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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

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.

•• 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

• 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

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)

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

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

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

FisheyeFisheye--PanoramenPanoramen

Panoramakamera + Panoramakamera + FisheyeobjektivFisheyeobjektiv

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

PanoramafilmPanoramafilm

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

II Digitale Panoramakamera

Digitale Panoramakamera

EYESCAN M3 (Kamera & System Technik GmbH)

Image data

Motor control

Optical fiber

Light source(180 W)

Lightning

Camera head

Turntable

Rotation axis

Digitale PanoramakameraI Panorama-Aufnahmeverfahren

Panoramawinkel AnfangsrichtungName und Speicherort

der BilddateiIntegrationszeit

Objektiv

Fokusstufe

Blende

2.4 min

1.7 GB

300 MPixel

3.1 min

2.3 GB

400 MPixel

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

III Panorama-PhotogrammetrieDigitale Panoramakamera

http://www.spheron.de/

Problem: Beleuchtung

Schloss Weimar - Schillerzimmer

Schloss Goseck bei Naumburg

• 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

Panorama-Photogrammetrie

Mathematische Grundlagen Grundmodell Zentralperspektive

ydZZrYYrXXrZZrYYrXXr

xdZZrYYrXXrZZrYYrXXr

′+−⋅+−⋅+−⋅−⋅+−⋅+−⋅

⋅−′=′

′+−⋅+−⋅+−⋅−⋅+−⋅+−⋅

⋅−′=′

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

033023013

0320220120

033023013

0310210110

Kollinearitätsgleichungen:

gemessengegeben

unbekannt

′+−⋅+−⋅+−⋅−⋅+−⋅+−⋅

⋅−′=′

′+−⋅+−⋅+−⋅−⋅+−⋅+−⋅

⋅−′=′

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

033023013

0320220120

033023013

0310210110

Räumlicher RückwärtsschnittMathematische Grundlagen

gemessenunbekannt

gegeben

′+−⋅+−⋅+−⋅−⋅+−⋅+−⋅

⋅−′=′

′+−⋅+−⋅+−⋅−⋅+−⋅+−⋅

⋅−′=′

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

033023013

0320220120

033023013

0310210110

Räumlicher VorwärtsschnittMathematische Grundlagen

gemessenunbekannt

′+−⋅+−⋅+−⋅−⋅+−⋅+−⋅

⋅−′=′

′+−⋅+−⋅+−⋅−⋅+−⋅+−⋅

⋅−′=′

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

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)

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

sincosRR

⋅−⋅

x ξξ

sincos

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

arctan1

033023013

032022012

031021011

ZZrYYrXXrzZZrYYrXXryZZrYYrXXrx

dnAyxA

−⋅+−⋅+−⋅=−⋅+−⋅+−⋅=−⋅+−⋅+−⋅=

+++⋅

⋅−=

−⋅=

Aicon-Zielmarke (∅ 10 mm)

Zielmarke, uncodiert (∅ 20 mm)

Kalibrierraum

- 230 Zielmarken

- Messung: photogrammetrisch

- Standardabweichung: 0,05 – 1 mm

5.88ck, η0+ Interior Orientation

+ Eccentricity of the projection centre (e1)

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

σ0 [Pixel]Parameter

O‘ O‘

Rotation axis

5.63e1+ Additional Parameters

+ Non-parallelism of the CCD line (γ1)

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

1.51e1, γ1+ Additional Parameters

+ Non-parallelism of the CCD line (γ2)

1.15e1, γ1, γ2+ Additional Parameters

+ Radial-symmetric lens distortion (A1, A2)

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

+ Horizontal Resolution (Ah)

][][Ah PixelColumn

Angle °=

(adjusts affinity)

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

+ Deviations of the turntable concentricity

)S4sin(S)S2sin(S d 4321 +++= ξξξ

270°ξ 90

ξ 180

ξ 270

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

+ 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

Distance from the camera [m]

1 : 42000

Prinzip der Panorama-3D-Auswertung

Panorama - Bündelblockausgleichung

0.15 mmσZ

0.27 mmσY

0.33 mmσX

0.22 pixel

Free network adjustment

Aicon-Testraum (7.5 × 5.0 × 2.5 m³):

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

4. Panorama

Objektpunkte:

Koordinaten

Bilder:

Äuß.Orient.

Kamera:

Inn.Ori + Zus. Param

5. Panorama

3. Panorama

2. Panorama

1. Panorama

Punkt 1..9

)()( 1 lPAAPAdx TT ⋅⋅⋅⋅⋅= −

⋅⋅⋅

⋅⋅=

kdx TTT

Freie Ausgleichung: Lagerung des Netzes:

nicht auf ein minimales Datum,

sondern auf Näherungskoordinaten der Neupunkte

UnbekannteAnzahlm

UnbekannteAnzahlX

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

κϕω

wrl-Datei:minimales Datum

wrl-Datei:freie Ausgleichung

O‘1 O‘2

P‘1 P‘2

P‘1K‘

Kernliniengeometrie – Suche homologer Bildpunkte

Tangentialprojektion 90° Panorama-ausschnitt

Zentral-perspektive

Digitale Entzerrung

Fassadenplan für Architektur

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

Tangentialprojektion

Stereoauswertung

Fassade

III Panorama-PhotogrammetriePanorama-Photogrammetrie

Turm in Delitzsch

Deckengewölbe (Stadttor Zeitz)

Horizontale Rotationsachse

fokus GmbH Leipzig

fokusGm

eipzig

Vertikalaufnahmen

180°0° 360°90° 270°

Anwendungsbeispiel: Sichtfeldprüfung

Sichtfeldprüfung

Courtyard within thecampus of Dresden University

Dimensions:

45 × 45 × 20 m³

Textur-Projektion in ein 3D-Modell

• 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“)

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Kontakt: danilo.schneider@mailbox.tu-dresden.de

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