DE19746319A1 - Anordnung und Verfahren zur stereoskopischen optoelektronischen Bild- und Meßdatengewinnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der photoelektrischen Erfassung, Fortleitung und Verarbei­ tung bildlicher Projektionen des dreidimensionalen Raumes, insbesondere zur Gewinnung photogrammetrischer, aber auch photographischer oder thermografischer Informationen bei einem sehr großen Bildwinkel.

Die photogrammetrische Abbildung räumlicher Szenen erfolgt nach dem allgemeinen techni­ schen Stand durch den Einsatz spezieller Meßkammern, die eine photoelektrische Abbildung der aufzuzeichnenden Umgebung mit Hilfe eines weitwinkligen und verzerrungsarmen Meß­ objektives auf eine ebene Sensorfläche projizieren oder gemäß DE-OS 44 28 055 mittels einer drehbaren Anordnung, bestehend aus einem Objektiv und einem photoelektrischen Zeilensen­ sor, eine zylindrische Projektion der Umgebung durchführen. Bereits während der Aufnahme ist darauf zu achten, daß die Hauptachse der Meßkammer eine bestimmte Lage einnimmt und alle wichtigen Bilddetails im aufgenommenen Bildausschnitt enthalten sind. Dies gilt vor allem auch für die Stereo- und Einschneidephotogrammetrie, wo die Meßdaten mit Hilfe der geometrischen Triangulation aus den von verschiedenen Standorten erhaltenen Bilddaten ge­ wonnen werden.

Für die stereoskopische photographische Abbildung räumlicher Szenen werden nach dem allgemeinen technischen Stand zwei baugleiche Meßkammern eingesetzt, die in einer definier­ ten Lage zueinander aus unterschiedlichen Aufnahmestandorten eine Szene zeitgleich oder zeitversetzt abbilden. Bei einem neueren Verfahren gemäß DE-PS 44 28 054 zeichnen zwei auf gemeinsamer Basisstrecke angeordnete exzentrisch umlaufende Zeilenkameras stereoskopische Bilder auf. Die erhaltenen elektrischen Signale werden in ein Rechnersystem eingelesen, in dem die numerische Verarbeitung und Meßdatengewinnung stattfindet.

Dieser derzeitigen Vorgehensweise haften folgende Nachteile an:

• 1. Die verwendeten Objektive verursachen, abhängig vom Ort in der Projektionsebene, in wenigstens einer Abbildungsrichtung eine mehr oder minder große geometrische Verzeich­ nung, einen vom Einfallswinkel abhängigen Helligkeitsverlust sowie eine Beschränkung des Bildwinkels auf unter 180 Grad.
• 2. Abweichungen zwischen der Hauptachse oder Hauptebene der Aufnahmekammer und dem Objektnadir oder dem Horizont führen stets zur Notwendigkeit der rechnerischen Korrektur des Verschwenkungswinkels mittels einer Drehmatrix.

Das der Erfindung zugrundeliegende Problem besteht darin, photoelektrische stereoskopische Abbildungen in einem praktisch unbegrenzten Horizontal- und Vertikalwinkelbereich bei großer Genauigkeit der reproduzierbaren Winkelzuordnungen und Tiefeninformationen, gerin­ ger Abbildungsunschärfe und gleichbleibenden Abbildungsbedingungen für jeden beliebigen Aufnahmewinkel zu erreichen und dabei gleichzeitig gute Bedingungen für eine Weiterverar­ beitung mit den Mitteln der elektronischen Datenverarbeitung zu schaffen. Besondere Anfor­ derungen werden an die Reproduzierbarkeit der gewonnenen geometrischen Zuordnungen gestellt, die eine vollwertige Anwendung auf dem Gebiet der Photogrammetrie erlauben. Das photogrammetrische Aufnahmeverfahren soll gegenüber herkömmlichen Verfahren in seiner Anwendung vereinfacht werden.

Das Problem wird durch die in den Ansprüchen 1, 2 oder 3 und in Anspruch 13 gekennzeich­ nete Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einem feststehenden Untersatz mit einem Licht­ empfänger und einem mittels erstem Drehantrieb drehbaren Aufsatz, in dem eine erste optische Umlenkeinrichtung fest angeordnet ist und eine zweite solche Umlenkeinrichtung auf der An­ triebswelle eines zweiten Drehantriebes befestigt ist. Eine dem Lichtempfänger vorgelagerte Abbildungsoptik ist entweder im Untersatz oder im drehbaren Aufsatz befestigt oder kann auf beide Baugruppen verteilt sein.

