswerten. Der Vorteil dieser Rotationsscanns ist die Einsatzmöglichkeit von CCD- Zeilenkameras. CCD-Zeilen besitzen neben deutlichen Preisvorteilen auch um den Faktor 2-3 mal mehr Bildpunkte als die CCD-Matrix an Zeilen- oder Spaltenbildpunkteanzahl aufweist. Durch die definierte Rotationsbewegung wird die zweite Bilddimension erzeugt. So entstandene Bilder sind höherdimensional als vergleichbare Bilder von CCD-Matrixkameras. In den oben genannten Arbeiten werden die Kameras bei ihren Aufnahmen so angeordnet, daß Parallaxen in horizontaler Richtung auftreten: Der Nachteil ist, daß der Stereowinkel mit dem Scannwinkel variiert wird. Dies ist insofern ungünstig, weil zum Einen Divergenzen auftreten können (sobald die optischen Achsen bei den Stereoaufnahmen in einer Geraden liegen) und die Genauigkeit der Ergebnisse damit ebenfalls eine Funktion des Scannwinkels ist.

Das hier vorgeschlagene Verfahren weist den Vorteil auf, daß der Stereowinkel während eines vollen 360° Scanns konstant bleibt. Die klassischen Verfahren sind ebenso anwendbar, wenn die spezielle Aufnahmesymmetrie (Zylinderkoordinaten) berücksichtigt wird, wie den oben genannten Schriften.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bildaufnahme von Stereobildpaaren mittels scannerartiger Abtastung des umgebenden Raumes ist dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stereobilder mir einem bestimmten Basisabstand (A) übereinander parallel zur Rotationsachse (R) des aus Abbildungsoptik und Bildsensor gebildeten Messkamerakopfes in die Bildkoordinaten eines Hohlzylinders (Fig. 1, 2, 3 und 7) bzw. bei gegenüber der Rotationsachse geneigtem Sensor in die eines Kegelstumpfes (Fig. 5 und 6) aufgezeichnet werden.

Dabei kann die Vorrichtung aus jeweils zwei Objektiven (1 und 2) und einem geteilt genutzten Sensor (3.1/3.2) oder zwei Sensoren (3/1 und 3/2), die mir einem bestimmten Basisabstand (A) zueinander parallel zur Rotationsachse angeordnet sind, bestehen (Fig. 1 und 2). Dabei werden beide Stereoteilbilder Zeit- und winkelschrittsynchron aufgezeichnet, was die spätere Verarbeitung wesentlich vereinfacht. Vorzugsweise werden die beiden Objektive (1 und 2) mit ihren hinteren Hauptpunkten H1' und H2' als Projektionszentren in der Rotationsachse (R) angeordnet. Die Aufzeichnung des bis zu 360° großen Stereobildpaares kann auch zeitlich nacheinander erfolgen, indem die Vorrichtung so ausgeführt ist, daß das Objektiv (1) entweder parallel zur Rotationsachse (R) zur Einstellung des für die 3D-Aufnahmen notwendigen Basisabstandes (A) zusammen mit dem Sensor (3) verschoben wird (Fig. 4) oder nur das Objektiv (1) relativ zu einem auf einer gemeinsamen Fokalplatte montierten Doppelsensor beziehungsweise einem jeweils hälftig genutzten Sensor (3.1/3.2) parallel zur Rotaionsachse (R) verschoben wird (Fig. 3).

Die Verschiebung des Kamerakopfes (10) parallel zur Rotationsachse (R) zur Einstellung eines größeren Basisabstandes (A) bei einer Vorichtung entsprechend Ausführungsbeispiel (Fig. 4 und 5) wird vorzugsweise erfindungsgemäß mittels einer teleskopartigen Hohlachse (6) als Rotationsachse (R) realisiert.

Durch Kombination der Vorrichtungen (Fig. 5 und 6) mit einer Neigeeinrichtung (8) wird der vertikale Bildwinkelbereich der Kamera erweitert. Mit der Verschiebeeinrichtung (7) in (Fig. 6) wird die vorzugsweise Lage beider Hauptpunkte H1' und H2' in der Drehachse (R) nach Neigung des Kamerakopfes realisiert.

Bei gleichzeitiger synchroner Aufzeichnung der Teilbilder werden die Tubusräume zur Bildtrennung mittels einer Trennwand (4) zwischen den Objektiven und Sensoren bzw. Teilstücken der Sensoren getrennt (Fig. 1 und 2).

