3D-Visualisierung auf Grundlage von Punktwolken am Beispiel der Altstadt Wangen im Allgäu

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1 Hochschule Bochum Fachbereich Vermessung und Geoinformatik 3D-Visualisierung auf Grundlage von Punktwolken am Beispiel der Altstadt Wangen im Allgäu Bachelorarbeit Vanessa Noth Bochum, März 2012 Referent: Prof. Dr.-Ing. H.J.-Przybilla Korreferent: Prof. Dr.-Ing. R. Staiger

2 FACHBEREICH VERMESSUNG UND GEOINFORMATIK DEPARTMENT OF SURVEYING AND GEOMATICS Labor für Photogrammetrie Laboratory for Photogrammetry Lennershofstraße 140, Bochum PROF. DR.-ING. HEINZ-JÜRGEN PRZYBILLA Photogrammetrie und digitale Bildverarbeitung Photogrammetry and digital image processing T +49.(0) F +49.(0) heinz-juergen.przybilla@hs-bochum.de Hochschule Bochum Postfach Bochum Frau Vanessa Noth Bachelorarbeit Thema: 3D-Visualisierung auf der Grundlage von Punktwolken am Beispiel der Altstadt Wangen im Allgäu Aktuelle terrestrische Laserscanner ermöglichen auf Grund ihrer gesteigerten Leistungsfähigkeit (Geschwindigkeit, Reichweite, Punktdichte) wirtschaftliches Erfassen auch umfangreicherer Objekte und Areale. Nahezu alle Systeme sind zudem mit digitalen Farbkameras ausgestattet oder erlauben das Einbinden externer farbiger Fotografien zur Colorierung von Punktwolken. Die Qualität der Colorierung leidet jedoch häufiger unter zu geringer Bildauflösung, Belichtungsproblemen sowie falschen Farbzuweisungen infolge von Bild-Parallaxen. In Kooperation mit der Firma Zoller + Fröhlich, Wangen, sollen alternative Systemkomponenten zur Bilddatenerfassung und auswertung bezüglich ihrer Eignung für komplexe Visualisierungen auf der Basis von Punktwolken untersucht werden. Hierzu steht, neben dem terrestrischen Laserscanner Z+F Imager 5010, der Nodalpunktadapter RODEON VR Head CL der Dr. Clauss Bild- und Datentechnik GmbH zur Verfügung. Mit dem Adapter sollen qualitativ hochwertige Panoramabilder zur Colorierung von Punktwolken erzeugt werden. Am Beispiel ausgewählter Bereiche der Wangener Altstadt, ebenso wie für das Wangener Rathaus, sind geeignete Scan- und Bilddaten zu erfassen. Diese bilden die Grundlage für die nachfolgende Visualisierung der Punktwolke, deren mediales Endprodukt ein Video-Rundgang durch den erfassten Bereich darstellt. Die beteiligten Systeme, Komponenten und Prozesse sind in ihrem Zusammenwirken zu beschreiben und zu erläutern, auf dabei auftretende Besonderheiten ist detailliert einzugehen. Der Gesamtprozess ist abschließend zu bewerten, insbesondere auch bzgl. wirtschaftlicher Aspekte derartiger Vorgehensweisen im Vergleich zu klassischer 3D- Modellierung.

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4 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis... III Erklärung... V Danksagung... VI 1. Einleitung Terrestrisches Laserscanning (TLS) Laserscanner Z+F IMAGER 5010 der Zoller+Fröhlich GmbH Distanzmessverfahren des Z+F IMAGER Auftretende Punktmessfehler Farbaufnahme mittels Z+F M-Cam (MotorCam) Digitale Panoramafotografie Nodalpunktadapter Parallaxenfehler Nodalpunkt ermitteln Kameraeinstellungen HDR-Bilder Nodalpunktadapter RODEON VR Head CL der Dr. Clauss Bild- und Datentechnik GmbH Bediensoftware RODEONmodular Vorgehensweise zur Erhaltung farbiger Laserscandaten mittels Nodalpunktadapter Voruntersuchungen zur automatisierten Überlagerung von Bild- und Laserscandaten Bewertung des Nodalpunktadapter RODEON VR Head CL D-Laserscanning in Wangen im Allgäu Vorgehensweise in der Altstadt Vorgehensweise im Rathaus Auswertungssoftware Panorama Stitching Software RODEONpreview von Dr. Clauss Bild- und Datentechnik GmbH PTGui von New House Internet Services BV Gegenüberstellung und Bewertung der Stitching-Software Bearbeitung von Punktwolken Vanessa Noth 2012 III

5 6.2.1 Z+F LaserControl Filterung Registrierung Colorierung Export der gefilterten zfs-daten Auswertung der Tachymetriedaten Visualisierung der Scandaten Studio Clouds von Alice Labs Importieren der Daten Bearbeitung der Daten Virtueller Flug Bewertung und Probleme der Software Video Erstellung und Publikation Vollständiger Workflow der Ausarbeitung Beurteilung der Visualisierung Fazit Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anlagen Vanessa Noth 2012 IV

6 Erklärung Erklärung Hiermit versichere ich, Vanessa Noth, die vorliegende Bachelorarbeit selbstständig und nur unter Verwendung der von mir angegebenen Hilfsmittel verfasst zu haben. Diese Arbeit hat in gleicher oder ähnlicher Form keiner anderen Prüfungsbehörde vorgelegen. Bochum, den 27. März 2012 Vanessa Noth Vanessa Noth 2012 V

7 Danksagung Danksagung An dieser Stelle danke ich all denen, die mich direkt oder indirekt dabei unterstützt haben, diese Arbeit zu beginnen, anzufertigen und erfolgreich zu beenden. Herrn Prof. Dr. Heinz-Jürgen Przybilla danke ich für das Ermöglichen dieser Bachelorarbeitsowie die hilfsbereite, intensive Betreuung und sein Engagement. Bei Herrn Prof. Dr. Rudolf Staiger möchte ich mich für die Übernahme der Funktion als Korreferent bedanken. Ein weiterer Dank geht an die Zoller+Fröhlich GmbH für die Vergabe des interessanten Themas, für die Bereitstellung der Hard- und Software und für ihre Unterstützung während dieser Arbeit. Insbesondere möchte ich dabei die Herren Dipl.- Ing. Erik Büttner und Dipl.- Ing. Benjamin Weiher erwähnen. Sie haben mich nicht nur unterstützt und motiviert, sondern mir auch Ideen und kritische Anregungen gegeben, was sich positiv auf meine Arbeit ausgewirkt hat. Des Weiteren danke ich meinem Kommilitonen Herrn Stefan Kröck, der mir in der Zeit seines Praktikums bei der Zoller+Fröhlich GmbH beim 3D-Laserscanning in Wangen im Allgäu tatkräftig zur Seite stand und meinen Freunden, die mich beim Korrekturlesen unterstützt haben. Abschließend danke ich meiner Familie für die Motivation und Unterstützung während meines Studiums, sowie den finanziellen Rückhalt. Vanessa Noth 2012 VI

8 Einleitung 1. Einleitung Der technische Fortschritt ist heutzutage allgegenwärtig. Speziell im terrestrischen Laserscanning haben sich die Hardware sowie die Auswertungssoftwarepakete in den letzten Jahren stetig weiterentwickelt. Dies hat dazu beigetragen, dass das Laserscanning sich in vielen Anwendungsfeldern etablieren konnte. Eine Firma, die in diesem Bereich tätig ist, ist die Zoller+Fröhlich GmbH, die 1963 in Wangen im Allgäu gegründet wurde. Sie entwickelt, produziert und vertreibt Lasermesssysteme sowie die dazugehörigen Softwaremodule. Unter anderem stellen sie das 3D- Laserscanning System Z+F IMAGER 5010 her, der in dieser Bachelorarbeit angewendet wird. Für die Zoller+Fröhlich GmbH ist es wichtig, mit Kunden und Partnern zusammen zu arbeiten und gegebenenfalls Vertriebskooperationen herzustellen. Deshalb steht bei dieser Bachelorarbeit der motorisierte Nodalpunktadapter der Firma Dr. Clauss Bild- und Datentechnik GmbH und eine Nikon D90 Spiegelreflexkamera zur Verfügung. Der Nodalpunktadapter mit der Spiegelreflexkamera soll bezüglich des Systems selbst, der Qualität der Farbwiedergabe, der Farbübergänge, der Auflösung und hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit beurteilt werden. Des Weiteren wird damit untersucht, ob mit Hilfe der Software Z+F LaserControl der Zoller+Fröhlich GmbH eine Automatisierung bei der Überlagerung von Farbdaten des Nodalpunktadapters mit einem Panorama-Laserscanner möglich ist. Zudem will die Marketingabteilung von der Zoller+Fröhlich GmbH ein attraktives Vorzeigeobjekt erhalten, um die Qualität des Laserscanners Z+F IMAGER 5010 präsentieren zu können. So soll in dieser Bachelorarbeit bedeutsame Räumlichkeiten des Wangener Rathauses und die Altstadt eingescannt werden. Die Farbaufnahme erfolgt durch den motorisierten Nodalpunktadapter von der Firma Dr. Clauss Bild- und Datentechnik GmbH, um ihn zusätzlich an einem Laserscanprojekt zu beurteilen. Vanessa Noth 2012 Seite 1

9 Einleitung Die Altstadt von Wangen (Abbildung 1-1) weist ein malerisches, geschlossenes Ensemble auf, mit vielen Brunnen und Statuen, sowie Gebäuden vom frühen Mittelalter bis zum späten Barock [WANGEN, 2012]. Aus diesem Grund ist dieser historische Stadtkern ein ansehnliches Laserscanprojekt, welches realitätsgetreu aufgenommen werden soll. Bei der Erfassung ist deshalb eine möglichst genaue Farbwiedergabe der Objekte nötig. Abb. 1-1 Luftbild der Altstadt von Wangen im Allgäu [CDU, 2012] Das Ergebnis dieser Bachelorarbeit soll eine Visualisierung der erfassten und colorierten Punktwolke darstellen. Hierbei wird die Auswertung auf die Bearbeitung der reinen Punktwolke beschränkt. Die Erzeugung des virtuellen Fluges durch die Punktwolke des Rathauses bzw. der Altstadt, erfolgt durch die Auswertung der Laserscandaten in mehreren Software-Produkten. Das Ergebnis soll in Form einer Videodatei im Internet präsentiert werden. Zu diesem Zweck wird der YouTube-Kanal der Zoller+Fröhlich GmbH verwendet. Verwiesen sei hier auf folgenden Internetlink [ZOLLER+FRÖHLICH, 2012]: Durch dieses Laserscanprojekt erhält die Zoller+Fröhlich GmbH nicht nur eine erweiterte Internetpräsenz, sondern auch Bildmaterial für Z+F Prospekte und Anleitungen. Vanessa Noth 2012 Seite 2

10 Einleitung Neben der Zoller+Fröhlich GmbH hat die Stadt Wangen im Allgäu ein Interesse an diesem virtuellen Rundgang. Sie will damit den eigenen Internetauftritt erweitern. So haben die Besucher eine Möglichkeit die virtuelle Stadt online zu betrachten. Der Stadt ist es wichtig das Rathaus als lebendiges Rathaus zu visualisieren, sodass die Aufnahme mancher Objekte wie Eisengittertor, Informationsständer, Vitrinen und alte Bildlandkarten zu betonen sind. Dieser virtuelle Rundgang ist nur eine Visualisierungsmöglichkeit der Punktwolken. Die Laserscandaten können auch in Form eines 3D-Modells visualisiert werden. Die Vorgehensweisen beider Varianten sind in diesem Fall zu vergleichen. Heutzutage ist es üblich, dass größere Städte, zum Beispiel durch Google Street View oder eine ähnliche Plattform, eine Internetpräsenz besitzen, sodass sich jeder Besucher interaktiv in der Stadt bewegen kann. Ob dieses Wangener Scanprojekt ein Ersatz für Google Street View darstellen kann, ist eine Fragestellung die in dieser Arbeit untersucht werden soll. Weiterhin wird geklärt, ob das Video der virtuellen 3D-Punktwolke als Endergebnis des Scanprojektes ausreicht, oder eine Alternative eines 3D-Stadtmodells attraktiver wäre, wobei auch der dabei entstehende Arbeitsaufwand mit bewertet wird. Vanessa Noth 2012 Seite 3

11 Terrestrisches Laserscanning (TLS) 2. Terrestrisches Laserscanning (TLS) Mit Hilfe des terrestrischen Laserscannings wird in wenigen Minuten ein 1:1 geometrisches Abbild der Objektoberflächen erstellt, welches zu vielerlei Produkten weiterverarbeitet werden kann. Diese Messtechnologie verwendet dabei Laserlicht, um räumliche Objekte schnell und hochgenau einzuscannen. Abb. 2-1 Messprinzip eines Panorama- Laserscanners [PRZYBILLA, 2012A, Hinzufügung durch V.N.] Im Gegensatz zur Photogrammmetrie oder Tachymetrie, bei denen diskrete Punkte gemessen werden, erfolgt das Scannen durch ein regelmäßiges Raster. Durch die horizontale Eigenrotation des Scanners (bzw. bei kinematischen Anwendungen durch die Fortbewegung) und einer kontinuierlichen vertikalen Ablenkung des Laserstrahls mittels Spiegel, wird das Objekt rasterförmig abgetastet. Ausgehend vom Standpunkt wird jeder Punkt durch Entfernung, Horizontal- und Vertikalwinkel (polares Aufnahmeverfahren) erfasst und in ein lokales, kartesisches, dreidimensionales Sensorkoordinatensystem überführt (Abbildung 2-1). Dank des Laserscannings und des Verknüpfens von mehreren Standpunkten, lässt sich ein vollständiges Oberflächenabbild des Objektes erzeugen. Auf diese Weise wird es durch eine Vielzahl von Messpunkten als dreidimensionale Punktwolke dargestellt, und es lassen sich je nach Grad der Auflösung selbst feinste Objektdetails erkennen [PRZYBILLA, 2012A]. Neben den lokalen Koordinaten x, y und z wird der sogenannte Intensitätswert abgespeichert. Dieser Wert gibt an, wie stark die Oberfläche des gemessenen Objektes den Laserstrahl reflektiert. Wird dieser Wert als Grauwert interpretiert, entsteht ein Abbild der Oberflächen ähnlich dem eines Schwarzweißfotos. Durch das Einbinden digitaler Fotos können fehlende Farbinformationen auf die Punktwolke überlagert werden, sodass Scans mit fotorealistischer Darstellung entstehen. Gerade in Anwendungsgebieten wie der Industrie, Archäologie, Architektur und Forensik muss nicht nur die Form, sondern auch die Farbe von Objekten erfasst werden. Dies unterstützt die Urteilsfindung, da die räumlichen Zusammenhänge tiefer und leichter verstanden und die örtlichen Verhältnisse besser visualisiert werden können [ZOLLER+FRÖHLICH, 2006; ZOLLER+FRÖHLICH, 2008]. Vanessa Noth 2012 Seite 4

12 Laserscanner Z+F IMAGER 5010 der Zoller+Fröhlich GmbH 2.1 Laserscanner Z+F IMAGER 5010 der Zoller+Fröhlich GmbH Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wurde der Laserscanner Z+F IMAGER 5010 (Abbildung 2.1-1) verwendet. Er ist der neueste Laserscanner aus der Z+F IMAGER -Serie der Zoller+Fröhlich GmbH und wurde im Jahre 2010 auf dem Markt eingeführt [BÜTTNER et al., 2010; ZOLLER+FRÖHLICH, 2011A; ZOLLER+FRÖHLICH, 2011B]. Der Z+F IMAGER 5010 ist ein Hochgeschwindigkeits- Phasenvergleichs-Laserscanner, welcher auf dem Messprinzip des Polarmessverfahrens basiert. Aufgrund der Konstruktion des Strahlenablenkungssystems wird er in die Klasse der Panorama-Scanner eingeordnet. Durch seine Eigenrotation um die Stehachse und durch die kontinuierliche Rotation des um 45 gegenüber der Horizontalebene geneigten Spiegels, besitzt der Panorama-Scanner einen Erfassungsbereich ( Field of View ) von 360 horizontal und theoretisch 360 vertikal, welcher aber durch die Eigenabschattung des Scanners auf 320 beschränkt ist. Abb Z+F IMAGER 5010 Der Eindeutigkeitsbereich des Z+F IMAGER 5010 liegt zwischen 0,3 m bis 187 m. Im Gegensatz zum Vorgänger, dem Z+F IMAGER 5006h (Laserklasse 3R, Reichweite 0,4-78 Meter), besitzt der Z+F IMAGER 5010 mit einer Wellenlänge von 1,5 µm die Laserklasse 1 und gilt somit als komplett augensicher. Dies hat gerade beim Einsatz in öffentlichen Bereichen den großen Vorteil, dass keine Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden müssen. Bei diesem Laserscanner ist das sogenannte Stand-Alone-Konzept umgesetzt. Es ist ein unabhängiges System und kann ohne weitere externe Rechner-Hardware bedient werden. Durch das Farbdisplay mit Touchscreen ist eine effiziente Bedienung und das Anzeigen der Scans direkt nach der Aufnahme möglich. Je nach Anwendung können die Daten in unterschiedlichen Auflösungsstufen und Qualitätsstufen erfasst werden. Für viele Aufgaben, wie das Laserscanning der Wangener Altstadt, ist die typische Scanauflösung high mit der Qualitätsstufe normal optimal geeignet. Dabei beträgt der Punktabstand sechs Millimeter bei einem Objekt, das zehn Meter Vanessa Noth 2012 Seite 5

13 Distanzmessverfahren des Z+F IMAGER 5010 vom Scanner entfernt ist. In dieser Scanauflösung werden in 3:22 Minuten insgesamt 50 Millionen Punkten aufgenommen und es entsteht eine Scangröße von ca. 150 Mbyte. Im Wangener Laserscanprojekt sind die zehn Meter nicht die typische Reichweite. Ausnahme ist die Innendarstellung des Rathauses. Die weiter entfernten Objekte werden dementsprechend mit einem größeren Punktabstand abgetastet. Bei den Hauptgebäuden wird es durch näher liegende Standpunkte ausgeglichen. Eine höhere Auflösung wird nicht benötigt, da das Endprodukt einen virtuellen Flug durch die Punktwolke darstellen soll. Weitere Informationen können dem Datenblatt des Z+F IMAGER 5010 entnommen werden [ZOLLER+FRÖHLICH, 2011 A] Distanzmessverfahren des Z+F IMAGER 5010 Laserscanner lassen sich anhand des eingesetzten Distanzmessverfahrens in drei Klassen einteilen: Triangulations-, Impulslaufzeit- und Phasenvergleichsverfahren. Abb Phasenvergleichsverfahren am Beispiel des Z+F IMAGER 5003 [PRZYBILLA, 2012A] Der Z+F IMAGER 5010 arbeitet nach dem Phasenvergleichsverfahren. Bei diesem Messprinzip werden vom Laserscanner Wellen mit unterschiedlicher aber bekannter Wellenlänge kontinuierlich ausgesandt (Abbildung ). Nach Reflektion am Objekt und Empfang am Laserscanner, kann die Distanz anhand der Phasenverschiebung der Laserwellen bestimmt werden. Da die Anzahl der vollständigen Phasen unbekannt ist, kommt es bei der Streckenmessung zu Mehrdeutigkeiten. Durch die Grob- und Feinmessung mit unterschiedlichen Vanessa Noth 2012 Seite 6

14 Auftretende Punktmessfehler Frequenzen kann diese Mehrdeutigkeit gelöst und die Entfernung millimetergenau bestimmt werden [DEUMLICH/STAIGER, 2002; PRZYBILLA, 2012A]. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass bis zu 1 Millionen Punkte pro Sekunde erfasst werden können und sich so die reine Messzeit deutlich verkürzt. Der Nachteil liegt im Vergleich zum Impulsmessverfahren in der kürzeren Reichweite. Aus diesem Grund kann Projektbezogen mit dem Phasenvergleichsverfahren gegenüber dem Impulslaufzeitverfahren mit mehr Standpunkten gerechtet werden. Dieser Nachteil wird jedoch durch die schnelle und wirtschaftliche Punkterfassung kompensiert Auftretende Punktmessfehler Die Punktbestimmung beim Laserscanning basiert auf der diffusen Reflektion am Objekt (Abbildung ). Auf Grund von optischen Störungen kann es im Datenmaterial zu fehlerhaften Punkten kommen. Abb Diffuse Reflektion am Objekt [PRZYBILLA, 2012A] Zum einen fehlen Punkte, welche durch eine Totalreflektion entstehen (Abbildung ). Hierbei trifft der Laserstrahl in einem bestimmten Einfallswinkel auf eine glatte oder spiegelnde Oberfläche und wird im gleichen Ausfallswinkel weitergeleitet. Es kommt zu keiner diffusen Reflektion am Objekt und zu Löchern im Datenmaterial. Zum anderen entstehen durch die Kombination von diffuser und totaler Reflektion virtuelle Punkte (Abbildung ). Das heißt, der Laserstrahl wird zuerst totalreflektiert und danach an einem Objekt reflektiert. Der Laserstrahl gelangt auf dem gleichen Weg wieder zurück, sodass eine Abweichung in der Streckenmessung und Punkte an falschen Stellen in der Punktwolke entstehen [PRZYBILLA, 2012A]. Abb Totalreflektion [PRZYBILLA, 2012A] Abb Virtuelle Löcher [PRZYBILLA, 2012A] Vanessa Noth 2012 Seite 7

15 Auftretende Punktmessfehler Außerdem können virtuelle Punkte zum Beispiel durch optische Hindernisse wie Autos, die beim Scannen den Laserstrahl durchqueren, erscheinen. Die Punkte hinter dem Hindernis werden nicht erfasst. Des Weiteren können virtuellen Punkte durch eine Strahlenaufspaltung, dem sogenannten Kometenschweif, entstehen (Abbildung ). In diesem Fall wird der Strahl an einem Objektrand gespalten. Es entstehen zwei Teilstrahlen, die auf unterschiedlich entfernte Objekte (z.b. Kronleuchter/Tisch) treffen und dadurch unterschiedliche Längen aufweisen. Die resultierende Entfernung wird aus den zwei Teilstrahlen gemittelt [PRZYBILLA, 2012A]. Abb Kometenschweif Punktmessfehler können bei Scannen durch Glas entstehen. Der Laser wird von Glas nicht reflektiert, sodass Fensterscheiben nicht mit erfasst werden können. So kann es im Datenmaterial, auf Grund der Lichtbrechung hinter dem Glas, zu Verfälschungen der Entfernung kommen (Abbildung /6). Abb Schaufenster 2D-Ansicht Abb Schaufenster 3D Ansicht Vanessa Noth 2012 Seite 8

