13
Technische Universität München Photogrammetrie & Fernerkundung Prof. Dr.-Ing. U. Stilla Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie (PAK) 2011 WS Nahbereichsphotogrammetrie: Streifenprojektion Studentische Ausarbeitung von Fabian Reidl Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion 2 [Gühring, 2002] Streifenprojektion – Motivation

Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie (PAK) 2011 WS · Technische Universität München Photogrammetrie & Fernerkundung Prof. Dr.-Ing. U. Stilla Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie

  • Upload
    lyliem

  • View
    216

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie (PAK) 2011 WS · Technische Universität München Photogrammetrie & Fernerkundung Prof. Dr.-Ing. U. Stilla Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie

Technische Universität München

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

Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie (PAK)2011 WS

Nahbereichsphotogrammetrie: Streifenprojektion

Studentische Ausarbeitung

von

Fabian Reidl

Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion 2

[Gühring, 2002]

Streifenprojektion – Motivation

Page 2: Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie (PAK) 2011 WS · Technische Universität München Photogrammetrie & Fernerkundung Prof. Dr.-Ing. U. Stilla Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie

Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion

Streifenprojektion – Motivation

[http://www.mi.hs-rm.de, 2012]

3

Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion

Streifenprojektion – Gliederung

Aktive Triangulation

Messprinzip

Messprinzip der Streifenprojektion

Phasenmessende Triangulation

Phasen-Schiebe-Verfahren

Verstetigung der Phasenverteilung

• Gray-Code-Verfahren

• Verfahren der Farbkodierung

• Mehrwellenlängen-Verfahren

Registrierung

Messgenauigkeit

Anwendungsbeispiele

4

Page 3: Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie (PAK) 2011 WS · Technische Universität München Photogrammetrie & Fernerkundung Prof. Dr.-Ing. U. Stilla Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie

Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion

Streifenprojektion – Aktive Triangulation

Messprinzip

Arten von aktiver Triangulation

Einzelpunkt

Bewegung vertikal und horizontal

notwendig

Linienschnitt

Bewegung vertikal oderhorizontal notwendig

Flächenmessung

Bewegung entfällt

[Gühring, 2002]

5

Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion

Streifenprojektion – Aktive Triangulation

Messprinzip

Punktbestimmung beim Linienschnitt

→ äußere und innere Orientierung bekannt

→ relative Orientierung bekannt

→ Triangulationsbasis bekannt

=> Punktbestimmung über räumlichen Vorwärtsschnitt

(Kollinearitätsgleichungen):

x' + vx' = f (X 0 ,Y 0 ,Z0 ,ω,φ,κ,x'0 ,c,sx ,X,Y,Z )

y' + vy' = f (X 0 ,Y 0 ,Z0 ,ω,φ,κ,y'0 ,c,sy ,X,Y,Z )

6

[http://www.qm-infocenter.de, 2012]

Page 4: Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie (PAK) 2011 WS · Technische Universität München Photogrammetrie & Fernerkundung Prof. Dr.-Ing. U. Stilla Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie

Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion

Streifenprojektion – Aktive Triangulation

Aufnahmeprinzip der Streifenprojektion (Flächenmessung)

7

[http://www.qm-infocenter.de, 2012]

Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion

Korrespondenzproblem:

→ Zuordnung des entsprechenden Streifens zum Bildpunkt

Streifenprojektion – Aktive Triangulation

„Aufgabe, identische Objektmerkmale in mehreren Bildern zu identifizieren und einander zuzuordnen“

8

Page 5: Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie (PAK) 2011 WS · Technische Universität München Photogrammetrie & Fernerkundung Prof. Dr.-Ing. U. Stilla Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie

Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion

Phasen-Schiebe-Verfahren

Φ = arctan( I 90−I 270

I 0− I 180 )

Streifenprojektion – Phasenmessende Triangulation

9

sinusförmiges Muster wird phasenverschoben auf Objekt projiziert

(i.d.R. 4 Aufnahmen => Verschiebung um π/2)

↓für jeden Bildpunkt werden 4 Intensitätswerte

ermittelt (I0, I90, I180, I270)

↓gesuchte Phasenlage:

[SAC, 2009]

Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion

Phasen-Schiebe-Verfahren

Streifenprojektion – Phasenmessende Triangulation

→ subpixel genau, ABER ...

