DE1448607B - Photogrammetrisches, stereoskopisch und räumlich analog arbeitendes Universal auswertegerät - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein photogrammetrisches, c) die Einstellung der Quer- und Längsneigungs-

stereoskopisch und räumlich-analog arbeitendes Uni- kompensation an jeweils nur einem Einstell-

versalauswertegerät zur affinen und winkeltreuen Aus- element gestattet und damit die gebräuchliche

wertung mit normaler, zu den Geräteachsen paralleler Orientierung der Bilder ermöglicht,

Bildlage, mit Korrektionsvorrichtungen für eine kon- 5 d) rein optisch-mechanisch und mit starrer Meß-

stante Bildverschiebung in Richtung des Azimuts der _optik arbeitet und damit eine einfache Differen-

Nadirdistanz und für eine variable Brennweiten- tialentzerrung und automatische Auswertung auf

änderung zur Umformung des geneigten Meßbildes optischem Wege gestattet,

auf den Normalfall. e) eine einfache und mechanisch leicht zu beherr-

Die genaue stereoskopische Auswertung von Meß- ίο _schende Konstruktion erlaubt, so daß die für

bildpaaren geschieht vorwiegend mit optisch-mecha- Präzisionsgeräte erster Ordnung erforderliche

msch arbeitenden Auswertegeraten in denen die Meß- Genauigkeit erreicht werden kann,
bilder zueinander und in bezug auf die Gerateachsen

die gleiche innere und äußere Orientierung haben wie Ausgehend von der eingangs bezeichneten Vorrichbei der Aufnahme. Im Analogieverfahren wird durch 15 tung wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß eine weistrenge Wiederherstellung der Strahlenbündel die Aus- tere Korrektionsvorrichtung vorgesehen ist, die eine wertung vollzogen. Meßbilder, die mit extrem kurzen variable Bildverschiebung in Abhängigkeit vom ein-(Überweitwinkelauf nahmen) oder extrem langen Brenn- gestellten Bildpunkt und der Bildneigung in Richtung weiten (Schmalwinkelaufnahmen) aufgenommen wur- des Azimuts der Nadirdistanz bewirkt, und daß diese den, lassen sich entweder wegen der großen Bildwinkel 20 Korrekturbewegung linear mit der variablen Brennoder wegen der überwäßig großen Abmessung der Weitenänderung gekoppelt ist und daß die Einstellun-Auswertekammern auf diese Weise nicht oder nur gen der einzelnen Korrektionsvorrichtungen für die unter Schwierigkeiten auswerten. Darüber hinaus konstante Bildverschiebung, die variable Brennweitenerfordern die Kardanrahmen für die Neigung der änderung und die variable Bildverschiebung propor-Meßbilder und der Meßoptik einen erheblichen kon- 25 tional miteinander gekoppelt sind,
struktiven Aufwand. Das Übersetzungsverhältnis dieser Koppelung kann

Es sind daher Versuche unternommen worden, die vorteilhaft für verschiedene Brennweitenbereiche ge-

darauf abzielen, die geneigt aufgenommenen Meß- ändert werden.

bilder optisch-mechanisch in ein streng normales Der mathematischen Begründung des Erfindungs-Meßbild umzubilden und dieses affin, d.h. mit einer 30 gedankens dient das Bild 1; eine Ausführungsform von der Aufnahme abweichenden Auswertebrennweite, zeigen in stark vereinfachter Darstellung die B i 1 d e r auszuwerten. Das Verhältnis zwischen Auswerte- und 2a und 2b.

Aufnahmebrennweite bezeichnet man als Affinitäts- In B i 1 d 1 sind für eine strenge Affinauswertung

faktor k. Um diesen Faktor k sind sämtliche verti- die Verhältnisse im Bildraum eines Aufnahmepunktes

kalen Strecken im Bild- und Modellraum in bezug 35 dargestellt, wobei der Hauptschnitt in Azimut-Rich-

auf die horizontalen Strecken verzerrt. tung der Nadirdistanz in der Zeichenebene liegt.

