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Messen und Prüfen - Optische 3-D-Messtechnik

Industriephotogrammetrie

Photogrammetrische Verfahren und Systeme zur dreidimensionalen industriellen Messtechnik haben in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen. Die Gründe dafür liegen im Fortschritt der digitalen Bilderfassung und Bildverarbeitung, die zu gesteigerten Messgenauigkeiten, höherem Automationsgrad, schnellem und geschlossenem Datenfluss und leichterer Bedienbarkeit geführt haben. Die in der Praxis eingesetzten Systeme lassen sich einerseits in mobile, flexible Online- und Offline-Systeme, andererseits in stationäre, prozessintegrierte Systeme unterscheiden. In den meisten Fällen steht die Erfassung einzelner 3-D-Punktkoordinaten im Vordergrund, häufig durch diskrete Punktsignalisierungen unterstützt. Vermehrt kommen aber auch Oberflächenmesssysteme zum Einsatz, die in der Regel auf der Basis von projizierten Streifen- oder Flächenmustern arbeiten. Die Anwendungsgebiete der Industriephotogrammetrie reichen von hochgenauen Qualitätskontrollen im Flugzeugbau über integrierte Systeme in Fertigungsanlagen bis zur Aufnahme und Dokumentation von Industrieanlagen. Mit der Erarbeitung einheitlicher Empfehlungen für die Abnahme und Überwachung optischer 3-D-Messsysteme ist die Grundlage für objektive und nachvollziehbare Genauigkeitsangaben gelegt worden.

Geschichtlicher Rückblick

Der industrielle Einsatz der Nahbereichsphotogrammetrie begann, von Einzelanwendungen abgesehen, Anfang der achtziger Jahre. Im Mittelpunkt der Entwicklung standen zum einen Verfahren zur Orientierung und Kalibrierung von beliebigen (konvergenten) Bildverbänden durch Bündeltriangulation. Im Gegensatz zur Aerotriangulation in der Luftbildphotogrammetrie erfordern Bündelausgleichungsprogramme für Nahbereichsanwendungen die Integration zusätzlicher (geodätischer) Beobachtungen, Ansätze zur Selbstkalibrierung verschiedenster Aufnahmekameras, Verarbeitung in beliebig gelagerten Objektkoordinatensystemen sowie automatisierte Verfahren zur Berechnung von Näherungswerten in komplexen Aufnahmekonfigurationen. Grundlegende Arbeiten und operationelle Programmsysteme wurden in den achtziger Jahren entwickelt.

Zum anderen wurden analoge Aufnahme- und Bildmessgeräte entwickelt, die eine hochgenaue Bilderfassung und Punktmessung erlaubten. Hier sind zunächst Entwicklungen durch Geodetic Services (GSI) zu nennen, die mit großformatigen Messkameras (CRC-1, CRC-2, Bild 1 links) und einem zugehörigen digitalen Präzisionskomparator (AutoSet-1) ein Gesamtsystem auf den Markt brachten, das vor allem in hochgenauen Fragestellungen der Luft- und Raumfahrtindustrie zum Einsatz kam [6]. Mit (inneren) Messgenauigkeiten von bis zu 1:500.000 trat diese Technologie in Konkurrenz zu Theodolitmesssystemen, die bis dahin als einzige praktikable Lösung zur 3-D-Vermessung großer Objekte zur Verfügung standen [18].

Aufbauend auf den Arbeiten von Wester-Ebbinghaus brachte die Firma Rollei mit der Rolleiflex SLX, später der Rolleiflex 6006/6008, eine photogrammetrische Reseaukamera auf den Markt, die hinsichtlich Flexibilität und Handhabung bisherigen Messkammern weit überlegen war. Der Einsatz eines Reseaus zur Definition und numerischen Rekonstruktion einer ebenen Bildfläche ließ es zu, auch handelsübliche Photokameras für messtechnische Zwecke einzusetzen. Mit der Großformatkamera Rollei LFC und dem Präzisionskomparator Rollei RS1 (Bild 1) wurde der gerätetechnische Höhepunkt der Reseautechnik erreicht [12].

