DE3428325C2

DE3428325C2 - Anordnung von opto-elektrischen Festkörper-Sensorflächen im photogrammetrischen Abbildungssystem

Info

Publication number: DE3428325C2
Application number: DE19843428325
Authority: DE
Inventors: Wilfried Prof. Dr.-Ing. 3013 Barsinghausen Wester-Ebbinghaus
Original assignee: Individual
Current assignee: Wester-Ebbinghaus Edith Siesta 30890 Barsinghaus
Priority date: 1984-08-01
Filing date: 1984-08-01
Publication date: 1992-01-02
Also published as: DE3428325A1

Abstract

Festkörper-Flächensensoren, deren Bildfläche kleiner ist als das angestrebte Gesamtformat, lassen sich mit Hilfe der Réseautechnik geometrisch eindeutig in einem photogrammetrischen Abbildungssystem anordnen. Wird das Punktfeld eines das gesamte Bildformat abdeckenden Réseaus (Glasplatte mit rasterartig verteilten Punktmarkierungen) in den Abbildungsvorgang einbezogen und werden die einzelnen Sensorflächen so im Abbildungsraum angeordnet, daß mindestens je eine Réseaumasche flächendeckend mit auf einer Sensorfläche abgebildet wird, so kann das Gesamtbild in der Ebene des Réseaus erhalten werden durch numerische Rückprojektion der auf den einzelnen Sensorflächen entstandenen Teilbilder in die jeweiligen Réseaumaschen. Ein Réseau im Abbildungsvorgang erlaubt einerseits die Konstruktion eines Flachbett-Abtasters hoher Genauigkeit mit geringem instrumentellem Aufwand und bietet weiterhin durch die Möglichkeit, mehrere Sensorflächen rasterartig in eindeutigem gegenseitigem geometrischem Bezug zu Verbänden zusammenzufassen, Voraussetzungen für eine instrumentell einfache und zugleich hochgenaue flächenhaft simultane Gesamterfassung eines Bildformats von prinzipiell beliebiger Größe.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur geometrisch eindeutigen Anordnung von opto-elektrischen Festkörper-Sensorflächen (deren Bildflächen kleiner sind als das angestrebte Gesamtformat) im photogrammetrischen Abbildungssystem.

Opto-elektrische Abtastung ist Voraussetzung für die digitale Bildverarbeitung, entweder als Analog-Digital-Wandlung konventioneller analoger photographischer Bilder oder unmittelbar in opto-elektrischen Aufnahmesystemen.

Dabei verlangt die photogrammetrische Auswertung der digitalisierten oder digitalen Bilder geometrisch definierte Positionen für die abgetasteten Grauwerte.

Bei d;r optisch-mechanischen Analog-Digital-Wandlung analoger Meßbilder in den üblichen Trommelabtastern kann die Führungs- und Maßgenauigkeit der Abtastmechanik häufig nur unbefriedigend photogrammetrische Anforderungen erfüllen [I].

Die seit Jahrzehnten in der Fernerkundung als optoelektrische Aufnahmesysteme üblichen Rotationsabtaster erzeugen Bilder, die im Vergleich zu konventionellen, in Meßkammern entstandenen Meßbildern keine definierte Geometrie aufweisen und daher nur unter Einsatz aufwendiger numerischer Entzerrungsverfahren und mit unvermeidlich begrenzter Genauigkeit photogrammetrisch genutzt werden können [2].

Zeilenabtaster bieten durch die feste lineare Anordnung mehrere Sensorelemente bessere geometrische Verhältnisse als Rotationsabtaster, die geometrische gegenseitige Zuordnung der einzelnen Zeilen bedeutet jedoch weiterhin gegenüber konventionellen Meßbildern erhöhten Aufwand und eingeschränkte Genauigkeit [3].

Abbildungssysteme mit als Festkörper flächenhaft zusammengefaßten Blöcken von Sensorelementen könnten einerseits bei der Analog-Digital-Wandlung analoger Meßbilder die geometrischen Eigenschaften der Vorlage weitgehend fehlerfrei reproduzieren und würden andererseits bei der photogrammetrischen Aufnahme eine Verbindung der geometrischen Vorteile einer üblichen Meßkammer mit der opto-elektrischen Bilderzeugung ermöglichen.

