DE10341822A1 - Three dimensional object photogrammetry recording method, e.g. for use in geological survey, involves storing picture information in polar coordinate system, where information allows eventual turning or tilting of camera - Google Patents
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Abstract
Description
Einsatzgebiet und technischer Hintergrundoperation area and technical background
Die Erfindung betrifft das Gebiet der maßgetreuen fotografischen Aufnahme dreidimensionaler Objekte im Raum und der automatischen Gewinnung deren räumlicher Koordinaten ohne verfahrensbedingte Bildwinkelgrenzen mit den Mitteln der rechentechnisch unterstützten elektronischen Bilderfassung und -verarbeitung. Stellvertretende Anwendungsgebiete sind alle Aufgaben der photogrammetrischen Datengewinnung, beispielsweise für bauliche Aufmaße, industrielle Anlagendokumentation, Facility Management oder geologische Vermessungen, aber auch die maßgetreue Übernahme realer Szenarien in Computer-Konstruktionssysteme, Modellierungs-, Simulations- und Visualisierungsaufgaben, sowie diverse multimediale Anwendungen.The This invention relates to the field of true-to-life photographing three-dimensional objects in space and the automatic extraction their spatial Coordinates without procedural image angle limits with the means the computationally supported electronic image acquisition and processing. Deputy Areas of application are all tasks of photogrammetric data acquisition, for example for structural allowances, industrial plant documentation, facility management or geological Surveying, but also the faithful takeover real scenarios in computer construction systems, modeling, Simulation and visualization tasks, as well as various multimedia Applications.
Die Erfindung tangiert unterschiedliche technische Themenbereiche, so dass der Stand der Technik nachfolgend für diese Einzelbereiche gesondert analysiert wird.The Invention affects different technical topics, so that the prior art separately for these individual areas separately is analyzed.
1) Photogrammetrische Aufnahmeverfahren1) Photogrammetric admission process
Photogrammetrische Aufnahmen erfolgen mit Hilfe von Aufnahmekameras, die zumindest aus einem Abbildungsobjektiv und einem in der Regel ebenen elektronischen Bildsensor, bzw. einem mechanischen Träger mit einer Fotoemulsion, bestehen.Photogrammetric Shooting takes place with the help of recording cameras, at least from an imaging lens and a generally planar electronic Image sensor, or a mechanical support with a photo emulsion, consist.
Die äußere Orientierung
einer gemäß
Jede Lageänderung der Aufnahmeachse der Kamera führt bei planaren Abbildungen zur Veränderung der linearen Bildgeometrie. Diese Tatsache wird zum Beispiel beim erfolglosen Versuch deutlich, Weitwinkelpanoramen aus planar aufgenommenen Einzelbildern mit verschiedenen Verschwenkungswinkeln korrekt zusammenzusetzen.each change of position the recording axis of the camera leads in planar illustrations to change the linear image geometry. This fact becomes, for example, unsuccessful Try clearly, wide-angle panoramas of planar captured frames correctly assembled with different pivoting angles.
Bei der Abbildung von Ebenen im Objektraum kommt es immer dann zwangsläufig zu perspektivischen Verzeichnungen, wenn die optische Achse während der Aufnahme nicht senkrecht zu diesen Ebenen stand. Die Bedingung einer Senkrechtstellung ist in der Praxis aber beinahe nicht gewährleistbar. Die genannten Verzeichnungen werden durch nicht parallele Abbildung von im Original ansich parallelen Linien sichtbar. Für die perspektivische Entzerrung sind zahlreiche Methoden bekannt, die jedoch nur dann geometrisch korrekt sein können, wenn die ursprüngliche Orientierung der Kamera im Objektraum und die innere Orientierung der Kamera, einschließlich des Bildhauptpunktes, bekannt sind. Anderenfalls sind nur Näherungsergebnisse zu erwarten.at The mapping of planes in object space is always inevitable perspective distortions when the optical axis during the Recording was not perpendicular to these levels. The condition of a Vertical position is almost impossible to guarantee in practice. The named distortions are caused by non-parallel imaging visible from the original ansich parallel lines. For the perspective Equalization methods are known, but only then can be geometrically correct, if the original one Orientation of the camera in the object space and the inner orientation of the Camera, including of the image main point, are known. Otherwise, only approximate results are to expect.
Zu
berücksichtigen
ist weiterhin, dass alle technischen Objektive Abbildungsfehler
erzeugen, die zu Abweichungen von der idealisierten Zentralprojektion
führen.
Wird, wie in
Gerade die häufiger zu beobachtende Tonnenverzerrung führt dazu, dass die genannte Tangensfunktion linearisiert wird.Just the more common observed barrel distortion leads to the said Tangensfunktion is linearized.
Während in der Vergangenheit die Konstruktion der Messobjektive photogrammetrischer Messkammern auf kleinste Abbildungsfehler optimiert wurden, entspricht es jetzt dem gebräuchlichen Stand der Technik, Kameraausrüstungen mit allgemeiner fotografischer Zweckbestimmung zu verwenden, deren Objektive aber erhebliche Abbildungsfehler aufweisen. Für photogrammetrische Anwendungen werden diese Kameras mit Hilfe von Testmustern kalibriert, so dass das Ergebnis der Kalibrierung zur Korrektur aller Bildaufnahmen dient.While in the past the construction of the measuring lenses photogrammetric Measuring chambers were optimized to the smallest aberrations, corresponds it now the usual state technology, camera equipment to be used for general photographic purposes, the Objective but have significant aberrations. For photogrammetric Applications, these cameras are calibrated using test patterns, so that the result of the calibration is used to correct all image recordings.
