Anwendungen in der Photogrammetrie

Panoramakameras werden bereits seit den ersten Entwicklungen auch für photogrammetrische Zwecke eingesetzt. Dazu zählen Anwendungen in der Nahbereichsphotogrammetrie genauso wie in der Luftbildphoto-grammetrie. Die ersten Panoramakameras für photogrammetrische Aufgaben wurden von Porro und Cheval-lier im Jahre 1858 entwickelt. Jedoch konnten sich diese Kameras wegen der unpräzisen mechanischen An-triebe und der komplizierten Abbildungsgeometrie nicht erfolgreich behaupten. Erst später, durch die Kombi-nation der Kameras mit Theodoliten, wurden Panoramakameras in der terrestrischen Photogrammetrie immer häufiger eingesetzt.

Auch für die Luftbildphotogrammetrie wurden in der Vergangenheit Panoramakameras entwickelt, bei de-nen die Abbildung der Erdoberfläche auf eide-nen Zylindermantel erfolgt. Der Vorteil der sehr großen Blickwin-kel wurde bei militärischen Erkundungsflügen oft zur Erfassung eines von Horizont zu Horizont reichenden Geländestreifens rechtwinklig zur Flugrichtung ausgenutzt, um anschließend kleinmaßstäbige Karten großer Bereiche herzustellen.

Heute sind Panoramakameras, insbesondere digitale Panoramakameras mit hoher geometrischer Auflö-sung, vor allem im Bereich der Architekturphotogrammetrie interessant, beispielsweise zur Strich- und Scha-denskartierung ebener Fassaden (Fassadenpläne), aber auch für industrielle Aufgaben und Sonderanwendun-gen, z.B. im Bereich der Forensik. Viel versprechende Möglichkeiten bietet auch die Kombination mit ter-restrischen Laserscannern. Die Einsatzbereiche sind bei diesem Rotationszeilen-Aufnahmeprinzip aber immer auf statische Objekte beschränkt.

Im Folgenden werden photogrammetrische Aufnahme- und Auswerteverfahren für Panoramabilder, ge-trennt nach Einzelbild-, Stereo- und Mehrbildauswertung, aufgezeigt. Dabei wird vor allem auf die Besonder-heiten bei der photogrammetrischen Nutzung von Panoramen eingegangen und Anwendungsbeispiele vorge-stellt.

3.2.4.1 Einzelbildauswertung

Einzelne Panoramaaufnahmen können mittels räumlichem Rückwärtsschnitt orientiert und die verwendete Kamera gleichzeitig kalibriert werden. Zur Berechnung des räumlichen Rückwärtsschnittes muss das geome-trische Abbildungsmodell bekannt sein (vgl. Kapitel 4.2). Werden die Bildkoordinaten von mindestens drei bekannten Objektpunkten im Panorama gemessen, kann die äußere Orientierung der Panoramaaufnahme be-rechnet werden. Durch Verwendung weiterer räumlich gut verteilter Objektpunkte können außerdem die inne-re Orientierung und zusätzliche Parameter (Kalibrierparameter) bestimmt werden.

Ein auf diese Weise orientiertes Panorama kann in verschiedenen Anwendungen photogrammetrisch ge-nutzt werden, bei denen eine Zuordnung zwischen den Bildinformationen und dem Objektkoordinatensystem notwendig ist. Beispielsweise kann ein vorhandenes 3D-Modell texturiert oder Laserscanner-Punktwolken ko-loriert werden. Wenn zusätzlich ein Oberflächenmodell des Objektes bekannt ist, können darüber hinaus Ob-jektkoordinaten bestimmt werden (Monoplotting) oder durch differentielle Entzerrung ein Orthobild (Paral-lelprojektion) einer Objektoberfläche hergestellt werden (Abbildung 3.6).

In [Luhmann & Tecklenburg, 2005] wird die Entzerrung eines Panoramabildes auf eine ebene Oberfläche vorgestellt und das Ergebnis mit dem aus mehreren Einzelbildern einer zentralperspektiven Kamera zusam-mengesetzten Orthophotos unter photogrammetrischen Aspekten verglichen. Beide Methoden lieferten ähnli-che Genauigkeiten.