Geräte dieser Art sind z. B. der Stereoprojektor SPR Die Affinitätsrichtung ist vertikal, die Affinitätsvon Romanowski und der Stereograph von achse verläuft horizontal durch das Aufnahme- bzw. Drobyscheff. Beiden Gerätetypen haftet der Perspektivitätszentrum O. Demnach liegen, den all-Nachteil an, daß die zur Umbildung der Meßbilder 40 gemeinen Regeln der Affinität folgend, entsprechende in die Normallage erforderlichen Korrektureinrich- Bild- und Modellpunkte jeweils auf Lotlinien (der tungen nicht gekoppelt sind und nacheinander und Modellraum ist nicht mitgezeichnet). Sämtliche einiterativ eingestellt werden müssen. Um diese Schwie- ander entsprechenden lotrechten Strecken stehen im rigkeiten zu umgehen, sind von F. Manek und Verhältnis des Affinitätsfaktors k:

H. S c h ο e 1 e r andere Wege beschritten worden. 45

Die Auswertung geschieht in zwei Rißebenen, die k = ^⁰ ^' = *^^r (1)

Reduktion auf den Normalfall geschieht bei dem P~ P tgv '

Gerät von Manek durch Knickung der Lenker °

und unter Zuhilfenahme von Hilfsienkern und Dies gilt sowohl für den Bild- als auch den Modell-Brücken, die die Rißebenen miteinander verkoppeln. 50 raum. Das affine Bild der Aufnahme-Bildebene S3 ist die Die Lösung ist theoretisch streng,-aber kompliziert. Auswertebildebene 23', das affine Bild des Projektions-Die für Präzisionsgeräte erster Ordnung notwendige Strahls PO ist der Strahl P¹O. Die Nadirdistanz ν der Genauigkeit ist daher mit vertretbarem Aufwand Aufnahme geht über in die Nadirdistanz / der Ausoffensichtlich nicht zu erreichen. Das von H. S ch 0 e- wertung. Bei einer strengen Affinauswertung muß ler vorgeschlagene Meßprinzip arbeitet ebenfalls in 55 daher der optische oder mechanische Lenker nach P' zwei Rißebenen, es ist streng und erfordert einen weisen, wobei aber der zugehörige BildpunktP von hohen mechanischen und elektronischen Aufwand, der Meßmarke eingestellt sein muß.
da beide Rißebenen untereinander und mit dem Die angestrebte Lösung fördert eine horizontale Meß-Stereokomparator elektronisch gekoppelt sind. Bildlage. Die Bildebene wird daher um die durch den

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein 60 Nadirpunkt N laufende Bildhorizontale (die normal

räumlich-analog arbeitendes photogrammetrisches zur Zeichenfiäche steht) in die horizontale Ebene ge-

Auswertegerät zu schaffen, das kippt und parallel zu sich selbst vertikal verschoben,

so daß sie durch N' bzw. N₀ geht. Sämtliche Bildpunkte

a) mit normaler Bildlage ohne aufwendige Kardane _ ^₁ Ausnahme derjenigen, die auf der durch N zur Neigung der Meßbilder und der Meßoptik _{6s lau}f_enden Bildhorizontalen liegen — haben damit arbeitet, gegenüber ihrer strengen Affinlage P₀ eine Verschie-

b) die Affinauswertung mit beliebigen Aufnahme- bung in Richtung des Hauptschnittes (Azimut der brennweiten und Affinitätsfaktoren erlaubt, Nadirdistanz) erfahren.

Dieser Verschiebungsbetrag

i 448

As = s

COSV

S_n «a J_n

5 ν*

- \As

ist streng proportional seinem horizontalen Abstand J₀ von der durch N bzw. N₀ laufenden Bildhorizontalen.

Geht man von der Horizontalbildebene S₀ als Auswerte-Ebene aus, dann ist das Problem gelöst, wenn man eine Vorrichtung findet, die linear abhängig von J₀ die Kammerkonstante C₀' um den Betrag

v = j_otgv' (3)

kontinuierlich steuert und gleichzeitig eine Bildverschiebung Λ j bewirkt. Außerdem ist eine konstante Bildhauptpunktverschiebung

D = ctg ν

(4)

25

ebenfalls in Richtung des Hauptabschnittes erforderlich, da im Hauptpunkt JV₀ des Bildträgers nicht der Hauptpunkt H der Aufnahme, sondern der Nadirpunkt N liegen muß.

