Panorama-Photogrammetrie zur 3D-Objekterfassungrcsds627255/instpage/VL_100105.pdf · Panorama-Photogrammetrie zur 3D-Objekterfassung Dipl.-Ing. Danilo Schneider, Technische Universität

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Panorama-Photogrammetriezur 3D-Objekterfassung

Dipl.-Ing. Danilo Schneider, Technische Universität Dresden

Vorlesung Photogrammetrie III

Gliederung

I Panorama-Aufnahmeverfahren

II Digitale Panoramakamera

III Panorama-Photogrammetrie


Vorlesung Photogrammetrie III 10. Januar 2005

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I Panorama-Aufnahmeverfahren



Panorama-Aufnahmeverfahren


I Panorama-AufnahmeverfahrenII Digitale Panoramakamera


Was heißt Panorama ?


Pan – bedeutet „alle“, impliziert die Gemeinschaft, gemeinsame Beziehung oder Betrachtung

Panorama: 1. ungebrochene Ansicht eines ganzen umliegenden Bereichs. 2. umfassende Darstellung; Übersicht. 3. Ein Bild oder Serien von Bildern, die eine fortlaufende Szene darstellen.

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•• Als Werbebilder im Internet fAls Werbebilder im Internet füürr•• TourismusverbTourismusverbäändende•• GemeindenGemeinden•• HotelsHotels•• GastronomieGastronomie

•• ÜÜbersichtsbild in der Architekturbersichtsbild in der Architektur

•• Postkarten, Postkarten, ÜÜbersichtskarten, Prospektebersichtskarten, Prospekte

•• HobbyphotographieHobbyphotographie

•• Messbilder in der Messbilder in der PhotogrammetriePhotogrammetrie






Arten von Aufnahmegeometrien:

Abbildung auf eine EbeneAbbildung auf eine Ebene(Zentralprojektion)(Zentralprojektion)

Abbildung auf Abbildung auf einen Zylindereinen Zylinder

SphSphäärische rische AbbildungenAbbildungen




Panoramageometrien

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• Luftbildphotogrammetrie (militärische Erkundungsflüge)

• Aufnahme von Mond- und Planetenoberflächen

• terrestrische Anwendungen: Landschaften, Innenräume, Plätze, lange Fassaden

• vollständige Objekterfassung mit wenigen Aufnahmen

• hohe Auflösungen möglich (vgl. Flächensensoren)

Vorteile:






ScantechnikScantechnik(analog)(analog)

Def.: Zeilenweise Abbildung auf einen Zylindermantel





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360360°°--ScantechnikScantechnik(analog)(analog)

HorizonHorizon 202 (GUS)202 (GUS)

NoblexNoblex Pro 150 (Dresden)Pro 150 (Dresden)Seitz (Schweiz)Seitz (Schweiz)






Digital Panoramic Camera EyeScan M3

Hersteller: KST (Kamera & System Technik)

360360°°--ScantechnikScantechnik(digital)(digital)





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VorteileVorteile•• hohe Auflhohe Auflöösung (digital)sung (digital)•• ein homogenes Bild (feste Geometrie)ein homogenes Bild (feste Geometrie)•• Belichtungsangleichung bei Gegenlicht mBelichtungsangleichung bei Gegenlicht mööglichglich

NachteileNachteile•• Spezialkamera erforderlichSpezialkamera erforderlich•• Keine Aufnahmen von bewegten Objekten mKeine Aufnahmen von bewegten Objekten mööglichglich





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SpiegeltechnikSpiegeltechnikDefinition: Aufnahmen die über eine reflektierende Oberfläche auf einen Sensor projiziert werden.

