DE3811837A1 - Verfahren zur photogrammetrischen erfassung eines statischen aufnahmeobjektes mit hilfe zumindest eines opto-elektrischen festkoerper-flaechensensors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur photogrammetrischen Erfassung eines statischen Aufnahmeobjektes mit Hilfe zumindest eines opto-elektrischen Festkörper-Flächensensors, dessen Bildfläche kleiner ist als die des angestrebten Gesamtbildes, wobei in das photogrammetrische Abbildungssystem das Punktfeld eines das Gesamtbild abdeckenden R´seaus (Glasplatte mit geeigneten, rasterartig verteilten Punktmarkierungen) einbezogen und der Flächensensor so hinter der R´seauebene angeordnet werden, daß er jeweils zumindest eine Masche des R´seaus flächendeckend im Sensorbild abbildet, wobei Kammerr´seau und Aufnahmeobjekt auf die Sensorfläche projizierbar sind, die zur fortlaufenden Aufnahme von R´seaumasche zu R´seaumasche verschoben wird.

Dieses Verfahren läßt sich der DE-Al 34 28 325 entnehmen. Wird bei diesem Verfahren eine das gesamte zu erfassende Bildformat abdeckende R´seauplatte in den Abbildungsprozeß einbezogen, so können die auf den Flächen der Sensorblöcke entstandenen Teil­ bilder im Rahmen der digitalen Bildauswertung numerisch mit Hilfe der auf den Sensorflächen mit abgebildeten R´seaupunkte eindeutig in die Ebene des R´seaus transformiert werden. An die physika­ lische Lage der Sensorblöcke im Abbildungsraum sind dann nur geringe, instrumentell mit wenig Aufwand zu verwirklichende Anforderungen zu stellen: Es soll mindestens je eine Masche des R´seaus flächendeckend auf die Sensorflächen mit abgebildet werden. Durch die Transformation der auf den Bildflächen der einzelnen Sensorblöcke entstandenen Teilbilder in die Ebene des R´seaus wird das gesamte Bildformat mit hoher, durch die kalibrierte R´seauplatte vorgegebenen Genauigkeit erhalten.

Die genannte Vorveröffentlichung zeigt unter anderem die Anord­ nung eines Sensorblocks hinter der Bildebene eines photogramme­ trischen Aufnahmesystems. Zur Erfassung des Gesamtformats kann, bei statischer Aufnahmeanordnung, ein einzelner Sensor zur fort­ laufenden Belichtung nach Art eines Flachbett-Abtasters von R´seaumasche zu R´seaumasche geführt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs erläuterte Verfahren hinsichtlich seiner Durchführbarkeit zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die R´seaupunkte mit einer separaten, nahezu punktförmigen Beleuch­ tung projiziert werden, und daß durch Verschiebung des Flächen­ sensors in Richtung der optischen Achse die Abbildung jedes Objektpunktes individuell fokussiert wird, während die Zuordnung des Aufnahmeprojektionszentrums zum R´seau konstant gehalten wird.

Das Bildformat wird nicht ganzflächig simultan, sondern mit dem Sensor selektiv in Teilbildern erfaßt. Es wird deshalb erfin­ dungsgemäß vorgeschlagen, durch Verschieben des Sensors in Auf­ nahmerichtung auch individuell zu fokussieren, für jedes Teilbild oder, im Extremfall, für jeden abzubildenden Objektpunkt. Würden alle Teilbilder mit Hilfe der mit abgebildeten R´seaupunkte in die Ebene des Kammerr´seaus zurückprojiziert, könnten schließlich alle Bildpunkte im Bezugssystem einer gemeinsamen Bildebene gege­ ben sein. Damit wäre eine fokussierbare photogrammetrische Meßkammer mit konstanter innerer Orientierung verwirklicht, daß heißt, mit Bildebene und Bildraumbezugssystem, einheitlich defi­ niert durch das R´seau, und mit für alle Bildpunkte konstanter Lage des Aufnahmeprojektionszentrums im Bildraum.

Der nutzbare Fokussierbereich aber hängt ab von der Tiefe, innerhalb der die R´seaupunkte ausreichend scharf abgebildet werden. Da die flächenhafte Apertur des Aufnahmeobjektivs die Schärfetiefe auf kaum mehr als 0,1 mm begrenzt, läßt sich eine erfindungsgemäß fokussierbare R´seaukammer nur dann optimal realisieren, wenn die R´seaupunkte mit einer separaten, möglichst punktförmigen Beleuchtungsquelle projiziert werden.