In den Bildern2a und 2b ist eine technische Ausführung des Erfindungsgedankens schematisch dargestellt. Bild 2 a zeigt das Gerät in Normalstellung mit vertikalem Lenker, aber mit eingestellten Korrektionsvorrichtungen, wobei wegen der bequemeren Darstellung der Sonderfall angenommen wurde, daß die eingestellten Dezentrierungen in der Zeichenebene liegen. B i 1 d 2b zeigt das Gerät in Arbeitsstellung mit geneigtem Hauptlenker, der in der Darstellung ebenfalls in die Zeichenebene gelegt wurde.

Der Bildhauptwagen W₁ mit dem Meßbild M wird durch den Hauptlenker L₁ über dem gerätefest stehenden Beobachtungs- und Meßsystem B parallel zu sich selbst in einer Horizontalebene in beiden Köordinatenrichtungen χ und y bewegt. Der Hauptlenker L₁ greift dabei am Bildwagenkardan K₂ an und dreht sich um das gerätefeste Kardanzentrum K₁, die Bewegung wird " durch das Modellpunktkardan K₃ (in der Fachliteratur als Aufpunkt bezeichnet) eingeleitet. Auf dem Bildhauptwagen W₁ ist die das Bildwagenkardan K₂ tragende Grundplatte G vertikal verschiebbar angeordnet. Die gewünschte Auswertebrennweite C₀' läßt sich entweder durch eine feststellbare vertikale Verschiebung des Kardans K₁ am feststehenden Gerät oder durch eine feststellbare Verschiebung des Bildwagenkardans K₂ an der Grundplatte G vor Beginn der Auswertung einstellen.

Die variable Änderung der Brennweite als Funktion der Bildneigung und des Abstandes j_a wird von einer Platte P und dem Hilf slenker L₂ gesteuert. Die Platte P ist um einen in der Platten- bzw. Führungsebene liegenden Punkt K₅ am Bildwagen W₁ allseitig kippbar kardanisch gelagert. Der Lenker L₂ ist mit der Platte P starr verbunden, er steht normal zu ihr, und die Lenkerachse verläuft durch den Kardanpunkt K₅.

Das andere Lenkerende führt durch die kardanisch gelagerte, aber gerätefeste Führungshülse K₁. Der vertikale Abstand / zwischen den beiden Kardanzentren K^ und K₅ kann durch eine feststellbare vertikale Verschiebung von AT₄ meßbar vor Beginn der Auswertung verändert und auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Bei einer Bildwagenbewegung schwenkt somit der Lenker L₂ um den Punkt K₁ und kippt die Platte P um K₅.

Der Platte P steht der vertikale Tastkopf A gegenüber. Er ist in zwei zueinander rechtwinklig stehenden Koordinatenrichtungen, die mit den x- und j-Geräteachsen parallel laufen, horizontal auf der Grundplatte G verschiebbar angeordnet. In seiner Nullstellung, die einer horizontalen Bildlage (Aufnahmeneigung ν = O) entspricht, steht er genau unter dem Kardan K₅. Bei einer Bildneigung wird der Tastkopf A um den Betrag D₁ in Azimutrichtung der Nadirdistanz (Hauptschnittrichtung) feststellbar verschoben, wobei die Verschiebung D₁ mit Hilfe des Kreuzschlittens S₁ in den beiden Komponenten D_X1 und D_yi erfolgt.

Mit seinem oberen Ende berührt der Tastkopf A stets die Plattenebene P. Das Zentrum des kugelförmigen Kopfes von A liegt stets in der Führungsebene der Platte P, in der auch K₅ liegt. Statt dieses Kugelkopfes kann man ein Kardan benutzen, das in der Führungsebene von P gleitet.

