Diploma arbeit von n Christop ph Reiterr
Prü üfung ph hotogram mmetrischer Me esssyste eme für den N Nahbere eich in Anlehnun A ng an die Ricchtlinie 2634, 2 Blatt1, de es VDI/V VDE
Refere ent:
Pro of. Dr.-Ing. H.-J. Przy ybilla
Korrefe erent: Pro of. Dr.-Ing. R. Staigerr
Hochschule Bochum u Geoinformatik Fachbereich Verrmessung und 009 Bochum, April 20
Inhaltsverzeichnis
1
Einleitung --------------------------------------------------------------------------- 5
2
Photogrammetrische Systeme ------------------------------------------------ 6
2.1
PHAUST (PHotogammetrische AUswerteSTation) ---------------------- 6
2.1.1
Eingangsdaten -------------------------------------------------------------------- 6
2.1.2
Arbeitsablauf ---------------------------------------------------------------------- 7
2.1.3
Ergebnisse ----------------------------------------------------------------------- 10
2.1.4
Handhabung und Fazit-------------------------------------------------------- 11
2.2
PHAUST Assist ----------------------------------------------------------------- 11
2.2.1
Eingangsdaten ------------------------------------------------------------------ 11
2.2.2
Arbeitsablauf -------------------------------------------------------------------- 12
2.2.3
Ergebnisse ----------------------------------------------------------------------- 14
2.2.4
Handhabung und Fazit-------------------------------------------------------- 14
2.3
CAP (Combined Adjustment Program) ----------------------------------- 16
2.3.1
Eingangsdaten ------------------------------------------------------------------ 16
2.3.2
Arbeitsablauf -------------------------------------------------------------------- 18
2.3.3
Ergebnisse ----------------------------------------------------------------------- 21
2.3.4
Handhabung und Fazit-------------------------------------------------------- 22
2.4
AICON 3D Studio--------------------------------------------------------------- 23
2.4.1
Eingangsdaten ------------------------------------------------------------------ 23
2.4.2
Arbeitsablauf -------------------------------------------------------------------- 24
2.4.3
Ergebnisse ----------------------------------------------------------------------- 27
2.4.4
Handhabung und Fazit-------------------------------------------------------- 27
3
VDI/VDE Richtlinie 2634 ----------------------------------------------------- 29
3.1
Geltungsbereich ---------------------------------------------------------------- 31
3.2
Prinzip der Abnahme und Überwachung von Messsystemen ------- 31
3.3
Durchführung und Auswertung --------------------------------------------- 32
4
Aufnahmesysteme ------------------------------------------------------------- 33
4.1
Technische Daten und Einstellungen ------------------------------------- 34
4.1.1
Nikon D2Xs (INVERS) -------------------------------------------------------- 34
4.1.2
Nikon D2Xs (Hochschule Bochum) ---------------------------------------- 34
4.1.3
Rollei D7 metric ----------------------------------------------------------------- 34
4.1.4
Canon IXUS 75 ----------------------------------------------------------------- 35
4.1.5
Nokia N73 ------------------------------------------------------------------------ 35
5
Prüfkörper und Aufnahmesituation ---------------------------------------- 36
Inhaltsverzeichnis
5.1
Prüfkörper ------------------------------------------------------------------------ 36
5.2
Aufnahmesituation ------------------------------------------------------------- 36
5.3
Signalisierung ------------------------------------------------------------------- 37
5.3.1
Aufnahmekonfiguration ------------------------------------------------------- 39
6
Vergleiche ------------------------------------------------------------------------ 41
6.1
Vergleich der eingesetzten Kamerasysteme ---------------------------- 41
6.1.1
Parameter der Inneren Orientierung der eingesetzten Kameras --- 41
6.1.2
Vergleich der Standardabweichungen der Parameter der Inneren Orientierung aus AICON 3D Studio --------------------------------------- 46
6.1.3
Vergleich der Objektkoordinaten aus AICON 3D Studio ------------- 50
6.2
Vergleich der eingesetzten photogrammetrischen Systeme -------- 54
6.2.1
Vergleich der Parameter der Inneren Orientierung -------------------- 54
6.2.2
Vergleich der Objektkoordinaten aus den Auswertungen der eingesetzten photogrammetrischen Systeme --------------------------- 58
6.3
Bewertung nach VDI/VDE Richtlinie 2634 Blatt 1 ---------------------- 61
7
Schlussbetrachtung------------------------------------------------------------ 63
Literaturverzeichnis ------------------------------------------------------------------------ 66 Tabellenverzeichnis ----------------------------------------------------------------------- 68 Abbildungsverzeichnis -------------------------------------------------------------------- 69 Abkürzungsverzeichnis ------------------------------------------------------------------- 73 Anhang -------------------------------------------------------------------------------------- 74
Einleitung
1
Einleitung
Praktisch seit ihrer Erfindung Mitte des 19. Jahrhunderts wird die Fotografie zum messtechnischen Einsatz herangezogen und mit dem Stand der Technik weiterentwickelt. Seit den 1960er Jahren erlaubt die vermehrte Entwicklung von Modell- und Bündelausgleichsprogrammen die Aufnahme beliebig angeordneter Bildverbände und die simultane Kalibrierung des eingesetzten Aufnahmesystems. Die Entwicklung der digitalen Fotografie seit Anfang der neunziger Jahre und der damit verbundene Einsatz von Onlinemesssystemen führte zum vermehrten Einsatz photogrammetrischer Messtechnik auch im industriellen Umfeld [Luhmann 2003]. Der heutige Stand der Technik mit hochauflösenden digitalen Kameras, leistungsstarken Rechnern und Auswerteprogrammen erlaubt den Einsatz der
Nahbereichsphotogrammetrie
praktisch
in
sämtlichen
ingenieur-
technischen sowie naturwissenschaftlichen Bereichen. Das Anwendungsgebiet reicht von Automobil- und Maschinenbau, Luft- und Raumfahrt über Architektur und Ingenieurbau bis hin zur Medizin und den Naturwissenschaften. Den diversen Anwendungsgebieten angepasst sind unterschiedlichste Aufnahmesysteme mit ihren jeweiligen Aufnahmekonfigurationen im Einsatz. Das Spektrum der Aufnahmesysteme reicht von Luftaufnahmen aus Kleinflugkörpern über die klassische terrestrische Photogrammetrie bis hin zur Elektrorastermikroskopie. Die vorliegende Untersuchung befasst sich mit der klassischen terrestrischen Nahbereichsphotogrammetrie, die seit Anfang des neuen Jahrtausend durch die digitale Fotografie dominiert wird. Die hohe Auflösung der modernen digitalen Kameras und die Leistungsfähigkeit der heutigen Rechner haben dazu geführt, dass der digitale photogrammetrische Prozess schneller, flexibler und mit einer Messgenauigkeit im Submillimeterbereich präziser geworden ist. Die zeitnahe Lösung komplexer Messungen stellt mit Hilfe moderner Auswertesoftware heute kein Problem mehr da. Nachfolgend werden die Messung und Auswertung eines Testobjektes mittels verschiedener Kameratypen und photogrammetrischer Auswerteprogramme betrachtet und in Anlehnung an die VDI/VDE Richtlinie 2634 Blatt1 bewertet. 5
Photogrammetrische Systeme
2
Photogrammetrische Systeme
Seit der Entwicklung der digitalen Fotografie hat sich der photogrammetrische Auswerteprozess grundlegend verändert. Analoge photogrammetrische Auswerteinstrumente wurden durch handelsübliche Rechner und
entsprechende
Auswertesoftware
ersetzt.
Bilder
hinreichend
signalisierter Objekte können heute in wenigen Minuten voll automatisiert ausgewertet werden [Luhmann 2003]. Zur Untersuchung der vorliegenden Arbeit stehen drei photogrammetrische Systeme zur Verfügung:
x
PHAUST (PHotogammetrische AUswerteSTation) + CAP (Combined Adjustment Program)
x
PHAUST-Assist + CAP
x
AICON 3D Studio
Während AICON 3D Studio eine vollwertige Softwarelösung ist, müssen PHAUST und PHAUST Assist als Programme zur Bildmessung jeweils mit CAP als Programm zur Bündelblockausgleichung zu einem photogrammetrischen System kombiniert werden.
2.1
PHAUST (PHotogammetrische AUswerteSTation)
PHAUST ist eine vom Ingenieurbüro INVERS - Industrievermessung & Systeme, Essen entwickelte Softwarelösung zur Bildverarbeitung, im Speziellen zum Messen von Bild- und Objektkoordinaten. Mit Hilfe von Bildverarbeitungsoperatoren können kreisförmige Targets mit Subpixelgenauigkeit gemessen werden.
2.1.1 Eingangsdaten Um mit PHAUST Bildmessungen durchführen zu können, ist es dringend erforderlich, Graustufen-Bilder im Format Bitmap zu verwenden. Eine Verarbeitung von Farbbildern ist mit PHAUST aufgrund der dann fehlerhaft arbeitenden Operatoren der Punktmessung nicht möglich. Das Ergebnis einer solchen Bildmessung kann nicht zur weiteren Bearbeitung verwendet werden. 6
Photogrammetrische Systeme
Eine zusätzliche Voraussetzung ist die Information über die Größe des Sensors bzw. eines Pixel des verwendeten Aufnahmesystems. Mit Hilfe dieser Information werden die Bildkoordinaten über eine Affintransformation vom Pixel-Koordinatensystem in ein metrisches kartesisches Koordinatensystem überführt (Abb. 2.1). Dieser Vorgang ist des Weiteren notwendig, da das Pixel-Koordinatensystem kein Rechtssystem ist und erst durch die Transformation in ein solches überführt wird.
Abb. 2.1: Lage des Bildkoordinatensystems vor (rot) und nach (blau) der Affintransformation
2.1.2 Arbeitsablauf Zunächst wird nach dem Start des Programms ein neues Projekt angelegt. Hierbei ist darauf zu achten, dass der Dateiname nicht mehr als acht Zeichen beträgt. Die zu messenden Bilder sind in den neu erstellten Unterordner Bilder im Projektverzeichnis einzufügen. Nach dem Laden eines Bildes muss zunächst unter dem Menüpunkt Bilder ĺ Orientieren das Bildkoordinatensystem definiert werden (Abb. 2.2), welches für alle Bilder einer Kamera identisch ist. Die Parameter werden im Anschluss für die Transformation der Pixel-Koordinaten in ein metrisches System genutzt. So kann jedem zu messenden Bild eine Kopie der daraus entstandenen Datei im Bilder-Verzeichnis zugewiesen werden. Das erspart das Orientieren der einzelnen Bilder vor jeder Messung. 7
Photogrammetrische Systeme
Abb.
2.2:
Festlegung
koordinatensystems
des
Bild-
Abb.
2.3:
Parametrisierung
des
Ellipsenoperators
Ist das Bildkoordinatensystem festgelegt, kann mit der Punktmessung begonnen werden. Es ist sinnvoll neben den Fenstern Übersichtsbild, Bildausschnitt und Bildkoordinatenmessung auch die Fenster Einstellungen und Grafikmessung zu öffnen (Abb. 2.5). Hier kann einfach auf notwendige Operationen wie Punkt löschen zugegriffen werden. Einstellmöglichkeiten bietet das Programm zu allen wichtigen Parametern. So kann der Benutzer z. B. Messoperatoren auswählen und einstellen (Abb. 2.3), allgemeine Einstellungen zur Punktmessung wählen oder Helligkeit und Kontrast des Bildausschnittes temporär verändern. Alle Einstellungen sind vor jeder Punktmessung editierbar. Im vorliegenden Fall wird der Ellipsenoperator zur Bestimmung des Targetmittelpunkts verwendet. Hier wird das Zentrum der Ellipse mit Hilfe des Sternoperators ermittelt. Ausgehend von einem Näherungswert werden entlang mehrerer Suchstrahlen die Randpunkte der Ellipse mittels Kantenextraktion bestimmt (Abb. 2.4). Anschließend fließen die gefundenen Koordinaten der Kantenpunkte als Beobachtungen in eine Ellipsenausgleichung ein [Luhmann 2003]. Diese liefert nach mehreren Iterationen den Ellipsenmittelpunkt und somit den Mittelpunkt des Targets.
8
Photogrammetrische Systeme
Näherungswert Kantenpunkt Ausgleichselement Mittelpunkt
Abb. 2.4: Prinzip des Sternoperators
Ist die Bildkoordinatenmessung eines Bildes abgeschlossen, wird die Messung gesichert und alle Fenster werden geschlossen. Erst jetzt kann das nächste Bild zur Fortführung der Messung geöffnet werden.
Abb. 2.5: Messung signalisierter Punkte in PHAUST
9
Photogrammetrische Systeme
2.1.3 Ergebnisse Das Ergebnis der Messung sind Bildkoordinaten in der Einheit Millimeter. Die Bildkoordinaten und ihre Standardabweichung werden bild- bzw. blockweise in der Datei Projektname.BKO abgespeichert. Um die Daten der Bildmessung in CAP weiter verarbeiten zu können, müssen sie exportiert werden. Unter Extras ĺ Dateien exportieren erzeugt eine Routine (Abb. 2.6) folgende CAP-Eingabedateien:
x
Projektname.BIK:
Datei der gemessenen Bildkoordinaten und ihrer Standardabweichung à priori
x
Projektname.EXT: Datei mit Informationen zur eingesetzten Kamera und Äußeren Orientierung
Abb. 2.6: Einstellungen für den Datenexport
Während die Datei Projektname.BIK die Ergebnisse der Bildmessung beinhaltet, sind die Werte der Äußeren Orientierung in der Projektname.EXTDatei aufgrund der noch fehlenden Berechnung auf die Startwerte „Null“ gesetzt.
