3D-Rekonstruktion von Schiffen aus kalibrierten und unkalibrierten Aufnahmen

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1 Allgemeine Nachrichtentechnik Prof. Dr.-Ing. Udo Zölzer 3D-Rekonstruktion von Schiffen aus kalibrierten und unkalibrierten Aufnahmen Christian Ruwwe & Udo Zölzer 4. Tagung Optik und Optronik in der Wehrtechnik WTD91, Meppen September, 2007

2 Überblick Motivation Universeller Rekonstruktionsprozess Bildvorverarbeitung 3D-Rekonstruktion Modellnachbearbeitung Anwendungsmöglichkeiten Synthetische Bilder Risszeichnungen Laboraufnahmen Luftbilder Zusammenfassung & Ausblick 3D-Rekonstruktion von Schiffen Seite 2

3 Überblick Motivation Universeller Rekonstruktionsprozess Bildvorverarbeitung 3D-Rekonstruktion Modellnachbearbeitung Anwendungsmöglichkeiten Synthetische Bilder Risszeichnungen Laboraufnahmen Luftbilder Zusammenfassung & Ausblick 3D-Rekonstruktion von Schiffen Seite 3

4 Motivation - Schiffsmodelle - 3D-Modelle zur Klassifikation DV-Anlage KEOD: Klassifizierung mit elektro-optischen Daten Aktuell: militärische Datenbank: ca. 250 Nato-Klassen 3D-Modelle (nach und nach) per Hand angelegt In Zukunft: auch zivile Handelsschiffe: viel mehr (!!!) Klassen Problem: Automatische Generierung von vielen 3D-Modellen Lösung: Schiffe auf See umfliegen & aufnehmen 3D-Rekonstruktion von Schiffen Seite 4

5 Motivation - Schiffsbilder - Farbige Bilder mit wenig Farben grau-blau bis grün-blau Hohe Kontrastwerte Im Wasser durch Wellen Reflektionen und Schattenwurf von Sonnenlicht Schaumkronen 3D-Rekonstruktion von Schiffen Seite 5

6 Motivation - Bildverarbeitung & Schiffsbilder - Eckendetektion (klassisch: Harris ) Kantendetektion (klassisch: Canny ) Gerade Linien ( Hough-Transformation ) Herausforderung in Schiffsbildern! 3D-Rekonstruktion von Schiffen Seite 6

7 Überblick Motivation Universeller Rekonstruktionsprozess Bildvorverarbeitung 3D-Rekonstruktion Modellnachbearbeitung Anwendungsmöglichkeiten Synthetische Bilder Risszeichnungen Laboraufnahmen Luftbilder Zusammenfassung & Ausblick 3D-Rekonstruktion von Schiffen Seite 7

8 Universeller Prozess - Übersicht - 3D-Rekonstruktion erst später 1. Bildvorverarbeitung für Kalibrierung notwendig! 2. Volumetrische 3D-Rekonstruktion 3. Modellnachbearbeitung 3D-Rekonstruktion von Schiffen Seite 8

9 Universeller Prozess - Warum Vorverarbeitung? - Bildmaterial ohne äußere Einschränkungen Kamera-Parameter (SLR, MSP, Internet?, ) Kamerastandort & orientierung ( frei-hand, Hubschrauberflug, ) 4 Freiheitsgerade 1. & 2. Richtung zwischen Schiff und Kamera Lagewinkel und Elevation im Bild bzw. aus GPS-Koordinaten 3. Verdrehung der Kamera (z.b. schiefe Masten) Nur im Bild! 4. Abstand zwischen Schiff und Kamera Skalierungsfaktor im Bild bzw. aus GPS-Koordinaten 3D-Rekonstruktion von Schiffen Seite 9

10 Universeller Prozess - Bildvorverarbeitung - 1. Bildsegmentierung Graph-basierter Ansatz ( MorphCut ) Nutzung von Farb- und Gradientinformationen Segmentierung als Energieminimierung Lösung aus maximalen Fluss eines Graphen 2. Orientierungs- und Skalierungsschätzung Bildbasiert: manuelle Selektion von Hauptachsen Automatisch: Fluchtpunktdetektion: Hough-Transformation, erschöpfende Suche Hauptachsendetektion: Hough- & Fourier-Transformation Verbesserte Schätzung durch Nutzung von GPS-Koordinaten 3. Registrierung Ausrichtung aller Bilder an einem globalen Koordinatensystem 3D-Rekonstruktion von Schiffen Seite 10

11 Universeller Prozess - Automatische Detektion - Schnittpunkte finden ist in digitalen Bildern nicht exakt: Auf Digitalfotos versagt die Fluchtpunktdetektion fast immer! Hauptachsen-Detektion besser, aber stark abhängig von der Wahl der Parameter 3D-Rekonstruktion von Schiffen Seite 12

12 Universeller Prozess - Normbilder - Ergebnis der vorverarbeitenden Schritte Zentrierte & skalierte Bilder Kameraparameter (äußere Orientierung) Konturen 3D-Rekonstruktion von Schiffen Seite 13

13 Universeller Prozess - 3D-Rekonstruktion - Punktbasiert Triangulation/Disparität durch Merkmalsvergleich (schwierig!) Zusätzliche Hardware (LaserScanner, etc.) Nachteil: eine Punktwolke ist noch kein fertiges Modell Interpolation Morphing (Bild-zu-Bild-Transformation) Lichtfelder (aus der plenoptischen Funktion) Nachteil: kein Modell, nur neue Perspektiven Geometrische Körper Modell als Menge transformierter Grundkörper Bestimmung der Transformation dieser Körper ins Bild Nachteil: Optimierung einer Vielzahl von Parametern (z.b. GAs) 3D-Rekonstruktion von Schiffen Seite 14

