DE102018133562A1

DE102018133562A1 - Fotogrammetrieverfahren zum Erstellen eines Modells eines Objekts

Info

Publication number: DE102018133562A1
Application number: DE102018133562.8A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Herbst; Kenneth Varner
Original assignee: Vaireco GmbH
Current assignee: Vaireco GmbH
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2020-06-25
Anticipated expiration: 2038-12-22
Also published as: DE102018133562B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fotogrammetrieverfahren zum Erstellen eines Modells eines Objekts (2), bei dem das Objekt (2) aus mehreren verschiedenen Richtungen aufgenommen und das Modell aus Bilddaten der aufgenommenen Bilder fotogrammetrisch erstellt wird, wobei mehrere am Objekt (2) platzierte Bildmarken (8) mit jeweils einer individuellen Kennzeichnung (12) mit aufgenommen werden.Eine einfache und genaue Bemaßung des Modells kann vereinfacht werden, wenn die Bildmarken (8) Signale (24, 26) aussenden, mit denen die Positionen der Bildmarken (8) bestimmt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fotogrammetrieverfahren zum Erstellen eines Modells eines Objekts, bei dem das Objekt aus mehreren verschiedenen Richtungen aufgenommen und das Modell aus Bilddaten der aufgenommenen Bilder fotogrammetrisch erstellt wird, wobei mehrere am Objekt platzierte Bildmarken mit jeweils einer individuellen Kennzeichnung mit aufgenommen werden.
Die Fotogrammetrie ist ein heute weitverbreitetes Verfahren zur Erstellung von digitalen Modellen von Gegenständen, wie Gebäuden, Geländetopographien usw., insbesondere von 3D-Modellen. Hierfür wird das Objekt mit einer Vielzahl von Einzelbildern aus verschiedenen Perspektiven aufgenommen. Nun kann mithilfe der Fotogrammetrie mit bekannten mathematischen Algorithmen aus der Vielzahl von Einzelbildern die Geometrie des Objekts oder der Oberfläche berechnet werden. Der Vorteil gegenüber einem hochgenauen Laserscanning oder einem interferometrischen Verfahren besteht darin, dass die fotografische Information der Farbgebung und Kontur usw. als Information erhalten bleibt und das digitale 3D-Modell auch zur fotorealistischen Visualisierung geeignet ist.
Neben der Visualisierung kann die Fotogrammetrie aber auch zur Vermessung eingesetzt werden, d. h. die erzeugten Modelle sind bemaßt. Hierzu kann die klassische Vermessungstechnik, beispielsweise via Tachymeter, herangezogen werden. Mittels optischer Verfahren kann ausgehend von genau festgelegten Fixpunkten die genaue Position von Objekten, beispielsweise einem Gebäude, einer Mauer, einer Grenze oder einer Brücke, bestimmt werden. Dabei wird ein Koordinatensystem festgelegt, zum Beispiel mittels drei Punkten am Boden. So kann auch die Länge, Breite oder Höhe des Objekts sehr genau bestimmt werden.
Theoretisch lassen sich auch einzelne Details des aufgenommenen Objekts, wie die Position und Dimensionierung von Fenstern oder Steinen, mittels klassischer Vermessungstechnik vermessen. Solche Punkte können dann als ortsgenaue Fixpunkte in der Fotogrammetrie verwendet werden. Doch praktisch kommt die Vermessung von vielen Punkten durch einen enormen Zeitaufwand schnell an eine Grenze.
Deutlich weniger zeitaufwändig ist eine ortsgenaue Berechnung von Details eines Objekts mithilfe der Fotogrammetrie. Die Bemessung der Details kann aus Kameradaten ermittelt werden und aus der Lage der Details in den einzelnen Bildern. Zusätzlich können extern georeferenzierte Kontrollpunkte, sogenannte Ground Control Points, verwendet werden. Wird ein solcher Kontrollpunkt in einem Bild aufgenommen, so kann aus den Bilddaten durch eine Kalibrierung über kurze Längen, also einige oder wenige Pixel, eine Mikrokalibrierung vorgenommen werden, die sehr genau ist. Mit einer hochauflösenden Kamera kann so bei kleinen Aufnahmeabständen eine sehr genaue Ortsbestimmung über kleinere Strecken erreicht werden.
Ein wesentliches Problem hierbei ist jedoch, dass sich kleinste Ungenauigkeiten in der Mikrokalibrierung zu großen Ungenauigkeiten bei größeren Längen aufsummieren, sodass sich größere Strecken nur durch eine zusätzliche Makrokalibrierung genau vermessen lassen. Ein weiteres Problem besteht darin, dass es bei Objekten mit vielen gleichen Strukturen, wie beispielsweise bei einer großen Mauer mit immer gleichen Steinen oder einem großen Gebäude mit vielen gleichen Fenstern, zu Problemen kommen kann, da der fotogrammetrische Algorithmus bei sehr ähnlichen einzelnen Details nicht mehr leicht erkennen kann, zu welchem Teil des Objekts das jeweilige Detail beziehungsweise Bild zuzuordnen ist.