10
Photogrammetrische Systeme
2.1.4 Handhabung und Fazit PHAUST ist ein klar strukturiertes, gut bedienbares Werkzeug zur Bildkoordinatenmessung. Die nötigen Arbeitsschritte werden chronologisch durchgeführt und sind für den Anwender gut zu verstehen. Besonders herauszustellen sind die individuellen Einstellungsmöglichkeiten bei der Punktmessung. So sind die Messoperatoren einzeln auszuwählen und deren Parameter zu jedem Zeitpunkt editierbar. Auch die temporäre Veränderung der Helligkeits- und Kontrastwerte des gewählten Bildausschnitts kommt dem Benutzer entgegen. Somit fällt die Orientierung in den stark unterbelichteten Bildern deutlich leichter. Lediglich der für heutige Verhältnisse relativ geringe Automatisierungsgrad trübt das Gesamtbild. Nur die Bestimmung des Targetmittelpunkts ist durch Schwerpunkt- bzw. Ellipsenoperatoren automatisiert. Die Erkennung von codierten Messmarken und eine damit mögliche, voll automatisierte Messung des gesamten Bündels stehen nicht zur Verfügung. Aus diesem Grund sind der Zeit- und Arbeitsaufwand (pro Bild ca. fünf Minuten, mit im Mittel ca. 30 Punkten), den eine Messung mit PHAUST erfordert, nicht zeitgemäß.
2.2
PHAUST Assist
PHAUST Assist von Solving 3D, Garbsen ist ein im Auftrag der Firma INVERS - Industrievermessung & Systeme, Essen entwickeltes Programm zur automatisierten Bildmessung und anschließender Analyse des gemessenen Bildverbandes.
2.2.1 Eingangsdaten PHAUST Assist benötigt zur photogrammetrischen Bildverarbeitung Bilder im Format JPEG. Bilder in anderen Formaten können aufgrund der dann fehlerhaft arbeitenden Bildverarbeitungsoperatoren nicht verarbeitet werden. Des Weiteren werden Näherungswerte der Inneren Orientierung der verwendeten Kamera und, wenn vorhanden, Informationen über zusätzlich geodätische Beobachtungen (z. B. gemessene Strecken) benötigt. Die Daten der Inneren Orientierung und der zusätzlichen Beobachtungen können entweder über Eingabedateien
aus
vorangegangenen
Messungen
(Name.def
und
Name.add) oder über eine Eingabemaske eingeführt werden. 11
Photogrammetrische Systeme
2.2.2 Arbeitsablauf Unter dem Menüpunkt File ĺ Open Image Files werden die zu messenden Bilder ausgewählt. Anschließend müssen Einstellungen zu folgenden Punkten vorgenommen werden (Abb. 2.7): x
Punktmessung:
Einstellungen zu den Bildverarbeitungsoperatoren
x
Kamera:
Eingabe der Inneren Orientierung
x
Maßstäbe:
Angaben zu zusätzlichen Streckenbeobachtungen
x
Analyse:
Einstellungen zur Analyse der Bildverarbeitung
Die Angaben zur Inneren Orientierung (Abb. 2.8) und zu den zusätzlichen Beobachtungen werden nach der Eingabe im gewählten Bilderverzeichnis unter Name.def und Name.add abgespeichert. Der Anwender hat nun die Möglichkeit zwischen drei Arbeitsschritten zu wählen: x
Measure Targets + Analyze Bundle
x
Measure Targets
x
Analyze Bundle
Abb. 2.7: Editor der Punktmessungsparameter
Abb. 2.8: Editor der Parameter der Inneren Orientierung
12
Photogrammetrische Systeme
Um die Messung vor der Analyse kontrollieren zu können, wird empfohlen, den Arbeitsschritt Measure Targets + Analyze Bundle zu trennen und einzeln durchzuführen. Unter dem Menüpunkt Computation ĺ Measure Targets wird die automatisierte Punktmessung gestartet. Dem Anwender wird während der Messung durch ein Dialogfenster im unteren Bereich der Arbeitsoberfläche der Status der Messung angezeigt (Abb. 2.9). Hier werden etwaige Fehler, wie zum Beispiel Punkte mit identischer Punktnummer und deren Umbenennung, protokolliert. Ist die Bildpunktmessung abgeschlossen, kann über den Verzeichnisbaum auf einzelne Bilder zugegriffen und etwaige Fehler der Bildmessung können bearbeitet und nicht oder falsch gemessene Punkte manuell nachgemessen werden. Sind die Fehlermeldungen der Bildmessung beseitigt, kann mit der Analyse des Bildverbandes unter dem Menüpunkt Computation ĺ Analyze fortgefahren werden. Hier wird mit Hilfe eines kombinierten Vorwärts- und Rückwärtsschnittes die Äußere Orientierung des Bündels berechnet.
Abb. 2.9: Arbeitsoberfläche mit Bildansicht, nach der Punktmessung
13
Photogrammetrische Systeme
2.2.3 Ergebnisse Die Ausgabe des Programms PHAUST Assist ist auf eine anschließende Weiterverarbeitung mit CAP ausgelegt. So werden die folgenden Ergebnisbzw. Ausgabedateien im Arbeitsverzeichnis gespeichert:
x
Name.imi:
Datei der Bildkoordinaten
x
Name.cor:
Datei der Objektkoordinaten
x
Name.ext:
Datei der Äußeren Orientierung
Neben den für CAP notwendigen Dateien wird die Datei Name.dat ausgegeben. Hier werden die Objektkoordinaten mit ihren Standardabweichungen aus der Näherungswertbestimmung angegeben.
2.2.4 Handhabung und Fazit PHAUST Assist ist ein zeitgemäßes, gut zu bedienendes und transparentes Programm zur voll automatisierten Punktmessung mit anschließender „Vorausgleichung“. Die Arbeitsschritte sind klar strukturiert und voneinander getrennt durchführbar. Trotz eines hohen Automatisierungsgrades wird dem Anwender eine Vielzahl an Möglichkeiten geboten, um individuelle Einstellungen vorzunehmen. So kann der Anwender zu jedem Zeitpunkt in den ausschlaggebenden Bereichen (z. B. Bildverarbeitungsoperatoren, Innere Orientierung, Maßstäbe und Analyse) Einstellungen festlegen bzw. editieren. Auch die Visualisierung der Ergebnisse ist möglich. Sowohl die Darstellung des Bildverbandes mit gemessenen Objektkoordinaten und Kamerastandpunkten (Abb. 2.10) als auch die Visualisierung der Objektpunkte mit Fehlerellipsen ihrer Koordinaten ist hier realisiert. Das Messen der codierten Targets wird mit Hilfe eines Decodierung-Tools von AICON 3D Systems GmbH, Braunschweig umgesetzt. Im vorliegenden Fall werden einige Punkte aufgrund von Verdeckung nicht richtig gelesen. So kommt es in einigen Bildern zu einer doppelten Punktvergabe. Diese Problematik löst das Programm, indem diesen Punkten neue Punktnummern zugewiesen werden und der Benutzer zur Überprüfung dieser Punkte aufgefordert wird. Des Weiteren sind in den Ausgabedateien Punktnummern zu finden, die nicht zum Punktnummernbereich der verwendeten Targets 14
Photogrammetrische Systeme
passen. Diese Punkte werden ausschließlich in jeweils einem Bild gemessen. Das lässt darauf schließen, dass dieser Fehler auch durch Überdeckung von Targets, sprich nicht vollständige Abbildung der Codierung, verursacht wird. Ebenfalls nachteilig ist die notwendige anschließende Ausgleichung der Bündelmessung mit dem Ausgleichungsprogramm CAP. Durch den damit verbundenen
Aufwand
geht
dem
Anwender
hier
Zeit
verloren.
Wünschenswert wäre eine integrierte Lösung, die die Mängel des Programms CAP (Visualisierung) durch schon realisierte Lösungen aufgreift und behebt. Besonders positiv zu erwähnen ist jedoch die große Bandbreite möglicher Anwender. Aufgrund des hohen Automatisierungsgrades und der Möglichkeit, bei konstanten Voraussetzungen vorhandene Eingabedateien zu nutzen, kann das Programm nach einmaliger Einrichtung auch von einem ungeübten fachfremden Anwender genutzt werden. Andererseits macht die Mischung aus gebotenen Konfigurationsmöglichkeiten, hoher Automatisierung und Transparenz die Softwarelösung auch für Fachanwender interessant und praktikabel.
Abb. 2.10: Äußere Orientierung des Bildverbandes in PHAUST Assist
15
Photogrammetrische Systeme
2.3
CAP (Combined Adjustment Program)
Das Programmpaket CAP (Combined Adjustment Program) von K2 Photogrammetry ist ein seit 1988 eingesetztes Programm zur dreidimensionalen Punktbestimmung mittels kombinierter Ausgleichung photogrammetrischer und geodätischer Beobachtungen [Kotowski 1996].
2.3.1 Eingangsdaten CAP benötigt für die Bestimmung von 3D Koordinaten folgende Daten:
x
Bildkoordinaten
x
Näherungswerte für o Innere Orientierung o Äußere Orientierung o Objektkoordinaten
x
Zusätzliche Beobachtungen
Informationen über Bildkoordinaten und die Äußere Orientierung entstammen den Ausgabedateien Projektname.BIK bzw. Projektname.IMI und Projektname.EXT des Bildverarbeitungsprogramms PHAUST bzw. PHAUST Assist. Näherungswerte für die Innere Orientierung (Abb. 2.11) und Objektkoordinaten (Abb. 2.12) wie auch Informationen zu den zusätzlichen Beobachtungen (Abb. 2.13) können über eine Eingabemaske unter dem Menüpunkt Edit in CAP eingepflegt werden.
Abb. 2.11: Editor für die Parameter der Inneren Orientierung
16
Photogrammetrische Systeme
Abb. 2.12: Editor für die Objektkoordinaten
Abb. 2.13: Editor für zusätzliche Beobachtungen
Die Eingabe der Referenzdaten (z. B. Maßstäbe) muss mit großer Sorgfalt erfolgen. Etwaige Fehler würden das Ergebnis der Ausgleichung stark beeinflussen, da sie als bekannte Größen und nicht als Näherungswerte der Unbekannten in die Berechnung einfließen. 17
Photogrammetrische Systeme
2.3.2 Arbeitsablauf Unter File ĺ New Project kann ein neues Projekt angelegt werden. Im Folgenden kann die Konfiguration des Programms vorgenommen werden (Abb. 2.14). Die Konfiguration wird im Projektverzeichnis in der Datei Projektname.par gespeichert und kann in dieser Datei auch über einen ASCII-Editor bearbeitet werden.
Abb. 2.14: Konfigurationsfenster
Sind alle Einstellungen vorgenommen und alle Eingangsdaten vorhanden, kann mit der Berechnung begonnen werden. Folgende Berechnungsmöglichkeiten stehen unter dem Menüpunkt Run zur Verfügung:
x
RELOR
ĺ
relative Orientierung
x
ABSOR
ĺ
absolute Orientierung
x
RESECT
ĺ
räumlicher Rückwärtsschnitt
x
CAP
ĺ
Bündelblockausgleichung
Die Berechnungsprogramme RELOR, ABSOR und RESECT dienen der Bestimmung von Näherungswerten für die zu ermittelnden Unbekannten der Bündelausgleichung. Sie bilden ein leistungsfähiges Softwarepaket, um – ausgehend von gemessenen Bildkoordinaten – alle notwendigen Berechnungen zur räumlichen photogrammetrischen Punktbestimmung durchführen zu können [Kotowski 1996]. 18
Photogrammetrische Systeme
Nach jeder Berechnung wird eine Ausgabedatei erstellt. Unter dem Menüpunkt View kann sich der Anwender die Ergebnisse der ausgeführten Berechnung anzeigen lassen. Hier ausgewiesene Fehlermeldungen, wie zum Beispiel grobe Fehler, können unter Edit in den entsprechenden Dateien kontrolliert und gegebenenfalls deaktiviert werden. Nach Behebung der gemeldeten Fehler kann die Berechnung ein weiteres Mal ausgeführt werden. Sind alle nötigen Näherungswerte in ausreichender Genauigkeit vorhanden, kann die Ausgleichungsrechnung CAP gestartet werden. Nach Beendigung der durchgeführten Iterationen wird eine Zusammenfassung der Ergebnisse angezeigt (Abb. 2.15).
Abb. 2.15: Ergebnis der Bündelausgleichung (im Beispiel mit Ausreißern)
Um mögliche Ausreißer (grobe Fehler) in den Messdaten zu lokalisieren, bedient sich CAP des Data-Snoopings nach Baarda (1968) [Fröhlich 2003]. Hierbei werden die normierten Verbesserungen NVi (Formel 2.1) der Beobachtungen mit einem aus der gewählten Irrtumswahrscheinlichkeit resultierenden Grenzwert k verglichen.
NVi
vi V vi (a priori)
(Formel 2.1)
19
Photogrammetrische Systeme
Überschreitet der Testwert NVi den Testwert k, handelt es sich vermutlich um einen Ausreißer. Dabei setzt der Baarda-Test voraus, dass theoretisch nur ein grober Fehler im Datenmaterial existiert. Treten mehrere Überschreitungen von k auf, sind die Berechnungen (Ausgleichung und DataSnooping) nach Eliminierung des Ausreißers zu wiederholen [Landesvermessungsamt NRW 1999]. Aufgrund von „Verschmierungseffekten“ grober Fehler auf weitere Beobachtungen in der L2-Norm-Methode (Methode der kleinsten Quadrate), sollten zunächst die Ausreißer mit dem höchsten Testwert ausgeschaltet werden. Unter dem Menüpunkt Edit ĺ Bundle measurement ĺ Blunders werden dem CAP-Anwender die lokalisierten Ausreißer angezeigt (Abb. 2.16). Diese können hier manuell deaktiviert oder deren Einfluss auf die Ausgleichung durch Re-Gewichtung kann verringert werden. Die manuelle Deaktivierung von Ausreißern muss wiederholt werden bis der Datensatz frei von groben Fehlern ist (Abb. 2.17). Die Bündelausgleichung ist an dieser Stelle abgeschlossen.
Abb. 2.16: Liste grober Fehler, sortiert nach Testwert
20
Photogrammetrische Systeme
Abb. 2.17: Abschließendes Ergebnis der Bündelausgleichung (nach Elimination der Ausreißer)
2.3.3 Ergebnisse Als Ergebnis der Bündelblockausgleichung liefert das Programm je nach Konfiguration folgende Ausgabedaten:
x
Berechnungsprotokoll mit statistischer Auswertung
x
ausgeglichene Objektkoordinaten
x
ausgeglichene Äußere Orientierung
x
ausgeglichene Innere Orientierung
Die Daten werden unter dem vom Anwender gewählten Dateinamen (Abb. 2.18) im Projektverzeichnis abgespeichert.