Bei Kombination der 3D-Bildaufzeichnung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (Fig. 7) mit einem vorzugweise in der Rotaionsachse (R) des Kamerakopfes (10) zwischen den beiden Objektiven (1 und 2) angeordneten, das Objekt bildsynchron abtastenden Laserscanner (9) zur direkten Entfernungsmessung von im Bild mitaufgezeichneten Referenzpunkten des Objektes, wird ein völlig neuartiges Meßsystem in der Photogrammetrie vorgestellt.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen vereinfachen auch bei alleiniger Anwendung zur Bildaufnahme für die meßtechnische Auswertung in der Nahbereichsphotogrammetrie den Aufnahmevorgang und den Aufwand für Korrekturrechnungen wesentlich bei gleichzeitiger Verminderung der Fehlerquellen der bekannten Verfahren mit Rotationskameras mit horizontaler Parallaxe bzw. Stereobasis.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Bei feststehendem Kamerakopf mit mindestens zwei vertikalen angeordneten Objektiven und vor dem Kamerakopf rotierenden Objekt sind prinzipiell mit der erfindugsgemäßen Vorrichtung und/oder dem erfindugsgemäßen Verfahren 3D-Bildaufzeichnungen zur Objektdigitalisierung realisierbar.

Die Stereobildpaare, die durch Anordnung (Fig. 1 bis 7) erzeugt werden, besitzen bei Berücksichtigung der vorher bestimmten Offsetwinkel α,β und der Parameter der Kalibrierung, das sind die realen Blickrichtungen eines jeden Pixels in der Fokalebene, eine Parallaxe in der Vertikalen. Dies ist einer Stereobetrachtung abträglich, da normaler Weise beim menschlichen Sehen die Parallaxen horizontal auftreten. Das reale Stereobildpaar läßt sich durch einen hier angegebenen Algorithmus in ein Stereobildpaar zweier virtueller Kameras, mit einem horizontal angeordneten Basisabstand von 2*B, oder in das einer Stereokamera, deren optischen Achsen der Stereoobjektive eben diesen Abstand 2*B besitzen, umrechnen. Dazu werden im realen Stereobildpaar die äquivalenten Bildpunkte durch bekannte automatische Korrelationsverfahren (Matchalgorithmen) ermittelt. Die Dimension der Stereobilder kann vorher durch eine Form der Makropixelbildung verkleinert worden sein, um die Bearbeitungszeiten einzuschränken oder um die in der Luftbildphotogrammetrie bekannten Verfahren pyramidialer Verarbeitung zur Anwendung zu bringen. Letztere sind vor allen Dingen dann effektiv, wenn die Bildkorrelationen räumlich inhomogen sind. Durch Einschränken der Bilddemension kann der Stereoeindruck der Betrachters unter Umständen erst möglich werden. Dies hängt vom Matchergebnis ab, d. h. wieviele Bildkorrelationen hergestellt werden konnten. Die Berechnung eines virtuellen Stereobildpaares, welches der Nutzer mit den üblichen Stereobetrachtungsverfahren, wie z. B. Anaglyphenverfahren, Polarisationsbrillen, Shutterbrillen, 3D Bildschirme, usw. ansehen kann, erfolgt für einen vom Nutzer vorgegebenen Scanbereich, mit der Bildzeilenanzahl N und dem dazugehörigen Scanwinkel ϕ. Die Bildkoordinaten i1',i2' (vertikale Richtung), j1',j2' (horizontale Richtung) des Stereobildpaares der virtuellen Stereokamera mit horizontaler Parallaxe ergeben sich für die Anordnungen (Fig. 1 bis 4) aus folgenden Beziehungen:

i1' = i2' = (i1 + i2)/(2cos(j*dϕ)) (1)

j1' = -B(i2 - i1)/(2A*cos(j*dϕ)) +f*tan(j*dϕ)/del (2)

j2' = B(i2 - i1)/(2A*cos(j*dϕ) +f*tan(j*dϕ)/del (3)

hierbei sind i1,i2 (vertikal) und j1,j2 (horizontal) die Bildkoordinaten des realen Stereobildpaares, B der horizontale Abstand der optischen Achsen der virtuellen Stereokamera und A der vertikale Abstand der realen Kamera gemäß Beschreibung (Fig. 1), i1, i2 und j sind die vertikalen bzw. horizontalen Bildkoordinaten der realen Zeilenkamera, wobei j die Werte im Intervall (-N/2,N/2) annehmen kann, dϕ das Winkelinkrement der Drehbewegung der Kamera und del ist der Abstand zweier benachbarter Bildpunkte in vertikaler bzw horizontaler Orientierung. Die entsprechenden Formeln für die Anordnungen (Fig. 5 und 6) ergeben sich in analoger Weise bei Berücksichtigung des Neigungswinkels der optischen Achsen. Eine zusätzliche Transformation liefert als Zwischenergebnis ein Stereobildpaar der Anordnungen (Fig. 1 bis 4). Durch die freie Wahl des Parallaxenparameters B können die Relieffunterschiede im Objektraum gegenüber dem menschlichen Sehen verstärkt oder abgeschwächt werden. Die in der Literatur (Lisowski, Clauß) angegebene Möglichkeit, mittels zweier zueinander horizontal verschobener Zeilenkameras Stereobildpaare zu erzeugen, läßt sich in selber Weise wie oben beschrieben simulieren, wenn die Anordnung (Fig. 1 bis 4) ein Stereobildpaar geliefert hat. i1, i2, j seien die Bildkoordinaten des vertikalen real aufgenommenen Stereobildpaares, dann ergeben sich für die Koordinaten i1',i2',j1',j2' des virtuellen Stereobildpaares der beiden Zeilenkameras mit horizontaler Parallaxe folgende Gleichungen:

