DE4016796B4

DE4016796B4 - Vorrichtung zur Bestimmung dreidimensionaler Koordinaten aus einem Stereobildpaar

Info

Publication number: DE4016796B4
Application number: DE4016796A
Authority: DE
Inventors: Herbert Starosczik; Werner Tiedeken; Bernard Dipl.-Phys. Beck
Original assignee: ZI Imaging GmbH
Current assignee: ZI Imaging Ltd
Priority date: 1989-08-02
Filing date: 1990-05-25
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2010-05-26
Also published as: DD286864A5; DE4016796A1; CH681176A5

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung dreidimensionaler Koordinaten aus einem Stereobildpaar, bestehend aus einer feststehenden Betrachtungsoptik für das linke und rechte Bild, zwei Bildwagen und einer Unterlage sowie einem Rechner, gekennzeichnet dadurch, dass die beiden Bildwagen mittels einer Schiene miteinander verbunden sind, dass der eine der Bildwagen entlang der Schiene relativ zu dem anderen Bildwagen verschoben werden kann, dass beide Bildwagen gemeinsam frei auf der Unterlage verschiebbar sind und dass jeder Bildwagen mit einer Koordinatenmesseinrichtung fest verbunden ist, welche die Lagekoordinaten in einem festen Koordinatensystem bestimmen und dass diese Koordinatenmesseinrichtungen in an sich bekannter Art und Weise mit dem Rechner verbunden sind.

Description

Die Erfindung ist anwendbar auf dem Gebiet der Photogrammetrie, speziell zur analytischen Bestimmung dreidimensionaler Geländekoordinaten aus Stereobildpaaren.

Herkömmliche Stereokomparatoren (z.B. DICOMETER) enthalten zwei Bildwagen für die beiden Stereobilder, welche auf Kreuzschlitten gelagert sind. An diesen Bildwagen sind Messeinrichtungen angebracht, z.B. Spindeln mit rotatorischen Gebern oder inkrementelle Auflicht- oder Durchlichtmesssysteme, mit deren Hilfe die Bildkoordinaten der aufgelegten Bilder mit hoher Genauigkeit bestimmt werden können. Bei bekannter Orientierung der Bilder lassen sich daraus in einem angeschlossenen Rechner die Geländekoordinaten (z.B. im Landeskoordinatensystem) berechnen.

In einer zweiten Ausführungsart kann auch die Betrachtungsoptik beweglich und an ihr Messmittel zur Koordinatenbestimmung angebracht sein.

Diese Kreuzschlitten werden im allgemeinen mit Handrädern und Fußscheiben über Spindeln bewegt, so dass zum Messprozess Hände und Füße ständig definiert bewegt werden müssen. Das ist recht anstrengend. Deshalb geht die Tendenz zum Einsatz von Freihandführungen, d.h. beide Bildwagen werden mit den Händen frei bewegt. Dabei zeigt sich jedoch, dass bei Kreuzschlittensystemen wegen der unterschiedlichen Massen der x- und y-Wagen unterschiedliche Kräfte zur Bewegung in beiden Richtungen aufgebracht werden müssen, was sich negativ auf die Bedienbarkeit und damit auch auf die Einstellgenauigkeit auswirkt.

Das US-Patent 4,697,347 schlägt deshalb eine Lösung mit einem Bildträger, auf dem beide Stereobilder angebracht werden, vor. An diesem Bildträger sind 3 lineare Messsysteme (2y-, 1x-Richtung) angebracht, und er ist quasi frei beweglich. Mit diesen Messsystemen wird die Lage eines Punktes im linken Luftbild und die gemeinsame Kantung gemessen. Die Lage des homologen Punktes im rechten Luftbild wird durch eine relativ zum linken Objektiv verschiebbaren Optik bestimmt. Durch Messung dieser Verschiebung in Verbindung mit der gemessenen Kantung lassen sich die Bildkoordinaten in beiden Bildern bestimmen und damit in üblicher Art in einem Rechner die Geländekoordinaten.

Nachteile dieser Lösung sind:

– Messung in zwei Ebenen, damit Fehler 1. Ordnung durch Verstoß gegen das Abbesche Komparatorprinzip
– Durch die Bindung an die linearen Messsysteme ist die volle freie Beweglichkeit nicht gegeben.

In der US 3,578,863 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung von dreidimensionalen Objektkoordinaten aus Bildern beschrieben. Dies wird mittels Überlagerung eines Objektbildes über ein anderes Bild desselben Objektes durchgeführt, wobei das zweite Objektbild zum ersten Objektbild eine Parallaxe aufweist. Danach wird die Abstandsdifferenz der vertikalen Mittellinien der Bilder mit einer verschobenen horizontalen Mittellinie verglichen, um mehrere Bilder eines identischen Punktes nacheinander zu überlagern. Des weiteren wird auch eine Vergleichsvorrichtung und eine Schieneneinrichtung beschrieben. Die Messung der Parallaxen durch die relative Verschiebung zweier auf einer Leuchtfläche montierter Bilder entlang einer Schiene ist somit aus dieser Schrift bereits bekannt.

Aus der GB 876,740 ist weiterhin eine photogrammetrische Auswertevorrichtung bekannt, welche zwei bewegliche Bildwagen auf einem ebenfalls beweglichen Trägerelement aufweist. Hierbei wer den die Bilder gleichzeitig betrachtet, um die Parallaxe zwischen den beiden Darstellungen von Einzelbildmerkmalen zu beobachten bzw. zu messen. Zur Messung der Parallaxe werden die zwei Bildwagen relativ zu einer Messeinrichtung bewegt und die Bewegung detektiert. Die Bewegungen werden rechnerisch ermittelt, wobei somit auf diese Weise Koordinaten von Objekten bestimmt werden können.

Die US 4,233,740 offenbart ebenfalls eine photogrammetrische Auswertevorrichtung, bei der ein Bildträger Bildwagen aufweist, auf denen Stereobilder angebracht sind. Beide Bildwagen sind in unterschiedliche Richtungen beweglich. Ebenso ist der Bildträger in unterschiedliche Richtungen beweglich angeordnet. Mittels der Messung der Bewegung der Bildwagen wird die Parallaxe ermittelt. Durch Messung der Verschiebung der Bildwagen lassen sich somit die Bildkoordinaten in beiden Bildern bestimmen und über rechnerische Methoden die Geländekoordinaten ermitteln.

Es ist das Ziel der Erfindung den Aufbau und die Bedienbarkeit von photogrammetrischen Auswertegeräten zu vereinfachen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Einrichtung zur Messung von Bildkoordinaten in Verbindung mit frei verschiebbaren Bildträgern anzugeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Bestimmung dreidimensionaler Koordinaten aus einem Stereobildpaar, bestehend aus einer im wesentlichen feststehenden Betrachtungsoptik für das linke und rechte Bild, zwei Bildwagen und einer Unterlage sowie einem Rechner, dadurch gelöst, dass die beiden Bildwagen mittels einer Schiene miteinander verbunden sind, dass der eine der Bildwagen entlang der Schiene relativ zu dem anderen Bildwagen verschoben werden kann, dass beide Bildwagen gemeinsam frei auf der Unterlage verschiebbar sind und dass jeder Bildwagen mit einer Koordinatenmesseinrichtung fest verbunden ist, welche die Lagekoordinaten in einem im wesentlichen festen Koordinatensystem bestimmen und dass diese Koordinatenmeßeinrichtungen in an sich bekannter Art und Weise mit dem Rechner verbunden sind.
Vorteilhafterweise kann die Unterlage als Leuchtfläche ausgebildet ein.
Dabei werden die Bildkoordinaten
im linken und
im rechten Bild nach den Formeln
bestimmt, wobei x_bi, y_bi die Koordinaten der Durchstoßpunkte der optischen Achsen der Betrachtungsoptik durch die Unterlage, x_mi, y_mi die gemessenen Koordinaten,
die Koordinaten der Messeinrichtungen im Bildkoordinatensystem sind und æ die Kantung der Schiene ist, die nach der Formel
berechnet wird. Aus diesen Bildkoordinaten werden in bekannter Weise die räumlichen Koordinaten des eingestellten Punktes berechnet werden.
Es ist im Prinzip gleichgültig, ob die Koordinatenmesseinrichtungen die Koordinaten in einem gemeinsamen Koordinatensystem oder in je einem lokalen Koordinatensystem bestimmen, welche über eine Vororientierung miteinander verknüpft werden.
Die Koordinatenmessung kann über geeignete bekannte Verfahren durchgeführt werden, z.B. können als Koordinatenmesseinrichtungen an sich bekannte Zeichnungsdigitalisiereinrichtungen eingesetzt werden.
Die Vorteile der Erfindung liegen darin begründet, dass die Bildträger vollkommen frei auf der Unterlage verschiebbar sind und in beliebiger Lage eine genaue Koordinatenmessung möglich ist. Um einen bestimmten Punkt in den beiden Bildern einzustellen, wird zuerst die y-Parallaxe durch Kanten der Schiene und damit der beiden Bildträger weggestellt, anschließend wird durch Verschieben der Bildträger gegeneinander auch die x-Parallaxe eliminiert.
Dabei kann die Verschiebung der Bildwagen gegeneinander zur Erhöhung der Feinfühligkeit auch mittels einer Spindel o.ä. realisiert werden.
Die 1 zeigt schematisch zwei Bildträger 1, 2, welche über eine Schiene 3 so miteinander verbunden sind, dass sie gegenseitig nur in einer Richtung (parallel zur Schiene 3) verschoben werden können. Dazu ist die Schiene 3 an dem einen Bildträger 1 fest angebracht, während der zweite Bildträger 2 mittels Führungen 4, 5 entlang der Schiene 3 beweglich ist. Beide Bildträger 1, 2 können gemeinsam frei auf einer Unterlage 6 bewegt werden. Dazu sind an der Unterseite der Bildträger 1, 2 Kugeln oder Gleitelemente angebracht (hier nicht dargestellt). Auf den Bildträgern können photographische Bilder, z.B. Luftbilder befestigt werden. An beiden Bildträgern 1, 2 ist je eine Koordinatenmesseinrichtung 7, 8 angebracht. Weiterhin ist eine stereoskopische Betrachtungseinheit vorhanden, von der in der 1 nur die Durchstoßpunkte 9, 10 der optischen Achsen durch die Unterlage 6 bzw. die Bildträger 1, 2 angedeutet sind. Die Koordinatenmesseinrichtungen 7, 8 können an beliebiger Stelle der Bildträger 2 befestigt sein, ihre Koordinaten
im lokalen Koordinatensystem der Bildträger sind konstant und müssen bekannt sein (in 1 und 2 ist
= 0 zur Vereinfachung). Weiterhin sind bekannt die Koordinaten x_bi, y_bi (i = l, r für links, rechts) der Durchstoßpunkte 9, 10 der optischen Achsen der Betrachtungsoptik im festen Koordinatensystem der z.B. als Tisch ausgeführten Unterlage 6. Mit den in diesem Koordinatensystem gemessenen aktuellen Koordinaten x_mi, y_mi berechnen sich die Bildkoordinaten x_bi, y_bi der homologen Punkte in den beiden Bildern nach den Formeln
wobei
die Kantung der Schiene 3 bzgl. des Tischkoordinatensystems ist.
Diese Berechnungen werden in einem angeschlossenen Rechner ausgeführt, der dann aus diesen Bildkoordinaten nach den in der Photogrammetrie üblichen Formeln z.B. Landeskoordinaten berechnet.
In 2 sind die geometrischen Verhältnisse und Größen für einen Bildträger noch einmal deutlicher dargestellt.
Die Erfindung erschöpft sich nicht in dem dargestellten Ausführungsbeispiel. So kann die Verschiebung der Bildträger gegeneinander auch durch eine zwischen den Bildträgern wirkende Spindel mit einem kleinen Rad zur Betätigung realisiert werden.
Als Koordinatenmesseinrichtungen sind z.B. große Digitalisiertabletts, wie sie zur Koordinateneingabe an graphischen Computersystemen üblich sind, anwendbar.

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung dreidimensionaler Koordinaten aus einem Stereobildpaar, bestehend aus einer feststehenden Betrachtungsoptik für das linke und rechte Bild, zwei Bildwagen und einer Unterlage sowie einem Rechner, gekennzeichnet dadurch, dass die beiden Bildwagen mittels einer Schiene miteinander verbunden sind, dass der eine der Bildwagen entlang der Schiene relativ zu dem anderen Bildwagen verschoben werden kann, dass beide Bildwagen gemeinsam frei auf der Unterlage verschiebbar sind und dass jeder Bildwagen mit einer Koordinatenmesseinrichtung fest verbunden ist, welche die Lagekoordinaten in einem festen Koordinatensystem bestimmen und dass diese Koordinatenmesseinrichtungen in an sich bekannter Art und Weise mit dem Rechner verbunden sind.
Vorrichtung zur Bestimmung dreidimensionaler Koordinaten nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Unterlage als Leuchtfläche ausgebildet ist.
Vorrichtung zur Bestimmung dreidimensionaler Koordinaten nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Koordinatenmesseinrichtungen die Koordinaten in einem gemeinsamen Koordinatensystem bestimmen.
Vorrichtung zur Bestimmung dreidimensionaler Koordinaten nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Koordinatenmesseinrichtungen die Koordinaten in je einem lokalen Koordinatensystem bestimmen, die über eine Vororientierung miteinander verknüpft werden.
Vorrichtung zur Bestimmung dreidimensionaler Koordinaten nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass als Koordinatenmesseinrichtungen an sich bekannte Zeichnungsdigitalisiereinrichtungen eingesetzt werden.