16 Auftretende Punktmessfehler Ein weiterer Punktmessfehler eines Phasenvergleichslaserscanner sind Noniussprünge. Diese sollten in den Scans nicht auftreten. Laut Hersteller sind sie Entfernungsfehler, welche durch die Mehrdeutigkeit bei der Streckenmessung zustande kommen. Dadurch, dass die Mehrdeutigkeit durch eine Grob- und eine Feinmessung mit unterschiedlichen Frequenzen gelöst wird und die Frequenzen bekannt sind, besitzen die Noniussprünge bestimmte Entfernungsunterschiede (Abbildung /8). So sind z. B. bei einer Ebene mit dem Z+F IMAGER 5010 gescannt, weitere Punkte 11 Meter oder 0,7 Meter vor und hinter der Ebene. Abb Noniussprung Frontansicht Abb Noniussprung Seitenansicht Bei einer Visualisierung in Form eines virtuellen Fluges durch die Punktwolke, fallen solche Punktmessfehler deutlich auf. Das Erscheinungsbild der Visualisierung wirkt dadurch schlechter, als ohne. Viele der fehlerhaften Punkte, die im Datenmaterial vorliegen, können aber durch bestimmte Software und deren Filter-Optionen maskiert werden. Bei der Weiterverarbeitung fließen sie nicht weiter mit ein (Kapitel ) und kommen in der Visualisierung nicht zum Vorschein. Vanessa Noth 2012 Seite 9

17 2.2 Farbaufnahme mittels Z+F M-Cam (MotorCam) Farbaufnahme mittels Z+F M-Cam (MotorCam) Ein Laserscanner kann systembedingt keine Farbwerte speichern. Der Z+F IMAGER 5010 bietet die Möglichkeit, mit Hilfe der Z+F M-Cam und wenig Arbeitsaufwand, einen farbigen Scandatensatz zu erhalten [ZOLLER+FRÖHLICH, 2008]. Die Z+F M-Cam (Abbildung 2.2-1) ist eine digitale Industriekamera mit einer Auflösung von 5 MPixel. Sie wird mit der entsprechenden Befestigung auf dem Laserscanner montiert und mit Kabeln an den Z+F IMAGER 5010 angeschlossen. Nachdem der 360 Scan abgeschlossen ist, fährt der Laserscanner automatisch die voreingestellten Positionen für die M-Cam an und löst sie dort jeweils aus. Insgesamt werden in ca. 3:30 Minuten pro Standpunkt 28 Fotos und zwei Weißabgleich- Bilder erstellt, die mit dem zugehörigen Scan verknüpft werden. Abb Z+F M-Cam [ZOLLER+FRÖHLICH, 2011A] Bei der Aufnahme werden die Einstellungen nicht an der Kamera selber, sondern direkt am Laserscanner eingegeben. Es kann zwischen vier Belichtungsstufen Dunkel, Normal, Hell und Sonne gewählt werden. Laut Hersteller sind in jeder Stufe sieben Belichtungszeiten eingeteilt. Bei jeder Positionsaufnahme nimmt die Z+F M-Cam, je nach eingestellter Belichtungsstufe, sieben Fotos in den unterschiedlichen Belichtungszeiten auf. Das Foto, welches nach Auswertung des Bildhistogramms am besten belichtet ist, wird zum Scan abgespeichert. Durch unterschiedliche Lichtverhältnisse oder Sonneneinstrahlung können die Fotos unterschiedliche Farben aufweisen, was sich auch auf das Ergebnis niederschlägt und so kein einheitlicher Farbdatensatz entsteht (Abbildung 2.2-2/3). Dieses Problem könnte durch ein HDR-Bild (High Dynamic Range Images, Kapitel 3.5) beseitigt werden, jedoch steht diese Möglichkeit bei der M-Cam nicht zur Verfügung. Des Weiteren besitzt die M-Cam keine externe Beleuchtungsmöglichkeit, sodass die Aufnahme von Fotos im Dunkeln nicht möglich ist. Vanessa Noth 2012 Seite 10

18 Farbaufnahme mittels Z+F M-Cam (MotorCam) Abb Wangener Altstadt aufgenommen mit der Z+F M-Cam [SCHNEIDER/SCHUDT, 2009] Abb Wangener Altstadt aufgenommen mit der Z+F M- Cam [SCHNEIDER/SCHUDT, 2009] Die Überlagerung der Farbwerte auf die Scandaten erfolgt in der Software Z+F LaserControl der Zoller+Fröhlich GmbH. Hierfür müssen die innere und die äußere Orientierung der Kamera bekannt sein. Die innere Orientierung wird durch eine Kamerakalibrierung vom Hersteller bestimmt und steht zu der jeweiligen M-Cam im XML-Format zur Verfügung. Um die äußere Orientierung der M-Cam zu erhalten, muss diese mittels identischer Punkte im Scan und in den Bilddaten bestimmt werden. Dies kann in der Z+F LaserControl über eine vollautomatische Suche der sogenannten Feature Points (markante Punkte) erfolgen. Bei Scans und Bildern mit wenig strukturellen Merkmalen müssen die Passpunktpaare jedoch manuell definiert werden. Diese Punktkorrespondenzen dienen anschließend zur Berechnung der äußeren Orientierung. Vanessa Noth 2012 Seite 11

19 Abb Äußere Orientierung der M- Cam zum Laserscanner Farbaufnahme mittels Z+F M-Cam (MotorCam) Der Kameraursprung liegt nicht im Scannerursprung, da die M-Cam auf dem Laserscanner montiert ist. Dadurch entsteht eine Parallaxenverschiebung zwischen Scandaten und Bilddaten (Abbildung 2.2-4). Eine Transformation beschreibt somit die äußere Orientierung der einzelnen Bilder, bzw. die Lage der Kamera zum Scannerursprung. Sie muss lediglich einmal bestimmt werden, solange keine Veränderung der Kamera im Verhältnis zum Laserscanner erfolgt. Wird die Kamera entfernt muss dementsprechend eine erneute Berechnung der äußeren Orientierung stattfinden. Als Bewertungskriterium für die Güte der Überlagerung der Bilddaten auf die Scandaten wird bei der Berechnung der äußeren Orientierung ein Restfehler in Pixel ausgegeben. Die Farbqualität der M-Cam ist in vielen Bereichen des terrestrischen Laserscannens, wie zum Beispiel in der Forensik, nicht ausreichend. Es bestehen aber weitere Möglichkeiten colorierte Scandaten zu erzeugen. Zum Beispiel können mit einer DigiCam (z.b. Nikon D40), mit Freihandfotos, mit einer Spheron Kamera [SPHERONVR, 2012] oder einem Nodalpunktadapter farbige Fotos erstellt und auf die Laserscandaten überlagert werden [ZOLLER+FRÖHLICH, 2008]. Um eine bessere und geometrisch genaue Objektvisualisierung zu erhalten, das heißt ohne Parallaxenfehler, kann vorteilhaft mit einem Nodalpunktadapter und einer Spiegelreflexkamera gearbeitet werden. Auf diese Weise wird ein Panoramabild erstellt und mit dem Scan eines Panorama-Laserscanners überlagert. Im weiteren Verlauf wird umfassend auf die Panoramafotografie eingegangen. Außerdem werden die Anwendung und Auswertung eines Nodalpunktadapter mit dazugehörigen Scandaten beschrieben. Vanessa Noth 2012 Seite 12

20 Digitale Panoramafotografie 3. Digitale Panoramafotografie Das Wort Panorama setzt sich aus den griechischen Begriffen pân (= alles) und hórama (= das Sehen, der Anblick) zusammen und steht für die All-Ansicht oder Rundumsicht [WOESTE, 2008]. Abb. 3-1 Freihand Einzelaufnahme [FOTOINTERN, 2010] Ein digitales Panorama ist die perspektivische Darstellung von Räumen oder Gegenständen, welche von einem Punkt aus zu sehen sind. Je größer dieser Bildwinkel ist, desto mehr weicht das Bild vom menschlichen Sehfeld ab. Panoramen werden mit speziellen Panoramakameras aufgenommen, oder aus mehreren Einzelaufnahmen erstellt (Abbildung 3-1). Die Einzelbilder werden mit einem Überlappungsbereich hintereinander aufgenommen. Um genügend Spielraum für Korrekturen und den perfekten Anschluss untereinander zu schaffen, liegt der Überlappungsbereich bei ca % (Abbildung 3-2). Die Kamera wird dabei, je nach Objektiv, um einen Winkel horizontal verdreht und gegebenenfalls vertikal geneigt. Abb. 3-2 Einzelbildaufnahmen mit Überlappungsbereich Die aufgenommenen Einzelbilder werden daraufhin mit Hilfe einer sogenannten Stitching- Software nahtlos zusammengesetzt. Unter Kapitel 6.1 wird die Stitching-Software anhand der Beispiele RODEONpreview und PTGui erklärt. Je nachdem mit welchem Objektiv, wie viele Einzelbilder, mit wie viel Überlappungsbereich und in wie vielen Reihen die Einzelbilder aufgenommen werden, können die daraus resultierenden Panoramen besondere Seitenverhältnisse darstellen und bis zu einer vollen Sphäre von 360 abdecken. Die Auflösung dieser Panoramen ergibt sich über die Addition der Einzelauflösungen, abzüglich der Überlappungen [WOESTE, 2008; RÖPENACK, 2012]. Es besteht die Möglichkeit Panoramen zu erstellen, bei denen die Einzelbilder freihand aufgenommen werden. Idealerweise wird bei der Aufnahme von Panoramen ein Panoramakopf bzw. Nodalpunktadapter verwendet. Vanessa Noth 2012 Seite 13

21 Nodalpunktadapter 3.1 Nodalpunktadapter Der Nodalpunkt wird auch optisches Zentrum oder No-Parallax-Point genannt. Wird eine Kamera genau um diesen Punkt gedreht, entsteht zwischen Vorder- und Hintergrund keinerlei Parallaxenverschiebung, was für das spätere Stitching von großer Bedeutung ist. Ein spezieller Panoramakopf, der sogenannte Nodalpunktadapter, kommt bei der Erfassung vermessungstechnisch auswertbarer Einzelbildpanoramen zum Einsatz. Bei einem Nodalpunktadapter wird eine digitale Spiegelreflexkamera verwendet. In Abhängigkeit des zu erzeugenden Endproduktes kommt ein Standard-, Weitwinkel- oder Fisheye-Objektiv zum Einsatz. Zudem wird zur Montage des Nodalpunktadapters ein stabiles Stativ benötigt. Beim klassischen Panoramakopf ist die Kamera mit dem Stativgewinde im Kameraboden auf einen drehbaren Stativkopf am Stativ angeschraubt. So schwenkt die Kamera um ihre Stativachse [WOESTE, 2008]. vertikale Kippeinrichtung vertikale Traverse horizontale Drehplatte Libelle Kamera Traversen horizontale Traverse Abb Beispiel eines manuellen Nodalpunktadapters (ManFrotto 303 SPH) [ROSAURO, 2012, Hinzufügung durch V.N.] Je nach Art des Nodalpunktadapters besteht er aus Libellen, Einstellschlitten, einer horizontalen Panoramadrehplatte und einer vertikalen Kippeinrichtung. Mit Hilfe der Skalen an Einstellschlitten bzw. Traversen kann die Spiegelreflexkamera justiert werden (Abbildung 3.1-1). Bei richtiger Einstellung der Traversen, wird die Spiegelreflexkamera um die Vanessa Noth 2012 Seite 14

22 Nodalpunktadapter horizontale Drehachse und vertikale Kippachse geschwenkt und behält den Nodalpunkt immer bei. Die Lage des Nodalpunktes weicht bei jeder Kamera/Objektiv-Kombination ab und muss unter Verwendung mit dem Nodalpunktadapter experimentell ermittelt werden (Abbildung 3.1-2/3). Dieses erfolgt bei jedem Nodalpunktadapter nach dem gleichen Prinzip und wird im Kapitel 3.3 beschrieben. Kippachse Drehachse Abb Manueller Nodalpunktadapter Novofelx VR-System 6/8 [RÖPENACK, 2012, Hinzufügung durch V.N.] Abb Lage des Nodalpunktes Um ein Panoramabild zu erhalten, muss die Kamera beim Schwenken in regelmäßigen Abständen Einzelbilder aufnehmen, wobei es für das spätere Stitching wichtig ist, dass sich die Einzelbilder % auf beiden Seiten überschneiden. Dieser Verdrehwinkel und Neigewinkel ist abhängig von der verwendeten Kamera samt Objektiv, sowie vom Überlappungsbereich der Einzelbilder. Zur genauen Ausrichtung dieser Schrittweiten verfügen die meisten Nodalpunktadapter über eine Gradeinteilung und eine Winkelschritt- Einstellschraube. Durch das Einrasten werden die Einhaltung fester Winkelschritte und eine exakte Kameraführung gewährleistet, was das spätere Stitching erleichtern kann. Beim Nodalpunktadapter wird die Spiegelreflexkamera vorzugsweise im Hochformat an den Nodalpunktadapter angebracht. Der Vorteil liegt am größeren vertikalen Blickwinkel. Es muss zwar eine größere Anzahl an Aufnahmen für die horizontale Bildreihe erstellt werden, aber die Vertikalschritte werden reduziert, sodass die Aufnahmedauer eines Panoramas verringert wird. Vanessa Noth 2012 Seite 15

23 Nodalpunktadapter Abb Multi-Row Panorama Je nach Reihen im Horizontalbereich heißen die Panoramen Single-Row oder Multi-Row (Abbildung 3.1-4). Bei der Einzelbildpanorama-Erstellung eines sphärischen Panoramas handelt es sich immer um Multi-Row Panoramen, da zwar, zum Beispiel mit einem 10 mm- Fisheye-Objektiv nur sechs Einzelbilder im Horizontalbereich erstellt werden müssen, aber auch jeweils ein Bild in den Polregionen, Richtung Zenit und Nadir [RÖPENACK, 2012; STRIEWISCH, 2011; WOESTE, 2008]. Durch den Nodalpunktadapter wird das Schwenken um den Nodalpunkt ermöglicht. Bei der Aufnahme muss jedoch weiterhin auf Schärfe-, Helligkeits- und Farbbalance-Einstellungen der Kamera geachtet werden (Kapitel 3.4). Bevor mit dem Nodalpunktadapter das Panorama erstellt wird, sind zusammenfassend folgende Punkte zu kontrollieren: - Horizontale Ausrichtung des Systems - Einstellung des Nodalpunktes je nach Kamera/Objektiv-Kombination - Schrittweiten-Einstellung - Kameraeinstellungen Vanessa Noth 2012 Seite 16

24 Parallaxenfehler Es wurde die Funktionsweise eines Nodalpunktadapters beschrieben. Manuelle Beispielsysteme sind ManFrotto 303 SPH (Abbildung 3.1-1) [ROSAURO, 2012] und NovoFlex Panorama VR-System Pro (Abbildung 3.1-2) [RÖPENACK, 2012]. In dieser Bachelorarbeit kommt ein System zur Verwendung, bei dem der Nodalpunktadapter motorisiert arbeitet. Die Aufnahme erfolgt durch das elektronische Schwenken und Auslösen nahezu vollautomatisch (Kapitel 4). Wird aber ein Nodalpunktadapter nicht um den Nodalpunkt gedreht, kann das Panorama Parallaxenfehler aufweisen und das Stitching wird schwierig bis unmöglich. 3.2 Parallaxenfehler Die Parallaxe ist die Grundlage für das räumliche Sehen, jedoch für die Panoramafotografie kontraproduktiv, da sich die benachbarten Einzelbilder nicht optimal zur Deckung bringen lassen. Das Stitching wird mühsam oder gar unmöglich [WOESTE, 2008]. Um das Problem Parallaxenverschiebung zu vermeiden, muss sich die Kamera um den Nodalpunkt drehen. Beim Nicht-Schwenken der Kamera um den Nodalpunkt, verschieben sich die Abstände von Vorder- und Hintergrund zueinander, und die relative Lage der Details stimmen nicht mehr überein. Der Parallaxenfehler wird gerade bei konturreichen nahen und fernen Objekten sichtbar. Die Verschiebungen zwischen zwei unterschiedlich weit entfernten Objekten nehmen - mit zunehmender Entfernung der Objekte vom Aufnahmepunkt ab und - mit zunehmenden Abständen der Objekte zueinander zu. Bei der Einzelbild Panoramafotografie und der Nicht-Einhaltung des Nodalpunktes, können bei der Erzeugung des Panoramabildes doppelte Elemente und Brüche (Abbildung 3.2-1/2) in durchgehenden Linien entstehen. Abb Bruch im Panorama Abb Doppelte Elemente im Panorama Diese Parallaxenfehler werden umgangen, wenn der Nodalpunktadapter experimentell ermittelt wird. Vanessa Noth 2012 Seite 17

25 Nodalpunkt ermitteln 3.3 Nodalpunkt ermitteln Nachdem der Nodalpunktadapter mit seinen Komponenten zusammengebaut ist, erfolgt die Ermittlung des Nodalpunktes bei jedem Nodalpunktadapter auf gleiche Art und Weise. Die Lage des Nodalpunktes ist abhängig von der Kamera, dem Objektiv, sowie von der eingestellten Brennweite [CLAUSS, 2011A]. Somit muss er für jede Kamera/Objektiv- Kombination separat bestimmt werden. Es ist ratsam, beim Einstellen des Nodalpunktes mit einer mittleren Blende und einer Fokuseinstellung auf unendlich zu arbeiten. Vorder- und Hintergrund werden so gleich scharf abgebildet. Die Fokussierung sollte fixiert werden (z.b. mit Klebeband), um eine Veränderung der Einstellungen zu verhindern. Vorbereitung: Abb Horizontal- und Vertikallinien im Vorder- und Hintergrund zur Bestimmung des Nodalpunktes Um den Nodalpunkt zu bestimmen wird der Nodalpunktadapter auf einem Stativ und in horizontaler Ausrichtung angebracht. Es müssen von dieser Position vertikale und horizontale Linien sowohl im direkten Nahbereich, als auch im entfernten Hintergrund vorhanden sein (z.b. Fensterrahmen im Vordergrund, weitere Fenster im Hintergrund, Abbildung 3.3-1). Vanessa Noth 2012 Seite 18

26 Nodalpunkt ermitteln Je nach Bauart des Nodalpunktadapters lässt sich die Kamera über Traversen verschieben und der Nodalpunkt einstellen. Er muss in die Dreh- und Kippachse des Nodalpunktadapters verschoben werden, welches unter Umständen sehr zeitintensiv sein kann. Schritt 1: Einstellung der Horizontalachse Es wird mit der horizontalen Traverse begonnen. Hierbei wird das optische Zentrum der Kamera in die Drehachse verschoben. Die Kamera wird gegebenenfalls mit einer Wasserwaage oder nur mit der Skala der vertikalen Kippeinrichtung mit dem Blick nach unten ausgerichtet (Abbildung 3.3-2). Abb Vertikale Ausrichtung der Kamera [BRAUN, 2010] Im Sucher erfolgt die Kontrolle, dass der mittlere Autofokus des Suchers exakt auf die Markierung der Drehachse gerichtet ist. Andernfalls muss die Kamera auf der horizontalen Traverse verschoben werden (Abbildung 3.3-3). Abb Blick durch den Sucher [RÖPENACK, 2012] Schritt 2: Einstellung der Vertikalachse Bei diesem Schritt wird die Kamera horizontal ausgerichtet (Objektivachse parallel zum Boden, Abbildung 3.3-4). Abb Horizontale Ausrichtung der Kamera [BRAUN, 2010] Vanessa Noth 2012 Seite 19

27 Nodalpunkt ermitteln Im Sucher werden vertikale Linien im Vorder- und Hintergrund anvisiert. Günstig sind dabei vertikale Linien, die in einer Flucht liegen. Daraufhin wird die Kamera nach rechts und links bzw. horizontal geschwenkt und gleichzeitig werden die Linien mit dem Sucher beobachtet. Die vertikalen Linien die zuvor in der Flucht lagen, müssen beim Schwenken weiterhin in der Flucht liegen. Bei den Linien, die im Vorder- und Hintergrund einen bestimmten Abstand vorweisen, darf sich der Abstand beim Schwenken nicht verändern. Ist das nicht der Fall (Abbildung 3.3-5), befindet sich das System noch nicht im Nodalpunkt und die vertikale Traverse muss nachjustiert werden. Dies wird iterativ wiederholt, bis die relativen Abstände des Vorder- und Hintergrundes gleichbleiben, wie auf Abbildung zu erkennen ist [CLAUSS, 2011; RÖPENACK, 2012; STRIEWISCH, 2011]. Abb Parallaxenverschiebung, Kamera schwenkt nicht um den Nodalpunkt Schwenk nach links Schwenk nach rechts Abb Beim horizontalen Schwenken bleiben die Abstände gleich groß Vanessa Noth 2012 Seite 20

28 Kameraeinstellungen Durch den Sucher kann grob erkannt werden, ob sich die Abstände verändern. Es ist deshalb empfehlenswert, zum Justieren von digitalen Kameras zusätzlich Fotos zu erstellen. Auf diese Weise können die Fotos am Bildschirm pixelgenau betrachtet und eine Feinjustierung des Nodalpunktes erfolgen. Bei der Erstellung von Panoramabildern werden häufig Fisheye-Objektive verwendet, da sie einen großen Blickwinkel abdecken und durch wenige Aufnahmen ein sphärisches Panorama aufnehmen. Problem bei einem Fisheye-Objektiv ist allerdings die Ermittlung des Nodalpunktes, da derartige Optiken sehr starke radial-symmetrische Verzeichnungen aufweisen. Um ein Fisheye-Objektive zu justieren, sollten deswegen schon beim Justieren die gleichen Winkelschritte verwendet werden, wie später bei der Panoramaaufnahme [WOESTE, 2008]. Es ist empfehlenswert, den Nodalpunkt mit allen in Frage kommenden Kombinationen einmal zu ermitteln und diese zu notieren. Bei der späteren Aufnahme sind die Werte an den entsprechenden Skalen einzustellen. Nach Einstellen des Nodalpunktes und der notwenigen Schrittweiten für das jeweilige Objektiv/Kamera-Kombination, muss die Kameraeinstellung vorgenommen werden. 3.4 Kameraeinstellungen Bei den Einzelbildpanoramen ist die Kameraeinstellung wichtig, da jedes Einzelbild gleich gute Ergebnisse (z.b. Farbverhältnisse) abbilden sollte. So muss bei der Aufnahme mit dem Nodalpunktadapter auf Schärfe, Helligkeit und Farbbalance geachtet werden. Diese werden mit entsprechenden Kameraeinstellungen reguliert (Tabelle 3.4-1). Kameraeinstellungen Autofokus ist zu deaktivieren Blende nicht verändern Wahl der Belichtungszeit automatischer Weißabgleich deaktivieren Auswirkung identischer Schärfenverlauf in den Einzelbildern einheitliche Tiefenschärfe in den Einzelbildern je nach Umgebungshelligkeit feste Farbtemperatur, einheitliche Farbbalance, keine farblich unterschiedlichen Teilbilder Tabelle Kameraeinstellung Vanessa Noth 2012 Seite 21

