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Dynamische 3-D-Flächenmessung mit einer Kamera und Stereostrahlteilung

20.03.2007
Mit dem vorgestellten Stereostrahlteilungssystem werden unter Verwendung nur eines Bildsensors Stereobilder erzeugt.

Aus diesen Bildern können photogrammetrisch 3-D-Objektkoordinaten entweder von Einzelpunkten oder ganzen Oberflächen abgeleitet werden. Da nur ein Bildsensor für die Aufnahme benötigt wird, lassen sich dynamische Objektszenen ohne Synchronisationseinrichtungen aufnehmen, da die erfassten Stereobilder per se synchron sind.

Das Exponat zeigt ein Stereostrahlteilungssystem mit dem unter Verwendung nur eines Bildsensors Stereobilder erzeugt werden. Aus diesen Bildern können photogrammetrisch 3-D-Objektkoordinaten entweder von Einzelpunkten oder ganzen Oberflächen, z. B. für dynamisch flächenhafte Verformungsanalysen, abgeleitet werden.

Internationale Richtlinien im Bereich der Fahrzeugentwicklung und -sicherheit stellen zunehmend neue Anforderungen an Automobilhersteller. Im Zuge der Erhöhung der Sicherheitsstandards müssen in unterschiedlichen Fahrzeugsicherheitsversuchen, sogenannten Crashversuchen, zahlreiche Parameter am dreidimensionalen, beschleunigten Objekt nachgewiesen werden. Aufgrund der hohen Dynamik (z. B. Geschwindigkeiten von 60 km/h) erfordert die dreidimensionale Messtechnik neue Lösungen. Im Bereich der 3-D-Messtechnik konnten hierbei ein Messsystem sowie Messverfahren und Algorithmen zur dreidimensionalen Auswertung von Bildsequenzen entwickelt werden.

Eine Kamera für 3-D-Messtechnik

Für die Erfassung dreidimensionaler Objekte werden in der Regel mindestens zwei Bilder benötigt, gleich dem Prinzip des menschlichen Sehens. Bei dynamischen Prozessen, d. h. wenn bewegte Objekte erfasst werden sollen, werden zwei zueinander versetzte Kameras benötigt, die exakt zeitgleich je ein Bild aufnehmen. Für die Praxis erfordert dies die kostenintensive Beschaffung von zwei qualitativ hochwertigen Hochgeschwindigkeitskameras und zusätzlicher Synchronisationseinrichtungen.

In diesem Zusammenhang wurde ein Ein-Kamera-Messsystem entwickelt, das auf dem Prinzip der Strahlteilung basiert. Durch eine Anordnung optischer Komponenten vor z. B. einer Hochgeschwindigkeitskamera können direkt Stereobilder eines definierten Objektes erzeugt werden. Der Einsatz dieses Messprinzips bringt erhebliche Vorteile für die Praxis:

- direkte 3-D-Erfassung von Objekten
- konfigurierbar für diverse Objektgrößen
- kostengünstig und flexibel
- auch geeignet für schwer zugängliche Messbereiche
3-D-Flächenmessung
Die Aufnahme und Messung dynamischer Flächenverformungen bei Fahrzeugsicherheitsversuchen stellt ein neues Aufgabengebiet dar. Für die Oberflächenrekonstruktion werden verschiedene Ansätze basierend auf bildraumbasiertem Stereomatching und objektraumbasierter Mehrbildzuordnung eingesetzt und bewertet. Die praktische Eignung eines Bildzuordnungsverfahrens richtet sich dabei gleichermaßen nach erreichbarer Genauigkeit, Vollständigkeit des Oberflächenmodells, Robustheit gegenüber Störungen, Rechenzeiten, Bedienbarkeit und Verfügbarkeit in einer professionellen Programmumgebung.

Nicht ausreichend texturierte Oberflächen müssen hierbei künstlich mit einem geeigneten Muster versehen werden. Da für die Aufnahme hoher Bildfrequenzen mit Highspeed-Kameras häufig nur wenig Licht bereitgestellt werden kann, eignen sich nur kontrastreiche Muster. Sie sollten darüber hinaus Gradienteninformation in allen Richtungen aufweisen und der gewünschten Objektauflösung angepasst sein. Für Matchingverfahren, die mit Bildpyramiden arbeiten, muss das Muster außerdem noch eine eindeutige Zuordnung in unterschiedlichen Skalen erlauben.

Das Verfahren der 3-D-Flächenmessung für dynamische Fälle soll im Folgenden anhand verschiedener Graphiken und Ergebnissen demonstriert werden. Die Ergebnisse basieren auf einen Datensatz mit 50 ausgewerteten Epochen. Ein texturiertes Oberflächenmodell zeigt ein Ergebnis der implementierten Bildzuordnungsverfahren nach der Verformung.

Zur Darstellung der Entwicklung des flächenhaften Verformungsprozesses wurden weiterhin 4 ausgewählte Epochen in Diagrammen zusammengestellt.

Für die visuelle Analyse können weiterhin Anaglyphenbilder (Rot/Grün-Bilder) hergestellt werden. Die entstehenden Oberflächenmodelle und Auswerteergebnisse erlauben eine qualitative und quantitative Beurteilung des Verformungsprozesses, beispielsweise durch den Zusammenprall von Fahrzeugen und Objekten.

Ansprechpartner:
Institut für Angewandte Photogrammetrie und Geoinformatik
Fachhochschule Oldenburg/Ostfriesland/Wilhelsmhaven
Prof. Dr. Thomas Luhmann
Wissenschaftliche Mitarbeit: Folkmar Bethmann, Heidi Hastedt, Volker Sahrhage
Ofener Str. 16/19
26121 Oldenburg
Telefon: +49 441 7708 3243
Fax: +49 441 7708 3170
E-Mail: iapg@fh-oldenburg.de
www.fh-oow.de/institute/iapg
Pressekontakt:
Fraunhofer-Allianz Vision
Regina Fischer, M.A.
Am Wolfsmantel 33
91058 Erlangen
Telefon: +49 9131 776-530
Fax: +49 9131 776-599
E-Mail: vision@fraunhofer.de
http://www.vision.fraunhofer.de
Das System wird im Rahmen der Sonderschau "Berührungslose Messtechnik" anlässlich der Control 2007 in Sinsheim, 8. bis 11. Mai, in Halle 5, Stand 5304, vorgestellt. Die Sonderschau will einen Beitrag zur Verbreiterung der Akzeptanz berührungsloser Messtechnik leisten, indem an einigen ausgewählten Exponaten die Konstruktionsprinzipien, Eigenheiten und Grenzen der neuen Messmöglichkeiten demonstriert werden. Die Sonderschau findet mit Unterstützung der P. E. Schall GmbH, den Mitgliedern des Control-Messebeirats und der Fraunhofer-Allianz Vision statt.

Regina Fischer | Fraunhofer-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.vision.fraunhofer.de
http://www.vision.fraunhofer.de/de/0/projekte/317.html

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