Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie (PAK) · Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie (PAK)...

Photogrammetrie & FernerkundungProf. Dr.-Ing. U. Stilla

AusgewAusgewäählte Kapitel der Photogrammetrie (PAK)hlte Kapitel der Photogrammetrie (PAK)2011 WS2011 WS

MehrmedienphotogrammetrieMehrmedienphotogrammetrie -- BeobachtungBeobachtung im Wasserim Wasser

Studentische Ausarbeitungvon

Daniel Banfi

Banfi (2012-03-30) PAK: Mehrmedienphotogrammetrie 2

GliederungGliederung

1 Motivation

2 Mehrmedienphotogrammtrie

2.1 Lichtbrechung an Trennflächen

2.2 Modell des Strahlengangs

2.3 Berechnung des Lagenversatzes

2.4 Allgemeine Fehlereinflüsse

3 Unterwasser-Photogrammetrie

3.1 Unterwasser-Objektive

3.2 Fehlereinflüsse der Unterwasser-Photogrammetrie

4 Beispiel: Dokumentation eines Schiffswracks

4.1 Aufnahmebedingungen und verwendete Technik

4.2 3D - Rekonstruktion

5 Fazit


1 Motivation (1)1 Motivation (1)

Archäologie: Dokumentation von Schiffswracks [Höhle, 1971]

[Höhle, 1971]

Unbearbeitetes Bildmaterial des Schiffswrack

Entzerrung und Koregistrierung des Bildmaterials

Lagerichtige digitale Darstellung des Schiffswracks

Digitale Karte als Grundlage zur Planung weiterer wissenschaftlicher Forschung


1 Motivation (2)1 Motivation (2)

Kartographie: Herstellung von Küstenkarten [Elfick & Fryer, 1984]

Industrieanlagen: Deformationsmessungen an Kernbrennstäben[Przybilla et al., 1988]

[Przybilla et al., 1988 ]

Automatische Überwachung des physikalischen Zustands der Kernbrennstäbe (FA)

Bildaufnahme und -analyse im Kühlbecken (SP) in kurzer Zeit

Berührungsfreie Dokumentation mit Unterwasserkamera (UH) im laufenden Kernkraftsbetrieb


2 2 MehrmedienphotogrammetrieMehrmedienphotogrammetrie (1)(1)

Photogrammetrisches Abbildungsmodell

Einmedien-Modell

Annahme der Koliniarität zwischen Objektpunkt, Projektionszentrum und Bildpunkt

Erfassung von Korrekturpara-meterim Bildraum für sensor- und objektivbedingte Abweichungen

O : Projektionszentrum Z0 : EntfernungvonObjektebenezumProjektionszentrumP : Objektpunkt R : RadiuszwischenNadir−undObjektpunkt


2 2 MehrmedienphotogrammetrieMehrmedienphotogrammetrie (2)(2)

Photogrammetrisches Abbildungsmodell

Mehrmedien-Modell

Abbildungsstrahlen durch-dringenmehrere Medien unterschiedlicher Brechungszahl

Änderung des Strahlenverlaufs entsprechend der Brechungs-zahlder Medien

Anwendung eines funktionalen Modells zur Objektrekonstruk-tiondurch mehrere optische Trennflächen

[Mass, 1992]


2.1 Lichtbrechung an Trennfl2.1 Lichtbrechung an Trennfläächenchen

□ Optische Trennflächen in der Photogrammetrie

○ Glaswände im Objektraum

○ Objektaufnahme unter oder durch Wasser

○ Objektseitig aufgesetzte Filter

○ Objektiv (Dome Port, Fish-Eye)

□ Geometrie optischer Trennflächen :

○ Ebene im Raum

○ Flächen zweiter Ordnung (Kugel, Ellipsoid)

○ Wellenförmige Oberflächen


2.2 Modell des Strahlengangs (1)2.2 Modell des Strahlengangs (1)

□ Einfaches Mehrmedienmodell unter Annahme:

○ Ebene Trennflächen

→ unebene Trennflächen erschweren Berechnung von Ein- und Ausfallswinkel

○ Parallel zur Bildebene angeordnete Trennflächen

→ Bei nicht paralleler Trennfläche kein senkrechtes Auftreffen des Nadir-Sichtstrahl