Generell besteht der Nachteil aller planar abbildenden Aufnahmesysteme in einer Bildwinkelbegrenzung, die eine vollständige Erfassung der gesamten Situation im Objektraum rund um den Aufnahmestandort verhindert, und in der Fixierung der Kameraorientierung zum Aufnahmezeitpunkt, die eine universelle Weiterverarbeitbarkeit der Bilder stark einschränkt.As a general rule there is the disadvantage of all planar imaging systems in an angle limitation, which is a complete capture of the entire Situation in the object space around the shooting location prevents and in fixing the camera orientation at the time of recording, which severely restricts a universal reprocessibility of the images.
2) Panorama-Fotografie2) panoramic photography
Die sogenannte echte Panorama-Fotografie erfasst horizontal endlose Aufnahmen mit einem Bildwinkel von 360 Grad. Bestimmte Aufnahmeverfahren erlauben dabei auch eine Ausdehnung des vertikal erfassbaren Bildwinkels auf insgesamt 180 Grad.The so-called real panorama photography captures horizontally endless Shooting with a 360 degree angle. Certain admission procedures allow thereby also an extension of the vertically detectable angle of view to a total of 180 degrees.
Die
Grundform der elektronischen scannenden Panoramakamera, bestehend
aus einem Zeilensensor in der Bildebene eines Abbildungsobjektives – zusammenfassend
als Zeilenkamera bezeichnet – und
einem Drehantrieb ist aus
Eine
Methode der simultanen, also gleichzeitig in allen Richtungen aufnehmenden,
Panorama-Fotografie
besteht darin, auf eine mit ihrer optischen Achse senkrecht nach
oben gerichtete Flächenkamera
eine ringförmige
Darstellung der Umgebung zu projizieren, wofür in zahlreichen Veröffentlichungen,
u.a. in WO 03/027766 A2,
Ein
anderes Verfahren der simultanen Panorama-Fotografie besteht nach
WO 03/038752 A1 oder auch nach
Weiterhin
sind sogenannte Stitching-Methoden bekannt, bei denen eine Anzahl
von mittels einer Flächenkamera
nacheinander in unterschiedlichen Richtungen aufgezeichneten Bildern
zu einem gemeinsamen Bild kombiniert wird. Die wohl verbreitetste
Anwendung dieser Art ist vom Computer-Softwareprodukt Quick-Time
VR der Firma Apple Computer, Inc., Cupertino, CA 95014-2084 bekannt.
Dort erfolgt die Speicherung der Bildinformationen auf der Oberfläche eines
virtuellen Würfels,
was unterschiedliche partielle Auflösungen für verschiedene Betrachtungswinkel
zur Folge hat. Weitere Vorschläge ähnlicher
Lösungen
finden sich in US 2001/803802 und WO 01/93199 A1. In US 2003/0128975
A1 wird ein Multifunktions-Stativkopf vorgestellt, der den Abgleich
des Projektionszentrums der Einzelkamera auf die Drehachse erleichtert.
Zur Vereinfachung der Anwendung der Methodik wird in WO 99/51027
die Ausstattung der Aufnahmekamera mit einem zusätzlichen Bewegungssensor vorgeschlagen.
Eine
gewisse Verwandschaft mit Panoramakameras haben sogenannte Überwachungskameras,
die fernsteuerbar auf einem Schwenk-Neige-Kopf montiert sind. Ein
besonders ausgereiftes System einer solchen Steuerung wird in
Zusammenfassend ist keine praktisch verwendbare Lösung für eine Panoramakamera mit einem zugehörigen Bildspeicherprinzip bekannt, womit ein photogrammetrisch auswertbares Bild ohne Bildwinkelbegrenzung automatisch aufgezeichnet werden kann.In summary is not a practical solution for a panoramic camera with a associated Image memory principle known, so a photogrammetrically evaluable Picture without angle limitation automatically recorded can.
3) Videotheodolite, Videotachymeter und Schwenk-Neige-Kameras3) Videotheodolite, video tachymeter and pan-tilt cameras
In
4) Fotografische Gewinnung von Abstandsinformationen4) Photographic extraction distance information
Hier werden zunächst nur Verfahren ohne strukturiertes oder kollimiertes Licht, also bei diffuser Objektbeleuchtung, betrachtet. Basis für alle bekannten Verfahren bildet die Aufnahme des Objektraumes aus wenigstens zwei verschiedenen, eine Parallaxe verursachenden Kamerastandorten. Hierbei ist es zunächst ohne Bedeutung, in welchem Koordinatensystem die Bilddaten erfasst sind. Die Objektkoordinaten von Objektpunkten, die in wenigstens zwei Aufnahmen identifiziert und zugeordnet sind, können in bekannter Weise durch Triangulation und Bündelausgleichung berechnet werden.Here be first only methods without structured or collimated light, ie with diffuse object lighting, considered. Base for all known Method forms the inclusion of the object space of at least two different, a parallax causing camera locations. in this connection it is initially without Meaning in which coordinate system the image data are recorded. The object coordinates of object points that are in at least two Recordings are identified and assigned, in a known manner by Triangulation and bundle adjustment be calculated.