Im Unterschied zur Einzelbildauswertung zentralperspektiver Bilder können mit Panoramabildern 360°-Umgebungen mit nur einem Bild ausgewertet werden. Dies ist beispielsweise bei der Orthobilderstellung von mehreren umliegenden Fassaden einen Innenhofes im Bereich der Architekturphotogrammetrie sinnvoll, zu-mal digitale Panoramabilder meist eine vergleichsweise hohe Auflösung aufweisen. Allerdings müssen dafür mehrere Entzerrungsebenen definiert werden. Deshalb kommt in einigen Anwendungen auch die Definition einer zylindrischen Abbildungsfläche in Betracht, zum Beispiel bei der Aufnahme von Elementen eines De-ckengewölbes oder Innenräumen mit rundem Grundriss.

• Tangentialbilder

Für die genannten photogrammetrischen Auswertemethoden von Panoramabildern muss eine entsprechen-de Software verwenentsprechen-det werentsprechen-den, die das geometrische Abbildungsmoentsprechen-dell von Panoramakameras unterstützt.

Will man jedoch andere Auswerteprogramme benutzen, ist es auch möglich, Panoramabilder mittels einer Tangentialprojektion in zentralperspektive Ansichten zu überführen. Dazu wird rechnerisch eine Tangen-tialebene an den Panorama-Zylindermantel gelegt und die Bildinformation auf diese Ebene projiziert (Ab-bildung 3.7).

Die Grauwerte des Tangentialbildes werden mittels direkter oder indirekter Interpolation berechnet. Mit diesem Verfahren sind Aufnahmen mit Panoramawinkeln von weniger als 180° transformierbar. Praktisch sinnvolle Grenzwerte für den Panoramawinkel liegen zwischen 130° und 140°. Das bedeutet, dass 360°-Panoramen in mindestens 3 Tangentialbilder aufgeteilt werden müssen. Die äußere und innere Orientierung des Tangentialbildes kann auf einfache Weise aus der Orientierung des Panoramabildes abgeleitet werden.

Abbildung 3.6: Prinzip der Orthobilderstellung aus einem 360°-Panorama

Abbildung 3.7: Tantentialprojektion eines Panoramas in eine zentralperspektive Ansicht

3.2 Panoramakamera

Das folgende Bildbeispiel zeigt die Tangentialprojektion eines Panoramaausschnittes einer Fassade (Abbil-dung 3.8, links). Da es sich bei der Tangentialprojektion um eine ebene Abbil(Abbil-dung handelt (Abbil(Abbil-dung 3.8, mitte), ist es beispielsweise möglich, anschließend eine Projektivtransformation (ebene Entzerrung) zu be-rechnen. Dies wurde für das dargestellte Tangentialbild der Fassade durchgeführt (Abbildung 3.8, rechts).

Als Entzerrungsebene diente hier eine mittlere Fassadenebene. Für die Projektivtransformation muss das Panorama- oder Tangentialbild nicht orientiert werden, sondern es müssen lediglich acht Transformations-koeffizienten mit Hilfe von mindestens vier identischen Punkten berechnet werden.

• Andere Projektionen

Neben der Tangentialprojektion kommen für bestimmte Anwendungen auch andere Projektionsrichtungen des Panoramabildes zum Einsatz. Dazu gehört die Projektion der Panoramabildinformation auf eine ortho-gonal zur Rotationsachse angeordnete Ebene (Abbildung 3.9).

Diese Panorama-Projektionsart wurde zum Beispiel testweise bei der Sichtfeldprüfung von mobilen Ar-beitsmaschinen (Bagger, Kräne, Traktoren) eingesetzt. An allen mobilen ArAr-beitsmaschinen muss das Sicht-feld des Operateurs bestimmt werden und die Einhaltung gesetzlicher Mindestanforderungen kontrolliert werden. Das dafür bisher angewendete Verfahren basiert auf dem Schattenwurf einer auf den Fahrersitz ge-stellten Lampe. Die durch die Bauteile der Arbeitsmaschine verursachen Schatten auf der Bodenebene wer-den dabei manuell ausgemessen (Abbildung 3.10, links). Durch ein 360°-Panoramabild aus dem Führerhaus (Abbildung 3.10, rechts) und eine rechnerische Projektion auf eine definierte Bodenebene kann das bisheri-ge Verfahren weitestbisheri-gehend automatisiert werden [Hoske & Kunze, 2004].