21
Photogrammetrische Systeme
Abb. 2.18: CAP Ausgabedateien
2.3.4 Handhabung und Fazit CAP
ist
ein
sehr
transparentes
Programm
mit
weitreichenden
Konfigurationsmöglichkeiten. So kann z. B. von der Benennung der Inputund Output-Files bis hin zur Wahl des Parametersatzes der Inneren Orientierung (Abb. 2.19) das System in nahezu allen Bereichen an die Bedürfnisse des Anwenders angepasst werden. Dem geübten Anwender ermöglichen diese tief greifenden Konfigurationsmöglichkeiten, die Bündelausgleichung weitest gehend zu steuern und nachzuvollziehen.
Abb. 2.19: Wahl des Parametersatzes für die Innere Orientierung
22
Photogrammetrische Systeme
Einem ungeübten Anwender wird hier zu viel abverlangt. Nicht zuletzt aufgrund des 20-jährigen Bestehens von CAP beschränkt sich der Automatisierungsgrad auf das Nötigste. Hierdurch verkompliziert und verlängert sich der Arbeitsprozess für einen unerfahrenen Anwender erheblich. Auch die Visualisierung der Ergebnisse ist mit CAP leider nicht ausreichend realisiert. Unter View ĺ CAP results (graphically) steht eine grafische Darstellung zwar zur Verfügung, diese Funktion (als DOS-Applikation erstellt) schließt sich nach wenigen Klicks allerdings von alleine. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass CAP für einen geübten Anwender
ein
leistungsfähiges,
ergebnisorientiertes
und
transparentes
Programm zur dreidimensionalen Punktbestimmung durch kombinierte Bündelausgleichung photogrammetrischer und geodätischer Beobachtungen ist.
2.4
AICON 3D Studio
Das Programm AICON 3D Studio von AICON 3D Systems GmbH, Braunschweig ist eine moderne Auswertesoftware für verschiedenste 3D Messsensoren. Es bietet, neben der Bildmessung und deren Auswertung, auch die Möglichkeit der Datenanalyse. So können zum Beispiel Deformationsanalysen durchgeführt oder Geometrien aus den dreidimensionalen Koordinaten abgeleitet werden [AICON 3D Systems 2009].
2.4.1 Eingangsdaten AICON 3D Studio benötigt folgende Informationen zur photogrammetrischen Bestimmung von 3D Koordinaten:
x
Messbilder
x
Näherungswerte der Inneren Orientierung
x
Koordinaten des Referenzkörpers
Informationen über einen Referenzkörper sind zwingend erforderlich. Sie legen das Datum, sprich das Koordinatensystem des Bildverbandes, fest. Hierbei ist es nicht entscheidend, ob diese Information tatsächlich über einen 23
Photogrammetrische Systeme
Referenzkörper in das System eingeführt wird oder bekannte Passpunkte, die systemintern als Referenzkörper definiert werden, zur Datumsfestlegung dienen. Steht z. B. ein Referenzkreuz zur Verfügung, bietet dieses den Vorteil, dass zusätzliche geodätische Messungen zur Bestimmung von Passpunkten entfallen und gleichzeitig ein Maßstab in die Berechnung eingeführt werden kann.
2.4.2 Arbeitsablauf Unter dem Menüpunkt Bearbeiten ĺ Hinzufügen ĺ DPA-Messung kann eine neue Messung zu einem Projekt hinzugefügt werden. Nach der Vergabe eines Projektnamens kann nun eine bestehende Vorlage gewählt oder ein neues Template erstellt werden (Abb. 2.20). Hier werden folgende Programmkonfigurationen festgelegt:
x
Kameraparameter (Abb. 2.21)
x
Referenzinformationen
x
Parameter der Bildkoordinatenmessung
Abb. 2.20: Wahl der Vorlage für Kameraparameter, Referenzinformationen und Parameter der Bildkoordinatenmessung
24
Photogrammetrische Systeme
Durch Platzieren von Fähnchen, während der Eingabe der Kamera, können die Parameter der Inneren Orientierung ausgewählt werden, die an der Ausgleichung teilnehmen sollen. Eine nachträgliche Bearbeitung der Templates ist nur sehr eingeschränkt möglich. Daher ist eine sorgfältige Eingabe der Konfiguration sehr wichtig.
Abb. 2.21: Eingabemaske für die Innere Orientierung
Die folgende Benennung der Messung bietet die Option, einem Template mehrere Messungen zu zuweisen. Eine Änderung der Parameter zur Bildmessung ist im nächsten Schritt letztmalig möglich. Hier können zum Beispiel Kontrast, Parameter des Ellipsenoperators, oder die Mindestanzahl der Strahlen eines Punktes vor der Ausgleichung festgelegt werden. Nach der anschließenden Bildauswahl beginnt die vollautomatische Auswertung des Datensatzes. In dieser Phase hat der Anwender keine Möglichkeit, in den Arbeitsablauf von Bildmessung, Orientierung und Blockausgleichung einzugreifen. Der Anwender kann diese Arbeitsschritte aber simultan am Bildschirm verfolgen. Die Orientierung des Bildverbandes wird mit Kamerapositionen, Objektpunkten und Maßstäben visualisiert. Erfolgreich orientierte Bilder werden hier in einer Statusbar grün hinterlegt (Abb. 2.22).
25
Photogrammetrische Systeme
Abb. 2.22: Äußere Orientierung des Bildverbandes
Abb. 2.23: Arbeitsoberfläche in AICON 3D Studio
26
Photogrammetrische Systeme
Die photogrammetrische Bestimmung der 3D Koordinaten ist an dieser Stelle abgeschlossen. AICON 3D Studio bietet hier die Möglichkeit, eine Analyse der Daten anzuschließen. Neben den Analysetools Verformung und Spaltmaß können unter dem Menüpunkt Analyse ĺ Geometrie auch Geometrieelemente (z. B. Ebenen, Kreise, Zylinder, Abstände und Winkel) aus den Daten abgeleitet werden.
2.4.3 Ergebnisse Folgende Ergebnisse werden in einem Protokoll festgehalten und im Projektverzeichnis abgespeichert:
x
Bildkoordinaten
x
ausgeglichene Innere Orientierung
x
ausgeglichene Äußere Orientierung
x
ausgeglichene Objektkoordinaten
2.4.4 Handhabung und Fazit AICON 3D Studio ist eine moderne Auswertesoftware zur 3D Punktmessung mit weitreichenden Analysemöglichkeiten. Der Anwender kann neben der 3D Punktbestimmung aus den berechneten Daten Verformungen, Spaltmaße und Geometrien ableiten. Der Arbeitsablauf ist klar strukturiert, der Anwender wird chronologisch durch die nötigen Arbeitsschritte geführt und Zwischen- sowie Endergebnisse werden in anschaulicher Weise dreidimensional visualisiert (Abb. 2.23). Besonders
herauszustellen
ist
der
hohe
Automatisierungsgrad
des
Programms. So beschränkt sich die Arbeit des Anwenders auf die Konfiguration des Programms. Bildkoordinatenmessung, Orientierung und Ausgleichung laufen voll automatisch. Auch der zeitliche Aufwand einer solchen Auswertung ist sehr gering. Für die Auswertung eines Bildverbandes mit 81 Bildern benötigt AICON 3D Studio lediglich ca. sechs Minuten. Einem ungeübten Anwender kommt dieser hohe Automatisierungsgrad zugute. Eine Auswertung ist schon nach kurzer Einführung in die Software möglich. Der Fachanwender könnte allerdings eine gewisse Transparenz des Programms
27
Photogrammetrische Systeme
vermissen. Möglichkeiten, in den Berechnungsablauf einzugreifen oder das Template nachträglich zu editieren, bietet AICON 3D Studio nicht. Des Weiteren ist der Anwender stark in seiner Messkonfiguration eingeschränkt. So werden ein Referenzkörper und AICON-Targets vorausgesetzt. Eine Auswertung ohne Angaben zu einem Referenzkörper ist, ebenso wie eine automatisierte Punktmessung anders codierter Punkte, nicht möglich. Grund hierfür könnte sein, dass die Herstellerfirma AICON 3D Systems die Auswertesoftware im Paket mit einer Kamera, Referenzkörpern und Targets als mobiles 3D Industriemesssystem DPAPro anbietet. Die Einbindung fremder Produkte scheint hier unerwünscht. Ein weiterer Kritikpunkt ist die Tatsache, dass Maßstäbe zunächst automatisch mit einer Standardabweichung von 0,01 [mm] eingeführt werden. Erst
nach
Beendigung
der
Ausgleichung
kann
diese
unter
DPAPro ĺ Bearbeiten der Maßstäbe individuell geändert werden, was eine erneute Ausgleichung des Datensatzes erforderlich macht. Zusammenfassend lässt sich AICON 3D Studio als eine moderne, leistungsfähige 3D Auswertesoftware beschreiben, die auch ungeübten Anwendern die Auswertung komplexer photogrammetrischer Messungen ermöglicht.
28
VDI/VDE Richtlinie 2634 Blatt 1
3
VDI/VDE Richtlinie 2634
Richtlinien
und
Normen
legen
durch
Vereinheitlichungen
und
Standardisierungen für allgemeine und wiederkehrende Anwendungen Regeln, Leitlinien oder Merkmale für Tätigkeiten oder Ergebnisse fest. Durch die Standardisierung bieten sie die Möglichkeit, gleichartige Prozesse miteinander zu vergleichen und zu bewerten. Aus diesem Grund bilden allgemein anerkannte Normen und Richtlinien einen wichtigen Bestandteil der Wirtschaft und im Speziellen der Vermessung. Optische 3D Messsysteme werden als universelle Mess- und Prüfgeräte eingesetzt. Jeder Betreiber muss daher sicher sein, dass das eingesetzte Messsystem
die
geforderte
Leistung,
sprich
Genauigkeit
erbringt
[VDI/VDE 2002]. Diese Leistung wird in der VDI/VDE Richtlinie 2634 anhand folgender Kenngrößen überprüft:
x
Die Längenmessabweichung E ergibt sich aus der Differenz zwischen einer gemessenen und kalibrierten räumlichen Länge eines Maßstabes.
x
Die Antastabweichung R ist die Spanne der radialen Abstände der Messpunkte von einer Ausgleichskugel
x
Die Kugelabstandsabweichung SD ergibt sich aus der Differenz zwischen dem gemessenen und kalibrierten Wert eines Abstands zweier Kugelmittelpunkte. Als Prüfkörper werden hier Körper mit kugelförmigen Antastformelementen (z. B. hantelförmig) mit diffus streuendem Oberflächenmaterial verwendet.
x
Die Ebenheitsmessabweichung RE ist die Spanne der vorzeichenbehafteten Abstände der Messpunkte von der Ausgleichungsebene.
x
Die Kenngröße Antastabweichung (Form) PF ist die Spanne der radialen Abstände der Messpunkte von einer berechneten Ausgleichskugel. Als Prüfkörper dient hier eine Kugel mit diffus streuender Oberfläche. 29
VDI/VDE Richtlinie 2634 Blatt 1
x
Die Antastabweichung (Maß) PS ergibt sich aus der Differenz des gemessenen zum kalibrierten Durchmessers der Kugel. Als Prüfkörper dient hier ebenfalls eine Kugel mit diffus streuender Oberfläche.
Die oben beschriebenen Kenngrößen sind jeweils an das zu überprüfende Messsystem angepasst. So findet die Überprüfung eines Messsystems nicht anhand aller sondern dem Messsystem entsprechender Kenngrößen statt.
Im Folgenden sind diese Kenngrößen, dem jeweiligen Messsystem zugewiesen, dargestellt.
x
Bildgebende Systeme mit punktförmiger Antastung (VDI/VDE 2634 Blatt 1) o Längenmessabweichung E
x
Bildgebende Systeme mit flächenhafter Antastung (VDI/VDE 2634 Blatt 2) o Antastabweichung R o Kugelabstandsabweichung SD o Ebenheitsmessabweichung RE
x
Bildgebende Systeme mit flächenhafter Antastung in mehreren Einzelansichten (VDI/VDE 2634 Blatt 3) o Antastabweichung (Form) PF o Antastabweichung (Maß) PS o Kugelabstandsabweichung SD o Längenmessabweichung E
Da für die Messung der vorliegenden Untersuchung Messsysteme mit punktförmiger Antastung eingesetzt werden, wird nachfolgend näher auf das Blatt 1 der VDI/VDE Richtlinie 2634 eingegangen.
30
VDI/VDE Richtlinie 2634 Blatt 1
3.1
Geltungsbereich
Die VDI/VDE Richtlinie 2634 Blatt 1 beschäftigt sich mit der Genauigkeit von optischen 3D Messsystemen mit einem oder mehreren bildgebenden Messköpfen, die nach dem Triangulationsprinzip arbeiten. Abnahme und Überwachung der vom Hersteller angegebenen Messgenauigkeit sind nur dann sinnvoll und aussagekräftig, wenn vergleichbare Abnahmekriterien zugrunde liegen. Diese Kriterien werden in der Richtlinie 2634 Blatt 1 des VDI/VDE aufgestellt und beschrieben. Erarbeitet
wurde
die
Richtlinie
im
Fachausschuss
„Optische
3D-
Messtechnik“ der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) gemeinsam mit dem Arbeitskreis „Nahbereichsphotogrammetrie“ der Deutschen Gesellschaft für Photogrammetrie, Fernerkundung und Geoinformation e.V. (DGPF). Publiziert wird die Direktive vom Verein Deutscher Ingenieure e.V. (VDI) und kann durch die Beuth Verlag GmbH, Berlin in gedruckter Form oder als PDF Dokument bezogen werden [www.vdi.de 2009, www.mybeuth.de 2009].