Die handelsüblichen, für die Fernsehtechnik entwikkelten Sensorblöcke (CCD-Blöcke) sind jedoch kaum mehr als 100 mm² groß, und es wird auf lange Sicht nicht möglich sein, für die in der Photogrammetrie üblichen Bildformate (bis zu 230 χ 230 mm²) flächendeckende Sensorblöcke mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand zu entwickeln und zu fertigen.

In der Photogrammetrie übliche Bildformate lassen sich mit handelsüblichen Flächensensoren nur in Teilbildern erfassen, die nachträglich zu einem Gesamtbild

zusammenzufügen sind Für die Analog-Digital-Wand-Iung wird dies schon nach Art eines Flachbett-Abtasters praktiziert, indem eine einzelne Sensorfläche mäanderartig über die Vorlage bewegt und fortlaufend belichtet wird. Dabei müssen, um die einzelnen Aufnahmelagen der Sensorflächen geometrisch eindeutig räumlich zu definieren, hohen Anforderungen an die mechanische Führ- und Positioniergenauigkeit des Abtastsystems gestellt werden. Zur ganzflächig simultanen opto-elektrischen Erfassung großer Bildformate mit Festkörper-Sensorflächen, die nur Teilflächen erfassen, liegen bislang keine Lösungsvorschläge vor.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1 so auszubilden, daß Festkörper-Sensorflächen, deren Bildflächen kleiner sind als das angestrebte Gesamtformat, mit geringem instrumenteilen Aufwand geometrisch eindeutig in einem photogrammetrischen Abbildungssystem angeordnet sind. Die Lösung zeichnet sich dadurch aus, daß das Punktfeld eines das gesamte Bildformat abdeckenden Reseaus (Glasplatte mit geeigneten, rasterartig verteilten Punktmarkierungen) in den Abbildungsvorgang einbezogen ist und die einzelnen Sensorflächen so im Abbildungsraum angeordnet sind, daß mindestens je eine Masche des Reseaus flächendeckend mit auf einer Sensorfläche abgebildet wird, so daß das Gesamtbild in der Ebene des Reseaus erhalten wird durch numerische Rückprojektion der auf den einzelnen Sensorflächen entstandenen Teilbilder in die jeweiligen Reseaumaschen.

Wird im Sinne der Erfindung eine das gesamte zu erfassende Bildformat abdeckende Reseauplatte in den Abbildungsprozeß einbezogen, so können die auf den Flächen der Sensorblöcke entstandenen Teilbilder im Rahmen der digitalen Bildauswertung numerisch mit Hilfe der auf den Sensorflächen mit abgebildeten Reseaupunkte eindeutig in die Ebene des Reseaus transformiert werden. An die physikalische Lage der Sensorblöcke im Abbildungsraum sind dann nur geringe, instrumenteil rr.it wenig Aufwand zu verwirklichende Anforderungen zu stellen: Es soll mindestens je eine Masche des Reseaus flächendeckend auf die Sensorflächen mit abgebildet werden und die Sensorflächen sollen so nahe an die Reseauebene herangeführt sein, daß die Punkte des Reseaus zusammen mit dem Aufnahmeobjekt ausreichend scharf abgebildet werden Γ.4]. Durch die Transformation der auf den Bildflächen der einzelnen Sensorblöcke entstandenen Teilbilder in die Ebene des Reseaus wird das Gesamtbildformat mit hoher, durch die kalibrierte Reseauplatte vorgegebene Genauigkeit erhalten.

Ein Reseau im Abbildungsvorgang erlaubt eineseits die Konstruktion eines Flachbett-Abtasters hoher Genauigkeit mit geringem instrumentellen Aufwand und bietet weiterhin durch die Möglichkeit, mehrere Sensorflächen rasterartig in eindeutigem gegenseitigen geometrischen Bezug zu Verbänden zusammenzufassen, Voraussetzungen für eine instrumenteil einfache und zugleich hochgenaue flächenhaft simultane Gesamterfassung eines Bildformats von prinzipiell beliebiger Größe.