Abhilfe bei diesen Problemen können sogenannte Bildmarken schaffen, die auf dem Objekt verteilt werden. Diese Bildmarken sind dann in den Bildern enthalten und enthalten jeweils ein individuelles Muster, sodass jede Bildmarke individuell und eindeutig erkannt werden kann. Die Bildmarken können vom Algorithmus leicht erkannt werden, sodass die Zuordnung der Bilder zueinander und zum aufgenommenen Objekt erleichtert wird. Für eine Makrokalibrierung können die Bildmarken mittels klassischer Vermessungstechnik vermessen werden, sodass ihre Position in einem georeferenzierten oder lokalen Koordinatensystem bekannt ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein fotogrammetrisches Verfahren anzugeben, mit dem ein fotogrammetrisches Modell eines Objekts leicht bemaßt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Fotogrammetrieverfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem erfindungsgemäß die Bildmarken Signale aussenden, mit denen die Positionen der Bildmarken bestimmt werden. Durch die in den Signalen enthaltenen Informationen und/oder eine Eigenschaft der Signale an sich kann die Position einer Bildmarke auch unabhängig von den Informationen aus den aufgenommenen Bildern bestimmt werden, sodass eine zusätzliche Informationsquelle zur Verfügung steht.
Die Positionen der Bildmarken können in absoluten Positionen, also georeferenzierten Positionen, bestimmt werden oder in relativen Positionen, beispielsweise der Bildmarken zueinander. Entsprechend kann das Koordinatensystem, in dem die Positionen festgelegt sind, ein georeferenziertes Koordinatensystem oder ein lokales Koordinatensystem sein. Zweckmäßigerweise wird das Modell in demjenigen Koordinatensystem erstellt bzw. bemaßt, zu dem die Positionen der Bildmarken vorliegen.
Die Bestimmung der Positionen der Bildmarken aus ihren Signalen kann in unterschiedlichen Weisen erfolgen. In einer ersten Methode enthält ein Signal bereits Ortsinformationen zu derjenigen Bildmarke, die das Signal ausgesendet hat. Beispielsweise sendet eine Bildmarke explizit ihre Position, die sie zuvor bestimmt hat, beispielsweise mittels GNNS, oder die sie selbst empfangen hat.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die Bildmarken ihre Positionen aus Signalen der Bildmarken untereinander bestimmen. Und in einer weiteren Methode können die Positionen der Bildmarken von einer Basisstation ermittelt werden, die Signale der Bildmarken empfängt und die Positionen der Bildmarken daraus bestimmt.
Gerade bei den beiden letzteren Verfahren ist es vorteilhaft, wenn die Positionen der Bildmarken aus Laufzeiten der Signale zu zumindest einem Empfänger bestimmt werden. Aus den Laufzeiten können jeweils Entfernungen berechnet werden und hieraus, beispielsweise trigonometrisch, die Position der Bildmarken. Es ist jedoch auch möglich, ein anderes Verfahren zu verwenden, beispielsweise die Auswertung einer Phasenverschiebung eines reflektierten Signals.
Der Empfänger kann Teil einer Bildmarke sein, sodass das Signal von einer Bildmarke gesendet und von einer anderen Bildmarke empfangen wird. Der Empfänger kann jedoch auch Teil einer Basiseinheit sein, die zweckmäßigerweise nicht in den Bildern dargestellt ist oder deren Abbildung nicht zur fotogrammetrischen Erstellung des Modells herangezogen wird. Die Laufzeit eines Signals wird zweckmäßigerweise von derjenigen Einheit bestimmt, die den Empfänger enthält.
Eine Positionsbestimmung aus Laufzeiten von Signalen kann einfach erfolgen, wenn ein Signal von einer Bildmarke empfangen wird und diese daraufhin ein Antwortsignal sendet. Das Empfangen des Signals kann als Trigger zum Senden eines Antwortsignals verwendet werden. Auf diese Weise kann ein Sender ein Anfragesignal senden und erhält von der Bildmarke ein Antwortsignal. Aus der Laufzeit zwischen Senden des Anfragesignals und Empfangen des Antwortsignals kann der Abstand zwischen Sender und Bildmarke bestimmt werden. Zweckmäßiger ist hierfür eine Sendelatenzzeit der Bildmarke bekannt, also diejenige Zeit, die die Bildmarke benötigt, um nach dem Empfang des Anfragesignals das Antwortsignal auszusenden.
Zur Durchführung einer trigonometrischen Positionsbestimmung ist es vorteilhaft, wenn zumindest eine Bildmarke auf zumindest zwei aus verschiedenen Richtungen kommende Anfragesignale jeweils ein Antwortsignal sendet. Der Abstand der Bildmarke zu den Positionen eines oder mehrerer Sender kann bestimmt werden. Ist der Abstand zwischen den beiden Sendepositionen bekannt, so kann die Position der Bildmarke in Abhängigkeit von der Sendeposition bestimmt werden. Das Gleiche gilt für mehrere Bildmarken. Zur Abstandsbestimmung ist es vorteilhaft, wenn die Position der Bildmarke aus einer Summe der Laufzeiten des Anfragesignals und des Antwortsignals und zweckmäßigerweise zusätzlich einer Antwortlatenzzeit bestimmt werden.
Eine einfache Positionsbestimmung der Bildmarken kann erreicht werden, wenn die Bildmarken mit ihren Signalen untereinander kommunizieren und ihre Relativpositionen zueinander aus Laufzeiten der Signale untereinander bestimmt werden. Eine solche Laufzeit untereinander kann die Laufzeit eines Signals von einer Bildmarke zu einer anderen sein, wenn das Signal beispielsweise einen Zeitstempel trägt. Aus dem Zeitstempel und dem Empfangszeitpunkt kann die Laufzeit und daraus die Distanz zwischen den beiden Bildmarken bestimmt werden. Eine Laufzeit untereinander kann jedoch auch die Laufzeitsumme aus einem Anfragesignale und einem Antwortsignal, zweckmäßigerweise zuzüglich einer Antwortlatenzzeit, sein.