14 Universeller Prozess - Volumetrische Rekonstruktion - Volumetrisch Berechnung der konvexen Hülle Konturlinie ist äußere 2D-Einhüllende Verlängerung in die 3.Dimension ( Röhre ) Überlagerung mehrerer Röhren (aus verschiedenen Blickwinkeln) Vorteile Ergebnis ist immer ein kompaktes Modell Kein Vergleich von einzelnen Bildpunkten (Farben) Nachteile Konturlinien finden ist auch nicht einfach Einkerbungen/Löcher können nicht modelliert werden (Konturlinie ist nur der Schattenriss ) sehr rechenintensiv 3D-Rekonstruktion von Schiffen Seite 15

15 Universeller Prozess - Modellnachbearbeitung - Volumenmodell Oberflächenmodell MarchingCubes-Algorithmus Texturen aus Originalbildern Nachteile: (Zu) viele kleine Polygone Stufige Modelle Optimierung Verringerung der Polygonanzahl Ideal: große Flächen durch größere Polygone ersetzen Mit Verlust: ersetze Kanten durch Punkte, sofern Fehler klein genug Glättung des Modell Tiefpassfilterung der Punktkoordinaten 3D-Rekonstruktion von Schiffen Seite 16

16 Überblick Motivation Universeller Rekonstruktionsprozess Bildvorverarbeitung 3D-Rekonstruktion Modellnachbearbeitung Anwendungsmöglichkeiten Synthetische Bilder Risszeichnungen Laboraufnahmen Luftbilder Zusammenfassung & Ausblick 3D-Rekonstruktion von Schiffen Seite 17

17 Anwendungen - Synthetische Ergebnisse - Künstliche Bilder aus existierendem 3D-Modell Aus (bekannten) Perspektiven Ideale Parallelprojektion Segmentierung ist einfach Ergebnis stellt ein Optimum dar Mehr kann mit diesem Ansatz nicht erreicht werden konvexe Hülle, keine Löcher Als Grenzwert für die Rekonstruktion aus realen Bildern 3D-Rekonstruktion von Schiffen Seite 18

18 Anwendungen - Risszeichnungen - Bekannte Kamerapositionen Orthogonal/rechtwinklig Seiten-, Drauf- & Frontalsicht Einheitlicher Maßstab Keine Skalierung notwendig Einfache Registrierung 1D-Korrelation entlang paarweise Bildachsen Sehr einfache Segmentierung Aus Schwellwert Ggf. morphologisches Löcher-schließen 3D-Rekonstruktion von Schiffen Seite 19

19 Anwendungen - Zeichnungsergebnisse - mit drei Ansichten (Seite, Oben & Vorne) mit nur zwei Ansichten (Seite & Oben) 3D-Rekonstruktion von Schiffen Seite 20

20 Anwendungen - Laboraufnahmen - (un-) bekannte Kamerapositionen Drehteller mit Objekt Fixierte Winkel oder Winkel aus Bild geschätzt Skalierung Statische Kameraposition = gleiche Skalierung Neuer Skalierungswert bei Änderung der Aufnahmeposition Registrierung erforderlich Kameraaufbau nicht vorher kalibriert Kein einheitliches Koordinatensystem gegeben Vereinfachte Segmentierung Definierbarer Hintergrund Mit MorphCut 3D-Rekonstruktion von Schiffen Seite 21

21 Anwendungen - Laborergebnisse - Gummi-Ente (36 Ansichten auf Wasserlinie ) Holzmodell Stollergrund (72 Ansichten aus zwei Höhen) 3D-Rekonstruktion von Schiffen Seite 22

22 Anwendungen - Luftbilder - Orientierungsschätzung & Skalierungsausgleich Manuelle Eingabe der Hauptachsen Optimierung mit GPS-Koordinaten Registrierung erforderlich frei-hand Aufnahmen aus Hubschrauber Segmentierung Auch mit MorphCut 3D-Rekonstruktion von Schiffen Seite 23

23 Anwendungen - Reale Ergebnisse - Containerschiff Gotaland (49 Bilder, ~3 Umflüge, in Bewegung) Kieler Kirche (32 Bilder, 1½ Umflüge) 3D-Rekonstruktion von Schiffen Seite 24

24 Überblick Motivation Universeller Rekonstruktionsprozess Bildvorverarbeitung 3D-Rekonstruktion Modellnachbearbeitung Anwendungsmöglichkeiten Synthetische Bilder Risszeichnungen Laboraufnahmen Luftbilder Zusammenfassung & Ausblick 3D-Rekonstruktion von Schiffen Seite 25

25 Zusammenfassung Universeller Prozess zur 3D-Rekonstruktion Für (un-) kalibriertes Bildmaterial Vom Bild zum Polygonmodell Vereinfachungen für spezielle Anwendungen möglich Bildvorverarbeitung Graph-basierte Segmentierung Fluchtpunkt-/Hauptachsendetektion Nutzung von GPS-Daten Nutzereingaben (noch) erforderlich Modelloptimierung Verbesserung des Polygonmodells 3D-Rekonstruktion von Schiffen Seite 26

26 Ausblick Bildvorverarbeitung Weitere Automatisierung (weniger Nutzereingaben) Automatische Registrierung? Polygonalgorithmen Sehr Laufzeit- und Speicherintensiv Optimierung der Implementierung Filmsequenzen Dichterer Informationsgehalt in Filmsequenzen Nutzung zur Geometrie- und Szenenbestimmung? 3D-Rekonstruktion von Schiffen Seite 27

27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen? 3D-Rekonstruktion von Schiffen Seite 28

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