29 Kameraeinstellungen Problematisch bei der Panoramaherstellung sind die unterschiedlichen Lichtverhältnisse, die den gleichmäßigen Gesamteindruck eines Panoramas stören können. Idealerweise sollte die Belichtung bei den Einzelaufnahmen konstant gehalten werden. Dazu werden Blende und Belichtungszeit manuell eingestellt (hier Nikon, Programm M). Bei der Wahl der richtigen Belichtung muss ein Mittelwert für das gesamte Panorama verwendet werden, sodass zwangsweise Details im Licht oder Schatten verloren gehen können (Abbildung 3.4-1). Wenn in einem Panorama die Helligkeiten sehr stark variieren, und ein HDR-Bild nicht erzeugt werden kann, könnte mit dem Zeitautomatik -Programm gearbeitet werden. Hierbei wird die Blende einmal festgelegt und beim Fotografieren wird die Belichtungszeit zu jedem Bild von der Kamera automatisch selbst gewählt. Doch diese Lösung kann zu schlechten Ergebnissen führen (Abbildung 3.4-2), da sich die Belichtungszeit bei jedem Bild ändern kann. Abb Panorama mit Programmeinstellung Manuell Abb Panorama mit Programmeinstellung Zeitautomatik Vanessa Noth 2012 Seite 22

30 HDR-Bilder Zur gleichmäßigen Ausleuchtung ist es besser, mit einer längeren Verschlusszeit als mit punktuellem Blitz zu arbeiten. Durch die Verwendung eines Nodalpunktadapters auf einem Stativ wird das Verwackeln des Fotos verhindert, somit lassen sich auch längere Verschlusszeiten problemlos realisieren. Abhängig von der Kamera ist es vorteilhaft die Einzelbilder im RAW-Format (Rohdatenformat) aufzunehmen. Zwar besitzen die Fotos dann eine höhere Datenmenge, aber im Gegensatz zu dem JPG-Format sind sie nicht komprimiert und können mit einen RAW- Konverter vor dem Stitching genau in der Helligkeit etc. angeglichen werden. Je nach Stitching-Software kann direkt mit dem RAW-Format gearbeitet werden, sodass eine vorherige Konvertierung nicht notwendig ist. Gegebenenfalls kann für ein zufriedenstellendes Ergebnis mit einer Anfertigung von HDR- Bildern gearbeitet werden. 3.5 HDR-Bilder Ein Problem der Panoramafotografie ist ein größerer Blickwinkel. Es können unterschiedliche Lichtverhältnisse, wie zum Beispiel ein dunkler Raum mit einem sonnendurchfluteten Fenster, auftreten. Bei der Panoramafotografie mit größeren Helligkeitsunterschieden muss entschieden werden, ob die dunklen oder die hellen Bildbereiche detailliert abzubilden sind. Diese sichtbaren Helligkeitsstufen werden als Dynamikumfang bezeichnet. Um ein Gesamtbild mit hohem Dynamikumfang und Farbtiefe darzustellen, können HDR- Bilder (High Dynamic Range Images) erstellt werden. Helle als auch dunkle Bildbereiche werden künstlich angepasst und in einem 32 Bit farbtiefen Bild, z.b. im HDR-Format, abgespeichert. Für die Anfertigung der HDR-Bilder werden an einer Position mehrere Aufnahmen in einer Belichtungsreihe erstellt (Abbildung 3.5-1). Im Wangener Scanprojekt werden drei Aufnahmen erstellt: eine mit normaler Belichtung, eine Überbelichtung und eine Unterbelichtung. Die mittlere Belichtung orientiert sich dabei am neutralsten Teil bzw. auf das Hauptmotiv des Panoramas. Abb Belichtungsreihe Vanessa Noth 2012 Seite 23

31 HDR-Bilder Anschließend werden die Bilder mit einer Software (HDR-Generatoren und Tone Mapper) miteinander kombiniert und verrechnet, sodass ein erhöhter Kontrastumfang entsteht. Für die Bearbeitung und das Betrachten von HDR-Bildern sind spezielle Software-Produkte notwendig, z.b. Bildbearbeitungsprogramme, die die Nachbearbeitung und Korrektur der Bilder erlauben [360DIRECT, 2010]. Bei der Berechnung der HDR-Bilder werden unterschiedliche Algorithmen verwendet. Zum Beispiel kann mit der Stitching-Software PTGui (Graphical User Interface for Panorama Tools, Kapitel 6.1.2) ein anschließendes Tone-Mapping oder ein Exposure Fusing erfolgen [PTGUI, 2012]. Abb Beispiel Panorama für Tone-Mapping Abb Beispiel Panorama für Exposure Fusing Vanessa Noth 2012 Seite 24

32 HDR-Bilder Diese Algorithmen bewerten die Qualität der einzelnen Pixel in den Ausgangbildern anhand guter Belichtung, hohem Kontrast und starker Sättigung [WOESTE, 2008]. Auffällig bei der Tone-Mapping Funktion ist, dass das Ergebnis unnatürlich aussieht (Abbildung 3.5-2). Die Exposure Fusing Funktion wirkt dagegen natürlicher, kann aber die Details in zu hellen Bereichen nicht vollständig darstellen (Abbildung 3.5-3). Es ist bei der Berechnung der HDR-Bilder wichtig, dass alle Aufnahmen der einzelnen Position exakt deckungsgleich liegen. Wird dies ignoriert, werden die einzelnen Pixel verfälscht und es entsteht kein gründliches HDR-Bild. Vorteil bei der Verwendung eines Nodalpunktadapters ist die stabile Aufnahme von Belichtungsreihen an jeder Position, sodass keine Positionierung der Einzelbilder zueinander erforderlich ist. Das HDR Format lässt sich in manchen Bildverarbeitungsprogramme öffnen, z.b. in Adobe Photoshop. Dort können die HDR-Panoramen in unterschiedlichen Belichtungen angezeigt werden (Abbildung 3.5-4/5). Je nach Zweck der Panoramabilder werden diese HDR-Bilder mit der gewünschten Belichtung in einem Standardformat wie JPG abgespeichert. Abb Unterbelichtetes Panorama Abb Überbelichtetes Panorama Nachteil bei den HDR-Bildern ist der erhöhte Aufwand, der durch die Erstellung der Belichtungsreihen entsteht. Zusätzlich führt es zu einer erhöhten Datenmenge sowie Rechenzeit und Arbeitszeit bei der Software-Berechnung. Nach Einstellung des Nodalpunktes und der Kamera kann mit der Aufnahme der Einzelbilder begonnen werden. Dies gilt auch für den motorisierten Nodalpunktadapter der Dr. Clauss Bild- und Datentechnik GmbH. Vanessa Noth 2012 Seite 25

33 Nodalpunktadapter RODEON VR Head CL der Dr. Clauss Bild- und Datentechnik 4. Nodalpunktadapter RODEON VR Head CL der Dr. Clauss Bild- und Datentechnik GmbH Für dieser Bachelorarbeit steht der RODEON VR Head CL (kurz RODEON) zur Verfügung. Er ist ein motorisierter Nodalpunktadapter, entwickelt von der Dr. Clauss Bild- und Datentechnik GmbH und gehört zu der RODEONmodular Serie [CLAUSS, 2011A]. Abb. 4-1 RODEON VR Head CL [CLAUSS, 2011A] Der RODEON VR Kopf (Abbildung 4-1) ermöglicht die Erstellung von sphärischen Panoramen, welche sowohl im Single-Row-, als auch im Mulit-Row-Verfahren automatisch aufgenommen werden können. Bei den manuellen Nodalpunktadaptern werden die Schrittweiten sowie das Auslösen durch den Anwender ausgeführt. Bei diesem akkubetriebenen, motorisierten Nodalpunktadapter erfolgt die Erfassung eigenständig. Er besitzt einen Horizontal- und Vertikalantrieb sowie ein Auslösekabel zur Kamera, die elektronisch betrieben werden. Mit dem RODEON wird die digitale Spiegelreflexkamera Nikon D90 verwendet. Diese ist von der Firma Dr. Clauss Bild- und Datentechnik GmbH mit einem 14 mm und 32 mm Nikkor Objektiv kalibriert worden, um die geometrischen Eigenschaften der Kamera/Objektiv-Kombination zu bestimmen. Dafür ist das eigene Kamerakalibiersystem verwendet worden. Verwiesen sei hier auf die Literatur Universelles Kamerakalibrierungssystem mit zentraler Zielmarke [CLAUSS, 2011B]. Außerdem ist die Kamera in das System integriert und die Nodalpunkte jeder Kombination wurden von der Firma ermittelt. Bei der Verwendung des 14 mm Objektivs werden insgesamt 18 Einzelbilder benötigt, um die volle Sphäre aufzunehmen. Hierbei werden acht Bilder in horizontaler und vier Bildreihen in vertikaler Richtung benötigt. Es ist zu beachten, dass die erste und die letzte vertikale Position die Polregionen darstellen und dort nur je ein Einzelbild erstellt werden muss. Das 32 mm Objektiv dagegen benötigt sieben vertikale Bildreihen und 17 Serien Bilder im Horizontalbereich, sodass bei einer vollen Sphäre insgesamt 79 Einzelbilder erstellt werden, da nahe der Polregionen weniger Bilder erforderlich sind. Vanessa Noth 2012 Seite 26

34 Bediensoftware RODEONmodular Gesteuert wird der Nodalpunktadapter über Bluetooth-Verbindung mit einer Steuerhardware, wie zum Beispiel PDA, Handy oder Laptop und installierter RODEONmodular- Bediensoftware. Ohne diese Software ist der RODEON nicht funktionsfähig. 4.1 Bediensoftware RODEONmodular Mittels der Bediensoftware RODEONmodular wird der RODEON über Bluetooth gesteuert. Hierfür verbindet sich der PDA mit installierter Bediensoftware mit dem RODEON über Bluetooth. Bei erfolgreicher Verbindung fährt der RODEON von seiner Grundstellung (Kameraobjektiv zeigt nach oben) in die Startstellung (Kameraobjektiv parallel zum Boden). Daraufhin werden mit Hilfe von RODEONmodular alle relevanten Einstellungen für die Panoramafotografie eingestellt. Es stehen fünf Tabs zur Verfügung, in denen nur die Bewegung und die Steuerung des RODEONs konfiguriert werden. Die Kameraeinstellungen, wie zum Beispiel Belichtungszeiten, erfolgen weiterhin an der Spiegelreflexkamera. Abb RODEONmodular Im Auto -Tab. erfolgt der Befehl des Startens, Haltens und Stoppens des RODEONs (Abbildung 4.1-1). Außerdem besteht dort die Möglichkeit, die angewendeten Einstellungen als Script-Datei im TXT-Format abzuspeichern, sodass sie für jede weitere Anwendung nochmals aufgerufen werden können. In der TXT-Datei wird der vollständige Bewegungsablauf mit den Motorpositionen jedes einzelnen Bilds als Skript gespeichert. Sie kann manuell editiert werden, sodass komplexe Bewegungsabläufe ausführbar sind, welche in der Konfiguration über die Bediensoftware nicht möglich wären [CLAUSS, 2011A]. Dazu wird sie gegebenenfalls für das spätere Stitching benötigt. Vanessa Noth 2012 Seite 27

35 Bediensoftware RODEONmodular Unter dem Tab Man kann der RODEON manuell bewegt werden. Es ist möglich, selbst gewählte Winkel anzufahren (Abbildung 4.1-2). Abb RODEONmodular Tab: Man In den Tabs H und V erfolgt die Einstellung über den Horizontal- und Vertikal-Bildwinkel (Abbildung 4.1-3). Aufnahmefeld und Winkelbegrenzungen der Panoramen können frei gewählt werden. Abb RODEONmodular Tab: H Abb RODEONmodular Tab: V Die Haltepunkte geben die Anzahl der Winkelschritte an. So kann der RODEON die gewünschten Rastereinstellungen und Schrittweiten anfahren. Der Überlappungsbereich vergrößert sich in Polnähe, sodass dort die Fotoanzahl verringert werden kann ( Bildanzahl optimieren ). Um effizient arbeiten zu können, fährt der RODEON die kürzesten Wege und Ausführungszeiten ab. Für den Fall, dass eine Kabelverbindung zu einer anderen Hardware besteht, kann ein Verdrehlimit eingestellt werden, um ein Aufwickeln des Kabels zu verhindern. Vanessa Noth 2012 Seite 28

36 Bediensoftware RODEONmodular Abb RODEONmodular Tab: Ext Weitere Einstellungen wie Belichtungsreihen, Wiederholungen, Kamerazeiten und Geschwindigkeiten können unter dem letzten Tab Ext gewählt werden (Abbildung 4.1-5). Mit Hilfe dieser Einstellungen erhält der RODEON die Informationen, wann er die Position der Einzelbilder verändern soll. Dazu muss in der Software die Vorauslösezeit, Belichtungszeit und Erholungszeit jedes einzelnen Bildes angegeben werden. Der RODEON kann in zwei verschiedenen Modi arbeiten. Zu Anfang dieser Bachelorarbeit stand der zweite Modus noch nicht zur Verfügung. Somit ist hauptsächlich der Standardmodus verwendet worden, wobei der Nodalpunktadapter die Positionen der Einzelbilder schrittweise anfährt. Die Geschwindigkeit in diesem Modus ist abhängig von den Einstellungen im Ext -Tab und der Kapazität des Akkus. Der zweite Modus ist der sogenannten Twistermodus. In diesem findet eine kontinuierliche Drehbewegung um die horizontale und vertikale Achse statt. Befindet sich die Kamera an der definierten vertikalen und horizontalen Position, wird in der Bewegung ein Foto ausgelöst. Bedingt durch die ständige Bewegung muss die Belichtungszeit kurz gehalten werden, um verwackelte Aufnahmen zu vermeiden. Für optimale Ergebnisse muss die richtige Kombination aus Kameraeinstellung und Motorgeschwindigkeit des Nodalpunktadapters gefunden werden, sodass dann in kürzester Zeit die volle Sphäre abfotografiert werden kann. Vanessa Noth 2012 Seite 29

37 Vorgehensweise zur Erhaltung farbiger Laserscandaten mittels Nodalpunktadapter Die Bediensoftware RODEONmodular ist schlicht und intuitiv aufgebaut. Die Einarbeitungszeit ist sehr gering. Bei Verwendung einer Kamera/Objektiv-Kombination, müssen lediglich einmal die Einstellungen festgelegt und abgespeichert werden. So kann der Anwender diese Skript-Datei jederzeit aufrufen und mit der Aufnahme beginnen. Nicht so effizient ist dagegen die Nicht-Kommunikation der Bediensoftware zur Kamera. Lediglich die Bewegung und die Steuerung des RODEONs werden dort konfiguriert. Die Kameraeinstellungen müssen weiterhin an der Spiegelreflexkamera eingestellt werden. Das Stitching der Einzelaufnahmen zum Panorama erfolgt weiterhin in einer Stitching-Software (Kapitel 6.1). 4.2 Vorgehensweise zur Erhaltung farbiger Laserscandaten mittels Nodalpunktadapter Panorama-Laserscanner speichern die lokalen Koordinaten x, y, z und den sogenannten Intensitätswert ab. Erfolgt ein Anzeigen der 3D-Daten auf ein 2D-Bild, resultiert ein Kugelpanorama ähnlich dem eines Schwarzweißfotos. Um mit Hilfe eines Nodalpunktadapters, speziell dem RODEON, farbige Scandaten zu erhalten, muss ein sphärisches Panorama erstellt werden, welches mit dem Laserscan überlagert wird (Abbildung 4.2-2/3/4). Vorteil bei der Colorierung mit einem Nodalpunktadapter ist zum einen die erhöhte Farbqualität (Qualität einer Spiegelreflex Kamera) und zum anderen die Tatsache, dass kein Parallaxeneffekt auftritt, wenn der Nodalpunkt mit dem Scanzentrum zusammenfällt. Hierfür muss der Laserscan fachgerecht durchgeführt werden. Unter Anwendung der Zwangszentrierung wird der Laserscanner vom Dreifuß entnommen und durch den RODEON ersetzt. Daraufhin können die Einzelbilder für das Panorama aufgenommen werden. Vanessa Noth 2012 Seite 30

38 Vorgehensweise zur Erhaltung farbiger Laserscandaten mittels Nodalpunktadapter Abb Panoramabild mit PTGui gestitcht Abb Dazugehörige Scan als Intensitätsbild Abb Colorierter Scan Vanessa Noth 2012 Seite 31

39 Vorgehensweise zur Erhaltung farbiger Laserscandaten mittels Nodalpunktadapter Zu den Voraussetzungen für eine geometrisch genaue Überlagerung der Bilddaten mit den Scandaten zählen folgende Punkte: - Die innere Orientierung (Sensorgröße, Verzeichnung, Bildhauptpunktlage) der Kamera/Objektiv-Kombination muss bekannt sein: In PTGui sind durch die EXIF-Informationen (Exchangeable Image File Format) die Bildinformationen verfügbar oder können manuell eingestellt werden. Durch diese Informationen sind Näherungswerten für die innere Orientierung in PTGui vorhanden. Sie werden durch das automatische Finden von Control Points verbessert und nachjustiert. Dafür ist genügend Überlappungsbereich erforderlich, sodass ein verzeichnungsfreies Panorama entsteht. - Bestimmung der äußeren Orientierung: Die äußere Orientierung des Panoramas zum Laserscan wird mit der Software Z+F LaserControl bestimmt. Es sind mindestens drei identische Passpunktpaare zu definieren. Z+F LaserControl berechnet daraus die Werte der Verdrehwinkel (Pitch, Roll, Yaw) der äußeren Orientierung des Panoramas, bezogen auf das lokale Laserscanner-Koordinatensystem. - Parallaxen Vermeidung: Durch Anwendung der Wild-Zwangszentrierung in Verbindung mit einem Höhenadapter (Abbildung 4.2-1) bleiben die Translationen (Tx, Ty, Tz) der äußeren Orientierung gleich Null. Der RODEON ist bereits durch die Dr. Clauss Bildund Datentechnik GmbH auf die Höhe des Z+F IMAGER 5010 gesetzt worden. Abb Höhenadapter [GOECKE, 2012] Vanessa Noth 2012 Seite 32

40 Voruntersuchungen zur automatisierten Überlagerung von Bild- und Laserscandaten 4.3 Voruntersuchungen zur automatisierten Überlagerung von Bild- und Laserscandaten Aktuell erfolgt die Überlagerung der Bild- und Laserscandaten über die manuelle Bestimmung von mindestens drei identischen Passpunktpaaren in der Software Z+F LaserControl der Zoller+Fröhlich GmbH. Bei großen Scanprojekten ist dies ein zeitaufwändiger Prozess. Die Grundüberlegung der Voruntersuchung liegt daher in der Automatisierung dieser Überlagerung. Die Zoller+Fröhlich GmbH verfügt über einen Algorithmus der Feature Points zwischen Scan und Bilddaten automatisch findet. Dieser ist bereits für die Automatisierung für die Z+F M-Cam Daten in Z+F LaserControl implementiert [ZOLLER+FRÖHLICH, 2008]. Laut Hersteller benötigt der Algorithmus für die Suche der Feature Points eine Vorausrichtung der Bilder, der einen Pixelfehler von fünf nicht überschreiten darf. Die folgende Untersuchung soll zeigen ob dieser Feature Point - Algorithmus für die Einzelaufnahmen des RODEONs bzw. daraus gestitchten Panoramen verwendet werden kann. So wird in dieser Voruntersuchung getestet, wie stark sich die Überlagerungswerte verändern und ob die Bedingung der Vorausrichtung eingehalten werden kann. Die Technische Voraussetzung für den Algorithmus liegt darin, dass die Encoder beider Systeme über einen definierten Nullpunkt des Horizontalen-Encoders verfügen. So starten die Systeme immer am selben Punkt. Dies ist beim RODEON sowie beim Z+F IMAGER 5010 der Fall. Beim Austausch der Systeme darf sich die Position des Dreifußes nicht verändern. Durch die Markierungen am Dreifuß und den Dreifußklauen beider Systeme ist sichergestellt, dass sie stets an derselben Position beginnen. Folglich haben sie von Standpunkt zu Standpunkt immer die gleiche Ausrichtung zueinander. Es wird folgendes Equipment eingesetzt: - RODEON VR Head CL - Spiegelreflexkamera Nikon D90-14 mm Nikkor Objektiv - Z+F IMAGER Stativ - Targets: Black & White, Z+F AutoTargets, Z+F ProfiTargets - Stitching-Software: RODEONpreview, PTGui Vanessa Noth 2012 Seite 33

41 Voruntersuchungen zur automatisierten Überlagerung von Bild- und Laserscandaten Dazu wird ein Testfeld in der Größe von ca. 20 m x 20 m aufgebaut, in dem acht (Black + White) Targets in unterschiedlichen Höhen verteilt sind (Abbildung 4.3-1). Target Standpunkt Abb Skizze destestfeldes Insgesamt wird von elf verschiedenen Standpunkten aus die volle Sphäre mit dem Z+F IMAGER 5010 eingescannt und mit dem RODEON die Einzelbilder aufgenommen. Dafür wird die Standard-Scanauflösung High mit der Qualität Normal verwendet (Abbildung 4.3-2). Bei Verwendung eines 14 mm Objektives sind für eine komplette sphärische Aufnahme 18 Bilder erforderlich. Die maximale Entfernung zu den Targets beträgt 20 Meter. Dadurch ist sichergestellt, dass die Targets in der High -Auflösung in Z+F LaserControl sicher erkannt werden. Vanessa Noth 2012 Seite 34

42 Voruntersuchungen zur automatisierten Überlagerung von Bild- und Laserscandaten Nach der Aufnahme der Daten werden mit Hilfe der Stitching-Software PTGui die Panoramen gestitcht und mit einer Auflösung von x Pixel im JPG Format abgespeichert (Abbildung 4.3-3). Die genaue Vorgehensweise kann ab Kapitel 6.1 nachgelesen werden. Abb Laserscanbeispiel als 2D Bild, Stp. 3 mit Markierung der Targets Abb Dazugehöriges Panoramabeispiel, Stp. 3 In der Software Z+F LaserControl erfolgt die Überlagerung der Panoramen mit den zugehörigen Scans (Kapitel ). Die acht Targets werden zur Bestimmung der äußeren Orientierung verwendet. Hierbei werden die Drehwinkel (Roll, Pitch, Yaw) bestimmt. Zusätzlich wird als Bewertungskriterium für die Güte der Überlagerung der Bilddaten auf die Scandaten ein Restfehler in Pixel ausgegeben. Vanessa Noth 2012 Seite 35