Die Relativpositionen können von einer Basisstation und/oder Bildmarken selbst bestimmt werden. Es ist insofern vorteilhaft, wenn beispielsweise eine Basisstation von den Bildmarken Informationen zu Abständen zwischen den Bildmarken erhält und daraus die Relativpositionen der Bildmarken zueinander bestimmt.
Die Bildmarken können einfach und somit kostengünstig gehalten werden, wenn Sie keine Einheit zur Laufzeitberechnung oder Abstandsberechnung aufweisen müssen. Beispielsweise sind die Bildmarken so ausgeführt, dass sie auf ein Anfragesignal automatisch mit einem Antwortsignal reagieren. Der Sender des Anfragesignals und Empfänger des Antwortsignals, beispielsweise eine Basisstation, kann den Abstand zur entsprechenden Bildmarke, beispielsweise von sich zu der Bildmarke, ermitteln. Ist dem Empfänger, beispielsweise der Basisstation, seine eigene Position bekannt, so kann er die Position der Bildmarke bestimmen, wenn er die Bildmarke aus zwei unterschiedlichen eigenen Positionen aus anfragt.
Es ist insofern vorteilhaft, wenn eine Basisstation aus Signalen von den Bildmarken Abstandsinformationen zu den Bildmarken ermittelt und aus eigenen bekannten Positionen die Relativposition der Bildmarken zueinander bestimmt.
Beim Fotogrammetrieverfahren nimmt eine Kamera das Objekt auf. Ist die Position der Kamera bekannt, so kann die Position der Bildmarken in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sehr einfach bestimmt werden, wenn die Kamera oder eine Einheit an der Kamera mit den Bildmarken kommuniziert. Aus den aus der Kommunikation zwischen einem solchen Kamerasystem und einer Bildmarke erhaltenen Informationen kann die Position der Bildmarke bestimmt werden. Zweckmäßigerweise werden die Positionen der Kamera bei der fotogrammetrischen Erstellung des Modells berücksichtigt.
Andersherum ist es natürlich ebenso möglich, dass die Position des Kamerasystems bei bekannten Markenpositionen aus der Kommunikation zwischen Kamerasystem und Bildmarken ermittelt wird.
Bei großen Gegenständen ist es sinnvoll, wenn die Kamera durch ein Fluggerät am Objekt vorbeigeführt wird. Das die Bilder aufnehmende Kamerasystem ist insofern zweckmäßigerweise ein Fluggerät.
Die von den Bildmarken ausgesendeten Signale können Ultraschallsignale sein. Durch die verhältnismäßig langsame Ausbreitung von Ultraschall im Raum können Laufzeitbestimmungen mit einfachen elektronischen Einheiten durchgeführt werden. Einer Robustheit des Systems kommt es jedoch zugute, wenn die Bildmarken elektromagnetische Signale aussenden und aus diesen die Positionen der Bildmarken bestimmt werden. Insbesondere können elektromagnetische Signale so schnell ausgetauscht werden, dass sich die Position eines fliegenden Kamerasystems während dieses Austauschs nur wenig verändert, sodass diese Bewegung die Positionsbestimmung nicht stört.
Zur Bestimmung der Position der Bildmarken in einem georeferenzierten Koordinatensystem ist es vorteilhaft, wenn die Bildmarken jeweils einen GNSS-Empfänger enthalten und ihre Position aus GNSS-Daten ermitteln. Die GNSS-Daten (Global Navigation Satellite System) sind beispielsweise GPS-Daten.
Eine besonders genaue Positionsbestimmung mittels GNSS-Daten kann erfolgen, wenn die Bildmarken jeweils einen GNSS-Empfänger enthalten und ihre Position aus GNSS-Signalen durch Real Time Kinematics ermitteln.
Bei einem großen zu modellierenden Objekt bilden die Bilder des Objekts jeweils nur einen Teil des Objekts ab. Wenn die Bilder unterschiedliche Seiten des Objekts zeigen, kann eine Zuordnung der Bilder zueinander und damit eine Modellbildung mit Schwierigkeiten verbunden sein. Diese Schwierigkeiten können behoben werden, wenn zwei Bilder, die das Objekt von verschiedenen Seiten zeigen, dieselbe Bildmarke abbilden. Dies ist besonders zuverlässig möglich, wenn bei den Aufnahmen des Objekts aus mehreren verschiedenen Richtungen zumindest eine der Bildmarken von mehreren Seiten aufgenommen wird.
Vorteilhafterweise enthalten die Bildmarken insofern mehrere Seiten bzw. zueinander angewinkelte Kennzeichnungsflächen, die jeweils zumindest eine individuelle Kennzeichnung aufweisen.
Die Erfindung ist außerdem gerichtet auf ein Kennzeichnungssystem für eine fotogrammetrische Erstellung eines Modells eines Objekts mit einer Kamera zum Aufnehmen des Objekts aus verschiedenen Richtungen und mehreren Bildmarken mit jeweils einer individuellen Kennzeichnung.
