DE10359361A1

DE10359361A1 - Verfahren und Anordnung zur Gewinnung hochwertiger Panorama-Bildaufnahmen

Info

Publication number: DE10359361A1
Application number: DE2003159361
Authority: DE
Inventors: Ulrich Claus
Original assignee: Clauss Ulrich Dr-Ing
Current assignee: Clauss Ulrich Dr-Ing
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-12-16
Publication date: 2005-12-15

Abstract

Es soll ein Bildaufnahmeverfahren ohne prinzipbedingte Bildwinkelbegrenzung nebst zugehöriger technischer Anordnung entwickelt werden, das den Einsatz herkömmlicher Bildaufnahmekameras ermöglicht und dabei eine hohe Abbildungsqualität mit korrekter Abbildungsgeometrie gewährleistet. Die Bildspeicherung soll in einem universellen Modellkoordinatensystem erfolgen. DOLLAR A Erfindungsgemäß erfolgt die Speicherung der gewonnenen Bildinformation in einem sphärischen Koordinatensystem auf einer virtuellen Kugeloberfläche mit dem Beobachtungspunkt in deren Zentrum, wobei eine kameraspezifische Zuordnungsmatrix zusammen mit einer eventuellen Verschwenkung, Neidung oder Kantung der Kamera bei der Koordinatentransformation berücksichtigt wird. Eine Aufnahmeanordnung zur Durchführung des Verfahrens, eine Methodik zur Kalibrierung der Kamera sowie zahlreiche vorteilhafte Ausgestaltungen werden beschrieben. DOLLAR A Die Erfindung eignet sich für alle Aufgabenbereiche der fotografischen Objektaufnahme im Raum.

Description

Einsatzgebiet und technischer Hintergrund
Die Erfindung betrifft das Gebiet der qualitativ hochwertigen fotografischen Aufnahme dreidimensionaler Objekte im Raum ohne verfahrensbedingte Bildwinkelgrenzen. Ein typisches Anwendungsbeispiel ist die Panoramafotografie zur Herstellung von 360-Grad-Aufnahmen. Weitere Einsatzgebiete sind computergestützte Modellierungs-, Simulations- und Visualisierungsaufgaben, photogrammetrische Dokumentations- und Messaufgaben, sowie diverse multimediale Anwendungen.
Stand der Technik
Die sogenannte echte Panorama-Fotografie erfasst horizontal endlose Aufnahmen mit einem Bildwinkel von 360 Grad. Bestimmte Aufnahmeverfahren erlauben dabei auch eine Ausdehnung des vertikal erfassbaren Bildwinkels auf insgesamt 180 Grad.
Traditionell wird ein über einen Zylinder gespannter fotografischer Film mit einer kreisförmig umlaufenden Aufnahmeoptik durch eine Schlitzblende belichtet. Beispiele hierfür sind insbesondere in den Produkten 28/220, Super 220 VR, Super 35 und Super 70 der Firma Seitz Phototechnik AG, 8512 Lustdorf, Schweiz, zu finden und repräsentieren den derzeitigen technischen Stand der sogenannten analogen Panoramakameras.
Die Grundform der elektronischen scannenden Panoramakamera, bestehend aus einem Zeilensensor in der Bildebene eines Abbildungsobjektives – zusammenfassend als Zeilenkamera bezeichnet – und einem Drehantrieb, ist aus DE 44 28 055 A1 bekannt. Dieser und weitere Lösungsvorschläge, z.B. in DE 199 21 734 C2 oder WO 01/80550 A3, erzeugen eine zylindrische Bildprojektion, das heißt, in vertikaler Richtung bleibt die zentralperspektivische Ebenenprojektion mit dem Nachteil der prinzipbedingten Bildwinkelbegrenzung erhalten. Um diese Begrenzung zu überwinden, werden in DE 299 18 951 U1 oder US 6,545,701 B2 Verfahren vorgeschlagen, bei denen die Zeilenkamera gegenüber der Drehachse geneigt wird, so dass sich faktisch eine Kegelstumpfprojektion ergibt. Solche Aufnahmen haben das Problem, dass kein universell weiter verwendbares Abbildungsmodell vorhanden ist, sondern für jeden Neigungswinkel eine eigene Entzerrungsvorschrift benötigt wird. US 2003/0128276 A1 beschreibt eine Korrekturvorschrift für Panoramaaufnahmen mit nicht senkrechter Stehachse. Ein Zusammenfügen zu vollständig präsentierbaren Panoramen ist auf diese Weise aber unmöglich.
Bekannt ist der Einsatz von Fischaugenobjektiven an scannenden Panoramakameras, die somit einen sehr großen vertikalen Bildwinkel, der auch 180 Grad erreichen kann, erfassen. Wegen der damit verbundenen Objektiveigenschaften ist keine hochauflösende Aufnahme mit genauer Koordinatenzuordnung erzielbar.
DE 197 46 319 A1 schlägt eine Vorrichtung vor, bei der eine punktförmige Projektion auf einen Sensor über zwei senkrecht zueinander rotierende Spiegel erfolgt, so dass im Ergebnis eine sphärische Abbildung erzielt wird. Nachteile dieser Lösung sind der hohe mechanische Fertigungsaufwand und eine sehr lange Aufnahmezeit..