→ Brechung des Nadir-Sichtstrahls bei nicht paralleler Trennfläche und somit Nadirpunkt a-priori nicht bekannt

→ Berechnung des Lageversatzes durch nicht parallele Trennfläche aufwendiger und rechenintensiver

○ Berechnung des Lageversatzes unter Annahme von Wasserschichten mit gleich bleibenden Brechungsindizes


2.2 Modell des Strahlengangs (2)2.2 Modell des Strahlengangs (2)

□ Einfaches Mehrmedienmodell

O (X 0 ,Y 0 ,Z 0 ): ProjektionszentrumN (X0 ,Y 0 ,0): NadirpunktP (XP,Y P ,Z P): ObjektpunktP (XP,Y P,Z ): radialverschobener

ObjektpunktPB (XB,Y B ,ZB ): Brechpunkt

R=√X 2+Y2 : RadiusinX /Y−Ebenen1 ,n2 ,n3 : Brechungsindizesβ1 ,β2 ,β3 : Ein−undAusfallswinkel

[Mass, 1992]


2.3 Berechnung des Lageversatzes (1)2.3 Berechnung des Lageversatzes (1)

□ aus dem Mehrmedienmodell ergibt sich

□ Snellius-Gesetz

□ Lösung durch trigonometrische Funktionen nicht möglich→ iteratives Vorgehen mit als ersten Näherungswert für

○ Einfallswinkel im 1. Medium

Z0⋅tan β1+t⋅tan β2+ZP⋅tan β3=RR=(Z0+t+ZP )⋅tan β1

n1⋅sin β1=n2⋅sin β2=n3⋅β3

P P

R (0 )=√(XP−X 0)2+(Y P−Y 0 )2

β1=atan( R (0 )

Z0+t+ZP )



○ Ein- und Ausfallwinkel der weiteren Medien (nach Snellius)

○ Korrektur für zur Objektrekonstruktion

○ Iteration bis Korrektur einen kleinen Wert erreicht

○ Berechnung der korrigierten kartesischen Koordinaten über

β2=asin(n1

n2⋅sin β1) β3=asin( n1

n3⋅sin β1)

ΔR=R−R (0 )=R−(Z0⋅tan β1+t⋅tan β2+ZP⋅tan β3)

R (1 )=R (0)+ΔR ΔR<ε z .B . ε=0 .001m

R

X P=X0+(XP−X 0 )⋅RR , Y P=Y 0+(Y P−Y 0 )⋅

RR , Z P=ZP

R (0 )



□ Lookup-Tabelle: Verringerung des Rechenaufwands bei langen Bildsequenzen

Lookup-Tabelle im Bild

Berechnung korrigierter kartesischer Koordinaten um Nadirpunkt N

Bilinieare Interpolation für alle weiteren Punkte des Bildes

N


2.4 Allgemeine Fehlereinfl2.4 Allgemeine Fehlereinflüüsse (1)sse (1)

□ Aberration:→ Auf Medium Luft optimiertes Kamerasystem ungeeignet für Mehrmediensystem; bewirkt unscharfes oder verzerrtes Bild

□ Dispersion:→ unterschiedliche Brechung (Ausbreitungsgeschwindigkeit) der Lichtwellenlängen im Medium verringert Auflösung des Bildes

□ Restinhomogenitäten:→ variierende Brechungszahl im Medium (z.B. Temperatur oder Druckänderung im Wasser) verfälscht Berechnung des Lageversatzes


2.4 Allgemeine Fehlereinfl2.4 Allgemeine Fehlereinflüüsse (2)sse (2)

Planheit der optischen Trennfläche:→ Unebenheiten der optischen Trennfläche (z.B. Wellen, unebene Glasoberfläche) verfälscht berechneten Einfallswinkel

Extinktion:→ Schwächung der Lichtausbreitung durch Absorption oder Diffusion im Medium verringert den Objektkontrast