Die Positionen der Reseaumarkierungen in den digitalen Teilbildern lassen sich automatisch finden; hierzu liegen bereits Vorschläge und ausführliche Untersuchungen vor [5J

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt und nachstehend erläutert. Es zeigt

F i g. 1 Vorrichtung zur Analog-Digital-Wandlung einer transparenten Vorlage. Die Vorlage (Film) befindet sich mit der Reseauplatte in Kontakt und wird, gemeinsam mit dem Reseau, im Durchlichf. über eine Optik auf die Sensorfläche projiziert

Fig.2 Schema zur fortlaufenden Belichtung einer Scnsorfläche, dem vom Reseau vorgegebenen Raster folgend.

Fi g. 3 Anordnung einer Sensorflänhe hinter einer in

,0 der Abbildungsebene einer Aufnahmekammer angebrachten Reseauplatte. Das Reseau wird gemeinsam mit dem Aufnahmeobjekt mit Hilfe des Projektionszentrums der Aufnahmekammer auf die Sensorfläche projiziert.

Fig.4 Schema zur rasterartigen Anordnung mehrerer Sensorflächen in mehreren Verbänden für eine ganzflächig simultane Erfassung eines Bildformats. Die Sensorverbände und die Projektionszentren sind von Verband zu Verband zyklisch gegeneinander verschoben, dem Rasterabstand in den Verbänden entsprechend.

F i g. 1 zeigt das Prinzip eines Flachbett-Abtasters zur Analog-Digital-Wandlung. Die zu digitalisierende transparente Vorlage liegt unter der Reseauplatte auf einer lichtdurchlässigen Unterlage (z. B. Opal-Glasplatte) und wird mit Durchlicht auf die Sensorfläche abgebildet. Sensorfläche und Abbildungsobjektiv werden zur fortlaufenden Belichtung entsprechend F i g. 2 von Reseaumasche geführt. Durch Variation des Abbildungsmaßstabs läßt sich die Abtastrate verändern, das heißt, es läßt sich die Größe des Bildelements (Pixel) in der Vorlage festlegen, das auf ein Sensorelement des Sensorblocks abgebildet wird. Dabei ist das Reseau hinsichtlich Maschenweite und Punktmarkierungsstärke anzupassen (Austausch der Reseauplatte).

F i g. 3 zeigt die Anordnung eines Sensorblocks hinter der Bildebene eines photogrammeirischen Aufnahmesystems. Die Reseaupunkte werden gemeinsam mit dem Aufnahmeobjekt mit Hilfe des Objektivs der Aufnahmekammer auf die Sensorfläche abgebildet. Zur Erfassung des Gesamtformats kann, bei statischer Aufnahmeanordnung, ein einzelner Sensor entsprechend Abbildung 2 zur fortlaufenden Belichtung nach Art eines Flachbett-Abtasters von Reseaumasche zu Reseaumasehe geführt werden. Eine simultane Erfassung des Gesamtformats wird möglich, wenn entsprechend Abbildung 4 mehrere Sensorblöcke rasterartig in mehreren Verbänden zusammengefaßt hinter einer gemeinsamen Reseauplatte angeordnet werden. Der Rasterabstand der Sensorblöcke in den Verbänden ist einerseits durch den Rasterabstand der Reseaupunkte vorgegeben und wird andererseits berücksichtigen müssen, daß die lichtempfindlichen Flächen der Sensorblöcke bauartbedingt nur bis zu einem bestimmten Mindestabstand nebeneinander angeordnet werden können.

Fig.4 stellt den Fall dar, daß der Mindestabstand kleiner ist als die Seitenlänge der Sensorflächen. Unter diesen Umständen sind zur Gesamterfassung des Bildformats vier Sensorverbände erforderlich. Die Aufnahmeobjektive sind entsprechend F i g. 4 gegen die Sensorverbände von Verband zu Verband zyklisch verschoben, um lückenlose Flächendeckung zu erreichen.

[1] Boochs.F., 1984.

Ein Verfahren zur Herstellung digitaler Höhenmodelle aus photogrammetrischen Stereomodellen mit Hilfe der flächenhaften Korrelation in digitalen Bildern. Dissertation Bonn.

[2] Rose, A, 1984.

