DE19539470A1 - Verfahren und Einrichtung zum Vermessen von dreidimensionalen Objekten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Einrichtung zum Vermessen von dreidimensionalen Objekten gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Es sind viele Verfahren bekannt, welche z. B. zur Vermessung von Gebäuden, zum automatischen Vermessen der Topologie von Landschaften, zur Navigation bewegter Fahr- oder Flugzeuge, zur Hinderniserkennung in der Umgebung bewegter Flug- oder Fahrzeuge bzw. zur Geschwindigkeitsmessung von Objekten dienen. Z.B. beim Verfahren der Herstellung von vertikalen Einzelbildern (Luftaufnahmen) werden hohe, vertikale Objekte, meist Gebäude, Türme, Hochhäuser etc. vermessen. Dabei wird das Luftbild manuell ausgewertet. Aus der Geometrie der Aufnahmekamera, dem Displacement und der Flughöhe über Grund (d. h. über einem der Punkte) wird die Objekthöhe berechnet. Die zur Vermessung benutzten Objektpunkte müssen vertikal übereinanderliegen. Dies macht ein Vorwissen über diesbezügliche Eigenschaften des zu vermessenden Objektes erforderlich. Des weiteren muß einer der Objektpunkte in einer bekannten Bezugsebene liegen. Die beiden zu vermessenden Punkte müssen außerdem sichtbar sein. Ein weiteres Verfahren zur Vermessung von Landschaften und Gebäuden ist die sogenannte Stereophotogrammetrie. Mit zwei Kameras, die seitlich um einen Basisabstand versetzt und parallel ausgerichtet sind, werden dabei zwei Bilder aufgenommen. Die Bilder werden vom menschlichen Betrachter mit speziellen Sichtgeräten oder in digitalisierter Form manuell-interaktiv mit dem Computer ausgewertet. Das Verfahren liefert relative Koordinaten der Objekte. Die Bilder werden anhand bekannter Paßpunkte im Umfeld der Objekte in absolute Koordinaten umgesetzt. Bei diesem Verfahren werden Bilder aus zwei Blickwinkel aufgenommen und enthalten so unterschiedliche Ansichten und auch gerade Schatten. Durch die verschiedenen Blickwinkel der Aufnahmen können die Umgebungen korrespondierender Blickpunkte stark voneinander abweichen. Für das Erreichen einer großen Genauigkeit ist ein großer Abstand der Blickwinkel der Kameras erforderlich. Damit verstärkt sich das Problem der Abschattung. Mit Hilfe eines nächsten Verfahrens, der sogenannten Mehrbildtriangulation werden Orientierung und Objektmaße aus mehreren Bildern rechnerisch rekonstruiert. Es werden aus verschiedenen Blickrichtungen oder Perspektiven Bilder von einem Objekt aufgenommen. Die Bilder müssen eine gewisse Überlappung aufweisen, d. h. es müssen in der Praxis pro Bild 10 bis 20 homologe Punkte in jeweils drei oder mehr Bildern identifizierbar sein. Durch die unterschiedlichen Blickrichtungen ist die Mehrfachidentifikation der homologen Punkte, ebenso wie bei der Stereophotogrammetrie nur mit dem menschlichen Auge vorzunehmen bzw. sie erfordert die Verwendung spezieller Marken. Bei dem sogenannten Lichtschnittverfahren ist es notwendig, neben einem Bildverarbeitungssystem eine Lichtquelle, z. B. einen Bildprojektor vorzusehen. Damit werden optische Marken auf die zu vermessenden Objekte projiziert und dann mit einem Bildverarbeitungssystem ausgewertet. Das Lichtschnittverfahren verwendet einen Projektor und eine Kamera in einer definierten mechanischen Anordnung. Die mechanische Justierung der beiden Komponenten muß ausreichend stabil sein.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, welches einfach und gebrauchsvorteilhaft ist und die Vermessung von dreidimensionalen Objekten erlaubt.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Anspruch 5 gibt eine Einrichtung an, die zur Durchführung dieses Verfahrens dient.

Das Verfahren wird so durchgeführt, daß eine Kamera, z. B. eine CCD-Kamera über eine Ver­ fahreinheit um eine Raumkurve so verfahren wird, daß der Blickwinkel der Kamera im wesent­ lichen unverändert bleibt. Dies ist z. B. bei einer translatorischen Bewegung in Richtung der op­ tischen Achse der Fall. Die durch den Sensor zu verfahrende Raumkurve ist bekannt, z. B. durch deren Vermessung oder durch die bekannte Kinematik der Führungseinrichtung. Wäh­ rend des Verfahrens des Bildsensors werden zwei Bilder aufgenommen. Durch die Zentralprojektion aus unterschiedlichem Abstand (und Blickwinkel), erscheint das Objekt durch die Annäherung vergrößert, bei gleichzeitig reduziertem Bildausschnitt.

