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

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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 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. Teilmeßkamera Nichtmeßkamera HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 16

17 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. 17

18 Komponenten eines digitalen Aufnahmesystems HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 18

19 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. 19

20 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. 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 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 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. 23

24 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. 24

25 Kamerasysteme Kamerasysteme werden nachfolgend durch verschiedene Kenngrößen beschrieben. Diese beschreiben den konstruktiven Aufbau und spezifische Leistungsdaten. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 25

26 Sensorformat (Quelle: Wikipedia) HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 26

27 Sensorformat Anzahl der Bildelemente, ist ein wesentlicher Parameter für die Qualität des zu erfassenden Bildes. Die Größe des einzelnen Pixels ist ein bestimmender Faktor für Dynamikumfang und Rauschverhalten des Sensors. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 27

28 CMOS- vs. CCD-Sensor CMOS steht für "Complementary Metal Oxide Semiconductor" und beschreibt eine bestimmte Art von elektronischer Schaltung. Genau wie die CCD-Sensoren (Charge Coupled Device) basieren diese Sensoren auf dem fotoelektrischen Effekt und wandeln die eintreffenden Photonen in elektrische Ladungen um. Der Unterschied zum CCD-Sensor ist u.a. die Art der Weiterleitung dieser Information. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 28

29 Objektiv Bei der Wahl des Objektivs sind weitwinklige Optiken zu bevorzugen, da sie günstigere Strahlenschnittbedingungen ermöglichen. In die Objektive integrierte Bildstabilisatoren ermöglichen tendenziell längere Belichtungszeiten, nehmen jedoch Einfluss auf die Kamerageometrie (Veränderung der Lage des Bildhauptpunktes) und sind daher auf jeden Fall abzuschalten. Gleiches gilt für Einrichtungen zur Sensorreinigung. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 29

30 Objektiv Zoom-Objektive bieten zwar ein variables Brennweiten-Spektrum, verhindern jedoch ebenso wie ein eingeschalteter Autofokus das definierte Festlegen einer festen Brennweite, bzw. des photogrammetrischen Parameters der Kamerakonstante. Soweit möglich sollten daher Objektive mit Festbrennweite und einem manuellen Fokus eingesetzt werden. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 30

31 Sensorempfindlichkeit Die Sensorempfindlichkeit wird über die ISO-Werte geregelt. Die Nutzung eines hohen ISO-Wertes bei der Belichtung ermöglicht i.d.r. die Verkürzung der Belichtungszeit und auch eine Verkleinerung der Blendenöffnung. Sie steigert gleichzeitig das Rauschverhalten des Sensors und verschlechtert somit die Detailerkennbarkeit im Bild. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 31

32 Speicherformat: JPG Die Voreinstellung vieler Kameras ist das speichersparende JPG-Format. In Abhängigkeit des in der Kamerasoftware verwendeten Kompressionsfaktors werden verschieden verlustbehaftete Bilder gespeichert. Dieser Effekt ist häufig nicht bekannt bzw. wird in Folge des deutlich geringeren Speicherbedarfs auf dem Medium vernachlässigt. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 32

33 Speicherformat: RAW Moderne Kameras bieten die Möglichkeit die Daten auch im RAW-Format zu speichern. Dies als digitales Negativ bezeichnete Produkt ist verlustfrei und bietet dem Anwender alle Möglichkeiten einer erweiterten Bildvorverarbeitung. Nachteilig ist, dass das RAW-Format über den jeweiligen Hersteller definiert und daher häufig nicht einheitlich ist. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 33

34 Farbtiefe Steht für die Anzahl der möglichen Farb- oder Grauwerte (GW) des einzelnen Pixels und wird auch als radiometrische Eigenschaft bezeichnet. Je mehr Bits pro Pixel zur Verfügung stehen, desto mehr unterschiedliche Farben sind darstellbar. Typisch sind dabei Farbtiefen von 8 bit (256 GW), 12 bit (4096 GW) bzw. für hochwertige Systeme auch 16 bit (65536 GW). HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 34

35 DigitaleKamerasysteme In der photogrammetrischen Praxis kann zwischen folgenden digitalen Aufnahmesystemen unterschieden werden: Hochauflösende Digitalkameras Kameras mit Digitalausgang, die hochauflösende Bilder bis zu x 8700 Pixel (100 MPixel) liefern. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 35

36 Hochauflösende Digitalkameras (Digitale Teil-Messkamera) Rückteil Leaf Aptus-II Quelle: Stand: 2012 HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 36

