DE10112732C2 - Verfahren zur Bestimmung der Lage von Meßbildern eines Objektes relativ zum Objekt - Google Patents
Verfahren zur Bestimmung der Lage von Meßbildern eines Objektes relativ zum ObjektInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Lage von Meßbildern
eines Objektes relativ zum Objekt sowie ein Verfahren zum
photogrammetrischen Vermessen von Objekten auf der Basis von metrischen
Meßbildern.
Mit Hilfe der Photogrammetrie können Objekte auf Basis von metrischen
Meßbildern vermessen werden. Die benötigten Meßbilder liefern geeignete
Meßkameras. Mit Hilfe von Auswerteverfahren werden rechnergestützt oder
gänzlich digital aus den Bildern geometrische Informationen zu
charakteristischen Details - i. a. Koordinaten von Objektpunkten - abgeleitet.
Anhand der so gewonnenen Objektinformation wird das Objekt in seiner
geometrischen Form beschrieben.
Voraussetzung für die Bestimmung von räumlichen Koordinaten aus
Meßbildern ist die Existenz von mindestens zwei Meßbildern unterschiedlicher
Perspektiven und die Kenntnis der gegenseitigen räumlichen Beziehung der
Meßbilder. Häufig wird anstelle der gegenseitigen Beziehung, die Raumlage
und Position der Meßbilder, d. h. ihre Orientierung mit Bezug auf ein
übergeordnetes Koordinatensystem angegeben. Liegt nur ein einzelnes
Meßbild vor, so ist eine zweidimensionale Auswertung möglich, sobald die
Orientierung dieses Bildes gegenüber dem Objekt bekannt ist und das Objekt
durch eine oder mehrere Ebenen approximiert werden kann.
Die Orientierung der Meßbilder setzt, wenn sie nicht durch konstruktive
Maßnahmen vorgegeben ist, die Messung von gemeinsamen und/oder
bekannten Informationen voraus. Hierzu bedient man sich entweder eindeutig
identifizierbarer Abbildungen beliebiger, im Objektraum vorhandener und in die
zu orientierenden Bilder projizierten Verknüpfungspunkte oder vergleichbar
abgebildeter Referenzpunkte. Letztere unterscheiden sich von rein
verknüpfenden Punkten durch die Kenntnis der 3D-Koordinaten im
übergeordneten Koordinatensystem.
Wichtigste Forderung an die zu identifizierenden Punkte ist, daß sie klar und
eindeutig erkennbar sein müssen. Deshalb werden in vielen Anwendungen
Punktsignale im Objektraum angebracht, die diese Voraussetzung erfüllen
können. Üblicherweise werden hierfür flächenhafte Signale, beispielsweise
kreis-, kreuz- oder sternförmige Symbole, verwendet. Die Gestaltung dieser
Zielmarken gewährleistet, daß die Signale eindeutig erkannt werden können
und durch den meist symmetrischen Aufbau ein klar definiertes Zentrum
besitzen, das zur Festlegung des Zielstrahls zu diesem Signalpunkt dient.
Betreffend photogrammetrische Meßverfahren wird auf die nachfolgenden
Schriften verwiesen, deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich in die
vorliegende Anmeldung mitaufgenommen wird:
GB 1603936 A, JP 6281458 A, US 5642293, DE 42 05 406 A1, DE 197 46 639 A1 sowie DE 197 35 175 A1
GB 1603936 A, JP 6281458 A, US 5642293, DE 42 05 406 A1, DE 197 46 639 A1 sowie DE 197 35 175 A1
Aus der US 5642293 ist ein Verfahren und die dazu notwendige Technik für die
Bestimmung von Deformationen an kleineren Körpern bekanntgeworden. Die
Deformationen werden über ein aufprojiziertes oder aufgeprägtes Gitter sichtbar
gemacht. Gemäß der US 5642293 wird das Gitter durch mindestens zwei
Meßbilder mittels Methoden der Bildverarbeitung aufgespürt und aus den
gefundenen Gitterpunkten die Objektpunkte und damit die Deformation
berechnet. Die geometrisch korrekte Bestimmung der Oberfläche setzt voraus,
daß die Orientierung der beiden Meßbilder ebenso bekannt ist wie die
Geometrie der aufnehmenden Kamera. Diese Daten werden mit Hilfe eines
einzelnen Paßkörpers, der gemäß der US 5642293 ein dreidimensionaler
Paßkörper ist, ermittelt. Der Paßkörper trägt ebenfalls ein Gitter und zusätzlich
einige Markierungen innerhalb der Gitterfelder, die eine Unterscheidung der
Körperseiten erlauben. Diese dem Körper aufgeprägten Gitter werden genauso
wie das dem Objekt aufgeprägte Gitter mit Mitteln der Bildverarbeitung
lokalisiert. Aus den gefundenen Gitterpunkten und der bekannten Größe des
Würfels werden Kantengeometrie und -orientierung berechnet.
