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Wie funktioniert die Photogrammetrie?

Photogrammetrie bezeichnet Verfahren, die aus (zweidimensionalen) Fotos oder Videos dreidimensionale Informationen ableiten. Das Verfahren nennt sich Triangulation. Von mindestens zwei Positionen wird der gleiche Punkt anvisiert. Damit lassen sich die 3D-Koordinaten des Punkts bestimmmen. Mathematisch gelöst wird das Problem, indem die eine räumliche Transformation zwischen dem Bildpunkt auf dem Kamerasensor und dem physischen Punkt aufgestellt wird. Die Formel lautet: [x y z]=R*[X Y Z]+C. [x y z] ist die Pixelposition auf dem Sensor, wobei z die Brennweite ist. R ist die Rotationsmatrix der Kamera, die die Winkelausrichtung der Kamera beschreibt. [X Y Z] ist die Raumposition des Punktes. C ist die Kamerapositon im Raum. Diese Gleichung wird für alle Punkte aufgestellt, leicht umgeformt und durch Linearisierung zu einem linearen Gleichungssystem gemacht. Die einzigen bekannten Eingabeparameter sind die Koordinaten des Messpunkts auf dem Sensor. Alle anderen Parameter wie Kamerapositon und Punktposition werden berechnet. In der Praxis wird die oben beschriebene Formel um sogenannte Verzeichnungsparameter erweitert, die die Verzerrung des Bildes durch die Kamera, insbesondere durch das Objektiv beschreiben. Die Verzeichnung äußert sich zum Beispiel darin, dass gerade Linien im Bild leicht gebogen abgebildet werden. Der wichtigste Verzeichnungsparameter ist die radialsymmetrische Verzeichnung. Das entstandene Gleichungssystem hat nicht selten 5000 Unbekannte und mehrere zehntausend Gleichungen. Es wird nach der Methode der kleinsten Quadrate gelöst. Das ganze Verfahren wird als Bündelblockausgleichung bezeichnet. Dieses Verfahren ist der Goldstandard für Präzisionsanwendungen und ist selbstverständlich in allen Linearis3D Produkten enthalten. Grundlage für diese 3D-Berechnung ist die Kenntnis der Koordinaten des zu messenden Punktes auf dem Sensor. Für Präzisionsanwendungen haben sich selbstklebende oder magnetische Kreise mit einem schwarzen Rand bewährt. Deren Mittelpunkt kann sehr schnell und mit einer Genauigkeit von 0,03! Pixeln oder besser bestimmt werden. Für nicht-industrielle Anwendungen lassen sich auch markante Punkte wie Farbübergänge, Ecken und Kanten verwenden, die aber im industriellen Umfeld häufig nicht in ausreichender Zahl vorhanden sind.

Woher kommt die Photogrammetrie?

Die klassische Photogrammetrie kommt aus der Kartographie. Aus Luftbildern wurden Karten erstellt. Für diese Anwendung wurden spezielle, besonders stabile analoge Großformatkameras und Auswertegeräte entwickelt. Mit Aufkommen von Digitalkameras gewann die sogenannte Nahbereichsphotogrammetrie an Bedeutung, die Objekte erfasst, die zwischen 10cm und 50m groß sind.

Wie genau ist Photogrammetrie?

Für Photogrammetrie-Systeme, die mit einer einzelnen Handgeführten Kamera arbeiten, wird die Genauigkeit nach der Richtlinie VDI 2634 bewertet. Photogrammetrie kann maximale Längenmessabweichungen von weniger als 0,03mm in 1m3 nach VDI 2634 erreichen. Die Ergebnisse hängen vom Objekt, der Software und der Kamera ab. Wenn Sie Photogrammetrie-Systeme vergleichen, sollten Sie darauf achten, nach welcher Norm die Genauigkeit ermittelt wird. Manchmal werden sog. RMS (root mean squared) Abweichungen benutzt, die bei gleichem physikalischen Fehler deutlich kleinere Werte ergeben. Für Video-Systeme mit zwei Kameras liegt die Genauigkeit bei ca. 0,1mm/m3.

Was sind die Vorteile der Nahbereichs-Photogrammetrie?

  • Die Photogrammetrie ist robust gegen Erschütterungen. Staplerverkehr und Pressen beeinflussen das Messergebnis nicht, solange das Objekt in sich sich nicht verformt.
  • Man kann in beengten Umgebungen messen (z.B. Fahrzeug-Interieur)
  • Die Photogrammetrie ist aufgrund der kostengünstigen Hardware sehr wirtschaftlich.
  • Die Betriebskosten sind gering, da die Verbrauchsmaterialen (Marken) sehr günstig sind.
  • Die Photogrammetrie kann effizient Deformationszustände mit beliebig vielen Messpunkten erfassen.

Ist Photogrammetrie kompliziert?

Nein. Obwohl die Mathematik dahinter aufwendig ist, kann jeder in kurzer Zeit die Anwendung erlernen. Die Linearis3D Software berechnet die Ergebnisse vollautomatisch und gibt Hinweise für Verbesserungspotenziale.

Warum setzt Linearis3D Marken ein?

  • Marken beschleunigen die Bildauswertung
  • Die Mittelpunkte der Marken können sehr genau erfasst werden (bis zu 1/30px) und ermöglichen sehr genaue 3D Messergebnisse
  • Marken funktionieren für fast alle Objekte und Umgebungsbedingungen

Kann man ohne Marken Photogrammetrie betreiben?

Ja. Es gibt Programme, die mit sogenannten Feature Points arbeiten. Diese erkennen markante Punkte in Bildern und können diese zuordnen. Das Verfahren bewährt sich bspw. in der Architektur. Technische Objekte sind oft einförmig und es finden sich häufig zu wenige Feature Points, um Photogrammetrie betreiben zu können.

Welche Rolle spielt die Kamera für die Genauigkeit?

Die Kamera spielt eine untergeordnete Rolle. Wichtig ist vor allem das Objektiv sowie die Statbilität von Kamera und Objektiv. Deswegen sind kleine Zoomkameras für die Photogrammetrie nicht gut geeignet.

Was sind die Vorteile der Photogrammetrie gegenüber einem Laser Tracker?

  • Die Photogrammetrie ist robust gegen Erschütterungen. Staplerverkehr und Pressen beeinflussen das Messergebnis nicht, solange das Objekt in sich nicht verformt ist.
  • Man kann in schwer zugänglichem Umfeld messen.
  • Die Anschaffungskosten sind deutlich geringer.
  • Deformationszustände mit beliebig vielen Punkten können erfasst werden.

Was sind die Vorteile der Photogrammetrie gegenüber einem Messarm?

  • Die Photogrammetrie ist robust gegen Erschütterungen. Staplerverkehr und Pressen beeinflussen das Messergebnis nicht, solange das Objekt in sich sich nicht verformt.
  • Man kann in beengten Umgebungen messen.
  • Die Messobjekte können beliebig groß sein.
  • Deformationszustände mit beliebig vielen Punkten können erfasst werden.

Wie arbeitet Photogrammetrie mit einem Scanner zusammen?

Die Photogrammetrie kann die Genauigkeit von aus mehreren Messungen zusammengesetzten Scans deutlich verbessern, indem sie dem Scanner ein Referenzsystem bestehend aus den Marken zur Verfügung stellt. Gerade für große, glattflächige Objekte wie Autos ist das sehr hilfreich. Linearis3D unterstützt Exportformate aller wesentlichen Scannerhersteller.

Wo kann ich mehr über Photogrammetrie erfahren?