Es wird allerdings instrumentell kaum möglich sein, die Zentren der Objekt- und R´seauabbildung streng identisch anzuordnen. Daher ist zu beachten, daß in einer erfindungsgemäß ausgebildeten R´seaukammer wegen der bildpunktweise individuellen Fokussierung Objekt und R´seau - im Gesamt-Bildformat betrachtet - auf eine nicht ebene Fläche abgebildet werden, so daß bei räumlicher Trennung der Zentren von Objekt- und R´seauprojektion die Objekt- und R´seauabbildung in ihrer Gesamtheit nicht zueinander perspektiv sind. Das bedeutet, daß sich die auf dem Sensor abgebildeten Objektpunkte mit den abgebildeten R´seaupunkten nicht einheitlich perspektiv in die Ebene des Kammerr´seaus zurückprojizieren lassen.

Daher wird erfindungsgemäß ferner vorgeschlagen, daß Objekt und R´seau bei nicht streng übereinstimmenden Projektionszentren getrennt voneinander projiziert werden, wobei zuerst die abgebil­ deten R´seaupunkte zur numerischen Orientierung des Sensors im Bildraum in Bezug auf das R´seau verwendet werden, um dann die auf dem Flächensensor abgebildeten Objektpunkte in Richtung auf das Projektionszentrum der Objektabbildung in das Koordinaten­ system des R´seaus zu transformieren. Es werden also mit den abgebildeten R´seaupunkten durch räumlichen Rückwärtsschnitt zunächst nur die Lage des Sensors in Bezug auf das Kammerr´seau bestimmt, wobei die Koordinaten des Zentrums der R´seauprojektion im System des Kammerr´seaus zu Grunde gelegt werden. Danach können mit Hilfe der Parameter der inneren Orientierung der Aufnahmekammer, die die Lage des Projektionszentrums der Objektabbildung in Bezug auf das Kammerr´seau angeben, die abgebildeten Objektpunkte aus den über dem R´seau räumlich orientierten Sensorsystem perspektiv einheitlich in die Ebene des Kammerr´seaus transformiert werden.

Die photogrammetrische Kammerkalibrierung muß bei einer fokussierbaren R´seaukammer nach der Erfindung nicht nur für das Zentrum der Objektprojektion, wie bei üblichen photogrammetri­ schen Kammern, sondern auch für das Zentrum der R´seauprojektion die Lage im Bildraum bestimmen, beide bezogen auf das System des Kammerr´seaus.

Um einen stark tiefenausgedehnten Objektbereich, der nicht ganz­ flächig simultan optisch auf eine Bildebene scharf abgebildet werden kann, durch Mehrfachbelichtung mit mehreren, unterschied­ lich fokussierten Bildebenen aufzunehmen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der von einer Masche des Kammerr´seaus über­ deckte Objektbereich mit einem Flächensensor durch mehrere, un­ terschiedlich fokussierte Teilbilder in seiner ganzen Tiefe scharf erfaßt wird, und daß diese Teilbilder mit Hilfe der mit abgebildeten R´seaupunkte in den gemeinsamen geometrischen Bezug einer einzigen, durch die betroffene Masche des Kammerr´seaus gegebene Bildebene überführt und dort rechnerisch überlagert werden. Dadurch entsteht ein einziges, den gesamten von der Masche abgedeckten Objektbereich scharf wiedergegebenes Bild mit exakter, photogrammetrisch nutzbarer Geometrie.

Da die Sensorpositionierung auf optischem Wege erfolgt, müssen die R´seaupunkte so gestaltet sein, daß sie mit größtmöglicher Genauigkeit meßbar sind. Mit heutigen Korrelations- und Muster­ erkennungsverfahren lassen sich schwarze, rechtwinklige Kreuze mit einer Genauigkeit von 1 bis 3 µm bestimmen. Diese Genauig­ keit ist zuverlässig nur dann erreichbar, wenn sich die R´seau­ punkte eindeutig vom Hintergrund trennen lassen. Besitzen jedoch R´seaupunkt und Objekt die gleiche Schwärzung, kann der Punkt nicht identifiziert und der Sensor damit nicht positioniert werden.

Die Trennung von R´seau und Bildinformation kann numerisch durch­ geführt werden, wenn sich die Signalintensität des R´seaupunktes von der des Hintergrundes signifikant unterscheidet, wenn also die Differenz der Grauwerte größer ist als der Rauschanteil im Bild. Die Genauigkeit der Punktbestimmung wird umso schlechter, je höher der Rauschanteil im Bild ist und je inhomogener der Hintergrund ist.

