BSc: Waldinventur und Fernerkundung I

Axel Buschmann Abteilung Waldinventur und Fernerkundung

Stereoskopisches Sehen Allgemeine Grundlagen und Anwendungen in der Luftbild-Fernerkundung

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B.Sc. 4. Semester

Stereoskopisches Sehen

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Gliederung • Natürliches stereoskopisches Sehen des Menschen • Erweiterung des Tiefenunterscheidungsvermögens • Künstliches stereoskopisches Sehen • Umsetzung in der Luftbild-Fernerkundung - Stereobildpaar - Bildorientierung - Bildtrennung - Stereoskope (Übung `Sehtest´) - Anaglyphenbilder (Übung `Geländeanalyse´) - Polarisationsverfahren - Wechselblendenverfahren 2 • Literaturtips

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Natürliches stereoskopisches Sehen des Menschen - Beidäugige Wahrnehmung erlaubt räumliches Sehen und Orientierung im Raum - Auch einäugig sind Entfernungsschätzungen etc. möglich, jedoch nur in Verbindung mit Erfahrungswerten

- Natürliches räumliches Sehen ermöglicht durch Aufnehmen zweier perspektivisch verschiedener Bilder über die Augen Augenabstand bzw. Augenbasis (ca. 6,5cm) 3

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Konvergenzwinkel γ

Betrachtung eines einzelnen Punktes: - Ausrichtung beider Augen auf den zu betrachtenden Punkt P - Die Augenachsen schneiden sich in P und bilden den Konvergenzwinkel γ - Gleichzeitig erfolgt Scharfeinstellung des Punktes durch Veränderung der Linsenbrennweite - Lichtstrahlen fallen von P aus auf die Netzhäute beider Augen 4

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Parallaxe ∆p Betrachtung mehrerer Punkte bzw. räumlicher Objekte: - Punkte, die unter gleichem Konvergenzwinkel betrachtet werden (P, Q), werden auf Netzhäuten im gleichen Abstand abgebildet: Empfindung `gleich weit weg´ - Verschiedene Konvergenzwinkel (Q, R) werden auf Netzhäuten in unterschiedlichem Abstand abgebildet: Empfindung von Raumtiefe - Abbildungsdifferenzen = Parallaxen - Mit Parallaxen versehene Bilder eines Objektes werden im Gehirn zu einem virtuellen räumlichen ? 5 Modell fusioniert

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Einschränkungen der menschlichen Raumwahrnehmung - Augenachsen nur in der Horizontalen gegeneinander (konvergierend) schwenkbar, nicht divergierend über 90° zur Augenbasis hinaus - In vertikaler Richtung Abweichung der Augenachsen unmöglich

- Stereoskopisches Sehvermögen auf Blickebene beschränkt - Stereoskopisches Sehvermögen in Blickebene auf stereoskopisches Feld beschränkt (max. Horizontalparallaxe) - Grenzentfernung (Differenz der Konvergenzwinkel zu klein) 6

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Erweiterung des Tiefenunterscheidungsvermögens

- Über Erweiterung der naturgemäß kleinen Augenbasis b kann räumliche Wahrnehmung gesteigert werden - Instrumente (z.B. Scherenfernrohr, Feldstecher) vergrößern b auf b‘ - Wahrnehmung von Konvergenzwinkel-Differenzen (=Parallaxen) wird verstärkt - Somit auch in größerer Entfernung n-fach stärkere Tiefenwahrneh7 mung (entsprechend Verhältnis b‘ : b)

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Künstliches stereoskopisches Sehen Prinzip: Gleichzeitige, aber getrennte Zuführung zweier aus unterschiedlicher Position aufgenommener Abbildungen in definierter Anordnung zueinander • Zwei Abbildungen aus unterschiedlicher Position

Stereobildpaar mit inherenten Horizontalparallaxen

• In definierter Anordnung zueinander

Bildorientierung für störungsfreie Betrachtung (ohne Divergenz und Vertikalparallaxen)

• Gleichzeitige, aber getrennte Zuführung

Betrachtung über Instrumente, die getrennte Zuführung der Bildinhalte erlauben 8

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Bildtrennung ohne Hilfsmittel - Nützlich, falls keine Instrumente zur Verfügung stehen - Erfahrene Luftbildauswerter haben diese Fähigkeit, mit jeweils einem Auge nur eines der Bilder zu betrachten Æ Stereo-Effekt - Schwierigkeit bei simultaner getrennter Einzelbildbetrachtung: Kopplung von Konvergenz ( = Augenachsenausrichtung) und Akkomodation ( = Fokussierung auf gleiche Entf.) durch Gewöhnung - Fähigkeit kann jedoch trainiert werden - Probleme bei Augenschäden (z.B. versetzte Augenachsen)

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Umsetzung des Prinzips des künstlichen stereoskopischen Sehens in der Luftbild-Fernerkundung • Zwei Abbildungen aus unterschiedlicher Position: Verwendung zweier hintereinander und mit Längsüberdeckung aufgenommener Luftbilder