Eine Methode der simultanen, also gleichzeitig in allen Richtungen aufnehmenden, Panorama-Fotografie besteht darin, auf eine mit ihrer optischen Achse senkrecht nach oben gerichtete Flächenkamera eine ringförmige Darstellung der Umgebung zu projizieren, wofür in zahlreichen Veröffentlichungen, u.a. in WO 03/027766 A2, EP 908 053 A1 , US 6,028,719 , US 6,313,865 B1 , US 6,480,229 B1 konvexe asphärische Spiegel verwendet werden. DE 100 00 673 A1 beschreibt Lösungen, bei denen dieser Spiegel eine sphärische Gestalt hat. Eine interessante Aufnahme- und Verarbeitungsmethodik wird in EP 0 971 540 B1 vorgeschlagen, wo ein Fischaugenobjektiv zur Aufnahme eines halbkugelförmigen Gesichtsfeldes dient und eine stetige Abrufbarkeit wahlfreier und perspektivisch entzerrter Überwachungsbilder aus diesem Gesichtsfeld angeboten wird. Dabei wird eine Abbildungsgeometrie postuliert, die in Wirklichkeit nur annähernd zutrifft, weshalb auch die perspektivische Entzerrung nur näherungsweise gelingt. Um für die letztgenannten Methoden den Hauptnachteil der nur ungenügenden Auflösbarkeit des Bildes zu umgehen, integriert EP 816 891 A1 zusätzlich eine bewegliche, höher auflösende Periskopoptik in das Zentrum des Objektivstrahlengangs, verliert aber gleichzeitig den Vorteil der Universalität der Rundum-Abbildung.
Ein anderes Verfahren der simultanen Panorama-Fotografie besteht nach WO 03/038752 A1 oder auch nach DE 199 25 159 A1 in der Verwendung eines aus mehreren Flächenkameras bestehenden Arrays. In US 2002/0075258 A1 wird eine solche Kameraanordnung zusätzlich um eine höher auflösende Kamera mit einem beweglichen Ablenkspiegel ergänzt. Da die Projektionszentren der Einzelkameras in Kamera-Arrays nicht in einem gemeinsamen Punkt liegen können, ist die fehlerfreie Transformation in ein Universalbild nicht möglich. Diesen Nachteil vermeidet eine Vorrichtung nach US 6,560,413 B1 zumindest für einen eingeschränkten Vertikalwinkelbereich, indem Flachspiegel in den Strahlengang der Kameras ergänzt werden.
In der jüngeren Vergangenheit fanden sogenannte Stitching-Methoden große Verbreitung, bei denen eine Anzahl von mittels einer Flächenkamera nacheinander in unterschiedlichen Richtungen aufgezeichneten Bildern zu einem gemeinsamen Bild kombiniert wird. Die wohl verbreitetste Anwendung dieser Art ist vom Computer-Softwareprodukt Quick-Time VR der Firma Apple Computer, Inc., Cupertino, CA 95014-2084 bekannt. Dort erfolgt die Speicherung der Bildinformationen auf der Oberfläche eines virtuellen Würfels, was unterschiedliche partielle Auflösungen für verschiedene Betrachtungswinkel zur Folge hat. Weitere Vorschläge ähnlicher Lösungen finden sich in US 2001/803802 und WO 01/93199 A1.
In US 2003/0128975 A1 wird ein Multifunktions-Stativkopf vorgestellt, der den Abgleich des Projektionszentrums – des sogenannten Nodalpunktes – der Einzelkamera auf die Drehachse erleichtert. Weitere bekannte technische Ausführungen unterstützen die Horizontalwinkel-Änderung elektromotorisch mit programmierbaren Winkelschritten, besitzen aber gegenüber den Abmessungen der Kamera erhebliche Ausdehnungen und sind deshalb relativ unhandlich. Zur universellen Nodalpunkt-Justage verschiedener Kameratypen werden weiterhin große und sperrige Befestigungswinkel benutzt.
Zur Vereinfachung der Anwendung der Methodik wird in WO 99/51027 die Ausstattung der Aufnahmekamera mit einem zusätzlichen Bewegungssensor vorgeschlagen.
Problematisch für alle bekannten Stitching-Methoden ist der Umstand, dass generell keine korrekte und universelle Zuordnung zwischen den Original- und den gespeicherten Bildkoordinaten erfolgt und die Abbildungseigenschaften der Objektive bestenfalls abgeschätzt werden. So können auch die Übergangsbereiche zwischen benachbarten Einzelbildern nur angenähert werden. Aus den Publikationen der Deutschen Gesellschaft für Photogrammetrie und Fernerkundung, Band 2, Augsburg 1993, S. 61-70 ist eine Schwenk-Neige-Kamera bekannt, die zur Erfassung eines größeren Objektbereiches die Aufnahmekamera mittels eines servo-gesteuerten Schwenk-Neige-Systems reproduzierbar in ihrer Lage steuert und Einzelbilder aus den verschiedenen Positionen aufzeichnet. Eine Lösung zur Übernahme dieser Einzelbilder in ein universelles Bildsystem wird nicht angegeben.