Nachteilig an dem aus der US 5642293 bekannten Verfahren ist, daß das
Objekt, das vermessen wird, in etwa die gleiche Größe wie der Paßkörper
besitzt und direkt neben oder auf dem Objekt angeordent sein muß. Da der
Paßkörper gemäß der US 5642293 vergleichbar mit einem einheitlichen
Paßpunktrahmen ist, der alle notwendigen Geometrieinformationen über den
Objektraum enthält, ist es vorteilhaft, als Paßkörper einen Würfel zu wählen, der
in kompakter Weise mehrere Paßpunkte aufnehmen kann. Die Würfel gemäß
der US 5642293 stellen somit keine Targets im Sinne der Erfindung dar.
Die DE 42 05 406 A1 zeigt ein Verfahren zur Photogrammetrischen Vermessung
eines statischen Objektes mit weitgehend handelsüblichen Video- oder CCD-
Kameras, wobei mehrfarbige Meßmarken mit einer flächenhaft definierten
Beschaffenheit nach den Grundfarbtönen verwendet werden.
Aus der DE 197 35 175 A1 ist ein Verfahren zur digitalen Erfassung räumlicher
Szenen sowie zur Bestimmung von Objektkoordinaten bekanntgeworden, bei
dem die Verknüpfungselemente zwischen zwei Bildern, Bildelemente sind, die
sich dadurch auszeichnen, daß sie in mindestens zwei Bildern vorhanden sind
und deutlich von der Umgebung abheben. Dies können Punkte, Linien,
Linienzüge etc. sein.
Die DE 197 46 639 A1 zeigt ein Verfahren zur digitalen Erfassung räumlicher
Objekte und Szenen für eine 3D-Bildkarte. Gemäß der DE 197 46 639 A1 können
synthetische, graphische 3D-Objekte in eine Ebene eingeblendet werden,
jedoch handelt es sich hierbei um keine Targets, die dazu dienen
Verknüpfungen aufzubauen, sondern um Objekte, die in ein bestehendes
Modell eingeblendet werden.
Aus der GB 1603936 A ist ein photogrammetrisches Meßverfahren
bekanntgeworden, bei dem mit Hilfe von zweidimensionalen Markierungen ein
photogrammetrischer Plot eines Objektes mit herkömmlichen Kameras erstellt
wird.
Die JP 6281458 A beschreibt ein Erkennungsverfahren für einen kubischen
Körper mit Hilfe von zwei an unterschiedlichen Positionen aufgenommenen
Bildern, wobei mit Hilfe eines Korrelationsfensters das erste Bild mit dem
zweiten Bild zur Deckung gebracht wird und so der dreidimensionale Körper
reflektiert wird.
Spezielle Referenzelemente für die Photogrammetrie sind in den
nachfolgenden Schriften, deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich in die
vorliegende Anmeldung mitaufgenommen wird, beschrieben:
DE 197 28 513 A1, DE 44 09 198 A1, DE 197 33 466 A1, JP 0185563 A, JP 11160069 A
DE 197 28 513 A1, DE 44 09 198 A1, DE 197 33 466 A1, JP 0185563 A, JP 11160069 A
Die DE 44 09 198 A1 zeigt eine zweidimensionale Markierungseinrichtung, die ein
Bild zur Markierung eines Anlagenteils aufweist. Das Bild zeigt einen
maschinenlesbaren Code. Das Bild weist einen äußeren, eckigen Rahmen auf,
der einen inneren, eckigen Rahmen umschließt. Die Farbe des inneren
Rahmens unterscheidet sich kontrastreich von der Farbe des äußeren
Rahmens.
Aus der DE 197 28 513 A1 ist eine zweidimensionale Meßmarke bekannt geworden,
die Meßmerkmale und Orientierungsmerkmale sowie Kodiermerkmale aufweist,
wobei die Meßmerkmale, Orientierungsmerkmale und Kodiermerkmale relativ
zueinander in einer festen, geometrischen Relation angeordnet sind.
