Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung Untersuchungen zur Genauigkeit von Streckenmessungen mit einer fokussierten plenoptischen Kamera im Fernbereich Hannes Sardemann Oldenburg, 04.02.2016 Gliederung Motivation Funktionsprinzip Plenoptische Kamera • Standard plenoptische Kamera • Fokussierte plenoptische Kamera Kalibrierung Streckenmessungen Ebenheitsmessungen Fazit und Ausblick 04.02.2016 Untersuchungen zur Genauigkeit von Streckenmessungen mit einer fokussierten plenoptischen Kamera im Fernbereich 2 / 22 Motivation – Funktionsprinzip – Kalibrierung – Strecken - Ebenheit Motivation 04.02.2016 Georgiev, 2006 http://graphics.stanford.edu/projects/array/ Ein Raster aus vielen Bildern bildet eine Szene 3D ab Einfachste Variante: Raster aus vielen Kameras Etwas kompakter: Raster aus Linsen Untersuchungen zur Genauigkeit von Streckenmessungen mit einer fokussierten plenoptischen Kamera im Fernbereich 3 / 22 Motivation – Funktionsprinzip – Kalibrierung – Strecken - Ebenheit Motivation www.raytrix.de 04.02.2016 Untersuchungen zur Genauigkeit von Streckenmessungen mit einer fokussierten plenoptischen Kamera im Fernbereich 4 / 22 Motivation – Funktionsprinzip – Kalibrierung – Strecken - Ebenheit Motivation Plenoptische Kameras können zur Streckenmessung und damit zur 3D Punktbestimmung verwendet werden Bisher hauptsächlich im Nahbereich eingesetzt: • Johannsen et al., 2013; bis 50 cm, 100 mm Objektiv: Soll- Ist: 1 – 2 mm • Luhmann et al., 2014; bis 50 cm, 24 mm Objektiv: Standardabweichung der Streckenmessung: 3,5 mm Ebeneheitsmessabweichung: 25 mm • Zeller et al., 2014; bis 5 m, 35 mm Objektiv: RMS 75 mm Einsatz im Mittel- und Fernbereich bis 100 m auch möglich ? 04.02.2016 Untersuchungen zur Genauigkeit von Streckenmessungen mit einer fokussierten plenoptischen Kamera im Fernbereich 5 / 22 Motivation – Funktionsprinzip – Kalibrierung – Strecken - Ebenheit Die plenoptische Kamera unterschiedliche Bauweisen: • Standard plenoptische Kamera: www.lytro.com www.lytro.com • Fokussierte plenoptische Kamera: www.raytrix.de 04.02.2016 www.raytrix.de Untersuchungen zur Genauigkeit von Streckenmessungen mit einer fokussierten plenoptischen Kamera im Fernbereich 6 / 22 Motivation – Funktionsprinzip – Kalibrierung – Strecken - Ebenheit Standard plenoptische Kamera Hauptlinse Sensor b MLA Objekt f f fL b bL fL aL i,j 04.02.2016 k,l Untersuchungen zur Genauigkeit von Streckenmessungen mit einer fokussierten plenoptischen Kamera im Fernbereich 7 / 22 Motivation – Funktionsprinzip – Kalibrierung – Strecken - Ebenheit Standard plenoptische Kamera Dansereau, 2014 Bildauflösung auf die Anzahl Linsen begrenzt Genauigkeit der Tiefenbestimmung eher gering Für Photogrammetrische Anwendungen: Lichtfeldkamera 2.0 bzw. fokussierte plenoptische Kamera 04.02.2016 Untersuchungen zur Genauigkeit von Streckenmessungen mit einer fokussierten plenoptischen Kamera im Fernbereich 8 / 22 Motivation – Funktionsprinzip – Kalibrierung – Strecken - Ebenheit Fokussierte plenoptische Kamera www.raytrix.de Sensor MLA D D Objekt D Zwischenbild fL b a bL fL aL bL0 04.02.2016 Untersuchungen zur Genauigkeit von Streckenmessungen mit einer fokussierten plenoptischen Kamera im Fernbereich 9 / 22 Motivation – Funktionsprinzip – Kalibrierung – Strecken - Ebenheit Rohbild einer fokussierten plenoptischen Kamera Zwischenbild b 04.02.2016 a bL Untersuchungen zur Genauigkeit von Streckenmessungen mit einer fokussierten plenoptischen Kamera im Fernbereich 10 / 22 Motivation – Funktionsprinzip – Kalibrierung – Strecken - Ebenheit Tiefenbild einer fokussierten plenoptischen Kamera Mehrbildphotogrammetrie mit Mikrolinsen virtuelle Tiefen v = a/b im Zwischenbild Zwischenbild b a 04.02.2016 bL Untersuchungen zur Genauigkeit von Streckenmessungen mit einer fokussierten plenoptischen Kamera im Fernbereich 11 / 22 Motivation – Funktionsprinzip – Kalibrierung – Strecken - Ebenheit Kalibrierung • Die Projektion von Zwischenbild in den Objektraum folgt der Linsengleichung: (1) • (2) bL0, b und fL bleiben konstant und können kalibriert werden Sensor MLA Objekt Zwischenbild fL b a bL fL aL bL0 04.02.2016 Untersuchungen zur Genauigkeit von Streckenmessungen mit einer fokussierten plenoptischen Kamera im Fernbereich 12 / 22 