Ein
Sonderfall solcher Verfahren ist die stereoskopische Aufnahme, die
durch die Zuordnung homologer, in einer Kernlinie liegender Punkte
charakterisiert ist und die Bildauswertung wegen zusätzlicher
Randbedingungen erheblich vereinfacht. Die seit langem bekannten
planar projizierenden Aufnahmekameras mit zwei Objektiven in einem
Basisabstand zueinander sind für
Aufnahmen ohne Bildwinkelbegrenzung nicht geeignet. Aus
Werden im Objekt leicht erkennbare oder gar optisch kodierte Marken angebracht, so kann eine zuverlässige automatische Auswertbarkeit erreicht werden. Dies setzt aber umfangreiche Markierarbeiten voraus, die die Wirtschaftlichkeit der Aufnahmen insgesamt relativieren. Auch ist das zu vermessende Objekt oft nicht in seiner gesamten Ausdehnung zugänglich.Become attached easily recognizable or even optically coded marks in the object, so can a reliable automatic readability can be achieved. This sets but extensive Marking ahead, the cost-effectiveness of shooting total relativize. Also, the object to be measured is often not accessible in its entire extent.
Ohne solche Markierungen oder andere vereinfachende Randbedingungen wird die automatische Vermessung in der Nahbereichsphotogrammetrie trotz zahlreicher Lösungsvorschläge für diese Problematik bisher nicht beherrscht. Ein weiteres Problem besteht auch darin, dass eine Objekt- oder Oberflächenzuordnung stattfinden muss, damit aus einer Menge von Punktkoordinaten letzten Endes räumliche Objekte werden können. Die Objektzuordnung bildlich erfasster Flächenelemente ist nur eingeschränkt automatisierbar und erfordert regelmäßig den Eingriff einer bedienenden Person.Without such markings or other simplifying boundary conditions the automatic measurement in the Nahbereichsphotogrammetrie despite numerous solutions for this Problem so far not mastered. Another problem exists also in that an object or Surface assignment take place must, so from a lot of point coordinates in the end spatial Objects can be. The object assignment of pictorially recorded surface elements can only be automated to a limited extent and requires the regular Intervention of a serving person.
5) Gewinnung von Abstandsinformationen mittels strukturierter Beleuchtung5) Obtaining distance information using structured lighting
Das immer wiederkehrende Funktionsprinzip besteht in der Projektion von Lichtmustern, -linien, -gittern oder -marken auf die Objektoberfläche, deren fotografischer Aufnahme und analytischer Auswertung des von der Objektoberfläche verformten Projektionsbildes aus einem oder mehreren Beobachtungspunkten.The Recurring principle of operation consists in the projection of light patterns, lines, grids or marks on the object surface whose Photographic image and analytical evaluation of the of object surface deformed projection image from one or more observation points.
Hier
sind zunächst
Verfahren bekannt, bei denen anstelle mechanisch anzubringender
Zieltafeln optische Marken auf die Objektoberfläche projiziert werden. So sind
auch unzugängliche
Objektbereiche für
die Messung erreichbar. Entsprechende Vorschläge zum Verwenden solcher Licht-Marken, die auch
als flächige Raster-
oder Gittermuster formiert werden, sind stellvertretend in
6) Direkte Abstandsmessverfahren6) Direct distance measuring method
Es
sind Verfahren zur polaren Abtastung der Objektoberfläche mit
diskreten Messstrahlenbündeln
unter bekannten Winkeln bei gleichzeitiger Bestimmung des jeweiligen
Abstandes, z.B. durch Laufzeit-, Phasenvergleichs- oder Interferenzmessung
bekannt. Solche Aufgaben werden von sogenannten Laserscannern erfüllt. Obwohl
u.a. aus
Technische AufgabenstellungTechnical task
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung besteht darin, photogrammetrisch auswertbare fotografische Abbildungen aus einem Beobachtungsstandort mit folgenden Eigen schaften herzustellen:
- – Es soll keine prinzipbedingte Bildwinkelbegrenzung auftreten.
- – Alle Ansichten aus einem Beobachtungsstandort sollen in einem gemeinsamen, universellen Modellkoordinatensystem gespeichert werden können.
- – Es soll ein hohes geometrisches Auflösungsvermögen erreichbar sein.
- – Systematische Abbildungsfehler sollen im Rahmen der mechanisch realisierbaren Toleranzen vollständig korrigiert werden.
- – Einzelansichten sollen nach der Aufnahme durch geometrisch korreke Messbildentzerrung in beliebige Flächen zentralperspektivisch entzerrt werden können.
- - There should be no principle limitation of the picture angle.
- - All views from an observation site should be able to be stored in a common, universal model coordinate system.
- - It should be achievable a high geometric resolution.
- - Systematic aberrations should be completely corrected within the scope of the mechanically realizable tolerances.
- - Single views should be able to be rectified in a central perspective after acquisition by geometrically correct image equalization.
Ferner soll bei bestimmter Ausgestaltung und unter bestimmten Einsatzbedingungen eine automatische Extrapolation von geometrischen Primitiven, z.B. Flächen, Kanten und Eckpunkten, erfolgen, so dass insbesondere auch eine wirtschaftliche Lösung zur schnellen und präzisen Aufmessung von Gebäuden und Innenräumen als Anwendungsbeispiel ableitbar ist.Further should in certain embodiment and under certain conditions of use an automatic extrapolation of geometric primitives, e.g. surfaces, Edges and vertices, done so that in particular a economical solution for fast and accurate Measurement of buildings and interiors as an application example is derivable.