Die DE 197 33 466 A1 zeigt eine weitere zweidimensionale Markierung, die
beispielsweise in der Photogrammetrie eingesetzt werden kann, die sich
dadurch auszeichnet, daß die Markierung einen Zentralkreis oder -kreisring
sowie mindestens einen umgebenden, in radiale Sektoren eingeteilten
Codekreisring aufweisen.
Die JP 10185563 A und die JP 11160069 A beschreiben zweidimensionale
Referenzelemente für die Photogrammetrie. Die Referenzelemente haben eine
triangulare Form und je drei Referenzpunkte.
Aus der DE 195 36 295 C2 ist eine räumlich gestaltete Signalmarke, die eine
Anordnung von mehreren ebenen Signalmarken darstellt, bekannt geworden.
Die einzelnen Signalmarken weisen ein Merkmal definierter geometrischer
Gestalt auf, wobei die ebenen Signalmarken auf mehreren benachbarten,
zueinander geneigten Flächen aufgebracht sind, derart, dass aus jeder
Raumrichtung mindestens eine Signalmarke nahezu senkrecht oder aus einem
steilen Winkel beobachtbar ist.
Nachteilig an allen zuvor beschriebenen Verfahren, die zweidimensional
ausgedehnten Referenzelementen verwenden ist, daß sie nur für
photogrammetrische Zwecke geeignet sind, solange die Perspektive der
Meßbilder keine gravierenden Unterschiede aufweist, anzusprechende
Meßbilder im Halbraum über der Meßmarkenebene liegen und die
perspektivischen Verzerrungen durch die zentralprojektive Abbildung noch eine
Definition des Markenzentrums erlauben.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das die Zuordnung von
Referenzelementen auf einem Objekt auch dann erlaubt, wenn die Meßbilder
unter stark unterschiedlichen Perspektiven aufgenommen sind, wobei nicht
mehr ein einzelner Objektpunkt als Zielmarke dienen soll.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfähren zur Bestimmung der Lage von
Meßbildern eines Objektes relativ zum Objekt gemäß Anspruch 1. Gemäß der
Erfindung werden räumliche Referenzelemente, sogenannte 3D-Targets, in
digitalen Meßbildern erkannt und lokalisiert. Diese Targets werden nach ihrer
Identifikation und Lokalisierung in den beteiligten Bildern sowohl zur
Orientierung dieser Meßbilder als auch zur präzisen Vermessung des Objektes
eingesetzt. Der besondere Vorteil derartiger Targets ist darin zu sehen, daß
man damit die Freiheit erhält, durch Verwendung von beliebig vielen dieser
Targets, die beliebig angeordnet werden können, beliebig viele Aufnahmen
miteinander verknüpfen und das Objekt von allen Seiten zuverlässig erfassen
zu können.
Eingesetzt werden kann das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise in
digitalen photogrammetrischen Präzisionsmeßverfahren. In diesem Feld wird
die Leistungsfähigkeit dieser Meßtechnik deutlich gesteigert. Werden
beispielsweise kubische Targets in Meßbildern erkannt und lokalisiert, so
können damit die Vorteile rechnergestützter, photogrammetrischer
Meßtechniken auf neue Aufgabenstellungen ausgedehnt werden. Als
Anwendungsgebiete seien die Industriemeßtechnik und der Anlagenbau
genannt. Die Einsatzmöglichkeiten erstrecken sich von der unbeschränkten
Orientierbarkeit photogrammetrischer Meßbilder über die allseitige Vermessung
industrieller Objekte mit Hilfe kubischer Targets bis hin zur Extraktion kubisch
gestalteter Oberflächenbestandteile.
Weiterbildung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Neben dem Verfahren, das eine Zuordnung der Lage von Meßbildern des
Objektes relativ zum Objekt erlaubt, stellt die Erfindung auch ein Verfahren zum
photogrammetrischen Vermessen von Objekten auf der Basis von metrischen
Meßbildern sowie eine Vorrichtung zum Vermessen eines Objektes zur
Verfügung.
Die Erfindung soll nachfolgend beispielhaft anhand der Figuren beschrieben
werden.
