DE102005005211A1

DE102005005211A1 - Photogrammetrische Kamera und deren Aufnahmeverfahren

Info

Publication number: DE102005005211A1
Application number: DE102005005211A
Authority: DE
Inventors: Heikki Saari; Jan Heikkilä; Werner Dr. Mayr
Original assignee: Inpho GmbH
Current assignee: Inpho GmbH
Priority date: 2005-02-03
Filing date: 2005-02-03
Publication date: 2006-08-10

Abstract

Das vorliegende Hochleistungs-Bildaufnahmesystem besteht aus einer oder mehreren digitalen Kameraeinheiten. Im Fall von zwei oder mehr Kameraeinheiten, die dasselbe Objekt unter verschiedenen Winkeln aufnehmen, handelt es sich um ein Stereobildaufnahmesystem. DOLLAR A Pro Kameraeinheit wird eine sehr hohe Bildauflösung durch die Verwendung von mehreren preisgünstigen digitalen Standard-Flächensensoren erreicht, die auf mehrere Fokalebenen verteilt sind und in der Summe ein großes Bildformat ergeben.

Description

Ein Bildaufnahmesystem, das vier Kameraköpfe (Objektive) mit parallelen optischen Achsen verwendet, ist aus der Patentschrift DE-A1 34 28 325 bekannt. In diesem System liegen in jeder der vier Fokalebenen vier Flächensensoren (z.B. CCDs), die so angeordnet sind, dass sie sich zu einer größeren Bildfläche ohne Bildlücken ergänzen. Die Verwendung mehrerer Kameraköpfe wird in diesem System als zwingend vorausgesetzt.

Einige Verbesserungen dieses Systems enthält das US-Patent 5,264,694. Diese Erfindung beschreibt ein System, in dem mehrere Flächensensoren in Matrix-Form auf nur drei Bildebenen verteilt sind. Dabei sind die Sensoren so angebracht, dass sich in der Summe eine lückenlose Abdeckung der aufgenommenen Fläche ergibt. Die drei Bildebenen werden in dieser Erfindung mit bekannten Mitteln erzeugt, z.B. durch drei separate Objektive, halbdurchlässige Spiegel oder Strahlenteilerprismen. Dieses System bietet einige Vorteile gegenüber Patent DE-A1 34 28 325.

Die Kosten können niedriger sein, da sich eine vollständige Flächendeckung mit nur einem Objektiv erreichen lässt.

Ein weiteres Verfahren und eine photogrammetrische Kamera sind aus dem Patent
DE-A1 199 19 487 bekannt. Das Verfahren und die Kamera verwenden mehrere Flächensensoren, verteilt auf eine zwei oder drei Gruppen. Die Objektfläche wird entweder durch eine einzige Optik oder durch separate Optiken je Gruppe von Flächensensoren aufgenommen. Die gesamte Objektfläche lässt sich durch Überlagerung von Bildern verschiedener Aufnahmezeitpunkte abdecken. Das Patent
DE-A1 199 19 487 enthält auch ein System mit mehreren Kameraköpfen, die in Nadirrichtung oder in anderen räumlichen Richtungen ausgerichtet sind. Die Erfindung dient dem Ziel, hochauflösende Bilddaten aus bewegten, insbesondere fliegenden, Plattformen zu gewinnen und Stereoaufnahmen zum Zweck der georeferenzierten 3D-Messung zu liefern. Das System ist aus serienmäßigen Flächensensoren, Inertialsensoren, Optiken und parallelisierter Bildverarbeitung aufgebaut.

Beschreibung der Erfindung

Die vorgeschlagene Erfindung hat die Zielsetzung, ein System für die hochauflösende Bildaufnahme zu liefern, das insbesondere in bewegten, meist fliegenden Plattformen verwendet wird, und das in der Lage ist, Stereoaufnahmen des Objektraums zur georeferenzierten 3D-Messung zu liefern. Das System ist aus serienmäßigen digitalen Flächensensoren und optischen Komponenten aufgebaut. Mit den im folgenden beschriebenen charakteristischen Eigenschaften erfüllt die Erfindung die Zielsetzungen.