Weiterhin soll ein Lösungsweg zur Kalibrierung der Aufnahmevorrichtung aufgezeigt werden.Farther should be a solution be shown for calibration of the recording device.
ProblemlösungTroubleshooting
Das Problem wird mit den in den Ansprüchen 1, 3 und 19 gekennzeichneten Verfahren und der in den Ansprüchen 22 und 25 gekennzeichneten Anordnung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.The Problem becomes with the characterized in the claims 1, 3 and 19 Method and in the claims 22 and 25 marked arrangement solved. Advantageous embodiments are in the further claims specified.
Die Erfindung verwendet grundsätzlich als Koordinatensystem für die Speicherung aller Bildinformationen das Polarkoordinatensystem. Gegenüber allen anderen Koordinatensystemen hat dieses den entscheidenden Vorteil, keinerlei Vorzugsrichtungen oder Bildhauptpunkte zu benötigen und somit zur Aufnahmezeit keine Vorbedingungen festzulegen, die eine nachfolgende Bearbeitung mit wahlfreien Projektionsrichtungen einschränken würde.The Invention basically uses as a coordinate system for storing all image information the polar coordinate system. Across from All other coordinate systems have this crucial Advantage, not to need any preferred directions or image main points and Thus, at the time of recording no preconditions to set, the one restrict subsequent processing with optional projection directions.
Gemäß
Die
Gewinnung der Bilddaten, die auf die Kugelfläche abzubilden sind, geschieht
erfindungsgemäß nicht
zu einem einheitlichen Zeitpunkt für die gesamte Kugelfläche, sondern
aus einer Kombination einzelner, nacheinander aufzuzeichnender Ausschnitte
dieser Fläche.
Die Aufnahmekamera, die jeweils nur ein im Bildwinkel begrenztes
Fragment der Kugelfläche
aufzeichnet, wird hierzu gemäß
Ausgehend
von einer mit einem Rechteck begrenzten Projektionsfläche B der
Kamera wird in dieser Kameraposition die Bildinformation für ein Teilstück F der
Kugelfläche
gewonnen. Entsprechend
Ohne Einschränkung der Allgemeingültigkeit wird die z-Achse in die Schwenkachse der Kamera gelegt, während die x-Achse einen Anfangswinkel α=0 der Schwenkbewegung kennzeichnet. Eine solche Konstellation ermöglicht es, einen prinzipiell zu berücksichtigenden Kantungswinkel der Kamera um ihre optische Achse generell auf Null festzulegen, wodurch sich die analytischen Gleichungen erheblich vereinfachen.Without restriction of generality the z-axis is placed in the pivot axis of the camera, while the x-axis has an initial angle α = 0 the pivoting movement marks. Such a constellation makes it possible a principle to be considered Canting angle of the camera around its optical axis generally zero which makes the analytic equations significant simplify.
Eine
Aufnahmekamera, die auf eine ebene Sensormatrix projiziert, erzeugt
eine Abbildung mit diskreten rechtwinkligen Koordinaten. Bereits
die Anschauung von
Diese
Umrechnung ist zu umgehen, wenn die Pixelkoordinaten der Kamera
nicht wie allgemein üblich in
einem rechtwinkligen Koordinatensystem, sondern grundsätzlich in
polaren Winkelkoordinaten kalibriert sind. Während eines Kalibriervorgangs
wird deshalb jedem diskreten Bildelement des Sensors ein Wertepaar aus
Horizontal- und Vertikalwinkel zugeordnet und in einer Korrekturmatrix
abgelegt.
Die genannte Kalibrierweise kommt auch der radialen Verzeichnung der meisten Objektive entgegen, bei denen die ansich zum Tangens proportionale Abbildungsfunktion in Richtung einer winkelproportionalen Abbildung linearisiert ist.The mentioned calibration also comes the radial distortion of the Most lenses, where the ansich to tangent proportional Mapping function in the direction of an angle-proportional image is linearized.
Üblicherweise liegen die Pixelkoordinaten in diskreter Form als Positionsnummer der zugehörigen Pixel vor. Die jedem Bildpixel zuzuordnenden radiometrischen Werte (Farbwert, Grauwert) können aber zwischen den diskreten Koordinatenschritten nach geeigneter Vorschrift zu einer stetigen Funktion interpoliert werden. Auf diese Weise ist es auch möglich, die Pixelkoordinaten der Messmarken, die zur Kamerakalibrierung abgebildet werden, in stetigen Koordinaten zu messen. Noch einfacher ist es, den diskreten Pixeln in stetigen Koordinaten gemessene Winkelpaare zuzuordnen, was zu einer Matrix der Form führt. Die Ausdehnung G×H entspricht der Anzahl physikalischer Sensorelemente des Bildsensors. Diese Matrix wird als Ergebnis der Kamerakalibrierung als Korrekturmatrix in einer Datei abgelegt.Usually, the pixel coordinates are present in discrete form as the position number of the associated pixels. However, the radiometric values (color value, gray value) to be assigned to each image pixel can be interpolated between the discrete coordinate steps according to a suitable rule to a continuous function. In this way it is also possible to measure the pixel coordinates of the measuring marks, which are imaged for camera calibration, in continuous coordinates. It is even simpler to assign angular pairs measured in discrete coordinates to the discrete pixels, resulting in a matrix of the form leads. The extent G × H corresponds to the number of physical sensor elements of the image sensor. This matrix is stored as a correction matrix in a file as a result of the camera calibration.