Um ein fotogrammetrisches Modell leichter bemaßen zu können, weisen die Bildmarken erfindungsgemäß Sender zum Aussenden von Signalen auf, und es ist eine Berechnungseinheit vorhanden, die dazu vorbereitet ist, aus den Signalen die Positionen der Bildmarken zu bestimmen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen die Bildmarken jeweils mehrere zueinander angewinkelte Kennzeichnungsflächen mit jeweils zumindest einer individuellen Kennzeichnung auf. Die Kennzeichnungsflächen sind zweckmäßigerweise ebene Flächen, deren Normalen zueinander angewinkelt sind.
Für eine genaue Positionsbestimmung der Bildmarken ist es vorteilhaft, wenn die individuellen Kennzeichnungen jeweils einen Ort eindeutig festlegen und die Position dieses Orts unter Verwendung der Signale bestimmt wird. Ein solcher Ort kann zum Beispiel eine Ecke einer Kennzeichnungsfläche sein.
Besonders einfach und leicht handhabbar sind die Bildmarken, wenn sie jeweils eine Würfelform mit fünf Kennzeichnungsflächen aufweisen. Zumindest zwei, zweckmäßigerweise jede der fünf Kennzeichnungsflächen, enthalten zweckmäßigerweise zumindest eine individuelle Kennzeichnung.
Die bisher gegebene Beschreibung vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung enthält zahlreiche Merkmale, die in einigen abhängigen Ansprüchen zu mehreren zusammengefasst wiedergegeben sind. Diese Merkmale können jedoch zweckmäßigerweise auch einzeln betrachtet und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfasst werden, insbesondere bei Rückbezügen von Ansprüchen, sodass ein einzelnes Merkmal eines abhängigen Anspruchs mit einem einzelnen, mehreren oder allen Merkmalen eines anderen abhängigen Anspruchs kombinierbar ist. Außerdem sind diese Merkmale jeweils einzeln und in beliebiger geeigneter Kombination sowohl mit dem erfindungsgemäßen Verfahren als auch mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen kombinierbar. So sind Verfahrensmerkmale auch als Eigenschaft der entsprechenden Vorrichtungseinheit gegenständlich formuliert zu sehen und funktionale Vorrichtungsmerkmale auch als entsprechende Verfahrensmerkmale.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung, sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und beschränken die Erfindung nicht auf die darin angegebene Kombination von Merkmalen, auch nicht in Bezug auf funktionale Merkmale. Außerdem können dazu geeignete Merkmale eines jeden Ausführungsbeispiels auch explizit isoliert betrachtet, aus einem Ausführungsbeispiel entfernt, in ein anderes Ausführungsbeispiel zu dessen Ergänzung eingebracht und/oder mit einem beliebigen der Ansprüche kombiniert werden.
Es zeigen:

1 eine Brücke, die von einer Kamera an einer Drohne von mehreren Seiten aus aufgenommen wird,
2 eine würfelförmige Bildmarke mit fünf individuell markierten Kennzeichnungsflächen,
3 eine schematische Darstellung einer Kommunikationseinheit in einer Bildmarke,
4 fünf Bildmarken, die einander Anfrage- und Antwortsignale senden, und
5 eine Basisstation, die sich an fünf Bildmarken vorbeibewegt und aus zwei verschiedenen Positionen mit den Bildmarken kommuniziert.

1 zeigt eine Brücke über einen Fluss, die als ein Objekt 2 mittels Fotogrammetrie digital modelliert werden soll. Beispielsweise soll die Brücke restauriert werden, da eine Vielzahl von Steinen zerstört ist und ersetzt werden sollen. Mithilfe des Modells sollen nicht nur die einzelnen Arbeitsschritte der Restauration besser planbar sein, sondern es sollen auch die Lage und vor allem die genauen Abmessungen der defekten Steine ermittelt werden, die ersetzt werden müssen, sodass diese bereits im Voraus in einem Werk auf Maß gefertigt werden können und dies nicht erst vor Ort geschehen muss.
Hierfür ist es notwendig, dass die einzelnen Steine im Modell so genau vermessen sind, dass die Ersatzsteine anhand dieser Maße bereits vorgefertigt werden können. Für die Vermessung der einzelnen Steine muss das Modell des Objekts 2, in diesem Ausführungsbeispiel der Brücke über den Fluss, sowohl in seinen Einzelheiten, wie den Steinen, als auch im Ganzen sehr genau vermessen werden.
Zum Erstellen des Modells des Objekts 2 werden von einer Kamera 4 eine Vielzahl von Bildern des Objekts 2 gemacht. Hierfür wird die Kamera 4 entlang des Objekts 2 bewegt und nimmt die Bilder so auf, dass sie einander überlappen. Bei einem großen Objekt 2, wie der gezeigten Brücke, ist es sinnvoll, wenn die Kamera 4 an einem Fahrzeug 6 befestigt ist, insbesondere eines unbemannten Luftfahrzeugs, wie der in 1 dargestellten Drohne, und von diesem entlang des Objekts 2 bewegt wird.
Das Luftfahrzeug 6 fliegt mit der Kamera 4 entlang des Objekts 2 und nimmt dieses von mehreren Seiten mit jeweils einer Vielzahl von einander überlappenden Bildern auf. Hierbei wird jedes Detail des Objekts 2 von mehreren Bildern aus verschiedenen Richtungen aufgenommen, sodass ein dreidimensionales Modell des Objekts 2 mithilfe der Fotogrammetrie erstellt werden kann.