3.2
Prinzip der Abnahme und Überwachung von Messsystemen
Um die Genauigkeit konkurrierender Messsysteme beurteilen zu können, werden die bereits beschriebenen Kenngrößen festgelegt. Ihr Wert ist abhängig von Betriebsart (Einstellung und Konfiguration des Geräts) und Betriebsbedingungen (äußere Einflüsse auf das Messsystem) und wird im Falle der VDI/VDE Richtlinie 2634 Blatt 1 durch die maximal zulässige Längenmessabweichung E beschrieben. Zur Bestimmung der tatsächlichen Längenmessabweichung ǻl werden die räumlichen Längen kalibrierter Prüfkörper lk mit deren Istmaßen lm verglichen ( 'l
lm lk
). Die Messung der Prüfkörper muss hierbei nach dem gleichen
Prinzip erfolgen, wie bei einer realen Messung. Des Weiteren müssen die Umgebungsbedingungen denen des 3D Messsystems entsprechen. Die Prüfkörper sollen mit einer Unsicherheit von weniger als 1/5 der vom Hersteller angegebenen maximal zulässigen Längenmessabweichung des 3D Messsystems bekannt sein und eine stabile Lage aufweisen. Außerdem soll ihre Temperatur der des Messvolumens entsprechen.
31
VDI/VDE Richtlinie 2634 Blatt 1
Der Unterschied zwischen Abnahme und Überwachung liegt darin, dass bei der Überwachung die Kenngröße vom Betreiber, entsprechend seiner Anforderungen, festgelegt werden kann. Außerdem kann hier die Anzahl der Messlinien und Testlängen reduziert werden. Nach Abschluss der Abnahme durch den Hersteller ist ein Protokoll zu erstellen.
3.3
Durchführung und Auswertung
Für die Abnahme und Überprüfung wird ein Messvolumen von 2000 * 2000 *1500 [mm] (Länge, Tiefe, Höhe) empfohlen. Je Messlinie müssen mindestens fünf Testlängen überprüft werden. Die längste Testlänge einer Messlinie muss mindestens dem Maß der kürzesten Seitenlänge des Messvolumens entsprechen. Die größte zu prüfende Länge sollte außerdem mindestens 2/3 der Länge der Raumdiagonalen des Messvolumens messen. Sind keine passenden Prüfkörper vorhanden, sind auch sich überlappende Prüfkörper zulässig. Abb.
3.1:
Empfehlung
für die Anordnung der Messlinien
Das Kriterium für das Bestehen nahme
der
bzw.
AbÜber-
wachung ist die festgelegte Diese
Kenngröße. gilt
als
ein-
gehalten, wenn keine Längenmessabweichung
ǻl
die
maximal
zulässige
Längenmessab-
weichung E betragsmäßig überschreitet. Treten bei maximal einer Messlinie Überschreitungen auf, dürfen alle Testlängen in dieser Messlinie einmal neu gemessen werden. Treten auch hier Überschreitungen auf, gilt die Abnahme als nicht bestanden. Bei der Überwachung muss in diesem Fall das Messsystem als nur bedingt einsatzfähig gekennzeichnet werden [VDI/VDE 2002]. 32
Aufnahmesysteme
4
Aufnahmesysteme
Bei der Messung kommen fünf Digitalkameras zum Einsatz. Es wird bewusst mit verschiedenen digitalen Kameratypen gearbeitet, um mögliche Unterschiede in Genauigkeit und Praktikabilität nachzuweisen. So wird mit zwei Spiegelreflexkameras (Nikon D2Xs), einer Messkamera (Rollei D7), einer kleinformatigen Consumer-Kamera (Canon IXUS 75) und einer Handykamera (Nokia N73) gemessen (Abb. 4.1 - Abb. 4.4).
Abb. 4.1: Nikon D2Xs
Abb. 4.3: Rollei D7
Abb. 4.2: Canon IXUS 75
Abb. 4.4: Nokia N73
33
Aufnahmesysteme
4.1
Technische Daten und Einstellungen
4.1.1 Nikon D2Xs (INVERS)
Kameratyp:
Digitale Spiegelreflexkamera
Auflösung:
4288 * 2848 [Pixel]
Sensor:
CMOS-Sensor, Größe: 23,7 * 15,7 [mm]
Pixelgröße:
5,5 ȝm
Brennweite:
20 [mm]
Belichtungszeit:
1/125 [sec.]
Blende:
2,8
Empfindlichkeit:
ISO 200
Farbbereich:
s/w
Beleuchtung:
Ringblitz
4.1.2 Nikon D2Xs (Hochschule Bochum)
Kameradaten wie 4.1.2, jedoch Brennweite: 18 [mm]
4.1.3 Rollei D7 metric
Kameratyp:
Digitale Spiegelreflexkamera
Auflösung:
2552 * 1920 [Pixel]
Sensor:
2/3’’ CCD-Chip, Größe: 8,8 * 6,6 [mm]
Pixelgröße:
3,4 ȝm
Brennweite:
7 [mm] (entsprechend 35 [mm] bei Kleinbild)
Belichtungszeit:
1/125 [sec.]
Blende:
5,6
Empfindlichkeit:
ISO 100
Farbbereich:
color
Beleuchtung:
integrierter Blitz (abgedunkelt)
34
Aufnahmesysteme
4.1.4 Canon IXUS 75
Kameratyp:
Digitalkamera
Auflösung:
3072 * 2304 Pixel
Sensor:
1/2,5’’ CCD-Sensor, Größe: 5,76 * 4,3 [mm]
Pixelgröße:
1,8 ȝm
Brennweite:
5,8 [mm] (entsprechend 35 [mm] Kleinbild)
Belichtungszeit:
1/60 [sec.]
Blende:
2,8
Empfindlichkeit:
ISO 200
Farbbereich:
s/w
Beleuchtung:
integrierter Blitz (abgedunkelt)
4.1.5 Nokia N73
Kameratyp:
Digitale Handykamera
Auflösung:
2048 * 1536 [Pixel]
Sensor:
1/2,5’’CMOS-Sensor, Größe: 5,76* 4,3 [mm] *
Pixelgröße:
2,8 ȝm
Brennweite:
5,6 [mm]
Belichtungszeit:
1/111 [sec.]
Blende:
2,8
Empfindlichkeit:
ISO 100
Farbbereich:
s/w
Beleuchtung:
integrierter Blitz (abgedunkelt)
35
Prüfkörper und Aufnahmesituation
5 5.1
Prüfkörper und Aufnahmesituation Prüfkörper
Das zu messende Objekt (Abb. 5.1) ist ein Nachbau eines Bauteils aus einem Walzwerk der Thyssen Krupp AG. Im Vergleich zur massiven Bauweise des originalen Bauteils ist das zu messende Objekt eine Gitterrahmenkonstruktion. Die matt weiß lackierte Rahmenkonstruktion misst ca. 1,6 * 0,7 *0,7 m (Breite, Höhe, Tiefe).
Abb. 5.1: Prüfkörper der Firma INVERS
5.2
Aufnahmesituation
Die Aufnahme des Prüfkörpers findet in den Geschäftsräumen der Firma INVERS - Industrievermessung & Systeme, Essen statt. Um das Objekt sowohl auf Höhe der Objektmitte als auch konvergent von unten aufzunehmen zu können, wird die Rahmenkonstruktion auf einem Tisch positioniert (Abb. 5.1). Trotz der erhöhten Position bleibt die Lage des Prüfkörpers stabil. Des Weiteren herrschen während der Aufnahme, trotz natürlicher Beleuchtung, konstante Lichtverhältnisse.
36
Prüfkörper und Aufnahmesituation
5.3
Signalisierung
In vielen Anwendungen muss der Messkörper künstlich signalisiert werden. Notwendig wird dies zum Beispiel durch unzureichend identifizierbare natürliche Objektpunkte und durch ungenügende Beleuchtung zur automatisierten Punktmessung und zur Steigerung der Bildmessgenauigkeit [Przybilla 2008]. Zur Signalisierung des Objektes werden im vorliegenden Fall codierte und uncodierte retroreflektierende Targets kreisrunder Form verwendet (Abb. 5.2). Ihr radial-symmetrischer Aufbau macht die Bestimmung des Mittelpunktes rotations- und in weiten Bereichen auch maßstabsinvariant. Durch den Einsatz von Retrofolie wird eine Messung der Zielmarken schon bei geringer Beleuchtung möglich. Überbelichtung führt allerdings zu unscharfen Abbildungen des Zielmarkenrandes, was eine solche Abbildung für die Bildpunktmessung unbrauchbar macht. Die Beleuchtung der Retrotargets muss aus der Aufnahmerichtung erfolgen. Nur so kann das von den Targets reflektierte Licht parallaxenfrei von der Kamera aufgenommen werden. Zur vollautomatischen Punktmessung gehört auch die automatisierte Punktnummernvergabe. Diese wird durch linien-, ring oder flächenhafte Codierung der Targets realisiert. Der um das Zielmarkenzentrum angeordnete Code ermöglicht einen Punktnummernbereich von mehreren hundert Punkten. Die Codierung von Messpunkten muss bestimmten Anforderungen genügen. Sie muss invariant sein gegenüber Lage, Drehung und Größe wie auch gegen perspektive oder affine Verzerrung [Luhmann 2003, Przybilla 2008]. Bei der hier eingesetzten Codierung handelt es sich um eine ringförmige 14-BitCodierung mit einem Punktnummernbereich von 1-516. Die Targets sind magnetisch und können frei an dem Objekt positioniert werden. Insgesamt werden 102 Targets so am Objekt angebracht, dass eine Verknüpfung der Bilder und eine Erfassung der Form des Objektes gewährleistet ist.
37
Prüfkörper und Aufnahmesituation
Folgende Targets stehen zur Verfügung und werden verwendet:
Abb. 5.2: Verwendete Targets (codiert und uncodiert)
Tabelle 5.1: Verwendete Targets
Targettyp
Anzahl
Punktnr.- Bereich
Dicke [mm]
codiert, eckig
40
100 – 150 / 461 - 500
0,1
codiert, rund
30
210 - 239
10,1
codiert, Winkel
24
70 - 93
0,1
uncodiert, rund
8
-
10,0
Abb. 5.3: Winkliges Target mit codierter Messmarke, Höhe ca. 80 [mm]
Neben den Punktnummern ist noch die jeweilige Stärke und bei den winkligen Targets (Abb. 5.3) die Strecke vom Mittelpunkt bis zur Auflagefläche mit einer Genauigkeit von 0,001 [mm] bekannt. Um weitere bekannte Größen in die Messung einfließen zu lassen und den Vorgaben der VDI/VDE Richtlinie 2634 Blatt 1 bestmöglich nachzukommen, werden zusätzlich acht bekannte Maßstäbe (Beispiel: Abb. 5.4) eingesetzt.
Abb. 5.4: Kohlefasermaßstab mit codierten Targets, Länge ca. 900 mm
38
Prüfkörper und Aufnahmesituation
Die Kohlefasermaßstäbe liefern jeweils drei bekannte Strecken. Diese sind mit einer Genauigkeit von 0,02 [mm] durch die Materialprüfanstalt für Werkstoffe und Produktionstechnik (MPA) Hannover kalibriert. Durchgeführt ist die Überprüfung nach dem Kalibrierverfahren nach VDI/VDE/DGQ Richtlinie 2618 Blatt 1. Tabelle 5.2: Verwendete Maßstäbe
Maßstabtyp
Anzahl
Punktnr.- Bereich
ca. Länge [mm]
groß
6
10 – 45 / 151 - 162
895
klein
2
50 - 65
595
Abb. 5.5: Signalisiertes Testobjekt
5.3.1 Aufnahmekonfiguration Um das Objekt vollständig und mit ausreichender Überlappung aufzunehmen, wird pro Kamera ein Rundumverband auf Höhe der Objektmitte mit je 27 Aufnahmen gemessen. Mit den beiden Nikon Kamerasystemen werden die Bildverbände um zwei weitere Rundumverbände ergänzt. So wird neben 39
Prüfkörper und Aufnahmesituation
dem mittig aufgenommenen Rundumverband ein zweiter geneigt von unten und ein dritter Verband geneigt von oberhalb des Objektes mit jeweils 27 Bildern aufgenommen (Abb. 5.6). Dabei werden jeweils 24 Bilder in Normallage und drei verkantete (90°, 180°, 270°) Aufnahmen gemacht.
Abb. 5.6: Rundumverband mit insgesamt 81 Aufnahmen (Darstellung aus der Software AICON 3D Studio)
Um die Bedingungen bei den Aufnahmen möglichst stabil zu halten, werden einerseits die drei Bildverbände pro Kamera ohne Unterbrechung gemessen, andererseits die Aufnahmepositionen auf dem Boden markiert. Die Aufnahmen werden möglichst formatfüllend und mit einer ausreichenden Anzahl an Verknüpfungspunkten aufgenommen. Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Aufnahme ist die Belichtung der Messbilder. Da retroreflektierende Targets zum Einsatz kommen, sind die Bilder so aufzunehmen, dass die Targets nicht überbelichtet und somit überstrahlt abgebildet werden. Targets überbelichteter Aufnahmen können bei der anschließenden Bildverarbeitung nicht gemessen werden. Aus diesem Grund ist es dringend erforderlich, Testaufnahmen anzufertigen, um die passenden Einstellungen für die herrschenden Lichtverhältnisse zu finden. 40
Vergleiche
6
Vergleiche
6.1
Vergleich der eingesetzten Kamerasysteme
Im Folgenden sollen die eingesetzten Kamerasysteme in Hinblick auf Ihre innere und äußere Genauigkeit verglichen werden. Als Vergleichswerte werden dabei die Standardabweichungen der Parameter der Inneren Orientierung und die gemessenen Objektkoordinaten angenommen.
6.1.1 Parameter der Inneren Orientierung der eingesetzten Kameras Die Parameter der Inneren Orientierung einer Kamera beschreiben in erster Linie die Lage des Projektionszentrums bezogen auf das kamerafeste Bildkoordinatensystem. Ergänzend werden nach Brown (1976) weitere Abweichungen vom mathematischen Modell der Zentralperspektive durch zusätzliche Parameter charakterisiert [Brown 1971, Brown 1976].
Nachfolgend werden die Parameter der Inneren Orientierung aus dem Ansatz nach Brown (1976) dargestellt.
Kamerakonstante c: Lotrechter Abstand des Projektionszentrums zur Bildebene
Bildhauptpunktlage H’: Lotfußpunkt des Projektionszentrums im Bildkoordinatensystem
Bildfehler beschreibende Parameter: o Radial-symmetrische Verzeichnung: Abbildungsfehler, der durch Brechungsänderungen an den Linsen des Objektivs entsteht. Abhängig von der aktuellen Fokussierung,
Aufnahmeentfernung
bei
konstanter
Fokussierung und radialer Entfernung des Bildpunktes zum Bildmittelpunkt. Beschrieben durch die Parameter A1, A2, A3.