43 Voruntersuchungen zur automatisierten Überlagerung von Bild- und Laserscandaten Bei allen elf Standpunkten liegt der Restfehler minimal bei 0,5 Pixel und maximal bei 2 Pixel (Tabelle 4.3-1), welches eine gute Überlagerung darstellt. Standpunkt Pixelfehler 1 1, , ,96 2 1,89 3 1,81 4 1,71 5 1,50 6 1,74 7 0,77 8 1,62 9 0,51 Mittelwert 1,52 Stabw. 0,48 Tabelle Pixelfehler der Überlagerung Die Überlagerungswerte der einzelnen Panoramen können aus einer XML-Datei oder aus der Projektdatei entnommen werden (Tabelle 4.3-2). Standpunkt Roll Pitch Yaw 1 0,0006 0,0007 2, ,0001 0,0007 2, ,0005-0,0004 2, ,0017 0,0005 2, ,0003-0,0004 2, ,0009 0,0005 2, ,0009 0,0005 2, ,0023 0,0006 2, ,0008 0,0003 2, ,0000 0,0002 2, ,0000-0,0007 2,7388 Mittelwert 0,0003 0,0002 2,7375 Stabw. 0,0010 0,0005 0,0027 Tabelle Übersicht der Drehwinkel (Roll, Pitch, Yaw in Radiant) Roll, Pitch stellen einen Restwinkel dar, der durch einen Fehler der Aufsatzfläche entstehen kann. Yaw stellt den Drehwinkel um die Z-Achse dar und wird für diese Voruntersuchung benötigt. Durch Markierungen an den Dreifußklauen ist sichergestellt, dass beide Systeme Vanessa Noth 2012 Seite 36

44 Voruntersuchungen zur automatisierten Überlagerung von Bild- und Laserscandaten immer gleich zueinander ausgerichtet sind. In diesem Fall besitzen die Panoramen gegenüber dem lokalen Laserscansystem (YAW) eine Orientierung von ca. 2,74 [rad] bzw. ca Bei der Überlagerung aller Panoramen, sollte dieser Wert gleich bleiben bzw. den Pixelfehler von maximal fünf Pixel nicht überschreiten, um gegebenenfalls den Feature Point - Algorithmus anzuwenden zu können. Somit wird zuerst die Standardabweichung von 2 mrad berechnet. Das sphärisches Panorama, welches mit den High -Scan überlagert wird, besitzt eine Auflösung von Pixel. Somit erfolgt die Umrechnung der Standardabweichung in Pixel durch folgende Formel: Formel 1: Umrechnung in Pixel Mit dem Ergebnis von x = 4,41 Pixel liegt die Standardabweichung innerhalb der fünf Pixel, sodass die Möglichkeit besteht, den Feature Point -Algorithmus anzuwenden. Das Ergebnis wird an die Zoller+Fröhlich GmbH weitergeleitet, aber in der Bachelorarbeit nicht weiter verfolgt. Vanessa Noth 2012 Seite 37

45 Bewertung des Nodalpunktadapter RODEON VR Head CL 4.4 Bewertung des Nodalpunktadapter RODEON VR Head CL Nach umfangreichen Tests während der Bachelorarbeit ergeben sich folgende Bewertungen zum Nodalpunktadapter RODEON VR Head CL. Vorteile Nachteile + Keine Parallaxe zum Laserscanner - Umbau nötig (Laserscanner RODEON) + Vollautomatisch und schnell - Bluetooth Verbindung, keine direkte Steuerung am System selbst + Universeller Einsatz (Benutzung von SLR Kameras) + Präzise Einzelbildaufnahme durchführbar + Schnellspannplatte, Kamera jederzeit abnehmbar - Keine direkte Kommunikation zur Kamera (Einstellungen müssen doppelt ausgeführt werden) - Kleiner Akku ca. 13 komplette sphärische Aufnahmen am Stück Tabelle Vor- und Nachteile des RODEON-Systems Der RODEON VR Head CL ist ein stabiler, motorisierter Nodalpunktadapter, der ohne große Vorbereitung einsetzbar ist. Durch den intuitiven Aufbau der Bediensoftware RODEONmodular ist die Einarbeitungszeit sehr gering. Hauptsächlich ist mit dem Standardmodus gearbeitet worden. Erst am Ende der Bachelorarbeit stand der Twistermodus zur Verfügung. Hinsichtlich der Effizienz ist der Twistermodus ein großer Vorteil. Wenn es die Lichtverhältnisse zulassen, kann durch den Twistermodus das Panorama mit einem 14mm Objektiv in nur ca. 20 Sekunden aufgenommen werden. Die Einzelbildaufnahme im normalen Modus benötigt bei gleichen Vorgaben ca. das Dreifache der Aufnahmezeit, wobei es dennoch schneller ist, als ein manueller Nodalpunktadapter. Der RODEON wird mittels Bedienungssoftware über Bluetooth angesteuert, sodass eine zweite Hardware nötig ist. Problematisch daran ist, dass die Verbindung je nach Umgebung und Entfernung gestört werden kann. Wenn die Hardware ausfällt ist der RODEON nicht anwendbar. Beim Vergleichen eines manuellen mit einem motorisierten Nodalpunktadapter liegt der Vorteil in der Automatisierung des Ablaufs. Mittels Motorisierung und elektronischer Bedienung, ist eine präzise, schnelle und automatische Einzelbildaufnahme durchführbar. So Vanessa Noth 2012 Seite 38

46 Bewertung des Nodalpunktadapter RODEON VR Head CL können Fotos wiederholt aufgenommen werden, die sich exakt an derselben Position befinden, was bei Belichtungsreihen und Wiederholungen vorteilhaft ist. Bei einem manuellen Nodalpunktadapter ist dagegen keine exakte Wiederholung der Winkeleinstellung möglich. Des Weiteren sind durch die Motorisierung die Motorpositionen der Einzelbilder bekannt. Diese Informationen erleichtern das spätere Stitching, da sie als äußere Orientierung der Einzelfotos mit eingehen. Zudem führt es zu einer besseren Überlagerung der Panoramafotos mit den Scandaten. Bei einem Vergleich zwischen der Z+F M-Cam mit dem RODEON, ist in Bezug auf die Farbauflösung der Nodalpunktadapter überlegen. Bei der Panoramafotografie mit einem Nodalpunktadapter wird hauptsächlich eine Spiegelreflexkamera verwendet. Vorteil ist hierbei die erhöhte Farbqualität, z.b. wegen des größeren Aufnahmesensors und der umfangreichen Einstellungsmöglichkeiten, wie z.b. Belichtungszeiten. Bei der Z+F M-Cam, welche eine Industriekamera mit 5 MPixel ist, sind die Belichtungsstufen auf vier begrenzt. Das begrenzt die Einsatzmöglichkeiten und realitätsgetreue Aufnahmen von Objekten sind nur bedingt möglich. Daher bietet bei einem farbigen Laserscanprojekt das System Nodalpunktadapter mit Spiegelreflexkamera eine größere Einsatzmöglichkeit gegenüber der M-Cam. Bei der Aufnahme mit dem Nodalpunktadapter ist ein Austausch des Laserscanners durch den Nodalpunktadapter erforderlich. In der Auswertung folgen das zeitaufwändige Stitching der Panoramen und das manuelle Überlagern der Panoramen mit der Punktwolke. Der Zeitaufwand ist somit höher als bei der M-Cam. Zum einen, weil die Aufnahme der Fotos mittels M-Cam direkt im Anschluss an den Scan erfolgt und zum anderen, weil die Ausarbeitung automatisiert durchgeführt wird. Da die Z+F M-Cam auf dem Laserscanner montiert ist, ist eine Parallaxe zwischen den Daten, Laserscan und Fotos vorhanden. Bei der Aufnahme der digitalen Fotos mittels Nodalpunktadapter sollte der Nodalpunkt mit dem Scannerursprung zusammenfallen, damit keine Parallaxe entsteht. Vanessa Noth 2012 Seite 39

47 5. 3D-Laserscanning in Wangen im Allgäu 3D-Laserscanning in Wangen im Allgäu Die weitere Aufgabe dieser Bachelorarbeit ist das 3D-Laserscanning in Wangen im Allgäu mittels Z+F IMAGER 5010 der Zoller+Fröhlich GmbH und Nodalpunktadapter der Firma Dr. Clauss Bild- und Datentechnik GmbH. Die Laserscandaten des historischen Stadtkerns sollen als Visualisierung der Punktwolke in Form einer Videodatei im Internet präsentiert werden. Dabei beschränkt sich die Auswertung auf die Bearbeitung der reinen Punktwolke. Innerhalb von zwei Wochen werden die Laserscandaten der Altstadt von Wangen im Allgäu aufgenommen. Mit gleichzeitiger Farbaufnahme sind bedeutsame Räume im Rathaus und innerhalb der Stadtmauern die wesentliche Straßenzüge (Herrenstraße, Marktplatz, Spuckbrunnen, Postplatz, Saumarkt, Kirche St.Martin, Paradiesstraße) einzuscannen (Abbildung 5-1). Für das 3D-Laserscanning-Projekt wird folgendes Equipment eingesetzt: - Laserscanner Z+F IMAGER Motorisierter Nodalpunktadapter RODEON VR Head CL - Manueller Nodalpunktadapter Manfrotto 303SPH - Digitale Spiegelreflexkamera Nikon D90 - Objektiv Nikkor 14 mm, Nikkor 20mm, Nikkor 32mm, - Tachymeter Leica TCR Stative - Spinne - Targets: - Z+F PapierTargets (DIN A5) - Z+F AutoTargets - Z+F ProfiTargets Zuvor ist zu klären, wie die Registrierung der Laserscandaten erfolgen und ob eine Georeferenzierung durchgeführt werden soll. Der ICP-Algorithmus (Iterative-Closest-Point), welcher das Prinzip der passpunklosen Registrierung darstellt, ist zu der Zeit bei der Zoller+Fröhlich GmbH noch nicht verfügbar und steht deshalb als Registrierungsmöglichkeit nicht zur Verfügung. Dementsprechend werden zur Registrierung Zielmarken, sogenannte Targets verwendet. Vanessa Noth 2012 Seite 40

48 3D-Laserscanning in Wangen im Allgäu Abb. 5-1 Auszug des CAD-Plans mit eingezeichneten Scangebiet Vanessa Noth 2012 Seite 41

49 3D-Laserscanning in Wangen im Allgäu Laserscanning im Freien ist wetterabhängig. Dadurch ist im Vorfeld nicht geplant worden, an welchen Tagen das Scannen im Rathaus und in der Altstadt erfolgt. Es wird ein Konzept überlegt, um auch auf wetterbedingte Einflüsse spontan reagieren zu können und keine großen Zeitverluste entstehen. Es ist zu beachten, dass die Innenaufnahmen sowie die Außenaufnahmen des gesamten Projektes in einem gemeinsamen lokalen Koordinatensystem registriert werden sollen. Um eine möglichst wirtschaftliche Arbeitsweise realisieren zu können, werden die Entfernungen zwischen den einzelnen Standpunkten möglichst groß gewählt. Die Anzahl der benötigten Standpunkte wird so auf ein Minimum reduziert. Bei der Wahl der Standpunkte ist zu beachten, dass durch die Objektabschattungen, Daten des Objektes fehlen können. Diese fehlenden Daten wären gerade bei einer Visualisierung nur über die Punktwolke deutlich sichtbar und sind zu vermeiden. Außerdem müssen ausreichend viele Targets in den Überlappungsbereichen vorhanden sein, die die empfohlene Reichweite nicht überschreiten. Hinsichtlich der Darstellungstiefe wird das gesamte Projekt mit der typischen Scanauflösung High und der Qualität Normal des Z+F IMAGER 5010 durchgeführt. Farbige Scans werden durch Panoramabilder erhalten. Die Panoramabilder werden aus den Einzelbildern gestitcht, die mit dem RODEON und der Nikon D90 aufzunehmen sind. Hauptsächlich kommt dabei das Objektiv Nikkor 14 mm zur Anwendung, welches insgesamt 18 Fotos für eine sphärische Panoramaaufnahme benötigt. Im Vorfeld ist beschlossen worden, das Projekt in das Gauß-Krüger-Koordinatensystem zu transformieren. Zu diesem Zweck stehen ein Tachymeter und zusätzlich CAD-Pläne mit den Katasterdaten zur Verfügung. Die Koordinaten, der sich im Messgebiet befindlichen Aufnahmepunkte, werden aus den CAD-Plänen abgegriffen, aber vor Ort nicht aufgefunden. Grund dafür ist laut Auskunft der Stadt, das neue Pflaster der Altstadt. Die Durchführung der Tachymetrie ist somit über die Aufnahmepunkte nicht möglich. Stattdessen werden die Koordinaten der Gebäudeecken aus den CAD-Plänen abgegriffen und als Anschlusspunkte ins Gauß-Krüger-System verwendet. Die Scanvorgehensweisen im Rathaus sowie in der Altstadt sind unterschiedlich aufgebaut, welches in den nächsten Kapiteln beschrieben ist. Vanessa Noth 2012 Seite 42

50 Vorgehensweise in der Altstadt 5.1 Vorgehensweise in der Altstadt Die Wangener Altstadt ist insgesamt an vier Tagen eingescannt worden, wobei ein Wochenende und regnerische Tage dazwischen lagen. Als Zielmarken für die Registrierung kommen die DIN A5 Z+F PaperTargets und Z+F ProfiTargets zur Verwendung. Z+F PaperTargets (Abbildung 5.1-1) bestehen aus Papier mit einem Schachbrettmuster und einer fortlaufenden Nummer. Gegebenenfalls sind diese laminiert, sodass sie wetterbeständiger sind. Diese können ohne weitere Probleme an den Fassaden angebracht werden und über mehrere Tage hängen bleiben. Bei Verlust entsteht somit nur ein geringer finanzieller Schaden. Abb Z+F PaperTarget Abb Z+F ProfiTarget Die Z+F ProfiTargets (Abbildung 5.1-2) werden im Messraum auf Stative oder Magnetfüße angebracht. Sie sind so konstruiert, dass sie stets zu jedem Scannerstandpunkt ausgerichtet werden können. Trotz Drehung der horizontalen und vertikalen Achse des Targets, bleibt das Targetzentrum lagestabil [ZOLLER+FRÖHLICH, 2011 B]. Laut Hersteller sollen die Z+F ProfiTargets bei einer High Scanauflösung nicht weiter als 21 Meter vom Scanner entfernt sein. Dadurch ist sichergestellt, dass die Software Z+F LaserControl das Targetzentrum in dieser Auflösung subpixelgenau erkennen kann. Im Projekt werden weiter entfernt stehende Stative im Verlaufe eines Straßenzuges in die weitere Aufnahmerichtung transferiert. Dies hatte den Vorteil, dass nicht die vollständige Stadt mit Targets beklebt werden muss, sondern nur der an dem Tag einzuscannende Bereich. Die Altstadt ist sehr belebt. Dadurch werden in den Scandaten viele Störpixel durch Passanten und Autos verursacht. Die Software Z+F LaserControl (Kapitel 6.2.1) besitzt eine Funktion, welche zwei Scans kombiniert und zu einem großen Teil die Störpixel entfernt. Um diese Funktion in diesem Projekt anwenden zu können, müssen zwei Scans von exakt demselben Standpunkt und mit gleichen Einstellungen aufgenommen werden. Eine wiederholte Vanessa Noth 2012 Seite 43

51 Vorgehensweise im Rathaus Einzelbildaufnahme ist zudem notwendig, um Passanten und Autos auf den digitalen Panoramen beseitigen zu können (Kapitel 6.1.2). Insgesamt sind mit 56 Standpunkten die wesentlichen Straßenzüge innerhalb der Stadtmauern der Altstadt aufgenommen worden. Dadurch entsteht eine Datenmenge von ca. 15 GB an Laserscandaten und von ca. 22 GB an digitalen Fotos. 5.2 Vorgehensweise im Rathaus Im Rathaus werden hauptsächlich Z+F AutoTargets verwendet. Durch eine automatische Erkennung der Z+F AutoTargets in der Software Z+F LaserControl ist ein effizienteres Arbeiten möglich, als mit den Z+F PaperTargets und Z+F ProfiTargets. Z+F AutoTargets (Abbildung 5.2-1) besitzen drei Reflektor- Markern. Diese werden aufgrund der hohen Intensitätswerte im Scan durch die Software automatisch erkannt. Durch den codierten Außenring erfolgt die Nummerierung der Targets ebenfalls automatisch [ZOLLER+FRÖHLICH, 2011 B]. Abb Z+F AutoTarget Die Z+F AutoTargets sind in den Räumen so zu verteilen, dass sie von mehreren Standpunkten, am besten fünf bis sechs Targets gleichzeitig, erfasst werden könnten. Hierbei sind sie möglichst orthogonal zu den Standpunkten auszurichten, da schlechte Einfallswinkel die Target-Bestimmung verfälschen könnten. Des Weiteren werden sie auf planen Flächen angebracht und überdecken keine besonderen Merkmale. So können sie bei der Auswertung gegebenenfalls aus den Panoramabildern wegretuschiert werden und in der farbigen Visualisierung nicht zum Vorschein kommen. Mehrere Scans im Rathaus müssen eine Verbindung mit den Altstadtscans außerhalb des Gebäudes aufweisen, um alle Scans in einem Koordinatensystem zu registrieren. Außerdem müssen für eine Georeferenzierung mindestens drei Targets in einem Scan eine Gauß-Krüger- Koordinate aufweisen können. Deswegen sind Z+F ProfiTargets am Fenster (Abbildung 5.2-2) anzubringen, die von außen tachymetriert werden können. Vanessa Noth 2012 Seite 44

52 Vorgehensweise im Rathaus Abb Drei ProfiTargets für die Tachymetrierung von außen Aufgrund der unterschiedlichen Lichtverhältnisse im Rathaus, sind bei der Farbaufnahme Belichtungsreihen zu erstellen, um daraus HDR-Panoramen zu erhalten. Das Rathaus ist mit insgesamt 50 Standpunkten aufgenommen worden. Daraus entstand eine Datenmenge von ca. 6 GB an Laserscandaten und von ca. 30 GB an digitalen Fotos. Während des gesamten Laserscanning-Projektes sind unterschiedliche Problemen aufgetreten. Aufgrund eines technischen Fehlers am RODEON, ist für zehn Scans der manuelle Nodalpunktadapter Manfrotto 303SPH zur Anwendung gekommen. Bei dieser Aufnahme werden jeweils 46 Einzelfotos mit einer Nikon D40 und einem 20 mm Objektiv angefertigt. Des Weiteren sind Targets von den Passanten verdeckt, verstellt oder von den Fassaden abgenommen worden. Notwendige Z+F PaperTargets, welche über mehrere Tage hängen bleiben sollten, haben sich von den Fassaden gelöst bzw. sind durch den Regen von den Fassaden abgespült worden. Dazu kommt, dass an manchen Tagen nicht gescannt werden konnte, da die örtlichen Veranstaltungen, wie zum Beispiel der Wochenmarkt, das durchgehende Scannen in der Altstadt erschwerte. Günstig war es, dass für das Laserscanning-Projekt ein Raum im Rathaus zur Verfügung gestellt worden ist. So konnte das nicht erforderliche Equipment im Raum gelagert und die notwendigen Akkus geladen werden. Nach vollständiger Aufnahme der Laserscandaten können die Daten ausgewertet werden (Abbildung 5.2-3). Als Endprodukt dieses Projektes soll ein Video erstellt werden. Hierfür müssen mehrere Software-Produkte verwendet werden. Die Auswertungsschritte und - software werden in den folgenden Kapiteln dargestellt. Vanessa Noth 2012 Seite 45

53 Auswertungssoftware 6. Auswertungssoftware Die Bearbeitung und Auswertung der Rohdaten eines Scanners erfolgt in der Regel in Abhängigkeit des zu erzeugenden Endproduktes. Bei dem Wangener Laserscanprojekt sind als erstes die Einzelfotos zu einem Panorama zu stitchen (Kapitel 6.1). Daraufhin werden die Rohdaten mit der Software Z+F LaserControl bearbeitet und für die Visualisierung vorbereitet (Kapitel 6.2) [ZOLLER+FRÖHLICH, 2006]. Die Visualisierung der Laserscandaten beschränkt sich nur auf die Punktwolke. Das Ergebnis ist ein virtueller Flug durch die Punktwolken, der mit Hilfe der Software Studio Clouds von Alice Labs erzeugt wird (Kapitel 6.3) [ALICELABS, 2011]. 6.1 Panorama Stitching Software Um ein Panorama anzufertigen, werden die aufgenommenen Einzelbilder mit Hilfe einer sogenannten Stitching-Software (englisch stitch nähen ) nahtlos zusammengesetzt. Je nach Software erfolgt das Stitching durch spezielle Algorithmen manuell oder automatisch. Hierbei werden die Einzelbilder positioniert, transformiert und verzerrt, bis sie deckungsgleich aneinandergesetzt werden können. Je nach Software werden dafür z.b. Kontrollpunkte im Überlappungsbereich der Fotos gesetzt. Die Einzelbilder werden nach Objektivverzeichnung und gewählter Projektion verformt. Es gibt die Flächen-, Zylinder- und Kugelprojektion (Abbildung 6.1-1). Dadurch werden die Einzelbilder zusammengesetzt und auf eine ebene Fläche, auf einen Zylinder oder auf eine Kugel projiziert. Die dreidimensionale Welt wird in ein zweidimensionales Bild transformiert und das visuelle Erscheinungsbild gegebenenfalls verändert. Das Wechseln der Projektionsart ist mit der entsprechenden Software jederzeit möglich [WOESTE 2008, RÖPENACK, 2012]. Abb Abbildung der Projektionen aus PTGui Vanessa Noth 2012 Seite 46

