Photogrammetrie + Laserscanning = Range Imaging. Wilfried Karel Institut für Photogrammetrie & Fernerkundung TU Wien

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1 Photogrammetrie + Laserscanning = Range Imaging Wilfried Karel Institut für Photogrammetrie & Fernerkundung TU Wien

2 Inhalt Range Imaging Einführung Eine Kombination von Vorteilen Verfahren der Distanzbestimmung Serienproduktion: PMD-Range-Kameras Distanzfehler von PMD-Range-Kameras und deren Kalibrierung Zufällige Fehler Systematische Einflüsse Kalibrieransatz Ergebnisse Erste Anwendung in der Geodäsie Modellierung einer Einkaufspassage W. Karel Photogrammetrie + Laserscanning = Range Imaging IPF, TU Wien 2

3 Range Imaging als Kombination von Vorteilen Photogrammetrie Laserscanning Flächenhafte, simultane, robuste Distanzbestimmung über Laufzeitmessung eines emittierten Signals Geeignet für kontrastarme Oberflächen Keine homologen Punkte nötig Keine bewegten Teile Niedriger Strombedarf Leicht, kompakt, mobil Kostengünstig Vektorbündel Erleichtert indirekte Orientierung auf bewegten Plattformen Simultane Erfassung dynamischer Objekträume W. Karel Photogrammetrie + Laserscanning = Range Imaging IPF, TU Wien 3

4 Verfahren der Distanzbestimmung d = 1/2 c t Allgemein: NIR Amplitudenmodulation Gepulste Modulation Lawinenphotodioden: APD APD im Geiger-Modus: SPAD Mehrfache Kurzzeit- Doppelbelichtung: MDSI Kontinuierliche (CW-) Modulation Heterodyne Mischung Homodyn (Photomischdetektor, PMD) Intensity λ mod φ A P H Time W. Karel Photogrammetrie + Laserscanning = Range Imaging IPF, TU Wien 4

5 In Serie: PMD-Sensoren Photonen p-silizium Elektronen-Loch-Paare Elektronen elektrisches Feld moduliert mit Referenzsignal Integration in 1 von 2 Kondensatoren Elektronenschaukel Referenzsignal = LED-Signal + {0, π/2, π, 3π/2} Korrelationsfunktion Phasenwinkel Kein kohärentes, kein monochromatisches Licht nötig, nur bis zu 30 MHz günstige LEDs verwendbar, kein hochgenauer Frequenzgeber nötig W. Karel Photogrammetrie + Laserscanning = Range Imaging IPF, TU Wien 5

6 PMD: typ. techn. Daten Swissranger SR-3000 Bildmatrix 144x176px² Modulation 5-30MHz Blickfeld 39.6 x47.5 Eindeutigkeits -bereich 30-5m Max. Bildrate 25 fps Abmessungen 50x67x42.5m m³ Beleuchtung 1W Gewicht 162g Trägerwelle 850nm Brennweite 8mm Präzision: cm äußere Genauigkeit dm W. Karel Photogrammetrie + Laserscanning = Range Imaging IPF, TU Wien 6

7 PMD: Zufällige Distanzfehler Empirisch bestimmte σ 2 obsdist vs. mittl. Amplitude σ 2 obsdist 1/A2 W. Karel Photogrammetrie + Laserscanning = Range Imaging IPF, TU Wien 7

8 PMD: Systematische Distanzfehler Viele Einflüsse nachgewiesen: Distanz selbst Position am Sensor Amplitude Reflektivität / Material Integrationszeit Interne / Umgebungstemperatur Inzidenzwinkel Mehrwegeffekte: Intern (Scattering) Extern (vgl. Multipath) Gegenseitige Abhängigkeiten unklar Lens IR-Filter Sensor W. Karel Photogrammetrie + Laserscanning = Range Imaging IPF, TU Wien 8

9 Distanz-Kalibrieransatz Selbstkalibrierung: Nachweis unabhängiger Parameter / Modellwahl / Parameterschätzung aller Einflussgrößen auf Basis eines einzigen Datensatzes Amplituden weisen geringeres Rauschniveau auf und sind lokal geringer deformiert Laterale Auflösung sehr niedrig (Sensormatrix) sparsame Verwendung des Bildraumes kreisförmige, nicht kodierte Zielmarken ebenes Testfeld: kein Multipath, geringes Scattering Bündelblockausgleich IOR & EOR EOR Maskierung des Testfeld-Bereiches: verwende nur Bereiche auf Testfeld, außerhalb Zielmarken, Distanzresiduen Prüfe Residuen auf Zusammenhang mit möglichen Einflussfaktoren (visuell, Ausgleichung) δρ W. Karel Photogrammetrie + Laserscanning = Range Imaging IPF, TU Wien 9

10 Kalibrierung mittels Range-Videos Relativ niedrige laterale vs. rel. hohe zeitliche Auflösung: 25kPixel vs. 25fps verwende Bildsequenzen Handgeführte Bedienung permanente, zufällige Bewegungen, dichtes Sampling des Parameterraumes Automatische Zielmarkenverfolgung 6000 Bilder Nur Distanzen < 2.5m: A 1/d 2 Bewegungsunschärfe W. Karel Photogrammetrie + Laserscanning = Range Imaging IPF, TU Wien 10

11 Kalibrierung mit Standbildern Mittelung vieler frames mit EOR=const -> geeignet für gesamten Distanzmessbereich Automatische Zielmarkendetektion und Orientierung Suche nach Korrespondenzen: sehr rechenaufwändig (keine Kodierung) 850 Bilder 2 Testfelder mit unterschiedl. Reflektivitäten W. Karel Photogrammetrie + Laserscanning = Range Imaging IPF, TU Wien 11

12 Orientierung, Maskierung, Residuen der Standbilder W. Karel Photogrammetrie + Laserscanning = Range Imaging IPF, TU Wien 12

13 Modellauswahl, Parameterschätzung Der. minus obs. dist. corr. 4 all but obs. dist., corr. model offset,d1,d2s,d2c,d3s,d3c,a1,it1,row1,row2,col1,col2,rowcol2 / origobs x Der. minus obs. dist. corr. 4 all but amplitude, corr. model offset,d1,d2s,d2c,d3s,d3c,a1,it1,row1,row2,col1,col2,rowcol2 / origobs x Der. minus obs. dist. [m] count Der. minus obs. dist. [m] count Observed dist. [m] Amplitude [] Der. minus obs. dist. corr. 4 all but int. time, corr. model offset,d1,d2s,d2c,d3s,d3c,a1,it1,row1,row2,col1,col2,rowcol2 / origobs der. minus obs. dist. [m] int. time [] W. Karel Photogrammetrie + Laserscanning = Range Imaging IPF, TU Wien 13

14 Kalibrierung: Ergebnisse Grobe Fehlereinflüsse eliminiert Probleme bei extrem niedrigen Amplituden W. Karel Photogrammetrie + Laserscanning = Range Imaging IPF, TU Wien 14

15 Erste geodätische Anwendung: Modellierung einer Passage Diplomarbeit Stefan Niedermayr Große Objektdistanzen, extrem niedrige Amplituden Stop-and-go-Modus mit fahrbarem Stativ Näherungs-EOR über Verfolgung von Merkmalspunkten ICP mit Exzenter-Bedingung W. Karel Photogrammetrie + Laserscanning = Range Imaging IPF, TU Wien 15

16 Modell Palais Ferstel W. Karel Photogrammetrie + Laserscanning = Range Imaging IPF, TU Wien 16

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