Bild 1: Analoge Großformatkamera GSI CRC-1 (links) und Rollei Reseau-Scanner RS1-C (rechts) (Quelle: GSI Group Inc., Rollei GmbH)

Bild 1: Analoge Großformatkamera GSI CRC-1 (links) und Rollei Reseau-Scanner RS1-C (rechts) (Quelle: GSI Group Inc., Rollei GmbH)

Mit der Entwicklung digitaler Bildverarbeitungsverfahren wurden Automationsgrad und Genauigkeit der Punktmessung und Bildzuordnung erheblich gesteigert. Hier sind zum einen Methoden zur hochgenauen Messung kreuz- und ellipsenförmiger Zielmarken zu nennen, zum anderen entstanden Verfahren zur bild- und objektbasierten Stereo- und Mehrbildzuordnung auf der Basis Kleinster-Quadrate-Lösungen (u. a. [7, 8, 17]). In der industriellen Anwendung wurde mit dem System Zeiss InduSURF das erste operationelle Oberflächenmesssystem etabliert (Bild 2).

Bild 2: Oberflächenmesssystem Zeiss InduSURF. Darstellung einer Stereokamera mit Projektor (links) und eines 3-D-Modells eines Radkastens (rechts). (Quelle: Bildmessung und Luftbildmessung 1/88)

Bild 2: Oberflächenmesssystem Zeiss InduSURF. Darstellung einer Stereokamera mit Projektor (links) und eines 3-D-Modells eines Radkastens (rechts). (Quelle: Bildmessung und Luftbildmessung 1/88)

Die seit Mitte der achtziger Jahre verfügbare optoelektronische Aufnahmetechnik war hinsichtlich Auflösung und Bildqualität noch stark eingeschränkt. Mit der Entwicklung spezieller Scanning-Kameras wurde zwischenzeitlich die Möglichkeit zur hochauflösenden Bilderfassung geschaffen, z. B. mit dem Prinzip des Micro-Scannings (ProgRes 3012, 4.608 x 3.480 Pixel), des Reseau-Scannings (Rollei RSC, 4.500 x 4.500 Pixel) oder des Macro-Scannings (Zeiss UMK HighScan, 15.000 x 11.000 Pixel). Diese Entwicklungen haben sich auf Grund der notwendigen stationären Objektaufnahme, langer Bilderfassungszeiten und ungünstigem Preis-Leistungs-Verhältnis nur vorübergehend in praktischen industriellen Anwendungen behaupten können.

Ein wesentlicher technischer Durchbruch wurde mit der Entwicklung sogenannter Still-Video-Kameras erreicht. Die mit einer Pixelauflösung von 1.500 x 1.000 Pixel und in der Kamera integrierter Datenspeicherung ausgestattete Spiegelreflexkamera Kodak DCS 420 führte zum vermehrten Einsatz von photogrammetrischen Offline-Systemen. Diese erlauben die schnelle digitale Bilderfassung "aus der Hand" sowie die unmittelbare Weiterverarbeitung der Bilder auf (tragbaren) PCs und erfüllten somit die Forderung nach schneller, automatisierter und genauer photogrammetrischer Punkterfassung.

Stand der Technik

Mit der Digitalkamera Kodak DCS 460/660 (3.000 x 2.000 Pixel à 9 µm x 9 µm Größe, Bild 3 links) steht seit ca. 1995 eine hochauflösende Still-Video-Kamera zur Verfügung, die zu einer adäquaten Objektmessgenauigkeit in industriellen Anwendungen führt. Bei Verwendung kreisförmiger signalisierter Messmarken lassen sich Bildmessgenauigkeiten von besser als 1/20 Pixel erreichen entsprechend besser als 0,5 µm. Bei hinreichender Aufnahmekonfiguration (siehe Abschnitt „Genauigkeitskriterien“) lassen sich relative Messgenauigkeiten von 1:50.000 bis 1:100.000 erreichen. Inzwischen bietet die Fotoindustrie hoch auflösende Kameras mit bis zu 60 Millionen Pixeln an (Bild 3).

Bild 3: Digitale Aufnahmesysteme. Kodak DCS 460 Kamera (links) und Hasselblad H4D-60 (8.956x6.708) (rechts) (Quelle: Jade Hochschule Oldenburg IAPG)

Für schnellere oder dynamische Messaufgaben werden digitale Video- und Highspeedkameras eingesetzt, die über schnelle Rechnerschnittstellen (z. B. CameraLink, Giga Ethernet) angesteuert werden. Sie leisten heute bereits mehr als 2.000 x 2.000 Pixel bei einer Bildfrequenz von 1.200 Hz.

Der Begriff „Messkamera“ bezeichnet in der Photogrammetrie Aufnahmesysteme, die werksseitig kalibriert werden und ihre Kamerageometrie über einen langen Zeitraum konstant halten. Hier existieren nur wenige spezialisierte Kamerasysteme, wie z. B. die INCA 3 (Bild 4 links) von GSI oder das Stereoaufnahmesystem AXIOS 3D CamBar (Bild 4).