Zur Vermeidung der genannten Nachteile wird erfindungsgemäß eine optische Trennung von Objekt und R´seau durch Doppelbelich­ tung vorgeschlagen, wobei zuerst die R´seaupunkte bei einer externen, separaten Beleuchtung vom Flächensensor abgebildet werden, ohne daß die Objektinformation sichtbar ist, daß das so gewonnene erste Sensorbild digital abgespeichert wird, und daß dann das den gleichen geometrischen Bezug zum R´seau aufweisende Objekt abgebildet und das so gewonnene zweite Sensorbild eben­ falls digital abgespeichert wird.

Der geometrische Bezug zwischen den Bildern des R´seaus und des Objektes ist nur dann bekannt, wenn sich der Sensor in der Zeit zwischen den Aufnahmen nicht verändert hat. Die Taktzeit muß da­ her möglichst kurz sein. Handelsübliche CCD-Videokameras und Analog-Digital-Wandler arbeiten mit einer Frequenz von 1/30 Sek. Diese Taktzeit läßt sich bei Verwendung von zwei Bildspeichern und geeigneter Beleuchtungssteuerung erreichen.

In der Zeichnung ist eine als Beispiel dienende Ausführungsform einer R´seaukammer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens schematisch dargestellt. Dabei zeigt

Fig. 1 den Augenblick der Objektabbildung und

Fig. 2 den Augenblick der R´seau-Abbildung.

Dargestellt ist eine R´seaukammer 1 mit einem Objektiv 2, einer auf der gegenüberliegenden Kammerseite angeordneten R´seauplatte 3, einer in der oberen Abdeckung vorgesehenen Mattscheibe 4 und einer im Innern angeordneten halbverspiegelten Glasplatte 5.

Die Abbildungsebene 6 der R´seaukammer 1 liegt außerhalb der Ebene der R´seauplatte 3. In dieser Abbildungsebene 6 ist ein opto­ elektrischer Festkörper-Flächensensor 7 geführt. Zur Fokussierung wird der Flächensensor 7 in Richtung der optischen Achse in die jeweils gewünschte Abbildungsebene 6 bewegt; der eingezeichnete Abstand x ist daher variabel, während der ebenfalls eingezeich­ nete Abstand k zwischen Objektiv 2 und Reseauplatte 3 konstant bleibt.

Fig. 2 zeigt eine punktförmige Beleuchtung 8 zur Abbildung des R´seaus auf dem Flächensensor 7.

Claims (3)

1. Verfahren zur photogrammetrischen Erfassung eines statischen Aufnahmeobjektes mit Hilfe zumindest eines opto-elektrischen Festkörper-Flächensensors, dessen Bildfläche kleiner ist als die des angestrebten Gesamtbilds, wobei in das photogram­ metrische Abbildungssystem das Punktfeld eines das Gesamtbild abdeckenden R´seaus (Glasplatte mit geeigneten, rasterartig verteilten Punktmarkierungen) einbezogen und der Flächensensor so hinter der R´seauebene angeordnet werden, daß er jeweils zumindest eine Masche des R´seaus flächendeckend im Sensorbild abbildet, wobei Kammerr´seau und Aufnahmeobjekt auf die Sensorfläche projizierbar sind, die zur fortlaufenden Aufnahme von R´seaumasche zu R´seaumasche verschoben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die R´seaupunkte mit einer separaten, nahezu punktför­ migen Beleuchtung projiziert werden, und daß durch Ver­ schiebung des Flächensensors in Richtung der optischen Achse die Abbildung jedes Objektpunktes individuell fokus­ siert wird, während die Zuordnung des Aufnahmeprojektions­ zentrums zum R´seau konstant gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Objekt und R´seau bei nicht streng übereinstimmenden Projektionszentren getrennt voneinander projiziert werden, wobei zuerst die abgebildeten R´seaupunkte zur numerischen Orientierung des Sensors im Bildraum in Bezug auf das R´seau verwendet werden, um dann die auf dem Flächensensor abgebildeten Objektpunkte in Richtung auf das Projektions­ zentrum der Objektabbildung in das Koordinatensystem des R´seaus zu transformieren.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der von einer Masche des Kammerr´seaus über­ deckte Objektbereich mit einem Flächensensor durch mehrere, unterschiedlich fokussierte Teilbilder in seiner ganzen Tiefe scharf erfaßt wird, und daß diese Teilbilder mit Hilfe der mit abgebildeten R´seaupunkte in den gemeinsamen geome­ trischen Bezug einer einzigen, durch die betroffene Masche des Kammerr´seaus gegebene Bildebene überführt und dort rechnerisch überlagert werden.