Das in 1 gezeigte Objekt 2, nämlich die Brücke mit mehreren gleichartigen Bögen, ist für die Fotogrammetrie ein eher problematisches Objekt 2, da es mehrere sehr ähnliche Abschnitte enthält, sodass die Detailbilder des Objekts 2 sich nur schwer zuordnen lassen. Um diese Zuordnung zu erleichtern, sind eine Vielzahl von Bildmarken 8 am Objekt 2 platziert, die in 1 der Einfachheit halber als schwarze Rechtecke schematisch dargestellt sind. Die Bildmarken 8 können auf das Objekt 2 gestellt oder in einer geeigneten Weise an diesem befestigt werden.
Eine der Bildmarken 8 ist in 2 beispielhaft dargestellt. 2 zeigt eine würfelförmige Bildmarke 8 mit fünf Kennzeichnungsflächen 10, von denen in der perspektivischen Darstellung aus 2 nur drei sichtbar sind. Die Bildmarke 8 zeigt in jede Richtung - außer nach unten - eine leicht erkennbare Kennzeichnung 12 in Form eines grafischen Musters, sodass sie aus jeder Richtung leicht erkannt werden kann. Außerdem trägt jede der Kennzeichnungsflächen 10 eine individuelle Kennzeichnung 12, sodass die Bildmarke 8 bei einer Darstellung aus egal von welcher Richtung nicht nur eindeutig identifizierbar ist, sondern auch die Aufnahmerichtung eindeutig identifiziert werden kann.
Bei einer würfelförmigen Bildmarke 8, wie beispielhaft in 2 gezeigt, sind die einzelnen Kennzeichnungsflächen 10 jeweils senkrecht zueinander, sie stehen also in einem Winkel von 90° zueinander. Bei anderen geeigneten Geometrien, wie beispielsweise einer Pyramide oder einem Tetraeder, sind die Kennzeichnungsflächen 10 ebenfalls zueinander angewinkelt, wodurch ihre Flächennormalen jeweils in unterschiedliche Richtungen weisen, sodass die Erkennbarkeit zumindest einer Kennzeichnungsfläche 10 aus allen Richtungen gewährleistet ist.
Die Bildmarke 8 trägt einen Referenzpunkt 14, der optisch markiert sein kann, wie in 2 beispielhaft dargestellt ist, aber nicht markiert sein muss. Dieser Referenzpunkt 14 legt den Ort fest, auf die sich eine Positionsbestimmung der Bildmarke 8 bezieht, er liegt also in der ermittelten Position der Bildmarke 8.
Bei der Darstellung aus 1 ist die Verteilung der Bildmarken 8 entlang des Objekts 2 nur beispielhaft gewählt. Die Bildmarken 8 sollten so verteilt sein, dass auf jedem Bild, das zur fotogrammetrischen Modellbildung des Objekts 2 herangezogen werden soll, zumindest eine Bildmarke 8 abgebildet ist. Durch die Abbildung einer Bildmarke 8 in einem Bild kann das betreffende Bild - die Bekanntheit der Position der Bildmarke 8 am Objekt 2 sei vorausgesetzt - eindeutig am Objekt 2 zugeordnet werden. Eine automatisierte Auswertung der Bilder wird hierdurch erheblich vereinfacht.
Bei dem Beispiel der Brücke ist es zur Vermessung der Steine vermutlich sinnvoll, die Bildmarken 8 enger zueinander zu platzieren, wobei auf eine solche Darstellung der Übersichtlichkeit halber in 1 verzichtet wurde. Auch ist es nicht notwendig, dass die Bildmarken 8 alle eine gleiche Geometrie, beispielsweise die Würfelform, aufweisen. Bei einer innerhalb einer größeren ebenen Fläche platzierten Bildmarke 8 ist es ausreichend, wenn diese im Wesentlichen nur 2-dimensional ist, beispielsweise wie ein Deckel, da er nur aus einem Halbraum heraus fotografiert werden kann. Insofern können dreidimensionale Bildmarken 8 mit mehreren zueinander angewinkelten Kennzeichnungsflächen 10 zusammen mit im Wesentlichen zweidimensionalen Bildmarken 8 oder Bildmarken 8 einer anderen Geometrie verwendet werden.
Sowohl zur Zuordnung der einzelnen Bilder zum Objekt 2 als auch insbesondere zur exakten Bemaßung von Details des Objekts 2 ist es notwendig, dass die Positionen der einzelnen Bildmarken 8 am Objekt 2 möglichst genau bekannt sind. Die Positionen können hierbei in einem georeferenzierten Koordinatensystem oder in einem relativen Koordinatensystem bekannt sein, da die absolute Lage des Objekts 2 auf der Erde nicht notwendigerweise bekannt sein muss.
Zur Positionsbestimmung der einzelnen Bildmarken 8 bestehen mehrere Möglichkeiten. In einer ersten Möglichkeit kann ein oder können mehrere Bildmarken 8 jeweils einen GNSS-Empfänger enthalten. Mittels eines GNSS-Verfahrens können die damit ausgerüsteten Bildmarken 8 ihre Position selbstständig bestimmen.
Eine genauere Positionsbestimmung ist mittels Real Time Kinematics möglich. Hier werden nicht nur die digitalen Inhalte der GNSS-Signale ausgewertet, sondern es wird auch die Phasenverschiebung von GNSS-Signalen zueinander berücksichtigt. Eine Positionsbestimmung im Zentimeterbereich ist hierdurch möglich.