41
Vergleiche
o Radial-asymmetrische und tangentiale Verzeichnung: Abbildungsfehler, der vor allem durch Dezentrierung der Linsen im Objektiv verursacht wird. Beschrieben durch die Parameter B1 und B2. o Affinität und Scherung: Abweichungen des Bildkoordinatensystems in Orthogonalität und Gleichmaßstäbigkeit der Koordinatenachsen. Beschrieben durch die Parameter C1 und C2.
Die radial-symmetrische Verzeichnung stellt unter den Abbildungsfehlern den größten Einfluss dar [Przybilla 2008]. Sie beschreibt den Unterschied zwischen der Geometrie der strengen Zentralprojektion und der Geometrie der Kamera. Die Verzeichnung wächst mit zunehmendem Abstand vom Bildhauptpunkt und wird üblicherweise in Form einer Reihenentwicklung dargestellt (Formel 6.1). Da die Parameter der radial-symmetrischen Verzeichnung nummerisch mit dem Bildmaßstab bzw. der Kamerakonstanten korrelieren, wird ein linearer Anteil der Verzeichnungsfunktion zur Vermeidung dieser Korrelation abgespalten (Formel 6.2) [Luhmann 2003].
c 'rrad
A1 r c 3 A2 r c 5 A3 r c 7 ...
c 'rrad
A1 r c 3 A2 r c 5 A3 r c 7 r c( A1 r02 A2 r04 A3 r06 )
Die
radial-asymmetrische
(Formel 6.1)
Verzeichnung
stellt
(Formel 6.2)
gegenüber
der
radial-
symmetrischen Verzeichnung für den überwiegenden Teil von Objektiven hoher Qualität einen deutlich geringeren Einfluss da. So wird sie häufig nur bei hohen Genauigkeitsanforderungen mitbestimmt. Bei dem Einsatz minder qualitativer Objektive ist ihre Bestimmung jedoch auf jeden Fall zu ermitteln. Im Ansatz nach Brown (1971) wird der Anteil der radial-asymmetrischen Verzeichnung durch folgende Formeln beschrieben [Brown 1971]:
42
Vergleiche
'x ctan
B1 ( r c 2 2 x c 2 ) 2 B2 x c y c
(Formel 6.3)
'y ctan
B2 ( r c 2 2 y c 2 ) 2 B1 x c y c
(Formel 6.4)
Affinität und Scherung beschreiben Abweichungen des Bildkoordinatensystems in Bezug auf Orthogonalität und Gleichmaßstäbigkeit. Auch der Anteil dieser beiden Bildfehler beschreibenden Parameter ist deutlich geringer als der der radial-symmetrischen Verzeichnung. Ihr Anteil wird bei analogen Kameras durch eine Affintransformation auf die Rahmenmarken oder ein Réseau eliminiert [Luhmann 2003]. Bei digitalen Aufnahmesystemen können diese Bildfehler durch ungleiche Verteilung der Sensorelemente hervorgerufen werden. Hier ist eine Berechnung ihrer Anteile erforderlich. Zum Ausgleich der Fehler wird nach Brown (1976) folgender Ansatz verwendet [Brown 1976]: c 'x aff
C1 x c C 2 y c
(Formel 6.5)
c 'y aff
0
(Formel 6.6)
Des Weiteren enthält der Ansatz nach Brown (1976) Parameter zur Erfassung von Deformationen in der Bildebene (D1 bis D12) sowie Terme, die Film- oder Sensorunebenheiten (E1 bis E6) beschreiben [Brown 1976]. Diese Parameter wurden speziell für großformatige analoge Luftbildkameras entwickelt und finden in der vorliegenden Untersuchung keine Berücksichtigung. Heutzutage kommen in der industriellen Messtechnik vermehrt handelsübliche hochauflösende Digitalkameras zum Einsatz. Um der Instabilität der eingesetzten Kameras entgegen zu wirken, wird ein Kameramodell mit bildvariable Bildfehler beschreibenden Parametern eingeführt [Luhmann et al. 2004]. Die Erweiterung des herkömmlichen Ansatzes bewirkt drei weitere Parameter in der Kollinearitätsgleichung. Sie beschreiben die Veränderung der Kamerakonstanten und die Verschiebung des Bildhauptpunktes (Formel 6.7). Des Weiteren werden bei diesem Ansatz durch die Einführung eines stützpunktbezogenen,
rasterförmigen
Korrekturgitters
etwaige
Sensor43
Vergleiche
ungenauigkeiten und Linsenfehler berücksichtigt, die andere Kameramodelle nicht erfassen. Außerdem ermöglicht dieses Korrekturgitter die Modellierung des Sensors und dessen Unebenheiten. Untersuchungen durch Luhmann et al. (2004) zeigen, dass durch den Einsatz des erweiterten Kameramodells Genauigkeitssteigerungen erzielt werden können, die den Einsatz handelsüblicher hochauflösender Digitalkameras im Bereich der industriellen Messtechnik möglich machen [Luhmann et al. 2004].
xc (xc 'xic) (c 'c)
r11(Xp X0) r21(Yp Y0) r31(Zp Z0) r13(Xp X0) r23(Yp Y0) r33(Zp Z0)
dxc ...'ci , 'xic, 'yic (Formel 6.7)
r12(Xp X0) r22(Yp Y0) r32(Zp Z0) dyc ...'ci , 'xic, 'yic yc (yc 'yic) (c 'c) r13(Xp X0) r23(Yp Y0) r33(Zp Z0)
Die Parameter der Inneren Orientierung werden im Zuge der Kamerakalibrierung bestimmt. In der vorliegenden Untersuchung wird diese als Simultankalibrierung innerhalb der Bündelblockausgleichung durchgeführt. Nachfolgend werden die Parameter der Inneren Orientierung aus der Auswertung mit AICON 3D Studio aufgelistet und anhand des Beispiels Nikon D2Xs 18mm (HS Bochum) visualisiert. Tabelle 6.1: Parameter der Inneren Orientierung aus der Auswertung mit AICON 3D Studio, Teil 1
Nikon D2Xs 18mm C [mm] xH [mm] yH [mm] R0 [mm] A1 A2 A3 B1 B2 C1 C2
18,2400 -0,0330 -0,2124 9,5 0,00030423 0,00000088 -0,000000001 -0,00000652 -0,00003111 0,00151154 0,00004380
Nikon D2Xs 20mm 20,2807 -0,1326 -0,2216 9,5 -0,00029079 0,00000080 -0,000000001 -0,00001412 0,00000681 0,00258050 0,00002033
Rollei D7 7,2281 -0,0409 0,1978 3,7 -0,00263358 0,00006187 -0,000000370 0,00009598 -0,00002500 0,00314811 0,00020920 44
Vergleiche
Tabelle 6.2: Parameter der Inneren Orientierung aus der Auswertung mit AICON 3D Studio, Teil 2
Canon IXUS 75 C [mm] xH [mm] yH [mm] R0 [mm] A1 A2 A3 B1 B2 C1 C2
5,7260 -0,0868 -0,0280 2,4 -0,00514841 0,00025327 -0,000003990 -0,00002428 -0,00009660 0,00454921 0,00000168
Nokia N73 5,7843 -0,0758 -0,0130 2,4 0,00967185 -0,00137731 0,000068950 0,00013653 0,00006334 0,00476908 0,00027667
Die grafische Darstellung der Verzeichnungen erfolgt mit Hilfe der Programme Distorsion (radial-symmetrische Verzeichnung) und Decentering Distorsion (radial-asymmetrische Verzeichnung) von Dipl.-Ing. Rainer Brechtken.
Abb. 6.1: Radial-symmetrische Verzeichnung der Kamera Nikon D2Xs 18mm der HS Bochum aus der Berechnung mit AICON 3D Studio
45
Vergleiche
Abb. 6.2: Radial-asymmetrische Verzeichnung der Kamera Nikon D2Xs 18mm der HS Bochum, aus der Auswertung mit AICON 3D Studio. (Abbildung der gesamten Sensorgröße (23,7 * 15,7 [mm]), Darstellung der Verzeichnungswerte 100-fach überhöht, max. Verzeichnung 11,0 [ȝm])
6.1.2 Vergleich der Standardabweichungen der Parameter der Inneren Orientierung aus AICON 3D Studio Um eine Aussage über die innere Genauigkeit und Stabilität der Kamerasysteme für den Zeitraum der Messung des Bildverbandes treffen zu können, werden die Standardabweichungen der Parameter der Inneren Orientierung aus der Auswertung mit AICON 3D Studio ausgewertet und miteinander verglichen. AICON 3D Studio bietet die Möglichkeit, folgende Parameter der Inneren Orientierung zu kalibrieren:
Kamerakonstante c
Bildhauptpunktlage xH, yH
Radial-symmetrische Verzeichnung A1, A2, A3.
Radial-asymmetrische und tangentiale Verzeichnung B1, B2
Affinität und Scherung C1, C2
46
Vergleiche e
Standardabwe eichungen der d Kamerakonstante und u des Bildhauptpunktes s 0 0,8 0 0,7
Wert [ȝm]
0 0,6 0 0,5 0 0,4 0 0,3 0 0,2 0 0,1 0 KamerrakonstanteC
Bildhauptp punktlageXH Bildhauptpun nktlageYH
NikonD2Xs18m mm
0,2
0 0,4
0,4
NikonD2Xs20m mm
0,2
0 0,6
0,6
Ro olleiD7
0,3
0 0,6
0,7
CaanonIXUS75
0,3
0 0,5
0,5
No okiaN73
0,2
0 0,6
0,6
Abb. 6..3: Standard dabweichun ngen der Ka amerakonsttante und d der Bildhaup ptpunktlage e aus derr Auswertun ng mit AICO ON 3D Studio o
Standardabweichung *1000
Standarda abweichung des radial-s symmetrisc chen V Verzeichnun ngsparamete ers A1 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00048
0 0,00047
0,00
ParameteerA1(*1000) NikonD2Xs18m mm
0,0 00048
NikonD2Xs20m mm
0,0 00047
Ro olleiD7
0,0 00873
CaanonIXUS75
0,0 02088
No okiaN73
0,1 10130
Abb. 6..4: Standard dabweichun ng des radiial-symmetrrischen Verzzeichnungs sparameters s A1 aus der Auswerrtung mit AIICON 3D Stu udio
47 7
Vergleiche e
Standardab bweichung der radial-a asymmetrisc chen Verzzeichnungsp parameter B B1 und B2 Standardabweichung*1000
0,035 0,030 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 0,000
P ParameterB1(*1000)
ParameterB2(*10 000)
N NikonD2Xs18 8mm
0,0004 42
0,00030
N NikonD2Xs20 0mm
0,0004 42
0,00029
R RolleiD7
0,0032 23
0,00215
CanonIXUS75 C 5
0,0048 83
0,00323
NokiaN73 N
0,0315 55
0,02314
Abb. 6.5: Standarrdabweichun ng der radial-asymmettrischen Ve erzeichnung gsparameterr ng mit AICON N 3D Studio o B1 und B2 aus derr Auswertun
Standard dabweichun ng der Affinitäts- und O Orthogonalitä ätsparamete er C1 und C2
Standardabweichung*1000
0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0
P ParameterC1 (*1000)
ParaameterC2(*1 1000)
NikonD2Xs18m mm
0,00665 5
0,00579
NikonD2Xs20m mm
0,00694 4
0,00612
Ro olleiD7
0,02014 4
0,01989
CaanonIXUS75
0,01920 0
0,01631
No okiaN73
0,08401 1
0,08189
dabweichun ng der Affin nitäts- und Orthogonal O itätsparame eter C1 und d Abb. 6..6: Standard C2 aus der Auswerrtung mit AIICON 3D Stu udio
48 8
Vergleiche
Die Auswertung der Standardabweichungen der Parameter der Inneren Orientierung zeigt, dass sich die Ergebnisse in drei Gruppen unterteilen. Während sich die Standardabweichungen der Kamerakonstante C und der Bildhauptpunktlage xH, yH noch homogen verhalten (Abb. 6.3), treten bei den Verzeichnungsparametern der radial-symmetrischen Verzeichnung (Abb. 6.4), der radial-asymmetrischen Verzeichnung (Abb. 6.5) wie auch bei den Parametern Affinität und Orthogonalität (Abb. 6.6) deutliche Unterschiede auf. In der ersten Gruppe weisen die beiden Nikon D2Xs Kameras mit sehr geringen Standardabweichungen die weitaus geringsten Werte auf. Die Canon IXUS 75 bildet mit der Rollei D7 die zweite Gruppe. Mit Varianzen, die maximal um den Faktor 40 gegenüber den Nikon Kameras abweichen, liefern sie deutlich schlechtere aber akzeptable Ergebnisse. Das Kamerasystem des Nokia N73 findet sich in der dritten Gruppe wieder. Die hier ermittelten Standardabweichungen weichen extrem von den Ergebnissen der anderen Kameras ab. Am deutlichsten zeigt sich das beim radialsymmetrischen Verzeichnungsparameter A1. Hier unterscheiden sich die Varianzen gegenüber den Nikon Systemen ca. um den Faktor 200. Schon hier zeigt sich, dass die Genauigkeit einer photogrammetrischen Messung mit dem Nokia N73 vermutlich nicht zu erreichen ist. Der Grund für die hohen Standardabweichungen liegt vermutlich darin, dass der Autofokus des Nokia N73 nicht zu deaktivieren ist. Die Auswirkungen dieser varianten Optik werden sich schon im Vergleich der Objektkoordinaten und auch im Absolutvergleich nach VDI/VDE Richtlinie 2634 Blatt 1 zeigen. Der deutliche Abstand der beiden Nikon D2Xs zu den anderen Kamerasystemen liegt vermutlich zum Einen in den Qualitätsunterschieden der eingesetzten Aufnahmesysteme und zum Anderen in der Anzahl der Bilder in den jeweiligen Bildverbänden begründet. So beinhalten die Bildverbände der Nikon Kameras, die einer Testsituation Rechnung tragen, dreimal soviel Bilder wie die Bildverbände der übrigen Kameras. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mit Ausnahme des Nokia N73 alle Kameras für den Zeitraum der Aufnahme eine gute Stabilität der Inneren Orientierung aufweisen.