Ist
die Kamera eine Zeilenkamera mit vertikal ausgerichtetem Zeilensensor,
so verringert sich der Aufwand für
Kalibrierung und Speicherung erheblich, weil nur noch eindimensional
zu messen und in der Form
Um die Größe der Korrekturmatrix zu reduzieren, ist es unter Beachtung der in Kauf zu nehmenden Fehler selbstverständlich auch möglich, die Anzahl der Stützstellen für die Korrekturfunktion unter die Anzahl der Sensorelemente G×H oder H zu senken und die übrigen Koordinaten während der Korrektur geeignet zu interpolieren. Dies könnte auch so weit gehen, dass generell eine Funktion höherer Ordnung gefunden wird, die mit ausreichender Genauigkeit die geometrische Korrektur annähert. Da der wesentlichste Abbildungsfehler technischer Objektive von der radialen Verzeichnung verursacht wird, könnte für die flächige Abbildung auch eine vom Radius aus dem Bildhauptpunkt der Kamera abhängige eindimensionale Korrekturfunktion gefunden werden.In order to reduce the size of the correction matrix, it is of course also possible to reduce the number of support points for the correction function below the number of sensor elements G × H or H, and the remaining coordinates are suitable during correction, taking into account the errors to be accepted interpolate. This could go so far that in general a higher-order function is found which approximates the geometric correction with sufficient accuracy. Since the most essential aberration If technical objectives are caused by the radial distortion, it would also be possible to find a one-dimensional correction function dependent on the radius from the main image point of the camera for the two-dimensional imaging.
Die mit Hilfe der Kalibrierung ermittelten Winkelzuordnungen gelten für das Bildkoordinatensystem (x', y', z') und unter der Bedingung {α=0; β=0} auch für das Modellkoordinatensystem (x, y, z). Für den Normalfall ist eine Koordinatentransformation zwischen beiden Systemen mit gemeinsamem Ursprung durchzuführen.The apply with the help of calibration determined angle assignments for the Image coordinate system (x ', y', z ') and under the condition {Α = 0; β = 0} too for the Model coordinate system (x, y, z). For the normal case is a coordinate transformation between both systems of common origin.
Mit
der Polarkoordinaten-Substitution
Die Lösung dieses Gleichungssystems führt zu The solution of this equation system leads to
Im
nächsten
Schritt sind innerhalb der Korrekturmatrix die zum ermittelten Wertepaar
(λ', ϕ') benachbarten Pixel
(j, i), (j, i+1), (j+1, i) und (j+1, i+1) nach der Vorschrift
Die
vorgeschlagene radiometrische Berechnung hat auch dann Gültigkeit,
wenn zwischen diskreten Pixeln im Originalbild eine größere Pixelzahl
in den Modellkoordinaten entsteht, die geometrische Auflösung also
zumindest partiell erhöht
wird. Werden im anderen Fall weniger Pixel gesetzt, so dass Lücken zwischen den
Originalkoordinaten entstehen, müssen
weitere angrenzende Pixel in die Rechnung einbezogen werden, um
Aliasing-Effekte zu vermeiden. Für
den Sonderfall, dass die Kamera eine Zeilenkamera ist, vereinfacht
sich das hergeleitete Formelwerk drastisch. Mit der resultierenden
Bedingung λ'≡0 gilt einfach λ=α und damit
Würde mit der Kamera nur punktförmig mechanisch abgetastet, wäre weiterhin ϕ'≡0 und deshalb ϕ=β, was die Universalität des Modellkoordinatensystems unterstreicht.Would with the camera only punctiform mechanically scanned, would be furthermore φ'≡0 and therefore φ = β, which is the universality of the model coordinate system.
In der beschriebenen Art und Weise lassen beliebige Kamerabilder, die unter den genannten Bedingungen entstehen, in das sphärische Modellkoordinatensystem übernehmen. Besonders dann, wenn die Einzelbilder von Flächenkameras stammen, werden die Bildränder wegen der sphärischen Verzerrung gekrümmt, so dass beim Aneinanderfügen der Bilder ein Überlappungsbereich entsteht. Neben der Möglichkeit, die Ränder entlang des Gradnetzes im Modellsystem zu beschneiden und an den dann geraden Kanten zusammen zu setzen, kann ein weiches Überblenden innerhalb des Überlappungsbereiches vorteilhaft sein. Hierzu werden die nach Abstandskriterien normiert gewichteten radiometrischen Werte des einen Bildes mit denen des anderen Bildes kombiniert, was auch mit mehr als zwei einander überlappenden Bildern erfolgen kann.In the manner described let any camera images that arise under the conditions mentioned, in the spherical model coordinate system take over. Especially when the frames are taken by area cameras the edges of the picture because of the spherical Distortion curved, so that when joining together the pictures an overlap area arises. Besides the possibility the edges along the degree network in the model system to crop and on the then putting straight edges together can make a soft fading within the overlap area be beneficial. For this purpose, they are normalized according to distance criteria weighted radiometric values of one image with the other Picture combined, which also with more than two overlapping ones Pictures can be done.
Das
beschriebene Grundkonzept erlaubt eine weitere wichtige Option:
Erfolgt die mechanische Verschwenkung und Neigung mit solch kleinen
Winkeln und einer so hohen Präzision,
dass die resultierenden Verschiebungen im Bild kleiner als der Abstand
zwischen zwei Pixeln sind, so ist die Vervielfachung der effektiven geometrischen
Auflösung
im Bild möglich.