Alternativ oder zusätzlich zu einem GNSS-Verfahren können Signale von Bildmarken 8 dazu verwendet werden, deren Position zu bestimmen. Eine besonders geeignete Möglichkeit ist die Positionsbestimmung mittels Laufzeitverfahren. Hierfür wird die Laufzeit eines oder mehrerer Signale vom und/oder zur Bildmarke 8 bestimmt, insbesondere die Summe der Laufzeiten eines Signals zur Bildmarke 8 und eines Signals von der Bildmarke 8, zweckmäßigerweise verbunden mit einer zusätzlichen Sendelatenzzeit der Bildmarke 8. Auf diese Weise kann eine Strecke von der betreffenden Bildmarke 8 zu einem Bezugspunkt ermittelt werden. Sind mehrere solche Strecken zu mehreren Bezugspunkten bekannt, kann die Position der Bildmarke 8 zu den Bezugspunkten mittels trigonometrischer Verfahren bestimmt werden. Ein Bezugspunkt kann die Position einer anderen Bildmarke 8 oder die Position einer Basiseinheit sein.
Zur Ermöglichung eines Signalverfahrens sind mehrere der Bildmarken 8 am Objekt 2 mit einem Sender und insbesondere auch einem Empfänger ausgestattet. Eine schematische Darstellung einer solchen Bildmarke 8 ist in 3 wiedergegeben. Die Bildmarke 8 enthält einen Sender 16, einen Empfänger 18 und eine Berechnungseinheit 20 zur Berechnung von Signallaufzeit, Strecke und/oder der Position der Bildmarke 8 relativ zu mehreren Bezugspunkten. Mit einer GNSS-Einheit 22 kann die absolute Position der Bildmarke 8 zusätzlich ermittelt werden.
4 zeigt den Beginn eines Positionsbestimmungsverfahrens zur Bestimmung der Positionen von mehreren Bildmarken 8 zueinander. Einer der Bildmarken 8 sendet ein Anfragesignal 24 in den Raum. Das Anfragesignal 24 wird zweckmäßigerweise richtungslos versendet und ist in 4 nur der besseren Darstellbarkeit als Pfeile zu den einzelnen Bildmarken 8 dargestellt.
Das Anfragesignal 24 wird von den Empfängern 18 der anderen Bildmarken 8 empfangen. Der Empfang des Anfragesignals 24 triggert in diesen Bildmarken 8 das Aussenden eines Antwortsignals 26, sodass jede der Bildmarken 8 ein Antwortsignal 26 auf das empfangene Anfragesignal 24 sendet. Diese Antwortsignale 26 werden vom Empfänger 18 der anfragenden Bildmarke 8 empfangen. Der Berechnungseinheit 20 ist sowohl der Sendezeitpunkt des Anfragesignals 24 als auch jeweils der Empfangszeitpunkt der einzelnen Antwortsignale 26 bekannt. Zudem ist der Berechnungseinheit 20 eine Sendelatenzzeit bekannt, also diejenige Zeit, die die Bildmarken 8 brauchen, um nach dem Empfang des Anfragesignals 24 ein Antwortsignal 26 auszusenden. Zweckmäßigerweise ist diese Sendelatenzzeit bei allen aktiven Bildmarken 8 identisch.
Aus der Summe der Laufzeiten des Anfragesignals 24 und des Antwortsignals 26 und der Antwortlatenzzeit kann nun die Berechnungseinheit 20 die Laufzeit des Anfragesignals 24 bzw. des Antwortsignals 26 zwischen sich und den jeweiligen Bildmarken 8 bestimmen.
Zumindest jedes Antwortsignal 26 enthält Information darüber, von welcher der Bildmarken 8 es gesendet wurde. Hierfür ist jede Bildmarke 8 mit einer eindeutigen also individuellen Identifizierung versehen, die als solche oder in anderer Form Teil des Antwortsignals 26 ist. Anhand der bekannten Laufzeiten und der eindeutigen Identifizierung kann die Berechnungseinheit 20 nun den Abstand zwischen sich und allen antwortenden anderen Bildmarken 8 berechnen.
Analog zu den in 4 dargestellten Verfahrensschritten kann jede Bildmarke 8 ein Anfragesignal 24 aussenden, zweckmäßigerweise nacheinander, um Signalkollisionen gering zu halten, und auf den Empfang der mehreren Antwortsignale 26 von den jeweils anderen Bildmarken 8 warten und hieraus die Abstände der anderen Bildmarken 8 zu sich bestimmen. Auf diese Weise liegen alle Abstände zwischen den Bildmarken 8 untereinander vor. Aus diesen Abständen können nun mittels einfacher räumlicher Trigonometrie die Positionen der Bildmarken 8 relativ zueinander bestimmt werden.
Diese Positionsbestimmung kann durch eine oder mehrere der Berechnungseinheiten 20 der Bildmarken 8 erfolgen. Zusätzlich oder alternativ kann die Positionsbestimmung von einer Basiseinheit 28 vorgenommen werden, die die Daten von Laufzeiten, Entfernungen und/oder einzelnen Positionen von einer oder mehreren der Bildmarken 8 erhält, wie in 4 durch den Pfeil zur Basiseinheit 28 dargestellt ist.
Durch die Auslagerung der Positionsberechnung von den Bildmarken 8 zur die Basiseinheit 28 können die einzelnen Bildmarken 8 einfacher und kostengünstig gehalten bleiben. Die Basiseinheit 28 kann beispielsweise mit der Kamera 4 verbunden sein und ein Kamerasystem bilden und beispielsweise Teil eines Fahrzeugs 6 sein. Ebenfalls möglich ist eine Basiseinheit 28 in Form eines tragbaren Computers, wie eines Laptops, eines Smartphones oder dergleichen.