Es zeigen:
Fig. 1 schematische Darstellung eines zu vermessenden Objektes mit
3D-Targetelementen
Fig. 2a schematische Darstellung eines zu vermessenden Objektes mit
2D-Targetteilen
Fig. 2b schematische Darstellung eines zu vermessenden Objektes
gemäß Fig. 2a mit 3D-Targetteilen
Fig. 3a s/w-Meßbild
Fig. 3b extrahierte Kanten des Meßbildes gemäß Fig. 3a
Fig. 4 Ablaufschema zur Identifizierung und Lokalisierung von
Meßobjekten
Fig. 5 Ablaufschema zur Verbindung der Meßbilder mit Hilfe der
identifizierten und lokalisierten Targetobjekte.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Lage von Meßbildern
eines Objektes relativ zum Objekt zeichnet sich dadurch aus, daß räumliche
Referenzelemente, sogenannte 3D-Targets in digitalen Meßbildern erkannt und
lokalisiert werden. Diese Targets werden nach ihrer Identifikation und
Lokalisierung in den beteiligten Bildern sowohl zur Orientierung dieser
Meßbilder als auch im Falle des Vorliegens von mindestens zwei Meßbildern
zur präzisen Vermessung des Objektes eingesetzt. Besonders vorteilhaft ist es,
wenn die dreidimensionale Form des Targets eindeutig identifizierbar ist.
Derartige eindeutig identifizierbare Targets sind beispielsweise Würfel.
Die Orientierung gründet sich auf der Zuordnung der in den verschiedenen
Bildern gefundenen Targets unter Verwendung von deren Bildposition. Dabei
unterscheidet man zwischen Orientierungen der Bilder untereinander und der in
bezug auf ein vorgegebenes Raumkoordinatensystem formulierten. In
letztgenanntem Fall ist vorauszusetzen, daß einige Targets mit ihren
Koordinaten im Raum bekannt sind.
Im Falle der präzisen Vermessung des Objektes dienen die Positionen der
Targets zur Festlegung von Richtungsstrahlen, die im Verbund aller Bilder zur
bestmöglichen Bestimmung der Raumpositionen der Targets benutzt werden.
Hierbei ist vorzugeben, daß die Targets in einer Weise am Objekt angeordnet
werden, daß aus ihren Positionen die gewünschten geometrischen Aussagen
zum Objekt abgeleitet werden können.
Die Erfindung unterscheidet sich dadurch von allen anderen bisher in der
photogrammetrischen Praxis eingesetzten Verfahren, daß nicht ebene
Paßflächen zur Festlegung von Paß- bzw. Verknüpfungspunkten dienen,
sondern räumliche Paßkörper zum Einsatz kommen, mit deren Hilfe die
Orientierung und Vermessung vorgenommen wird.
Damit wird es erstmals möglich, die bildgestützte, d. h. photogrammetrische
Vermessung auch dann einzusetzen, wenn die Objekte unter stark
unterschiedlichen Perspektiven aufgenommen wurden. Aber auch die
Vermessung voluminöser Objekte wird vereinfacht, weil die hierbei
aufzunehmenden Bildverbände bestmöglich verknüpft werden können.
Ein weiterer Vorteil der 3D-Targets ist, daß Identifikationsprobleme verringert
werden, da nicht mehr ein einzelner Objektpunkt als Zielmarke dient, sondern
das gesamte Volumen. Daraus resultiert eine größere Robustheit des
Meßverfahrens und ein breiteres Anwendungsspektrum.
Dazu gehört auch, daß ein einzelnes Meßbild alleine mit nur einem gefundenen
Target orientiert werden kann und nicht, wie in im Falle ebener Targets,
mindestens drei gefunden werden müssen.
Außerdem wird der gesamte Messungsvorgang erheblich beschleunigt, gegen
Störungen und Meßfehler unanfälliger und damit wirtschaftlicher gemacht.
Der Vorteil der Verwendung von 3D-Targets ist aus Fig. 1 ersichtlich. In Fig.
1 ist ein zu vermessender Körper 1 gezeigt sowie zwei Positionen 3, 5 zur
Aufnahme von Meßbildern. Auf dem zu vermessenden Körper ist ein
zweidimensionales Referenzelement 7 angeordnet, gemäß dem Stand der
Technik, sowie zwei erfindungsgemäße dreidimensionale Referenzelemente 9,
11 bzw. Referenzkörper.
Während das zweidimensionale Referenzelement 7 keine Verknüpfung der an
den Positionen 3, 5 aufgenommenen Meßbildern erlaubt und damit auch nicht die
Ermittlung der Lage der Meßbilder relativ zum zu vermessenden Objekt, ist dies
bei Einsatz von 3D-Targets gemäß der Erfindung möglich. In Fig. 1 deutlich zu
erkennen sind die Referenzstrahlen 13, 15 vom Meßbild an Position 3 zu den
3D-Targets 9, 11 sowie die Referenzstrahlen 17, 19 vom Meßbild an Position 5
zu den 3D-Targets 9, 11.
