Analoge Messkameras Analoge Teil-Messkameras Analoge Nicht-Messkameras Digitale Kamerasysteme

Transkript

1 Inhalte Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogrammetrie Analoge Messkameras Analoge Teil-Messkameras Analoge Nicht-Messkameras Digitale Kamerasysteme Hochauflösende Digitalkameras Scanning-Kameras Videokameras HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 1

2 Kamerasyteme in der Nahbereichsphotogrammetrie HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 2

3 Methoden der Bilderfassung Die Wahl zwischen analoger bzw. digitaler Bilderfassung übt wesentlichen Einfluss auf die Methodik des photogrammetrischen Prozesses aus. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 3

4 Kameratypen Messkamera: Mechanisch stabiles (schweres) Aufnahmegerät, das auf Grund seiner besonderen konstruktiven Merkmale über konstante Elemente der Inneren Orientierung verfügt. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 4

5 Bildkoordinatensystem einer Messkamera P 4 M H P 1 Definition durch Rahmenmarken Rahmenmarken sind ortsfest im Kameragehäuse angebracht. Sie definieren das Bildkoordinatensystem. Der Bildmittelpunkt M ist der Schnittpunkt der Rahmenmarkenverbindungslinien (x =y =0.000 mm). P 3 P 2 Die Soll-Koordinaten der Rahmenmarken werden vom Kamerahersteller ermittelt in einem Kalibrierprotokoll festgehalten. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 5

6 Messkamera Messkameras wurden bis Anfang der achtziger Jahre überwiegend eingesetzt, da eine nachträgliche Bestimmung der inneren Orientierung nicht-kalibrierter Kameras in der Praxis kaum möglich war. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 6

7 Messkamera Stand: ca HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 7

8 Messkamera Stand: ca HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 8

9 Kameratypen Teil-Messkamera: Aufnahmegerät das i.a. auf vorhandenen, qualitativ hochwertigen Kameras aufbaut und durch Adaption eines Bildkoordinatensystem (z.b. Réseau) messtauglich wird. Auf Grund seiner konstruktiven Merkmale sind einzelne Parameter der Inneren Orientierung als nicht (oder nur bedingt) konstant anzusehen. Diese Elemente sind: - Kammerkonstante (c) - Hauptpunktlage (x H, y H ) HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 9

10 Bildkoordinatensystem der (analogen) Teilmesskamera GHS Essen Definition durch Réseau Das Réseau (Gitter) ist auf einer dünnen Glasplatte (Dicke ca. 2 mm) ortsfest im Kameragehäuse angebracht. Es definiert das Bildkoordinatensystem. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 10

11 Bildkoordinatensystem der (analogen) Teilmesskamera GHS Essen Definition durch Réseau Die Glasplatte befindet sich in einem Abstand von einigen 10 µm vor dem zu belichtenden Film. Das mittlere Réseaukreuz definiert i.a. den Bildmittelpunkt M (x =y =0.000 mm). Die Soll-Koordinaten des Réseaus werden vom Kamerahersteller ermittelt und in einem Kalibrierprotokoll festgehalten. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 11

12 Bildkoordinatensystem der (analogen) Teilmesskamera GHS Essen Definition durch Réseau Bei der photographischen Aufnahme wird das Réseau mit auf den Film belichtet und macht somit alle geometrischen Veränderungen des Filmmaterial mit. Die Soll-Koordinaten des Réseaus werden vom Kamerahersteller ermittelt und in einem Kalibrierprotokoll festgehalten. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 12

13 Bildkoordinatensystem der (analogen) Teilmesskamera Typische Réseau-Größen Bildformat Größe Anzahl der Kreuze Abstand Kleinbildformat 24*36 mm 7*5 5.5 mm Mittelformat 60*60 mm 11*11 5 mm HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 13

14 Teil-Messkamera Teil-Messkameras werden ab Anfang der achtziger Jahre eingesetzt. Auf Grund fortschreitender Entwicklung in der Computertechnologie bestand ab diesem Zeitpunkt die Möglichkeit die Bestimmung der inneren Orientierung auf eigens eingerichtetn Testfeldern bzw. im Rahmen des Auswerteprozesses zu ermitteln. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 14

15 Teil-Messkamera Leica R5 Rolleiflex 6008 Rollei LFC Stand: ca HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 15

16 Teil-Messkamera 16 HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 16

17 Kameratypen Nicht-Messkamera: Beliebige Photoapparate, die nicht speziell für photogrammetrische Messungen vorbereitet sind. Die Inneren Orientierungselemente sind nicht konstant. Das Aufnahmegerät verfügt über kein fest definiertes Bildkoordinatensystem. Nichtmeßkamera HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 17

18 Komponenten eines digitalen Aufnahmesystems Digitale Aufnahmesysteme erfassen die Bildinformation mit Hilfe opto-elektronischer Sensoren, die anstelle einer Filmschicht im Bildraum angeordnet sind. Sie liefern unmittelbar ein elektronisches Bild, das durch geeignete Komponenten digitalisiert und ohne Umweg in einen Rechner übertragen werden kann. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 18