→ Probleme:

Mehrdeutigkeit (2π-periodisch)

Phasensprünge bei Kanten und Stufen

10

Page 6: Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie (PAK) 2011 WS · Technische Universität München Photogrammetrie & Fernerkundung Prof. Dr.-Ing. U. Stilla Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie

Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion

Verstetigung der Phasenverteilung

Ziel: Lösen der Mehrdeutigkeit

Methoden:

• Gray-Code-Verfahren

• Verfahren der Farbkodierung

• (Mehrwellenlängenverfahren)

Streifenprojektion – Phasenmessende Triangulation

11

Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion

Verstetigung der Phasenverteilung

Gray-Code-Verfahren

Streifenprojektion – Phasenmessende Triangulation

12

n codierte Streifenmuster werden auf Objekt projiziert

↓jedem Bildpunkt wird n-stelliger Gray-

Code zugewiesen

↓Cray-Code wird in Binär-Code

umgewandelt

[Gühring, 2002]

Page 7: Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie (PAK) 2011 WS · Technische Universität München Photogrammetrie & Fernerkundung Prof. Dr.-Ing. U. Stilla Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie

Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion

Verstetigung der Phasenverteilung

Gray-Code ↔ Binär-Code

Streifenprojektion – Phasenmessende Triangulation

13

[Gühring, 2002]

Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion

Verstetigung der Phasenverteilung

Gray-Code ↔ Binär-Code

Streifenprojektion – Phasenmessende Triangulation

14

Page 8: Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie (PAK) 2011 WS · Technische Universität München Photogrammetrie & Fernerkundung Prof. Dr.-Ing. U. Stilla Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie

Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion

Verstetigung der Phasenverteilung

Gray-Code ↔ Binärcode

Streifenprojektion – Phasenmessende Triangulation

15

Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion

Verstetigung der Phasenverteilung

Gray-Code ↔ Binärcode

→ Graycode robuster

→ eindeutige Streifennummer nur mittels Binärcode

Streifenprojektion – Phasenmessende Triangulation

16

Page 9: Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie (PAK) 2011 WS · Technische Universität München Photogrammetrie & Fernerkundung Prof. Dr.-Ing. U. Stilla Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie

Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion

Verstetigung der Phasenverteilung

Gray-Code-Verfahren

Streifenprojektion – Phasenmessende Triangulation

17

n codierte Streifenmuster werden auf Objekt projiziert

↓jedem Bildpunkt wird n-stelliger Gray-

Code zugewiesen

↓Cray-Code wird in Binär-Code

umgewandelt

↓Streifennummer eindeutig identifiziert

[Gühring, 2002]

Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion

Verstetigung der Phasenverteilung

Kombination: Gray-Code- und Phasen-Schiebe-Verfahren

Streifenprojektion – Phasenmessende Triangulation

18

Page 10: Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie (PAK) 2011 WS · Technische Universität München Photogrammetrie & Fernerkundung Prof. Dr.-Ing. U. Stilla Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie

Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion

Verstetigung der Phasenverteilung

Verfahren der Farbkodierung

Streifenprojektion – Phasenmessende Triangulation

19

ein farbkodiertes Streifenmuster wird auf Objekt projiziert

↓Farbkamera kann einzigartige

Teilmuster identifizieren

↓jeder Farbstreifen kann eindeutig

zugeordnet werden

↓Streifennummer eindeutig identifiziert

[Curles et. al., 2003]

Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion

Streifenprojektion – Registrierung

20

I.d.R. mehrere Scans, um Objekt vollständig zu erfassen

=> Registrierung notwendig

Lösungsansätze

Bündelblock-Ausgleichung

ICP-Algorithmus

[www.dental-cad-cam-shop.com, 2012]

