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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
Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion
Streifenprojektion – Motivation
[http://www.mi.hs-rm.de, 2012]
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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
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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]
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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 )
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[http://www.qm-infocenter.de, 2012]
Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion
Streifenprojektion – Aktive Triangulation
Aufnahmeprinzip der Streifenprojektion (Flächenmessung)
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[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“
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Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion
Phasen-Schiebe-Verfahren
Φ = arctan( I 90−I 270
I 0− I 180 )
Streifenprojektion – Phasenmessende Triangulation
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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
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Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion
Verstetigung der Phasenverteilung
Ziel: Lösen der Mehrdeutigkeit
Methoden:
• Gray-Code-Verfahren
• Verfahren der Farbkodierung
• (Mehrwellenlängenverfahren)
Streifenprojektion – Phasenmessende Triangulation
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Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion
Verstetigung der Phasenverteilung
Gray-Code-Verfahren
Streifenprojektion – Phasenmessende Triangulation
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n codierte Streifenmuster werden auf Objekt projiziert
↓jedem Bildpunkt wird n-stelliger Gray-
Code zugewiesen
↓Cray-Code wird in Binär-Code
umgewandelt
[Gühring, 2002]
Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion
Verstetigung der Phasenverteilung
Gray-Code ↔ Binär-Code
Streifenprojektion – Phasenmessende Triangulation
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[Gühring, 2002]
Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion
Verstetigung der Phasenverteilung
Gray-Code ↔ Binär-Code
Streifenprojektion – Phasenmessende Triangulation
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Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion
Verstetigung der Phasenverteilung
Gray-Code ↔ Binärcode
Streifenprojektion – Phasenmessende Triangulation
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Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion
Verstetigung der Phasenverteilung
Gray-Code ↔ Binärcode
→ Graycode robuster
→ eindeutige Streifennummer nur mittels Binärcode
Streifenprojektion – Phasenmessende Triangulation
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Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion
Verstetigung der Phasenverteilung
Gray-Code-Verfahren
Streifenprojektion – Phasenmessende Triangulation
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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
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Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion
Verstetigung der Phasenverteilung
Verfahren der Farbkodierung
Streifenprojektion – Phasenmessende Triangulation
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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
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I.d.R. mehrere Scans, um Objekt vollständig zu erfassen
=> Registrierung notwendig
Lösungsansätze
Bündelblock-Ausgleichung
ICP-Algorithmus
[www.dental-cad-cam-shop.com, 2012]
Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion
Streifenprojektion – Messgenauigkeit
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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
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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]
Reidl (2012-01-30) PAK: Streifenprojektion
Qualitätskontrolle
Reverse Engineering
Medizin
Forensik
Kunsthistorische Objekte
Body-Scan
...
Streifenprojektion – Anwendungsbeispiele
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[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
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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
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)
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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
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