19 Komponenten eines digitalen Aufnahmesystems HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 19

20 Bildkoordinatensystem eines digitalen Sensors Definition durch durch die Matrix lichtempfindlicher Elemente 1 1 n x m Das digitale Bild besteht aus der zweidimensionalen Matrix der Bildelemente PIXEL (picture element). Die Größe eines pixels beträgt x * y. y HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 20

21 Bildkoordinatensysteme Definition durch durch die Matrix lichtempfindlicher Elemente 1 1 n x m y Das digitale Bild besteht aus der zweidimensionalen Matrix der Bildelemente PIXEL (picture element). Die Größe eines pixels beträgt x * y. x Pixeleigenschaften: Position Größe Grauwert y HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 21

22 Bildkoordinatensysteme Definition durch durch die Matrix lichtempfindlicher Elemente 1 1 n x m Spalte Zeile Das digitale Bild besteht aus der zweidimensionalen Matrix der Bildelemente PIXEL (picture element). Die Größe eines pixels beträgt x * y. Pixeleigenschaften: Position Größe Grauwert y HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 22

23 Bildkoordinatensysteme Definition durch durch die Matrix lichtempfindlicher Elemente 1 1 n x m Das digitale Bild besteht aus der zweidimensionalen Matrix der Bildelemente PIXEL (picture element). Die Größe eines pixels beträgt x * y. Pixeleigenschaften: Position Größe Grauwert y HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 23

24 Bildkoordinatensysteme Definition durch durch die Matrix lichtempfindlicher Elemente 1 1 n x m Der Wertebereich (Bildtiefe) entpricht 8 bit, d.h. 2 8 Bitkombinationen = 256 Grauwerte. Grauwert 0 = schwarz Grauwert 255 = weiß y HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 24

25 Bildkoordinatensysteme Definition durch durch die Matrix lichtempfindlicher Elemente 1 1 m y n x Ursprung und Ausrichtung des Bildkoordinatensystems weichen von dem der analogen Kameras ab. Das Pixelkoordinatensystem ist kein Rechtssystem. Es ist daher durch Spiegelung an der x-achse in ein solches zu überführen. Der Ursprung des Koordinatensystems wird i.a. durch eine Translation in das mittlere Pixel verschoben (im Bild: n/2 sowie m/2) HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 25

26 Digitale Kamerasysteme In der photogrammetrischen Praxis kann zwischen folgenden digitalen Aufnahmesystemen unterschieden werden: Hochauflösende Digitalkameras Kameras mit Digitalausgang, die hochauflösende Bilder bis zu x 7752 Pixel (80 MPixel) liefern. Die Taktrate einer Bilderfassung beträgt bis zu einigen Sekunden pro Bild. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 26

27 Hochauflösende Digitalkameras (Digitale Teil-Messkamera) Rückteil Leaf Aptus-II Quelle: Stand: 2012 HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 27

28 Hochauflösende Digitalkameras (Digitale Teil-Messkamera) PHASEONE Aerial camera system ixa 180 (80 Mpixel) Stand: 2012 Quelle: HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 28

29 Hochauflösende Digitalkameras (Digitale Teil-Messkamera) Kodak DCS 460 Rolleiflex 6008 mit ChipPack Rollei D7 Rollei Q16 (Prototyp) Stand: ca HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 29

30 Hochauflösende Digitalkameras (Digitale Teil-Messkamera) INCA, Geodetic Services, Inc. "This intelligent camera is known as the INCA". Kodak MegaPlus 6.3 with integrated PC back Stand: ca HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 30

31 Hochauflösende Digitalkameras Stand: ca HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 31

32 Hochauflösende Sensoren DALSA FTF5066C 33 Megapixel Color CCD ( Specifically designed for professional digital still applications, DALSA's 33 megapixel full frame CCD is our highest resolution image sensor, setting new standards in imaging performance. Very large area, high dynamic range, high speed, robust antiblooming and low noise, the FTF5066M combines these features all in one image sensor. When using four outputs, a progressively scanned image can be read out at 2.7 frames per second. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 32

33 Hochauflösende Sensoren Dalsa FTF5066C Specifications Specification Resolution: Pixel Size: Active Area: Dynamic Range: # Outputs: 4 Value Max. Frame Rate: 2.7fps Total Data Rate: 4992(H) x 6668(V), pixels 7.2µm x 7.2µm 35.9mm x 48mm >70 db linear 100MHz Stand: ca HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 33

34 Hochauflösende Digitalkameras Rolleiflex AIC modular LS P25 für Hasselblad V Digitale Rückteile der Fa. PhaseOne ( HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 34

35 Hochauflösende Digitalkameras 35 Nikon D2Xs Auflösung: Sensor: Farbtiefe: Dateiformat: x Bildpunkte 23,7 x 15,7 mm C-MOS Chip mit Pixeln 36 Bit JPEG (.jpg), TIFF (.tif) oder RAW (Nikon-eigenes Rohdatenformat) Stand: 2005 HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 35