Durch einen Vergleich der Positionsdaten mit GNSS-Daten aus einzelnen GNSS-Einheiten 22 können die einzelnen Positionen der Bildmarken 8 auf Plausibilität überprüft werden. Bei Verwendung von Real Time Kinematics können auf diese Weise auch leichte ungewollte Verschiebungen eines oder mehrerer Bildmarken 8 am Objekt 2 erkannt werden. Zudem können die relativen Positionen der Bildmarken 8 zueinander in absolute georeferenzierte Positionen überführt werden.
Die Bildmarken 8 bilden zusammen mit der Kamera 4 und zumindest einer Berechnungseinheit 20, die Teil einer Bildmarke 8 oder der Basiseinheit 28 sein kann, ein Kennzeichnungssystem 30 zur Aufnahme und Kennzeichnung des Objekts 2. Zur fotogrammetrischen Erstellung eines Modells des Objekts 2 umfasst das Kennzeichnungssystem 30 zweckmäßigerweise auch eine Modelleinheit 32, mit der anhand der aufgenommenen Bilder und der Positionen der Bildmarken 8 das digitale Modell des Objekts 2 erstellt wird. Die Modelleinheit 32 kann Teil der Basiseinheit 28 oder einer anderen Einheit sein.
Ein weiteres Verfahren zur Bestimmung der Positionen der Bildmarken 8 wird anhand der Darstellung aus 5 erläutert. 5 zeigt die Basiseinheit 28 an zwei verschiedenen Positionen P₁ und P₂ . Die Basiseinheit 28, beispielsweise das Kamerasystem mit Kamera und Kommunikationseinheit zur Kommunikation mit den Bildmarken 8, ist zu einem früheren Zeitpunkt t₁ an der Position P₁ und zu einem späteren Zeitpunkt t₂ an der Position P₂ . Zum früheren Zeitpunkt t₁ sendet die Basiseinheit 28 ein Anfragesignal 24 aus, das von allen Bildmarken 8, die dieses Anfragesignal 24 empfangen, mit einem Antwortsignal 26 beantwortet wird. Anfragesignal 24 und Antwortsignal 26 sind in 5 jeweils gemeinsam durch einen Doppelpfeil dargestellt. Die Signale zum Zeitpunkt t₁ sind gestrichelt dargestellt. Analog wie zu dem vorhergehenden Verfahren beschrieben, ermittelt die Basiseinheit 28 aus den Laufzeiten der Signale 24, 26 ihren Abstand zu den einzelnen Bildmarken 8.
Nach dem Empfangen der Antwortsignale 26 bewegt sich die Basiseinheit 28 zur zweiten Position P₂ , um von dort erneut ein Anfragesignal 24 auszusenden. Dieser Vorgang kann kontinuierlich sein. Beispielweise wird das Anfragesignal 24 während des Flugs der Basiseinheit 28 gesendet und die Antwortsignale 26 ebenfalls im Flug empfangen. Bei elektromagnetischen Signalen kann die Zeit zwischen Senden und Empfangen jedoch so kurz sein, dass Senden und Empfangen als an einer einzigen Position P₁ stattfindend zu verstehen sein können. Nun wartet die Basiseinheit 28, bewegt sich währenddessen weiter und sendet dann später das nächste Anfragesignal 24.
Dieses wird erneut von den Bildmarken 8 durch jeweils ein Antwortsignal 26 beantwortet. Anfragesignal 24 und Antwortsignal 26 an der Position P₂ sind zur besseren bildlichen Abgrenzung gegen die Signale 24, 26 der Position P₁ in 5 durchgezogen dargestellt. Aus diesen erneuten Antwortsignalen 26 kann die Basiseinheit 28 wiederum die Abstände der Position P₂ zu den einzelnen Bildmarken 8 bestimmen. Es liegt nun zu jeder der Bildmarken 8 ein Dreieck aus seiner eigenen Position und den beiden Positionen P₁ und P₂ vor. Aus diesem Dreieck kann mittels zweidimensionaler Trigonometrie die Position einer jeden Bildmarke 8 relativ zu den beiden Positionen P₁ und P₂ bestimmt werden, abgesehen von einer spiegelbildlichen Unbestimmtheit. Durch das gleiche Vorgehen in einer dritten Position kann diese Unsicherheit eliminiert werden und die Positionen der Bildmarken 8 können eindeutig bestimmt werden. Für eine eindeutige Bestimmung im dreidimensionalen Raum kann das Verfahren an einem vierten Punkt wiederholt werden.
Sind die Positionen der einzelnen Bildmarken 8 im Vorhinein bekannt, können die einzelnen Positionen P₁ der Basiseinheit 28 bestimmt werden. Andersherum ist es möglich, bei bekannten einzelnen Positionen P₁ der Basiseinheit 28 unbekannte Positionen der einzelnen Bildmarken 8 zu bestimmen. Beispielsweise ist die Basiseinheit 28 mit einem GNSS-Empfänger ausgestattet und dazu vorbereitet, aus GNSS-Signalen seine eigene Position zu bestimmen, insbesondere mittels Real Time Kinematics. Die Positionen P₁ sind hierdurch bekannt. Die einzelnen Bildmarken 8 können hingegen viel einfacher ausgeführt sein, da es ausreicht, wenn sie vom Anfragesignal 24 dazu getriggert werden, das Antwortsignal 26 auszusenden. Eine eigene Positionsbestimmung ist nicht notwendig. Auf die Berechnungseinheiten 20 und die GNSS-Einheit 22 kann insofern in den Bildmarken 8 verzichtet werden.
