Konzept und Kalibrierung eines Mehrkamerasystems mit schrägblickenden Kameras für den UAV-Einsatz
3 Bestimmung der Relativen Orientierungen der Kameras zueinander Die einzelnen Kameras wurden bereits kalibriert und hinsichtlich ihrer Vergleichbarkeit
untersucht (GRENZDÖRFFER et al. 2012). Im Ergebnis sind die Bildhauptpunktlagen der Kameras sehr unterschiedlich (± 388µm), jedoch weisen die 9 mm Objektive eine ver-gleichbare Verzeichnung auf. Außerdem wurde der Helligkeitsrandabfall über das kom-plette Spektrum aller einstellbaren Blenden untersucht. Bei Blende 4 war der Helligkeits-randabfall sowohl für die 9 mm als auch für das 6 mm Objektiv am kleinsten, wobei beide Objektivarten ein stark unterschiedliches Verhalten aufweisen.
Zur Bestimmung der relativen Orientierungen der fünf Kameras zueinander wurde eine Besonderheit von Australis ausgenutzt. Gibt man Australis einen Satz von Bildern, die die gleichen Zielmarken mit der gleichen Geometrie abbilden, so wird das übergeordnete Ko-ordinatensystem an dem ersten relativ orientierten Kamerastandpunkt ausgerichtet.
Der Versuchsaufbau wurde so eingerichtet, dass alle Kameras des Kamerasystems gleichzeitig genügend kodierte Marken abbilden. Das Kamerasystem wurde auf ein Stativ montiert, um Bewegungen während der Belichtungszeit zu vermeiden. Da die Belich-tungsverhältnisse am Versuchstand keine automatische Detektion der Zielmarken im Bild zuließen, wurden LED-Zeilen als Beleuchtungsquelle um jede Kamera angebracht und in Kamerablickrichtung ausgerichtet (SCHIMA 2013). Durch die Reflexionseigenschaften der Marken konnte somit sichergestellt werden, dass diese in den Bildern später automatisch erkannt werden. Nachdem ein Set von 5 Bildern (pro Kamera ein Bild) aufgenommen wurde, wurden die Ausrichtung und die Position des Kamerasystems verändert. Von 20 Aufnahmesets konnten 18 verwendet werden. Das bedeutet, dass eine ausreichende An-zahl von 18 Bildern pro Kamera für die Kalibrierung mit insgesamt 56 abgebildeten, co-dierten Marken zur Verfügung stand.
Bild 1: Position MV-SC27U 1 Bild 2: Position MV-CS27U 2
Bornimer Agrartechnische Berichte Heft 81
Bild 3: Position MV-CS27U 3 Bild 4: Position MV-CS27U 4
In einem ersten Schritt wurden alle Kameras kalibriert und die inneren Orientierungen in einer Datenbank hinterlegt und fixiert. Für die weiteren Berechnungen wurde das Bezugs-system an der Nadirkamera ausgerichtet. Die Position der Kamera ist somit (0,0,0) und die
Bild 5: Orientierung MV-CS27U 1 Bild 6: Orientierung MV-CS27U 2
Bild 7: Orientierung MV-CS27U 3 Bild 8: Orientierung MV-CS27U 4
Blickrichtungen Azimut=0°, Elevation=0° und Rollwinkel=0°. Die Aufnahmen der Nadir Kamera mussten demzufolge als erste in das Australis-Projekt geladen werden.
Sukzessi-ve wurde nun die Reichenfolge der Aufnahmen der Nadir Kamera Sukzessi-vertauscht und die äu-ßeren Orientierungsparameter der schrägblickenden Kameras des gleichen Sets notiert.