Bild 4: Photogrammetrische Messkameras. Digitale Messkamera GIS INCA 3 (links) und Stereokamerasystem AXIOS 3D CamBar B2 (rechts) (Quelle: GSI Group Inc., AXIOS 3D Services GmbH)

Andere Systeme werden in der Regel vor oder während der Objektaufnahme durch Bündelausgleichung mit Selbstkalibrierung kalibriert, so dass die Kameraparameter für den eigentlichen Zeitpunkt der Messung bestimmt werden.

Üblicherweise werden die bekannten Parameter der inneren Orientierung bestimmt (c, x'0 , y'0 , A1 , A2 , A3 , B1 , B2 , C1 , C2 ), die je nach Objektiv und Sensor verschieden signifikant geschätzt werden können. Veränderungen der Kamera während einer Aufnahmeserie können durch bildvariante Kalibrierung erfasst werden. Abweichungen von der Ebenheit eines Bildsensors lassen sich durch Finite-Elemente-Korrekturgitter beschreiben, die ebenfalls simultan in der Bündelausgleichung bestimmt werden können [19]. Die Kalibrierung von Zoom-Objektiven mit beliebigen Brennweiteneinstellungen ist ebenfalls möglich, wenn die Genauigkeitsanforderungen nicht besonders hoch sind [3]. Schließlich lassen sich auch wellenlängenabhängige Farbfehler erfassen und korrigieren [16].

Auf der Basis dieser oder ähnlicher Kameras werden heute Mehrbildauswertesysteme angeboten, die automatisierte, aber auch interaktive Bildmessungen zulassen und häufig eine direkte Schnittstelle zu CAD-Systemen oder anderen Programmen zur Weiterverarbeitung bieten (z. B. AICON 3D Studio, GOM TriTop, Phocad Phidias). Diese Systeme werden häufig als Offline-Photogrammetrie-Systeme bezeichnet, da in der Regel zunächst eine sequentielle Bilderfassung erfolgt, während die eigentliche Bildauswertung und Objektrekonstruktion erst in einem nachgeschalteten Schritt geschehen. Mit der Entwicklung sogenannter „Intelligenter Kameras“ mit integriertem Rechner und Bildmessung ist jedoch schon eine Zwischenstufe zum im Folgenden erläuterten Prinzip der Online-Photogrammetrie verfügbar (GSI INCA oder AICON WheelWatch).

Werden mindestens zwei Kameras synchronisiert ausgelöst, die einen Bereich des Objektraumes gleichzeitig beobachten, ist die unmittelbare Berechnung von 3-D-Informationen möglich, wenn die Parameter der inneren und äußeren Orientierung vorliegen. Auf dieser Grundlage werden Zwei- und Mehrkamerasysteme angeboten, die einen taktil antastenden Messstift und dessen Messpunktspitze durch Vorwärtseinschneiden im Raum erfassen (z. B. Metronor, Bild 6 links). Der Taster kann auch selbst über eine integrierte Kamera verfügen, die sich mittels Rückwärtsschnitt an einem bekannten Punktfeld orientiert (Bild 6 rechts). Mehrkamera-Online-Systeme lassen sich auch für spezielle Messaufgaben konfigurieren, zum Beispiel für die integrierte Prozesskontrolle oder die Robotersteuerung (z. B. Messung von Rohrleitungen, [2], Bild 5).

Bild 5: Mehrbild-Onlinesystem zur Messung von Bremsleitungen (AICON TubeInspect) (Quelle: AICON 3D Systems)

Weitere Übersichten zur Entwicklung der Nahbereichsphotogrammetrie sowie zu ihren mathematischen und technischen Grundlagen finden sich in [1, 5, 10, 11, 15].

Offline-Photogrammetrie

In industriellen Anwendungen geschieht die punktweise Erfassung von 3-D-Koordinaten üblicherweise mithilfe signalisierter Zielmarken oder durch taktile Antastung. Für die Signalisierung haben sich helle, kreisförmige Marken durchgesetzt, die aus retro-reflektierendem Material, selbstleuchtend oder einfach auf Papier oder Folie gedruckt, realisiert werden können. Werden diese Marken zusätzlich mit einem geeigneten maschinenlesbaren Code versehen, kann nicht nur das Punktzentrum sicher und genau bestimmt werden, sondern auch die Punktidentifizierung (Punktnummer) automatisch zugeordnet werden (Bild 6 rechts).

Bild 6: Taktile Online-Messsysteme. Metronor (links) und AICON ProCam (rechts) (Quelle: Metronor AS, AICON 3D Systems GmbH)

Signalisierte Punkte oder entsprechende mechanische Adapter sind so zu gestalten und zu verteilen, dass das eigentliche (möglicherweise nicht direkt messbare) Objekt durch diese Hilfsmittel hinreichend genau repräsentiert wird.

