Inhalte. Photogram. Aufnahmesysteme. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitalisierung analoger Bilder 1

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1 Inhalte Photogram. Aufnahmesysteme Metrische Kameras (Definition der Inneren Orientierung) Analoge Messkameras Fotografische Aspekte Digitalisierung analoger Bilder Digitale Aufnahmesysteme (Messkameras) HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitalisierung analoger Bilder 1

2 Photogrammetrische Aufnahmesysteme Digitalisierung analoger Bildvorlagen HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitalisierung analoger Bilder 2

3 Hybride Bilderfassung Hybride Bilderfassung kombiniert die Vorteile fotografischer Aufnahme große Bildformate, geometrische u. radiometrische Qualität, bewährte Kameratechnik, mit den Vorzügen digitaler Bildauswertung Archivierung, teilautomatische Messung, Kombination von Grafik und Bild. Hybride Bilderfassung verliert stetig an Bedeutung!! HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitalisierung analoger Bilder 3

4 Hybride Bilderfassung Dem gegenüber steht zusätzlicher Zeit- und Geräteaufwand, hoher digitaler Speicherbedarf, evtl. Qualitätsverluste bei der Digitalisierung. Die Digitalisierung erfolgt(e) mit Bildscannern, die sich in ihrer Qualität unterscheiden. einfache und weniger genaue Geräte (Desktop-Scanner) oder hoch auflösende, speziell für photogrammetrische Anwendungen konstruierte Systeme. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitalisierung analoger Bilder 4

5 Hybride Bilderfassung Im Rahmen der Digitalisierung sind folgende Fragen relevant: notwendige und sinnvolle Abtastraten (Abtastfrequenz), Quantisierungsrate (Bit-Tiefe) und daraus resultierend geometrische und radiometrische Qualität. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitalisierung analoger Bilder 5

6 Abtasttheorem Ein kontinuierliches analoges Signal wir durch Abtastung in ein diskretes Signal umgewandelt. Die Amplitude des abgetasteten Signals wird erst in einem nachfolgenden Schritt durch Quantisierung in Zahlenwerte überführt. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitalisierung analoger Bilder 6

7 Abtasttheorem Abtastung und Quantisierung HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitalisierung analoger Bilder 7

8 Abtasttheorem Die Abtastung erfolgt durch eine regelmäßige Anordnung von Sensorelementen, die einen Abstand x s aufweisen. Daraus resultiert die Abtastfrequenz f A zu: f A = 1 x S HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitalisierung analoger Bilder 8

9 Abtasttheorem Nach dem Abtasttheorem ist die Nyquist-Frequenz f N die höchste Ortsfrequenz, die mit f A noch verlustfrei rekonstruiert werden kann: 1 1 f N = f A = 2 2 xs Ortsfrequenzen f, die höher als die Nyquist-Frequenz sind, werden somit unterabgetastet (undersampled) und erscheinen im Ergebnis als niedrigere Frequenz (aliasing). HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitalisierung analoger Bilder 9

10 Abtasttheorem Nyquist-Abtastung (a) und Unterabtastung/Alaising (b) HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitalisierung analoger Bilder 10

11 Abtastrate Für die Abtastrate f A gilt demnach: f 2 f = 2 A f N Für analoge fotografische Vorlagen kann die maximale Ortsfrequenz durch das Auflösungsvermögen des Films (Systems) beschrieben werden. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitalisierung analoger Bilder 11

12 Abtastrate Bei einem AV von 50 L/mm sollte die Abtastfrequenz mindestens 100 L/mm betragen. Dies entspricht einem Digitalisierungsintervall (Pixelgröße) von 10 µm (2540 dpi). Für eine ausreichende visuelle Interpretation des digitalisierten Bildes ist es empfehlenswert die Abtastrate weiter zu erhöhen, so dass gilt: f 2,8* A f bzw. f 2 *2* A f HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitalisierung analoger Bilder 12

13 Abtastrate Für das Beispiel (AV = 50 L/mm) resultiert daraus: Abtastfrequenz 140 L/mm. Pixelgröße = 7 µm (3500 dpi). Beim praktischen Einsatz eines Scanners für photogrammetrische Aufgabenstellungen muss die Abtastrate nicht nur nach dem AV der Vorlage, sondern auch aufgrund von Genauigkeitsanforderungen Art der Weiterverarbeitung verfügbarem Speicherbedarf etc. festgelegt werden. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitalisierung analoger Bilder 13