49
Vergleiche
6.1.3 Vergleich der Objektkoordinaten aus AICON 3D Studio Ziel des folgenden Vergleiches ist es, die Ergebnisse der Bündelblockausgleichung in Abhängigkeit vom eingesetzten Programmsystem bei Vorliegen identischer Datensätze zu beurteilen. Zu diesem Zweck wird in AICON 3D Studio eine Verformungsanalyse der Objektkoordinaten durchgeführt. Der zu analysierende Datensatz wird mit Hilfe einer Best-Fit-Transformation über alle Punkte in das Referenzsystem transformiert. Die hier berechneten Restklaffen bilden die Deformationsbeträge der Objektkoordinaten im SOLL-IST Vergleich. Bei der Best-Fit-Transformation handelt es sich um eine räumliche HelmertTransformation (Formel 6.8) mit folgenden 7 Parametern: x
3 Translationen (X0, Y0, Z0)
x
3 Rotationen (RX, RY, RZ)
x
1 Maßstab (m)
Bei der Best-Fit-Transformation sucht die Software nach den Punkten mit den geringsten Restklaffen und nutzt diese als Stützpunkte der 3DTransformation [AICON 3D Systems 2004]. Im vorliegenden Fall wird der Datensatz der Kamera Nikon D2Xs 20mm der Firma INVERS, Essen als Referenzdatensatz herangezogen. Durch die Erkenntnisse aus dem Einsatz dieser Kamera im normalen Messbetrieb der Firma INVERS, Essen ist hier von einem hohen Maß an Genauigkeit und Stabilität auszugehen. Die berechneten Restklaffen werden in AICON 3D Studio anhand von Deformationsvektoren visualisiert. In den folgenden Grafiken wird die Deformation 500-fach überhöht dargestellt.
ݎଵଵ ܺ ܺ ݎ ܻ ൌ ݉ כ ܻ ൩ ൩ ଶଵ ݎଷଵ ܼ ܼ
ݎଵଶ ݎଶଶ ݎଷଶ
ݎଵଷ ࢞ ݎଶଷ ൩ כቈ࢟ ݎଷଷ ࢠ ௌ௧௧
(Formel 6.8)
50
Vergleiche
Abb. 6.7: Restklaffen der Objektkoordinaten aus der Messung der Kamera Nikon D2Xs der HS Bochum, Abweichungen 500-fach überhöht (RMS: 0,0482 [mm], max. Abweichung 0,1089 [mm])
Abb. 6.8: Restklaffen der Objektkoordinaten aus der Messung der Kamera Rollei D7, Deformation 500-fach überhöht (RMS: 0,1537 [mm], max. Abweichung 0,6169 [mm])
51
Vergleiche
Abb. 6.9: Restklaffen der Objektkoordinaten aus der Messung der Kamera Canon IXUS 75, Deformation 500-fach überhöht (RMS: 0,1051 [mm], max. Abweichung 0,4626 [mm])
Abb. 6.10: Restklaffen der Objektkoordinaten aus der Messung der Kamera Nokia N73, Deformation 500-fach überhöht (RMS: 0,7432 [mm], max. Abweichung 3,5206 [mm])
52
Vergleiche e
Wie schon s im Vergleich der Stan ndardabweichungen der Param meter derr Inneren Orientierrung teilen n sich auch h im Vergle eich der O Objektkoord dinaten die e Kamerras in die beschrieb benen drei Gruppen n auf. So weist das s Kamera-system m des Nokiia N73 aucch hier die größten Restklaffen R n auf (Abb. 6.10). Mitt einer Gesamtab G weichung von 0,743 32 [mm] im m quadratischen Mitttel (RMS)) bildet das Nokia a N73 ein nen deutlic chen Ausre eißer unte er den unttersuchten n nd untersttreicht die e Vermutu ung, dass s die An-Kamerras (Abb. 6.11) un forderu ungen eine er photogra ammetrisch hen Messu ung hier nicht erfüllt werden. w Die ge eringsten Abweichun A ngen weist die Nikon n D2Xs 18mm der Hochschule e Bochum auf (Abb b. 6.7). De er Untersch hied zu den n anderen Aufnahme esystemen n ist mit Faktor 2 zur z Canon IXUS 75 und Fakto or 3 zur Ro ollei D7 jed doch deut-lich ge eringer als im vorang gegangene en Vergleicch. Mit eine er mittleren n Gesamt-abweicchung von n 0,1051 [mm] erzie elt die klein nformatige e Consume er-Kamera a ein be esseres Errgebnis (Abb. 6.9) als a die Messkamera Rollei D7 7 mit einerr mittlere en Restabweichung von 0,1537 7 [mm] (Ab bb. 6.8). Zu bea achten ble eibt auch hier h die un nterschiedliche Anza ahl der Bild der in den n unterschiedlichen Bildverb bänden (siiehe Kapittel 6.1.2), was den Genauig-keitsvo orteil der Nikon N Kame eras erklärren könnte.
RMS der Gesamtverformung [mm]
RMS der d Gesam mtverform mung Rxyzz 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 RMSS[mm] NikonD2Xs1 18mm
0,0482
RolleiD7
0,1537
CanonIXUS7 75
0,1051
NokiaN73
0,7432
Abb. 6.11: 6 Restklaffen der Objektkoorrdinaten au us der Defformationsa analyse mitt AICON 3D Studio
53 3
Vergleiche
6.2
Vergleich der eingesetzten photogrammetrischen Systeme
Neben der Handhabbarkeit und Ausstattung einer Auswertesoftware sind vor allem die Ergebnisse der Auswertung zur Beurteilung des jeweiligen Produktes ausschlaggebend. Nur hier lässt sich erkennen, ob die Software den hohen Ansprüchen der photogrammetrischen Messung und Auswertung genügt. Um die eingesetzten Softwareprodukte miteinander vergleichen zu können, werden die jeweiligen Ergebnisse der Kamerakalibrierung und die ausgeglichenen Objektkoordinaten betrachtet. In der vorliegenden Untersuchung dienen die Bildverbände folgender Kamerasysteme als Vergleichsdatensätze:
x
Nikon D2Xs 18mm der Hochschule Bochum
x
Nikon D2Xs 20mm der Firma INVERS, Essen
Mit beiden Kameras wurde das Objekt in drei Rundumverbänden à 27 Bilder aufgenommen (siehe Kapitel 5).
6.2.1 Vergleich der Parameter der Inneren Orientierung Der Vergleich der Parameter der Inneren Orientierung soll zeigen, wie sich die Ergebnisse der Softwareprodukte aus Auswertungen unter identischen Voraussetzungen zueinander verhalten. Alle Programme verwenden den erweiterten Brown`schen Ansatz zur Bestimmung der Inneren Orientierung [Brown 1976]. Hierbei werden, wie in Kapitel 6.1.1 beschrieben, folgende Parameter der Inneren Orientierung bestimmt:
x
Kamerakonstante C
x
Bildhauptpunktlage xH, yH
x
Radial-symmetrische Verzeichnung A1, A2, A3
x
Radial-asymmetrische und tangentiale Verzeichnung B1, B2
x
Affinität und Scherung
Am Beispiel des Kamerasystems Nikon D2Xs 18mm der Hochschule Bochum werden im Folgenden die Ergebnisse des Vergleichs aufgelistet.
54
Vergleiche e
K Kamerakons stante der Ka amera Nikon D2Xs 18m mm der Hochsch hule Bochum m Kamrakonstante C [mm]
25,0
20,0
15,0
10,0 KameraakonstanteC AICON3DStud A dio
18 8,2400
P PHAUST+CAP P
18 8,2400
P PHAUSTAssist t+CAP
18 8,1950
Abb. 6..12: Vergleich der Kam merakonstan nte aus den n Kalibrierungen der eingesetzten n photogrammetrisc chen System me am Beis spiel der Ka amera Nikon D2Xs 18m mm der HS S Bochum m
Bildhaup ptpunktlage der Kamera a Nikon D2X Xs 18mm de er Hochschu ule Bochum
BildhauptpunktBildh k koordinate [mm]
-0,25 -0,20 -0,15 -0,10 -0,05 0,00
Bildh hauptpunktͲ koordinatexH
BildhauptpunktͲ koordinateyH
AICON3DStudio
Ͳ Ͳ0,0330
Ͳ0,2124 4
PHAUST+CAP
Ͳ Ͳ0,0331
Ͳ0,2066 6
PHAUSTAssist+CAP
Ͳ Ͳ0,0300
Ͳ0,2155 5
Abb. 6.13: Vergleic ch der Bildh hauptpunktlage aus den Kalibrieru ungen der eingesetzten n photogrammetrisc chen System me am Beis spiel der Ka amera Nikon D2Xs 18m mm der HS S Bochum m
55 5
Vergleiche e
Radial-symmetrisc cher Verzeic chnungsparrameter A1 der Kamera a Nikon D2Xs 18mm der d Hochsch hule Bochum Verzeichnungsparameter V i h t A1*1000
Ͳ Ͳ0,40
Ͳ Ͳ0,30
Ͳ Ͳ0,20
Ͳ Ͳ0,10
0,00 ParameterA1*1000 AICON3DStud A dio
Ͳ0 0,30423
P PHAUST+CAP P
Ͳ0 0,30800
P PHAUSTAssist t+CAP
Ͳ0 0,30700
Abb. 6.14: Vergleic ch des radia al-symmetrischen Verzzeichnungsp parameters A1 aus den n erungen de er eingesetzzten photo ogrammetris schen Syste eme am Beispiel B derr Kalibrie Kamera a Nikon D2X Xs 18mm der HS Bochu um. (Darstelllung 1000-fa ach überhöh ht)
Radial-asymmetris scher Verzeiichnungspa arameter B1 der Kamera a Nikon D2 2Xs 18mm der d Hochsch hule Bochum
Verzeichnungsparameter B1*1000
Ͳ0 0,015
Ͳ0 0,010
Ͳ0 0,005
0 0,000 ParameterB1*1000 A AICON3DStud dio
Ͳ0 0,00652
P PHAUST+CAP P
Ͳ0 0,00691
P PHAUSTAssist t+CAP
Ͳ0 0,00633
Abb. 6.15: Vergleich des rad dial-asymme etrischen Verzeichnun V ngsparamete ers B1 aus s alibrierungen n der einge esetzten pho otogrammettrischen Sys steme am Beispiel B derr den Ka Kamera a Nikon D2X Xs 18mm der HS Bochu um. (Darstelllung 1000-fa ach überhöh ht)
56 6
Vergleiche e
Verzeichnungsparameter C1 (Affinität) der Kamera Nikon N D2Xs 18 8mm der Ho ochschule Bochum 0,0030 Affinitätsparameter C1
0,0025 0,0020 0,0015 0,0010 0,0005 0,0000 Ͳ0,0005
AffinitätC1
AICON3DStud A dio
0,0 0026227
P PHAUST+CAP P
0,0 0000001
P PHAUSTAssist t+CAP
Ͳ0,0 0000062
Abb. 6.16: Vergleiich des Afffinitätsparam meters C1 aus den K Kalibrierunge en der ein-hen Systeme e am Beispiiel der Kame era Nikon D2Xs D der HS S gesetztten photogrammetrisch Bochum m.
Orthog gonalitätsparameter C2 der Kamera a Nikon D2X Xs 18mm derr Hochsch hule Bochum m 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00 OrthoggonalitätC2 A AICON3DStud dio
0,,04380
P PHAUST+CAP P
0,,04390
P PHAUSTAssist t+CAP
0,,04910
Abb. 6..17: Vergleich des Orthogonalitäts sparameters C2 aus d den Kalibrie erungen derr eingese etzten photo ogrammetris schen Syste eme am Beispiel der K Kamera Niko on D2Xs derr HS Boc chum. (Darstellung 1000 0-fach überh höht)
57 7
Vergleiche
Der Vergleich der Parameter der Inneren Orientierung zeigt, dass die Ergebnisse der drei Auswertesysteme untereinander nur sehr geringe Abweichungen aufweisen (Abb. 6.12, Abb. 6.15, Abb. 6.17). Lediglich der Affinitätsparameter C1 reißt hier aus und zeigt deutliche Unterschiede auf (Abb. 6.16). Während PHAUST + CAP für die Kamera Nikon D2Xs 18mm der Hochschule Bochum mit einem Parameter von ͲǡͲͳ ିͲͳ כହ praktisch keine Affinitätsabweichungen aufweist, liefert PHAUST Assist + CAP mit െͲǡʹ כ ͳͲିହ eine geringe und AICON 3D Studio mit ʹʹǡʹ ିͲͳ כହ eine sehr hohe Abweichung. Die Affinitätsabweichungen verursachen bei einer Sensorbreite von 23,7 [mm] eine maximale Abweichung von -0,1 [ȝm] (PHAUST Assist + CAP), bzw. 62 [ȝm] (AICON 3D Studio). Bei dem Aufnahmesystem Nikon D2Xs 20mm der Firma INVERS, Essen ist der Unterschied etwas schwächer. So unterscheidet sich der Affinitätsparameter aus AICON 3D Studio mit ʹͷͺǡͲͷ ିͲͳ כହ gegenüber den Parametern aus PHAUST + CAP (ͷǡ͵ʹ ିͲͳ כହ ) und PHAUST Assist (ͷǡͲͲ ିͲͳ כହ ) etwa um den Faktor 50. Da die Affinitätsparameter der Kamera Nikon D2Xs der Firma INVERS, Essen aus den Auswertungen mit PHAUST + CAP und mit PHAUST Assist + CAP nahezu identisch sind, lässt sich vermuten, dass der Fehler in der Berechnung oder Darstellung des Parameters in AICON 3D Studio liegt. Eine fundierte Aussage zu diesen Abweichungen lässt sich an dieser Stelle allerdings nicht treffen.