54 Panorama Stitching Software Die Flächenprojektion wirkt natürlich und realitätsnah (Abbildung 6.1-2), da sie mit Hilfe der Zentralprojektion gerade Linien auch als Geraden darstellt. Sie ist auf 120 horizontal und vertikal begrenzt, da die Verzerrungen danach nicht mehr akzeptabel sind. Abb Beispiel für die Zentralprojektion Liegt der Bildwinkel zwischen 120 und 360 horizontal, wird die Zylinderprojektion oder Kugelprojektion angewendet. Die Zylinderprojektion ist gegenüber der Kugelprojektion auf ca. 160 vertikal begrenzt. Alle vertikalen Linien werden gradlinig und die Horizontalen, je nachdem wie weit sie sich vom Horizont des Bildes entfernen, kurvenförmig gekrümmt dargestellt. Die Pole des Bildes können bei dieser Projektion nicht dargestellt werden (Abbildung 6.1-3). Abb Panorama in Zylinderprojektion Um ein sogenanntes sphärisches Panorama zu erhalten, wird die Kugelprojektion verwendet (Abbildung 6.1-4). Sie kann geometrisch nicht mehr durch Geraden beschrieben werden. Bei der Kugelprojektion werden die Aufnahmen der Pole auf die gesamte Breite des Bildes ausgedehnt und sind somit extrem verzerrt. Vanessa Noth 2012 Seite 47

55 Panorama Stitching Software Abb Sphärisches Panorama Diese Projektion wird gerne für Bildschirm-Darstellungen mit interaktiver Umgebung verwendet. Für das Ansehen dieser sphärischen Panoramen sind spezielle Viewer notwendig (Abbildung 6.1-5). Sie wirken dabei als normal, da bei der Wiedergabe keine Verzerrungen auftreten und so die Sehgewohnheiten des Betrachters wiedergeben. Abb Zwei Ansichten aus einem interaktiven Panorama Vanessa Noth 2012 Seite 48

56 RODEONpreview von Dr. Clauss Bild- und Datentechnik GmbH Die sphärische Projektion kann die volle Sphäre abdecken. Sie wird grundsätzlich bei Panorama-Laserscannern verwendet, um dreidimensionale Daten in ein zweidimensionales Bild zu projizieren. Für diese Bachelorarbeit ist es wichtig, dass die Stitching-Software mit Hilfe der sphärischen Projektion ein verzeichnungsfreies, sphärisches Panorama im JPG-Format erstellen kann. So können diese Panoramen ohne weitere Arbeitsschritte in Z+F LaserControl mit den jeweiligen Scans überlagert werden. Hierfür stehen zwei unterschiedliche Stitching-Software-Produkte zur Verfügung: RODEONpreview (Kapitel 6.1.1) [CLAUSS, 2010] und PTGui (Kapitel 6.1.2) [PTGui, 2012] RODEONpreview von Dr. Clauss Bild- und Datentechnik GmbH Die kostenpflichtige Stitching-Software RODEONpreview wird durch die Dr. Clauss Bildund Datentechnik GmbH entwickelt und steht für diese Bachelorarbeit mit einer Sonderlizenz zur Verfügung. Laut Hersteller hat diese Software das Ziel die Arbeit schneller, komfortabler und gleichzeitig sicherer zu gestalten, um ein Panorama sofort nach dessen Aufnahme einschätzen, und gegebenenfalls gezielt korrigieren zu können [CLAUSS, 2010]. RODEONpreview kann bei der Aufnahme der Einzelbilder verwendet werden. Für Laserscanning-Projekte ist dies eher unpraktisch, da zusätzlich ein Laptop benötigt wird. Stattdessen wird mit der RODEONmodular gearbeitet und die Skript-Datei aus RODEONmodular abgespeichert. Diese wird in RODEONpreview importiert, sodass dadurch die Software erkennt in welchen horizontalen und vertikalen Winkelschritten die Einzelbilder aufgenommen sind. Die Fotos werden hintereinander aufgerufen und über die Skript-Datei direkt an der richtigen Stelle platziert. Vanessa Noth 2012 Seite 49

57 RODEONpreview von Dr. Clauss Bild- und Datentechnik GmbH Abb Flow Chart"-Ansicht eines Panoramas in RODEONpreview In der Startansicht (Abbildung ) erscheinen alle Einzelbilder in der Flow Chart - Ansicht (Flussdiagramm). Hierbei werden sie als Foto an der jeweiligen Stelle des aufgenommen Sichtfelds dargestellt. Fehler, wie zum Beispiel falsche Fotos, fallen auf und können manuell verändert werden. Der RODEON, mit der Nikon D90, und die Objektive wurden zuvor von der Firma Dr. Clauss Bild- und Datentechnik GmbH kalibriert. Durch diese Kalibrierung soll die innere Orientierung bekannt sein und der Stitching-Software ermöglichen die geladenen Einzelbilder zu positionieren, ihre Verzeichnung zu korrigieren und in die sphärische Projektion zu transformieren. Schließlich kann das verzeichnungsfreie Panoramabild gerendert werden. Die VR Tour -Ansicht (Abbildung ) stellt das Panorama als interaktives Panorama dar. Wenn Fehler bei der deckungsgleichen Überlagerung der Einzelbilder entstehen, werden diese dort erkannt. Trotz Kalibrierung und Einstellung des Nodalpunktes durch den Hersteller, hat das Stitching in RODEONpreview kein wünschenswertes Ergebnis erbracht. Wie auf der Vanessa Noth 2012 Seite 50

58 RODEONpreview von Dr. Clauss Bild- und Datentechnik GmbH Abbildung zu sehen, entsteht im Überlappungsbereich ein verschwommener Übergang, der durch fehlerhafte Platzierungen der Einzelbilder verursacht wird. Abb VR Tour -Ansicht mit Überlagerungsfehler Laut Prüfung des Ergebnisses durch den Hersteller, besitzen die Überlagerungen der Einzelbilder eine systematische Abweichung von 0,3 Grad. Grund für diese Fehlstellung soll gegebenenfalls eine Fehlstellung des Nodalpunktes (Ermittlung per Hand) und somit auch eine fehlerhafte Kalibrierung sein. Speziell für diese Fehlstellungen hatte der Hersteller eine Funktion namens Tune Panorama in RODEONpreview implementiert, welche diese Fehler beseitigen sollte. Diese Funktion ist leider keineswegs effektiv, denn nach langer Berechnungszeit kam es dennoch zu keinem einwandfreien, perfekt gestitchten, verzeichnungsfreien Panorama. Aufgrund dieser Überlappungsfehler muss der Weg über eine Drittsoftware gegangen werden, in der die Überlappungsfehler beseitigt werden können. In RODEONpreview besteht die Möglichkeit das gesamte Projekt in die weitere Stitching-Software PTGui oder AutoPano zu Vanessa Noth 2012 Seite 51

59 PTGui von New House Internet Services BV exportieren. Dort können die Einzelbilder mit Hilfe von Control Point neu positioniert und transformiert werden. In dieser Bachelorarbeit steht die Drittsoftware PTGui zur Verfügung. Durch den Export eines PTGui-Projektes, erhält PTGui die Informationen der Motorpositionen der einzelnen Bilder PTGui von New House Internet Services BV PTGui (Graphical User Interface for Panorama Tools) ist eine kostenpflichtige Panorama Stitching-Software entwickelt von New House Internet Services BV [PTGUI, 2012]. Mittels dieser Software können Panoramabilder aus Einzelbildern erstellt werden. Die überlappenden Einzelbilder werden automatisch gestitcht und lassen sich in unterschiedlichen Formaten abspeichern. PTGui basiert auf den Panorama Tools von Helmut Dresch, welche eine vielseitige Bibliothek für das Erstellen von Panoramabildern darstellt. Der Funktionsumfang dieses Komplettpakets geht weit über das Stitching hinaus. Abb PTGui Hauptfenster PTGui besteht aus zwei getrennten Fenstern. Mit den Tabs des Hauptfensters können jegliche Einstellungen vorgenommen werden, die dem korrekten Ablauf bei der Erstellung der Panoramen dienen (Abbildung ). Im Preview -Fenster werden diese Arbeitsschritte visuell angezeigt, sodass unmittelbar in den Erstellungsprozess eingegriffen werden kann (Abbildung ). Vanessa Noth 2012 Seite 52

60 PTGui von New House Internet Services BV Abb PTGui Preview-Fenster Bei dieser Bachelorarbeit wird PTGui nach dem Exportieren aus RODEONpreview verwendet, um die restlichen Überlappungsfehler von RODEONpreview zu beseitigen. Die Software kann auch ohne den vorherigen Export aus RODEONpreview verwendet werden. Doch beim Vergleichen der Ergebnisse der Überlagerung mit den Laserscandaten zeigt sich, dass die ohne RODEONpreview gestitchten Panoramen größere Restfehler bei der Berechnung der äußere Orientierung in Z+F LaserControl besitzen, als die mit RODEONpreview-Export (Kapitel ). Aus diesem Grund ist es empfehlenswert beide Software-Produkte zu verwenden. Beim Exportieren eines PTGui-Projektes aus RODEONpreview, werden die Motorpositionen der Einzelbilder automatisch mit übertragen. Die nötigen Bildinformationen werden aus den EXIF-Informationen (Brennweite, Belichtung, Fokussierung ) ausgelesen. Daraufhin werden die restlichen Überlagerungsfehler der Einzelbilder durch die automatische Suche von Control Points in ein verzeichnungsfreies Panorama gestitcht. Bei der optimalen Ausrichtung der Einzelaufnahmen über die Control Points wird eine Ausgleichung Vanessa Noth 2012 Seite 53

61 PTGui von New House Internet Services BV durchgeführt, sodass für jedes Einzelbild eine Ermittlung von Hauptpunktlage, Objektivverzeichnung und Scherungsparameter erfolgt [PTGui, 2012]. Die äußere Orientierung jedes einzelnen Fotos wird durch die gespeicherten Motorpositionen festgelegt. Bei ungenügendem Überlappungsbereich oder wenig Struktur mit Farbunterschieden im Bild, kann es dazu führen, dass PTGui keine ausreichende Anzahl von Control Points findet. In diesem Fall sind sie manuell hinzuzufügen. Mit der Software PTGui Pro können zudem weitere Verbesserungen der Panoramen durchgeführt werden. Zum Beispiel kommt eine automatische Farbkorrektur der Panoramen zum Einsatz. Bei zu starken farblichen Veränderungen kann die automatische Farbkorrektur jedoch zu keinem visuell ansprechenden Ergebnis führen. So erfolgt gegebenenfalls eine manuelle Änderung der Helligkeit und der RGB-Farben der Einzelbilder. Des Weiteren besteht in PTGui Pro die Möglichkeit HDR-Bilder zu erstellen, um einen höheren Dynamikumfang im Panorama zu erhalten (Kapitel 3.5). Diese Funktion kommt bei den Panoramen des Rathauses zum Einsatz. Zur Verwendung kommt dabei der Exposure Fusing -Algorithmus, da das Ergebnis realitätsgetreuer wirkt und dies beim Wangener Laserscanprojekt wichtig war. Neben diesen Funktionen besteht in PTGui die Möglichkeit Störelemente zu maskieren (Abbildung ). So können in den Einzelbildern der Altstadt von Wangen zum Beispiel die Passanten maskiert und ein Panorama ohne Störelemente gerendert werden. Der maskierte Bereich muss dafür aber zwingend aus einem anderen Foto ersetzt werden, da sonst Bildinformationen fehlen. Abb Maskierung von Störelementen in PTGui Vanessa Noth 2012 Seite 54

62 Gegenüberstellung und Bewertung der Stitching-Software Bei der Aufnahme in der Altstadt sind speziell dafür Wiederholungen der Einzelbildaufnahmen durchgeführt worden. Diese Wiederholungen besitzen einen zeitlichen Unterschied, sodass sich das Abbild der Einzelaufnahmen zeitlich verändert. Es entsteht ein visuell ansprechendes Panorama ohne weitere Störelemente und bei einer Überlagerung mit der Punktwolke erhält sie die entsprechende Farbgebung (Abbildung /5). Abb Ohne Maskierung der Störelemente Abb Mit Maskierung der Störelemente Diese Stitching-Software kann per Knopfdruck die Einzelbilder in den unterschiedlichen Projektionsarten darstellen. In diesem Fall muss ein verzeichnungsfreies, sphärisches Panorama erstellt werden. Wenn das visuelle Erscheinungsbild zufriedenstellend ist, folgt das Rendern des Panoramas im gewünschten Format. Für die Überlagerung mit den Laserscandaten in Z+F LaserControl wird das JPG-Format mit einer x Pixel Auflösung benötigt (Kapitel ), das direkt beim Abspeichern in PTGui angegeben wird Gegenüberstellung und Bewertung der Stitching-Software Nach umfangreichen Tests während der Bachelorarbeit ergeben sich folgende Bewertungen der beiden Stitching-Software-Produkte RODEONpreview und PTGui. RODEONpreview befindet sich in der Betaphase und konnte nur mit einer Sonderlizenz ausgeführt werden. PTGui dagegen ist seit längerem auf dem Markt, sodass mit der Version 9.1 gearbeitet werden konnte. Der Funktionsumfang von PTGui geht weit über das Stitching hinaus, was für diese Bachelorarbeit sehr hilfreich ist, da Farbkorrekturen und Störelemente entfernt werden können. Vanessa Noth 2012 Seite 55

63 Gegenüberstellung und Bewertung der Stitching-Software Eine Stitching-Software lässt sich in zwei Programmgruppen einteilen. PTGui zählt zu den manuellen Programmen, welche jedoch einige Funktionen automatisch durchführt. Dabei können alle Schritte präzise nachverfolgt und manipuliert werden. RODEONpreview zählt zu den automatischen Programmen. Dort kann nur in die Reihenfolge der geladenen Fotos eingegriffen werden. RODEONpreview automatisches Stitching, aber Kalibrierung des Systems notwendig PTGui manuelles Bearbeiten mit zusätzlich automatisierten Funktionen + wenig Überlappungsbereich nötig + Farbkorrekturen - nur Kugelprojektion möglich + HDR-Berechnung - keine Farbkorrektur möglich + Maskierung - keine pixelgenaue benutzerdefinierte Auflösung + pixelgenaue benutzerdefinierte Auflösung + wechseln der Projektionsart + Batchfunktion - Positionierung durch Control Points (20-50% Überlappungsbereich) Tabelle Gegenüberstellung RODEONpreview/PTGui RODEONpreview ist schlicht aufgebaut und weist einen geringen Funktionsumfang auf, sodass der Anwender sich schnell einarbeiten kann. Diese Stitching-Software besitzt ein gutes Grundgerüst, ist aber noch nicht ganz ausgereift. Wenn RODEONpreview beim Stitching keine entscheidenden groben Fehler aufgewiesen hätte, wäre diese Software eine effiziente Lösung um vollsphärische Panoramen im JPG-Format zu erhalten. Die Einzelbilder hätten nur in die Software geladen werden müssen, da die Kalibrierung des gesamten Systems (Kamera/Objektiv-Kombination mit dem RODEON) dazu führen sollte, diese direkt perfekt zu Stitchen und sie dann als JPG zu exportieren. Dafür ist es wichtig, dass die Einzelbilder schon bei der Aufnahme eine einheitliche Farbbalance besitzen, da RODEONpreview keine Möglichkeit besitzt farbliche Veränderungen durchzuführen. Die Überlagerungen der Bilddaten aus RODEON mit den Scandaten sind aufgrund der erheblichen Fehler der Software nicht weiter getestet worden. Die Software ist jedoch in der Beta-Phase und das Release ist in dieser Bachelorarbeit nicht weiter verfolgt worden. Vanessa Noth 2012 Seite 56

64 Bearbeitung von Punktwolken Gute Ergebnisse entstanden dagegen mit der Drittsoftware PTGui und einem Export aus RODEONpreview. Der Funktionsumfang von PTGui geht weit über das das Stitching hinaus, sodass nicht nur anspruchsvolle sphärische Panoramen erstellt werden können. Dadurch ist die Einarbeitungszeit deutlich höher als bei RODEONpreview. PTGui überzeugte vor allem durch bessere automatische Farb- und Helligkeitsanpassungen. Außerdem besteht für die Beseitigung der Störpixel die Möglichkeit der Maskierung, sodass ohne Verwendung eines Bildverarbeitungssystems störelementfreie Panoramen entstehen können. Der Restfehler, der bei der Überlagerung der Panoramen mit den Scandaten mit ausgegeben wird, ist durch die Mitnahme der Motorpositionen aus RODEONpreview geringer und stellt somit eine bessere Überlagerung dar. Der Nachteil beim Stitching mit PTGui liegt in der Positionierung der Einzelbilder, da diese durch die automatische Suche der Control Points erfolgt. Bei zu wenig Überlappungsbereich oder zu wenig Struktur im Bereich können keine Control Points gefunden werden. Dies führt zum zeitaufwändigen, manuellen Hinzufügen. 6.2 Bearbeitung von Punktwolken Die rohen Laserscandaten des Z+F IMAGER 5010 sind in einem ZFS-Format gespeichert. Dieses Format kann nur mit spezieller Software, welche die notwenige Schnittstelle besitzt, verarbeitet werden. Zu der Punktwolkenbearbeitung zählen die Beseitigung der Punktmessfehler, die Verknüpfung von mehreren Standpunkten und gegebenenfalls die Colorierung der Scandaten. Durch die Überlagerung der Fotos erhalten die eingescannten Objekte eine realitätsnahe Darstellung. Je nach Grad der Auflösung werden feinste Objektdetails sichtbar. Für die Punktwolkenbearbeitung wird in diesem Projekt die Software Z+F LaserControl der Zoller+Fröhlich GmbH verwendet. Vanessa Noth 2012 Seite 57

65 Z+F LaserControl Z+F LaserControl Die Visualisierungs- und Auswertesoftware Z+F LaserControl ist speziell für alle Scandaten der Z+F IMAGER Serie von der Zoller+Fröhlich GmbH entwickelt. Mit Hilfe dieser Software können die Laserscanner angesteuert, die Rohdaten auf den PC übertragen und für weitere Auswertungen vorbereitet werden. Zum Pre- und Postprocessing zählen die Filterung, die Registrierung und die Colorierung der Punktwolken. Außerdem können kleine Auswertungen, wie zum Beispiel Messungen, Schnitte und die Orthophoto-Erstellung durchgeführt werden. Zusätzlich unterstützt Z+F LaserControl eine Vielzahl von Import- und Exportformaten [BÜTTNER et al., 2010]. In den folgenden Kapiteln ist das Arbeiten mit der Software Z+F LaserControl beschrieben. Für dieses Projekt wird die Software für die Filterung, für die Registrierung und für die Colorierung der Rohdaten verwendet. Die Daten werden für die Visualisierungssoftware aufgearbeitet und exportiert Filterung Die Laserscanrohdaten können Punktmessfehler enthalten (Kapitel 2.1.2), wobei viele dieser Fehler durch spezielle Algorithmen, der sogenannten Filterung, beseitigt werden können. In Z+F LaserControl stehen dafür mehrere Filter zur Verfügung, die in der Tabelle aufgelistet werden. Die gefilterten Punkte werden in je einer Maske abgelegt, ohne die Originalscandaten zu verändern [ZOLLER+FRÖHLICH, 2006]. Filter Intensity Invalid Mixed Pixel Range Single Pixel Thin Funktion der Filterung anhand des zurückgekommenen Intensitätswertes Pixel in einem definierten Radius des Laserscanners (Stativabschattung) Mischpunkte die durch die Strahlen Aufspaltung am Objekt auftreten (Kometenschweif) Pixel außerhalb des definierten Entfernungsbereiches einzelne Pixel, die keine Nachbarschaftsbeziehungen aufweisen Ausdünnen der Punktwolke (keine Punktmessfehler) Tabelle Übersicht der Filterfunktionen in Z+F LaserControl Vanessa Noth 2012 Seite 58

66 Filterung Bei der ersten Filterung aller Scandaten aus Wangen sind die Standardeinstellungen der oben genannten fünf Filterfunktionen angewendet worden. Der Thin -Filter wird ausgelassen, da er die Punktwolke ausdünnt und somit auch fehlerfreie Punkte maskiert. Bei den Laserscandaten der Altstadt kommt zusätzlich die Funktion Scans kombinieren (Abbildung ) zur Anwendung, um häufig bewegte Objekte zu entfernen. Bei dieser Kombination erfolgt ein Streckenvergleich aller Pixel des ersten Scans (Masterscan) mit dem positionsgleichen Pixel des zweiten. Aus diesem Abb Funktion Scans kombinieren Grund müssen für diese Funktion zwei Scans von exakt demselben Standpunkt und mit gleichen Einstellungen aufgenommen werden, um sie Pixel für Pixel zu vergleichen (Abbildung /4). Wie auf der Abbildung skizziert, werden je nach Differenz die Pixel unterschiedlich behandelt. Abb Skizze der Funktionsweise "Scans kombinieren" Wenn die Strecken der Pixel derselben Position eine definierte Differenz (hier 0,05 m) überschreiten, wird das weiter entfernte Pixel beibehalten. Damit ist sichergestellt, dass sich keine Hindernisse mehr im Scan befinden. Wenn die Strecke eine definierte Differenz unterschreitet (hier 0,02 m), erfolgt eine Mittelung der Entfernung. So wird durch diese Funktion das Rauschen minimiert. Bei einer Strecke zwischen den definierten Werten wird der Pixel des Masterscans übernommen. Die Anwendung dieser Funktion führt zu einer neuen kombinierten und bereinigten Punktwolke (Abbildung ). Zur weiteren Bearbeitung wird diese unter Speichern/Exportieren im ZFS-Format abgespeichert und im Z+F LaserControl-Projekt neu geladen. Vanessa Noth 2012 Seite 59

67 Filterung Abb Scan 1, Standpunkt 18 Abb Scan 2, Standpunkt 19 Abb Kombinierter Scan, Standpunkt 18/19 Bei einer Visualisierung, die nur auf die Punktwolke beschränkt ist, fallen Punktmessfehler stark auf. In diesem Projekt wiesen die Scans sehr viele Punktmessfehler auf. Grund dafür war das Laserscanning durch ein Entwicklungsgerät des Z+F IMAGER 5010, welches für das Wangener Altstadt-Projekt zur Verfügung gestellt wurde. Er wies nach mehreren Messtagen diese Punktmessfehler auf, die erst in der Datenauswertung aufgefallen sind. Auch Noniussprünge sind bei weiter entfernen Objekten aufgetreten, was eine unzureichende Datenqualität darstellt. Aufgrund dieser erhöhten Anzahl aufgetretener Punktmessfehler, haben die Standardparameter der Filterungen nicht ausgereicht. Stattdessen findet für die Beseitigung eine benutzerdefinierte Filterung statt. Außerdem werden die Scans mit dem Range -Filter auf den interessanten Bereich eingeschränkt. Es führt zu einer ansprechenden Visualisierung und zu einer zusätzlichen Reduzierung der Datenmenge. Neben der starken Filterung werden Bereiche manuell maskiert. Wie auf der Abbildung zu sehen ist, wirft der Kronleuchter einen sehr breiten Strahlenkranz ab, der auf die dahinter befindlichen Punkte projiziert wird. Diese unnatürliche Farbe fällt in der Visualisierung deutlich auf und kann durch eine manuelle Vanessa Noth 2012 Seite 60