Abbildung 3.8: Panoramaausschnitt ca. 90°, Tangentialbild, ebene Entzerrung (v.l.n.r.)

Abbildung 3.9: Projektion auf eine Ebene orthogonal zur Rotationsachse

3.2.4.2 Stereoauswertung

Auch mit Panoramabildern ist es grundsätzlich möglich, stereoskopische Auswertungen durchzuführen.

Dazu gehört unter anderem die interaktive Bestimmung der Koordinaten von Objektpunkten mittels räumli-chem Vorwärtsschnitt und die automatische Erfassung von Freiformoberflächen durch Verfahren der Stereo-bildzuordnung. Dabei ist es ebenso möglich, statt der unabhängigen Orientierung der Panoramen im räumli-chen Rückwärtsschnitt erst die relative Orientierung der Panoramen zueinander und anschließend die absolute Orientierung vorzunehmen. Bei Verwendung von Panoramabildern zur Stereoauswertung sind bezüglich der Aufnahmeanordnung einige Besonderheiten aufgrund ihrer geometrischen Eigenschaften zu beachten.

• Horizontale und vertikale Stereobasis

Soll eine Objektoberfläche mit Panoramabildern stereoskopisch ausgewertet werden, ist wie auch bei zen-tralperspektiven Bildern auf ein geeignetes Basis-Höhenverhältnis zu achten. Jedoch lässt sich durch die Anordnung von zwei Aufnahmestandpunkten mit horizontaler Basis (Abbildung 3.11, links) keine 360°-Umgebung vollständig auswerten, da sich mit Veränderung der Raumrichtung auch das Basis-Höhenver-hältnis verändert. Die Basiskomponente senkrecht zur Aufnahmerichtung wird in Verlängerung der Basis Null, wodurch kein Strahlenschnitt mehr vorhanden ist. Es werden für die komplette stereoskopische Aus-wertung eines Innenraumes also mindestens drei Panoramabilder in nicht kollinearer Anordnung benötigt.

Für die Auswertung selbst ist es unerheblich, ob mit dem Panoramabild oder mit abgeleiteten Tangentialbil-dern gearbeitet wird. Es sei darauf hingewiesen, dass die Ableitung eines Tangentialbild-Stereopaares, wel-ches dem Stereonormalfall entspricht (parallele Aufnahmeachsen rechtwinklig zur Stereobasis), mit einfa-chen Mitteln bewerkstelligt werden kann, wenn die Panoramen vorab orientiert wurden. Dies ist vor allem für die Stereobetrachtung notwendig.

Abbildung 3.10: Prinzip der Schattenwurfmethode und Panorama aus einem Baggerführerhaus

Abbildung 3.11: Stereo-Aufnahmeanordnung für Panoramabilder: horizontale Basis und vertikale Basis

3.2 Panoramakamera

Eine weitere mögliche Stereo-Konfiguration ist durch die vertikale Anordnung der Panoramabilder gegeben (Abbildung 3.11, rechts). Dadurch sind für eine 360°-Umgebung prinzipiell zwei Panoramen ausreichend, jedoch ist die Länge der Basis praktisch stark eingeschränkt (z.B. durch die maximale Höhe des Stativs).

Bei großen Aufnahmeentfernungen kommt es dadurch zu ungünstigen Basis-Höhen-Verhältnissen, was zu schlechten Strahlenschnitten und damit zu geringen Genauigkeiten in Tiefenrichtung führt. Deshalb ist die Stereoanordnung mit vertikaler Basis hauptsächlich auf kleinere Räume beschränkt. Beispielsweise bietet der Panoramakamera-Hersteller Spheron eine entsprechende Hardware- und Software-Lösung für die einfa-che 3D-Vermessung basierend auf der Stereo-Konfiguration mit vertikaler Basis an, die durch ein ausfahr-bares Stativ realisiert wird. Haupteinsatzgebiet dieses Systems ist die Vermessung von Unfall- und Tatorten (Forensik).