Ein typisches Offline-Photogrammetrie-System besteht aus einer hochauflösenden Digitalkamera (Still-Video-Kamera) mit integrierter Datenspeicherung (Memory-Karten, Mini-Festplatten). Die Datenverarbeitung geschieht in einem (tragbaren) Rechner, der über eine entsprechende Schnittstelle zum Bildspeichermedium verfügt (z. B. WLAN, USB). Die Bildauswertung und 3-D-Punktbestimmung läuft typischerweise in folgenden Schritten ab:

1. Bildpunktmessung

Sämtliche Bilder werden automatisch nach punktförmigen Mustern durchsucht, die Kandidaten für tatsächlich signalisierte Punkte darstellen. Wenn Punktcodierungen erkannt werden, werden die gemessenen Bildpunkte mit ihrer zugehörigen Nummer abgespeichert, sonst werden sie fortlaufend nummeriert abgelegt.
Sämtliche Bilder werden automatisch nach punktförmigen Mustern durchsucht, die Kandidaten für tatsächlich signalisierte Punkte darstellen. Wenn Punktcodierungen erkannt werden, werden die gemessenen Bildpunkte mit ihrer zugehörigen Nummer abgespeichert, sonst werden sie fortlaufend nummeriert abgelegt.

2. Näherungswertberechnung

Die über ihren Punktcode identifizierten Bildpunkte werden bildübergreifend zugeordnet. Liegen für ein beliebiges Bildpaar mindestens fünf homologe Punkte vor, kann mittels relativer Orientierung ein Modellsystem erzeugt werden, in dem alle weiteren Bildpunkte unter Zuhilfenahme der Epipolargeometrie zugeordnet werden können. Weitere Bilder oder Modelle können an dieses Startbildpaar angehängt werden, bis alle Bilder näherungsweise orientiert sind. Werden an Hand der Punktcodierungen bekannte Passpunkte identifiziert, kann das lokale Modellsystem in ein übergeordnetes Objektkoordinatensystem transformiert werden. Auf diese Weise können sukzessive alle Bilder näherungsweise orientiert und alle gemessenen Bildpunkte näherungsweise im Raum bestimmt werden.

3. Bündelausgleichung mit Simultankalibrierung

Die folgende Bündelausgleichung liefert neben den äußeren Orientierungsdaten und den ausgeglichenen Objektkoordinaten auch die Parameter der inneren Orientierung, so dass bei geeigneter Aufnahmekonfiguration der geometrische Zustand der Aufnahmekamera für den Zeitpunkt der Objektmessung simultan mitbestimmt werden kann. Eine besondere Problematik liegt in der Erkennung und Eliminierung grober Fehler (Ausreißer), die durch Fehler in der Bildmessung oder bei der Identifizierung und Zuordnung auftreten können.

4. Ergebnisausgabe

Die gemessenen Objektpunkte können in beliebiger Weise weiterverarbeitet werden. Üblich sind die direkte Integration photogrammetrischer Auswertesysteme in 3-D-CAD-Systeme oder die Anbindung an Systeme für den Soll-Ist-Vergleich.

Online-Photogrammetrie

Online-Systeme basieren auf der simultanen, synchronisierten Mehrbilderfassung des Objektraums. Eine weitere Verbreitung haben besonders taktile photogrammetrische Koordinatenmesssysteme erlangt. Hierbei wird ein Messtaster, in der Regel manuell, an die Objektoberfläche geführt (Bild 6 links). Üblicherweise besteht der Taster aus einer hochgenauen Tastspitze und mindestens drei Referenzmarken, die von den Kameras beobachtet werden können. Durch Starten der Messung am Taster werden die Kameras ausgelöst. Mittels räumlichem Vorwärtsschnitt werden die 3-D-Koordinaten der Referenzpunkte am Taster bestimmt und damit die in diesem lokalen System kalibrierte Position der Tastspitze.

Der Messablauf sieht typischerweise folgendermaßen aus:

1. Vorabkalibrierung

Aufgrund der eingeschränkten Aufnahmeanordnung ist keine Simultankalibrierung der Kameras möglich. Sie müssen also vorab kalibriert werden, zum Beispiel mithilfe eines geeigneten Testfelds. Die ermittelten Daten der inneren Orientierung werden für die Messungen als konstant vorausgesetzt.

2. Orientierung der Kameras

Nach dem Aufstellen der (beiden) Kameras erfolgt die gegenseitige Orientierung über einem signalisierten Punktfeld. Damit wird ein lokales Gerätekoordinatensystem erzeugt.