Eine gewisse Verwandschaft mit Panoramakameras haben sogenannte Überwachungskameras, die fernsteuerbar auf einem Schwenk-Neige-Kopf montiert sind. Ein besonders ausgereiftes System einer solchen Steuerung wird in US 5,633,681 vorgestellt. Überwachungskameras sind aber wegen ihres Gesamtkonzeptes für die Panoramaaufnahme nicht geeignet.
Im Wesentlichen haben sich am Markt zwei grundsätzliche Verfahren zur Panoramaaufnahme durchgesetzt: Für hohe Ansprüche an die Wiedergabetreue werden analoge oder digitale Panoramakameras – letztere nach dem Prinzip mit scannender Zeilenkamera – eingesetzt. Wegen der relativ geringen Produktionsstückzahlen solcher Kameras sind deren Kosten vergleichsweise hoch. Für geringere Ansprüche an die Abbildungsqualität verwendet man deshalb das beschriebene Stitching-Verfahren unter Zuhilfenahme zweckentsprechender Computer-Software und einer beliebigen Fotokamera, die von Aufnahme zu Aufnahme mit geeigneten Hilfsmitteln um definierte Winkelschritte gedreht wird. Methodisch bedingte Bildfehler, die besonders in den Grenzbereichen zwischen den Einzelbildern als Anomalien sichtbar sind, müssen dabei in Kauf genommen werden.
Technische Aufgabenstellung
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung besteht darin, ein Bildaufnahmeverfahren ohne prinzipbedingte Bildwinkelbegrenzung nebst zugehöriger technischer Anordnung zu entwickeln, das, ähnlich dem bekannten Stitching-Verfahren, den Einsatz herkömmlicher Bildaufnahmekameras und zugehöriger Beleuchtungstechnik, wie Blitz- und Sekundärblitzgeräte, ermöglicht, gleichzeitig aber eine ähnlich hohe Abbildungsqualität mit korrekter Abbildungsgeometrie, vergleichbar mit den Ergebnissen von bekannten Panoramakameras, gewährleistet. Die Anordnung hierfür soll möglichst raumsparende Konstruktionsmerkmale aufweisen und sich an die verwendete Bildaufnahmekamera konstruktiv gut anpassen.
Die Bildspeicherung in einem universellen Modellkoordinatensystem soll den Export von zentralperspektivischen Einzelansichten mit beliebiger Lage einer virtuellen optischen Achse ermöglichen.
Problemlösung
Das Problem wird mit dem im Anspruch 1 gekennzeichneten Verfahren und der im Anspruch 10 gekennzeichneten Anordnung gelöst. Anspruch 24 löst weiterhin das Problem der korrekten Kalibrierung der erfindungsgemäßen Anordnung. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in allen weiteren Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung verwendet als Koordinatensystem für die Speicherung aller Bildinformationen grundsätzlich das Polarkoordinatensystem. Gegenüber allen anderen Koordinatensystemen hat dies den entscheidenden Vorteil, keinerlei Vorzugsrichtungen oder Bildhauptpunkte zu benötigen und somit zur Aufnahmezeit keine Vorbedingungen festzulegen, die eine nachfolgende Bearbeitung mit wahlfreien Projektionsrichtungen einschränken würde. Alle bekannten Kamera-Koordinatensysteme sind planar, weshalb zunächst eine Koordinatentransformation erforderlich ist.
Gemäß 1 wird um den Mittelpunkt O, der mit dem Kamerastandort identisch ist und als Beobachtungspunkt bezeichnet wird, eine virtuelle Kugelfläche K gelegt. Zur vereinfachten Betrachtung habe der Kugelradius als Einheitsradius die Länge 1. Ein kartesisches Koordinatensystem (x, y, z) mit seinem Ursprung im Mittelpunkt O beschreibe eine willkürliche Richtungsorientierung. Ein überlagertes sphärisches Koordinatensystem (λ ,ϕ) liege mit seiner Äquatorialebene E in der Ebene (x, y). Der Abbildungsstrahl von einem beliebigen Objektpunkt P zum Beobachtungspunkt O durchdringt die Kugelfläche in einem Bildpunkt P', dessen Koordinaten mit dem Horizontalwinkel λ_P und dem Vertikalwinkel ϕ_P eindeutig beschrieben sind.
Alle vom Beobachtungspunkt O aus sichtbaren Objektpunkte werden also auf der gedachten Kugeloberfläche in homogener Weise abgebildet, ohne dass hierbei die Lage in Bezug auf die Orientierung der Koordinatensysteme eine Rolle spielt. Letztere dienen nur als Basis für die Zuweisung messbarer Koordinaten und werden willkürlich festgelegt. Weil das gesamte sphärische Abbild rund um einen Beobachtungspunkt auf das Koordinatensystem (x, y, z) mit seinen Winkelkoordinaten (λ ,ϕ) bezogen ist, sei dieses nachfolgend im Unterschied zum Bildkoordinatensystem als Modellkoordinatensystem bezeichnet, auch wenn dieser Begriff noch in einem etwas anderen Zusammenhang gebräuchlich ist.