3 3 UnterwasserUnterwasser--PhotogrammetriePhotogrammetrie

□ Voraussetzungen für die Unterwasser-Photogrammetrie

○ Weitwinkelobjektiv mit Brennweite von 13-20 mm

○ Weitwinkelobjektiv mit Dome-Port oder Fish-Eye Aufsatz

○ Modifizierung des Weißabgleichs bei digitalen Kameras oder Verwendung spezieller Unterwasserfilmen zur Vermeidung von Blaustich in Bildaufnahmen

○ Verwendung künstlicher Lichtquellen (Blitzlicht / Lampe) zur Verbesserung des Objektkontrast und Verringerung des Blaustichs


3.1 Unterwasser3.1 Unterwasser--Objektiv (1)Objektiv (1)

Weitwinkelobjektiv: Abbildungsmodell

Weitwinkelobjektiv

Lichtbrechung lässt aufgenom-mene Objekte größer und näher erscheinen

Entstehen von Farbrändern durch Abberation

Verringerte Brennweite (38mm → 50 mm) und Tiefenschärfe durch Lichtbrechung

[Lenman, 2005]


3.1 Unterwasser3.1 Unterwasser--Objektiv (2)Objektiv (2)

Dome Port: Abbildungsmodell

Dome Port

Optimierung der Bildaufnahme bei Weitwinkelobjektiv

Realisierung des Strahlenverlaufs eines Einmedienmodells

Verringerung des Einflusses der Abberration

Zusätzliche Kosten (200–800 €)[Lenman, 2005]


3.2 Fehlereinfl3.2 Fehlereinflüüsse der sse der UnterwasserUnterwasser--PhotogrammetriePhotogrammetrie (1)(1)

Optische Eigenschaften des Wassers

○ Brechungsindex abhängig von Wellenlänge (Dispersion)→ komplexes Zusammenspiel mehrerer Faktoren (z.B. Temperatur, Salzgehalt, Wassertiefe) bewirkt Änderung des Strahlenverlaufs

[Höhle, 1971]

Lineare Zunahme des Brechungsindex ab ca. 4000 m Wassertiefe

Einfluss der Wassertiefe auf photogrammetrische Aufnahme nur bei großer Tiefendifferenz





[Höhle, 1971]

Lineare Anstieg der Lichtbrechung entsprechend dem Salzgehalt

Großer Einfluss auf photogram-metrische Aufnahme bei Wasserschichten unterschied-lichenSalzgehalts





[Höhle, 1971]

Logarithmische Zunahme des Brechungsindex bei steigender Wassertemperatur

Großer Einfluss des Brechungs-indexesbei Unterwasserauf-nahmen in Wasserschichten unterschiedlicher Temperatur



○ Lichtdurchlässigkeit

Schwebeteilchen und Absorption verringern Sichtbarkeit entfernter Objekte

[Höhle, 1971]



○ Lichtdurchlässigkeit

Kontrastminderung von Objekten durch Streuung

Streuungskoeffizient im blauen kurzwelligen Bereich gering

Mit zunehmender Entfernung wirken Objekte blauer

[Höhle, 1971]



○ Schwächungslänge (Extinktion)

[Höhle, 1971]

Schwächungslänge ist die Summe aus Absorption und Streuung

Zurückgelegte Entfernung, bei der Lichtstrom um einen Faktor verringert wird

Geringe Schwächungslänge im blauen Lichtwellenspektrum lässt Wasser blau erscheinen

Sichten über 30 Meter im Wasser nur bei sehr guten Licht- und Wasserverhältnissen


4 Beispiel: Dokumentation eines Schiffswracks4 Beispiel: Dokumentation eines Schiffswracks

□ Dokumentation eines Schiffswracks

○ Ausgangssituation→ Handzeichnungen und Foto-Dokumentation

○ Zielvorgabe→ 3D-Rekonstrution

[Korduan P et al., 2003]


4.1 Aufnahmebedingungen und verwendete Technik4.1 Aufnahmebedingungen und verwendete Technik

□ Verwendung eines Dom-Ports bei Aufnahme des Schiffswracks, um Lichtbrechung weitestgehend zu unterbinden

□ Verwendung einer handelsüblichen Unterwasserkamera

□ Verwendung von Fluchtstäben und Maßbändern zur Bestimmung der Orientierung und des Maßstabs