• „Off-Axis“-Stereo

Einen Sonderfall der Stereoanordnung von Panoramabildern stellt das „Off-Axis“-Prinzip dar [Huang et.

al., 2002b]. Dabei wird die Panoramakamera und damit das Projektionszentrum aus der Rotationsachse um die Exzentrizität e herausgeschoben und um den Winkel α für die erste Aufnahme nach links und für die zweite Aufnahme nach rechts verschwenkt (Abbildung 3.12).

Dadurch entstehen Panorama-Stereobildpaare mit in alle horizontalen Raumrichtungen gleichlanger hori-zontaler Basis. Je nach Kombination von e und α kann die Länge der Basis variiert werden. Der Panorama-kamera-Hersteller Kamera & System Technik Dresden bietet dafür eine entsprechende Verschiebe- und Schwenkeinrichtung an. Jedoch muss bei der Auswertung solcher Panoramabilder die stark veränderte Geo-metrie berücksichtigt werden.

Die „Off-Axis“-Geometrie weist Ähnlichkeit mit dem in [Heikkinen, 2005] vorgestellten Ansatz auf, bei dem eine zentralperspektive Kamera so auf einem Stativ montiert wird, dass sich das Projektionszentrum auf einer Kreisbahn um die Stehachse des Statives bewegt und die Aufnahmerichtung eine Tangente an die-sen Kreis darstellt. Damit wird dann ein Verband zentralperspektiver Bilder (anstelle eines einzigen 360°-Panoramabildes) aufgenommen. Die Kamera wird dann zur Aufnahme eines zweiten Bildverbandes um 180° gedreht. Es wurde gezeigt, dass die beiden auf diese Weise aufgenommenen Bildverbände zur 3D-Ob-jektrekonstruktion geeignet sind. Dabei wurde die Nebenbedingung in die Auswertung eingeführt, dass der Abstand zwischen Projektionszentrum und Rotationsachse konstant ist.

• Kernliniengeometrie

Zur Unterstützung der Punktzuordnung zweier zueinander orientierter Aufnahmen wird gewöhnlich die Kernliniengeometrie berücksichtigt. Die Suche nach einem homologen Punkt im zweiten Bild eines im

ers-Abbildung 3.12: "Off-Axis"-Stereo-Anordnung für Panoramabilder

ten Bild gefunden Bildpunktes erfolgt entlang der Kernlinie (z.B. mittels Kreuzkorrelation), was den Such-raum erheblich einschränkt und damit die Zuverlässigkeit der Zuordnung als auch die Rechenzeit stark re-duziert. In einem Panoroamabild ist die Kernlinie im Allgemeinen allerdings keine Gerade, sondern die Schnittkurve K' zwischen der durch die Projektionszentren und den Raumstrahl O'P'1 aufgespannten Kerne-bene und dem Panoramazylinder (Abbildung 3.13) [Luhmann et. al., 2006]. Der Suchraum kann weiter ein-geschränkt werden, wenn näherungsweise die Entfernung zum Objektpunkt bekannt ist.

3.2.4.3 Mehrbildauswertung

Die Mehrbildauswertung von mehr als zwei 360°-Panoramabildern (Abbildung 3.14) ermöglicht die Be-stimmung von im Raum verteilten Objektpunkten oder die direkte BeBe-stimmung geometrischer Elemente (Ge-rade, Kreis, Kugel, etc.) in einer 360°-Umgebung. Dies kann entweder durch einen allgemeinen räumlichen Vorwärtsschnitt geschehen, wenn die Panoramen vorab bereits orientiert und die Kameras kalibriert wurden, oder im Rahmen der Berechnung einer Bündelblockausgleichung, bei der die Objektinformationen, die Orien-tierungen der beteiligten Panoramabilder und die Kalibrierung der Kameras simultan durchgeführt wird (Bün-delblockausgleichung mit Selbstkalibrierung). Wird das Objekt zusätzlich mit einem terrestrischen Laserscan-ner aufgenommen, können für die Panorama-Bündelblockausgleichung sehr gute Näherungswerte für die Ob-jektkoordinaten bereitgestellt werden.

Der Vorteil der Panorama-Mehrbildauswertung gegenüber der Verwendung zentralperspektiver Aufnah-men besteht darin, dass für die Auswertung von 360°-Innenraumgeometrien wesentlich weniger Bilder aufge-nommen werden müssen, da die Panoramen sich – abgesehen von Verdeckungen – stark überlappen. Dadurch müssen weniger Orientierungselemente bestimmt werden, was zu einer höheren Redundanz des Ausglei-chungssystems führt. Außerdem kommt auch der Vorteil des hohen Auflösungspotenzials der Panoramaauf-nahmen zum Tragen. Nachteilig sind die längeren Aufnahmezeiten und die geringere Flexibilität der Aufnah-mekonfiguration des Panorama-Scan-Prinzips im Vergleich zu One-Shot-Kameras (Notwendigkeit eines Sta-tivs). Deshalb bietet sich in der Praxis eine Kombination von Panoramaaufnahmen mit zentralperspektiven Aufnahmen an. Dadurch kann die Strahlenschnittgeometrie gestärkt werden und gleichzeitig Bereiche, die in den Panoramabildern verdeckt sind, aufgenommen und in die Auswertung einbezogen werden [Schneider &

Maas, 2005].

Die Mehrbildauswertung von Panoramabildern, ggf. in Kombination mit einem terrestrischen Laserscan-ner, kann in vielen Anwendungen in den Bereichen Architektur, Industrie, Facility Management, Forensik, etc. sinnvoll sein – überall dort, wo komplexe 360°-Umgebungen (Innenräume, Plätze, Industrieanlagen) auf-genommen werden müssen.

Abbildung 3.13: Panorama-Kernliniengeometrie

3.2 Panoramakamera

3.2.4.4 Genauigkeitspotenzial

Das Genauigkeitspotenzial einer Panoramakamera hängt von verschiedenen Faktoren ab. Dazu zählen die geometrische Auflösung des Sensors, die Stabilität während der Aufnahme, die Übereinstimmung des geome-trischen Modells (vgl. Kapitel 4.2) mit der physikalischen Realität und die Konstanz der Kalibrierparameter.

Die Genauigkeit der Kamera in einer speziellen Anwendung hängt darüber hinaus noch von der Objektsigna-lisierung, und bei der Mehrbildauswertung auch von der Strahlenschnittgeometrie ab.

Eine Panoramakamera bietet, wie bereits erwähnt, die Möglichkeit einer hohen geometrischen Auflösung durch Verwendung von Zeilensensoren, die zusätzlich dadurch erhöht wird, dass keine Farbinterpolation not-wendig ist, sondern die volle RGB-Information für jedes Pixel vorliegt. Die Stabilität der Aufnahme ist bei der Panoramakamera ein entscheidender, die Genauigkeit einschränkender Faktor. Durch die verhältnismäßig lange Aufnahmezeit pro Bild können sich viele Faktoren negativ auf die Genauigkeit der Abbildung auswir-ken. Dabei sind vor allem Instabilitäten, die von der Rotation der Kamera ausgehen, sowie Vibrationen, die über das Stativ übertragen werden, zu nennen.

In praktischen Untersuchungen (vgl. Kapitel 5.1.1) konnte das Genauigkeitspotenzial der Panoramakame-ra EYESCAN M3D metric mit ca. 1/4 Pixel im räumlichen Rückwärtsschnitt in einem 360°-KalibrierPanoramakame-raum mit ca. 220 gut verteilten retro-reflektierenden Zielmarken bestimmt werden. Auch durch die Berechnung ei-ner Bündelblockausgleichung als freies Netz in einem anderen Kalibrierraum konnte dieser Wert bestätigt werden. Überträgt man diesen Wert unter Berücksichtigung der Kamerakonstante des verwendeten Objektivs in den Objektraum, erhält man den in Abbildung 3.15 dargestellten Zusammenhang für das laterale Genauig-keitspotenzial (mit c = 35 mm).

Abbildung 3.14: Prinzip der Mehrbildauswertung mit Panoramabildern

Das Genauigkeitspotenzial im Bildraum ist geringer als bei zentralperspektiv abbildenden One-Shot-Ka-meras. Wird die Genauigkeit allerdings relativ zum Bildformat beschrieben, ergeben sich vergleichbar hohe Werte (Länge der Sensorzeile: 70 mm, Pixelgröße: 7 µm, ergibt eine Relativgenauigkeit von 1 : 40 000). In 10 m Entfernung (Objektdimension: 20 m) entspricht das (laterale) Genauigkeitspotenzial der getesteten Pan-oramakamera ca. 0,5 mm.