Entzerrung von Skanneraufnahmen mit Prädiktionsansätzen. Dissertation Bonn.

[3] Hofmann, 0,1982.

Digitale Aufnahmetechnik. Bildmessung und Luft- s bildwesen, 1/82, Seite 16—32.

[4] Deutsches Patentamt, Patentschrift Nr. 12 79 342: Reseau-Anordnung in Reihenmeßkammern.

[5] Mikhail, E, 1984.

Photogrammetric Target Location to Sübpixel Ac- io curacy in Digital Images. Institut für Photogrammetric der Universität Stuttgart, Heft 9,1984.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur geometrisch eindeutigen Anordnung von opto-elektrischen Festkörper-Sensorflächen, deren Bildflächen kleiner sind als das angestrebte Gesamtformat, im photogrammetrischen Abbildungssystem, dadurch gekennzeichnet, daß das Punktfeld eines das gesamte Bildformat abdeckenden Reseaus (Glasplatte mit geeigneten, rasterartig verteilten Punktmarkierungen) in den Abbildungsvorgang einbezogen ist und die einzelnen Sensorflächen so im Abbildungsraum angeordnet sind, daß mindestens je eine Masche des Reseaus flächendeckend von einer Sensorfläche erfaßt ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur opto-elektrischen Analog-Digital-Wandlung analog vorliegenden Bildern die ttansparente Vorlage mit einer Reseauplatte in Kontakt gebracht und gemeinsam mit dem Reseau mit Hilfe eines Objektivs auf eine Sensorfläche projizierbar ist, wobei Sensorfläche und Objektiv zur fortlaufenden Aufnahme von Reseaumasche zu Reseaumasche gemeinsam verschiebbar angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für ein opto-elektrisches Aufnahmesystem zur Aufnahme statischer Objekte eine Sensorfläche hinter der in der Bildebene der Aufnahmekammer angeordneten Reseauplatte angebracht ist, so daß das Roseau gemeinsam mit dem Aufnahmeobjekt mit Hilfe des Abbildungssystems der Aufnahmekammer auf die Sensorfläche projizierbar ist, wobei die Sensorfläche zur fortlaufenden Aufnahme von Raseaumasche zu Reseaumasche verschiebbar angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für ein opto-elektrisches Aufnahmesystem mit ganzflächig simultaner Erfassung eines Bildformats mehrere Sensorflächen rasterartig in mehreren Verbänden zusammengefaßt hinter einer gemeinsamen Reseauplatte angeordnet sind, wobei zur gemeinsamen Projektion von Roseau und Aufnahmeobjekt auf die Sensorflächen für jeden Verband je ein Aufnahmeobjektiv vorgesehen ist und die Aufnahmeobjektive zur lückenlosen Erfassung des Gesamtformats über den Sensorflächen-Verbänden dem Rasterabstand in den Verbänden entsprechend von Verband zu Verband zyklisch verschoben angebracht sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Objektive über den Sensorflächen-Verbänden um mehr als den Rasterabstand der Verbände zyklisch von Verband zu Verband verschoben angebracht sind, so daß auch die von den Reseaumarkierungen in einem Verband verdeckten Bildbereiche von den übrigen Verbänden erfaßt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Objektive zu einer Einheit miteinander verbunden sind, so daß die Definition der Projektionszentren im Bildraum für das gesamte Aufnahmesystem durch einen Satz der üblichen Parameter der inneren Orientierung einer Aufnahmekammer gegeben ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorflächen unmittelbar auf einer in der Bildebene der Aufnahmekammer angeordneten Glasplatte befestigt sind, so daß die R6se-

aumarkierungen entfallen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen. Gruppen von Sensorflächen nicht unter einer gemeinsamen Glas- oder Glasreseauplatte angeordnet sind, sondern daß jeder Verband mit eigener Glas- oder Reseauplatte und dem Abbildungsobjektiv je eine getrennte Aufnahmekammer bildet daß die verschiedenen Aufnahmekammern miteinander verbunden sind, und daß die geeignete Überdeckung der Sensorverbände durch gegenseitige Justierung der einzelnen Aufnahmekammern im Objektraum durch die Parameter der äußeren Orientierung gegeben ist