Dabei wird der objektseitige gebündelte Strahlengang des Lichtempfängers zunächst von der ersten Umlenkeinrichtung so abgelenkt, daß dieser eine kreisende Bewegung auf einer ebenen oder konusförmigen Fläche ausführt, während die zweite Umlenkeinrichtung der Richtung des Strahlenganges in einem festliegenden Abstand folgt und diesen erneut in kreisender Bewe­ gung um dessen Einfallsrichtung herum ablenkt. Im Ergebnis wird eine Abtastung der Umge­ bung in einer Vielzahl kreisförmiger Einzelbahnen erreicht, die nur in einem kurzen Abschnitt an der unvermeidlichen Befestigungsstelle der Anordnung unterbrochen sind, und die gegen­ einander um bestimmte Winkelschritte verdreht sind. Befindet sich dabei die zweite Umlenk­ einrichtung in einem zur Drehachse des drehbaren Aufsatzes exzentrischen Ort, so wird jeder sichtbare Objektpunkt aus zwei zueinander in definiertem Abstand angeordneten Betrach­ tungsorten, einmal von der vorderseitigen und einmal von der rückseitigen Bahn des einfallen­ den Strahlenganges, erfaßt. Die zu den vorder- und rückseitigen Bahnen gehörenden elektri­ schen Signale werden im Steuerrechner zu zwei Einzelbildern zusammengesetzt, die eine stereoskopische Abbildung der gesamten Umgebung ohne eine Einschränkung des Bildwinkels repräsentieren.

Die Anordnung kann auch so modifiziert sein, daß sich die zweite Umlenkeinrichtung unmit­ telbar in der Drehachse des drehbaren Aufsatzes befindet, so daß zwar keine stereoskopische Information mehr ableitbar ist, dafür aber die Bildaufnahme exakt als Zentralprojektion erfolgt. Die optischen Umlenkeinrichtungen können insgesamt oder teilweise zur Abbildungs­ geometrie beitragen, zum Beispiel in der Ausführung als Hohlspiegel.

Zur Energieübertragung an den drehbaren Aufsatz ist ein geteilter elektromagnetischer Scha­ lentransformator so angeordnet, daß der zu übertragende Strahlengang durch dessen Mittelöff­ nung gelangt, und die Stoßstelle zwischen festem und drehbarem Teil durch einen Luftspalt zwischen den Kernhälften gebildet wird.

Zur multispektralen Datenerfassung, beispielsweise für die Farbbildverarbeitung, kann die Anordnung wahlweise um folgende Einrichtungen erweitert werden:

• 1) Einsatz eines multispektralen Lichtempfängers beliebiger Bauart anstelle des im allgemeinen monochromatischen oder panchromatischen Empfängers;
• 2) Anbringung eines umschaltbaren Spektralfiltersystemes im Strahlengang des Lichtempfän­ gers, beispielsweise in Form eines drehbaren Filterrevolvers oder eines verschiebbaren Filterträgers;
• 3) Anbringung eines vom Spektralbereich abhängigen Strahlenteilers, beispielsweise eines Lichtteilerprismas oder -spiegels im Strahlengang des Lichtempfängers und Verwendung wenigstens eines weiteren Lichtempfängers zur Aufnahme unterschiedlicher Spektralberei­ che.

Zum Schutze der Präzisionsmechanik des drehbaren Aufsatzes weist dieser eine Abdeckung mit mechanischen Durchbrüchen für den umlaufenden Strahlengang auf, die eine eigene Dreh­ lagerung besitzt und vom drehbaren Aufsatz mit angetrieben wird. Zur Vermeidung mechani­ scher Überlastungen des Präzisionsantriebes erfolgt die Übertragung der Drehbewegung auf die Abdeckung über eine drehmomentbegrenzende Magnetkupplung.

Zur Erfassung der Orientierung der Meßkammer können schwerkraftverstellbare Markengeber angeordnet sein, die sich in der Lotrechten ausrichten und ihre Winkelposition während der Aufnahme markieren.

Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung nachstehend erläutert werden. Fig. 1 zeigt eine Anordnung in einer erfindungsgemäßen Ausführung, bei der in einen feststehenden Untersatz 1 ein photoelektrischer Sensor 2 mit einem Abbildungsobjektiv 3 befestigt ist. Auf diesem Untersatz ist ein Aufsatz 4 drehbar so angeordnet, daß die Drehachse 5 mit der opti­ schen Achse des Abbildungsobjektives übereinstimmt. Konzentrisch zu dieser Achse an der Schnittstelle zwischen Unter- und Aufsatz befindet sich ein zweigeteilter Transformator 6 für die Energieversorgung des Spiegelantriebsmotors 7. Ein weiterer Antriebsmotor 8 im Unter­ satz ist über ein Getriebe 9 mit dem Aufsatz verbunden. Während ein Spiegel 10 fest mit dem Aufsatz verbunden ist, befindet sich ein weiterer Spiegel 11 auf der Welle des Spiegelantriebs­ motors und lenkt so die optische Achse kreisförmig in vertikaler Richtung aus. Der Aufsatz wird von einer drehbaren Abdeckung 12 geschützt, die über eine Magnetkupplung 13 vom Aufsatz mit angetrieben wird und in Betriebspausen zum Verschluß des Aufnahmespaltes 14 um eine Halbdrehung verdreht werden kann. Mit Hilfe einer Steuerelektronik 15, die mit allen elektrischen Funktionselementen der Anordnung verbunden ist, werden die Antriebsmotoren so gesteuert, daß der Motor 7 ein Vielfaches der Drehzahl des Aufsatzes ausführt, so daß die Um­ gebung in vertikalen Zeilen bei horizontalem Zeilenvorschub kontinuierlich abgetastet wird. Die den jeweiligen Horizontal- und Vertikalwinkeln zugehörigen Bildinformationen werden von der Steuerelektronik in naheliegender Weise zu einem Abbild der Umgebung zusammen­ gesetzt und über die Datenschnittstelle 16 an den Steuerrechner übertragen.

Fig. 2 erläutert das Verfahren der stereoskopischen Bildaufnahme anhand eines Beispieles. O sei der Standort der Drehachse des Aufsatzes N einer Anordnung in einer erfindungsge­ mäßen Ausführung. P sei ein beliebiger Punkt im Objektraum, der sich im Abstand A zur Drehachse O befindet. S und S' bezeichnen die zweite optische Umlenkeinrichtung in zwei verschiedenen Bewegungsphasen, die im Verlaufe der kontinuierlichen Drehbewegung des Aufsatzes und der überlagerten schnelleren Umlaufbewegung der Umlenkeinrichtung erreicht werden. Im ersten Fall bildet S den Punkt P in Richtung des umlaufenden Aufsatzes ab, im zweiten Fall erfolgt die Abbildung mit S' in rückwärtiger Richtung. Auf diese für einen jeden abbildbaren Punkt zutreffende Weise ist anhand der bekannten Exzentrizität R und der erhal­ tenen Winkeldifferenz β eine analytische Bestimmung des Objektabstandes A möglich, was die Existenz der Raumtiefeninformation im Bild verdeutlicht.

Claims (15)

1. Anordnung zur stereoskopischen optoelektronischen Bild- und Meßdatengewinnung, dadurch gekennzeichnet, daß sich im objektseitigen Strahlengang eines Abbildungsobjek­ tives die Drehachse eines mit einem ersten Drehantrieb verbundenen Aufsatzes befindet, in dem eine erste optische Umlenkeinrichtung so befestigt ist, daß der Strahlengang des Ob­ jektives in eine von der Drehachse verschiedene Richtung auf eine zweite optische Umlenk­ einrichtung, die ihrerseits mit der Welle eines im Aufsatz befestigten zweiten Drehantriebes verbunden ist, abgelenkt wird, so daß der Strahlengang insgesamt in zwei voneinander un­ abhängigen, sich überlagernden Präzessionsbahnen abgelenkt wird, daß in der Bildebene des gleichen Abbildungsobjektives ein photoelektrischer Wandler bekannter Bauart ange­ ordnet ist, und daß dieser photoelektrische Wandler und die beiden Drehantriebe mit einem Steuerrechner verbunden sind.

2. Anordnung zur stereoskopischen optoelektronischen Bild- und Meßdatengewinnung, dadurch gekennzeichnet, daß sich in einem festen Winkel zum objektseitigen Strahlen­ gang eines Abbildungsobjektives die Drehachse eines mit einem ersten Drehantrieb verbun­ denen Aufsatzes befindet, in dem neben dem Abbildungsobjektiv selbst eine erste optische Umlenkeinrichtung so befestigt ist, daß der Strahlengang des Objektives in eine von der Drehachse verschiedene Richtung auf eine zweite optische Umlenkeinrichtung, die ihrer­ seits mit der Welle eines im Aufsatz befestigten zweiten Drehantriebes verbunden ist, abge­ lenkt wird, so daß der Strahlengang insgesamt in zwei voneinander unabhängigen, sich überlagernden Präzessionsbahnen abgelenkt wird, daß in der Bildebene des gleichen Abbil­ dungsobjektives ein photoelektrischer Wandler bekannter Bauart angeordnet ist, und daß dieser photoelektrische Wandler und die beiden Drehantriebe mit einem Steuerrechner ver­ bunden sind.