Besonders deutlich wird die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen
Verfahrens bei Vermessen eines Objektes wie in den Fig. 2a und 2b
gezeigt, beispielsweise eines Armaturenbrettes.
So ist bei Verwendung von zweidimensionalen Referenzelementen 7 wie in
Fig. 2a gezeigt ein allseitiges Vermessen des Objektes 1 aufgrund fehlender
Sichtbarkeit von Targets 7 in Meßbildern von 5 nicht möglich.
Bei Verwendung der erfindungsgemäßen dreidimensionalen Körner 9, 11 wie in
Fig. 2b gezeigt ist hingegen eine Vermessung des Objektes 1 möglich, da eine
Verknüpfung von Meßbildern an der Position 3, die die Rückseite des
Gegenstandes 1 markiert, mit Meßbildern an der Position 5, die die Vorderseite
des Gegenstandes markiert, möglich ist.
Wie aus den vorangegangenen Figuren und deren Beschreibung hervorgeht,
besteht ein wesentlicher Vorteil der Erfindung in der räumlichen Ausdehnung
und der damit verbundenen Sichtbarkeit auch aus den unterschiedlichsten
Betrachtungswinkeln. Außerdem liefern die exakt bekannte geometrische Form
und Größe der Targets weitere wichtige Informationen für die Orientierung. Dies
ist für ebene Körper nicht gewährleistet.
Bei dreidimensionalen Referenzelementen kann das nicht sichtbare
geometrische Zentrum des Körpers ebenso als Bezugspunkt für Zielstrahlen
verwendet werden, wie die sichtbaren Eckpunkte. Angesichts der
perspektivisch verzerrenden Wirkung der den Bildern zugrundeliegenden
Zentralprojektion, wie auch der wechselnden Ansichten auf die verschiedenen
Targetseiten muß ein Target immer in seiner vollständigen geometrischen Form
verwendet werden. Dazu ist es erforderlich, die Strukturelemente wie
zum Beispiel Ecken und Kanten anzusprechen und zu registrieren.
Eine Kantenextraktion basierend beispielsweise auf einer Grauwertanalyse von
Meßbildern zeigen die Fig. 3a und 3b anhand baulicher Objekte. Fig. 3a
zeigt das Meßbild des Objektes, Fig. 3b die hieraus extrahierten
Grauwertkanten.
Der Vorteil einer Kantenextraktion besteht in der häufig zu findenden
Übereinstimmung zu entsprechenden morphologischen Objektbestandteilen
und dem damit verbundenen Informationsgehalt zum Objekt. So lassen sich
damit Objekte gegeneinander abgrenzen oder aber bestimmte geometrische
Elemente wie zum Beispiel Raumkanten lokalisieren.
In einem weiteren Verfahrensschritt werden Objektbestandteile zu Objekten
zusammengefaßt, um auf diesem Weg objektspezifische von nichtspezifischer
Information trennen zu können. Das Zusammenfügen von einzelnen Elementen
wird beispielsweise über Nachbarschaftsanalysen gesteuert, wobei implizit
auch schon geometrisches Wissen, zum Beispiel Parallelität von Linien etc.,
über die Form der zu lokalisierenden Objekte vorausgesetzt wird.
Nachfolgend sollen nochmals die wesentlichen Schritte des
erfindungsgemäßen Verfahrens wiedergegeben werden.
Aus den digitalen Meßbildern oder digitalisierten, analogen Meßbildern werden
die 3D-Targets innerhalb eines einzelnen Meßbildes identifiziert, lokalisiert und
von allen anderen Bildinhalten, unabhängig von jeglichen äußeren Faktoren wie
Umgebung, Kameratyp, Maßstab, Beleuchtung etc., abgegrenzt. Sodann
werden automatisch Korrespondenzen zwischen Meßbildern unter Verwendung
der gefundenen Targets und von deren gegenseitiger Zuordnung bestimmt.
Hierbei sind keinerlei Einschränkungen hinsichtlich der zulässigen
Betrachtungsunterschiede zwischen den Meßbildern vorgesehen. Abschließend
werden unter Verwendung aller Raumstrahlen der zugeordneten Targets aller
Meßbilder die Orientierungen der Bilder und der Raumkoordinaten der Targets
präzise bestimmt.