68 Filterung Maskierung (Abb ) entfernt werden. Damit keine Löcher im Datenmaterial entstehen, ist dieser Bereich zusätzlich von einem anderen Standpunkt gescannt worden. Abb Scan ohne Filterung Abb Scan mit Filterung Ein Laserscanner kann keine aus Glas bestehenden Materialien erfassen. Das führt dazu, dass in der Altstadt nicht die Schaufenster, sondern z.b. Objekte im Innenraum mit aufgenommen werden. Außerdem können dadurch weitere Pixelfehler entstehen, die bei der Visualisierung stören. Daher sind diese zu beseitigen. Hierfür steht ein Mirror -Filter in Z+F LasersControl zur Verfügung. Alle Pixel, die hinter einer definierten Ebene (wie Schaufester) liegen werden auf diese Ebene projiziert (Abbildung /9). Dieser Filter ist aber erst im Laufe dieser Bachelorarbeit implementiert worden. Der bereits weit fortgeschrittene Stand der Ausarbeitung verhinderte die Anwendung dieser Funktion im Projekt. Abb Ohne den Mirror -Filter Abb Mit dem Mirror -Filter Nachdem die erste grobe Filterung in Z+F LaserControl durchgeführt wurde, können die Daten regiestiert werden. Durch die vorherige Maskierung der Punktmessfehler werden sie für die Registrierung nicht verwendet, was zu einer ungenaueren Registrierung führen kann. Vanessa Noth 2012 Seite 61

69 Registrierung Registrierung Beim Laserscanning besitzt jeder Einzelscan jeweils ein eigenes lokales, kartesisches, dreidimensionales Sensorkoordinatensystem, ausgehend vom jeweiligen Standpunkt. Die Scanobjekte müssen von mehreren Standpunkten erfasst werden, um Abschattungen zu verhindern und ein vollständiges Oberflächenabbild des Objektes zu erzeugen. Für weitere Auswertungen muss gegebenenfalls eine Registrierung erfolgen. Alle lokalen Laserscansysteme werden über Verknüpfungspunkte (z.b. Targets) und mittels Koordinatentransformation in ein gemeinsames globales Koordinatensystem überführt. Jeder Scan erhält eine 4x4-Matrix, in der die Elemente der Rotation und der Translation stehen. Die Parameter der Koordinatentransformation werden durch die lokalen Koordinaten der einzelnen Verknüpfungspunkte bestimmt. Hierfür müssen in den Einzelscans die diversen Targetvarianten identifiziert, das Targetzentrum bestimmt und nummeriert werden. Dies erfolgt in Z+F LaserControl mit den Funktionen Erkenne (Fit) Target und Finde Z+F Auto Targets. Bei der Nummerierung der Targets erhält das positionsgleiche Target in den unterschiedlichen Scans dieselbe Nummerierung, um eine genaue Transformation über Verknüpfungspunkte zu gewährleisten. Bei den Z+F AutoTargets erfolgt die Targetzentrum- Suche und Benennung automatisch, welches die Effizienz steigern kann. Bei der Berechnung der Transformationsmatrix jedes einzelnen Scans wird eine 3D-Helmert- Transformation mit sechs Parametern durchgeführt. Diese Parameter setzen sich aus drei Translationen und drei Rotationen zusammen. Beim Laserscanning bleibt die Maßstabsangabe gleich eins, weil die Streckenmessung metrisch ist. Es wird ein Masterscan benötigt, der den Ursprung des globalen Koordinatensystems darstellt. Im Wangener Laserscanprojekt befindet sich der Masterscan auf dem Marktplatz, welcher sich relativ mittig im gesamten Projekt befindet. Alle anderen Scans werden in das Koordinatensystem des Masterscans transformiert. Die Genauigkeit der Registrierung kann durch eine räumliche Blockausgleichung verbessert werden. In Z+F LaserControl ist dafür das System NEPTAN integriert [PRZYBILLA, 2012 B; ZOLLER+FRÖHLICH, 2006]. Vanessa Noth 2012 Seite 62

70 Registrierung In der Wangener Altstadt sowie auch im Rathaus sind die Targets aufgrund der Größe des Scanprojektes und der zu wenig verfügbaren Targets doppelt verwendet worden. Dadurch entsteht das Problem, dass Targets bei unterschiedlichen Positionen dieselbe Target- Nummerierung aufweisen, was zu keiner korrekten Registrierung führt. Diese Fehler sind aufzufinden und zu eliminieren, bevor die endgültige Orientierungs-Berechnung erfolgt. Bei großen Abweichungen in der Registrierung müssen dafür die Ursachen geklärt werden, z.b. zu große Entfernung oder schlechter Auftrittswinkel. Bei Deaktivierung dieser Targets gehen diese Targets nicht mehr mit in die Berechnung der Transformationsparameter ein, welches zu einer genaueren Registrierung führt. Die Abbildung stellt einen Auszug des Berechnungsprotokolls und das Ergebnis der Registrierung des Wangener Projektes dar. Das gesamte Laserscanning-Projekt besitzt eine Registrierungsgenauigkeit bzw. eine Standardabweichung von 2,2 mm. Für ein Projekt mit 106 Standpunkten und einer Gesamtanzahl von 751 Targets wird dies als gut bewertet. Die maximale Abweichung von 15,4 mm entsteht durch eine manuelle Punktmessung eines natürlichen Verknüpfungspunkts, welcher für die vollständige Registrierung notwendig war. Abb Auszug des Registrierungsreportes Nach erfolgreicher Registrierung erfolgt die Colorierung, wobei diese auch unabhängig von der Registrierung durchgeführt werden kann. Vanessa Noth 2012 Seite 63

71 Colorierung Colorierung Die Farbinformationen der Scans resultieren aus der Überlagerung digitaler Fotos mit den Scandaten, was zu einer fotorealistischen Darstellung führt. Es unterstützt die Urteilsfindung der räumlichen Zusammenhänge und verbessert die Visualisierung der örtlichen Verhältnisse. In Z+F LaserControl werden mit Hilfe des Color-Plug-Ins die Scandaten coloriert. Je nach Aufnahmemethode der nötigten digitalen Fotos gibt es verschiedene Varianten die Farbinformationen mit den Scandaten zu überlagern. Wie in Kapitel 2.2 erklärt, kann die Colorierung eines Z+F M-Cam Farbdatensatzes automatisiert ablaufen. Um die Einzelbilder des Nodalpunktadapters zu verwenden, müssen diese zuvor als Panoramafoto gestitcht werden (Kapitel 6.1). Die Auflösung der Panoramen können selbst gewählt werden. Für eine gute geometrische Zuordnung ist es empfehlenswert, die Panoramen in der Auflösung des Scandatensatzes zu verwenden. So wird zu jedem Pixel des Scans exakt ein Farbwert des Panoramabildes zugewiesen. Die Scans des gesamten Scanprojekt Wangens stellen die volle Sphäre in der Auflösung High dar. Die Darstellung eines 3D-Scans als 2D-Bild erfolgt durch ein Kugelpanorama mit einer Abmessung von ca x 4444 Pixel. Dies kommt zustande, da der Scanner einen Scanbereich von 360 x 320 und der horizontale Aufnahmebereich bei der Standardeinstellung einen Überlappungsbereich von 2 für 180 bzw. 4 für 360 besitzt. Die aufgenommenen Einzelbilder dagegen bilden die volle Sphäre ab. Dementsprechend müssen für eine geometrische Zuordnung die Panoramen eine Auflösung von x Pixel besitzen. Wie in Kapitel 4.2 und in Kapitel erklärt wird durch PTGui ein verzeichnungsfreies Panorama gerendert. In Z+F LaserControl wird daraufhin jedes Panorama zu seinem Scan in Z+F LaserControl zugeordnet und die äußere Orientierung bestimmt. Vanessa Noth 2012 Seite 64

72 Colorierung Abb Anlegung der Kalibrierungsdatei Für die Bestimmung der äußeren Orientierung muss jedes Panorama eine Kalibrierungsdatei erhalten, in der die Auflösung des Panoramas festgehalten ist. Da es sich um sphärische Panoramen handelt, wird die Spheron -Kalibrierungsdatei mit dem Modell Panoramacamera (Spherical) benötigt. Diese ist als Vorlage in jeder Z+F LaserControl Version hinterlegt und muss dementsprechend an die Auflösung der Panoramen angepasst werden (Abbildung ). Da alle Panoramabilder die gleiche Auflösung besitzen, erfolgt die Erstellung lediglich einmal. Die Funktion Passpunktpaare definieren wird für die Berechnung der äußeren Orientierung verwendet. Hierbei werden mindestens drei identische Punktepaare im Panoramabild und dem dazugehörige Scan definiert (Abbildung ). Diese muss bei jedem Standpunkt erneut bestimmt werden, da durch das Auf- und Abbauen des Nodalpunktadapters, sich die äußere Orientierung bei jedem Standpunkt ändert. Abb Definition der Passpunktpaare für die Berechnung der äußeren Orientierung Vanessa Noth 2012 Seite 65

73 Colorierung Um ein zuverlässiges Ergebnis bei der Überlagerung zu erhalten, wird empfohlen mehr als drei Punkte zu definieren, da die Software automatisch schlechte Punkte deaktiviert. Bei der Berechnung der äußeren Orientierung des Panoramas zum Scan wird ein Restfehler, der ein Bewertungskriterium für die Güte der Überlagerung darstellt, angegeben. Die Höhe des Restfehlers ist Auslegungssache vom Anwender. Sie ist abhängig von der Fotoaufnahme und das daraus resultierende Produktes. Bei diesem Projekt liegt der Restfehler aller Überlagerungen unter zwei Pixel. Dieser Wert ist für das Wangerner-Projekt ein ausreichendes Ergebnis. Nach Berechnung des Restfehlers wird die externe Kalibrierung akzeptiert und für jedes Panorama neu abgespeichert. Nach der Bestimmung der äußeren Orientierung erfolgt das Farbmapping. Hierbei wird zu jedem Scan die dazugehörige Bilddatei erstellt. Diese separat gespeicherte Panoramabilddatei ist an der ZFS-Datei ausgerichtet und garantiert die RGB-Farbinformation jedes einzelnen Pixels. Sie ist mit dem zugehörigen ZFS-Laserscan verlinkt und für eine farbige Datenwiedergabe zwingend erforderlich. Bei einer Manipulation der Bilddatei, werden diese Veränderungen im farbigen Scan angezeigt, ohne die geometrische Genauigkeit zu verändern. Diese Möglichkeit wird für eine attraktivere Visualisierung des Rathauses genutzt. Wie auf den Abbildungen /4 zu erkennen, werden so die Z+F AutoTargets wegretuschiert. Abb Targets im Intensitätsbild Abb Targets im farbigen Scan Die bearbeiteten Punktwolken müssen aus Z+F LaserControl exportiert werden, um mit der Visualisierungssoftware Studio Clouds von Alice Labs ansehnliche Ergebnisse zu erhalten. Vanessa Noth 2012 Seite 66

74 Export der gefilterten zfs-daten Export der gefilterten zfs-daten Das Exportieren alle 106 Standpunkte erfolgt in Z+F LaserControl durch eine Stapelkonvertierung. Dabei können verschiedene Scanformate wie PTX, PTS, oder ACSII, sowie das ZFS-Format exportiert werden. Um am effizientesten zu arbeiten, erfolgt die Speicherung im ZFS-Format. So werden die Daten von der Software nicht konvertiert, da dieses deutlich länger dauern würde. Für eine Visualisierung in Studio Clouds von Alice Labs (Kapitel 6.3) werden die vollständigen gefilterten Scans benötigt. Das Problem beim Importieren der ZFS-Daten ist die Nicht-Lesbarkeit der Masken. Aus diesem Grund werden in Z+F LaserControl die ZFS-Daten mit den Filtermasken neu abgespeichert bzw. exportiert, bevor sie in Studio Clouds importiert werden können (Kapitel ) Auswertung der Tachymetriedaten Beim Wangener Scanprojekt sind ausgewählte Targets tachymetriert. Hierbei sind Gebäudeecken als Anschlusspunkte im Gauß-Krüger-System verwendet worden. Bei einer Georeferenzierung hätte sich dadurch die Registrierung verschlechtert. Des Weiteren wäre die Visualisierung in Studio Clouds nicht möglich gewesen, da die Software mit den langen Wirkstellen des Gauß-Krüger-Koordinatensystems nicht umgehen kann. Die Tachymetrie wird somit in der Auswertung nicht weiter verfolgt. Nach vollständiger Bearbeitung der Punktwolken folgt die Visualisierung mit der Software Studio Clouds von Alice Labs, welche unter Kapitel 6.3 genauer beschrieben ist. Vanessa Noth 2012 Seite 67

75 Visualisierung der Scandaten 6.3 Visualisierung der Scandaten Durch das terrestrische Laserscanning ist eine effiziente, genaue und vor allem detailreiche Aufnahme möglich. Um diese Daten im Internet präsentieren zu können, muss eine Möglichkeit gefunden werden, die Laserscandaten zu visualisieren. Laserscandaten können in unterschiedlichen Visualisierungsarten im Internet präsentiert werden. Hierzu zählt z.b. ein virtueller Flug durch die Punktwolke oder ein dreidimensionales Modell. Die Visualisierung des Wangener Projektes beschränkt sich auf einen virtuellen Rundflug durch die farbige Punktwolke, welche in Studio Clouds von Alice Labs angefertigt wird Studio Clouds von Alice Labs Alice Labs ist eine Firma aus den Niederlanden, welche die Software Studio Clouds entwickelt hat. Während des Entstehens dieser Bachelorarbeit ist sie von Autodesk übernommen worden. Die Weiterentwicklung wird bei Autodesk fortgeführt [ALICELABS, 2011]. In dieser Bachelorarbeit ist aber weiterhin die Software von Alice Labs verwendet worden. Die Software steht als Stand-Alone-Applikation und als Plug-In zur Verfügung. Das Plug-In kann in den professionellen 3D-Visualisierungs- und Animationssoftware Maya oder 3ds Max von Autodesk verwendet werden. Mittels Plug-In wird die Punktwolke in die 3D- Visualisierungssoftware geladen. Dort können die Funktionen der 3D-Visualisierungssoftware anhand der Punktwolke angewendet und kombiniert werden. Des Weiteren gibt es von Studio Clouds eine Stand-Alone-Applikation, welche in dieser Bachelorarbeit verwendet wird. Neben einer Registrierung, einer Bearbeitung der Punktwolken und Messungen innerhalb der Punktwolke, können Animationen in Form eines virtuellen Fluges erstellt werden [FORENSICANIMATIONS, 2009]. Die Software Studio Clouds ist intuitiv aufgebaut und kann eine Vielzahl unterschiedlicher Punktwolken-Formate laden. Vanessa Noth 2012 Seite 68

76 Importieren der Daten Importieren der Daten Für die Visualisierung dieses Projektes sind die Daten in Studio Clouds von Alice Labs zu importieren. Dabei werden die Daten in das eigene Layer-Format REP transformiert. Die Software bietet eine hohe Kompatibilität, welche durch das Importieren unterschiedlicher Scanformate dargestellt wird. Nicht nur ZFS-Daten lassen sich importieren, sondern auch Daten im ASCII-Format oder im Leica PTX-, PTS-, PTG-Format. Diese einzelnen Punktwolken werden daraufhin in einer Layer-Struktur angelegt. Um eine farbige Punktwolke in Studio Clouds visualisieren zu können, sind die Farbdaten mit zu importieren. Bei manchen Formaten wie ASCII- und PTX sind die Farbinformationen mit in der Datei abgespeichert. Bei den Laserscandaten im ZFS-Format ist es wichtig, dass die dazugehörige Panoramabilddatei verfügbar ist, da sonst nur die Punktwolke mit den Intensitätswerten importiert wird. Beim Import der Scandaten in Studio Clouds (Abbildung ) wird die vollständige Punktwolke mit der Besten Qualität verwendet. Der Up vector stellt die vertikale Drehachse dar, welche bei diesem Projekt der Z-Achse entspricht. Abb Import Optionen in Alice Labs Wie in der folgenden Tabelle dargestellt (Windows 7, 64-Bit Rechner, 8 GB Arbeitsspeicher, Intel Core i5 Prozessor) benötigen die unterschiedlichen Laserscanformate beim Importieren unterschiedlich lange. Es ist am effizientesten das ZFS-Format zu importieren, da es das Rohdatenformat des Z+F IMAGER 5010 ist und das Scanprojekt sich schon in diesem Format befindet. Format ZFS ASCII PTX PTG Durchschnittliche Zeit 10 Minuten 10 Minuten 15 Minuten 20 Minuten Tabelle Dauer beim Importieren eines vollständigen farbigen Scans Vanessa Noth 2012 Seite 69

77 Importieren der Daten In Z+F LaserControl sind alle 106 Laserscans im ZFS-Format unter Anwendung der Masken neu exportiert worden. Alle Standpunkte sind in Studio Clouds in Farbe und ohne Reduzierung der Pixelanzahl zu importieren. Als ZFS-Format mit zugehörigem Panoramabild besitzen die 106 Standpunkte eine Datenmenge von 15 GB. Nach der Transformation in das eigene REP-Format von Studio Clouds entsteht daraus eine Datenmenge von ca. 65 GB (Abbildung ). Abb Übersicht des Scangebietes in Studio Clouds Aufgrund der Größe des Projektes und der Gesamtpunktanzahl können nicht alle Scans gleichzeitig geöffnet werden. Stattdessen werden immer nur die nötigen einzelnen Scans einbzw. ausgeblendet. Aus Z+F LaserControl erhalten die Punktwolken eine erste Filterung. Nach dem Importieren in Studio Clouds weisen sie aber noch viele Punktmessfehler bzw. Störpixel auf. Diese fallen bei der Visualisierung eines virtuellen Fluges durch die Punktwolke sehr stark auf. Somit werden die Scans entweder in Z+F LaserControl stärker gefiltert oder die Störpixel in Studio Clouds manuell entfernt (Kapitel ). Vanessa Noth 2012 Seite 70

78 Bearbeitung der Daten Bearbeitung der Daten Eine Bearbeitung der Punktwolken erfolgt im Fenster Point cloud editor (Abbildung ). Hierbei werden die Punktwolken in weitere bzw. neue Layer-Strukturen eingeordnet. Durch diese Zuordnung können die Daten gefiltert, segmentiert, gesäubert und eingefärbt werden. Abb Point cloud editor von Studio Clouds Diese Funktion kommt für die Beseitigung der Störpunkte, wie zum Beispiel Passanten in der Altstadt und weitere Punktmessfehler zum Einsatz. Die Störpixel sind mit einer der folgenden Selektionsfunktionen - Select points by rectangle - Select points by lasso, - Select points by plane, - Select points by 3d brush auszuwählen, um sie dann in den entsprechenden Layer zu verschieben. Die Punkte werden dabei in einen neuen Layer hinzugefügt, aus einem Layer entfernt oder im gesamten Projekt ausgeblendet. Befinden sich die Punkte in einem Layer, können sie mit ihrer Layer- Farbe dargestellt werden. So ist direkt erkennbar in welchem Layer sie sich befinden (Abbildung /3/4). Abb Störpixel aus Scanner Blickwinkel Abb Störpixel aus Vogelperspektive Abb Störpixel selektiert Vanessa Noth 2012 Seite 71

79 Bearbeitung der Daten Abb Marktplatz mit Stativen Die meisten Störpixel werden mit Hilfe eines Rechtecks bzw. Lassos selektiert und beseitigt. Bei der Selektion by plane erfolgt die Auswahl anhand von drei Punkten. Aus diesen drei Punkten wird eine Ebene berechnet und alle Punkte selektiert, die auf dieser Ebene liegen. Zusätzlich kann eine gewählte Toleranz zur Ebene angegeben werden, sodass diese eine gewählte Stärke besitzt. Abb Selektion einer Ebene Wie auf den Abbildungen /6/7/8 gezeigt, kommt es so zu einer Beseitigung der Störpixel, wie z.b. Passanten oder Stative. Der Boden wird als Ebene in einen Layer hinzugefügt (hier blau). Die Störpunkte werden anschließend dem Layer hinzugefügt, der am Ende gelöscht wird (hier grün). Es entsteht eine störpixelfreie Umgebung. Abb Selektion der Störpunkte Abb Marktplatz ohne Stative Es besteht die Möglichkeit die Störpunkte direkt auszublenden. Es ist aber besser mit Hilfe eines Layers zu arbeiten, der alle Störpunkte beinhaltet. So können zur Not zu viel entfernte Punkte wieder in den Originalscan eingefügt werden. Außerdem werden beim Rendern des Videos die nur ausgeblendeten Punkte trotzdem geladen und im Video dargestellt. Dies kann dadurch verhindert werden. Vanessa Noth 2012 Seite 72

80 Bearbeitung der Daten Neben dem Entfernen der Störpunkte und der Bearbeitung der Layer können mit Hilfe der Paint brush - und Flood fill -Funktion Punkte manuell gefärbt werden. So können zum Beispiel Bäume, die bei der Überlagerung der Farbwerte nicht die korrekte Farbe erhalten haben, nachträglich farblich verändert werden (Abbildung /10/11). Abb Vor der Bearbeitung Abb Fenster für das manuelle Einfärben der Punktwolke Abb Nach der Bearbeitung In diesem Projekt ist das manuelle Färben nur in Bereichen angewendet worden, die bei der Visualisierung extrem aufgefallen wären. Grund dafür ist das zeitaufwändige Verändern, um ein realitätsnahes Ergebnis zu erzielen. Die Bearbeitung der Daten ist aufgrund der Menge der Störpixel sehr zeitintensiv, sodass nicht alle Störpixel manuell entfernt werden konnten. Es sind nur diejenigen zu entfernen, die im virtuellen Flug aufgefallen wären. Deswegen wird während der Bearbeitung auch der Pfad des virtuellen Flugs durch die Punktwolke konstruiert. Vanessa Noth 2012 Seite 73

