Fotogrammetrian erikoissovellutukset, luento 9

Järjestelmät voidaan jakaa fotogrammetrisiin ja "ei-fotogrammetrisiin" eli trigonometrisiin. Jako perustuu lähinnä siihen, miten järjestelmän kuvausgeometrian muutuujien arvot ratkaistaan.

Fotogrammetrisissa järjestelmissä kalibrointi perustuu kuvausgeometrian muuttujien ratkaisemiseen kuvahavainnoista tasoittamalla.

Esimerkki: Aicon tai V-STARS

Trigonometrisissä järjestelmissä kalibrointi perustuu kuvausgeometrian trigonometriseen ratkaisemiseen.

Esimerkkejä: Optopos, laserprofilointi

Erityispiirteitä kuvasta "Fomakon"

monikamerablokki
kamerakohtainen sisäinen orientointi
koordinaatisto vapaa, riippumaton kohdekoordinaatistosta
kalibrointi etäisyyslatalla: "base bar"
kalibroinnin jälkeen kamerajärjestelmän sisäisen stabiiliuden kontrollointi ensisijaisesti, kohdetilan stabiiliuden kontrollointi toissijaisesti
kuvahavaintojen integroitu tidonkeruukeruu

Leican, Aiconin, Imetricin ja Metronorin järjestelmät ovat ns. "off-line videogrammetry"-järjestelmiä. Tarkka mittaus perustuu ns. "high-resolution"-kameran (1+ miljoonaa pikseliä) käyttöön. Kameroita on yleensä yksi ja se on kalibroitu. Kohteen pisteet signaloidaan retro-tähyksin ja kuvataan, minkä jälkeen lasketaan sädekimpputasoituksella pisteiden 3-D koordinaatit.
Metronorin ja Leican järjestelmillä voidaan tehdä myös manuaalista "on line"-digitointia. Kun kamera asetetaan jalustalle ja orientoidaan kohteen koordinaatistoon tukipisteiden kanssa, kohdetta voidaan mitata erityisellä 3-D osoittimella, ks. esimerkiksi Leican V-STARS. Tässä osoittimessa (probe) on viisi kohdistuspistettä, joiden 3-D koordinaatit tunnetaan kohdistimen koordinaatistossa. Kun kohdistinta kuljetetaan, sen sijainti kameran ja siten myös kohteen suhteen voidaan laskea kohdistinpisteistä taaksepäinleikkauksen avulla. Näiden kohdistuspisteiden lisäksi tässä osoittimessa on kohdistinkärki, jolla osoitetaan mittauspiste. Koska mittauspisteen koordinaatit tunnetaan kohdistuspisteiden suhteen, saadaan sen koordinaatit jatkuvasti myös kohteen suhteen laskettua. Mittaus on tavallaan epäsuoraa, mutta toimiin hyvin, ja mittaustuloksia voidaan havainnollistaa on-linenä.
"Off-line"-järjestelmien tarkkuus perustuu kamerassa käytettävän kuva-anturin suureen ilmaisinmäärään ja kameran kuvan digitaaliseen ulostuloon. Automaattinen se ei ole, ellei siitä tehdä robotin tai CMM:n mittapäätä. Silloin mittausliikkeet pitää ohjelmoida, niin kuin CMM-kojeissa yleensä, ja pinnan seuraaminen perustuu erilaisiin tunto- ja läheisyysilmaisimiin. Pinnanmittaus laserprojektorilla tai vastaavalla ei onnistu, ellei ole useampaa pysyvää kameraa, kuten "on-line videogrammetry"-järjestelmissä, esim. Mapvision. Myös "on-line"-järjestelmät voidaan koota kahdesta tai useammasta "high-resolution"-kamerasta, jolloin mittausominaisuudet erotuskyvyn osalta moninkertaistuvat ilmaisinmäärien suhteessa. Mittausnopeus puolestaan saattaa hidastua, koska kuvanluku on digitaalisissa kameroissa hidasta.