j1' = arctan[(t*f*sin(j*dϕ) - B)/(t*f*cos(j*dϕ))]/dϕ (4)

j2' = arctan[(t*f*sin(j*dϕ) + B)/(t*f*cos(j*dϕ))]/dϕ (5)

i1' = -f*cos(j1'*dϕ))*(A+t*i1*del)/del (6)

i2' = -f*cos(j1'*dϕ)*(-A+t*i1*del)/del (7)

wobei t = 2*A/(del*(i2 - i1)).

Die Berücksichtigung des Neigungswinkels der optischen Achsen in (Fig. 5 und 6) kann wie oben erwähnt durch eine zusätzliche Transformation erreicht werden.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur photogrammetrischen Bild- und Meßdatengewinnung in Form einer Rotationspanoramakamera, bestehend aus Meßkamerakopf (10) und Rotationsantrieb (5) dadurch gekennzeichnet, daß mit vertikal parallel zur Rotationsachse angeordneten Abbildungssystemem aus Objektiv und Sensor Stereobildpaare mit vertikaler Parallaxe übereinander analog auf fotografischen Film oder digital mit einem elektronischen Zeilensensor winkelsynchron in einem horizontalen Bildwinkel bis über 360° aufgezeichnet werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zwei Objektive (1 und 2) mit festem vertikalen Basisabstand (A) und mindestens einem Doppelzeilensensor (3.1/3.2) oder mindestens 2 Zeilensensoren (3/1 und 3/2) übereinander parallel zur Rotationsachse angeordnet sind und die Stereoteilbilder zeitsynchron aufgezeichnet werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein Objektiv parallel zur Rotationsachse verschiebbar zur Realisierung der vertikalen Stereobasis (A) vor mindestens einem Zeilensensor angeordnet ist um die beiden Stereoteilbilder zeitlich nacheinander aufzunehmen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Objektiv (4) und mindestens ein Zeilensensor (3) gemeinsam parallel zur Rotationsachse vertikal verschiebbar mittels einer Verschiebeeinrichtung, vorzugsweise in Form einer teleskopartigen Hohlachse (6) zur Einstellung einer beliebigen vertikalen Stereobasis (A) vorgesehen sind, um die beiden Stereoteilbilder zeitlich nacheinander aufzunehmen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 oder 3 entsprechend dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Rotationsantrieb und Meßkamerakopf eine Neigeeinrichtung (8) und zwischen den Strahlengängen der Objektive (1 und 2) bzw. der Sensoren (3/1 und 3/2) eine Verschiebeeinrichtung (7) zur vorzugsweisen Einstellung beider Hauptpunkte H1' und H2' in die horizontale Drehachse (8) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 4 entsprechend dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Rotationsantrieb und Meßkamerakopf eine Neigeeinrichtung (8) vorzugsweise mit einer Drehachse für die vertikale Neigung des Meßkamerakopfes im hinteren Hauptpunkt H1' angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 6 entsprechend (Fig. 7) dadurch gekennzeichnet, daß im Meßkamerakopf (10) ein zusätzlicher Laserscanner (9) zur bildsynchronen Entfernungsmessung von Referenzbildpunkten angeordnet ist.

8. Verfahren zur Gewinnung von sekundären Stereobildpaaren mit horizontaler Parallaxe (B) aus den mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6 gewonnenen primären Stereobildpaaren mit einer vertikalen Stereobasis (A) dadurch gekennzeichnet, daß mittels der durch Bildkorrelation gewonnenen äquivalenten Bildpunkte ohne Kenntnis der 3D Information des Objektes über eine Bezugsystemtransformation Stereobildpaare einer virtuellen Kamera mit horizontaler Parallaxe generiert werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß aus den primären Stereobildpaaren mit vertikalen Parallaxen gewonnenen sekundäre Stereobildpaare mit zugeordneten horizontalen Parallaxen im vorgegebenen Winkelbereich Zentralperspektive besitzen.

10. Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß die aus den primären Stereobildpaaren mit vertikalen Parallaxen gewonnenen sekundären Stereobildpaare mit zugeordneten horizontalen Parallaxen im vorgegebenen Winkelbereich zylindersymmetrische Eigenschaften zu besitzen.