Die Gewinnung der Bilddaten, die auf die Kugelfläche abzubilden sind, geschieht erfindungsgemäß nicht zu einem einheitlichen Zeitpunkt für die gesamte Kugelfläche, sondern aus einer Kombination einzelner, nacheinander aufzuzeichnender Ausschnitte dieser Fläche. Die Aufnahmekamera, die jeweils nur ein im Bildwinkel begrenztes Fragment der Kugelfläche aufzeichnet, wird hierzu gemäß 2 um ihr Projektionszentrum mit bestimmtem Horizontalwinkel 0 ≤ α < 2π geschwenkt und mit bestimmtem Vertikalwinkel
geneigt.
Ausgehend von einer mit einem Rechteck begrenzten Projektionsfläche B der Kamera wird in dieser Kameraposition die Bildinformation für ein Teilstück F der Kugelfläche gewonnen. Entsprechend 3 ist die Kamera K vorteilhaft in einer kardanischen Aufhängung gelagert, die eine Verschwenkung um die senkrechte Stehachse VV und Neigung um die horizontale Kippachse HH, deren Schnittpunkt im Projektionszentrum der Kamera auf der optischen Achse ZZ liegt, ermöglicht.
Ohne Einschränkung der Allgemeingültigkeit wird die z-Achse in die Stehachse gelegt, während die x-Achse einen Anfangswinkel α = 0 der Schwenkbewegung um die Stehachse kennzeichnet. Eine solche Konstellation ermöglicht es, einen prinzipiell zu berücksichtigenden Kantungswinkel der Kamera um ihre optische Achse generell auf Null festzulegen, wodurch sich die analytischen Gleichungen erheblich vereinfachen.
Eine Aufnahmekamera, die auf eine ebene Sensormatrix projiziert, erzeugt eine Abbildung mit diskreten rechtwinkligen Koordinaten. Bereits die Anschauung von 2 verdeutlicht aber, dass eine Zuordnung zwischen dem ebenen Kamerabild B und dem gewölbten Abschnitt der Kugeloberfläche F eine mathematische Umrechnungsvorschrift erfordern würde.
Diese Umrechnung ist zu umgehen, wenn die Pixelkoordinaten der Kamera nicht wie allgemein üblich in einem rechtwinkligen Koordinatensystem, sondern grundsätzlich in polaren Winkelkoordinaten kalibriert sind.
Während eines Kalibriervorgangs wird deshalb eine Zuordnungsfunktion zwischen den planaren Bildkoordinaten und den sphärischen Modellkoordinaten ermittelt oder jedem diskreten Bildelement des Sensors ein Wertepaar aus Horizontal- und Vertikalwinkel zugeordnet und in einer Korrekturmatrix abgelegt. 4 illustriert den geometrischen Zusammenhang. Ein Objektpunkt P mit bekannten Winkelkoordinaten (λ'_P, ϕ'_P) im Bildkoordinatensystem (x', y', z') wird auf der Bildfläche B mit den Pixelkoordinaten (g_P', h_P') abgebildet. Zur Vereinfachung wird bei dieser, wie auch allen weiteren Bildprojektionen die Bildfläche in der sogenannten Positivlage dargestellt. Selbstverständlich entstehen die Bilder physikalisch durch das Projektionszentrum hindurch in der Negativlage, haben aber dabei zur Positivlage völlig identische Maßbeziehungen.
Die genannte Kalibrierweise kommt auch der radialen Verzeichnung der meisten Objektive entgegen, bei denen die ansich zum Tangens proportionale Abbildungsfunktion in Richtung einer winkelproportionalen Abbildung linearisiert ist.
Üblicherweise liegen die Pixelkoordinaten in diskreter Form als Positionsnummer der zugehörigen Pixel in einer Bitmap, also als zweidimensionale Wertetabelle, vor. Die jedem Bildpixel zuzuordnenden radiometrischen Werte (Farbwert, Grauwert) können aber zwischen den diskreten Koordinatenschritten nach geeigneter Vorschrift zu einer stetigen Funktion interpoliert werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Pixelkoordinaten von Messmarken, die zur Kamerakalibrierung abgebildet werden, in stetigen Koordinaten zu messen oder den diskreten Pixeln in stetigen Koordinaten gemessene Winkelpaare zuzuordnen, was zu einer Matrix der Form
führt. Die Ausdehnung G × H entspricht der Anzahl physikalischer Sensorelemente des Bildsensors. Eine solche Matrix kann als Ergebnis einer Kamerakalibrierung als Korrekturmatrix in einer Datei abgelegt werden.
Um die Größe der Korrekturmatrix zu reduzieren, kann die Anzahl der Stützstellen für die Korrekturfunktion weit unter die Anzahl der Sensorelemente G × H gesenkt werden, indem eine stetige Zuordnungsfunktion interpoliert wird.
Eine besonders vorteilhafte Vorgehensweise zur Kalibrierung wird weiter unten angegeben. Die mit Hilfe der Kalibrierung ermittelten Winkelzuordnungen gelten für das Bildkoordinatensystem (x', y', z') und unter der Bedingung {α = 0; β = 0} auch für das Modellkoordinatensystem (x, y, z). Für den Normalfall ist eine Koordinatentransformation zwischen beiden Systemen mit gemeinsamem Ursprung durchzuführen.