Neben der Verwendbarkeit eines kostengünstigeren Sensors mit kleinerer Anzahl von Sensorelementen besteht ein weiterer Vorteil der beschriebenen Auflösungserhöhung darin, dass in Anwendungsfällen mit kleinerer Anforderung an die geometrische Auflösung diese Subpixelverschiebung einfach weggelassen werden kann. Würden statt dessen Zwischenpixel einer höher aufgelösten Matrix weggelassen, wäre diese nicht mehr voll besetzt. Dies hätte wegen des dabei sinkenden Verhältnisses der geometrischer Abtastfrequenz zur räumlichen Integration einen Aliasing-Effekt zur Folge, der sich durch Moire-Muster im Bild äußern würde. Um dies zu verhindern, müssten benachbarte Pixel miteinander gemittelt werden, was den Zeitvorteil eines kleineren Bildpunkteaufkommens teilweise wieder nivelliert. Außerdem müssen alle Sensor-Arrays in CCD-Technologie seriell ausgelesen werden, so dass ohnehin alle physikalisch vorhandenen Sensorelemente einer Zeile oder Spalte zu erfassen wären.Next the usability of a cheaper Sensor with a smaller number of sensor elements is another Advantage of the described increase in resolution therein, that in use cases with a smaller geometric resolution requirement this Subpixel displacement can be easily omitted. Would take place its intermediate pixels of a higher-resolution matrix omitted, would be these are no longer fully occupied. This would have been because of the sinking ratio the geometric sampling frequency for spatial integration Aliasing effect, which would be expressed by Moire pattern in the picture. To this would have to prevent neighboring pixels are averaged together, giving the time advantage partially re-leveled a smaller number of pixels. Furthermore have to all sensor arrays be read serially in CCD technology, so that anyway physically present sensor elements of a row or column would be to capture.
Auch für die Kalibrierung der Kamera in sphärischen Koordinaten bietet das beschriebene Grundkonzept eine simple und dabei sehr genaue und effektive Lösungsmöglichkeit an. Dadurch, dass sowohl Neige-, wie auch Verschwenkwinkel der Kamera genauestens positionierbar sind, genügt das Aufstellen einer Punktmarke in Höhe des Projektionszentrums vor die Kamera und deren fortlaufende Aufnahme bei sich ändernden mechanischen Winkeln. Über die Abbildungskoordinaten der Marke ist der jeweils eingestellte Winkel, dabei jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen, zuzuordnen. Gestattet der Drehantrieb um die Kippachse gar eine vollständige Drehung, so muss nicht einmal die Höhe der Marke eingemessen werden, weil dann wie vom Theodolit her bekannt auf Durchschlag gemessen und die halbe Vertikalwinkeldifferenz als Winkeloffset korrigiert werden kann. Für den Horizontalwinkel ist keine Nullmarkendefinition erforderlich. Hier kann einfach von der bekannten oder vermuteten Lage des Bildhauptpunktes ausgegangen werden.Also for the Calibration of the camera in spherical Coordinates, the described basic concept offers a simple and Thereby very accurate and effective solution. As a result of that both tilt and tilt angle of the camera accurately are positionable, is sufficient the establishment of a point mark at the level of the projection center in front of the camera and their continuous recording with changing mechanical Angles. about the image co-ordinates of the brand is the respectively set Angle, but with opposite sign, assign. Allows the rotary drive to the tilting axis even a complete rotation, so not even the height of the brand, because then as known from the theodolite ago measured on breakdown and half the vertical angle difference as Angle offset can be corrected. For the horizontal angle is no zero mark definition required. Here can easily from the well-known or suspected location of the main image point are assumed.
Liegt nun also eine sphärische Abbildung vollständig oder fragmentweise in den Modellkoordinaten vor, so sind damit alle denkbaren photogrammetrischen Auswertungen optimal möglich. Beinahe alle Umformungen und Koordinatentransformationen, die ansonsten in der traditionellen Photogrammetrie üblich und erforderlich sind, entfallen hier wegen des universellen Koordinatensystems. Als Beispiel sei die bekannte Thematik der Messbildentzerrung von Ebenen, z.B. bei Fassaden, genannt. Notwendig und hinreichend für die korrekte Darstellung einer Ebene im Bild ist, wie nachfolgend beschrieben, die Ebenenprojektion mit einer virtuellen optischen Achse, die diese Ebene im Nadirpunkt schneidet. Kontrollieren lässt sich dies über die Parallelität der Abbildung von zueinander parallelen Linien in der Ebene des Originals.If, therefore, a spherical image exists completely or fragmentarily in the model coordinates, then all imaginable photogrammetric evaluations are optimally possible. Almost all transformations and coordinate transformations that are common and required in traditional photogrammetry are eliminated because of the universal coordinate system. As an example, the well-known topic of Messbildentzerrung of levels, eg in facades, called. Necessary and sufficient for the correct representation of a plane in the image is, as described below, the plane projection with a vir optical axis that intersects this plane at the nadir point. This can be controlled by the parallelism of the image of parallel lines in the plane of the original.