Julkaisuja

Stuart Person: A Brief History of 3D Scanning

Kuvamittausasema laivarakenteiden tarkastamiseksi, 1983. Kyse on kuvitteellisesta järjestelystä fotogrammetrian on-line laskennan ja CAD/CAM-tiedonkäsittelyn yhdistämiseksi. Kohteena on hitsattu laivarakenne, jonka muodonmuutoksia mitataan ja jonka lopullista muotoa verrataan suunniteltuun muotoon. Analogiset filmikamerat on korvattu kameroilla, jonka kuvat luetaan konehuoneesta käsin, digitalisoidaan, ja tulkitaan. Tulkinnan tulos esitetään graafisena näyttöpäätteellä. "Denne løsningen må ses på som meget langsiktig och kostnadsavhengig." (Bjørn Østbye, 1983)

Mapvision

Mittaustehtävät

on-line

paikoitusmittaus
prosessinohjaus
laadunvarmistuksen muoto- ja muodonmuutosmittaus

off-line

muodoltaan tuntemattoman 3-D kohteen digitointi ja mallinnus

Varustus

tietokone
2 - 8 pysyvästi asennettua kameraa
muotomittauksissa kiinteät tai numeerisesti ohjatut piirreprojektorit

Automaattinen piirteenhaku

tähysmerkit
kohteen yksityiskohdat
kohteeseen projisioidut pisteet ja viivat

Kalibrointi

järjestelmä kalibroidaan 'on-site'

itsekalibrointi ei edellytä ulkoisia kalibrointipisteitä
voidaan kalibroida suoraan myös ulkoiseen koordinaatistoon

xy kuvalla on ± 0.05 pikseliä, kuvakoko on 500 x 750 pikseliä

Mittaustarkkuus

1 : 10 000 - 40 000
XYZ

kohteessa ± 0.1 mm, kun mittaustilan dimensio on 1 m - 4 m
± 0.2 mm, kun 2 m - 8 m; jne.

Mittausaseman laadunvarmistus

järjestelmä kontrolloi itseään

sisäisesti jokaisen mittauksen yhteydessä
ulkoisesti jokaisen mittaustapahtuman jälkeen

Real-time photogrammetry, 1980 and 1992.

Mapvision, 1986.

Functional scheme of Mapvision, calibration and point projection.

Functional scheme of Mapvision, point locating and intersection.

Mapvision camera set-up as installed at Helsinki University of Technology.

Metronor

Metronor system concepts

Metronor/metronor%20system%20concepts.pdf
http://www.metronor.com/Documents/metronor%20system%20concepts.pdf

Links

http://www.metronor.com/

Leica

Mobile videogrammetry systems

Accuracies down to 1:100 000 of the object size (0.1mm on a 10m object)
Results within minutes using the off-line system, within seconds using the on-line system
Systems portable with a notebook computer operation.
V-STARS/M works in unstable environments, such as on vibrating or unstable floors, from lifts, scaffolds or structures.
Menu driven Windows 95 / 98 and NT based software,
Software interfaces to CAD analysis software such as AxyzCAD, CADMess by CATS, Metrolog II by Metrologic, PowerInspect by Delcam, Verisurf and others
V-STARS may also use Axyz for data analysis
Non-tactile: Inspection and analysis of components (e.g. master gauges, master models, machined surface panels etc.) which consist mainly of large continuous surfaces. ( see also Pro-Spot)
Cooperation with GSI (Geodetic Services Incorporated): GSI is the dominant producer of leading-edge photogrammetric systems for industrial measurements. Leica works on an exclusive contract with them.