Die einzelnen Schritte des Identifizierens und Lokalisierens sind schematisch in
Fig. 4 angegeben. Die einzelnen Verarbeitungsbestandteile verwenden
Ansätze aus der Bildverarbeitung, Bildanalyse und Photogrammetrie und
gestatten, im Bildmaterial genau die gesuchten Targetobjekte zu identifizieren
und zu lokalisieren.
Zunächst werden die digitalen Farbbilder in Schritt 100 in eine
Rechnereinrichtung eingelesen. Sodann werden die digitalen Farbbilder in
Schritt 102 auf Flächenmerkmale hin analysiert. Gleichzeitig findet
beispielsweise mit Hilfe einer Grauwertanalyse in Schritt 104 eine
Kantenextraktion statt. Durch die Analyse der Flächenmerkmale und die
Kantenextraktion können beispielsweise Punkte 106, Linienstücke 108 sowie
homogene Flächenstücke 110 identifiziert und extrahiert werden.
Die Verwendung von digitalen Farbildern gemäß Schritt 100 ist in der
Photogrammetrie auf dem Gebiet der topographischen Anwendungen bekannt.
Ziel des Einsatzes von Farbe ist die Erhöhung des Angebots an visueller
Information, wodurch manuelle Interpretationsprozesse einfacher, sicherer und
leistungsfähiger werden. In anderen Anwendungsgebieten, insbesondere in der
Industriemeßtechnik, sind Farbbilder bisher unüblich.
Flächenmerkmale beschreiben charakteristische, aus bildbezogenen
Berechnungen abgeleitete Größen, die die betroffene Bildregion kennzeichnen
und gegebenenfalls von anderen Regionen abgrenzen lassen. Merkmale
werden oft verwendet, um Bildinhalte nach bestimmten Kriterien einzuteilen.
Von besonderer Bedeutung für die Qualität einer Einteilung ist der Bildinhalt
und seine Aussagekraft sowie die Berechnungsmethodik.
Kanten beschreiben die Ränder von Bildbereichen, die als einheitlich, d. h. von
geringen inhaltlichen Änderungen geprägt, zu betrachten sind. Man erhält
solche Kanten über Berechnungen in bezug auf den Bildinhalt. Hier gibt es eine
Vielzahl von verschiedenen Rechenverfahren, deren Leistungsfähigkeit vom
Zusammenspiel zwischen Bildinhalt und den gewählten mathematischen
Methoden abhängt.
Punkte beschreiben Bildorte, die sich von anderen Orten unterscheiden lassen.
Das können Schnittpunkte von extrahierten Kanten sein oder auch mit eigenen
Berechnungsoperationen entdeckte Stellen im Bild. Sie spielen für den
Meßprozeß eine wichtige Rolle, weil sie zur Festlegung von Projektionsstrahlen
genutzt werden können. Art, Qualität und Aussage der Punkte hängen stark
vom Weg der Ermittlung und vom Bildinhalt ab.
Linien setzen sich aus Kanten zusammen. Sie werden aus der Menge der
ermittelten Kanten nach wiederum zu definierenden Kriterien abgeleitet.
Homogene Flächenstücke beschreiben Bildbereiche, die in bezug auf
festgelegte Kriterien als einheitlich zu betrachten sind. Man erhält auch sie über
Berechnungen in bezug auf den Bildinhalt. Ihr Nutzen besteht in der damit
verbundenen Einteilung des Bildes.
Die extrahierten Merkmale werden dazu benützt, mit Hilfe von
Konsistenzbedingungen 112, sowie Geometriewissen 114, Targetteile in einem
Verfahrensschritt 116 zu gruppieren und in einem weiteren Verfahrensschritt
118 bestimmten Targetteilen zuzuordnen. Unter Zugrundelegung von
Targetwissen 120 ist es möglich, Targets in einem weiteren Schritt 122 zu
lokalisieren.
Unter Konsistenzbedingungen versteht man solche Bedingungen, die dazu
genutzt werden, die gefundenen geometrischen Informationen, beispielsweise
Punkte, Kanten, Linien, etc. auf Widerspruchsfreiheit zu überprüfen. Diese
Bedingungen stellen mathematische Formulierungen dar, die im Bild oder auch
im Objektraum sein können.
Unter Geometriewissen wird solches Wissen verstanden, das sich aus den
Kenntnissen des Abbildungsvorgangs und aus dem geometrischen
Zusammenspiel von Dingen des Objektraums und deren Projektion in
Meßbilder ergibt.
Beim Targetwissen wird ebenfalls wieder auf photogrammetrische
Standardverfahren zurückgegriffen.