0-360 Panoramic Optic™


Panorama-AufnahmeverfahrenI Panorama-Aufnahmeverfahren

II Digitale PanoramakameraIII Panorama-Photogrammetrie

Realisierung:Realisierung:

• sphärische Spiegel • parabolische Spiegel • hyperbolische Spiegel • elliptische Spiegel • konische Spiegel





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Panorama vom Mount Everest im Gasometer Leipzig

Informationen: http://www.8848everest.de

„das größte Panorama der Welt“ von Yadegar Asisi





Vorteile : Vorteile :

•• Keine Spezialkamera nKeine Spezialkamera nöötigtig•• EchtzeitaufnahmenEchtzeitaufnahmen

Nachteile :Nachteile :

•• Oft Oft „„schwierigeschwierige““ GeometrieGeometrie•• Geringe AuflGeringe Auflöösungsung•• Schlechte BelichtungsmSchlechte Belichtungsmööglichkeiten (nur glichkeiten (nur

eine Einstellung meine Einstellung mööglich)glich)

SpiegeltechnikSpiegeltechnik




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FisheyeFisheye--PanoramenPanoramen








Panoramakamera + Panoramakamera + FisheyeobjektivFisheyeobjektiv

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Panoramen aus Panoramen aus Einzelbildern Einzelbildern ((StitchingStitching))

Projektion auf Zylinder oder Kugel

Stitching automatisch/manuell

Radiometrische Überblendung

Zuschnitt des Panoramas





SoftwareSoftware

•• TheThe Panorama Panorama FactoryFactory•• Canon Canon PhotostitchPhotostitch

•• PanotoolsPanotools von Helmut Derschvon Helmut Dersch(auch als Plug(auch als Plug--In fIn füür Photoshop)r Photoshop)

•• QuicktimeVRQuicktimeVR (Apple) (Apple) •• PhotoVistaPhotoVista (MGI)(MGI)

VorteileVorteile

•• Flexible BilderstellungFlexible Bilderstellung•• Kein Stativ erforderlich Kein Stativ erforderlich •• Keine Spezialkamera Keine Spezialkamera

erforderlicherforderlich

NachteileNachteile

•• Keine homogene GeometrieKeine homogene Geometrie

StitchingStitching




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PanoramafilmPanoramafilm

Panoramafilme 360Panoramafilme 360°°x270x270°°Firma IMC (Firma IMC (ImmersiveImmersive Media Corp)Media Corp)USA Portland, Oregon USA Portland, Oregon




II Digitale Panoramakamera



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Digitale Panoramakamera



EYESCAN M3 (Kamera & System Technik GmbH)




Image data

Motor control

Optical fiber

Light source(180 W)

Lightning

Camera head

Turntable

Motor

Rotation axis


Digitale PanoramakameraI Panorama-Aufnahmeverfahren


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Panoramawinkel AnfangsrichtungName und Speicherort

der BilddateiIntegrationszeit

Objektiv

Fokusstufe

Blende




2.4 min

1.7 GB

90°

300 MPixel

35 mm

3.1 min

2.3 GB

80°

400 MPixel

45 mm

12.4 min6.9 min4.1 min2 minAufnahmedauer(360°, 5 ms /Bildspalte)

9.9 GB5.1 GB3.1 GB1.4 GBDatenvolumen(360°, 48 Bit)

22°40°60°100°Vertikaler Öffungswinkel

1.6 GPixel900 MPixel550 MPixel250 MPixelBildformat (360°)

180 mm100 mm60 mm28 mmObjektiv

EYESCAN M3d metric




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III Panorama-PhotogrammetrieDigitale Panoramakamera







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http://www.spheron.de/




Problem: Beleuchtung

Schloss Weimar - Schillerzimmer

Schloss Goseck bei Naumburg




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• Aufnahmedauer

• Bilddateigröße Bearbeitungszeiten







Vor- und Nachteile gegenüber Kameras mit Flächensensoren

• Stromversorgung• weniger Aufnahmen, v.a. in Innenräumen

• Beleuchtung• Öffnungswinkel horizontal unbegrenzt

• Aufnahmedauer• hohes Auflösungspotenzial zu vergleichbar geringen Kosten



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Panorama-Photogrammetrie


Mathematische Grundlagen Grundmodell Zentralperspektive

ydZZrYYrXXrZZrYYrXXr

cyy

xdZZrYYrXXrZZrYYrXXr

cxx

′+−⋅+−⋅+−⋅−⋅+−⋅+−⋅

⋅−′=′

′+−⋅+−⋅+−⋅−⋅+−⋅+−⋅

⋅−′=′

)()()()()()()()()()()()(

033023013

0320220120

033023013

0310210110

Kollinearitätsgleichungen:




