Ein neuartiger Kameratyp bietet neben den Helligkeitswerten auch die jedem Pixel zuzuordnende Entfernung zum Objekt. Das Innovationspotenzial einer solchen 3D-Kamera soll für den Bereich der Bauaufnahme erforscht werden.
Final Report Abstract
Die hier eingesetzte 3D–PMD–Kamera, oft auch als ToF-Kamera (Time of Flight), RIM-Kamera (Range Imaging), 3D-Kamera oder nur PMD-Kamera (PhotonicMixerDevice) bezeichnet, erfasst die Geometrie eines Objektes innerhalb eines Entfernungsbereiches bis zu 10 m in ihrer vollen Dreidimensionalität als Punktwolke in einer einzigen Momentaufnahme, hier 41000 Einzelpunkte in Form von Polarkoordinaten. Analog hierzu nimmt eine moderne Digitalkamera ein Bild auf, das die „Farbigkeit“ der Umwelt und die Lage der Objektpunkte in Form einer Zentralperspektive wiedergibt. Die Kombination beider Kameratypen zu einem sog. 2D/3D-Kamerasystem ermöglicht die Erzeugung von farbig unterlegten dreidimensionalen Punktwolken Zur Synchronisation beider Kameras wurde ein Hardwaretrigger entwickelt. Die rasche Aufeinanderfolge der Aufnahmen (bis zu 10 fps) erlaubt die Erstellung von Koordinatenfilmen. Erst diese neuartige Entstehung von Punktwolken durch Abfolge von Momentaufnahmen ermöglichte die Entwicklung neuer Messmethoden. Vorab war das System zu kalibrieren. Nach aufwändiger kombinierter Einzel- und Systemkalibrierung konnte eine Koordinatengenauigkeit von ± (0,7 cm + 2,4 cm / 10m) erzielt werden. Da Genauigkeitssteigerungen in naher Zukunft schon allein wegen der Fortentwicklung der PMD-Technologie zu erwarten sind, wurde der Schwerpunkt der Arbeiten im Folgenden weniger auf die Genauigkeit gelegt; sondern mehr auf die Untersuchung der Chancen, welche die charakteristische Besonderheit „Koordinatenfilm“ zur Nutzung des Systems als universell einsetzbares Instrumentarium überhaupt bieten kann. Zwei unterschiedliche Anwendungsarten des 2D/3D-Systems zeichneten sich mit zunehmender Einarbeitung in die Thematik ab: Zum einen die dynamische Führung des auf einer Steadycam montierten Systems frei beweglich im Raum zur Aufnahme von Objekten und komplexen Strukturen, z.B. mit dem Ziel einer Visualisierung, zum anderen die stationäre Nutzung des Systems als eigenständiges teilkreisfreies Tachymeter analog einer Videototalstation, aber nun mit zusätzlicher flächendeckender Erzeugung von ca. 200.000 eingefärbten dreidimensionale Punktwolken pro Sekunde. Beide Modi stellen kostengünstige Alternativen zu bestehenden Instrumenten bzw. Verfahren der Aufnahme und der Vermessung dar. Gegenüber dem terrestrischen Laserscanning und der Photogrammetrie können sie nach entsprechender Steigerung von Reichweite und Genauigkeit einen Mehrwert bieten. Bei der dynamischen Nutzung stand die Registrierung der jeweils lokalen Momentaufnahmen in ein gemeinsames Datum als größte Herausforderung im Vordergrund. Hierzu wurden unterschiedliche Methoden entwickelt. Es gelang, die jeweils sechs Freiheitsgrade automatisch zu bestimmen und damit das Matching weitgehend zu automatisieren. Den prinzipiell störungsfreien Einsatz der teilkreisfreien 2D/3D-Totalstation ermöglicht erst das Zusammenspiel sehr unterschiedlicher redundanter Verfahren zur Bestimmung der Richtungen der Polarkoordinaten: Stitching von Panoramen aus Bildern der 2D-Kamera, und Winkelbestimmung sowohl über gemessene Koordinaten der 3D-Kamera - auch bei Objekten gänzlich ohne Struktur - als auch über die Korrelation von Ausreißern in den lokalen Daten der 3D-Kamera. Zu Beginn der Arbeiten war nicht davon ausgegangen worden, dass zwei sehr zukunftsträchtige, innovative Messmethoden entwickelt würden, die jeweils für sich im Prinzip das Potenzial aufweisen, Eingang in die Vermessungspraxis zu finden.
Publications
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(2009): The 3D-TOF-camera as an innovative and low-cost tool for recording, surveying and visualisation – a short draft and some first experiences, 22nd CIPA Symposium, October 11-15, 2009, Kyoto, Japan
Scherer, M.
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(2011): Calibration of a 2D-3D-Camera System, 23nd CIPA Symposium, September 12-16, 2011, Prague, Czech Republic
Lipkowski, S., Scherer, M.
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(2012): Verbesserung der 3D-Punktgenauigkeit einer PMD-Kamera durch Kombination mit einer 2D-Kamera, Photogrammetrie – Laserscanning – Optische 3D-Messtechnik Beiträge der Oldenburger 3D-Tage 2011, Hrsg.: Luhmann, T. / Müller, C.
Lipkowski, S., Scherer, M.