Die Bildebene wird durch Strahlenteiler in zwei oder mehr Bildebenen aufgeteilt. Die Anzahl der benötigten Bildebenen richtet sich nach dem Verhältnis der aktiven Sensorfläche zur gesamten Ausdehnung des Sensors. Die geometrische Auflösung muss in der Größenordnung von 100 lp/mm liegen, um der Auflösung von aktuellen filmbasierten Luftbildkameras zu entsprechen. Dies setzt voraus, dass der Strahlenteiler keine merkbaren Abbildungsfehler im Bild erzeugt. Es ist bekannt, dass halbdurchlässige Spiegel Geisterbilder erzeugen, und dass die Verwendung von Prismen eine zusätzliche Glasdicke im Strahlengang zur Folge hat. Beide Methoden verursachen Abbildungsfehler. Es ist keine kostenneutrale Methode zur Vermeidung von Geisterbildern bei halbdurchlässigen Spiegeln bekannt. In der vorgestellten Erfindung arbeiten die optischen Komponenten so zusammen, dass diese Probleme bewältigt werden können. Die Flächensensoren werden in einer Reihe angeordnet. Dies ermöglicht die Verwendung eines verlängerten serienmäßigen Strahlenteilers. Dadurch wird die Korrektur von Abbildungsfehlern erheblich einfacher als im Fall des US-Patents 5,264,694, bei dem eine Matrix von Flächensensoren verwendet wird, und dadurch der Strahlenteiler in vertikaler und horizontaler Richtung sehr viel größer sein muss.

Unsere Erfindung ermöglicht auch die Verwendung von Flächensensoren, die nur in einer Richtung einen hohen Anteil an aktiver Sensorfläche haben. Im Gegensatz dazu setzt das US-Patent 5,264,694 wegen der Matrixanordnung der Flächensensoren eine aktive Sensorfläche von mehr als 33,3 % der Gesamtfläche in beiden Richtungen voraus.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und im folgendem näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Abbildungsgeometrie der Erfindung,
2a) die Anordnung der Fokalebenen in Draufsicht,
2b) die Anordnung der Fokalebenen als Schnitt durch das Strahlenteilerprisma,
3a) die Projektion der Flächensensoren auf das aufgenommene Objekt im Fall der optischen Achse in Nadirrichtung,
3b) die Projektion der Flächensensoren auf das aufgenommene Objekt im Fall der optischen Achse Nicht-Nadirrichtung und
4 zeigt eine Draufsicht von unten auf das System mit mehreren Kameraköpfen für die Aufnahmen von Stereobilddaten.
Das Grundprinzip der Erfindung ist in 1 beschrieben. Die Objektoberfläche (Ground plane) wird durch ein Objektiv (Lens) auf eine Reihe von CCD-Flächensensoren abgebildet, die in der Bildebene des Objektivs angeordnet sind. 1 zeigt den Abbildungsprozess auf eine virtuelle Bildebene (Virtual image plane), d.h. mehrere Flächensensoren sind als direkt benachbart dargestellt und bilden eine streifenförmige Bildfläche.
In Wirklichkeit besteht das Abbildungssystem aus einem aberrationskorrigierten Objektiv, einem Strahlenteiler, der das aus dem Objektiv kommende Strahlenbündel in mindestens zwei räumlich getrennte Strahlenbündel aufteilt, die an verschiedenen Flächen des Strahlenteilerprismas von Flächensensoren erfasst werden.
In 2 ist ein System mit drei räumlich getrennten Strahlenbündeln dargestellt. Jedes der Strahlenbündel wird von einer Gruppe von Detektoren aufgenommen, die an verschiedenen Seiten des Strahlenteilerprismas angebracht sind.
Das System ist so ausgelegt, dass mit jeder Aufnahme das gesamte Blickfeld lückenlos erfasst wird (im Gegensatz zu DE 199 19 487 ). Dies wird durch die Anordnung der Detektoren in der im folgenden beschriebenen Weise erreicht. Das Strahlenteilerprisma in 2a) teilt das einfallende Strahlenbündel in drei getrennte Strahlenbündel auf, die von Detektoren auf drei Seiten des Prismas aufgenommen werden.
Jeder dritte Detektor ist auf derselben Prismenseite angebracht, und somit erfassen die Detektoren innerhalb einer Detektorgruppe ein lückenhaftes Bild. Jedoch werden die Detektoren auf den verschiedenen Prismenflächen so platziert, dass zusammen ein lückenloses Bild entsteht. Die Detektoren sind außerdem so angebracht, dass jeweils die benachbart abbildenden Detektoren (die auf verschiedenen Prismenflächen liegen) eine für Kalibrierzwecke genügende Überlappung haben.
Auf diese Weise wird die Schwierigkeit umgangen, mehrere Detektoren durchgängig in exakt derselben Fokalebene platzieren zu müssen. Abweichungen von der Fokaleben können bei Bedarf durch Kalibriermaßnahmen rechnerisch korrigiert werden, und es können kostengünstige Komponenten eingesetzt werden.
2b) zeigt das Strahlenteilerprisma und die Detektoranordnung von oben.
Wegen der großen Bildfläche kann die Optik des Kamerasystems aus DE-A1 199 19 487 mit drei Gruppen von Flächensensoren nur mit einem speziell gefertigten Objektiv realisiert werden.
Unsere Erfindung mit einem serienmäßigen Strahlenteiler und in Reihe angeordneten Detektoren umgeht dieses Problem, und es kann mit einem serienmäßigen Objektiv mit einer oder zwei Korrekturlinsen die geforderte Bildauflösung erreicht werden.
Außerdem liefert das in DE-A 1 199 19 487 beschriebene Kamerasystem im Fall von Nicht-Nadiraufnahmen, die für die Erfassung von Stereobilddaten erforderlich sind, eine lückenhafte Abbildung des Bildraums. Die Lücken wachsen mit wachsender Abweichung der optischen Achse von der Nadirrichtung an. In unserer Erfindung ist eine vollständige Objektabdeckung sowohl bei Nadiraufnahmen als auch bei Nicht-Nadiraufnahmen gewährleistet. Dies wird in den 3a) und 3b) gezeigt.
3b zeigt die Projektion der Flächensensoren auf das aufgenommene Objekt im Fall der optischen Achse in Nicht-Nadirrichtung. Die Objektoberfläche wird auch bei Nicht-Nadiraufnahmen lückenlos abgedeckt.
Das beschriebene Kameraprinzip kann durch die Verwendung von mehr als einem Kamerakopf zu einem System für die Aufnahme von Stereobildern erweitert werden, die in der Photogrammetrie zum Zweck der 3D-Erfassung von Objekten Einsatz finden. Die optischen Achsen der Kameraköpfe sind dabei gegenüber dem Objekt unterschiedlich geneigt.
Der Bezug zum Objektkoordinatensystem, im Fall der Luftbildaufnahme Georeferenzierung genannt, kann mit den üblichen Verfahren der Photogrammetrie (z.B. Aerotriangulation, GPS/IMU-gestützte Aerotriangulation oder direkte Georeferenzierung mittels GPS/IMU-Systemen) hergestellt werden.
In 4 ist ein System mit mehreren Kameraköpfen für die Aufnahme von Stereobilddaten dargestellt
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims

Vorrichtung zur geometrischen Anordnung von optischen Flächensensoren insbesondere für Kameras in Flugzeugen mit einem Objektive und mindestens zwei Flächensensoren auf mindestens zwei Fokalebenen und mindestens einem Strahlteiler im Strahlengang zwischen dem Objektiv und dem Flächensensoren der den Strahl auf die Fokalebenen aufteilt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Flächensensoren und drei Fokalebenen vorhanden sind und dass der Strahlenteiler den Strahl auf die Fokalebenen aufteilt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass je Fokalebene mindestens zwei Flächensensoren vorhanden sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Bildabschnitt auf einen ersten Flächensensor, der auf einer ersten Fokalebene liegt, abbildbar ist, dass der zweite Bildabschnitt der den Ersten zumindestens teilweise überlappt auf einen zweiten Flächensensor, der auf einer zweiten Fokalebene liegt abbildbar ist, dass ein dritter Bildabschnitt der den zweiten Bildabschnitt zumindest teilweise überlappt auf einen dritten Flächensensor, der auf der dritten Fokalebene liegt, ab bildbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein 4. Bildabschnitt der den 3. zumindest teilweise überlappt auf dem 4. Flächensensor, der auf der ersten Fokalebene liegt, abbildbar ist, dass der 5. Bildabschnitt der den 4. zumindest teilweise überlappt auf einen 5. Flächensensor der auf der zweiten Fokalebene liegt, abbildbar ist, dass ein 6. Bildabschnitt der den zumindest 5. Bildabschnitt überlappt auf einen 6. Flächensensor, der auf der dritten Fokalebene liegt, abbildbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein 7. Bildabschnitt auf der den 6. Bildabschnitt zumindest teilweise überlappt ein 7. Flächensensor auf einer ersten Fokalebene ab bildbar ist, dass der B. Bildabschnitt der den 7. zumindest überlappt auf einem B. Flächensensor der auf einer zweiten Fokalebene liegt, vorhanden ist ab bildbar ist, dass ein 9. Bildabschnitt der den B. Bildabschnitt überlappt zumindest auf einen 9. Flächensensor der auf der dritten Fokalebene liegt ab bildbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächensensoren nur in eine Richtung einen hohen Anteil an aktiver Sensorfläche besitzen müssen.
Mindestens zwei Vorrichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtungen in einem Winkel zueinander angeordnet sind.
Verfahren zur geometrischen Anordnung von optischen Flächensensoren insbesondere für Kameras in Flugzeugen mit einer Aufnahmeeinheit die ein streifenförmiges Bild insbesondere quer zur Bewegungsrichtung aufnimmt welches mindestens in zwei teilweise überlappende Abschnitte unterteilt wird wobei der Strahl durch einen Strahlteiler geteilt wird sodass jeder Bildabschnitt durch je einen Flächensensor abgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildabschnitte durch ihre zumindest teilweise Überlappung zu einem Gesamtbild zusammen gesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Bild und/oder Bildabschnitt von jeder der mindestens zwei Aufnahmeeinheit aus unterschiedlichem Winkel abgebildet wird um ein Stereobild zu erzeugen.