3. Taktile Messung

Es folgt die (manuelle) taktile Objektmessung analog zu taktilen Koordinatenmessgeräten. Hierbei kann durch Messung von Referenzpunkten am Objekt auch ein Werkstückkoordinatensystem definiert werden, in dem Messergebnisse dargestellt werden.

4. Nachorientierung

Einige Systemhersteller erlauben die ständige Nachorientierung der Kameras an dem festen Punktfeld, um etwaige Veränderungen der Kamerapositionen und Aufnahmerichtungen zu ermitteln.

5. Ergebnisausgabe

Ein taktiles Online-Photogrammetrie-System kann als optische Koordinatenmessmaschine aufgefasst werden, deren Ergebnisse sofort nach der Antastung vorliegen und weiterverarbeitet werden können.

Der hier beschriebene Messablauf vereinfacht sich noch erheblich, wenn die Kameras fest in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet und dauerhaft orientiert sind, wie man es im Prinzip von älteren Stereomesskameras kennt. Solche Systeme werden vielfach in der Medizintechnik, aber zunehmend auch in der industriellen Messtechnik eingesetzt (z. B. NDI Optotrak, AXIOS 3D CamBar).

Neben dem oben erwähnten Online-Messprinzip existiert mit dem AICON ProCam System eine Variante, bei der die Messkamera im handgeführten Taster selbst untergebracht ist (Bild 6 rechts). Mithilfe eines in der Nähe platzierten Referenzpunktfelds, das über kalibrierte und codierte Zielmarken verfügt, kann die Kameraorientierung automatisch ermittelt werden und die dazu kalibrierte Tastspitze im Raum kann bestimmt werden.

Systeme zur Oberflächenerfassung

Für die Erfassung beliebig geformter industrieller Oberflächen ist häufig keine Signalisierung mit diskreten Punkten möglich oder sinnvoll. Für die Messung von Freiformoberflächen haben sich in jüngerer Zeit vor allem Streifenprojektionssysteme durchgesetzt. Dabei werden streifenförmige periodische Muster auf die Objektoberfläche projiziert, die sequentiell verschoben und durch eine oder mehrere räumlich versetzte Kameras beobachtet werden. Die aus der Höhenänderung am Objekt resultierende Phasenverschiebung des wellenförmigen Streifenmusters erlaubt die direkte und schnelle Erfassung der Oberflächenform, und zwar für jedes Pixel der Kamera innerhalb weniger Sekunden [3]. Industrielle Systeme werden heute u. a. von GOM, Steinbichler, Breuckmann oder Minolta angeboten.

Größere oder komplexer geformte Oberflächen können mit der Streifenprojektionstechnik nur in mehreren Teilansichten erfasst werden. Dazu wird das Aufnahmesystem mittels signalisierter Punkte photogrammetrisch im Raum orientiert, so dass die erfassten 3-D-Punktewolken absolut aufeinander transformiert werden können. Auf diese Weise können beispielsweise ganze Automobilkarosserien gemessen werden [21].

Die rein photogrammetrische Oberflächenerfassung erfolgt in der Regel entweder klassisch stereoskopisch oder durch Mehrbildaufnahme. Stereoskopische Systeme werden üblicherweise für hinreichend strukturierte Objektoberflächen eingesetzt, die entweder durch die natürlich vorhandene Oberflächentextur oder durch Projektion eines künstlichen Musters gegeben sind. Die Zuordnung homologer Bildbereiche geschieht bei automatischen Messverfahren durch Verfahren der Bildkorrelation oder Kleinste-Quadrate-Zuordnung, ebenfalls wieder unter Berücksichtigung der Epipolargeometrie. Digitale Stereoauswertesysteme, die in der Regel für die Luftbildphotogrammetrie konzipiert worden sind, können mit wenigen Einschränkungen auch für die Oberflächenerfassung im Nahbereich eingesetzt werden (Beispiel in Bild 7).

Bild 7: Photogrammetrische Oberflächenerfassung. Künstlich texturiertes Objekt (links) und berechnetes 3-D-Modell (rechts) (Quelle: Jade Hochschule Oldenburg, IAPG)

Bild 7: Photogrammetrische Oberflächenerfassung. Künstlich texturiertes Objekt (links) und berechnetes 3-D-Modell (rechts) (Quelle: Jade Hochschule Oldenburg, IAPG)

Eingesetzt werden auch photogrammetrische Flächenmesssysteme, bei denen ein punktförmiges Muster mit Hilfe eines Projektors aufgebracht wird. Die Oberflächenbestimmung erfolgt dann durch Messung des Zentrums diskreter Punkte (z.B. AICON ProSurf, GSI ProSpot).