36 Hochauflösende Digitalkameras Nikon D3X Auflösung: Sensor: Farbtiefe: Dateiformat: x Bildpunkte 24,0 x 36,0 mm C-MOS Chip mit Pixeln 42 Bit JPEG (.jpg), oder RAW (Nikon-eigenes Rohdatenformat) Stand: 2009 HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 36

37 Digitale Kamerasysteme In der photogrammetrischen Praxis kann zwischen folgenden digitalen Aufnahmesystemen unterschieden werden: Scanning-Kameras Aufnahmesysteme, die Pixelauflösung oder verfügbares Bildformat durch eine sequentielle Abtastung mittels eines beweglichen Bildsensors vergrößern. Verschiedene Prinzipien erreichen zwischen ca x 2300 Pixel bis zu ca x Pixel. Sie eignen sich nur für stationäre Aufnahmesituationen. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 37

38 Scanning Kameras Stand: ca HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 38

39 Scanning Kameras Die digitale Panoramakamera EYESCAN M3metric ist die Kamera höchster Auflösung für stationären und mobilen Einsatz. Die Kamera zeichnet hoch zoomfähige 360 Panoramabilder auf und wird im Bereich der Nahbereichsphotogrammetrie eingesetzt. Die extrem hohe Auflösung realisiert eine CCD-Zeile von Pixel RGB. KST-Panoramakamera ( HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 39

40 Digitale Kamerasysteme In der photogrammetrischen Praxis kann zwischen folgenden digitalen Aufnahmesystemen unterschieden werden: Videokameras Kleinformatige Kameras, die ein analoges oder digitales Videosignal in Echtzeit (25-30 Bilder pro Sekunde) liefern und den gängigen Video- oder Fernsehnormen entsprechen. Die Anzahl Pixel liegt im Standardfall bei ca. 780 x 580 Pixel, neuere Entwicklungen gehen bis zu 1920 x 1080 Pixel (HD). HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 40

41 Videonormen HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 41

42 Videokameras HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 42

43 Videokameras HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 43

44 Hochauflösende Digitalkameras 44 Sensorformate und - auflösung HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 44

45 Sigma-Kameras DP1/DP2 Kompakte Digitalkamera mit Festbrennweite, manuellen Einstellmöglichkeiten und ohne Bildstabilisator. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 45

46 Sigma-Kameras DP1/DP2 Dreischichtiger Foveon X3 CMOS Sensor nimmt pro Pixel alle drei Farben direkt auf. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 46

47 DP1/DP2: Technische Daten Foveon X3 CMOS Sensor Format: 20.7 mm * 13.8 mm 4.7 MPixel pro Farbkanal (2652 * 1768 Pixel) Brennweite des Objektivs DP mm (entsprechend 28 mm Kleinbild) DP mm (entsprechend 41 mm Kleinbild) HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 47

48 DP1/DP2: Eigenschaften Positiv: Festbrennweite ist eine Indiz für stabile Innere Orientierung Negativ: das Objektiv wird beim Einschalten aus dem Kamerakörper herausgefahren und beim Ausschalten wieder hinein. Die Bewegung kann zu einer Instabilität des Projektionszentrums im Bildraum führen HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 48

49 DP1/DP2: Resultat DP1: 13 Kalibrierungen im Laufe eines Jahres Versatz der Hauptpunktlage von ± 9 Pixel (Pixelgröße 7.8 µm) DP2: 7 Kalibrierungen über 3 Monate Versatz der Hauptpunktlage von ± 4 Pixel (Pixelgröße 7.8 µm) HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 49

50 DP1/DP2: Resultat Kameras sind für Anwendungen mit höheren Genauigkeitsansprüchen weniger geeignet Erfolgreicher Einsatz z. B. bei Anwendungen in der Geologie sowie in UAVs Kompaktheit und geringes Gewicht HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 50

51 Digitalkamera Ricoh GXR Objektiv und Sensor samt Bildprozessor bilden eine Einheit (Aufnahmemodul). HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 51

52 DP1/DP2: Technische Daten Aufnahmemodul (A12) mit CMOS Sensor Format: 23.6 mm * 15.7 mm 12.3 Mpixel (4288 * 2848 Pixel) Brennweite des Objektivs 33 mm (entsprechend 50 mm Kleinbild) Weitere Objektiv-Sensor-Kombinationen sind in Planung HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 52

53 Digitalkamera Ricoh GXR Bedienteil (Kamerkörper) und Aufnahmemodul HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 53

54 Digitalkamera Ricoh GXR Systemkomponenten HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 54

55 Kameraprüfung Prüfung nach Maßgabe der VDI/VDE Richtlinie 2634, Blatt 1 (VDI/VDE 2002). Würfelförmiger Prüfkörper der Fa. AXIOS 3D Services, Oldenburg HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 55

56 AICON MoveInspect Quelle: AICON HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 56

57 AICON MoveInspect HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 57

58 AICON MoveInspect Quelle: AICON HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 58

59 AICON MoveInspect Quelle: AICON HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 59

60 AICON DPA Quelle: AICON HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 60