81 Virtueller Flug Virtueller Flug Die Erstellung des virtuellen Fluges durch die Punktwolke wird in Studio Clouds von Alice Labs durch die Time Line Funktion ermöglicht. Studio Clouds rendert hierbei pro Frame ein Einzelbild, welches die elementare Einheit der Filmsequenz darstellt. Diese Einzelbilder besitzen eine chronologische Abfolge, die nur in dieser Reihenfolge zu einem flüssigen Video zusammengesetzt werden können. Abb Time Line-Fenster in Studio Clouds Die Festlegung des Pfades des virtuellen Fluges erfolgt in Verbindung des Bildframes im Histogramm der Time line -Funktion. Dabei wird der Pfad durch mehrere Keys konstruiert. Der Anwender fügt sie hinzu, indem er die gewünschte Position in Abhängigkeit des gewünschten Frames anfährt und den Keyframe aktiviert. Ein Keyframe ist eine Position im Video, die sämtliche vom Nutzer festgelegte Informationen speichert. Zum Framewert wird die Position (x-, y-, z-koordinaten) und die Blickrichtung der Kamera in der x-, y-, z-rotationsachse abgespeichert. Um eine fließende Animation zu konstruieren, werden mindestens zwei Keyframes benötigt. Die Zwischeninformationen werden interpoliert, sodass das Bild nicht plötzlich zum nächsten Bild springt. Diese Werte werden beim Hinzufügen des Keyframes automatisch im Histogramm des Time line -Fensters angelegt (Abbildung ). Gegebenenfalls müssen sie manuell verändert werden, um z.b. eine sich permanent verändernde Rotationsrichtung des Kamerafluges Vanessa Noth 2012 Seite 74

82 Virtueller Flug anzupassen. In Studio Clouds besteht die Möglichkeit, direkt die Scannerstandpunkte anzufahren und sie als Keyframe hinzuzufügen. Dies erleichterte die Erstellung des Pfades im Rathaus, da aufgrund der Größe des Rathauses eine zentimetergenaue Positionsangabe nötig ist. Eine Veränderung im Histogramm ist schlecht möglich. Abb Render settings" für den virtuellen Flug Nach Festlegung des Pfades durch die Punktwolke, beginnt abschließend das Rendern der einzelnen Framebilder. Dafür müssen vom Anwender weitere Render settings angegeben werden (Abbildung ). Es werden zum einen die Bildauflösung der einzelnen Framebilder sowie der Prozentsatz der anzuzeigenden Punktdichte festgelegt. Je nach Eingabe der Near plane- und Far Plane- Werte, werden beim Rendern der Einzelbilder nur die Punkte aufgerufen, die sich in dieser Entfernung zur Kamera befinden. Das Wangener Laserscanprojekt besitzt insgesamt 106 Standpunkte mit ca. fünf Milliarden Einzelpunkten. Die Software kann mit dieser Menge an Punkten nicht das vollständige Video in einem Ablauf rendern. Stattdessen sind die Frames abschnittsweise von Frame zu Frame zu rendern (Abbildung ) und nur die Scans sichtbar zu schalten, die auf den Einzelbildern zu sehen sein sollen. Abb "Render output" für den zu erstellenden virtuellen Flug In Studio Clouds besteht die Möglichkeit zugleich das dazugehörige Video im AVI-Format abzuspeichern. Da aber abschnittsweise gearbeitet werden musste, ist es effektiver nur die Einzelframes zu erstellen. Es entsteht insgesamt eine Datenmenge von ca Einzelbildframes, welches den vollständigen Pfad in einem Stück durch die Altstadt und durch das Rathaus von innen darstellt. Die Erstellung des vollständigen Videos erfolgt aus den Einzelbildframes mit Hilfe anderer Software-Produkte (Kapitel 6.3.2). Vanessa Noth 2012 Seite 75

83 Bewertung und Probleme der Software Bewertung und Probleme der Software Die Erstellung der Visualisierung erfolgt mit der Studio Clouds Version 1.52, welche einige Probleme aufweist. Zum Beispiel ist die Software bei vereinzelten Befehlen abgestürzt (Tabelle ). Diese verkomplizierten ein effizientes Arbeiten, da alternative Lösungswege gefunden werden mussten. Die meisten Probleme konnten allerdings mit kleinen Umwegen umgangen werden. Jegliche Probleme und Fehler in der Software, die z.b. zu einem Absturz des Programms führten, werden an die Entwickler weitergeleitet. Ausführung in der Software Fehler Lösungsweg Importieren der Daten in einem Guss Segmentieren des Störpixellayers Ausgeblendete Störpixel Zu schnelles Bewegen im Histogramm der Time line Zu hohe Datenmenge beim Rendern der Einzelframe Absturz Daten konnten nicht mehr geöffnet werden Daten erhielten eine Translation und Rotation werden beim Rendern des Videos trotzdem geladen Absturz Absturz Manueller Import der einzelnen Scans Segmentieren der gesäuberten Punktwolke Löschen der Störpixel Einblendung der nötigen Scans, niedriger Prozentsatz der anzuzeigenden Punktdichte Tabelle Fehler in Studio Clouds von Alice Labs Die Software Studio Clouds von Alice Labs ist nicht ganz ausgereift, stellt aber im Großen und Ganzen ein gutes Grundgerüst dar. Durch den intuitiven Aufbau kann sich der Anwender schnell in die Software einarbeiten. Die Vielzahl unterschiedlicher Import-Punktwolken- Formate führt zu einer hohen Kompatibilität. Die Bearbeitung der Punktwolken erfolgt durch gute, gezielte Selektionsmöglichkeiten. Das Konstruieren des virtuellen Fluges konnte schnell und benutzter-freundlich durchgeführt werden. Für das Wangener Projekt ist nach Abzug der Einarbeitungszeit der zufriedenstellende Pfad innerhalb von ca. neun Stunden entstanden. Das Rendern der Einzelbilder dauerte ca. drei Wochen. Dabei ist aber abschnittsweise gearbeitet worden, wodurch das Rendern über Nacht nicht möglich war. Die erstellten Einzelbilder werden schließlich mit weiteren Software-Produkten zu einem Video zusammengesetzt. Vanessa Noth 2012 Seite 76

84 Video Erstellung und Publikation Video Erstellung und Publikation Die Publikation der Visualisierung der Wangener Scandaten erfolgt auf YouTube im Zoller+Fröhlich Kanal [ZOLLER+FRÖHLICH, 2012]. Die öffentlich zugängliche Internetseite bietet den Vorteil, dass sich jeder Interessent die Videos ansehen kann. Außerdem stehen sie für die Internetseite der Stadt Wangen zur Verfügung. In Studio Clouds von Alice Labs wird der virtuelle Pfad durch die Punktwolke angelegt und die Einzelbildframes abschnittsweise gerendert. Diese müssen mit einer entsprechenden Software zu einem Video zusammengesetzt werden. Aufgrund der Länge des Pfades und des daraus resultierten Videos, wird das Video geteilt. Insgesamt werden zwei Videos erstellt. In einem wird der Betrachter durch das Rathaus von Wangen geführt und im zweiten fliegt der Betrachter in der walk through Ansicht durch die Altstadt von Wangen. Das Rathaus- sowie auch das Altstadt-Video beinhalten bis zu 7300 Einzelframebilder. Um aus Einzelframebildern ein flüssiges Video zu erstellen, kommt eine Framerate von mindestens 24 fps (frames per second) zur Verwendung. Außerdem muss ein Codec angegeben werden, der dazu führt, dass die Framebilder gegebenenfalls mit einer Komprimierung zu einem Video generiert werden. Bei der Generierung des Videos werden viele Software-Produkte getestet, wie zum Beispiel Windows Movie Maker [MICROSOFT, 2012], JPG Video [MENNE, 2012], VirtualDub [VIRTUELDUB, 2011] und Picture2avi [SMALL, 2010]. Diese haben aber zu keinem ansehnlichen Ergebnis geführt. Die Hauptschwierigkeit ist die hohe Anzahl der Framebilder. Letztendlich überzeugte die Software MAGIX Video deluxe MX Premium. Es kann aber nicht vollständig mit dieser Software gearbeitet werden, da hierbei erneut die Anzahl der Framebilder ein Problem darstellt. Daher kommt zuerst die Freeware JPG Video zur Verwendung. Diese Freeware fertigt nur aus den Einzelframebildern mit einer definierten Framerate und einem gewählten Codec ein AVI-Video. In der JPG Video -Software wird der Full Frames (Uncompressed) Codec verwendet, da diese Videos zu Weiterverarbeitung keine Komprimierung besitzen sollen. Diese Freeware besitzt keine anderen Funktionen und ist deswegen für eine weitere Bearbeitung nicht geeignet. Vanessa Noth 2012 Seite 77

85 Video Erstellung und Publikation Die Einzelframebilder aus Studio Clouds besitzen ein Seitenverhältnis von 4:3, welches vorher in der Software definiert worden ist. Das Video aus der JPG-Video -Software besitzt dasselbe Seitenverhältnis. Das klassische 4:3 Seitenverhältnis wird heutzutage durch das 16:9 Seitenverhältnis ersetzt. Bei der Publikation entsteht das Problem, das die 4:3 Videos in einem 16:9 Seitenverhältnis dargestellt werden. Dabei erhält das Video keine Verzerrung oder Bildverluste, sondern links und rechts einen breiten schwarzen Bildrand (Abbildungen /2). Abb Video in der 4:3 Seitenverhältnis Abb Video in der 16:9 Seitenverhältnis Diese Bildränder gestalten den Gesamteindruck des Videos schlechter, sodass keine anspruchsvolle Visualisierung entsteht. Eine Beseitigung dieser Ränder bzw. eine Umwandlung in das 16:9 Seitenverhältnis erfolgt durch das Zuschneiden der Videos (Abbildung ). Hierfür wird die Freeware VirtualDub verwendet [VIRTUELDUB, 2011]. Abb Zugeschnittenes Video in 16:9 Seitenverhältnis Vanessa Noth 2012 Seite 78

86 Video Erstellung und Publikation Das resultierende Video aus Virtuell Dub stellt nur den virtuellen Flug durch die Punktwolke dar. Um im Video Details wie Startbild, Abspann und weitere Fotos hinzuzufügen, wird die Software MAGIX Video deluxe MX Premium verwendet. Das Hinzufügen weiterer Bilder führt zu einer Auflockerung und Verbesserung des visuellen Gesamteindruckes des Videos. Das Rathaus kann lebendiger dargestellt werden und die Zuschauer können besondere Details, wie zum Beispiel Bildlandkarten als Foto ansehen. Zudem können die farbigen Laserscandaten mit den Fotos verglichen werden, wobei kaum ein Unterschied festzustellen ist (Abbildung /5). Abb Punktwolke der Bildlandkarten im Rathaus Abb Foto der Bildlandkarten im Rathaus Bei Bedarf kann die Software die Videos schneiden und die Bilder dort positionieren. Diese werden für ein definiertes Zeitintervall angezeigt, wobei die Übergänge fließend erfolgen sollen. Schließlich folgt das Rendern des Videos. In MAGIX Video deluxe MX Premium stehen dafür drei Formate zur Verfügung: MPEG2, MPEG4 (Moving Picture Experts Group), WMV (Windows Media Video). Bei der Erstellung der Videos ist aufgefallen, dass das WMV-Format mit dieser hohen Anzahl an Framebildern nicht gut umgehen kann. Die Videos weisen nach der Generierung viele leichte ruckartige Bewegungen auf. Bei gleichbleibenden Einstellungen und Verwenden des MPEG-Formates (Moving Picture Experts Group) treten diese ruckartigen Bewegungen nicht auf. Somit werden die endgültigen Videos mit dem MPEG2-Format gerendert und an die Zoller+Fröhlich GmbH weitergeleitet. Zudem werden sie der Stadt Wangen zur Verfügung gestellt. Vanessa Noth 2012 Seite 79

87 6.4 Vollständiger Workflow der Ausarbeitung Vollständiger Workflow der Ausarbeitung Wie in den vorherigen Kapiteln erläutert, erfolgt die vollständige Ausarbeitung in mehreren Arbeitsschritten. Anhand der Abbildung wird der Workflow des gesamten Laserscanprojektes in Wangen grafisch dargestellt. Bei diesem Laserscanprojekt wurde der Panorama-Laserscanner Z+F IMAGER 5010 der Firma Zoller+Fröhlich GmbH verwendet. Aufgrund der Arbeitsweise ist der für die Aufnahme im Innenraum des Rathauses gut geeignet. Für die Außenaufnahmen der Altstadt wäre es gegebenenfalls günstiger gewesen, auf ein mobiles System, wie Riegl VMX 250, zurückzugreifen [3D SCANNING & MODELING, 2010]. Die Arbeitsweise (Kamerasystem, INS- GNSS Einheit, kinematische Datenverarbeitung) wäre effektiver und seine farbige Punktwolkenvisualisierung einheitlicher. Aber diese Möglichkeit stand nicht zur Verfügung. Die Ausarbeitung des vollständigen Projekts hat ca. 12 Wochen gedauert. Hierzu zählt die Datenaufnahme (zwei Wochen), Auswertung (ca. vier Wochen) und Video-Erstellung (ca. eine Woche). Die Auswertung ist in die Bearbeitung des Bildmaterials, die Punktwolkenbearbeitung und die Visualisierung der Scandaten unterteilt. Die ersten beiden Auswertungsschritte benötigten jeweils eine Woche. Aufgrund der manuellen Beseitigung der Punktmessfehler benötigt das Aufarbeiten der Scandaten in Studio Clouds von Alice Labs deutlich länger (ca. sechs Wochen). Ein Anwender, der in all diesen Software-Produkten Erfahrung hat, hätte dieses vollständige Projekt in etwa neun Wochen angefertigt. Es entfällt die Einarbeitungszeit und viele Anwenderfehler wären umgangen worden. Die Video-Erstellung ist mit Hilfe mehrerer Software-Produkte erstellt worden, da keine Software als Komplettpaket überzeugt hat. Zwar ist daraus ein Endprodukt entstanden, aber dieser Weg ist eher unwirtschaftlich. Vanessa Noth 2012 Seite 80

88 Vollständiger Workflow der Ausarbeitung Abb Workflow Vanessa Noth 2012 Seite 81

89 Beurteilung der Visualisierung 7. Beurteilung der Visualisierung Das terrestrische Laserscanning ermöglicht eine effiziente, detailreiche und genaue geometrische dreidimensionale Erfassung von Objekten. Aufgabe in dieser Bachelorarbeit ist die Visualisierung der Laserscandaten für das Internet. Dafür stehen mehrere Möglichkeiten zur Verfügung. Sie können als virtueller Flug durch die Punktwolke oder in Form eines 3D- Modells visualisiert werden. Bei dem 3D-Modell werden aus einer Punktwolke die am besten angepassten Regel-Geometrien abgeleitet, sodass die Punktwolke durch eine Dreiecksvermaschung flächenhaft wieder gegeben wird. Zum Nachteil der Wirtschaftlichkeit erfolgt dies mit wenig Automatisierungsgrad, sodass die Modellierung ein zeitaufwändiger Prozess ist. Im Folgenden ist eine Gegenüberstellung beider Visualisierungsmöglichkeiten beschrieben. Ein internetlauffähiges 3D-Modell besitzt einen großen Mehrwert. Es entsteht ein guter visueller Eindruck und der Anwender kann sich in dem 3D-Modell frei bewegen. Die freie Navigation ermöglicht einen beliebigen Blickwinkel, wie beispielsweise aus der Vogelperspektive. Es ist eine ideale Planungsgrundlage, da mit geringem Aufwand Teilbereiche jederzeit hinzugefügt, ausgeblendet oder gelöscht werden können. Des Weiteren können aus den 3D-Modellen vielfältige und künstlerische Animationen erstellt werden, die zum Beispiel spezielle Vorgaben eines Auftraggebers wiedergeben. Der Nachteil dagegen ist der sehr hohe Aufwand der betrieben werden muss, um ein 3D- Modell anzufertigen. Dieser Aufwand ist abhängig von der Genauigkeit und dem Detaillierungsgrad (Level of Detail) des 3D-Modells. Die Generalisierung sollte gering gehalten werden, um ein realitätsnahes 3D-Modell zu erhalten. Die authentische Wiedergabe des Modells wird zusätzlich durch Fototexturen simuliert. Attraktive Texturen sind bei der Aufnahme der Laserscandaten orthogonal vom Objekt zu erstellen und stellen einen zusätzlichen Arbeitsaufwand dar. Neben dem 3D-Modell kann die Punktwolke als virtueller Rundflug präsentiert werden, wie das Ergebnis dieser Bachelorarbeit. Die Punktwolke dient nicht nur als geometrische Grundlage für die Modellierung, sondern ist das Endprodukt für die Visualisierung. Die 3D- Informationen liegen unmittelbar nach dem Scanvorgang vor, sodass keine speziellen Modellierungskenntnisse vorhanden sein müssen. Der Vorteil bei der punktwolkenbasierten Vanessa Noth 2012 Seite 82

90 Beurteilung der Visualisierung Visualisierung liegt bei der hohen Punktdichte und einer sehr genauen detaillierten dreidimensionalen Abbildung bis in den Nahbereich. Mit einer Software, die eine Laserscandaten-Schnittstelle besitzt, lässt sich die Punktwolke darstellen und als Planungsgrundlage verwenden. Anhand dieser können Neubauten, Umbaumaßnahmen oder Veranstaltungen geplant und durch einen virtuellen Flug visualisiert werden. Für die Stadtplanung begünstigt es die Entscheidungsprozesse und den Bürgern erleichtert es das Verständnis der Planungen. Diese Möglichkeit besteht auch bei einem 3D- Modell, wobei der Anwender selbst navigieren könnte, doch entfällt der Arbeitsaufwand um ein 3D-Modell zu konstruieren. Das Problem der punktwolkenbasierten Visualisierung liegt in der enormen Datenmenge, welche nur durch einen virtuellen Flug im Internet zu präsentieren ist. Der Anwender kann nicht selbst in der Punktwolke agieren, sondern ist an den virtuellen Flug gebunden. Aufgrund von Abschattungen können in den Scandaten Löcher entstehen. Bei einer punktwolkenbasierten Visualisierung muss je nach Objekt und Situation die Standpunktwahl dichter gewählt werden. Es führt zu einem erhöhten Arbeitsaufwand bei der Aufnahme der Laserscandaten und zu einer erhöhten Datenmenge. Je nach Endprodukt der Visualisierung werden Farbdaten verwendet. Diese geben eine realitätsgetreue Darstellung wieder und steigern den semantischen Ausdruck der Punktwolken, aber auch den Arbeitsaufwand bei der Aufnahme und Ausarbeitung. Des Weiteren ist zu beachten, dass beim Laserscanning mit einem Panorama-Laserscanner das zu scannende Objekt von unterschiedlichen Standpunkten aufgenommen wird. Die unterschiedlichen Lichtverhältnisse je Standpunkt stellen bei einer farbigen Punktwolkenvisualisierung ein visuelles Problem dar. So können zum Beispiel die Objekte an unterschiedlichen Tageszeiten aufgenommen worden sein, mit der Folge, dass das Objekt mal in der Sonne und mal im Schatten liegt (Abbildungen 7-1/2). Diese starken unterschiedlichen Lichtverhältnisse wirken sich negativ auf eine ansprechende Visualisierung der Punktwolke aus. Bei der Überlagerung mehrerer farbiger Punktwolken unterschiedlicher Standpunkte werden die dunklen sowie die hellen Punkte angezeigt (Abbildung 7-3). Dadurch erhält die farbige Visualisierung der Punktwolke einen pixelartigen Eindruck. Vanessa Noth 2012 Seite 83

91 Beurteilung der Visualisierung Abb. 7-1 Ausschnitt eines Panoramabildes, Standpunkt 13 Abb. 7-2 Ausschnitt eines Panoramabildes, Standpunkt 101 Abb. 7-3 Punktwolkenausschnitt aus Studio Clouds Vanessa Noth 2012 Seite 84

92 Beurteilung der Visualisierung Folglich stellt eine internetfähige Visualisierung aus Laserscandaten einen hohen Aufwand dar. Beim Vergleich beider genannten Visulisierung-Varianten muss besonders die Wirtschaftlichkeit beurteilt werden. Für das Wangener Projekt ist es wirtschaftlicher, eine Visualisierung in Form eines virtuellen Fluges zu erstellen, denn der zeitliche Aufwand erfordert durch einen erfahrenen Anwender etwa zwei Monate. Bei der Erstellung eines 3D- Modells kommt es auf mehrere Aspekte an. Je nach Level of Detail, Detailumfang und Genauigkeit, kann die 3D Modellierung einige Jahre dauern. Neben den beiden zuvor genannten Visualisierungs-Varianten, kann aufbauend auf den digitalen Fotos eine weitere Variante genutzt werden. Diese stellt aber keine Scandaten dar. Eine farbige Punktwolke wird in dieser Bachelorarbeit durch Kugelpanoramen erstellt, indem sie mit den Scandaten überlagert werden. Spezielle Stitching-Software kann neben dem Stitching zusätzlich Panorama-Touren erstellen. Panorama-Touren stellen die Panoramen in einem speziellen Viewer als interaktive Panoramen dar. Sie können in einem Internetbrowser aufgerufen werden. Diese Visualisierung ähnelt dem Google Street View, da der Anwender das Kugelpanorama aus dem Drehzentrum des Kugelpanoramas betrachtet und zwischen den einzelnen Panoramen gewechselt werden kann. Für Touristen, die z.b. die Stadt besuchen wollen, stellt diese Visualisierung ein intuitives und ansehnliches Ergebnis dar. Außerdem kann es in kleinen Städten zum Beispiel das Google Street View ersetzen. Ein virtueller Flug durch die Punktwolke ist zwar eine schöne Visualisierung der Laserscandaten, es kann aber Google Street View oder eine ähnliche Plattform nicht ersetzen, hauptsächlich weil keine freie Navigation möglich ist. Vanessa Noth 2012 Seite 85