Zunehmend in den Blickpunkt gelangen sogenannte 3D-Kameras, die direkt und ohne Musterprojektion eine 3D-Punktwolke mit nur einem Bild erzeugen. Typische Time-of-Flight-Kameras (TOF-Kameras, z.B. von PMD oder SwissRanger) besitzen bis zu ca. 200 x 200 Pixel und einer Messdistanz bis zu ca. 8 m. TOF-Kameras sind echtzeitfähig (bis 50 Hz), sind jedoch sehr rauschempfindlich und in der Entfernungsmessgenauigkeit auf etwa 15 mm beschränkt [9]. Ihr Einsatz beschränkt sich daher vornehmlich auf die Erfassung grober Objektbewegungen oder Veränderungen im Objektraum. Eine neue Variante von 3D-Kameras ist durch das Prinzip der Lichtfeldkamera gegeben (Bsp.: Raytrix). Hierbei wirken benachbarte Linsenpaare eines vor dem Bildsensor angebrachten Mikrolinsenarrays wie Stereokameras, so dass bei hinreichender Textur Objektpunkte durch Verfahren der Bildzuordnung gemessen werden können.

Genauigkeitskriterien

Die erreichbare Genauigkeit ist ein wesentliches Kriterium für die Nutzbarkeit und Akzeptanz eines photogrammetrischen oder optischen 3-D-Messsystems in der industriellen Praxis. Im Gegensatz zu anderen Kenngrößen eines Systems wie technische Ausführung, Messzeiten, Bedienerfreundlichkeit, Flexibilität usw. liegt mit der Messgenauigkeit eine einzige quantitative Größe vor, die zur Beurteilung des Messsystems herangezogen werden kann.

Die traditionelle photogrammetrische oder geodätische Betrachtungsweise der erreichten Messgenauigkeit basiert auf inneren numerischen oder statistischen Kenngrößen wie der Standardabweichung der Gewichtseinheit oder der Standardabweichung der einzelnen berechneten Punktkoordinaten. Sie spiegeln jedoch lediglich die numerische Genauigkeit wider, mit der das eingegebene mathematische Modell die tatsächlich beobachteten Messwerte auf die gesuchten Unbekannten abbildet. Diese Vorgehensweise prüft zwar durchgreifend die innere Genauigkeit und Zuverlässigkeit, nicht aber die tatsächlich im Objektraum erreichte Messunsicherheit im Bezug zu übergeordnet genau gegebenen Referenzen.

Für eine grobe a priori-Abschätzung der erreichbaren Punktgenauigkeit wird in der Regel folgende Beziehung eingesetzt:

SXYZ = q* mb * Sx'y'

Dabei wird die Unsicherheit der Bildpunktmessung sx'y' mit dem Abbildungsmaßstab mb in den Objektraum SXYZ übertragen. Der Designfaktor q beschreibt den Einfluss der Aufnahmekonfiguration, also die Anordnung der einzelnen Bilder, die zur Punktbestimmung beitragen, sowie weiterer nicht exakt formulierbarer Einflüsse. Für gut konfigurierte Mehrbildverbände (min. vier bis sechs konvergente Bilder pro Punkt) lässt sich ein Designfaktor zwischen 0,4 und 0,8 erreichen, gültig für alle drei Koordinatenrichtungen. Für Objektpunkte, die mit weniger oder ungünstiger angeordneten Bildern erfasst werden, oder für klassische Stereoanordnungen kann der Designfaktor leicht Werte > 2 annehmen, z. B. in Aufnahmerichtung ausgedrückt durch das Höhen-Basis-Verhältnis im Stereofall.

Zur Verifizierung der tatsächlich erreichten Messunsicherheit im Objektraum sind mit übergeordneter Genauigkeit kalibrierte Referenzen erforderlich. Grundsätzlich könnte dies durch geeignet gemessene Passpunkte geschehen, die als unabhängige Vergleichspunkte herangezogen werden. Häufig ist es jedoch nicht möglich, zuverlässige und mit übergeordneter Genauigkeit vorliegende Passpunkte bereit zu stellen.

Geeigneter sind kalibrierte Maßstäbe, die als Prüflängen für die Ermittlung einer Längenmessabweichung verwendet werden (Beispiel in Bild 8).

