Grundlagen der optischen Geometrievermessung und deren Anwendungen Christian Gerlach Innovationstag 2010 1
Gliederung: Grundlagen der Photogrammetrie Stand der Technik Industrielle Anwendungen der Photogrammetrie Anwendungsbeispiele in Werk II 2
Photogrammetrie: Fotografien Messbilder Räumliche Lage Dreidimensionale Form Begrifflichkeiten: Photogrammetrie (1868) von Photographo-Metrie 3
Geometrische Zusammenhänge der Stereo-Photogrammetrie (hier dargestellt für den Luftbildfall): Projektionszentren Bildebene P P Brennweite z Die Projektionsstrahlen spannen eine Epipolarebene auf y P xyz Geländeoberfläche x 4
Lageversatz P u -P o Bilder: Zentralprojektion Die Analogie zum menschlichen Sehen: Geländeoberfläche Kartenebene P o P u P u kann nicht in das rechte Bild projiziert werden Verdecktes Gebiet im linken Bild Das Auge arbeitet (wie die Kamera) zentralperspektivisch, das jeweilige Objekt wird aus zwei leicht unterschiedlichen Positionen betrachtet (Augenabstand, ca. 7 cm) bzw. fotografiert (Kameraposition links rechts). Karte oder Orthobild: Parallelprojektion 5
κ (kappa) 0 = Osten Kamerachip z Hauptpunkt Brennweite f Projektionszentrum (x 0, y 0, z 0 ) Wie schon erwähnt, geht es nicht nur um räumliches Sehen, sondern um das Messen dreidimensionaler Koordinaten. Dazu muss jedes Bild orientiert werden. Darunter versteht man die Rekonstruktion der Kameraposition zum Zeitpunkt der Aufnahme. ϕ (phi) ω (omega) Rotationswinkel (ϕ, ω, κ) y phi, omega: 0 = horizontal x Die berechneten Parameter: Projektionszentrum (X 0, Y 0, Z 0 ), Rotationswinkel ϕ, ω, κ. 6
Zur Genauigkeitssteigerung sollte die Kamera vorab kalibriert werden. Was damit gemeint ist, zeigen z.b. folgende Abbildungen: Garagentor, gut zu erkennen ist die tonnenförmige Verzeichnung, also eine Verbiegung von Geraden. Korrekturfunktion: 7
Neue Anwendung durch neuere Techniken hν Neuartige (digitale) Photographie Digitale Bildverarbeitung (Optoelektronik) Computertechnik Digitale Massenspeicher e - Lichtempfindliches Element Sensitive ortsauflösende Detektion mit einer CCD Kamera 8
Die typischen Arbeitsschritte einer photogrammetrischen Auswertung: Überspielen der Bilder von der Kamera in den Rechner Eingabe der Kameraparameter (üblicherweise nur das erste Mal) Eingabe der Passpunktkoordinaten; mit diesen erfolgt dann die Äußere Orientierung der Bilder Festlegen des zu verwendenden Stereomodells Damit kann die manuelle Messung von Punkten (x, y, z), Strecken, Flächen usw. beginnen. Weitere Schritte können sein: Automatisches Ableiten einer dreidimensionalen Punktwolke der Objektoberfläche Berechnen vollentzerrter Bilder (Orthobilder) 3D-Ansichten usw. 9
Gliederung: Industrielle Anwendungen der Photogrammetrie 10
Vermessung einer Bruchwand Passpunkte 11
Stereoskopische Darstellung (Anaglyphen, zu betrachten mit Rot-Grün-Brille) 12
Durch automatische Bildzuordnung (matching) werden Punkte in vorgegebenem Abstand (hier 2 x 2 cm) auf der Wand gemessen. 13
Das Resultat ist eine dreidimensionale Punktwolke (Oberflächenmodell) 14
Auf diese oder vergleichbare Weise (d.h., mit eventuell weiteren Arbeitsschritten) verläuft im Prinzip jede photogrammetrische Vermessung, wobei die Objekte ganz unterschiedliche Form und Größe haben können und auch mit wesentlich mehr als nur zwei Bildern gearbeitet werden kann. Nachstehend einige weitere Anwendungsbeispiele: 15
Wellenvermessung auf Norderney. Vier auf Hochhausdächern montierte, per Funk synchron ausgelöste Digitalkameras lieferten das Bildmaterial für eine Strömungssimulation. 16
Gliederung: Anwendungsbeispiele in Werk II 17
Anwendung der optischen Messtechnik rund um die Rohrfertigung: Messsytem DPA PIPEFAB Messsystem DPA: Erfassung der Flanschpositionen im Rohrleitungsbau TUBOSCAN S Messsystem Tuboscan S: Qualitätskontrolle von gebogenen und beflanschten Rohren 18
Anwendungsfall DPA: 19
Erfassung der Flanschpositionen Hierzu wird folgendes benötigt: P P Zwei Bilder aus unterschiedlichen Projektsrichtungen z y x P xyz Ein Referenzkörper, der in beiden Bildern zu sehen ist und dessen Geometrie bekannt ist. 20
Ausmessung von Flanschen: Projektionsrichtung 2 rechts Projektionsrichtung 1 links Stereographisches Bild 21
Ermittlung der Position eines Raumpunktes ausgehend vom Koordinatensystem des Referenzkörpers 22
Ermittlung der Differenz zweier Raumpunkte ausgehend vom Koordinatensystem des Referenzkörpers 23
Ermittlung der Flanschebene anhand von drei Raumpunkten ausgehend vom Koordinatensystem des Referenzkörpers 24
Grundprinzip des TT-System : Zielmarken Einsatz von Zielmarken zur automatisierten Erfassung von festgelegten Positionen 25
Grundprinzip des TT-System : Flanschplatte Zielmarken Flansch Es kann erfasst werden: Die Ebene des Flansches, der Mittelpunkt des Flansches, die Position des Lochbild des Flansches 26
Grundprinzip des TT-System : Flanschplatte Zielmarken Flansch Es kann erfasst werden: Die Ebenen der Flansche, die Mittelpunkte der Flansche, die Positionen des Lochbildes der Flansche 27
Qualitätskontrolle von gebogenen und beflanschten Rohren TUBOSCAN S 28
TUBOSCAN S Zyklische Beleuchtung des Messobjekts mit Hilfe von 16 getakteten LED s Aufnahme des jeweiligen Schattenbildes erfolgt durch eine Kamera Auswertung der Schattenbilder durch Rohrspezialsoftware 29
Messvorgang mit Flanschrohr 30
Aufnahme & Auswertung von 16 Schattenbildern 31
Original-Schattenbilder 32
Messvorgang mit Flanschrohr Ansicht nach der Messung 33
Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Dipl.-Wirt.-Ing. Christian Gerlach 34