Page 11: Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie (PAK) 2011 WS · Technische Universität München Photogrammetrie & Fernerkundung Prof. Dr.-Ing. U. Stilla Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie

Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion

Streifenprojektion – Messgenauigkeit

21

Einflussgrößen

mathematisches Modell (Ausgleichungsmodell)

Kalibriergenauigkeit

Phasenmessgenauigkeit

Messobjekt (Material, Reflexion, Oberflächenform, … )

Faustformel: σ = 1/10.000 der Messfeldlänge/-breite [Bauer, 2008]

Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion

Streifenprojektion – Messgenauigkeit

Systembeispiele

22

Atos III(GOM)

Comet 5(Steinbichler)

Messabstand < 1350 mm < 1700 mm

Messfeld 550 x 550 mm²bis1000 x 1000 mm²80 x 80 mm²

bis800 x 800 mm²

Messgenauigkeit 0.06 – 0.10 mm 0.01 – 0.08 mm

[www.gom.com, 2012] [www.steinbichler.de, 2012]

Page 12: Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie (PAK) 2011 WS · Technische Universität München Photogrammetrie & Fernerkundung Prof. Dr.-Ing. U. Stilla Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie

Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion

Qualitätskontrolle

Reverse Engineering

Medizin

Forensik

Kunsthistorische Objekte

Body-Scan

...

Streifenprojektion – Anwendungsbeispiele

23

[Piaseczki, 2009]

Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion

Literatur

Driessen S (2008) Faseroptisches Streifenprojektionssystem zur Inline-Erfassung von 3D-Oerflächengeometrien für die Mikromontage. Aachen: Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Fakultät für Maschinenwesen, Dissertation

Gühring J (2002) 3D-Erfassung uund Objektrekonstruktion mittels Streifenprojektion. Stuttgart: Universtiät Stuttgart, Fakultät für Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie,Institut für Photogrammetrie, Dissertation

24

Özkul M, Becker T (2009) Qualitätssichernde Messverfahren zur Detektion von Oberflächenmerkmalen in der Automobilindustrie. Allgemeine Vermessungs-Nachrichten, 2009(07)

Wiora G (2001) Optische 3D-Messtechnik: Präzise Gestaltvermessung mit einem erweiterten Streifenprojektionsverfahren. Heidelberg: Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, Naturwissenschaftlich-Mathematische Gesamtfakultät, Dissertation

Page 13: Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie (PAK) 2011 WS · Technische Universität München Photogrammetrie & Fernerkundung Prof. Dr.-Ing. U. Stilla Ausgewählte Kapitel der Photogrammetrie

Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion

Piaseczki A (2009) Streifenprojektion: Neuer Ansatz für Standardbildverarbeitungssysteme zur 100% Kontrolle von diffusenOberflächen. Stuttgart: Vision-Messe 2009, Vortrag

Curless B, Seitz S, Zhang Li (2003) Rapid Shape Acquisition Using Color Structured Light and Multi-pass Dynamic Programming. Seattle: University of Washington, Department of Computer Science and Engineering.

Internetquellen:

http://www.dental-cad-cam-shop.com (letzter Zugriff: 29.01.2012)

www.gom.com (letzter Zugriff: 29.01.2012)

http://www.qm-infocenter.de (letzter Zugriff: 29.01.2012)

www.steinbichler.de (letzter Zugriff: 29.01.2012)

25

Literatur

Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion

aktives Triangulationsverfahren verstehen

Messprinzip der Streifenprojektion verstehen

Ziel: korrespondierenden Streifen zu Bildpunkt ermitteln

Prinzip des Phasen-Schiebe-Verfahren verstehen sowie das dabei vorhandene Problem erkennen

Notwendigkeit der Verstetigung der Phasenmessung mittels Gray-Code, Farb-Code oder Mehrwellenlängen-Verfahren erkennen

Vor- und Nachteile von Gray- und Binär-Code kennen

Abhängigkeit der Messgenauigkeit von verschiedenen Faktoren erkennen

Streifenprojektion – Lernziele

26