Voraussetzungen dafür, daß einzelne 3D-Targets identifiziert bzw. lokalisiert
werden können, ist ein einfacher, klar definierter und bekannter geometrischer
Aufbau, eine eindeutige, unverwechselbare Gestaltung jeder einzelnen
Targetfläche sowie eine ausreichende Größe der 3D-Targets, um in den Bildern
eine für die Erkennung ausreichend große Fläche abzudecken.
Die zuvor beschriebene Identifizierung und Isolierung schaffen die
Voraussetzung für die sich anschließende Verbindung der Meßbilder mit Hilfe
der entdeckten Targetobjekte.
Die einzelnen Schritte der Bildverarbeitung, beispielsweise die Identifizierung
und Extrahierung von Kanten sind in nachfolgenden Publikationen beschrieben,
deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung
mitaufgenommen wird:
- - J. F. Canny: A computational approach to edge detection, IEEE Tansactions on Pattern Analysis an Machine Intelligence, Vol. 8, No. 6, 1986
- - Duda, Hart: Pattern Classification an Scene Analysis, Wiley and Sons, New York, 1973
- - Institute for Robotics and Intelligent Systems, University of Southern California: Annotated Computer Vision Bibliography, 1999
- - Paulus, Hornegger: Pattern Recognition of Images and Speech, Vieweg, 1997,
Die Verfahrensschritte für die Verbindung der Meßbilder mit Hilfe der
entdeckten Targetobjektive sind in Fig. 5 zusammengefaßt.
Die gemäß dem in Fig. 4 beschriebenen Verfahren gefundenen Targets 130
werden für die Bestimmung der Bildorientierungen und der Objektkoordinaten
eingesetzt. Dazu werden zunächst im Schritt 132 die codierten Targets zur
Ermittlung einer Groborientierung von jenen Meßbildern eingesetzt, die
mindestens ein codiertes Target enthalten. Dies geschieht zunächst in
Bildgruppen 134, die anschließend in Schritt 136 zusammengefasst werden.
Es folgt die Verbesserung der Ergebnisse durch Hinzunahme weiterer, nicht
codierter Targets in den bereits grob orientierten Bildern in Schritt 138. Dies
wird durch Klärung der Zuordnung der Abbildungen der nicht codierten Targets
in Schritt 140 erreicht. Damit kann anschließend auch diesen Targets in Schritt
142 ein Code vergeben werden, der sie eindeutig identifizierbar macht.
Abschließend werden noch jene Bilder in Schritt 144 einbezogen, die keinerlei
codierte Targets aufweisen. Hier kommt ein, weiteres Zuordnungsverfahren in
Schritt 146 zum Einsatz, mit dessen Hilfe diese Bilder grob orientiert, die
Targets identifiziert und mit einem Code in Schritt 148 versehen werden. Der
letzte Schritt besteht in einer simultanen Orientierung aller beteiligten
Meßbilder, die auch die präzisen räumlichen Koordinaten der Targets liefert.
Die Bilder, in denen codierte Targets abgebildet sind, stellen eine Untermenge
aller Bilder dar. Für die Zuordnung von Bildern ohne numerierte Inhalte
existieren bereits Verfahren, die im allgemeinen aber nur für die Bildung von
Bildpaaren benutzt werden. Für das Verfahren sind Bildpaare aber eine
Ausnahme. Die üblicherweise viel größere Anzahl von Messbildern erhöht die
Zahl der möglichen und zu bildenden Kombinationen von noch nicht orientierten
Bildern erheblich.
Die wesentlichen Verbesserungen der Erfindung gegenüber dem Stand der
Technik werden in allen Schritten betreffend die Zuordnung nicht codierter
Targets in nicht orientierten Meßbildern erzielt. In diesem Schritt werden
photogrammetrische Berechnungsmethoden eingesetzt. Das Problem wird
durch die vorhandene dreidimensonale Information über den Aufbau der
Targets wesentlich einfacher und sicherer gestaltet.
Der Groborientierung der Bilder gemäß Schritt 134 und 148 liegen
photogrammetrische Standardverfahren zugrunde. Bei der Feinorientierung
aller Meßbilder werden typische photogrammetrische Orientierungsverfahren
eingesetzt.
Betreffend die einzelnen Schritte der Bildzuordnung gemäß Fig. 5 wird auf die
nachfolgenden Schriften verwiesen, deren Offenfbarungsgehalt vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung mit
aufgenommen wird:
- - G. Vosselman: Relational Matching, Springer-Verlag, Berlin, 1992
- - Institute for Robotics and Intelligent Systems, University of Southern California: Annotated Computer Vision Bibliography, 1999.
Als dreidimensionale Targets finden beispielsweise Targets in Würfelform
Verwendung, wobei jede Seite des Würfels mit Hilfe von Farben mit fester
Abfolge eindeutig gekennzeichnet ist. Als Farbabfolge kann beispielsweise Rot,
Grün, Blau, Gelb, Magenta, Zyan festgelegt werden. Die Größe der Würfel wird
durch die Kantenlänge von ungefähr 5 bis 30 cm bestimmt. Neben der
Farbgestaltung kann diesen Targets ein Code aufgeprägt sein, der sie
unverwechselbar macht. Dies kann über ein Intensitätsmuster erfolgen. Die
zuvor beschriebenen dreidimensionalen Targets bzw. Referenzelemente sind
nur als beispielhaft anzusehen, selbstverständlich sind auch andere
Geometrien oder Topologien, d. h. Kennzeichnung der einzelnen Seiten eines
dreidimensionalen Objektes, zur Identifizierung denkbar.
Mit Hilfe der Erfindung können neue Anwendungsfelder für den Einsatz digital
photogrammetrischer Präzisionsmeßverfahren erschlossen und die
Leistungsfähigkeit dieser Meßtechnik gesteigert werden. Besonders vorteilhaft
ist es, wenn die mit vorhandenen digital-photogrammetrischen
Programmsystemen gegebenen Möglichkeiten auf die automatische
Erkennbarkeit von 3D-Targets ausgedehnt wird und damit die Vorteile
rechnergestützter Meßtechniken auf neue Aufgabenstellungen ausgedehnt
werden. Ein Anwendungsgebiet ist beispielsweise die Industriemeßtechnik.
Die Einsatzmöglichkeiten der Erfindung erstrecken sich von der
unbeschränkten Orientierbarkeit photogrammetrischer Meßbilder über die
allseitige Vermessung beliebiger Objekte mit Hilfe kubischer Targets bis hin zur
Extraktion kubisch gestalteter Oberflächenbestandteile.
Claims (6)
1. Verfahren zur Bestimmung der Lage von Meßbildern eines Objektes
relativ zum Objekt, umfassend folgende Schritte:
- 1. 1.1 es werden in einem oder mehreren, von unterschiedlichen Positionen (3, 5) aufgenommenen Meßbildern am Objekt angebrachte dreidimensionale Referenzelemente anhand ihrer Flächenmerkmale und/oder mit Hilfe einer Kantenextraktion identifiziert und gegenüber anderen Bildinhalten abgegrenzt;
- 2. 1.2 mit Hilfe von Geometriewissen und/oder Konsistenzbedingungen werden Teile der dreidimensionalen Referenzelemente (9, 11) gruppiert und bestimmten Teilen der dreidimensionalen Referenzelemente zugeordnet;
- 3. 1.3 die dreidimensionalen Referenzelemente werden am Objekt (1) lokalisiert;
- 4. 1.4 unter Verwendung der idenfizierten und lokalisierten Referenzelemente (9, 11) wird die Lage des Meßbildes bzw. der Meßbilder relativ zum Objekt (1) bestimmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Referenzelemente (9, 11) Würfelform haben.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die dreidimensionalen Referenzelemente (9, 11) Identifizierungsmittel zur
Festlegung der Ausrichtung der Referenzelemente im Raum umfassen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Identizifierungsmittel eindeutige und gut unterscheidbare Merkmale
aufweisen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die eindeutig und gut unterscheidbaren Merkmale Farben oder Texturen
sind.
6. Verfahren zum photogrammetrischen Vermessen von Objekten auf der
Basis von metrischen Meßbildern, umfassend die Schritte:
- 1. 6.1 Anbringen von Referenzelementen (9, 11) am Objekt, wobei die Referenzelemente dreidimensionale Referenzelemente (9, 11) sind;
- 2. 6.2 Aufnehmen von einem Meßbild des Objektes oder mehreren Meßbildern des Objektes aus unterschiedlichen Positionen (3, 5);
- 3. 6.3 Ermitteln der Lage des Meßbildes bzw. der Meßbilder relativ zum Objekt (1) unter Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5;
- 4. 6.4 Vermessen des Objektes (1) anhand der Position der Referenzelemente (9, 11) in dem bzw. den Meßbilder(n), wobei aus deren Positionen die Geometrie des Objektes abgeleitet wird.
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