Auch das in der Vermessungstechnik sehr praktische und weit verbreitete Polarverfahren hat in diesem Modell volle Gültigkeit. Um mit photogrammetrisch gewonnenen Winkelkoordinaten ebenso arbeiten zu können, wie etwa mit solchen vom Theodolit, empfiehlt sich bereits bei der Aufnahme das Einmessen des Beobachtungspunktes und eine sorgfältige Horizontierung der Aufnahmevorrichtung.Also this is very practical and widespread in surveying technology Polar method has full validity in this model. To be with photogrammetric won angle coordinates to be able to work as well for example, with those of the theodolite, is already recommended when taking the calibration of the observation point and a careful leveling the cradle.
Um eine Fotografie in natürlicher Darstellung zu betrachten, ist eine zentralperspektivische Darstellung zu fordern, die natürlich nur dann sinnvoll ist, wenn der Betrachtungswinkel weniger als 180 Grad erfasst. Somit kann immer nur ein begrenzter Ausschnitt des sphärisch gespeicherten Gesamtbildes projiziert werden – dieser aber wahlfrei mit beliebiger Blickrichtung und mit beliebigem Bildwinkel innerhalb der genannten Grenzen. Es wird also eine virtuelle Kamera im Beobachtungspunkt definiert, die programmtechnisch geschwenkt und geneigt werden kann und damit eine wahlfreie Ausrichtung ihrer virtuellen optischen Achse erlaubt. Die freie Bildwinkelauswahl erscheint dabei als virtueller Zoom mit beliebigen Brennweiten.Around a photograph in natural Viewing representation is a central perspective view to demand, of course only makes sense if the viewing angle is less than 180 Degree recorded. Thus, only a limited section of the spherical stored overall image are projected - but this optional with any direction and with any angle within the limits mentioned. It will be a virtual camera in the observation point defined, the program can be tilted and tilted and thus an optional alignment of their virtual optical Axis allowed. The free angle selection appears as virtual Zoom with any focal length.
Zur
Projektion des winkelbegrenzten Ausschnitts aus dem Modellkoordinatensystem
auf eine ebene Fläche
ist eine Transformation nach
Das Zwischensystem wurde den Koordinaten im Projektionssystem (u, v) angepasst, ohne den Horizontal- und Vertikalwinkel (α, β) der virtuellen optischen Achse bei der Projektion zu beachten. Dies geschieht jetzt mit einer anschließenden Drehtransformation T2 in das Modellkoordinatensystem nach der Gleichung The intermediate system was adapted to the coordinates in the projection system (u, v) without considering the horizontal and vertical angles (α, β) of the virtual optical axis during projection. This is done now with a subsequent rotation transformation T 2 in the model coordinate system according to the equation
Mit
der Polarkoordinaten-Substitution
Die Lösung dieses Gleichungssystems führt zur allgemeingültigen Projektionsvorschrift The solution of this system of equations leads to the general projection rule
Die
Maßstabskonstanten
c hat hierbei die gleiche Bedeutung wie eine Kamerakonstante oder
Brennweite. Wie aus
So ist diese Konstante mit ein Proportionalitätsfaktor zwischen der Bildbreite und dem zugehörigen Bildwinkel-Tangens.So this is constant with a proportionality factor between the image width and the associated image angle tangent.
Ist die Bildbreite statt in einem Längenmaß als Anzahl von Pixeln angegeben, so bekommt auch c diese Dimension. Um z.B. auf einem Bildschirm mit einer Breite von 1024 Pixeln einen Bildwinkel von 80 Grad anzuzeigen, müsste c also die Größe von(Pixeln) zugewiesen bekommen.If the image width is given as a number of pixels instead of in a length measure, then c also gets this dimension. For example, to display a picture angle of 80 degrees on a screen with a width of 1024 pixels, c would have to be the size of (Pixels) get assigned.
Zum
errechneten Koordinatenpaar (λ,ϕ)
sind im nächsten
Schritt die nächstliegenden
diskreten Winkel im Modellkoordinatensystem nach der Vorschrift
Viele
Messaufgaben spielen sich in einem Nahbereich ab, der im Verhältnis zu
technisch realisierbaren Basisstrecken innerhalb der Aufnahmeanordnung
eine direkte Abstandsmessung durch Punkttriangulation in geforderten
Toleranzgrenzen zulässt.
In diesem Nahbereich ist auch eine strukturierte Objektbeleuchtung, z.B.
mit kollimiertem Laserlicht, problemlos möglich.
Werden also eine oder mehrere Quellen strukturierten Lichtes in bestimmten, genau justierten Abstrahlwinkeln mit der Aufnahmekamera starr verbunden und gemeinsam mit dieser geschwenkt oder geneigt, so ergibt sich für jede Bildaufnahme in veränderter Kameraposition auch eine Anzahl eigener Lichtmarken, deren Aufnahmewinkel einzeln vermessen werden kann, woraus punktuell der Objektabstand ermittelt werden kann.Thus, if one or more sources of structured light in certain, precisely adjusted beam angles with the recording camera rigidly connected and pivoted or tilted together with this, so results for each image recording in a different camera position also a number of own light brands, de can be measured individually, from which point the object distance can be determined.
Ist der Bildsensor ein vertikal orientierter Zeilensensor und sind die Lichtquellen kollimierte Laserlichtquellen, so erzeugt ein schrittweiser Kameraschwenk im resultierenden Bild so viele räumliche Lichtkurven, wie diskrete Laserlichtquellen vorhanden sind. Das Ergebnis für jede dieser Kurven ist in Aussehen und Auswertung mit dem bekannten Lichtschnittverfahren vergleichbar.is the image sensor is a vertically oriented line sensor and are the Light sources collimated laser light sources, thus producing a gradual Panning in the resulting image as many spatial light curves as discrete Laser light sources are available. The result for each of these curves is in Appearance and evaluation with the well-known light-section method comparable.