Zur fotogrammetrischen Bestimmung eines digitalen Modells des Objekts 2, beispielsweise der Brücke aus 1, kann die Kamera 4 entlang des Objekts 2 bewegt werden und dieses von mehreren Seiten jeweils mit einer Vielzahl von Bildern aufnehmen. Beispielsweise fliegt sie an beiden Seiten entlang der Brücke und über der Brücke und durch jeden einzelnen Bogen der Brücke hindurch. Hierbei sendet ein Sender an der Kamera 4 in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen Anfragesignale 24 aus, die die Bildmarken 8, die das Anfragesignal 24 empfangen, mit dem Antwortsignal 26 beantworten. Aus der Bekanntheit der jeweiligen eigenen Position bestimmt das Kamerasystem die Positionen der einzelnen Bildmarken 8. Ebenfalls möglich ist es, dass das Kamerasystem die Daten nur sammelt und diese später in einer anderen Einheit, beispielsweise einer Basiseinheit 28, ausgewertet werden, sodass erst dann die Positionen der Bildmarken 8 vorliegen.
Bezugszeichenliste

2: Objekt
4: Kamera
6: Fahrzeug
8: Bildmarke
10: Kennzeichnungsfläche
12: Kennzeichnung
14: Referenzpunkt
16: Sender
18: Empfänger
20: Berechnungseinheite
22: GNSS-Einheit
24: Anfragesignal
26: Antwortsignal
28: Basiseinheit
30: Kennzeichnungssystem
32: Modelleinheit
P: Position

Claims

Fotogrammetrieverfahren zum Erstellen eines Modells eines Objekts (2), bei dem das Objekt (2) aus mehreren verschiedenen Richtungen aufgenommen und das Modell aus Bilddaten der aufgenommenen Bilder fotogrammetrisch erstellt wird, wobei mehrere am Objekt (2) platzierte Bildmarken (8) mit jeweils einer individuellen Kennzeichnung (12) mit aufgenommen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildmarken (8) Signale (24, 26) aussenden, mit denen die Positionen der Bildmarken (8) bestimmt werden.
Fotogrammetrieverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Position aus Laufzeiten der Signale (24, 26) zu zumindest einem Empfänger (18) bestimmt werden.
Fotogrammetrieverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Bildmarken (8) auf zumindest zwei aus verschiedenen Richtungen kommende Anfragesignale (24) jeweils ein Antwortsignal (26) senden und die Positionen der Bildmarken (8) jeweils aus einer Summe der Laufzeiten des Anfragesignals (24) und des Antwortsignals (26) und einer Antwortlatenzzeit bestimmt werden.
Fotogrammetrieverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildmarken (8) mit ihren Signalen (24, 26) untereinander kommunizieren und ihre Relativposition zueinander aus Laufzeiten der Signale untereinander bestimmt wird.
Fotogrammetrieverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Basisstation (28) von den Bildmarken (8) Informationen zu Abständen zwischen den Bildmarken (8) erhält und daraus die Relativposition der Bildmarken (8) zueinander bestimmt.
Fotogrammetrieverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Basisstation (28) aus Signalen (24, 26) von den Bildmarken (8) Abstandsinformationen zu den Bildmarken (8) ermittelt und aus eigenen bekannten Positionen die Relativposition der Bildmarken (8) zueinander bestimmt.
Fotogrammetrieverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Bilder aufnehmendes Kamerasystem mit den Bildmarken (8) kommuniziert und aus den aus der Kommunikation erhaltenen Informationen Positionen der Bildmarken (8) zueinander ermittelt.
Fotogrammetrieverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kamerasystem ein Fluggerät (6) ist.
Fotogrammetrieverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildmarken (8) elektromagnetische Signale (24, 26) aussenden.
Fotogrammetrieverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildmarken (8) jeweils einen GNSS-Empfänger (22) enthalten und ihre Position aus GNSS-Daten ermitteln.
Fotogrammetrieverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildmarken (8) jeweils einen GNSS-Empfänger (22) enthalten und ihre Position aus GNSS-Signalen durch Real Time Kinematics ermitteln.
Fotogrammetrieverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei den Aufnahmen des Objekts (2) aus mehreren verschiedenen Richtungen zumindest eine der Bildmarken (8) von mehreren Seiten aufgenommen werden.
Kennzeichnungssystem (30) für eine fotogrammetrische Erstellung eines Modells eines Objekts (2) mit einer Kamera (4) zum Aufnehmen des Objekts (2) aus verschiedenen Richtungen und mehreren Bildmarken (8) mit jeweils einer individuellen Kennzeichnung (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Bildmarken (8) Sender (16) zum Aussenden von Signalen (24) aufweisen und dass eine Berechnungseinheit (20) vorhanden ist, die dazu vorbereitet ist, aus den Signalen die Positionen der Bildmarken (8) zu bestimmen.
Kennzeichnungssystem (30) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildmarken (8) jeweils mehrere zueinander angewinkelte Kennzeichnungsflächen (10) mit jeweils zumindest einer individuellen Kennzeichnung (12) aufweisen.
Kennzeichnungssystem (30) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildmarken (8) jeweils eine Würfelform mit fünf Kennzeichnungsflächen (10) aufweisen, die jeweils zumindest eine individuelle Kennzeichnung (12) enthalten.