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Luftbilder enthalten perspektivische Abweichungen in Form von Horizontal- bzw. X-Parallaxen (bei Bildbetrachtung treten Augen an die Stelle der Kamera-Aufnahmepositionen) Dabei hängt Intensität der wahrgenommenen Tiefeneindrücke vom Verhältnis Aufnahmebasis/Flughöhe ab Grund: Aufnahmebasis wird durch Bildtrennung quasi zur `erweiterten Augenbasis´

Je größer die Aufnahmebasis bei der Befliegung, umso stärker ausgeprägt die Übersteigerung der Tiefenwahrnehmung (bei konstanter Bildüberlappung und Flughöhe über Grund) 11

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Umsetzung des Prinzips des künstlichen stereoskopischen Sehens in der Luftbild-Fernerkundung • Definierte Anordnung der Bilder zueinander: Orientierung des Luftbildpaares nach Kernstrahlen für einfachere stereoskopische Auswertungen (z.B. Höhenmessungen) Voraussetzung: Senkrechtaufnahmen mit annähernd gleichem Maßstab

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Umsetzung des Prinzips des künstlichen stereoskopischen Sehens in der Luftbild-Fernerkundung • Gleichzeitige, aber getrennte Zuführung der Bilder zu den Augen: (1) Spiegelstereoskop

- Vergrößerung der Augenbasis b durch Spiegelungen - Variable Vergrößerungen - Problemloses Nebeneinanderlegen von Luftbildpaaren 13

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(2) Taschenstereoskop

- Vergrößerungen möglich (≈2-5fach) - Problematisch: Aufgrund geringer Größe des Stereoskops kann Luftbildpaar nicht nebeneinander ausgelegt werden; Streifenweise Auswertung mit `Wegklappen´ störender Überlappungen - Für Geländearbeiten geeignet 14

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Anwendungsbereiche des künstlichen stereoskopischen Sehens in der Luftbild-Fernerkundung • Meßaufgaben (Photogrammetrie) - Objekthöhen (z.B. Bäume) Hilfsmittel: Stereomikrometer - Länge linienhafter Objekte in bewegtem Gelände -… • Interpretationsaufgaben - Klassifizierung von Baumkronenzuständen - Landschaftsökologische Untersuchungen (Waldrandstufen o.ä.) - Biotopkartierungen (Ausscheidung Biotop- und Nutzungstypen) -… 15

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Praxisteil I: Test der stereoskopischen Sehfähigkeit

Verwendung einer Prüftafel Bei vorhandener stereoskopischer Sehfähigkeit stellt sich Raumeindruck in der Stereoskop-Betrachtung ein Aufgabe: Feststellung der `Tiefenreihenfolge´ der einzelnen Teilobjekte in den geometrischen Figuren 16

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Umsetzung des Prinzips des künstlichen stereoskopischen Sehens in der Luftbild-Fernerkundung • Gleichzeitige, aber getrennte Zuführung der Bilder zu den Augen: (3) Anaglyphenverfahren - Orientiertes Stereobildpaar in zwei komplementären Farben (meist rot und grün) übereinandergedruckt - Über komplementärfarbene Filterbrille erfolgt Bildtrennung für die Augen (R-G-Brille) - Gleichfarbene Bilder werden jeweils gelöscht (ausgefiltert), so daß jedes Auge nur eines der Bilder aufnimmt - Über die Fusion der beiden Einzelbilder mit ihren Horizontalparallaxen (= seitlicher Abstand korrespondierender roter und grüner Punkte) entsteht Raum17 eindruck

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Praxisteil II: Geländeanalyse im Anaglyphenbild Aufgaben: Betrachtung des Geländeausschnittes mit der Rot-Blau-Brille Erfassung der Geländeausformung im Raummodell Ermittlung von Exposition und Hangneigung für gekennzeichnete Teilflächen Ermittlung höchst- und tiefstgelegener Punkte des Geländeausschnittes

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Umsetzung des Prinzips des künstlichen stereoskopischen Sehens in der Luftbild-Fernerkundung • Gleichzeitige, aber getrennte Zuführung der Bilder zu den Augen: (4) Polarisationsverfahren - Prinzip ähnlich dem des Anaglyphenverfahrens - Bilder mit senkrecht zueinander polarisiertem Licht werden übereinander projiziert - Über Polarisationsfilterbrillen werden die Bilder getrennt (5) Wechselblendenverfahren - Stereobilder werden abwechselnd auf Bildschirm projiziert - Synchron dazu wird der Sehgang von den Augen zum Monitor abwechselnd blockiert - Dafür trägt der Betrachter eine spezielle Brille mit Wechselblenden (Wechselfrequenz: 120Hz)

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Literaturtips Huss, J. (Hrsg.), 1984: Luftbildmessung und Fernerkundung in der Forstwirtschaft. Wichmann, Karlsruhe. Hildebrandt, G., 1996: Fernerkundung und Luftbildmessung. Wichmann, Heidelberg.

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