Bild 8: Beispiel für einen photogrammetrischen Längenprüfkörper. Testfeldanordnung am IAPG mit Messlinien nach VDI-Richtlinie 2634 (Quelle: Jade Hochschule Oldenburg, IAPG)

Bild 8: Beispiel für einen photogrammetrischen Längenprüfkörper. Testfeldanordnung am IAPG mit Messlinien nach VDI-Richtlinie 2634 (Quelle: Jade Hochschule Oldenburg, IAPG)

In der im Jahr 2000 eingeführten Richtlinie VDI/VDE 2634 „Optische 3-D-Messsysteme“ werden Empfehlungen gegeben, wie geeignete Kenngrößen für punktförmig und flächenhaft antastende Systeme ermittelt werden können und die Rückführbarkeit auf die Einheit Meter gewährleistet wird [20].

Aus den Differenzen gemessener Längen zu ihren kalibrierten und zertifizierten Sollwerten kann ein Längenabweichungsdiagramm abgeleitet werden, das die oberen und unteren Grenzwerte darstellt, zwischen denen sämtliche Längenmessungen liegen. Die Anordnung der Prüflängen erfolgt dabei nach dem in Bild 9 vorgeschlagenen Schema, das innerhalb eines praktikablen Messvolumens eine Anzahl von Prüfstrecken enthält, um in allen Koordinatenrichtungen repräsentative Genauigkeitsaussagen zu erhalten.

Bild 9: Anordnung der Messlinien im Messvolumen (links) und Diagramm der Längenmessabweichung (links) (Quelle: Jade Hochschule Oldenburg, IAPG)

Die daraus ableitbare Längenmessunsicherheit ist konform zu internationalen Normen und bietet Vergleichbarkeit mit entsprechenden Richtlinien aus der taktilen Koordinatenmesstechnik. Für Oberflächenmesssysteme wird statt der Längenmessunsicherheit eine Kugelabstandsabweichung bestimmt, zusätzlich auch Ebenheitsmessabweichung und Antastunsicherheit [13].

Photogrammetrische Offline-Systeme mit hoch auflösenden Digitalkameras erreichen eine Längenmessunsicherheit von 50 µm in einem Messvolumen von ca. 2 x 2 x 2 mm³ bei Verwendung signalisierter Punkte. Erreichbare Messunsicherheit und Kamerakalibrierung stehen dabei in engem Zusammenhang [14]. Flächenhaft messende Streifenprojektionssysteme besitzen eine Messgenauigkeit von ca. 30-50 µm in einem Messvolumen von 0,5 x 0,5 x 0,5 m³.

Zusammenfassung

Die industrielle Nahbereichsphotogrammetrie hat in den letzten Jahren einen erheblichen Aufschwung erlebt. Ursachen sind die heute verfügbaren digitalen Aufnahmesensoren, leistungsfähige Algorithmen zur Bildmessung und Objektrekonstruktion sowie schnelle Rechnertechnik, die zu einem höheren Automationsgrad und damit leichterer Bedienbarkeit photogrammetrischer Systeme geführt haben.

Der Einsatzschwerpunkt dieser Systeme liegt vor allem in der punktweisen Objekterfassung, entweder im Offline-Modus mit sequentieller Bildaufnahme und anschließender Objektauswertung oder im Online-Modus mit simultaner Bilderfassung und taktiler Objektantastung. Zunehmende Bedeutung erlangen photogrammetrische und optische Oberflächenmesssysteme, vor allem auf der Basis von Streifenprojektionsmethoden.

Mit der Erarbeitung einheitlicher Empfehlungen für die Abnahme und Überwachung optischer 3-D-Messsysteme ist eine weitere Grundlage dafür gelegt, dass diese Technologie in der Praxis objektiv bewertet werden kann und damit langfristig zu einer höheren Akzeptanz in der industriellen Messtechnik führt.

Zukünftige Entwicklungen liegen z. B. im Bereich dynamischer Messungen, bei denen schnell ablaufende Prozesse dreidimensional erfasst werden. Ein weiterer Trend geht in Richtung hybrider Messsysteme, bei denen verschiedenste Sensoren mit photogrammetrischen Komponenten verknüpft werden (z. B. Lasertracker oder Laserscanner mit Kameras). Schließlich werden zunehmend Photogrammetriesysteme direkt in die Fertigung integriert, um dort vollautomatisch 3-D-Messaufgaben zur Prozesskontrolle auszuführen.

Literaturhinweis

[1] Atkinson, Keith B. (Hrsg.) 1996: Close-Range Photogrammetry and Machine Vision, Caithness.

[2] Bösemann, Werner 1996: The optical tube measurement system OLM - photogrammetric methods used for industrial automation and process control, in: International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing 31, S. 55-58.

