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Bücher und Buch-Herausgaben:

A. Mischke:
"Entwicklung eines Videotheodolit-Meßsystems zur automatischen Richtungsmessung von nicht signalisierten Objektpunkten";
in Buchreihe "Geowissenschaftliche Mitteilungen, Heft 54", Buchreihen-Herausgeber: A. Mischke; herausgegeben von: Studienrichtung Vermessungswesen, Technische Universität Wien; Geowissenschaftliche Mitteilungen, Wien, 2000, ISSN: 1811-8380, 97 S.



Kurzfassung deutsch:
Die Kombination von CCD-Kameras und motorisierten Präzisionstheodoliten ermöglicht die Entwicklung leistungsstarker Meßsysteme, so genannter Meßroboter. Die Arbeit beschreibt die Entwicklung eines solchen Meßsystems basierend auf zwei Videotheodoliten. Das System ist in der Lage sowohl aktive und passive Zielmarken als auch nicht signalisierte Punkte, wie Kanten-oder Linienschnitte, zu messen. Durch die Motorisierung der Theodolitachsen und der Fokussierlinse wird ein quasi unbegrenztes Bildfeld erreicht und die Möglichkeit eröffnet, bewegte Ziele zu verfolgen. Die Transformation des CCD-Kamerasystems in das Achsensystem des Theodoliten erfolgt automatisch bei jeder Messung, so daß stets die Lage der CCD-Kamera bezüglich der Theodolitachsen bekannt ist. Die simultane Verwendung von mindestens zwei Theodoliten ermöglicht die on-line Bestimmung von räumlichen Koordinaten. Das System ist so konzipiert, daß auch mehr als zwei Theodolite verwendet werden können, wodurch Meßgeschwindigkeit und -genauigkeit erhöht werden. Die Führung des Anwenders durch das Meßprogramm erfolgt mit Menüs. Nachdem die Lagerung der Theodolite in einem Referenzsystem mit einer Ausgleichung aller Meßwerte durchgeführt ist, kann die Messung nahezu beliebiger Objekte prinzipiell vollautomatisch ablaufen. Die Interaktionen des Benutzers dienen der Meßkontrolle und -beschleunigung, indem er der Situation angepaßte Grenzwerte festlegen kann. Das Meßsystem basiert auf dem Prinzip des räumlichen Vorwärtsschneidens, wobei diverse Algorithmen gewährleisten, daß die Richtungen zu identischen Punkten mit den beteiligten Instrumenten sehr genau ermittelt werden. Mit Hilfe einer Funktion zur automatischen Fokussierung erfolgt zunächst die optimale Scharfeinstellung der erfaßten Szene durch den ersten Videotheodolit. Aus der Position der Fokussierlinse berechnet sich die Distanz zum Objekt. Mit einem Interest-Operator, implementiert wurde der "Förstner-Operator", werden die markanten Punkte im gesamten Bildfeld oder einem frei definierbaren Ausschnitt ermittelt. Alternativ zu dieser automatischen Suche von nicht signalisierten Punkten ist die Messung von aktiven Zielmarken mit Filterfunktionen oder die manuelle Punktauswahl mit einem Pointer möglich. Die Lage der Punkte wird in Richtungsablagen bezüglich der . Theodolitachsen transformiert. Aus diesen Richtungen und der Objektdistanz werden genäherte Koordinaten der Punkte berechnet. Die Näherungskoordinaten, ermittelt ausschließlich aufgrund der Messung mit dem ersten Theodolit, lassen sich in Verbindung mit der "Epipolar-Line-Geometry" (Kernstrahlengeometrie) nutzen, um weitere Theodolite automatisch auf denselben Zielbereich auszurichten. Eine Entzerrung der Bildausschnitte des ersten Theodoliten ist optional möglich; sie erfolgt dann so, daß direkt ein Vergleich mit den Aufnahmen weiterer Theodolite erfolgen kann. Hierbei werden immer die Aufnahmegeometrie und die Objektentfernung berücksichtigt.
Die homologen Bildregionen findet das Meßsystem durch Suche der maximalen Korrelation entlang der Epipolar Line. Aus der Lage der Punkte auf den CCD-Sensorfeldern, die mit Subpixel-Genauigkeit ermittelt wird, berechnen sich abschließend die räumlichen Objektkoordinaten.
Die Entwicklung des Meßsystems erfolgte modular, wodurch gewährleistet ist, daß Programmerweiterungen oder Änderungen in der Hardware leicht zu realisieren sind. Alle eingesetzten Algorithmen wurden einzeln getestet sowie das System als gesamtes. Versuchsmessungen ergaben eine Meßgenauigkeit von 1:30.000 unter mäßigen bis schlechten Bedingungen, so daß unter optimalen Bedingungen eine Genauigkeit von besser als 1:50.000 erreichbar erscheint.
Die Arbeit beenden Vorschläge zur Optimierung des Meßsystems, die sich vor allem auf die Meßgeschwindigkeit, den Meßkomfort sowie die Erweiterung des Einsatzbereiches beziehen. Die Auswirkungen der Adaption einer zusätzlichen (Farb-)CCD-Kamera, wie sie bereits für einen Theodolit erfolgte, werden kurz erläutert.