5 zeigt die Transformationsaufgabe. Das Modellkoordinatensystem (λ ,ϕ) ist in ein vordefiniertes Winkelraster mit den konstanten Winkelschritten (Δλ, Δϕ) diskretisiert.
Soweit entsprechende Bilddaten zur Verfügung stehen, soll jeder Schnittpunkt dieses Winkelrasters mit einem radiometrischen Bildwert besetzt werden. Vom verfügbaren Einzelbild sind der Verschwenkungswinkel α und der Neigungswinkel β bekannt. Zur Berechnung des Winkelpaares (λ', ϕ') aus den Modellkoordinaten (λ, ϕ) dient der Operator T mit der für das kartesische Koordinatensystem herleitbaren Rotationsgleichung
Mit der Polarkoordinaten-Substitution x = r·cosϕ·cosλ y = r·cosϕ·sinλ z = r·sinϕund der Randbedingung r = 1 für den gemeinsamen Einheitsradius gelangt man zur Gleichung
Die Lösung dieses Gleichungssystems führt zu
Im nächsten Schritt sind innerhalb der Korrekturmatrix die zum ermittelten Wertepaar (λ', ϕ') benachbarten Pixel (j, i), (j, i + 1), (j + 1, i) und (j + 1, i + 1) nach der Vorschrift Λji < λ' ≤ Λj(i+1) Φji < ϕ' ≤ Φ(j+1),i zu finden. Aus diesen vier Pixeln der Originalaufnahme wird nun im Operator I ein mittlerer Wert für die Zwischenkoordinaten durch gewichtete Interpolation, z.B. nach der Gleichung
mit c1 = λ' – Λji, c2 = λ' – Λj(i+1), c3 = ϕ' – Φji, c4 = ϕ' – Φ(j+1)i errechnet. Mit der vorherigen Koordinatentransformation (λ, ϕ) → (λ', ϕ') wurden somit die radiometrischen Werte für die Modellkoordinaten gefunden.
Die vorgeschlagene radiometrische Berechnung hat auch dann Gültigkeit, wenn zwischen diskreten Pixeln im Originalbild eine größere Pixelzahl in den Modellkoordinaten entsteht, die geometrische Auflösung also zumindest partiell erhöht wird. Werden im anderen Fall weniger Pixel gesetzt, so dass Lücken zwischen den Originalkoordinaten entstehen, müssen weitere angrenzende Pixel in die Rechnung einbezogen werden, um mit einer Tiefpass-Filterung Aliasing-Effekte zu vermeiden.
In der beschriebenen Art und Weise lassen sich beliebige Kamerabilder, die unter den genannten Bedingungen entstehen, in das sphärische Modellkoordinatensystem übernehmen. Dabei werden die Bildränder wegen der sphärischen Verzerrung gekrümmt, so dass beim Aneinanderfügen der Bilder ein Überlappungsbereich entsteht. Neben der Möglichkeit, die Ränder entlang des Gradnetzes im Modellsystem zu beschneiden und an den dann geraden Kanten zusammen zu setzen, kann ein weiches Überblenden innerhalb des Überlappungsbereiches vorteilhafter sein. Auf diese Weise können zum Beispiel Belichtungsunterschiede zwischen den Einzelbildern ausgeglichen werden. Hierzu werden die nach Abstandskriterien normiert gewichteten radiometrischen Werte des einen Bildes mit denen des anderen Bildes kombiniert, was auch mit mehr als zwei einander überlappenden Bildern erfolgen kann.
Die Überlappungsbereiche sind aber auch zur Kontrolle der Passgenauigkeit von Einzelfragmenten geeignet. Grundsätzlich ist mit Positionierungsfehlern zu rechnen, die zu Passfehlern beim Aneinanderfügen führen. Aus der Photogrammetrie sind sogenannte Matching-Methoden bekannt, die den Grad der Übereinstimmung anhand numerischer Analysen der Bildinhalte bestimmen. Wird eine solche Methode im Überlappungsbereich angewandt, zum Beispiel in Form einer Kreuzkorrelationsanalyse, so lassen sich durch geringfügige Variation der Winkeldifferenz zwischen beiden Bildern der Übereinstimmungsgrad verbessern und mechanische Toleranzen des Aufnahmesystems korrigieren.
Für die Durchführung des beschriebenen Verfahrens wird die nachfolgend beschriebene Schwenk-Neige-Vorrichtung als Ergänzung für gewöhnliche Bildaufnahmekameras vorgeschlagen.
Die Schwenk- oder Stehachse bildet mit der Neige- oder Kippachse einen gemeinsamen Schnittpunkt, in dem sich auch das Projektionszentrum der Kamera befinden muss. Um eine Vielzahl verschiedener Kameramodelle in diesen Schnittpunkt einrichten zu können, erfolgt die Kamerabefestigung über ein kreuzweise verstellbares Schienensystem, das auf einer in ihrem Radius verstellbaren, in der Kippachse drehbaren Wippe befestigt ist. Die Drehlagerung dieser Wippe ist seitlich in einem Rahmen befestigt, an dessen Unterseite sich eine weitere Drehlagerung für die Schwenkbewegung befindet. Wippe und Rahmen können sowohl L- wie auch U-förmig ausgeführt sein. Zwei voneinander unabhängige elektromotorische Antriebe, die mit den beiden Drehlagerungen über Reduktionsgetriebe verbunden sind, gestatten die elektrisch gesteuerten Drehbewegungen um beide Achsen.