6.2.2 Vergleich der Objektkoordinaten aus den Auswertungen der eingesetzten photogrammetrischen Systeme Ein weiteres Maß zur Beurteilung einer Auswertesoftware ist das Ergebnis der Berechnung der Objektkoordinaten. Hier zeigt sich, mit welcher Genauigkeit und Homogenität die jeweilige Auswertesoftware Objektkoordinaten bestimmen kann. Wie in Kapitel 6.1.3 beschrieben, wird der Vergleich mit Hilfe einer Verformungsanalyse in AICON 3D Studio durchgeführt. Als Referenz wird der Datensatz aus der Auswertung mit AICON 3D Studio verwendet. Nachfolgend werden die Restabweichungen der Objektkoordinaten am Beispiel der Kamera Nikon D2Xs 20mm der Firma INVERS, Essen mit 2000facher Überhöhung dargestellt. 58
Vergleiche
Abb.
6.18:
Abweichungen
der
Objektkoordinaten
aus
der
Auswertung
mit
PHAUST + CAP, 2000-fach überhöht, RMS: 0,1593 [mm], max. Abweichung 1,5134 [mm]. (Kamera: Nikon D2Xs 20mm der Firma INVERS, Essen)
Abb. 6.19: Abweichungen der Objektkoordinaten aus der Auswertung mit PHAUST Assist
+
CAP,
2000-fach
überhöht,
RMS:
0,0291
[mm],
max.
Abweichung
0,0995 [mm]. (Kamera: Nikon D2Xs 20mm der Firma INVERS, Essen)
59
Vergleiche e
Wie in den oben n gezeigten n Abbildun ngen zu se ehen ist, w weist die Auswertung g HAUST + CAP C die größten g Ab bweichungen gegenü über dem Referenz-mit PH datenssatz aus AICON A 3D D Studio auf a (Abb. 6.18, Abb b. 6.19). So S ist die e Gesam mtabweichu ung der Objektkoord O dinaten aus dem Da atensatz de er Kamera a Nikon D2Xs derr Hochschu ule Bochu um und de er Auswerttung mit PHAUST P + CAP mit m einem quadratisc q chen Mittel von 0,024 48 [mm] ettwa doppe elt so hoch h wie die e Deformation aus der Auswerrtung mit PHAUST P A Assist + CA AP (0,0129 9 [mm]). Erstaunlicch groß istt dieser Un nterschied bei dem D Datensatz der Nikon n D2Xs der Firma a INVERS,, Essen. Hier H beträg gt die Diffferenz zwis schen derr Gesam mtabweichu ung aus PHAUST P + CAP und der Ausw wertung mitt PHAUST T Assist + CAP 0,1 1302 [mm] (Abb. 6.20 0). Das lieg gt vor allem m an den mit m 0,1593 3
RMS der d Restklaffen R tkl ff [mm] [ ]
s große en Restklafffen aus de er Auswertung mit PH HAUST + CAP. C [mm] sehr
Koorrdinatendiffe erenzen aus s den Bünde elausgleichu ungen mit PHAUST & CAP sow wie PHAUST Assist & CA AP 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 Nikon D2X Xs 18mm (HS Boc chum)
Nikon D2Xs 20m N mm (INVERS)
PHAUST + CA AP
0,0248
0,1593
PHAUST Assist + CAP
0,0129
0,0291
Abb. 6..20: Vergleic ch der Koo ordinatendiffferenzen au us den Bünd delausgleichungen mitt PHAUS ST + CAP so owie PHAUS ST Assist + CAP C
Obwoh hl die Untterschiede zwischen n den Erg gebnissen des Vergleichs derr Objekttkoordinate en signifika ant variiere en, ist aufg grund der g größeren Restklaffen R n bei de er Auswertung mit PHAUST T + CAP ein Gen nauigkeitsv vorteil derr Progra amme mit voll autom matisierterr Punktmessung zu vermuten. Die Ein-flüsse des Anwe enders be ei der auto omatisierten Punktmessung in PHAUST T nen die Au uswertung soweit zu u beeinflusssen, dasss signifikan nte Unter-schein schied de zu Ergeb bnissen de er voll auto omatisierten Punktme essungen entstehen. e 60 0
Vergleiche e
Ob sicch entspre echende Beobachtun B ngen auch h im Absolutvergleich machen n lassen n, wird die e folgende e Bewertung nach der VDI/V VDE Richtlinie 2634 4 Blatt 1 zeigen.
6.3
Bewertung nach VDI/VDE V Richtlinie e 2634 Bllatt 1
Zur
B Bestimmun ng
der
äußeren
Genauig gkeit
werrden
Län ngenmess--
abweicchungen bestimmt. b Die aus der d Ausgle eichung ressultierende en Objekt-koordin naten werrden hierb bei als Istt-Strecken Referenzzwerten gegenüber-gestelllt. Als Verrgleichswe erte dienen n hier die acht eing gesetzten Maßstäbe e (siehe Kapitel 5.3 3). Auch in der Be ewertung nach der VDI/VDE Richtlinie e 2634 Bllatt 1 solll zwisch hen dem Vergleich V d Kamerrasysteme und dem Vergleich der h der Aus-wertep programme e unterschiieden werd den. Der Vergleich V de er Kamera as wird wie e in den vorangeg gangenen Kapiteln im m Program mm AICON N 3D Studiio und derr Vergle eich der Au uswertesofftware mit Hilfe der beiden Niikon D2Xs s Kamerass durchg geführt.
RMS S der Längen nmessabwe eichung aus s der Auswe ertung mit AICON N 3D Studio 0,4 40 0,3 35
RMS [mm]
0,3 30 0,2 25 20 0,2 0,15 0,10 0,0 05 0,0 00
RMS S [mm]
N Nikon D2Xs 18 8mm
0,0 0425
N Nikon D2Xs 20 0mm
0,0 0403
Rollei R D7
0,0 0902
C Canon IXUS 75 5
0,0 0805
N Nokia N73
0,3 3972
Abb. 6..21: RMS der Längenm messabweic chungen aus der Ausw wertung mitt AICON 3D D Studio
Wie scchon bei de en vorherig gen Vergle eichen teile en sich auch hier die e Kamerass in drei Gruppen auf (Abb. 6.21). Die beiden Ka ameras Nikon D2Xs bilden mitt 61
Vergleiche e
einem RMS von v ca. 0,04 [mm m] die Gruppe G m mit den geringsten g n weichungen n. Die zwe eite Gruppe e wird von den Kame eras Rolleii Längenmessabw D7 (0,09 [mm]) und Cano on IXUS 75 (0,08 [m mm]) gebild det. Mit einem RMS S von ca a. 0,4 [mm m] bildet die e Kamera des Nokia a N73 mit g großem Ab bstand die e letzte Gruppe. Das D quadrratische Mittel M der Längenme L essabweich hungen istt hier um m das 10--fache größer als be ei den Messungen m mit den Nikon D2Xss Kamerras. In den n quadratisschen Mittelwerten der d Längenmessabw weichungen n aus den n drei eingesetzten n Auswerte eprogramm men spiege eln sich errwartungsg gemäß die e Koordiinatendifferenzen aus Kapitel 6.2.2 6 wide er. Interesssant ist hie erbei, dasss sich die Vermutu ung eines Genauigke G eitsvorteils von Ausw werteprogra ammen mitt voll au utomatisiertter Punktm messung nicht vollend ds bestätig gt. So weis st die Ana-lyse des Bildverrbandes de er Nikon D2Xs D 20m mm mit PH HAUST + CAP C zwarr einen deutlich hö öheren Mitttelwert fürr die Länge enmessabweichunge en auf, beii der Au uswertung des zweite en Bildverb bandes lieg gt der RMS S Wert aus s PHAUST T + CAP P jedoch unter der mittleren Längenm messabweicchung aus s der Be-rechnu ung mit AICON 3D Studio un nd nur gerringfügig ü über dem Wert auss
RMS der Streckendifferenzen [mm]
PHAUST Assist + CAP (Ab bb. 6.22).
ch der quadrratischen Mittelwerte de er Vergleic Längenme essabweichung 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00
Nikon D2X Xs 18mm
Nikon D2Xs 20m mm
AICON 3D Stu udio
0,04 425
0,0403
PHAUST + CA AP
0,03 340
0,0997
PHAUST Assis st + CAP
0,03 308
0,0579
Abb. 6..22: RMS der Längenm messabweic chungen aus der Ausw wertung mitt AICON 3D D Studio, PHAUST + CAP und PHAUST Ass sist + CAP
62 2
Vergleiche
Wird die Längenmessabweichung des Bildverbandes der Nikon D2Xs 20mm aus der Berechnung mit PHAUST + CAP mit 0,0997 [mm] als Ausreißer betrachtet, lässt sich feststellen, dass mit allen drei eingesetzten Softwarelösungen eine photogrammetrische Auswertung auf einem Genauigkeitsniveau durchgeführt werden kann. Einzig hervorzuheben bleibt die Ausgewogenheit der Berechnungen mit der AICON 3D Studio. Als einzige Auswertesoftware liefert sie für beide Bildverbände nahezu identische Ergebnisse.
7
Schlussbetrachtung
In der vorliegenden Diplomarbeit wurde eine Prüfung photogrammetrischer Messsysteme in Anlehnung an die VDI/VDE Richtlinie 2634 Blatt 1 durchgeführt.
Das Blatt 1 der VDI/VDE Richtlinie 2634 erweist sich als sinnvoller und notwendiger Standard zur Prüfung photogrammetrischer Systeme für den Nahbereich. Die hier festgelegte Kenngröße (Längenmessabweichung) und die geforderte praxisnahe Messanordnung sowie Durchführung sind ausschlaggebend für eine objektive Bewertung photogrammetrischer Systeme in ihrem Anwendungsgebiet. Die Richtlinie 2634 Blatt 1 des VDI/VDE schafft somit die Möglichkeit, Systeme anhand der über ein standardisiertes Verfahren erzielten Ergebnisse zu vergleichen, zu bewerten sowie im Einsatz befindliche Systeme zu überprüfen.
Bei der Auswertung der Bildverbände stellte die richtige Einstellung der Messoperatoren die größte Herausforderung dar. Da für jede Auswertesoftware die richtige Konfiguration für den jeweiligen Bildverband gefunden werden musste, benötigte dieser Prozess mehr Zeit als zu Beginn der Auswertung angenommen. Für die regelmäßige photogrammetrische Arbeit macht es daher Sinn, eine feste Kombination aus Kamera und Software einzuführen oder für die im Einsatz befindlichen Kameras Vorlagen von funktionierenden Konfigurationen der Messoperatoren festzulegen.
63
Schlussbetrachtung
Wie schon in den vorangegangen Vergleichen des Kapitels 6 zu sehen, schneiden die beiden Kameras des Typs Nikon D2Xs am besten ab. Sie weisen neben den geringsten Abweichungen im Ergebnis der Messung auch eine hochwertige Verarbeitungsqualität und eine hohe Auflösung auf. Sehr überraschend ist das erzielte Resultat der kleinformatigen Consumer-Kamera Canon IXUS 75. Gegenüber der Messkamera Rollei D7 weist sie einen geringen Vorteil in der Genauigkeitsbetrachtung und einen deutlichen Vorsprung in der Handhabung auf. So benötigt die Rollei D7 z. B. zur Speicherung eines Bildes mehrere Sekunden, was den Arbeitsablauf deutlich verzögert. Für die Canon IXUS 75 stellt sich hier jedoch die Frage der Wiederholbarkeit. Ob in nachfolgenden Messungen ebenfalls Ergebnisse dieser Güte zu erzielen sind, müsste in weiteren Testmessungen überprüft werden. Weit abgeschlagen landet die Handykamera des Nokia N73 in der Bewertung auf dem letzten Platz. Der Grund für das im photogrammetrischen Sinne schlechte Ergebnis der Messung könnte der nicht zu deaktivierende Autofokus der Kamera sein. Unter dieser Voraussetzung ist das erzielte Ergebnis mit einer mittleren Streckenabweichung von ca. 0,4 [mm] für eine Handykamera,
besonders
unter
dem
Aspekt
des
Preis-Leistungs-
Verhältnisses, beachtenswert. Abschließend lässt sich festhalten, dass handelsüblich Kameras, im Besonderen die Kameras hoher Qualität, gute Ergebnisse als photogrammetrische Aufnahmesysteme erzielen können. Des Weiteren zeigt die Untersuchung, dass weniger die Güte der Kamera und die Qualität der eingesetzten Optik als vielmehr das Auflösungsvermögen des Sensors ausschlaggebend für die Qualität einer photogrammetrischen Messung mit anschließender Auswertung mit modernen Softwarelösungen zu sein scheint. Grund hierfür ist der Einsatz eines erweiterten Kameramodells, wie die Ansätze zur Parametrisierung der Inneren Orientierung nach Brown (1976) oder Luhmann et al. (2004) [Brown 1976, Luhmann et al. 2004]. Etwaig auftretenden Bildfehler werden mit diesen Ansätzen beschrieben und korrigiert.
64
Schlussbetrachtung
In die finale Beurteilung der photogrammetrischen Systeme sollen neben der erzielten Genauigkeit auch weitere Attribute wie z. B. Leistungsfähigkeit oder Bedienbarkeit mit einfließen. Die Softwarelösungen PHAUST von INVERS - Industrievermessung & Systeme, Essen und PHAUST Assist von Solving 3D, Garbsen erzielen ähnlich gute Ergebnisse in der Auswertung der Bildverbände, unterscheiden sich jedoch deutlich in ihrer Praktikabilität. Der Vorteil der Software PHAUST Assist liegt eindeutig in der vollautomatisierten Punktmessung. Die Zeitersparnis gegenüber der Auswertung mit PHAUST ist besonders unter dem Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit zu beachten. Die Messung eines Bildverbandes mit ca. 80 Bildern benötigt mit PHAUST ca. 1 Arbeitstag. Die Messung eines solchen Bildverbandes in PHAUST Assist benötigt hingegen nur
wenige
Minuten.
Lediglich
die
Integration
eines
ausgereiften
Ausgleichungstools, wie z. B. CAP, fehlt dem Programm PHAUST Assist. Dies wäre in der Weiterentwicklung dieser Software erstrebenswert. Genau diesen Vorteil besitzt die Auswertesoftware AICON 3D Studio von AICON 3D System, Braunschweig und setzt sich somit im Vergleich der Auswerteprogramme durch. Neben dem integrierten Ausgleichungstool bietet AICON 3D Studio eine noch einfachere Bedienung mit einem sehr hohen Automatisierungsgrad. Ein weiterer Vorteil ist neben der sehr schnellen Auswertung die Möglichkeit der Analyse. Hier können aus den ausgeglichenen Objektkoordinaten Verformungen, Spaltmaße und Geometrieelemente abgeleitet werden. Abschließend lässt sich feststellen, dass alle drei eingesetzten photogrammetrischen Systeme die Genauigkeitsanforderungen einer photogrammetrischen Auswertung erfüllen. Ausschlaggebend für die Unterschiede in der Bewertung sind in diesem Fall die Praktikabilität der jeweiligen Softwarelösungen.