3. Anordnung zur stereoskopischen optoelektronischen Bild- und Meßdatengewinnung, dadurch gekennzeichnet, daß sich im objektseitigen Strahlengang eines Abbildungsobjek­ tives die Drehachse eines mit einem ersten Drehantrieb verbundenen Aufsatzes befindet, in dem neben Teilen des Abbildungsobjektives selbst eine erste optische Umlenkeinrichtung so befestigt ist, daß der Strahlengang des Objektives in eine von der Drehachse verschiede­ ne Richtung auf eine zweite optische Umlenkeinrichtung, die ihrerseits mit der Welle eines im Aufsatz befestigten zweiten Drehantriebes verbunden ist, abgelenkt wird, so daß der Strahlengang insgesamt in zwei voneinander unabhängigen, sich überlagernden Präzessions­ bahnen abgelenkt wird, daß in der Bildebene des gleichen Abbildungsobjektives ein photo­ elektrischer Wandler bekannter Bauart angeordnet ist und daß dieser photoelektrische Wandler und die beiden Drehantriebe mit einem Steuerrechner verbunden sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß neben den beiden be­ schriebenen optischen Umlenkeinrichtungen weitere optische Umlenkeinrichtungen im Strahlengang angeordnet sind.

5. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite optische Umlenkeinrichtung eine im Vergleich zu den Abmessungen des abzubildenden Raumes nicht unerhebliche Exzentrizität zur Drehachse des Aufsatzes besitzt.

6. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzflächen der optischen Umlenkeinrichtungen so geformt sind, daß sie funktionell zum Bestandteil des Abbildungsobjektives werden.

7. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung der Antriebsenergie für die zweite optische Umlenkeinrichtung im drehbaren Aufsatz der An­ ordnung ein schalenförmiger elektromagnetischer Transformator mit einer Mittelöffnung koaxial zur optischen Achse so angeordnet ist, daß dessen Primärseite im feststehenden und die Sekundärseite im beweglichen Teil befestigt sind, und zwischen beiden Kernhälften ein Luftspalt besteht.

8. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als photoelektrischer Wandler ein multispektraler Wandler beliebiger Bauart zum Einsatz kommt.

9. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Abbil­ dungsoptik und photoelektrischem Wandler ein umschaltbares Spektralfiltersystem bei­ spielsweise in Form eines drehbaren Filterrevolvers oder eines verschiebbaren Filterträgers angebracht ist.

10. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Abbil­ dungsoptik und photoelektrischem Wandler ein vom Spektralbereich abhängiger Strahlen­ teiler, beispielsweise ein Lichtteilerprisma oder -spiegel angebracht ist, und wenigstens zwei photoelektrische Wandler zur Aufnahme unterschiedlicher Spektralbereiche vorhanden sind.

11. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ihr drehbarer Aufsatz eine zusätzliche Abdeckung zum Schutz vor Umwelteinflüssen besitzt, die ebenfalls drehbar gelagert ist, und die einen Mitnehmer in Form eines Dauermagneten aufweist, der drehmo­ mentbegrenzend die Drehbewegung des Aufsatzes auf dessen Abdeckung überträgt.

12. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese mechanisch be­ wegliche Bauglieder aufweist, die sich nach der Lotrechten ausrichten und als optische Marke zur räumlichen Orientierung des erhaltenen Abbildes mit aufgezeichnet werden.

13. Verfahren zur stereoskopischen optoelektronischen Bild- und Meßdatengewinnung, dadurch gekennzeichnet, daß der drehbare Aufsatz mit der ersten optischen Umlenkein­ richtung in einer erfindungsgemäßen Anordnung mit vorgegebenem Winkelvorschub gedreht wird, während die zweite optische Umlenkeinrichtung jeweils eine ganze Umdre­ hung ausführt und dabei innerhalb der vom einfallenden Bildstrahl beschriebenen Präzessionsbahn eine bezogen auf die Winkelschritte nach vorn und eine nach hinten gerichtete Bahn mit dem jeweils zugehörigen Belichtungsprofil abtastet und als adäquate elektrische Signale an den Steuerrechner überträgt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Signale der nach vorn und nach hinten gerichteten Bahnen vom Steuerrechner entsprechend der jewei­ ligen Winkelzugehörigkeit zu zwei unterschiedlichen Abbildern der Umgebung zeilenweise zusammengesetzt werden, aus deren Kombination räumliche Bilder entstehen.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei trigonometrisch unbe­ stimmten Aufnahmepositionen eine Rekonstruktion der Aufnahmeposition aus den erhal­ tenen Abbildungen mit Hilfe abgebildeter Paßmarken auf analytischem Weg erfolgt.