Da die Grundplatte G vermittels der beiden Führungen F₁ und F₂ vertikal beweglich ist, folgt sie stets der Vertikalbewegung des Bolzens A in Abhängigkeit von der Kippung der Platte P. Dabei führt jeweils nur eine solche Bewegungskomponente des Lenkers L₂ zu einer Vertikalbewegung des Bolzens A bzw. der Grundplatte G, die in der Hauptschnittrichtung (Azimut der Nadirdistanz) liegt. Wie man leicht einsehen kann, bewegt sich daher das Kardan K₅ stets auf einer Ebene, deren Neigung von der Dezentrierung D₁ und dem vertikalen Abstand / der Lenkerkardane K_t und K₅ abhängt.

Es bestehen die einfachen Beziehungen (Bild 2b)

Die Dezentrierung JO₁ ist direkt oder über eine Übersetzung U₁ mit einer Dezentrierung D des Bildträgerwagens W₃ gegen den Zwischenwagen W₂- ebenfalls in zwei rechtwinkligen horizontalen Komponenten D_x und D_y — gekoppelt, entweder mechanisch oder mit Drehmeldern. Für diese Dezentrierung wird nach Formel 4 gefordert:

wobei

D = c · tg v,
D_x = C-IgV_x,

Dy= C- tg Vy,

D² = D_x ² + Dy\ D₁ = U₁- D.

Formet (6) in (5) eingesetzt, ergibt
ν = U₁- — · c · tg ν.

In Formel (3) wird gefordert, daß
ν = J₀ tg v.

(3)

Mit Formel (1) ergibt sich daher für die Übersetzung W₁

Daraus leitet man nach einer Reihenentwicklung von tg ν ab:

U₁ = k-J-c

und für den Abstand /

f =

(7)

(8)

= 2-c-k-üjl

(12)

\ "4"

Vor Beginn des Orientierungsprozesses wird daher

(h) = 2-c-k-ü₂ (13)

Man kann daher einige wenige Übersetzungsstufen wählen und ist gleichzeitig in der Lage, durch Variation von / die Bedingung (8) exakt einzuhalten.

Obige Formeln sind vollkommen streng, und die beschriebene Vorrichtung erfüllt somit die geforderte Steuerung der Auswertebrennweite.

Zur Korrektur von As dient ein zweiter HilfslenkerL₃. Er ist um einen festen Drehpunkt K₈ am Bildwagen W₁ kardanisch gelagert. Das andere Lenkerende führt durch eine ebenfalls am Bildwagen W₁ befestigte kardanisch gelagerte Führungshülse K₆. Der Vertikale Abstand h zwischen K₆ und K₈ kann durch eine feststellbare Vertikalverschiebung von K₆ meßbar verändert werden. Dieses Kardan K₆ läßt sich außerdem mit Hilfe eines Kreuzschlittens S₂ horizontal verschieben, wobei diese Dezentrierung Z)₂ wiederum in zwei Komponenten D_X2 und Dy₂ erfolgt und mit der Übersetzung U₂ direkt mit der Dezentrierung D gekoppelt ist. In der Nullstellung D₂ = 0 steht der Hilfslenker L₃ vertikal. Während der Auswertung, also bei einer Bildwagenbewegung, bleibt diese bei der Orientierung" eingestellte Lenkerstellung im Gegensatz zu L₂ unverändert. .

Auf dein Lenker L₃ gleitet eine weitere kardanisch gelagerte Führungshülse K₇, deren Zentrum für ν = 0 mit dem Drehzentrum K_s des Lenkers L₃ zusammenfällt. Diese Kardanhülse ist durch die Führung .F₃ vertikal und parallel zu sich selbst geführt und nimmt über den Mitnehmer E an der Vertikalbewegung ν der Grundplatte G teil. Die Führung F₃ steht vertikal auf dem Bildträger-Zwischenwagen W₂, der auf dem Bildhauptwagen W₁ ruht und diesem gegenüber kleine horizontale Parallelverschiebungen ausführen kann. Bei einer Korrekturbewegung ν der Grundplätte G gleitet daher das Kardan Κ_Ί auf dem schräg gestellten Lenker und nimmt dabei in horizontaler Richtung den Bildwagen W₂ und den auf ihm ruhenden Bildwagen W₃ mit dem Meßbild M mit. Diese Verschiebung A s erfolgtzwangläufig in Richtung des Azimuts der Neigung des Lenkers L₃, die infolge der Dezentrierung D₂ mit der Hauptschnittrichtung, also dem Azimut der Nadirdistanz, übereinstimmt.