Für die Programm gesteuerte Koordination dieser Bewegungen und deren Synchronisation mit der Bildaufnahme besitzt die Schwenk-Neige-Vorrichtung eine eingebaute Mikrocontroller-Steuerung, die über allgemein übliche Bedienungs- und Programmierschnittstellen verfügt. Auch die Stromversorgung für Antriebe und Steuerung ist vorteilhaft im beschriebenen Rahmen untergebracht, so dass bei den Drehbewegungen keine elektrischen Leitungen mit zu bewegen sind.
Für die Kalibrierung der Kamera in sphärischen Koordinaten bietet das beschriebene Grundkonzept eine simple und dennoch methodisch korrekte und effektive Lösungsmöglichkeit an. Dadurch, dass sowohl Neige-, wie auch Verschwenkwinkel der Kamera mit der Vorrichtung positionierbar sind, genügt das Aufstellen einer Zielmarke in Höhe des Projektionszentrums vor die Kamera und die folgende Vorgehensweise:
Die Aufnahmekamera bildet die stationäre Zielmarke fortlaufend ab, während sie von Bild zu Bild von der Vorrichtung mit bekannten Winkelschritten geschwenkt und geneigt wird. Hierfür kann ein für die Kalibrier-Betriebsart programmierter und per Bedienmenü aktivierbarer Software-Modul vorgesehen werden, der dies als automatisierten Programmablauf ausführt.
Aus den Bildaufnahmen werden jeweils die Abbildungskoordinaten der Messmarke im Kamerakoordinatensystem ermittelt und den Winkelschritten während der Aufnahme zugeordnet. Dabei muss zunächst von einem unbekannten Anfangswinkel ausgegangen werden, solange die optische Achse nicht bestimmt ist. 6 zeigt in einem Beispiel die Aufnahme einer Messmarke in 8 Positionen bei Variation des Horizontalwinkels α um feste Winkelschritte Δα. Die Marke (1) wurde dabei zunächst willkürlich dem Winkel α = 0 zugeordnet.
Die punktuellen Zuordnungen dienen nun als Stützstellen einer zu findenden Zuordnungsfunk tion. Zur Interpolation der Zuordnungsfunktion werde ein Polynom N-ter Ordnung verwendet. A priori ist davon auszugehen, dass diese Funktion punktsymmetrisch zum Schnittpunkt aus Bildhauptpunkt in der Abszisse und dem mit der optischen Achse zusammen fallenden Einfallswinkel in der Ordinate ist. Der Bildhauptpunkt wird in der Mitte des Bildes angenommen und der Position x = 0 zugeordnet. Hieraus folgt, dass alle geradzahligen Glieder des Polynoms verschwinden. Der Gleichungsansatz lautet somit α(x) = a2n+1x2n+1 + a2(n-1)+1x2(n-1)+1 + ... + a1x + a0,wobei in der Praxis ein Abbruch spätestens in der 7. Ordnung ausreicht. Die Interpolationsgleichung laute also α(x) = a7x7 + a5x5 + a3x3 + a1x + a0.
Die Bestimmung der gesuchten Koeffizienten a₇...a₀ erfolgt nach dem Prinzip der kleinsten Fehlerquadrate für alle k Wertepaare (x_i, α_i), also mit
Nach partieller Differenzierung und Nullsetzung ergibt sich das zu lösende Gleichungssystem zu
Durch Einsetzen der beobachteten Wertepaare (x_i, α_i) ist die Lösung dieses linearen Gleichungssystems innerhalb einer auf dem Bildverarbeitungssystems ausführbaren Software trivial. Der Koeefizient a₀ beschreibt dabei die Winkelverschiebung gegenüber dem zunächst angenommenen Nullwinkel im ersten Messpunkt. Im Ergebnis erhält man eine für die kalibrierte Kamera im Rahmen unveränderter Objektiveinstellungen konstante Zuordnungsfunktion α(x) β(y) oder allgemein für die radial-symmetrische Betrachtung γ(r) , mit deren Hilfe die oben beschriebene Transformation aller Bilder in das sphärische Modellkoordinatensystem vorgenommen werden kann.