93 Fazit 8. Fazit Speziell im terrestrischen Laserscanning stehen die Hard- und Software-Produkte unter einem größeren Konkurrenzdruck. Effiziente Komplettpakete erhalten eine immer bedeutendere Relevanz. Vor diesem Hintergrund stellt diese Bachelorarbeit mehreren Hardware und Software-Produkten aus diesem Bereich vor. Neben dem Laserscanner Z+F IMAGER 5010 der Zoller+Fröhlich GmbH kam das System der Firma Dr. Clauss Bild- und Datentechnik GmbH zum Einsatz, welches den motorisierten Nodalpunktadapter RODEON VR Head CL mit der dazugehörigen Bediensoftware RODEONmodular und der Stitching-Software RODEONpreview beinhaltet. Letzteres sollte zur Colorierung von Punktwolken qualitativ hochwertige Panoramen erzeugen. Die Hard- und Software wurde am Beispiel eines Laserscanprojektes der Altstadt Wangen im Allgäu und einer daraus resultierender Visualisierung zusätzlich beurteilt. Die umfangreichen Tests und das Laserscanprojekt in Wangen konnten die Stärken und die Schwächen des gesamten Systems der Firma Dr. Clauss Bild- und Datentechnik GmbH offenlegen. Die Hardware überzeugte durch Stabilität und Handhabung. Dank der verwendeten Spiegelreflexkamera wurden qualitativ hochwertige Einzelbilder erzeugt. Im Vergleich zum manuellen Nodalpunktadapter und der Z+F M-Cam bieten sie mehrere Vorteile, die sich gegenüber dem manuellen Nodalpunktadapter in der Schnelligkeit und gegenüber der Z+F M-Cam in der Farbwiedergabe, der höhere Bildauflösung und der nicht vorhandenen Bild-Parallaxe widerspiegelt. Der einzige Schwachpunkt lag in der Bedienung mittels zweiter Hardware und über eine Bluetooth-Verbindung. Die mitentwickelte Beta-Stitching-Software RODEONpreview war übersichtlich strukturiert und einfach in der Bedienung. Da diese jedoch bis dahin kein zufriedenstellendes Panorama erstellen konnte, wurde nur der Export eines PTGui-Projektes verwendet. PTGui entsprach den gewünschten Anforderungen und wies gegenüber RODEONpreview viele Vorteile auf. Um wirtschaftlicher arbeiten zu können, sollte nur mit einer Stitching-Software gearbeitet werden. Wenn RODEONpreview vollfunktionsfähig gewesen wäre, wäre dies eine effiziente Lösung. Da dies aber nicht der Fall war, wird PTGui favorisiert. Damit in Zukunft farbige Scanprojekte mittels motorisierten Nodalpunktadapter wirtschaftlicher durchführbar werden können, sollte eine entsprechende Softwareerweiterung in Z+F LaserControl implementiert werden. Erste Algorithmen existieren bereits und können nach Auswertung der Voruntersuchung ausgebaut werden. Vanessa Noth 2012 Seite 86

94 Fazit Die Scan und Bilddaten der Altstadt Wangen im Allgäu wurden neben dem Nodalpunktadapter RODEON VR Head CL mit dem Panorama-Laserscanner Z+F IMAGER 5010 der Firma Zoller+Fröhlich GmbH erfasst. Dieser war für das Laserscanning der Altstadt gut geeignet. Seine hohe Auflösung und schnelle Messrate lieferte eine detaillierte Aufnahme. Im Außenbereich wäre aufgrund der Arbeitsweise gegebenenfalls ein mobiles Laserscansystem produktiver gewesen. Die Ausarbeitung der Wangener Laserscandaten erfolgte in mehreren Software-Produkten und beschränkte sich auf die Bearbeitung der reinen Punktwolke. Die vollständige Projekt Bearbeitung betrugt ca. drei Monate. Das Endprodukt ist eine Visualisierung in Form eines virtuellen Fluges durch die Punktwolke. Der Pfad und die Einzelbildframes für die Videos wurden mit Hilfe der Software Studio Clouds von Alice Labs erstellt. Diese Software stellte ein gutes Grundgerüst dar, wies aber einige Schwachstellen auf. Für Projekte mit solch einer Größe (106 Standpunkte) konnte mit dieser Version nicht wirtschaftlich gearbeitet werden. Das abschnittsweise Rendern der Einzelbildframes war zeitaufwändig und es wurden für die Video-Erstellung weitere Software-Produkte benötigt. Die Visualisierung einer colorierten hochauflösenden Punktwolke in Form eines Videos, ist eine der Visualisierungsmöglichkeiten, welche aus Laserscandaten erzeugt werden kann. Gegenüber der klassischen 3D-Modellierung ist sie wirtschaftlicher, da die Punktwolke als Endergebnis und nicht wie in der Modellierung als Zwischenergebnis dargestellt wird. Eine detailreiche Modellierung ist wegen dem geringen Automatisierungsgrad und reichlicher manueller Bearbeitung ein langwieriger Prozess. Bei der punktwolkenbasierten Visualisierung können ohne aufwändige Modellierung Objekte fotorealistisch präsentiert werden. Die Vorgehensweise in diesem Projekt ist aufgrund vieler manueller Arbeitsschritte und Software- Produkten ein ausgedehnter Prozess, wobei viel Rechenzeit mit inbegriffen ist. Trotzdem kann sie gegenüber der Modellierung in kürzerer Zeit realisiert werden, aber das freie Navigieren des Anwenders ist folglich nicht möglich. Ein weiteres Produkt, welches aus diesen Scandaten erstellt werden könnte, wären Panorama- Touren, die mittels der zusätzlichen Panoramafotografie erstellt werden. Diese könnte für die Stadt Wangen zu einer Erweiterung der Internetpräsenz führen und z.b. Google-Street-View ersetzen, doch ist es in dieser Bachelorarbeit nicht weiter behandelt wurden. Über die Kombinationen aller Systeme wurde der Charakter der Bauwerke Wangens realitätsgetreu visualisiert. Die Daten wurden der Zoller+Fröhlich GmbH sowie der Stadt Wangen im Allgäu präsentiert, welches positives Feedback gab. Beide wollen wie angedacht, die resultierenden Videos zu Marketingzwecken verwenden. Vanessa Noth 2012 Seite 87

95 Literaturverzeichnis Literaturverzeichnis [360DIRECT, 2010] Internetseite der Firma 360direct, Seitenzugriff am 6. Januar 2012 [3D SCANNING & MODELING, 2010] YouTube Kanal 3D Scanning & Modeling, 2010 RIEGL USA VMX-250 (Mobile Mapping System) Seitenzugriff am 22. März 2012 [ALICELABS, 2011] Internetseite der Firma Alice Labs, Seitenzugriff am 1. Oktober 2011 [Autodesk, 2012] Internetseite von Autodesk, ID= Seitenzugriff am 8. März 2012 [BRAUN, 2010] Werner Braun, 2010 Panoramafotografie: Der Nodalpunktadapter Seitenzugriff am 19. Februar 2012 [BÜTTNER, FRÖHLICH, METTENLEITER, WEIHER, 2010]. E. Büttner, C. Fröhlich, M. Mettenleiter und B. Weiher, 2010 Aktuelle Datenprozessierung von 3D-Laserscandaten am Beispiel des Forumsgebäudes der TU Braunschweig DVW e.v Gesellschaft für Geodäsie, Geoinformation und Landmanagement DVW e.v. Terrestrisches Laserscanning TLS 2010 mit TLS- Challenge, Beiträge zum 101. DVW-Seminar am 6. und 7. November 2010 in Fulda, Wißner-Verlag, Augsburg (S ) [CDU, 2012] CDU Stadtverband Wangen im Allgäu, Seitenzugriff am 15. Februar 2012 Vanessa Noth 2012 Seite 88

96 [DEUMLICH/STAIGER, 2002] Fritz Deumlich, Rudolf Staiger, 2002 Instrumentenkunde der Vermessungstechnik 9. Auflage, 2002 [FORENSICANIMATIONS, 2009] YouTube Kanal ForensicAnimations, Cleaning a Point Cloud with Studio Clouds Software Seitenzugriff am 25. Februar 2012 Literaturverzeichnis [CLAUSS, 2011A] Dr. Clauß Bild- und Datentechnik GmbH, 2011 Bedienungsanleitung RODEONmodular Seitenzugriff am 12. Oktober 2011 [CLAUSS, 2011B] Roland Clauß, 2011 Universelles Kamerakalibrierungssystem mit zentraler Zielmarke In Photogrammetrie Laserscanning Optische 3D-Messtechnik, Beträge der Oldenburger 3D-Tage 2011, Wichmann, S [CLAUSS, 2010] Dr. Clauß Bild- und Datentechnik GmbH, 2010 Handbuch RODEONpreview [FOTOINTERN, 2010] Fotointern.ch, 2010 Reisekamera Sony Cyber-Shot DSC-H55 mit zehnfachem Zoom der G Klasse Seitenzugriff am 19. Februar 2012 [GOECKE, 2012] Der Ausrüster für die Vermessungstechnik, Goecke Schwelm, Adapter 5/8 Gewinde/Klauenaufnahme, drehbar und starr MenueID=&HauptartID=336&WarengruppenID=285 Seitenzugriff am 23. Februar 2012 Vanessa Noth 2012 Seite 89

97 Literaturverzeichnis [KERN, MEHLIG, SIEGRIST, 2011] F. Kern, S. Mehlig, B. Siegrist, 2011 Geometrische Qualität von aus Einzelphotos zusammengesetzten Panoramen In Publikationen der Deutschen Gesellschaft für Photogrammetrie, Fernerkundung und Geoinformation e.v.: Geodaten, eine Ressource des 21. Jahrhunderts, Vorträge 31. Wissenschaftlich-Technische Jahrestagung der DGPF, Band 20, 2011, S [MENNE, 2012] Christoph Menne, Seitenzugriff am 22.März 2012 [MICROSOFT, 2012] Microsoft und Lieferanten, Seitenzugriff am 22. März 2012 [NEBIKER/BLEISCH, 2010] Stephan Nebiker und Susanne Bleisch, D-Punktwolken als vollwertige 3D-Stadtmodelle? In Publikationen der Deutschen Gesellschaft für Photogrammetrie, Fernerkundung und Geoinformation e.v.: 100 Jahre ISPRS 100 Jahre internationale Zusammenarbeit, Vorträge Dreiländertagung, 30. Wissenschaftliche-Technische Jahrestagung der DGPF, Band 19, 2010, (S.71-78). [ROSAURO, 2012] Rosauro Photography, 2012 Internetseite über den ManFrotto 303 SPH /303sph_oem/303sph_oem_review.html Seitenzugriff am 07. März 2012 [RÖPENACK, 2012] Jan Röpenack, 2012 Panoramafotografie Seitenzugriff am 6. Januar 2012 Vanessa Noth 2012 Seite 90

98 Literaturverzeichnis [SMALL, 2010] Anton Philip Small Seitenzugriff am 22. März 2012 [PRZYBILLA, 2012 A] Heinz-Jürgen Przybilla, 2012 TLS Grundlagen und technische Aspekte marktgängiger Systeme Vorlesungsskript Hochschule Bochum, 2012 [PRZYBILLA, 2012 B] Heinz-Jürgen Przybilla, 2012 TLS Mess -und Auswerteprozesse Vorlesungsskript Hochschule Bochum, 2012 [PTGUI, 2012] Internetseite der Software PTGui, Seitenzugriff am 12. Januar 2012 [SCHNEIDER/SCHUDT, 2009] Philipp Schneider, Tobias Schudt, 2009 Visulisierung einer Kleinstadt im Internet auf Basis von 3D- Laserscanning und digitalen Fotos, Diplomarbeit Fachhochschule Würzburg-Schweinfurt, Fachbereich Kunststofftechnik und Vermessung, Studiengang Vermessung und Geoinformatik, [SPHERONVR, 2012] Internetseite der SpheronVR Kamera, Seitenzugriff am 07. März 2012 [STRIEWISCH, 2011] Tom Striewisch, Seitenzugriff am 15.Dezember.2011 [VIRTUELDUB, 2011]. Internetseite der Freeware VirtuelDub, Seitenzugriff am 22. März 2012 Vanessa Noth 2012 Seite 91

99 Literaturverzeichnis [WANGEN, 2012] Internetseite der Stadt Wangen im Allgäu Seitenzugriff am 21. Januar 2012 [WOESTE, 2008] Harald Woeste, 2008 Panoramafotografie: Theorie und Praxis, 1. Auflage 2008 [ZOLLER+FRÖHLICH, 2006] Zoller+Fröhlich GmbH, 2006 Schulungsunterlagen, Z+F LaserControl [ZOLLER+FRÖHLICH, 2008] Zoller+Fröhlich GmbH, 2008 Benutzerhandbuch, Farboption [ZOLLER+FRÖHLICH, 2011 A] Zoller+Fröhlich GmbH, 2011 Broschüre, Z+F IMAGER Seitenzugriff am 20. Dezember 2011 [ZOLLER+FRÖHLICH, 2011 B] Zoller+Fröhlich GmbH, 2011 Benutzerhandbuch, Z+F IMAGER 5010 [ZOLLER+FRÖHLICH, 2011 C] Zoller+Fröhlich GmbH, 2011 Flyer Z+F LaserControl Seitenzugriff am 23. Dezember 2011 [ZOLLER+FRÖHLICH, 2012] YouTube Kanal der Zoller+Fröhlich GmbH ain Seitenzugriff am 12. März 2012 Vanessa Noth 2012 Seite 92

100 Abbildungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Abb. 1-1 Luftbild der Altstadt von Wangen im Allgäu [CDU, 2012]... 2 Abb. 2-1 Messprinzip eines Panorama-Laserscanners [PRZYBILLA, 2012A, Hinzufügung durch V.N.]... 4 Abb Z+F IMAGER Abb Phasenvergleichsverfahren am Beispiel des Z+F IMAGER 5003 [PRZYBILLA, 2012A]... 6 Abb Diffuse Reflektion am Objekt [PRZYBILLA, 2012A]... 7 Abb Totalreflektion [PRZYBILLA, 2012A]... 7 Abb Virtuelle Löcher [PRZYBILLA, 2012A]... 7 Abb Kometenschweif... 8 Abb Schaufenster 2D-Ansicht... 8 Abb Schaufenster 3D Ansicht... 8 Abb Noniussprung Frontansicht... 9 Abb Noniussprung Seitenansicht... 9 Abb Z+F M-Cam [ZOLLER+FRÖHLICH, 2011A] Abb Wangener Altstadt aufgenommen mit der Z+F M-Cam [SCHNEIDER/SCHUDT, 2009] Abb Wangener Altstadt aufgenommen mit der Z+F M- Cam [SCHNEIDER/SCHUDT, 2009] Abb Äußere Orientierung der M-Cam zum Laserscanner Abb. 3-1 Freihand Einzelaufnahme [FOTOINTERN, 2010] Abb. 3-2 Einzelbildaufnahmen mit Überlappungsbereich Abb Beispiel eines manuellen Nodalpunktadapters (ManFrotto 303 SPH) [ROSAURO, 2012, Hinzufügung durch V.N.] Abb Manueller Nodalpunktadapter Novofelx VR-System 6/8 [RÖPENACK, 2012, Hinzufügung durch V.N.] Abb Lage des Nodalpunktes Abb Multi-Row Panorama Abb Bruch im Panorama Abb Doppelte Elemente im Panorama Abb Horizontal- und Vertikallinien im Vorder- und Hintergrund zur Bestimmung des Nodalpunktes Vanessa Noth 2012 Seite 93

101 Abbildungsverzeichnis Abb Vertikale Ausrichtung der Kamera [BRAUN, 2010] Abb Blick durch den Sucher [RÖPENACK, 2012] Abb Horizontale Ausrichtung der Kamera [BRAUN, 2010] Abb Parallaxenverschiebung, Kamera schwenkt nicht um den Nodalpunkt Abb Beim horizontalen Schwenken bleiben die Abstände gleich groß Abb Panorama mit Programmeinstellung Manuell Abb Panorama mit Programmeinstellung Zeitautomatik Abb Belichtungsreihe Abb Beispiel Panorama für Tone-Mapping Abb Beispiel Panorama für Exposure Fusing Abb Unterbelichtetes Panorama Abb. 4-1 RODEON VR Head CL [CLAUSS, 2011A] Abb RODEONmodular Abb RODEONmodular Tab: Man Abb RODEONmodular Tab: H Abb RODEONmodular Tab: V Abb RODEONmodular Tab: Ext Abb Panoramabild mit PTGui gestitcht Abb Dazugehörige Scan als Intensitätsbild Abb Colorierter Scan Abb Höhenadapter [GOECKE, 2012] Abb Skizze destestfeldes Abb Laserscanbeispiel als 2D Bild, Stp. 3 mit Markierung der Targets Abb Dazugehöriges Panoramabeispiel, Stp Abb. 5-1 Auszug des CAD-Plans mit eingezeichneten Scangebiet Abb Z+F PaperTarget Abb Z+F ProfiTarget Abb Z+F AutoTarget Abb Drei ProfiTargets für die Tachymetrierung von außen Abb Abbildung der Projektionen aus PTGui Abb Beispiel für die Zentralprojektion Abb Panorama in Zylinderprojektion Abb Sphärisches Panorama Abb Zwei Ansichten aus einem interaktiven Panorama Vanessa Noth 2012 Seite 94

102 Abbildungsverzeichnis Abb Flow Chart"-Ansicht eines Panoramas in RODEONpreview Abb VR Tour -Ansicht mit Überlagerungsfehler Abb PTGui Hauptfenster Abb PTGui Preview-Fenster Abb Maskierung von Störelementen in PTGui Abb Ohne Maskierung der Störelemente Abb Mit Maskierung der Störelemente Abb Funktion Scans kombinieren Abb Skizze der Funktionsweise "Scans kombinieren" Abb Scan 1, Standpunkt Abb Scan 2, Standpunkt Abb Kombinierter Scan, Standpunkt 18/ Abb Scan ohne Filterung Abb Scan mit Filterung Abb Ohne den Mirror -Filter Abb Mit dem Mirror -Filter Abb Auszug des Registrierungsreportes Abb Anlegung der Kalibrierungsdatei Abb Definition der Passpunktpaare für die Berechnung der äußeren Orientierung65 Abb Targets im Intensitätsbild Abb Targets im farbigen Scan Abb Import Optionen in Alice Labs Abb Übersicht des Scangebietes in Studio Clouds Abb Point cloud editor von Studio Clouds Abb Störpixel aus Scanner Blickwinkel Abb Störpixel aus Vogelperspektive Abb Störpixel selektiert Abb Marktplatz mit Stativen Abb Selektion einer Ebene Abb Selektion der Störpunkte Abb Marktplatz ohne Stative Abb Fenster für das manuelle Einfärben der Punktwolke Abb Vor der Bearbeitung Abb Nach der Bearbeitung Vanessa Noth 2012 Seite 95

103 Tabellenverzeichnis Abb Time Line-Fenster in Studio Clouds Abb Render settings" für den virtuellen Flug Abb "Render output" für den zu erstellenden virtuellen Flug Abb Video in der 4:3 Seitenverhältnis Abb Video in der 16:9 Seitenverhältnis Abb Zugeschnittenes Video in 16:9 Seitenverhältnis Abb Punktwolke der Bildlandkarten im Rathaus Abb Foto der Bildlandkarten im Rathaus Abb Workflow Abb. 7-1 Ausschnitt eines Panoramabildes, Standpunkt Abb. 7-2 Ausschnitt eines Panoramabildes, Standpunkt Abb. 7-3 Punktwolkenausschnitt aus Studio Clouds Tabellenverzeichnis Tabelle Kameraeinstellung Tabelle Pixelfehler der Überlagerung Tabelle Übersicht der Drehwinkel (Roll, Pitch, Yaw in Radiant) Tabelle Vor- und Nachteile des RODEON-Systems Tabelle Gegenüberstellung RODEONpreview/PTGui Tabelle Übersicht der Filterfunktionen in Z+F LaserControl Tabelle Dauer beim Importieren eines vollständigen farbigen Scans Tabelle Fehler in Studio Clouds von Alice Labs Anlagen - Panoramabild mit Störelementen - Scan mit zugehörigen Bildmaterial - Screenshots aus Z+F LaserControl - Einzelbildframes aus dem Video: 3D-Laserscanning Altstadt Wangen - Einzelbildframes aus dem Video: 3D-Laserscanning Rathaus Wangen - CD Vanessa Noth 2012 Seite 96

104 - Anlagen Panoramabild mit Störelementen Abb. 0-1 Panorama vom Marktplatz mit Störelemente, Standpunkt 16 Vanessa Noth 2012 Seite 97

105 Anlagen - Scan mit zugehörigen Bildmaterial Abb. 0-2 Panorama vom Marktplatz, Standpunkt 16 Vanessa Noth 2012 Seite 98

106 Anlagen - Scan mit zugehörigen Bildmaterial Abb. 0-3 Scan vom Marktplatz, Standpunkt 16 Vanessa Noth 2012 Seite 99

107 Anlagen - Scan mit zugehörigen Bildmaterial Abb. 0-4 Panorama vom Postplatz, Standpunkt 150 Vanessa Noth 2012 Seite 100

108 Anlagen - Scan mit zugehörigen Bildmaterial Abb. 0-5 Scan vom Postplatz, Standpunkt 150 Vanessa Noth 2012 Seite 101

109 Anlagen - Scan mit zugehörigen Bildmaterial Abb. 0-6 Panorama vom Sitzungssaal, Standpunkt 11 Vanessa Noth 2012 Seite 102

110 Anlagen - Scan mit zugehörigen Bildmaterial Abb. 0-7 Scan vom Sitzungssaal, Standpunkt 11 Vanessa Noth 2012 Seite 103

111 Anlagen - Scan mit zugehörigen Bildmaterial Abb. 0-8 Panorama vom Trauzimmer, Standpunkt 56 Vanessa Noth 2012 Seite 104

112 Anlagen - Scan mit zugehörigen Bildmaterial Abb. 0-9 Scan vom Trauzimmer, Standpunkt 56 Vanessa Noth 2012 Seite 105

113 Anlagen - Screenshots aus Z+F LaserControl Abb Marktplatz aus Z+F LaserControl Abb Sitzungssaal aus Z+F LaserControl Vanessa Noth 2012 Seite 106

114 Anlagen - Einzelbildframes aus dem Video: 3D-Laserscanning Altstadt Wangen Einzelbildframes aus dem Video: 3D-Laserscanning Altstadt Wangen Abb Frauentor Abb Marktplatz Vanessa Noth 2012 Seite 107

115 Anlagen - Einzelbildframes aus dem Video: 3D-Laserscanning Altstadt Wangen Abb Postplatz, Blick auf die St.-Martins-Kirche Abb Saumarkt Vanessa Noth 2012 Seite 108

116 Anlagen - Einzelbildframes aus dem Video: 3D-Laserscanning Altstadt Wangen Abb Hinter der St.-Martins-Kirche Abb St.-Martins-Tor Vanessa Noth 2012 Seite 109

117 Anlagen - Einzelbildframes aus dem Video: 3D-Laserscanning Rathaus Wangen Einzelbildframes aus dem Video: 3D-Laserscanning Rathaus Wangen Abb Eingangshalle Abb Vorzimmer Vanessa Noth 2012 Seite 110

118 Anlagen - Einzelbildframes aus dem Video: 3D-Laserscanning Rathaus Wangen Abb Trauzimmer Abb Orgelzimmer Vanessa Noth 2012 Seite 111

119 Anlagen - Einzelbildframes aus dem Video: 3D-Laserscanning Rathaus Wangen Abb Vitrine Richtung Sitzungssaal Abb Sitzungssaal Vanessa Noth 2012 Seite 112

120 Anlagen - Einzelbildframes aus dem Video: 3D-Laserscanning Rathaus Wangen Abb Sitzungssaal Abb Empore im Sitzungssaal, Blickrichtung auf die Wappen Vanessa Noth 2012 Seite 113