Kurzfassung englisch:
The combination of CCD cameras and motorized theodolites enables the development of powerful measuring tools, so called measurement robots. This doctoral thesis describes the development of such a measuring system based on two videotheodolites.
It is possible to measure active or passive targets and non signalized points, like the intersections of edges or lines. Due to the stepper motors of the axes of the theodolites and the focal lens the field of view is nearly unlimited and moving targets can be pursued. The transformation from the system of the CCD camera to that of the axes of the theodolite is done automatically during every measurement, so the orientation of the CCD camera is always known.
The simultaneaus use of two or more theodolites enables the on-line measurement of spatial co-ordinates. The system offers the possibility to include more than two theodolites to increase accuracy and speed.
Different menus help the operator to handle the program . After the orientation of the theodolites is done in a local co-ordinate system by a least squares adjustment, the measurement of nearly all kinds of objects can be started. The measurements can be done automatically, but operator interactions help to control the system and to reduce processing time by setting individual thresholds.
The target co-ordinates are computed by spatial intersection. Various algorithms guarantee, that the angles to identical points are measured with very high accuracy from every point of
view.
An autofocus function finds the optimum focal lens position for the first theodolite. With this position the distance to the object can be computed.
The implemented "Förstner-Operator" is used to select all remarkable (but non signalized) points in the whole field of view or a predestined region of interest. Alternatively, active targets can be found very fast with a filter Operation. The third possibility to choose points is the manual selection with the computer mouse. The position of the points on the CCD array is transformed to angle differences, correlating with the directions of the axes of the theodolite. Approximate, spatial co-ordinates are calculated with these directions and the object distances.
A target area coincidence of all theodolites is reached by combining the epipolar line geometry and the approximate co-ordinates, computed by the first theodolite. Before the matching-algorithm starts, the images are rectified. Therefore, a special rectification algorithm was developed to minimize the computation time.
The corresponding parts of the images are determined by finding the maximum correlation coefficient along the epipolar line. The position of the points on the CCD arrays is located with subpixel-accuracy and finally they are transformed to spatial co-ordinates.
Updates of the software or changes of the hardware are quite easy to realize, due to the modular conception of the measuring system. All algorithms implemented are tested on their own and then again in the system as a whole. The accuracy reached in a test measurement under quite bad conditions was 1 : 30.000, so that a maximum accuracy of better than 1:50.000 under optimum conditions seams to be realistic.
The thesis finishes with some remarks about optimization of the system, especially concerning the measuring speed, the measuring comfort and an increase of possible applications for the system. A second (colour) CCD camera was adapted for one theodolite and the consequences of this are shortly discussed.


Elektronische Version der Publikation:
http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_228877.pdf


Erstellt aus der Publikationsdatenbank der Technischen Universität Wien.