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gemessengegeben

unbekannt


cyy


cxx

′+−⋅+−⋅+−⋅−⋅+−⋅+−⋅

⋅−′=′

′+−⋅+−⋅+−⋅−⋅+−⋅+−⋅

⋅−′=′

)()()()()()()()()()()()(

033023013

0320220120

033023013

0310210110


Räumlicher RückwärtsschnittMathematische Grundlagen






gemessenunbekannt

gegeben


cyy


cxx

′+−⋅+−⋅+−⋅−⋅+−⋅+−⋅

⋅−′=′

′+−⋅+−⋅+−⋅−⋅+−⋅+−⋅

⋅−′=′

)()()()()()()()()()()()(

033023013

0320220120

033023013

0310210110


Räumlicher VorwärtsschnittMathematische Grundlagen




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gemessenunbekannt


cyy


cxx

′+−⋅+−⋅+−⋅−⋅+−⋅+−⋅

⋅−′=′

′+−⋅+−⋅+−⋅−⋅+−⋅+−⋅

⋅−′=′

)()()()()()()()()()()()(

033023013

0320220120

033023013

0310210110


BündelblockausgleichungMathematische Grundlagen






Object coordinates(X, Y, Z)

Cartesian camerasystem (x, y, z)

Cylindrical camerasystem (r, ξ, z)

Pixel coordinates(m, n)




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Object coordinates(X, Y, Z)

Cartesian camerasystem (x, y, z)

Cylindrical camerasystem (r, ξ, z)

Pixel coordinates(m, n)

xRXX ⋅+= 0

vANn 0

2ηη +

−=hA

m 0ξξ −=

⋅−⋅

=′η

ξξ

sincosRR

x

⋅−⋅

=z

rr

x ξξ

sincos

)()()()()()()()()(

2

arctan1

033023013

032022012

031021011

0

22

0

ZZrYYrXXrzZZrYYrXXryZZrYYrXXrx

dnAyxA

zcNn

dmAx

yA

m

vv

hh

−⋅+−⋅+−⋅=−⋅+−⋅+−⋅=−⋅+−⋅+−⋅=

+++⋅

⋅−=

++

−⋅=

η

ξ

with:






Aicon-Zielmarke (∅ 10 mm)

Zielmarke, uncodiert (∅ 20 mm)

Kalibrierraum

- 230 Zielmarken

- Messung: photogrammetrisch

- Standardabweichung: 0,05 – 1 mm




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5.88ck, η0+ Interior Orientation

5.63

+ Eccentricity of the projection centre (e1)

25.20 X0, Y0, Z0, ω, φ, κExterior Orientation

σ0 [Pixel]Parameter

P

O‘ O‘

e1

dn

Rotation axis






5.63e1+ Additional Parameters

1.51

+ Non-parallelism of the CCD line (γ1)

5.88 X0, Y0, Z0, ω, φ, κ, ck, η0Ext./Int. Orientation


γ1



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1.51e1, γ1+ Additional Parameters

1.15

+ Non-parallelism of the CCD line (γ2)



γ2






1.15e1, γ1, γ2+ Additional Parameters

0.60

+ Radial-symmetric lens distortion (A1, A2)



|η|

dη

η

ξ



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0.60e1, γ1, γ2 , A1, A2 + Additional Parameters

0.45

+ Horizontal Resolution (Ah)



][][Ah PixelColumn

Angle °=

Ah

(adjusts affinity)






0.45e1, γ1, γ2 , A1, A2, Ah + Additional Parameters

0.31

+ Deviations of the turntable concentricity



)S4sin(S)S2sin(S d 4321 +++= ξξξ

0°

90°

180°

270°ξ 90

ξ 180

ξ 270



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0.31e1, γ1, γ2 , A1, A2, Ah, Si + Additional Parameters