Ausführungsbeispiel
7 und 8 veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel in erfindungsgemäßer Ausführung. An einem U-förmiger Rahmen (1) ist eine ebenfalls U-förmige Wippe (2) beidseitig drehbar befestigt. Die Lage des Drehpunktes in der Wippe, bzw. deren Radius, ist entlang von Schlitzen (3) verschiebbar und mit Stellmuttern (4) arretierbar. Eine Skale (5) erleichtert dabei die Einstellung. Am unteren Holm der Wippe ist ein Träger (6) so befestigt, dass er durch Lösen der Stellschrauben (7) kreuzweise verschoben und arretiert werden kann. Auch hier erleichtern Skalen (8, 9) die richtige Einstellung. Am hinteren Ende des Trägers befindet sich eine Schnellspannvorrichtung (10) in allgemein gebräuchlicher Ausführung zur Befestigung der Kamera. Einseitig im Rahmen ist die Drehachse der Wippe mit einem elektrischen Antrieb (11) verbunden, der zum Beispiel einen Schrittmotor oder einen Gleichstrommotor mit Winkelencoder enthält. Ein ähnlich aufgebauter Antrieb (12) befindet sich an der Unterseite des Rahmens und verdreht die Befestigungsplattform (13) gegenüber dem Rahmen. Wird die gesamte Anordnung mit dieser Plattform am Aufnahmestativ befestigt, so ergibt sich daraus eine Drehbewegung des Rahmens um die Stehachse. Die Bezeichnungen HH und VV kennzeichnen nochmals die beiden Drehachsen im Vergleich zu 3. Im Inneren des Rahmens ist die gesamte Steuerelektronik mit dem Mikrocontroller untergebracht, der über Drucktasten (14) und ein Display (15) bedient werden kann. Hinter einer Klappe (16) befinden sich wechselbare Akkumulatorbatterien für die Stromversorgung. Über eine Ladebuchse (17) können diese im Gerät aufgeladen werden. Eine Dosenlibelle (18) ermöglicht die genaue Horizontierung der Anordnung vor Aufnahmebeginn. Die Antenne (19) deutet auf das Vorhandensein eines integrierten Fernsteuerempfängers hin, der eine Funkfernsteuerung des Aufnahmevorgangs erlaubt. Ein durch die Kippachse geführtes Auslöserkabel mit Stecker (20) dient zur Verbindung mit der Kamera, um die Einzelaufnahmen synchron zu den Positionsänderungen vom Mikrocontroller auslösen zu können.
Um den Drehantrieb in der Kippachse zu entlasten kann die Wippe zusätzlich verstellbare Gegengewichte aufweisen, mit denen der Masseschwerpunkt in die Kippachse verschiebbar ist. Für Aufnahmen unter bestimmten Lichtbedingungen ist die zusätzliche Befestigung einer Objektbeleuchtung – vorzugsweise einer Foto-Blitzlampe – auf der Wippe möglich, so dass diese gemeinsam mit der Kamera geschwenkt und geneigt wird.

Claims

Verfahren zur Gewinnung hochwertiger Panorama-Bildaufnahmen mit einer fotografischen oder fotoelektrischen Kamera mit planarer Abbildungsgeometrie, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherung jedes gewonnenen Bildes in einem sphärischen Koordinatensystem erfolgt, das zur informationstechnischen Beschreibung der optischen Bildprojektion durch den zentralen Beobachtungspunkt im Raum auf eine virtuelle Kugeloberfläche mit dem Beobachtungspunkt in deren Zentrum dient und dass zu diesem Zweck eine Koordinatentransformation der bei der Bildaufnahme durch planare Zentralprojektion gewonnenen primären Bildelemente in diskrete Horizontal- und Vertikalwinkelschritte vorgenommen wird, wobei sowohl eine kameraspezifische Zuordnungsfunktion oder Zuordnungsmatrix zwischen den diskreten Bildelementen im Bildraum und den zugehörigen Einfallswinkeln im Objektraum, wie auch eine eventuelle Verschwenkung, Neigung oder Kantung der Kamera, nach den aus der analytischen Geometrie bekannten Regeln berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Koordinatentransformation nicht sofort während der Aufnahme, sondern später anhand der zwischengespeicherten Einzelbilder und der Zuordnungsfunktion oder Zuordnungsmatrix erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle der fotografischen Abbildung auf einen fotochemischen Bildträger vor der Koordinatentransformation eine Diskretisierung in primäre Bildelemente durch optoelektronisches Abtasten, z.B. mit Hilfe eines Flachbettscanners, bei genau definierter Lage des Bildträgers in der Abtastvorrichtung erfolgt, wonach die Bildinformation in der gleichen Form vorliegt, als stamme sie direkt von einer fotoelektrischen Kamera.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung der radiometrischen Pixelinformationen der primären Bildkoordinaten zu den diskreten Koordinaten des sphärischen Zielsystems durch Interpolation der nächstliegenden benachbarten diskret zuweisbaren Winkelkoordinaten unter Berücksichtigung entfernungsabhängiger Wichtungsfaktoren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verschwenken und/oder Neigen in definierten Winkelschritten um einen zentralen Beobachtungspunkt, durch wiederholte Bildaufnahme in jeder dieser diskreten Kamerapositionen und durch Ergänzung der als Teilbilder gewonnenen neuen Bildinformationen zum gemeinsamen sphärischen Koordinatensystem das Objektfeld rings um den Beobachtungspunkt schrittweise abgetastet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der Vergrößerung des insgesamt erfassten Bildwinkels die Winkelschritte so groß gewählt werden, dass sich die erfassten Einzelbilder an ihren Rändern aneinanderfügen oder überlappen, wodurch eine lückenlose Projektion des gesamten Gesichtsfeld auf die ganze Kugelfläche möglich ist.
