Zur Approximation allgemeiner optischer Abbildungsmodelle und deren Anwendung auf eine geometrisch basierte Mehrbildzuordnung am Beispiel einer Mehrmedienabbildung

Abstract

Nicht perspektivische Abbildungen besitzen geometrische Elemente, die auf ihre geometrischen Eigenschaften einen direkten Einfluss haben, im Bereich der Photogrammetrie aber kaum bekannt sind. Ein solches Element ist zum Beispiel die Art eines Projektionszentrums, das punkt-, linien- oder flächenförmig sein kann und der Verlauf der Abbildungsstrahlen, die beide die Abhängigkeit der Verzeichnung von der Position des Bildpunktes im Bildraum oder des zugehörigen Objektpunktes im Objektraum beeinflussen. Diese Arbeit behandelt grundlegend die Geometrie von Projektionszentren, den daraus resultierenden Bildverzeichnungen und ihre Bedeutung für eine dreidimensionale photogrammetrische Auswertung. Zusammenfassend umfasst diese Arbeit die folgenden vier Schwerpunkte: Einführung einer neuen Repräsentation und Taxonomie optischer Abbildungssysteme: Ein für die Komplexität einer photogrammetrischen Auswertung entscheidendes Merkmal optischer Abbildungen ist die Art ihrer Bildfehler, die bildraumbasiert oder objektraumbasiert sein können. Die Bildfehler und ihre Modellierung werden direkt durch das punktförmige oder nicht punktförmige Projektionszentrum des abbildenden Strahlenbündels beeinflusst. Dabei kann ein Abbildungssystem streng genommen mehr als ein Projektionszentrum besitzen. Eine entsprechende Analyse optischer Systeme ist im Bereich der Photogrammetrie bisher nur unter Berücksichtigung von einzelnen dieser Aspekte durchgeführt worden und wird hier zusammen mit einer resultierenden neuen Repräsentation und Taxonomie umfassender dargestellt.<br /> Vorstellung eines allgemeinen, effizienten Approximationsmodells optischer Abbildungssysteme: Nicht perspektivische Abbildungen, die eine objektraumbasierte Verzeichnung besitzen, können sehr komplexe und spezialisierte Abbildungsmodelle besitzen. Dies ist Motivation für die Entwicklung eines effizienten, allgemeingültigen Approximationsmodells komplexer Abbildungen durch ein einfaches Modell. Durch bestimmte Anforderungen an den Einsatz des Modells wird ein signifikanter Einfluss auf die Endergebnisse verhindert. A priori Qualitätsuntersuchungen für eine dreidimensionale Objektrekonstruktion bestätigen dies.<br /> Entwicklung eines geometrisch basierten Zuordnungsalgorithmus im Mehrbildverband: Das Approximationsmodell wird innerhalb eines hier vorgestellten, geometrisch basierten Zuordnungsverfahrens für eine Objektrekonstruktion angewendet. Tests mit synthetischen und realen Daten analysieren und bewerten die Methodik der Approximation, der Bildzuordnung und Objektrekonstruktion und zeigen einen effektiven Einsatz der beiden Verfahren.<br /> Qualitätsanalysen mittels photogrammetrischer Rekonstruktion von fluvialen Sedimentoberflächen unter optischen Mehrmedienbedingungen: Als Anwendungsbeispiel wird eine fluviale Sedimentoberfläche durch die Medien Luft, Plexiglas und Wasser hindurch beobachtet und rekonstruiert. Mit diesem Beispiel wird gleichzeitig die Einsatzmöglichkeiten photogrammetrischer Methoden für die Erzeugung von Eingangsdaten für eine Analyse eines dynamischen, fluvialen Sedimentationsprozesses geprüft. Die Ergebnisse zeigen, dass photogrammetrische Methoden für die Lösung dieser Aufgabenstellung grundsätzlich anwendbar sind.

<strong>Approximation of general models for optical mappings and its application for geometry-based image matching with multiple views exemplified by a multi media mapping</strong><br /> Non perspective mappings include geometric elements, which have an direct influence on their geometric characteristics but which are more or less unknown in the field of photogrammetry. An example for such an element is the type of a viewing point, which can be a single point, a line or a surface (non single points). Another example is the way of mapping rays. Both influence the image distortions depending on the position of the image point in image space or the object point in object space. This work basically deals with the geometry of viewing points, the resulting image distortion and their relevance for a three dimensional photogrammetric reconstruction. The work focuses the following four points: Introduction of a new representation and taxonomy for optical imaging systems: One feature of optical mappings is the type of image distortion, which is important for the complexity of a photogrammetric process. It may either base on the position of the image point in image space or the object point in object space, which is much more complex. The image distortion and its modeling are being directly influenced by a single point or non single point viewpoint. In this context it is important that an imaging system may have more than one viewing point. A corresponding analysis of imaging systems is realised in the field of photogrammetry only under condition of some of these aspects. Here, a global analysis is given, which takes all these mentioned aspects into account, and a new resulting representation and taxonomy for optical imaging systems is introduced.<br /> Development of a general, efficient approximation method for imaging systems: Non perspective mappings, which have object space based image distortions, might have very complex and specialised mapping models. This is motivation for the development of an efficient and general approximation method for complex, object space based distorted mappings by a simplified model. By a definition of special requirements for the realisation, a significant influence of the approximation error on the quality of the final results can be prevented. A priori quality analyses of a 3d reconstruction support this assumption.<br /> Development of a geometry-based matching algorithm for multiple views: The approximation method is used for a new geometry based matching algorithm for 3D reconstruction, which will also be presented here. Different tests using synthetic and real data analyse and evaluate the methodology of the approximation, of the image matching and the 3D object reconstruction for multiple views and show the efficiency of both methods.<br /> Quality tests by a photogrammetric reconstruction of a fluvial sediment surface with multi media geometry: As an application example of the methods, a fluvial sediment surface is observed through the three optical media air, Perspex and water and is reconstructed in 3D. This application is also a test of the use of photogrammetric methods for preparing input data for a synthetic analysis of the sedimentation process. The results indicate that photogrammetric methods are applicable for this task.