Links

Industrial Measuring Solutions http://www.leica.com/surv-sys/product/level2.asp?o0=50
Theodolite Systems http://www.leica.com/surv-sys/product/level3.asp?o1=10&o0=50
Laser Trackers http://www.leica.com/surv-sys/product/level3.asp?o1=20&o0=50
Videogrammetry Systems http://www.leica.com/surv-sys/product/level3.asp?o1=30&o0=50
Industrial measuring software http://www.leica.com/surv-sys/product/level3.asp?o1=40&o0=50
V-STARS http://www.leica-geosystems.com/ims/product/vstars_single.htm

Geodetic Services

V-STARS

V-STARS/S

The V-STARS/S system is a single camera 3-dimensional coordinate measurement system based on photogrammetry. The S model consists of a notebook computer, a single INCA camera, a V-STARS/S single-camera software license, and some accessories.
INCA camera

INCA6.3 - 3072 x 2048 pixels, INCA4.2 - 2024 x 2048 pixels
The embedded PCcan

compress images to less than 10% of their original size, and up to 500 images can be stored on a standard 340Mb disk.
process images right after each picture is taken, so problems like "no flash", "lens cap still on", "targets missing", "bad camera aiming", etc. can be detected immediately.

For on-line operation, INCA’s Ethernet interface uses a single, thin cable that can be up to 100 meters long.

In operation, the single camera system is used to take pictures of the measured object from several different locations. The different camera locations are needed to ensure all points on the object are seen from enough geometrically diverse locations to get good intersection angles for triangulation. The V-STARS/S system measures retro-reflective target points. High contrast retro-targets make measurement fast, reliable, and for the most part automated.
The single camera system is portable. The entire system (including notebook, camera and accessories) fits into two hand carried cases.
The achievable accuracy with the system is typically 10 ppm (parts per million), or 1 : 100'000, or about 0.050 mm on a 5 m object or 0.002" on a 15' object.

V-STARS/S, single camera 3-D coordinate measuring system.

V-STARS/M - Real-time 3-D Measurement System

The V-STARS/M software enables multiple INCA cameras to be directly connected to the notebook computer to produce a real-time measurement system.
The object is photographed simultaneously by two or more INCA cameras from different viewing points. The images are transferred via the Ethernet cables to the notebook where they are immediately processed and the results provided within seconds. The achievable accuracy with the system is typically than 25 ppm, or 1 : 40'000.
The system can operate in either stable or non-stable mode.

Stable mode provides a quick set up, but relies on the cameras remaining unmoved during the measurement period.
Non-stable mode allows vibration or movement of the cameras to occur without loss of accuracy. This mode locates the cameras each and every time a set of pictures is taken using a stable field of control points on the object. Thus, movement of the cameras is fully accounted for and of no consequence. Typically, the control field is established by a quick single-camera measurement.

V-STARS Software

The V-STARS software is applied for 3D measurements from digital photography acquired using INCA camera. To produce the 3D results, each picture is measured. The measurement process is actually an automated process. Once the images have been measured the software identifies and coordinates any targets it finds.
The V-STARS software operates in 2 basic modes:

S mode: Sequential set of photography is taken of a stable object using one or more cameras.
M mode: Two ore more cameras are synchronized allowing measurements of dynamic objects or real time measurements.

V-STARS runs under Windows NT 4.0, Windows 95/98.

V-STARS Pro-Spot

5600 points projected simultaneously as standard pattern.

I-CAN

INCA canister for 3-D measurement in hostile environment.
With I-CAN, cameras operate in thermal vacuum environments
The features of I-CAN include:

rigid, optically flat quartz window maintaining accuracy
single thin cable for power and data
dry nitrogen purge for cooling
built-in heating and flash systems
internal camera roll.

Links

http://www.geodetic.com/products.htm

Aicon

ProCam³

http://www.aicon.de/eng/product/procam3.htm

DPA-WIN

http://www.aicon.de/eng/product/dpawin.htm

Aicon ProCam³.

3D Scanners Ltd

For reverse engineering and inspection.
Technology

laser stripe triangulation
video data capture by board
DSP of 14000 points per second

Products

ModelMaker W35, W70, W140

hand held scanner, 25 profiles per second
software for scanning, datum determination, and sectioning
scanning ranges for high resolution (W35, 50 mm x 35 mm), for general purpose (W70, 90 mm x 70 mm), for high speed (W140, 180 mm x 140 mm), values for range and for maximal width, resp.

ModelMaker H40

12,5 profiles per second
scanning range 90 mm x 40 mm

Reversa 10H, 25h

scanning sensor, retrofit for CNC systems
scannig ranges for 10H of 15 mm x 10 mm, for 25H of 25 mm x 25 mm, for range and for maximal width, resp.

Replica 250, 500/1000

CNC laser scanning system
sensors Reversa 25H, Reversa 10H
XYZ motion in 250 using stepping motors, in 500/1000 using servo motors
scanning ranges in X x Y x Z

250, 280 mm x 345 mm x 110 mm
500, 500 mm x 500 mm x 475 mm
1000, 1000 mm x 1000 mm x 475 mm

Linkkejä

3D Scanners Ltd http://www.3dscanners.com/

Reversa scanning sensor and projected laser stripe.

Car body inspection.

Replica CNC laser scanner, measuring resolution ± 0,0005" (0,013 mm), accuracy +/-0,0005" (0,013 mm).

ModelMaker, measuring resolution ± 0,002" (0,05 mm), accuracy +/-0,010" (0,25 mm).

Optopos

Norwegian Marine Technology Research Institute

Hydrodynaamisen laboratorion merialtaassa, joka on kooltaan 50m x 70m, seurataan laivojen, öljynporauslauttojen ym. pienoismallien käyttäytymistä vaihtelevissa aalto-, tuuli- ja virtausolosuhteissa. Mallien liikkeet ja kallistukset mitataan kolmiulotteisesti Optopos-mittausjärjestelmällä.
Optopos rakentuu kahdesta kameraryhmästä, jotka ovat toisistaan n. 25 m etäisyydellä. Kummassakin ryhmässä on kolme kameraa, joissa on CCD rivisensorit. Jokaisen kameran kuvakulma kattaa vaakasuuntaan 60° eli yhteensä 180°. Toiseen kameraryhmään kuuluu lisäksi pystysuuntaan orientoitu rivikamera, joka kääntyy pystyakselinsa ympäri ja seuraa mallia.
Pienoismalleihin on kiinnitetty tähyksiksi kolme infrapunadiodia. Tähykset sytytetän vuorotellen, joten kamerat näkevät yhden tähyksen kerrallaan. Jokainen havainto käsittää diodin vaaka- ja pystykulman. Näistä havainnoista lasketan mallin paikka ja kallistukset.
Orientointisuureiden mittaus- ja laskentataajuus on 10 Hz. Järjestelmän erotuskyky on 40 µrad, mikä vastaa 25 m etäisyydellä erotuskykyä 1 mm . Suurin liikenopeus, jolla malleja kyetään seuraamaan, on 5m/s.

Optotrak

3D optical motion measurement equipment
utilised to track motion in fields such as

medicine – uses include radiation therapy, neurosurgery, and dentistry
industry – uses include robotics, reverse engineering, digitizing, aeronautics, and portable coordinate measurement machine (PCMM)
entertainment – uses include motion capture, live performance animation, and motion control
biomechanics – uses include galt analysis, motor control research, and ergonomics

Links

Selspot

Links

References

Axel Mulder, Human movement tracking technology: resources, http://www.cs.sfu.ca/people/ResearchStaff/amulder/personal/vmi/HMTT.add.html
Bjørn Østbye, 1983. Fotogrammetri på marine konstruksjoner (FOMAKON), NTNF-prosjekt 0960.8543, sluttrapport, NTH, Trondheim, 1983.

Maa-57.260 Fotogrammetrian erikoissovellutukset