Motivation – Funktionsprinzip – Kalibrierung – Strecken - Ebenheit Kalibrierung • Passpunkte im gesamten Arbeitsbereich angemessen 04.02.2016 Untersuchungen zur Genauigkeit von Streckenmessungen mit einer fokussierten plenoptischen Kamera im Fernbereich 13 / 22 Motivation – Funktionsprinzip – Kalibrierung – Strecken - Ebenheit Kalibrierung fL = 50 mm 04.02.2016 fL = 100 mm fL [mm] b [mm] b [mm] bL0 [mm] bL0 [mm] n R² RMSE [v] 50 0,1182 0,0020 49,7666 0,0072 29 0,9971 0,2645 100 0,1265 0,0082 99,7638 0,0274 20 0,9379 0,4307 Untersuchungen zur Genauigkeit von Streckenmessungen mit einer fokussierten plenoptischen Kamera im Fernbereich 14 / 22 Motivation – Funktionsprinzip – Kalibrierung – Strecken - Ebenheit Evaluation Streckenmessung Kodierte Zielpunkte mit kalibrierter plenoptischer Kamera angemessen Zielmarken regelmäßig im gesamten Distanzbereich • 50mm Objektiv: 1 m – 30 m • 100mm Objektiv: 2 m – 100 m Vergleichsmessung mit Messband 04.02.2016 Untersuchungen zur Genauigkeit von Streckenmessungen mit einer fokussierten plenoptischen Kamera im Fernbereich 15 / 22 Motivation – Funktionsprinzip – Kalibrierung – Strecken - Ebenheit Evaluation Streckenmessung Durchschnittlich 5% relative Genauigkeit mit Maximalwerten von 10 – 12 m fL = 50 mm 04.02.2016 fL = 100 mm Untersuchungen zur Genauigkeit von Streckenmessungen mit einer fokussierten plenoptischen Kamera im Fernbereich 16 / 22 Motivation – Funktionsprinzip – Kalibrierung – Strecken - Ebenheit Evaluation Ebenheitsmessungen Ebene Wand im Distanzbereich 1 m – 30 m angemessen Ebenheitsuntersuchungen in virtuellen Tiefen 04.02.2016 Untersuchungen zur Genauigkeit von Streckenmessungen mit einer fokussierten plenoptischen Kamera im Fernbereich 17 / 22 Motivation – Funktionsprinzip – Kalibrierung – Strecken - Ebenheit Evaluation Ebenheitsmessungen 04.02.2016 Untersuchungen zur Genauigkeit von Streckenmessungen mit einer fokussierten plenoptischen Kamera im Fernbereich 18 / 22 Motivation – Funktionsprinzip – Kalibrierung – Strecken - Ebenheit Evaluation Ebenheitsmessungen Im scharf abgebildeten Distanzbereich (6 – 30 m): • v in der Größenordnung 0,5 – 0,7 viele Ausreißer (2 – 10 %) Filtern der Daten notwendig 04.02.2016 Untersuchungen zur Genauigkeit von Streckenmessungen mit einer fokussierten plenoptischen Kamera im Fernbereich 19 / 22 Fazit und Ausblick Durchschnittliche relative Genauigkeit von 5% bis 100 m Viele Ausreißer im Tiefenbild Matching überarbeiten Verzeichnung der Mikrolinsen kalibrieren Ausreißer in den virtuellen Tiefen wirken sehr stark im Objektraum Filtern (zeitlich, räumlich-zeitlich) des Tiefenbilds notwendig Mit Teleobjektiven sind Messungen im Fernbereich möglich (aber sehr kleiner Öffnungswinkel) 04.02.2016 Untersuchungen zur Genauigkeit von Streckenmessungen mit einer fokussierten plenoptischen Kamera im Fernbereich 20 / 22 Quellenverzeichnis 04.02.2016 Georgiev, Todor, and Chintan Intwala. "Light field camera design for integral view photography." Adobe System, Inc., Technical Report (2006). Donald Dansereau, Plenoptic Signal Procassing in Field Robotics, PhD thesis, The University of Sydney, 2014. Ole Johannsen, Christian Heinze, Bastian Goldluecke und Christian Perwaß. On the calibration of focused plenoptic cameras. In Time-of-Flight and Depth Imaging. Sensors, Algorithms, and Applications, Seiten 302–317. Springer, 2013. Thomas Luhmann, Christian Jepping und Benjamin Herd. Untersuchung zum messtechnischen Genauigkeitspotenzial einer Lichtfeldkamera. Gemeinsame Tagung 2014 der DGfK, der DGPF, der GfGI und des GiN (DGPF Tagungsband 23 / 2014), 2014. Niclas Zeller, Franz Quint und Uwe Stilla. Kalibrierung und Genauigkeitsuntersuchung einer fokussierten plenoptischen Kamera. Gemeinsame Tagung 2014 der DGfK, der DGPF, der GfGI und des GiN (DGPF Tagungsband 23 / 2014), 2014. www.raytrix.de (Zugriff: 01.02.2016) www.lytro.com (Zugriff: 01.02.2016) Untersuchungen zur Genauigkeit von Streckenmessungen mit einer fokussierten plenoptischen Kamera im Fernbereich 21 / 22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 04.02.2016 Untersuchungen zur Genauigkeit von Streckenmessungen mit einer fokussierten plenoptischen Kamera im Fernbereich 22 / 22
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