Es bestehen folgende Beziehungen:

eingestellt. Das Korrekturglied

Ah = c-k-ü«

(14).

kann in der Regel vernachlässigt werden. Bei größeren Nadirdistanzen läßt sich h nach einer vorläufigen Orientierung ohne weiteres zum endgültigen Betrag

A = (A) +JA (15)

verbessern, da dann ν ausreichend genau bekannt ist.

Der Orientierungsprozeß mit einem nach diesem Prinzip konstruierten Gerät geschieht in der gleichen Weise wie an einem bekannten konventionellen Stereokartiergerät. Zu Beginn der Orientierung ist wie bei jenen Geräten die Auswertebrennweite einzustellen.

die in diesem Fall den Betrag

(c₀') = c-k (16)

hat; der strenge Wert:

u = ^-^ = c-k(l +—....) (17)
cosv V 2

D₂ = γ₂ · D, As _ D₂

ν ~ A '

,₍_v _n U₁-D-S₀ U₂-D U₁-U₂-C^tZ
A / A h-f

(9)

(10)

Nach Gleichung (2) wird gefordert, daß

_5_ Λ ₌ U₁-U₂-C²- tg² ν - S₀
12 ^V J ~ h-f

(H)

unterscheidet sich praktisch nicht von (c₀'), aber nach der vorläufigen Orientierung läßt sich dieser Einstellwert ebenfalls wie A mit dem Glied zweiter Ordnung korrigieren.

Neben dieser Auswertebrennweite ist der nach Gleichung(8) berechnete Abstand/ und der nach Gleichung (13) berechnete Wert A einzustellen.

. Die relative und absolute Orientierung geschieht dann in gleicher Weise wie bei den bekannten konventionellen Auswertegeräten, wobei die Dezentrierung D_x der Längsneigung und die Dezentrierung D_y der Querneigungskomporiente entspricht. Im Gegensatz zu jenen Auswertegeräten gibt es hier jedoch keine primären und sekundären Neigungsachsen. Die linearen Dezentrierungeh D_x und D_y wirken sich bei der absoluten Orientierung vorteilhaft aus, da die im Modell gemessenen Höhenfehler nicht in Winkelwerte umgerechnet werden müssen, sondern unmittelbar lineare Korrektionen für D_x und D_y ergeben.

Das vorliegende Konstruktionsprinzip bietet folgende Vorteile:

Das Gerät ermöglicht die strenge Auswertung von Meßbildern sämtlicher praktisch vorkommenden Aufnahmebrennweiten.

Die horizontale Bildlage und die horizontal beweglichen Bildträger erlauben die Konstruktion einer sehr einfachen und feststehenden Beobachtungsoptik.

Die stets horizontalen Bildträger verursachen keine deformierenden und damit genauigkeitsmindernden Kräfte. Sämtliche beweglichen Geräteteile, auch die Lenker, können exakt gegeneinander ausgewogen werden, so daß sie sich in jeder Stellung im Gleichgewicht befinden.

Neigbare Bildträger und die hierfür notwendigen Rahmen und Kardane entfallen. Statt dessen lassen

sich die Bild- und Modellwagen auf horizontalen und gerätefesten Führungen bewegen.

Die Korrektionsvorrichtungen für die Neigungskompensation führen nur kleine, stark untersetzte Bewegungen aus, die betreffenden Bauteile lassen sich daher mit hoher Präzision herstellen und ergeben genaue Korrekturen.

Die Korrektionseinrichtungen sind untereinander proportional gekoppelt, so daß für einen Freiheitsgrad der Orientierung jeweils nur ein Bedienungselement zu betätigen ist. Der Orientierungsprozeß erfolgt in der gleichen Weise wie bei den klassischen Auswertegeräten.

Die Korrektionseinrichtung zur Kompensation der Bildneigung kann ohne zusätzlichen Aufwand dem Ausgleich von beliebigen systematischen Verzeichnungsfehlern des Aufnahmeobjektivs, der Kompensation atmosphärischer Einflüsse und der Erdkrümmung dienen.