□ Bildaufnahme im Sommer wegen bessere Lichtverhältnisse

□ Zuhilfenahme von Blitzlicht für Verbesserung der Lichtverhältnisse

□ Aufstellung von Netzen, um schlechte Sicht durch sich ablagernden Mulch zu verhindern


4.2 3D 4.2 3D -- RekonstruktionRekonstruktion

3D-Rekonstruktion als Dokumentation des Schiffswracks

[Korduan et al., 2003]


5 Fazit5 Fazit

Einsatz der Unterwasser-Photogrammetrie, wenn Kamerakalibrierung durch Kalibriertafel nicht möglich (z.B. Flugaufnahme der Küstentopologie)

Berührungsfreie Vermessung von Objekten

Keine Beschädigung von Schiffwracks

Keine Zugangsmöglichkeit (Kühlbecken des Kernkraftwerks)

Dokumentation und Forschung an versunkener Schiffen ohne weitere Tauchgänge zum Wrack

Verwendung in der Tiefseebohrung zum Aufbau und Dokumentation der Anlagen


ZusammenfassungZusammenfassung

Einführung in die Mehrmedienphotogrammetrie (MMP)

Aufzeigen von photogrammetrischen Anwendungen, um an das Thema MMP heranzuführen

Unterscheidung zwischen dem Einmedien-Modell (Zentralperspektive) und Mehrmedien-Modell

Darstellung eines einfachen Mehrmedienmodells sowie Berechnung des Lageversatzes von Bildpunkten

Allgemeine Beschreibung von Fehlereinflüssen in der MMP

Einführung in die Unterwasser-Photogrammetrie (UWP)

Aufzählung der Voraussetzungen für die UWP

Beschreibung der Linsensysteme der UWP (Weitwinkel und Dome-Port)

Diskussion der Fehlereinflüsse der UWP

Darstellung der UWP anhand einer Schiffswrack-Dokumentation


LiteraturLiteratur

Elfick M, Fryer J (1984) Mapping in Shallow Water. Australien. Newcastle: International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, Jahrgang 25, Band A5 S. 240-247

Höhle J (1971) Zur Theorie und Praxis der Unterwasser-Photogrammetrie. München: Beck

Korduan P, Förster T, Obst R (2003) Unterwasser-Photogrammetrie zur 3D-Rekonstruktion des Schiffswracks "Darßer Kogge". Rostock: Photogrammetrie Fernerkundung Geoinformation, Jahrgang 2003, Band 5, S. 373 - 381.

Lenman R (2005) The Oxford Companion to the Photograph. Oxford: Oxford University Press

Luhmann T (2010) Nahbereichsphotogrammetrie – Grundlagen, Methoden und Anwendungen. Berlin: Wichmann, 3. Auflage

Maas H-G (1992) Digitale Photogrammetrie in der dreidimensio-nalenStrömungsmeßtechnik. ETH Zürich: Dissertation Nr. 9665

Mass H-G (2001) New developments in Multimedia Photogrammetry, EidgenössischeTechnische Universität Zürich, Institut für Geodäsie und Photogrammetrie, technischerBericht

Przybilla H-J, Kotowski R, Meid A, Weber B (1988) Geometric Quality Control in Nuclear Power Stations - a Procedure for High Precision Underwater Photogrammetry. Essen: International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, Jahrgang 27, Band B5, S. 513-52


LernzieleLernziele

Prinzip der Mehrmedienphotogrammetrie an Beispielen erklären

Unterschied zwischen Einmedien-Modell (Zentralperspektive) und Mehrmedien-Modell verstehen und beschreiben

Optische Trennflächen im Zusammenhang mit photogrammetrischen Aufnahmen kennen

Modell des Strahlengangs für ebene parallele Trennflächen verstehen und vorgestellten Ansatz zur iterativen Berechnung des Lageversatzes umsetzen (programmieren)

Fehlereinflüsse in der Mehrmedienphotogrammetrie beschreiben

Analyse und Bewertung des Geräteeinsatzes (Domeport) und der Fehlereinflüsse in der Unterwasser-Photogrammetrie

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