Tabelle 1: Äußere Orientierungsparameter der schrägblickenden Kameras
MV-CS27U 1 MV-CS27U 2 MV-CS27U 3 MV-CS27U 4
x [mm] -1.38 -76.49 -0.25 73.25
σx [mm] 0.13 0.14 0.15 0.15
y [mm] 34.10 31.44 31.74 34.62
σy [mm] 0.09 0.09 0.12 0.15
z [mm] -75.22 -0.01 75.07 -0.25
σz [mm] 0.12 0.12 0.14 0.18
Azimut [°] 2.20 -29.50 -0.62 32.05
σAzimut [°] 0.05 0.02 0.03 0.02
Elevation [°] 29.68 0.07 -31.74 0.20
σElevation [°] 0.01 0.03 0.02 0.04
Roll [°] 2.11 -89.51 -177.62 90.62
σRoll [°] 0.04 0.01 0.02 0.01
Dadurch entstanden 18 vergleichbare Orientierungsparameter pro Kamera. Bild 1 bis 4 zeigen die jeweiligen Positionen (Xc, Yc, Zc) der schrägblickenden Kameras. Bild 5 bis 8 geben die Orientierungen (Azimut(α), Elevation(), Rollwinkel()) der 18 Beobachtungs-sets im Koordinatensystem von Australis wieder. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die resultierenden Positionen und Orientierungen und deren mittlerer Fehler ().
Da das Koordinatensystem in Australis so definiert ist, dass die Blickrichtung des ersten orientierten Kamerastandpunktes in Y-Richtung erfolgt, erscheint das Kamerasystem um 90° verkippt (Bild 9). Während des Fluges jedoch hängt das Kamerasystem nach unten schauend am UAV (Bild 10).
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Bild 9: Orientierung des Kamerasystems in Australis
Bild 10: Orientierung des Kamerasystems während des Flugs
Die umgerechneten Kameraorientierungen für das normale Koordinatensystem während des Fluges sind in Tabelle 2 zu finden.
Tabelle 2: Orientierungswinkel des Kamerasystems während des Fluges
MV-CS27U 1 MV-CS27U 2 MV-CS27U 3 MV-CS27U 4
Azimut‘ [°] -2.11 -89.93 177.622 89.80
Elevation‘ [°] -60.32 -60.50 -58.26 -57.95
Roll‘ [°] 2.20 0.49 -0.62 0.62
4 Ergebnisse und Diskussion
Die Ergebnisse der relativen Orientierungen der Kameras zueinander wurden mit Genau-igkeiten der Kamerapositionen zwischen 0.09 mm bis 0.18 mm und der Kameraorientie-rungen zwischen 0.01° bis 0.05° sehr genau bestimmt. Anhand der Bilder 1 bis 8 wird deutlich, wie gering die Schwankungen innerhalb der Messreihen sind. Die relative Lage der Kameras zueinander kann daher unter statischen Bedingungen, trotz wiederholtem Umsetzen des gesamten Systems, als konstant angesehen werden. Es konnte somit ein Versuchsaufbau entwickelt werden, der die Kalibrierung von Mehrkamerasystemen unter Zuhilfenahme der Software Australis erlaubt. Insbesondere für photogrammetrische Be-lange liefert das vorgestellte Verfahren nicht nur belastbare sondern auch hinreichend ge-naue Ergebnisse. Ferner zeichnet sich die Methode durch einen vergleichsweise geringen experimentellen wie zeitlichen Aufwand aus. Zukünftige Tests unter dynamischen Flugbe-dingungen werden zeigen, ob die relativen Orientierungen hinreichend stabil sind, um die
photogrammetrische Datenprozessierung entscheidend zu vereinfachen. Denn, wenn die relative Lage der Kameras bekannt ist, reicht es aus nur die nadirblickende Kamera über klassische direkte oder indirekte Verfahren zu orientieren. Die schrägblickenden Kameras werden dann anschließend relativ über die bekannten Hebelarme und Winkelbeziehungen orientiert, vgl. z.B. JACOBSEN 2009.
Danksagung
Dem Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Mecklenburg-Vorpommern sei für die Förderung des Projektes PFIFFikus gedankt, in dem diese Ergebnisse entstanden.
Literaturverzeichnis
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