Die stets horizontale Meßbildlage und die feststehende Beobachtungsoptik gestatten, eine einfache Zusatzeinrichtung für die Orthoprojektion zur Differentialentzerrung bergigen Geländes anzusetzen.

Der Modellraum wird stets optimal in den x-, y- und z-Bereichen genutzt, da die Auswertung stets mit einer mittleren Kammerkonstante zwischen etwa 150 und 200 mm vorgenommen werden kann.

Claims (6)

Patentansprüche: 30

1. Photogrammetrisches, stereoskopisch und räumlich-analog arbeitendes Universalauswertegerät zur affinen und winkeltreuen Auswertung bei normaler, zu den Geräteachsen paralleler Bildlage, mit Korrektionsvorrichtungen für eine konstante Bildverschiebung in Richtung des Azimuts der Nadirdistanz und für eine variable Brennweitenveränderung zur Umformung des geneigten Meßbildes auf den Normalfall, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Korrektionsvorrichtung vorgesehen ist, die eine variable Bildverschiebung (A s) in Abhängigkeit vom eingestellten Bildpunkt und der Bildneigung in Riehtung des Azimuts der Nadirdistanz bewirkt und daß diese Korrektionsbewegung (A s) linear mit der variablen Brennweitenänderung (ν) gekoppelt ist und daß die Einstellungen der einzelnen Korrektionsvorrichtungen für die konstante Bildver-Schiebung (D), die variable Brennweitenänderung (ν) und die variable Bildverschiebung (A s) proportional miteinander gekoppelt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander gekoppelten Korrektionsvorrichtungen auf dem Bildwagen angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Brennweitenveränderung (ν) durch eine vertikal auf dem Bildhauptwagen (W₁) geführte Grundplatte (G) geschieht, die das Bildwagenkardan (K₂) und einen horizontal in den Komponenten (D_X1 und Dy₁) verschiebbaren Tastkopf (A) trägt und die Tastkopfspitze in der Ebene (P) einer allseitig kippbaren Platte geführt wird, die sich um das auf dem Bildhauptwagen (W₁) angeordnete Kardanzentrum (A₅) dreht und deren Kippung durch einen Lenker (L₂) steuerbar ist, der im Kardanzentrum (K₅) normal auf der Platte (P) steht und dessen anderes Ende von einer im vertikalen Abstand (/) vom Plattenkardan (K₅) kardanisch gelagerten und am Geräterahmen vertikal verschieb- und feststellbaren Führungshülse (K₄) gefesselt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Bildverschiebung (A s) durch einen das Meßbild tragenden Zwischenwagen (W₂) geschieht, der auf dem Bildhauptwagen (W₁) horizontal und parallel zu sich selbst geführt wird und von einer Kardanhülse (K₁) steuerbar ist, die an der Vertikalbewegung (v) der Grundplatte (G) teilnimmt und auf einem' in Azimut-Richtung der Nadirdistanz geneigten Lenker^) gleitet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lenker (L₃) auf dem Bildhauptwagen (W₁) im Kardanzentrum (K₈) gelagert ist und dessen Neigung von einer am Bildwagen (W₁) kardanisch gelagerten Führungshülse (Uf₆) bestimmt ist, die sowohl horizontal in den Komponenten (D_X2 und Dy₂) als auch vertikal im Abstand (A) von (K₈) einstellbar ist und auf dem die kardanisch gelagerte und durch die auf dem Zwischenwagen (W₂) angeordnete Führung (F₃) vertikal und parallel zu sich selbst geführte Kardanhülse (K₇) gleitet und eine Vertikalbewegung (v) des Kardans (AT₇) durch die Vertikalbewegung (v) der Grundplatte (G) bewirkt und von einem Mitnehmer (E) direkt übertragbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsgetriebe, die die konstante Bildverschiebung (D_x bzw. D_y) mit der Verschiebung (D_X1 bzw. D_n) linear miteinander koppeln, auswechselbar sind und auf diese Weise das Übersetzungsverhältnis (^₁) veränderbar ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen