DE4428054C1 - Anordnung und Verfahren zur stereoskopischen optoelektronischen Bildgewinnung - Google Patents

Description

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

Die stereoskopische photographische Abbildung räumlicher Szenen erfolgt nach dem allgemeinen technischen Stand durch den Einsatz zweier baugleicher Kameras, die in einer definierten Lage zueinander eine Szene zeitgleich abbilden oder auch durch die zeitversetzte Abbildung einer Szene durch ein und dieselbe Kamera in unterschiedlichen Aufnahme­ standorten. Wegen der in jedem Fall festliegenden Basisstrecke, die aus der Verbindung der beiden Aufnahmestandorte miteinander gebildet wird, ist die Tiefenauflösbarkeit, das heißt die Genauigkeit der Entfernungsinformation, stets vom Einfallswinkel des jeweiligen Raumpunktes auf die Basisstrecke abhängig. Ist die Einfallsrichtung im Grenzfall parallel zur Basisstrecke, so ist keine Tiefeninformation mehr enthalten. Ein weiteres Problem stellt die bereits während der Aufnahme festzulegende Konvergenz der beiden Aufnahmeachsen dar, die, wie auch immer gewählt, den Sichtbereich nur teilweise gemeinsam überstreichen können.

So wird in der DE-OS 31 21 840 eine Anordnung zur Erzeugung eines Stereobildes beschrie­ ben, bei der eine verschiebbare Flächenkamera nacheinander zwei Bilder aus unterschiedlichen Positionen gewinnt, um diese auf zwei Monitoren darzustellen. In der EP 0 512 403 A2 erfolgt die Positionsverschiebung beispielsweise durch Flugbewegung.

Generell lastet allen photographischen Verfahren weiterhin der Nachteil an, daß durch den erforderlichen Wechsel des Aufnahmemediums die Meßgenauigkeit beeinträchtigt wird und daß die latenten Abbildungen vor ihrer Auswertung einen photochemischen Entwicklungs­ prozeß durchlaufen müssen, bei dem es zu weiteren Maßverfälschungen kommt. Vor einer Weiterverarbeitung mit Hilfe elektronischer Datenverarbeitung müssen die Bildinformationen auf geeignete Weise gewandelt werden.

Für den Einsatz optoelektronischer Sensoren im Zusammenhang mit photogrammetrischen Aufnahmen gilt allgemein zum derzeitigen technischen Stand, daß die erreichbare Bildauf­ lösung flächig aufgebauter Bildsensoren unzureichend ist. Um solche Sensoren dennoch einsetzen zu können, sind beispielsweise aus DE-OS 38 11 837 oder EP 0 512 403 A2 Verfahren und Anordnungen bekannt, die die wirksame Auflösung durch mehrfache Aufnahme nach jeweiliger Lageveränderung des Sensors erhöhen.

In der DE-OS 36 28 460 werden innerhalb einer stereoskopischen Aufnahmeanordnung Zeilensensoren eingesetzt, deren lineare Auflösbarkeit naturgemäß viel höher als die lineare Auflösung eines Flächensensors ist. Mittels eines rotierenden Polygonprismas wird für beide Einzelkameras eine synchrone Bildablenkung erreicht.

Alle genannten Anordnungen lösen nicht das Problem der weitwinkligen stereoskopischen Aufnahme.

Für den Einsatz aller bekannten Aufnahmeanordnungen auf dem Gebiet der Photogrammetrie gelten vereinfachende Bedingungen, die eine vorherige Standortvermessung erfordern und somit arbeitsaufwendig sind.

Das der Erfindung zugrundeliegende Problem besteht darin, photoelektrische stereoskopische Abbildungen in einem unbegrenzten Horizontalwinkelbereich bei großer Genauigkeit der reproduzierbaren Winkelzuordnungen und Tiefeninformationen, geringer Abbildungsunschärfe und gleichbleibenden Abbildungsbedingungen für jeden beliebigen Aufnahmewinkel zu erreichen und dabei gleichzeitig gute Bedingungen für eine Weiterverarbeitung mit den Mitteln der elektronischen Datenverarbeitung zu schaffen. Besondere Anforderungen 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 vereinfacht werden.

Das Problem wird durch die in den Ansprüchen 1 und 6 gekennzeichnete Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus zwei Zeilenkameras bekannter Bauart, die in einem definierten Basisabstand so miteinander befestigt sind, daß die optischen Achsen beider Kameras zueinander parallel und vorzugsweise rechtwinklig zum Basisabstand ausgerichtet sind. Vorzugsweise mittig zwischen beiden Kameras befindet sich ein Drehpunkt, der mit einem Antrieb so verbunden ist, daß beide Zeilenkameras gemeinsam unter definierbaren Winkelschritten gedreht werden können, wobei die Parallelität der optischen Achsen stets gewährleistet bleibt.

Die Anordnung der Drehachse, der optischen Achsen und der Abstandslinie zwischen beiden Kameras ist vorzugsweise so gewählt, daß sie miteinander ein orthogonales System bilden.

Die Richtung der linearen Ausdehnungen der Sensorzeilen in den Kameras verläuft vorzugs­ weise parallel zur Drehachse.

Die Sensorzeilen der Kameras und der Antrieb sind mit einem Steuerrechner verbunden.

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

• 1) Einsatz von multispektralen Sensorzeilen beliebiger Bauart anstelle der im allgemeinen monochromatischen oder panchromatischen Sensorzeilen;
• 2) Anbringung eines umschaltbaren Spektralfiltersystemes im Strahlengang jeder Kamera, beispielsweise in Form eines drehbaren Filterrevolvers oder eines verschiebbaren Filterträgers;
• 3) Anbringung eines vom Spektralbereich abhängigen Strahlenteilers, beispielsweise eines Lichtteilerprismas oder -spiegels, im Strahlengang jeder Kamera und Verwendung wenigstens zweier Sensorzeilen zur Aufnahme unterschiedlicher Spektralbereiche.

Zur Aufnahme unter erschwerten Lichtbedingungen kann die Anordnung auf ihrem beweglichen Teil weiterhin Lichtquellen tragen, die in die jeweilige Aufnahmerichtung ausgerichtet sind und entweder dauernd oder unterbrochen, zum Beispiel als Lichtblitzlampen betrieben werden.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden zwei Zeilenkameras im Verbund in erfindungs­ gemäßer Anordnung um vorgegebene Winkelschritte gedreht, während gleichzeitig die zugehörigen Belichtungsdaten der Zeilenkameras übertragen und gespeichert werden. Die so gespeicherten Daten stellen je ein adäquates Abbild einer exzentrischen zylindrischen Projektion der aufgenommenen Szene auf ein um den Beobachtungspunkt rotierendes Projektionszentrum dar, wobei die Einfallswinkel gegenüber dem Bewegungsradius vorzugsweise rechtwinklig und für eine Kamera vorwärts, für die andere Kamera rückwärts gerichtet sind.

Bezogen auf bestimmte Beobachtungspunkte und in Abhängigkeit von deren Abstand zum Drehzentrum ergeben sich auf diese Weise unterschiedliche Schwenkungswinkel für die Beobachtung durch die eine und durch die andere Zeilenkamera, so daß aus der Winkel­ differenz unmittelbar auf den Abstand geschlußfolgert werden kann. Der wirksame Basisabstand ist dabei nicht vom Beobachtungswinkel, sondern nur noch geringfügig vom Objektabstand abhängig.

Für photogrammetrische Vermessungen kann auf die sonst erforderliche trigonometrische Vermessung der Aufnahmestandorte verzichtet werden, weil die Aufnahmeanordnung keine horizontale Vorzugsrichtung in Form der Kamerahauptachse aufweist. Die photogram­ metrische Auswertung vereinfacht sich gegenüber bekannten Verfahren dadurch, daß Objektivverzeichnungen und -astigmatismen nur noch in vertikaler Richtung wirksam werden. Bei trigonometrisch unbestimmten Aufnahmepositionen erfolgt eine Rekonstruktion der Aufnahmeposition aus den erhaltenen Abbildungen mit Hilfe abgebildeter Paßmarken auf analytischem Wege.

Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung nachstehend erläutert werden. Fig. 1 zeigt eine Anordnung in erfindungsgemäßer Ausführung, bei der zwei Zeilenkameras, bestehend aus je einem photographischen Objektiv 1 und einer CCD-Zeile 2 in einem lichtundurchlässigen Kameragehäuse 3, mit Hilfe einer starren Traverse 4 so auf der Welle eines schrittmotorgetriebenen Präzisionsantriebes 5 angebracht sind, daß sie von einem Steuerrechner 6 aus ohne Winkelbegrenzung drehbar sind, während dieser die Daten der CCD- Zeilen für jeden Winkelschritt speichert und zu zwei Abbildern der Umgebung zusammensetzt. Zwischen beiden erhaltenen Bildern besteht über die Winkelzugehörigkeit eine strenge Zuordnung der als vertikale Zeilen erhaltenen Bildelemente. Für die Ermittlung des Abstandes eines beliebigen, in beiden Bildern sichtbaren Bildpunktes ist die Messung der Winkeldifferenz als Differenz der Zeilennummern beider Bilder erforderlich.

Fig. 2 erläutert das Verfahren der photogrammetrischen Parameterbestimmung anhand einer geometrischen Skizze. O sei der Standort der Drehachse des Aufnahmesystems in erfindungs­ gemäßer Ausführung. P sei ein Bildpunkt, dessen Entfernung zum Drehzentrum nach der Gleichung

bestimmt wird, wobei R der Radius der Umlaufbahn und β die Drehwinkeldifferenz ist.

Claims (7)

1. Anordnung zur stereoskopischen photoelektrischen Bildgewinnung mit zwei Zeilenkameras, bestehend jeweils aus Objektiv und Sensorzeile, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeilenkameras, in einem definierten Basisabstand so miteinander befestigt sind, daß die optischen Achsen beider Kameras zueinander parallel und vorzugsweise rechtwinklig zum Basisabstand ausgerichtet sind und daß sich vorzugsweise mittig zwischen beiden Kameras ein Drehpunkt befindet, der mit einem Antrieb so verbunden ist, daß beide Zeilenkameras gemeinsam unter definierbaren Winkelschritten drehbar sind, und daß die Sensorzeilen der Kameras und der Antrieb an einen Steuerrechner angeschlossen sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensorzeilen multi­ spektrale Sensorzeilen beliebiger Bauart zum Einsatz kommen.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang der Kameras umschaltbare Spektralfiltersysteme beispielsweise in Form drehbarer Filterrevolver oder verschiebbarer Filterträger angebracht sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang der Kameras vom Spektralbereich abhängige Strahlenteiler, beispielsweise Lichtteilerprismen oder -spiegel angebracht sind und wenigstens je zwei Sensorzeilen zur Aufnahme unterschiedlicher Spektralbereiche vorhanden sind.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der angetriebene Teil zusätzliche Lichtquellen trägt, deren Vorzugsrichtung mit der Aufnahmerichtung über­ einstimmt und die kontinuierlich oder intermittierend Licht aussenden.

6. Verfahren zur stereoskopischen photoelektrischen Bildgewinnung mit zwei Zeilenkameras, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeilenkameras im festen Verbund in erfindungsgemäßer Anordnung um vorgegebene Winkelschritte gedreht werden, während gleichzeitig die zugehörigen Belichtungsdaten der Zeilenkameras übertragen und gespeichert werden, wobei über die gemessene Winkelzugehörigkeit eine strenge Zuordnung der als vertikale Zeilen erhaltenen Bildelemente der jeweiligen Kamera erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei trigonometrisch unbestimmten Aufnahmepositionen eine Rekonstruktion der Aufnahmeposition aus den erhaltenen Abbildungen mit Hilfe abgebildeter Paßmarken auf analytischem Weg erfolgt.