Selbstverständlich können aber auch flächige Bildsensoren und gleichzeitig mit einem Horizontal- und einem Vertikalwinkel strahlende strukturierte Lichtquellen vorteilhaft eingesetzt werden. Es kann weiterhin vorteilhaft sein, das Objekt mit Bildmusterprojektionen, z.B. von einem Diapositiv, einem LCD-Projektor oder ähnlichen Anordnungen, zu bestrahlen.Of course you can also flat Image sensors and at the same time with a horizontal and a vertical angle radiating structured light sources can be used advantageously. It may also be advantageous to use the object with image pattern projections, e.g. from a slide, an LCD projector or similar Arrangements to irradiate.
Außerdem kann es vorteilhaft sein, vorhandene Projektionseinrichtungen mit einer Verstellvorrichtung so zu versehen, dass eine gezielte Veränderung der Abstrahlwinkel gegenüber der optischen Kameraachse erfolgt.In addition, can it would be advantageous to have existing projection equipment with one Adjusting device to be provided so that a targeted change the angle of radiation opposite the optical camera axis takes place.
Um das projizierte strukturierte Licht bestmöglich vom Umgebungslicht unterscheiden zu können, ist der Einsatz von Farbfiltern vorteilhaft. Werden z.B. rot strahlende Laserdioden verwendet, so kommen schmalbandige, an deren Wellenlänge angepasste Rotfilter zum Einsatz.Around distinguish the projected structured light as well as possible from ambient light to be able to the use of color filters is advantageous. If e.g. red radiant Laser diodes used, so come narrow-band, adapted to the wavelength Red filter used.
Um die Objektprojektion des strukturierten Lichtes im Bild leichter aufzufinden, wird das Licht synchron mit der Bildaufnahme so moduliert, dass Aufnahmen aus der gleichen Kameraposition alternativ einmal mit und einmal ohne eingeschaltetes Licht erfolgen und die Differenz aus beiden Bildern berechnet wird. Ebenso kann verfahren werden, um unterschiedliche Lichtquellen voneinander zu unterscheiden.Around the object projection of the structured light in the image easier find the light is modulated synchronously with the image capture, that shots from the same camera position alternatively once with and once without the light switched on and the difference is calculated from both images. Likewise, it can be proceeded to distinguish different light sources from each other.
Zur Unterscheidung bestimmter Abstrahlwinkel der strukturierten Beleuchtung ist weiterhin deren Kodierung durch unterschiedliche Wellenlängen, bzw. Farben, möglich. Auch kann die strukturierte Beleuchtung oder Teile davon synchron zur Teilbildaufnahme moduliert werden, so dass sich im Gesamtbild z.B. Linien mit bestimmter Punkt-Strich-Kodierung zuordnen lassen.to Differentiation of certain beam angles of the structured illumination is further their coding by different wavelengths, or Colors, possible. Also, the structured lighting or parts of it can be synchronous be modulated for field recording, so that in the overall picture e.g. Assign lines with specific dot-dash coding.
Oft
besteht eine Messaufgabe darin, Aufmessungen von Objekten durchzuführen, die
sich größtenteils aus
regelmäßigen geometrischen
Körpern
oder Flächen,
z.B. Ebenen, zusammensetzen. Hierzu werden gefundene Objektpunkte,
deren räumliche
Koordinaten einschließlich
ihres Abstands zum Projektionszentrum bestimmt wurden, auf ihre
Zugehörigkeit
zu gemeinsamen Flächen
hin untersucht. Mit drei bekannten Punktkoordinaten ist nach dem
Gleichungssystem
Nachdem alle bekannten Punkte verarbeitet und mehrere Ebenen erkannt wurden, werden alle Schnittgeraden zwischen diesen Ebenen bestimmt. Der Richtungsvektor dieser Schnittgeraden ist aus den Normalvektoren beider Ebenen nach bestimmbar. Über einen beliebigen Punkt, der beide Ebenengleichungen erfüllt, ist damit die Lage der Schnittgerade im Raum definiert.After all known points have been processed and multiple levels detected, all intersection lines between these levels are determined. The direction vector of this intersection line is derived from the normal vectors of both planes determinable. By means of an arbitrary point that satisfies both plane equations, the position of the intersection line in space is defined.
Eckpunkte können als Schnittpunkte gefundener Schnittgeraden durch angrenzende Flächen definiert werden.vertices can as intersections found cutting lines are defined by adjacent surfaces.
Mit den aufgezeigten Ansätzen ist insbesondere eine automatisierte Aufmessung von Innenräumen, z.B. zur genauen Bestandserfassung im Facility Management, realisierbar. Dafür genügt allgemein nur ein Standort der Aufnahmevorrichtung in jedem Raum, der in ein lokales oder globales Koordinatennetz eingebunden werden kann.With the approaches shown In particular, an automated measurement of interior spaces, e.g. for exact inventory in Facility Management, feasible. This is generally enough only one location of the cradle in each room, in one local or global coordinate network can be integrated.
Ausführungsbeispielembodiment
Anhand eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels soll die Erfindung nachstehend erläutert werden.Based an advantageous embodiment the invention will be explained below.
In
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