[3] Cronk, Simon/Fraser, Clive S./Hanley, Harry 2006: Automatic metric calibration of colour digital cameras, in: The Photogrammetric Record, 21, S. 355-372.

[4] Dold, Jürgen 1997: Ein hybrides photogrammetrisches Industriemeßsystem höchster Genauigkeit und seine Überprüfung. Dissertation, Universität der Bundeswehr München.

[5] Dold, Jürgen 1999: Stand der Technik in der Industriephotogrammetrie, in: Photogrammetrie-Fernerkundung-Geoinformation, 2, S. 113-126.

[6] Fraser, Clive S./Brown, Duane C. 1986: Industrial photogrammetry - new developments and recent applications, in: The Photogrammetric Record 12, 68, S. 197-217.

[7] Grün, A. 1985: Adaptive least squares correlation - a powerful image matching technique, in: South African Journal of Photogrammetry, Remote Sensing and Cartography 14, 3, S. 175-187.

[8] Heipke, Christian 1991: Integration von Bildzuordnung, Punktbestimmung, Oberflächenrekonstruktion und Orthoprojektion innerhalb der digitalen Photogrammetrie. Dissertation, Universität Hannover.

[9] Kahlmann, Timo 2008: Range Imaging Metrology: Investigation, Calibration and Development; Dissertation, ETH Zürich, Nr. 17392.

[10] Luhmann, Thomas 2010: Nahbereichsphotogrammetrie, 3. Aufl., Wichmann, Heidelberg.

[11] Luhmann, Thomas 2010: Close range photogrammetry for industrial applications. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, Vol. 64/3, pp. 558-569.

[12] Luhmann,Thomas/Wester-Ebbinghaus, Wilfried 1988: Digital Image Processing by Means of Reseau-Scanning, in: Allgemeine Vermessungsnachrichten 5, S. 123-129.

[13] Luhmann, Thomas/Wendt, Klaus 2000: Recommendations for an Acceptance and Verification Test of Optical 3-D Measurement Systems, in: International Archives for Photogrammetry and Remote Sensing 33, Amsterdam, S. 493-499.

[14] Luhmann, Thomas/Godding, Robert 2004: Messgenauigkeit und Kameramodellierung - Kernfragen der Industriephotogrammetrie, in: Photogrammetrie-Fernerkundung-Geoinformation, 1, S. 13-21.

[15] Luhmann, Thomas/Robson, Stuart/Kyle, Stephen/ Harley, Ian 2006: Close-range photogrammetry, Whittles, Caithness.

[16] Luhmann, Thomas/Hastedt, Heidi/Tecklenburg, Werner 2006: Modelling of chromatic aberration for high-precision photogrammetry. Proceedings of the ISPRS Commission V Symposium, Dresden, S. 173-178.

[17] Schneider, Carl Thomas 1991: Objektgestützte Mehrbildzuordnung. Dissertation, Universität Braunschweig.

[18] Staiger, Rudolf 1992: Automatische und dynamische Koordinatenmessung mit mobilen Sensorsystemen, in: Welsch, Walter u.a. (Hrsg.): Geodätische Meßverfahren im Maschinenbau, Schriftenreihe DVW, 1, Stuttgart, S. 81 96.

[19] Tecklenburg, Werner/Luhmann, Thomas/Hastedt, Heidi (Hrsg.) 2001: Camera Modelling with Image-variant Parameters and Finite Elements, in: Proceedings of Optical 3-D Measurement Techniques V, Wien.

[20] Verein Deutscher Ingenieure VDI e. V. (Hrsg.) 2000: VDI/VDE-Richtlinie 2634 Blatt 1 2, Optische 3D-Messtechnik, Beuth, Berlin.

[21] Wester-Ebbinghaus, Wilfried 1985: Bündeltriangulation mit gemeinsamer Ausgleichung photogrammetrischer und geodätischer Beobachtungen, in: Zeitschrift für Vermessungswesen 110, S. 101-111.

[22] Reich, Carsten/Winter, Detlef 1997: Video-3D-Digitalisierung komplexer Objekte mit frei beweglichen, topometrischen Sensoren, in: DGZfP - VDI/VDA-GMA Fachtagung: Optische Formerfassung, GMA-Bericht 30, Langen, S. 119-127.

Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas Luhmann, Institut für Angewandte Photogrammetrie und Geoinformatik, Jade Hochschule Wilhelmshaven/Oldenburg/Elsfleth, D-26121 Oldenburg, Tel.: +49 (0)441 / 7708-3172, Fax: +49 (0)441 / 7708-3170, Mail: thomas.luhmann <AT> jade-hs.de www.jade-hs.de/iapg

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