0.24

+ Other Parameters



)TTsin(T d 321 += ξη

e.g. deviations from a planar movement:

e.g. bending of the CCD line





0.24e1, γ1, γ2 , A1, A2, Ah, Si, …

+ Additional Parameters



focal distance: 35 mm

1 4 7 10

0.6

0.4

0.2

0.0

Distance from the camera [m]

Prec

isio

nin

obj

ects

pace

[mm

]

1 : 42000




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Prinzip der Panorama-3D-Auswertung

Panorama - Bündelblockausgleichung






0.15 mmσZ

0.27 mmσY

0.33 mmσX

0.22 pixel

Free network adjustment

0σ̂

Aicon-Testraum (7.5 × 5.0 × 2.5 m³):




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Panoramas: 5

Passpunkte: 12

Objektpunkte: 350

Mittlere Abweichung:

|∆X| = 0.58 mm

|∆Y| = 0.44 mm

|∆Z| = 0.36 mm






ldxAv −⋅=

0LLl −=

MinimumvPvT →⋅⋅

)()( 1 lPAAPAdx TT ⋅⋅⋅⋅⋅= −

1. Panorama

2. Panorama

3. Panorama

4. Panorama

5. Panorama

Objektpunkte:

Koordinaten

Bilder:

Äuß.Orient.

Kamera:

Inn.Ori + Zus. Param.

Problem: Rangdefekt

Lösung: minimales Datum

(6 Koordinateninfos,+ 1 Maßstab)

Panorama - Bündelblockausgleichung

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4. Panorama

Objektpunkte:

Koordinaten

Bilder:

Äuß.Orient.

Kamera:

Inn.Ori + Zus. Param

5. Panorama

3. Panorama

2. Panorama

1. Panorama

N=ATA

Punkt 1..9




)()( 1 lPAAPAdx TT ⋅⋅⋅⋅⋅= −

⋅⋅⋅

⋅⋅=

−

00

1lPA

BBAPA

kdx TTT

Freie Ausgleichung: Lagerung des Netzes:

nicht auf ein minimales Datum,

sondern auf Näherungskoordinaten der Neupunkte

=

UnbekannteAnzahlm

ZY

UnbekannteAnzahlX

B

..:..:..:..:..:..

..

0

0

0

κϕω

wrl-Datei:minimales Datum

wrl-Datei:freie Ausgleichung



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P

O‘1 O‘2

P‘1 P‘2

K‘

b

P‘1K‘

Kernliniengeometrie – Suche homologer Bildpunkte






Tangentialprojektion 90° Panorama-ausschnitt

Zentral-perspektive




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Digitale Entzerrung

Fassadenplan für Architektur

Auflösung: ca. 8000 × 8000 pixel (64 MPixel)







Tangentialprojektion



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Stereoauswertung

b1

b2







Fassade

Fassade



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III Panorama-PhotogrammetriePanorama-Photogrammetrie


Turm in Delitzsch

Deckengewölbe (Stadttor Zeitz)

Horizontale Rotationsachse

fokus GmbH Leipzig

fokusGm

bH L

eipzig

Vertikalaufnahmen


180°0° 360°90° 270°

0°

-90°

90°




Anwendungsbeispiel: Sichtfeldprüfung



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Sichtfeldprüfung






Sichtfeldprüfung



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Courtyard within thecampus of Dresden University

Dimensions:

45 × 45 × 20 m³






Textur-Projektion in ein 3D-Modell




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• erbaut 1710-1728 von Pöppelmann

• „Perfektestes Beispiel“ des späten Barock in Deutschland






• Objektgeometrie ausLaserscannerdaten (alternativ: Bündelblock-ausgleichung mit Panoramen)

• Projektion von Textur aus Panoramen

• ca. 40 Ebenen („3D Bildpläne“)




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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!


Kontakt: [email protected]


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