Precision Target Mensuration in Vision Metrology (Hochgenaue Messung von Zielmarken in digitaler Nahbereichsphotogrammetrie)

Johannes Otepka

Fakultät für Mathematik und Geoinformation, Technische Universität Wien, 2004

1. Begutachter: o.Univ.Prof. Dr.-Ing. Karl Kraus, Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung

2. Begutachter: BAppSc, MSurvSc, PhD Clive S. Fraser, Department of Geomatics, Melbourne University

Digitale Nahbereichsphotogrammetrie, im Englischen meist als "Vision Metrology" bezeichnet, wird heutzutage als flexibles und hochgenaues 3D-Meßverfahren in unterschiedlichen industriellen Bereichen verwendet. Durch die Verwendung spezieller Zielmarken ist eine hochgenaue Punktbestimmung markierter Objektpunkte möglich. Die erzielbare Punktgenauigkeit dieser Messmethode liegt bei 1/100.000 der Objektgröße. In diesem Zusammenhang wird der Begriff "Triangulierungsgenauigkeit" oft verwendet.

Üblicherweise werden für die Signalisierung der Punkte kreisrunde Zielmarken verwendet. Diese erlauben höchste Genauigkeit zu erzielen. Neben Zielmarken aus retro-reflektierendem Material werden auch einfache weiße Marken auf schwarzem Hintergrund benutzt. Die Wahl des Zielmarkenmaterials bzw. -typs richtet sich nach der geforderten Genauigkeit und dem notwendigen Reflektionsgrad der Signale bei der Aufnahme der Bilder.

Die Messgenauigkeit der Zielmarken ist einer der entscheidenden Faktoren für eine hohe Triangulierungsgenauigkeit. Mit Hilfe von speziellen Algorithmen werden die Zentren der Zielmarken im digitalen Bild ermittelt, welche es erlauben die Objektpunkte dreidimensional zu triangulieren. Dabei wird vorausgesetzt, dass Zielmarken "perfekte" Punkte im Raum darstellen, was aufgrund der Stärke des Markenmaterials und der Größe des Zielmarkendurchmessers nur bedingt der Fall ist. Diese Tatsache führt zu Exzentrizitäten zwischen den Zentren der abgebildeten Zielmarken und ihren tatsächlichen Mittelpunkten. Daraus resultieren Fehler im Berechnungsprozess, welche zu einer verfälschten Raumlage der Punkte führen. Ist die Orientierung der einzelnen Zielmarken bekannt, so können die entsprechenden Exzentrizitäten rechnerisch ermittelt und damit die Raumlage der Punkte korrigiert werden.

Ein zentrales Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung mathematischer Formeln und Algorithmen für die automatische Bestimmung der Kreisebenen der Zielmarken. Der dafür entworfene Prozess berechnet diese Ebenen in zwei Phasen. Zuerst wird die elliptische Form der abgebildeten Zielmarken aus den digitalen Bildern extrahiert. Anschließend wird diese Information für die eigentliche Berechnung der Kreisebene verwendet, wobei Ausgleichungsverfahren eingesetzt werden. Der dazu entwickelte Berechnungsprozess wurde in das photogrammetrische Softwarepaket Australis implementiert und anhand von praktischen Anwendungen evaluiert.

Im weiteren Verlauf der Arbeit werden die Ergebnisse von Simulationsrechnungen präsentiert, welche den Einfluss von zwei unterschiedlichen Fehlerarten aufzeigen. Der erste Teil der Simulationen untersucht die Auswirkung der oben angeführten Exzentrizität auf die Objektpunkte. Die zweite Gruppe der Simulationsrechnungen analysiert den Fehlereinfluss von gekrümmten Zielmarken auf den Zielmarkenmessprozess. Dieser Einfluss ist vor allem bei der Vermessung von gewölbten Oberflächen interessant, da hier die Zielmarken direkt auf den zu bestimmenden Oberflächen fixiert werden.

Obwohl bei den vorliegenden Untersuchungen primär theoretische Fragestellungen im Vordergrund stehen, widmet sich ein Teil der Arbeit auch der praktischen Relevanz der entwickelten Prozesse und Algorithmen. Dabei konnte bewiesen werden, dass die Berücksichtigung der Exzentrizitäten entsprechende Genauigkeitsvorteile bei hochgenauen Vermessungen bringt. Zusätzlich werden Vorteile für Oberflächenanalysen sowie Aufgaben mittlerer Genauigkeit aufgezeigt.