65
Literaturverzeichnis
Literaturverzeichnis [AICON 3D Systems 2009]: Produktinformation, www.aicon.de, Seitenzugriff Februar 2009
[AICON 3D Systems 2004]: AICON 3D Systems, Handbuch AICON 3D Studio, AICON 3D Systems GmbH, Braunschweig
[Brown 1971]: Brown, D.C., Close-Range Camera Calibration. Photogrammetric Engineering, 37 (8), pp. 855-866.
[Brown 1976]: Brown, D.C., The Bundle Adjustment - Progress and Prospectives. International Archives of Photogrammetry 21(III), paper 303041, Helsinki.
[Fröhlich 2003]: Fröhlich, H., Praxisorientierte Ausgleichungsrechnung für Vermessungsingenieure,Selbstverlag Fröhlich, Sankt Augustin
[Kotowski 1996]: Kotowski, R., Photogrammetrische Bündeltriangulation zur 3D-Objektkonstruktion und simultanen Sensorkalibrierung in der Nahbereichsphotogrammetrie, VDV Band 12 Photogrammetrische Messtechnik in der Ingenieurvermessung, Chmielorz Verlag, Wiesbaden
[Landesvermessungsamt NRW 1999]: Transformation von Koordinaten und
Höhen
in
der
Landesvermessung,
Theoretische
Grundlagen,
www.lverma.nrw.de, Seitenzugriff Februar 2009
[Luhmann 2003]: Luhmann, T., Nahbereichsphotogrammetrie, Wichmann Verlag, Heidelberg.
[Luhmann et al. 2004]: Luhmann, T., Hastedt, H., Tecklenburg, W., Modellierung hochauflösender digitaler Kameras im Hinblick auf die Verifizierung nach VDI/VDE 2634, Oldenburg.
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Literaturverzeichnis
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[VDI/VDE 2002]: VDI/VDE Richtlinie 2634 Blatt 1, Optische 3D-Messsysteme, Bildgebende Systeme mit punktförmiger Antastung, Beuth Verlag, Berlin
[www.vdi.de 2009]: VDI Richtlinien, Seitenzugriff März 2009
[www.mybeuth.de 2009]: Onlineshop Beuth Verlag, Seitenzugriff März 2009
67
Tabellenverzeichnis
Tabellenverzeichnis Tabelle 5.1: Verwendete Targets ________________________________ 39 Tabelle 5.2: Verwendete Maßstäbe ______________________________ 40 Tabelle 6.1: Parameter der Inneren Orientierung aus der Auswertung mit AICON 3D Studio, Teil 1 _______________________________________ 45 Tabelle 6.2: Parameter der Inneren Orientierung aus der Auswertung mit AICON 3D Studio, Teil 2 _______________________________________ 46
68
Abbildungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis Abb. 2.1: Lage des Bildkoordinatensystems vor (rot) und nach (blau) der Affintransformation ____________________________________________ 7 Abb. 2.2: Festlegung des Bildkoordinatensystems ____________________ 8 Abb. 2.3: Parametrisierung des Ellipsenoperators ____________________ 8 Abb. 2.4: Prinzip des Sternoperators ______________________________ 9 Abb. 2.5: Messung signalisierter Punkte in PHAUST __________________ 9 Abb. 2.6: Einstellungen für den Datenexport _______________________ 10 Abb. 2.7: Editor der Punktmessungsparameter _____________________ 12 Abb. 2.8: Editor der Parameter der Inneren Orientierung ______________ 12 Abb. 2.9: Arbeitsoberfläche mit Bildansicht, nach der Punktmessung ____ 13 Abb. 2.10: Äußere Orientierung des Bildverbandes in PHAUST Assist ___ 15 Abb. 2.11: Editor für die Parameter der Inneren Orientierung __________ 16 Abb. 2.12: Editor für die Objektkoordinaten ________________________ 17 Abb. 2.13: Editor für zusätzliche Beobachtungen ____________________ 17 Abb. 2.14: Konfigurationsfenster _________________________________ 18 Abb. 2.15: Ergebnis der Bündelausgleichung (im Beispiel mit Ausreißern) 19 Abb. 2.16: Liste grober Fehler, sortiert nach Testwert ________________ 20 Abb. 2.17: Abschließendes Ergebnis der Bündelausgleichung (nach Elimination der Ausreißer)______________________________________ 21 Abb. 2.18: CAP Ausgabedateien ________________________________ 22 Abb. 2.19: Wahl des Parametersatzes für die Innere Orientierung ______ 22 Abb. 2.20: Wahl der Vorlage für Kameraparameter, Referenzinformationen und Parameter der Bildkoordinatenmessung _______________________ 24 Abb. 2.21: Eingabemaske für die Innere Orientierung ________________ 25 Abb. 2.22: Äußere Orientierung des Bildverbandes __________________ 26 Abb. 2.23: Arbeitsoberfläche in AICON 3D Studio ___________________ 26 69
Abbildungsverzeichnis
Abb. 3.1: Empfehlung für die Anordnung der Messlinien ______________ 32 Abb. 4.1: Nikon D2Xs _________________________________________ 33 Abb. 4.2: Canon IXUS 75 ______________________________________ 33 Abb. 4.3: Rollei D7 ___________________________________________ 33 Abb. 4.4: Nokia N73 __________________________________________ 33 Abb. 5.1: Prüfkörper der Firma INVERS ___________________________ 36 Abb. 5.2: Verwendete Targets (codiert und uncodiert) ________________ 38 Abb. 5.3: Winkliges Target mit codierter Messmarke, Höhe ca. 80 [mm] __ 38 Abb. 5.4: Kohlefasermaßstab mit codierten Targets, Länge ca. 900 mm __ 38 Abb. 5.5: Signalisiertes Testobjekt _______________________________ 39 Abb. 5.6: Rundumverband mit insgesamt 81 Aufnahmen (Darstellung aus der Software AICON 3D Studio) ____________________________________ 40 Abb. 6.1: Radial-symmetrische Verzeichnung der Kamera Nikon D2Xs 18mm der HS Bochum aus der Berechnung mit AICON 3D Studio ___________ 45 Abb. 6.2: Radial-asymmetrische Verzeichnung der Kamera Nikon D2Xs 18mm der HS Bochum, aus der Auswertung mit AICON 3D Studio. (Abbildung der gesamten Sensorgröße (23,7 * 15,7 [mm]), Darstellung der Verzeichnungswerte 100-fach überhöht, max. Verzeichnung 11,0 [ȝm]) __ 46 Abb.
6.3:
Standardabweichungen
der
Kamerakonstante
und
der
Bildhauptpunktlage aus der Auswertung mit AICON 3D Studio _________ 47 Abb. 6.4: Standardabweichung des radial-symmetrischen Verzeichnungsparameters A1 aus der Auswertung mit AICON 3D Studio ____________ 47 Abb. 6.5: Standardabweichung der radial-asymmetrischen Verzeichnungsparameter B1 und B2 aus der Auswertung mit AICON 3D Studio _______ 48 Abb. 6.6: Standardabweichung der Affinitäts- und Orthogonalitätsparameter C1 und C2 aus der Auswertung mit AICON 3D Studio ________________ 48 Abb. 6.7: Restklaffen der Objektkoordinaten aus der Messung der Kamera Nikon D2Xs der HS Bochum, Abweichungen 500-fach überhöht (RMS: 0,0482 [mm], max. Abweichung 0,1089 [mm]) ______________________ 51 70
Abbildungsverzeichnis
Abb. 6.8: Restklaffen der Objektkoordinaten aus der Messung der Kamera Rollei D7, Deformation 500-fach überhöht (RMS: 0,1537 [mm], max. Abweichung 0,6169 [mm]) _____________________________________ 51 Abb. 6.9: Restklaffen der Objektkoordinaten aus der Messung der Kamera Canon IXUS 75, Deformation 500-fach überhöht (RMS: 0,1051 [mm], max. Abweichung 0,4626 [mm]) _____________________________________ 52 Abb. 6.10: Restklaffen der Objektkoordinaten aus der Messung der Kamera Nokia N73, Deformation 500-fach überhöht (RMS: 0,7432 [mm], max. Abweichung 3,5206 [mm]) _____________________________________ 52 Abb. 6.11: Restklaffen der Objektkoordinaten aus der Deformationsanalyse mit AICON 3D Studio _________________________________________ 53 Abb. 6.12: Vergleich der Kamerakonstante aus den Kalibrierungen der eingesetzten photogrammetrischen Systeme am Beispiel der Kamera Nikon D2Xs 18mm der HS Bochum ___________________________________ 55 Abb. 6.13: Vergleich der Bildhauptpunktlage aus den Kalibrierungen der eingesetzten photogrammetrischen Systeme am Beispiel der Kamera Nikon D2Xs 18mm der HS Bochum ___________________________________ 55 Abb. 6.14: Vergleich des radial-symmetrischen Verzeichnungsparameters A1 aus den Kalibrierungen der eingesetzten photogrammetrischen Systeme am Beispiel der Kamera Nikon D2Xs 18mm der HS Bochum. (Darstellung 1000fach überhöht) _______________________________________________ 56 Abb. 6.15: Vergleich des radial-asymmetrischen Verzeichnungsparameters B1 aus den Kalibrierungen der eingesetzten photogrammetrischen Systeme am Beispiel der Kamera Nikon D2Xs 18mm der HS Bochum. (Darstellung 1000-fach überhöht) __________________________________________ 56 Abb. 6.16: Vergleich des Affinitätsparameters C1 aus den Kalibrierungen der eingesetzten photogrammetrischen Systeme am Beispiel der Kamera Nikon D2Xs der HS Bochum. ________________________________________ 57 Abb.
6.17:
Vergleich
des
Orthogonalitätsparameters
C2
aus
den
Kalibrierungen der eingesetzten photogrammetrischen Systeme am Beispiel der Kamera Nikon D2Xs der HS Bochum. (Darstellung 1000-fach überhöht) __________________________________________________________ 57 71
Abbildungsverzeichnis
Abb. 6.18: Abweichungen der Objektkoordinaten aus der Auswertung mit PHAUST + CAP, 2000-fach überhöht, RMS: 0,1593 [mm], max. Abweichung 1,5134 [mm]. (Kamera: Nikon D2Xs 20mm der Firma INVERS, Essen) __ 59 Abb. 6.19: Abweichungen der Objektkoordinaten aus der Auswertung mit PHAUST Assist + CAP, 2000-fach überhöht, RMS: 0,0291 [mm], max. Abweichung 0,0995 [mm]. (Kamera: Nikon D2Xs 20mm der Firma INVERS, Essen) _____________________________________________________ 59 Abb.
6.20:
Vergleich
der
Koordinatendifferenzen
aus
den
Bündelausgleichungen mit PHAUST + CAP sowie PHAUST Assist + CAP 60 Abb. 6.21: RMS der Längenmessabweichungen aus der Auswertung mit AICON 3D Studio ____________________________________________ 61 Abb. 6.22: RMS der Längenmessabweichungen aus der Auswertung mit AICON 3D Studio, PHAUST + CAP und PHAUST Assist + CAP ________ 62
72
Abkürzungsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis CAP
Combined Adjustment Program
CCD
Charge-coupled Device
CMOS
Complementary Metal Oxide Semiconductor
DGPF
Deutsche
Gesellschaft
für
Photogrammetrie,
Fern-
erkundung und Geoinformation e.V. DGQ
Deutsche Gesellschaft für Qualität e. V.
DOS
Disk Operating System
GMA
Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik
HS
Hochschule
IORI
Innere Orientierung
MPA
Materialprüfanstalt für Werkstoffe und Produktionstechnik
PHAUST
Photogrammetrische AuswerteSTation
RMS
Root Mean Square (quadratisches Mittel)
VDE
Verband der Elektrotechnik und Informationstechnik e. V.
VDI
Verein deutscher Ingenieure e. V.
73
Anhang
Anhang Inhalt der beigelegten DVD Verzeichnis
Datei
Beschreibung
Diplomarbeit
DA_ChReiter.pdf
PDF der Diplomarbeit
*.bmp
Messbilder
P_NikonD2Xs_HSBO.pdf
Protokolle aus der
P_NikonD2Xs_INVERS.pdf
Auswertung mit
Fotos …/Nikon D2Xs_HSBO …/Nikon D2Xs_INV …/Rollei D7 …/Canon IXUS 75 …/Nokia N73 Protokolle …/PHAUST+CAP
PHAUST + CAP
…/PHAUST Assist+CAP
PA_NikonD2Xs_HSBO.pdf
Protokolle aus der
PA_NikonD2Xs_INVERS.pdf
Auswertung mit PHAUST Assist + CAP
…/AICON
A3D_NikonD2Xs_HSBO.pdf
Protokolle aus der
A3D_NikonD2Xs_INVERS.pdf
Auswertung mit
A3D _RolleiD7.pdf
AICON 3D Studio
A3D _CanonIXUS75.pdf A3D _NokiaN73.pdf
…/Eichprotokoll
Eichprotokoll.pdf
Beispiel eines Eichprotokolls
74
Anhang
Verzeichnis
Datei
Beschreibung
IORI_Parameter.pdf
Parameter der Inneren Orientierung
Stabw_IORI.pdf
Diagramme zum Vergleich der Standardabweichungen der Inneren Orientierung
Vergleich_Koord_Kam.pdf
Diagramme und Graphiken zum Vergleich der Objektkoordinaten
Vergleich_IORI.pdf
Diagramme und Graphiken zum Vergleich der Parameter der IORI
Vergleich_Koord_Sys.pdf
Diagramme und Graphiken zum Vergleich der Objektkoordinaten
Längenmessabweichung.pdf
Diagramme und Graphiken zum Vergleich der Längenmessabweichungen
Vergleiche …/Kamerasysteme
…/photogramSysteme
…/VDIVDE_2634
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