Verfahren nach Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass Bildkoordinaten-Abweichungen, zwischen benachbarten Einzelbildern, die hauptsächlich von mechanischen Bewegungstoleranzen beim Schwenken oder Neigen verursacht werden und sich durch abweichende Bildinformationen in überlappenden Bereichen ausdrücken, mit Hilfe arithmetischer Koordinatenanpassungen so korrigiert werden, dass sich für den Überlappungsbereich eine größtmögliche Einpassung gleicher radiometrischer Bildinformationen ergibt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Überlappungsbereichen zwischen den Teilbildern ein allmählicher Übergang von einem Teilbild zum anderen durch gewichtete Überlagerung der radiometrischen Bildinformationen hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Verkantungen vor Beginn der Bildaufnahme eine Horizontierung der Aufnahmevorrichtung vorgenommen wird, bei der die Verschwenkungs- und Neigeachsen in vertikale, bzw. horizontale Lage gebracht werden.
Anordnung zur Gewinnung hochwertiger Panorama-Bildaufnahmen, mit Hilfe einer fotografischen oder fotoelektrischen Kamera mit planarer Abbildungsgeometrie, die kardanisch mit vorzugsweise durch ihr Projektionszentrum verlaufenden Drehachsen gelagert und mit elektrisch einzeln steuerbaren Antrieben für die Horizontal- und den Vertikalwinkeleinstellung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereingang der Kamera, insbesondere deren Auslöser, und die Steuerein- und Encoderausgänge der Antriebe mit einer zentralen Steuerung, vorzugsweise in Form eines Mikrorechners, verbunden sind, die weiterhin einen Programmspeicher aufweist, wobei dieser Steuerrechner auch die Funktion einer programmgesteuerten Synchronisiereinrichtung der Antriebe untereinander und gegenüber der Kamerasteuerung erfüllt, und dass sowohl die Drehlagerungen, wie auch die Antriebe mit geeigneten mechanischen Elementen, insbesondere mit Präzisionsgetrieben und Winkelencodern, versehen sind, die eine genügend schnelle und genaue Positionsänderung gewährleisten.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera mittels eines durch kreuzweise Verschiebung einstellbaren Trägers auf einer beidseitig in einem Rahmen um eine vorzugsweise horizontal orientierte Kippachse drehbar gelagerten Wippe befestigt und mit einem Drehantrieb versehen ist, und dass der Rahmen seinerseits einen Drehantrieb um eine vorzugsweise vertikal orientierte Stehachse aufweist, wobei die radiale Lage der Wippe zur Kippachse verstellbar ausgeführt ist, so dass die Lage des Projektionszentrums der Kamera in drei Richtungen mit dem Schnittpunkt aus Kipp- und Stehachse in Übereinstimmung gebracht werden kann.
Anordnung nach Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die zentrale Steuerung wie auch die Stromversorgung mit im genannten Rahmen untergebracht sind.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen Bedienelemente, wie ein Display und ein Tastenfeld, besitzt, die zur Eingabe der Steuerparameter und zum Auslösen der Kamera geeignet sind.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuerung mit einer Fernbedieneinheit zu ihrer teilweisen oder vollständigen Bedienung mittels einer elektrischen Leitung, einer Funkverbindung, einer Infrarot-Verbindung oder ähnlichen geeigneten Kanälen verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wippe ein verstellbares Gegengewicht aufweist, mit dem bei montierter Kamera eine Verschiebung ihres resultierenden Schwerpunktes in die Kippachse ermöglicht wird.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Beleuchtungseinrichtung mechanisch starr mit der Kamera so verbunden ist, dass das Objekt innerhalb der von der Kamera abgebildeten Region beleuchtet wird.
Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtungen Blitzleuchten sind, die mit der Kamera über eine Synchronisiereinrichtung verbunden sind.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einer Horizontiereinrichtung verbunden ist oder einen standardisierten mechanischen Adapter, vorzugsweise einen Steckzapfen, aufweist, der mit marktüblichen Horizontiereinrichtungen verbunden werden kann.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie für ihre Horizontierung wenigstens eine Kontrolleinrichtung, vorzugsweise eine Dosenlibelle, aufweist.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie für ihre Horizontierung eine automatische Horizontiereinrichtung in bekannter Bauart aufweist.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese auf oder an einem Hochstativ in Form einer Teleskop-, Kran- oder Galgenkonstruktion befestigt ist, um Luftbild ähnliche Aufnahmen fertigen zu können.
Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Hochstativ auf oder an einem Fahrzeug montiert ist.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese an einem Fesselballon montiert ist, um Luftbild ähnliche Aufnahmen fertigen zu können.
Verfahren zur Kalibrierung einer Aufnahmekamera für ihre Nutzung im Verfahren gemäß Anspruch 1 unter Zuhilfenahme einer Anordnung gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der kameraspezifischen Zuordnungsfunktion oder -matrix wenigstens eine feste Zielmarke im Raum aus einem festen Beobachtungspunkt heraus mit mehreren Aufnahmen abgebildet wird, wobei sich diese Einzelaufnahmen durch unterschiedliche aber bekannte Schwenk- und Neigungswinkel der Kamera unterscheiden, und dass anschließend eine Zuordnung der sich hieraus ergebenden bekannten Einfallswinkel zu den primären Bildkoordinaten erfolgt, indem die gewonnenen diskreten Wertepaare, bestehend aus Einfallswinkeln und Bildkoordinaten, im Sinne von Stützstellen einer Zuordnungsfunktion nach allgemein bekannten Interpolationsregeln ausgewertet werden.