14 Abtastrate Max. Ortsfrequenz (f) entspricht einer Pixelgröße von 1mm/50 = 0.02 mm = 20 µm f N (in dpi): 25.4/0.02=1270 f A = 2.8*f N (in dpi): 1270*2.8 = 3556; entspricht einer Pixelgröße von 25.4mm/3556 = mm Pixelanzahl = Bildformat / Pixelgröße Speicherbedarf = Pixelanzahl * Bytes pro Pixel HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitalisierung analoger Bilder 14

15 Quantisierung Über die Quantisierung wird der radiometrische Informationsgehalt des Bildes festgelegt. Damit der mögliche Informationsgehalt erhalten bleibt, erfordert dies eine Quantisierung von mindestens 12 Bit pro Grauwert (2 12 = 4096 Grauwerte). In der Praxis wird häufig eine Informationsverlust in Kauf genommen und die Bilder mit 2 8 = 256 Grauwerten pro Farbkanal quantisiert. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitalisierung analoger Bilder 15

16 Scanner Für die Digitalisierung fotografischer Bilder stehen verschiedene Abtastsysteme zur Verfügung. Diese lassen sich kategorisieren nach Systemen mit punktweiser Abtastung mittels Photozelle linienhafter Abtastung mittels CCD-Zeilensensor flächenhafter Abtastung mittels CCD-Flächensensor Konstruktionsprinzipien, Leistungsfähigkeit und Kosten unterscheiden sich dabei erheblich. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitalisierung analoger Bilder 16

17 Scanner Desktop Photogrammetrische Scanner HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitalisierung analoger Bilder 17

18 Scanner Agfa Duoscan -Kategorie: Desktopscanner -Scanformat: 210 * 296 mm -Pixelanzahl: Zeile mit 8000 Pixeln -Pixelgröße: bis ca. 12 µm -Auflösung 1000 * 2000 dpi (optisch) -Geometrische Genauigkeit: µm -Gewicht: 10 kg -Besonderheiten: Ermöglicht die Analog-Digital-Wandlung von Filmnegativen und Papierabzügen (Réseaukorrektur notwendig!) HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitalisierung analoger Bilder 18

19 Scanner Restabweichungen am Réseau nach Affin-Transformation: Deutliche Sytematiken in Transportrichtung des Abtasters kennzeichnen die Geometrie des Bildes. Restabweichungen am Réseau nach maschenweiser Affin-Transformation: Durch Anwendung eines geeigneten Transformationsansatzes werden die Bilddeformationen auf ein Minimum reduziert. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitalisierung analoger Bilder 19

20 Scanner Leica DSW 300 HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitalisierung analoger Bilder 20

21 Scanner Zeiss SCAI HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitalisierung analoger Bilder 24

22 Zeiss SCAI Technische Daten Größtes Bildformat Beleuchtung Abtasteinheit Positioniergenauigkeit 2 µm 250 mm x 275 mm diffus, 250 W Halogenlampe 3 CCD Zeilen mit je 5632 Elementen Pixelgrößen 7, 14, 28, 56, 112, 224 µm radiometrische Auflösung Scanzeit bei 14 µm Pixelgröße Ausgabeformat 3600, 1800, 1200, 900, 450, 225, 112 dpi 12 bit = 4096 Helligkeitsstufen; je für Rot, Grün und Blau; wird im A/D Wandler auf 8 bit reduziert ca. 10 Minuten TIFF, JPEG HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitalisierung analoger Bilder 25

23 Scan-Parameter für ein Luftbild 230 * 230 mm Pixelgröße Auflösung Dateigröße SW Dateigröße RGB 224 µm 112 dpi 1 MB 3 MB 112 µm 225 dpi 4 MB 12 MB 56 µm 450 dpi 16 MB 48 MB 28 µm 900 dpi 64 MB 192 MB 21 µm 1200 dpi 114 MB 343 MB 14 µm 1800 dpi 257 MB 772 MB 7 µm 3600 dpi 1 GB 3 GB HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitalisierung analoger Bilder 26

24 Beispiel für unterschiedliche Pixelgrößen µm 42 µm 84 µm 168 µm HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitalisierung analoger Bilder 27