37 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. 37

38 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. 38

39 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. 39

40 Hochauflösende Digitalkameras Stand: ca HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 40

41 Proprietäre Kameras DJI-Kameras: Phantom 3 Zenmuse X3 Zenmuse X5 (oben), Phantom 4Pro Zenmuse X4S (unten). (Quelle: Hersteller) HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 41

42 Kenngrößen Kamera Phantom 3 Zenmuse X5 Sensortyp CMOS CMOS Sensorformat 6.2 x 4.6 mm 17.3 x 13.0 mm Sensorauflösung 12.4 MPixel 16 Mpixel Pixelgröße 1.55 µm 3.76 µm ISO-Empfindlichkeit Brennweite 4 mm 12 / 15 / 17 mm Fokus (fix) AF / MF Optischer Bildstabilisator Nein Nein Max. Blende 1:2.8 1:2.0 / 1:1.7 / 1:1.8 Min. Verschlusszeit 1/8000 sec 1/8000 sec Field of View (FOV) / 72 / 65 RAW-Format DNG DNG Farbtiefe k.a. 12 bit JPG-Format (korrigiert bzgl. radial-sym. Verzeichung) Ja Ja HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 42

43 Kompaktkameras Digitale Kompaktkameras sind kleine sowie vergleichsweise leichte Fotoapparate. Die in der Regel als Sucherkameras ausgeprägten Systeme verfügen über Sensoren für das Kleinbildformat (36 * 24 mm), APS-Format (23.6 * 15.7mm) oder verschiedenste Kleinstbildformate. Canon S110 Sigma DP1/2 (Quelle: Hersteller) HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 43

44 Systemkameras Bestehen aus einem Gehäuse, das mit einem Wechselobjektiv ausgestattet werden kann. Die Systeme sind spiegellos und werden daher auch als DSLM-Kameras bezeichnet (DSLM digital single lens mirrorless). Im Vergleich zu Spiegelreflexkameras verfügen die Systeme bauartbedingt über ein geringeres Gewicht. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 44

45 Systemkameras Sony α7r Sony RX1RII (Quelle: Hersteller) Kamera Sony α7r Sony RX1RII Sensortyp CMOS CMOS Sensorformat 35.9 * 24 mm 35.9 * 24 mm Sensorauflösung 36.2 MPixel 42.2 MPixel Pixelgröße 4.87 µm 4.51 µm ISO-Empfindlichkeit Brennweite 35 mm 35 mm Fokus AF / MF AF / MF Opt. Bildstabilisator Ja Nein Max. Blende 1:2.5 1:2.8 Min. Verschlusszeit 1/8000 sec 1/4000 sec Field of View (FOV) Gewicht ca. 600 g ca. 610 g Preis ca ca Markteinführung Oktober 2013 Oktober 2015 RAW-Format Ja Ja Farbtiefe 14 bit 14 bit JPG-Format Ja Ja HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 45

46 Spiegelreflexkameras Spiegelreflexkameras sind Systeme, bei denen sich zwischen Objektiv und Bildebene ein wegklappbarer Spiegel befindet. In ihrer digitalen Variante werden sie als DSLR- Kameras bezeichnet (DSLR digital single-lens reflex). Sie sind mit einem Wechselobjektiv ausgestattet. (Quelle: Hersteller) Canon EOS 5DS R HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 46

47 Mittelformat-Kameras Mittelformat-Systeme bilden die Königsklasse der digitalen Fotografie, was sich nicht nur über die aktuellen Leistungsdaten, sondern auch über die Preisgestaltung ausdrückt. Interessant sind die Systeme für den UAV-Einsatz vorrangig durch die Anhebung des zulässigen Gewichtslimits geworden. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 47

48 Mittelformat-Kameras Tendenziell bieten sie auf Grund erweiterter Leistungsdaten die Möglichkeit verbesserte Genauigkeitsbereiche zu erschließen. Hasselblad X1D Hasselblad A5D-80 Phaseone IXU 1000 (Quelle: Hersteller) HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 48

49 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. 49

50 Scanning Kameras Stand: ca HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 50

51 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. 51

52 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. 52

53 Videonormen HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 53

54 Videokameras HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 54

55 Videokameras HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 55

56 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. 56

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

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

61 AICON DPA Quelle: AICON HS BO Lab. für Photogrammetrie: Kamerasysteme in der Nahbereichsphotogr. 61