Bei einer ausschließlich translatorischen Bewegung in der optischen Achse der Kamera, erscheinen die Bild- und Objektpunkte ausschließlich in radialer Richtung, also von der optischen Achse fort, verschoben. Bei einer Bewegung nicht nur in der optischen Achse erscheint das gesamte Bild, damit auch alle Objektpunkte zusätzlich transversal verschoben. Diese "virtuelle Verschiebung" ist abhängig vom Abstand a zwischen der optischen Achse der Kamera und dem Objekt, dessen Höhe h, und der durch die Verfahrbewegung bedingten unterschiedlichen Zentralprojektionen. Ein Mustervergleich zwischen allen Bildausschnitten von Nah- und Fernbild berechnet diese Verschiebung, weist also jedem Punkt (x, y) des Nahbildes einen Verschiebungsvektor V (x, y) zu.

Der Verschiebungsvektor V (x, y) ist also eine Funktion f von Objekthöhe h und Abstand a: V (x, y) = f (h, a). Die Funktion f ergibt sich durch die Zentralprojektionen des Objektes auf die beiden Orte der Bildaufnahme. Anschließend wird mittels Geometrie des Strahlensatzes/Zentralprojektion das Verschiebungsfeld in die Raumkoordinaten zurückgerechnet.

Das Verfahren ist mit nur einem Bildsensor, d. h. mit nur einer Kamera durchführbar. Durch die bekannte Geometrie der Raumkurve muß die Kameraorientierung im Gegensatz zu den bekannten Verfahren nicht errechnet werden.

Es werden zwei oder mehrere Bilder eines Objektes entlang einer Raumkurve aufgenommen. Die Raumkurve kann so gewählt werden, daß der Blickwinkel auf die Objekte ähnlich bleibt. Damit sind die Umgebungen der Objektpunkte ebenfalls ähnlich, so daß der Mustervergleich zum Identifizieren der homologen Punkte einfach und automatisierbar, z. B. mit einem Bildverarbeitungssystem mit Distanz-Klassifikatoren, wird.

Insbesondere sind keine speziellen Marken erforderlich, da die Bildpunkte der natürlichen Objektpunkte durch das spezielle Aufnahmeverfahren hinreichende Ähnlichkeit aufweisen.

Durch die Bildaufnahme in Objektnähe (Nahbild) und aus der Ferne (Fernbild) ergeben sich keine Abschattungen durch angrenzende Objekte, da alle Punkte des Nahbildes im Fernbild sichtbar sind. Für den Meßvorgang reichen zwei Bildaufnahmen aus, jedoch kann die Auswertung mehrerer Einzelbilder zur Steigerung der Auflösung herangezogen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in Abgrenzung auch so durchgeführt werden, daß mehrere Bildsensoren vorgesehen sind, sei es daß optische Bildverarbeitungsrechner verwendet werden; es können auch Roboter zur Erzeugung der Bahnkurve eingesetzt werden und der eingesetzte Bildsensor mit nicht rechteckig, sondern z. B. mit radial angeordneten Bildpunkten arbeiten, welches das Rückrechnen der Zentralprojektion ersetzt.

Eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles ist in Fig. 1 wiedergegeben. Fig. 2 zeigt ein Nahbild, Fig. 3 ein Fernbild des Objektes. In Fig. 4 ist ein Verschiebungsfeld dargestellt.

An einem Stativ 1 ist an einem Tragarm 2 eine 2D-Kamera 3, die vertikal verfahrbar ist, angeordnet. Ein Objekt 4 soll vermessen werden. Bei der Vermessung ergibt sich ein Fernbild und ein Nahbild des zu vermessenden Objektes 4, wie in Fig. 2 dargestellt. Die Bilder ergeben sich bei einer Bewegung der Kamera entlang ihrer optischen Achse.

Claims (7)

1. Verfahren zum Vermessen von dreidimensionalen Objekten, deren Raumkoordinaten relativ zur Bildsensorposition bestimmt werden, indem das Prinzip der Zentralprojektion verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bildsensor (3) entlang einer Raumkurve verfahren wird und mindestens ein Nahbild und mindestens ein Fernbild aufgenommen werden, wobei das Nahbild vergrößert abgebildet wird und dabei die Bildpunkte eine Verschiebung zum Bildrand hin, und die Objektpunkte mit kleinerer Entfernung zum Bildsensor als der Hintergrund der Szene eine stärkere Verschiebung erfahren, die Verschiebung aufgrund dieser Werte ausgewertet und die Raumkoordinaten des Objektes bestimmt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß um die Raumkurve zu bestimmen, diese vermessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Raumkurve bekannt ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Blickwinkel des Bildsensors (3) während der Messung annähernd unverändert bleibt.

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einem Bildsensor (3), einer Verfahreinheit (1, 2) mit einer bekannten Kinematik, die die Raumkurve festlegt, wobei die Raumkurve so gewählt wird, daß der Blickwinkel auf die Objekte (4) weitgehend gleich bleibt, mit einem nachgeschalteten Bildverarbeitungssystem für die Rückrechnung der Zentralprojektion und den Mustervergleich für die Zuordnung der homologen Bild- und Objektpunkte.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildsensor (3) eine elektronische Kamera ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildsensor eine flächige und an Zeilen und Spalten orientierte Anordnung seiner Einzelsensoren hat, oder eine radiale Anordnung seiner Einzelsensoren hat.