Abstract
In this article, a novel, media undisruptive method for the measurement of photogrammetric test fields using a laser tracker is presented. The new approach is precise and versatile in its application. It relies on image processing on the quasi continuous measurements of a hand-held laser scanner and laser tracker combination. The field of useful applications is large. In this article, we show the benefit in the field of camera calibration. Essential for highly accurate photogrammetric measurements is a careful calibration, since all cameras have optical distortions due to manufacturing processes of the lens. The calibration can be done by e.g. using a test field. In some cases, 3D coordinates of the control points are necessary. These coordinates are often determined by photogrammetry itself and tacheometric angle measurements in advance. A scale, e.g. a subtense bar, usually needs to be included which increases the measuring efforts. The method bases on the measured 3D point cloud of a test field. With this technique, not only the centers of all control points are accessible. Other geometric features can be chosen too. Since the point cloud consist of many single point measurements, every control point determination has already a high statistical redundancy. The 3D coordinates of every single control point are extracted from the point cloud, making an additional scale obsolete. Presently, the position accuracy is \(\le 50\,{\upmu }{\text {m}}\) (MPE), which is mainly limited by the laser scanner used in this article. The here-presented technique can be applied to all kinds of shapes, dimensions, materials, numbers and arrangements of control points. Furthermore, it is a lot faster and easier to handle than the angle measurements of the tacheometer.
Zusammenfassung
Neue Methode für die Bestimmung von Testfeldern durch Laserscanning. In diesem Beitrag wird eine neuartige, medienbruchfreie Methode zur Vermessung photogrammetrischer Kalibrierfelder durch einen Lasertracker präsentiert. Der neue Ansatz ist hochgenau und vielseitig einsetzbar. Er beruht auf der Bildbearbeitung quasi-kontinuierlicher Messungen einer handgeführten Laserscanner und -trackerkombination. Die Anwendungsgebiete sind vielfältig. Die neue Methode wird in diesem Beitrag im Anwendungsfeld der Kamerakalibrierung vorgestellt. Ausschlaggebend für eine hochgenaue photogrammetrische Messung ist eine sorgfältige Kalibrierung, da alle Kameras durch den Herstellungsprozess optischen Verzeichnungen unterliegen. Die Kalibrierung kann z.B. durch ein Kalibrierfeld stattfinden. In manchen Fällen müssen hierfür die 3D-Koordinaten der Passpunkte ermittelt werden. Diese Koordinaten werden häufig durch die Photogrammetrie selbst und eine davor angefertigte tachymetrische Winkelmessung bestimmt. Für gewöhnlich muss ein Maßstab, wie z.B. eine Basislatte, mit einbezogen werden, was den Messaufwand vergrößert. Die neue Methode nutzt die gemessene 3D-Punktwolke eines Kalibrierfeldes. Mit dieser Technik können nicht nur die Zentren aller Passpunkte zugänglich gemacht werden. Andere geometrische Merkmale sind ebenfalls enthalten. Da die Punktwolken aus vielen einzelnen Messpunkten bestehen, weist jede Koordinatenermittlung bereits eine hohe statistische Redundanz auf. Die 3D-Koordinaten jedes einzelnen Passpunktes werden direkt aus der 3D-Punktwolke extrahiert, wodurch ein zusätzlicher Maßstab überflüssig wird. Aktuell ist die Punktbestimmungsgenauigkeit \(\le 50\,{\upmu }\hbox {m}\) (MPE), hauptsächlich limitiert durch den in diesem Beitrag verwendeten Scanner. Die hier gezeigte Methode kann für alle Formen, Dimensionen, Materialien, Mengen und Anordnungen von Passpunkten verwendet werden. Zudem ist sie deutlich schneller und einfacher als die Winkelmessung mittels Tachymetrie.
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Notes
Digital single-lens reflex.
In the following, an index for the image is left out for the reason of readability.
To indicate observations in contrast to model parameters we add a tilde, e.g. \(\tilde{x}\) for the observation of the true value x. Residuals are denoted by e.
Numerical evaluations have still to be performed.
For details see Koch (2004).
References
Ahn SJ, Rauh W (1998) Circular coded target and its application to optical 3D-measurement techniques. Informatik aktuell, Mustererkennung 1998:245–252. https://doi.org/10.1007/978-3-642-72282-0_26
Ayeni OO (1982) Phototriangulation: a review and bibliography. Photogramm Eng Remote Sens 48(11):1733–1759
Bay H, Tuytelaars T, Gool LV (2006) SURF: speeded up robust features. Eur Conf Comput Vis 3951:404–417. https://doi.org/10.1007/11744023_32
Brown DC (1971) Close-range camera calibration. Photogramm Eng 37(8):855–866
Brunn A, Meyer T (2016) Calibration of a multi-camera rover. In: The international archives of the photogrammetry, remote sensing and geoinformation sciences XLI-B5, pp 445–452. https://doi.org/10.5194/isprs-archives-XLI-B5-445-2016
Brunn A, Hastedt H (2011) Untersuchungen der Fujifilm Real 3D Stereokameras für den photogrammetrischen Einsatz. Beiträge der Oldenburg 3D-Tage, pp 214–221
Cerveri P, Borghese NA, Pedotti A (1998) Complete calibration of a stereo photogrammetric system through control points of unknown coordinates. J Biomech 31(10):935–940. https://doi.org/10.1016/S0021-9290(98)00104-3
FARO (2016) Focus S series. https://www.faro.com/en-gb/products/construction-bim-cim/faro-focus. Accessed 25 July 2019
Filion A, Joubair A, Tahan AS, Bonev IA (2018) Robot calibration using a portable photogrammetry system. Robot Comput Integr Manuf 49:77–87. https://doi.org/10.1016/j.rcim.2017.05.004
Förstner W, Wrobel BP (2016) Photogrammetric computer vision. Statistics, geometry, orientation and reconstruction 11. Springer Nature, Basel. https://doi.org/10.1007/978-3-319-11550-4
Fröhlich C, Mettenleiter M (2004) Terrestrial laser scanning-new perspectives in 3D surveying. In: International archives of photogrammetry, remote sensing and spatial information sciences, vol 36. https://www.researchgate.net/publication/238081866_Terrestrial_laser_scanning-new_perspectives_in_3D_surveying. Accessed 25 July 2019
Gooch R (1998) Optical metrology in manufacturing automation. Sens Rev 18(2):81–87. https://doi.org/10.1108/02602289810209812
Hanel A, Stilla U (2017) Calibration of a vehicle camera system with divergent fields-of-view in an urban environment. 37. Wissenschaftlich-Technische Jahrestagung der DGPF e.V., pp 160–169, 26
Hasselblad V (2011) User manual H4D-40. http://static.hasselblad.com/2014/11/uk_us_h4d_range_user-manual_v16.pdf. Accessed 25 July 2019
Herrmann C (2016) Entwicklung eines trackingfähigen optischen Messsystems zur Posenbestimmung. Karlsruher Institut für Technologie—KIT Dissertation
HEXAGON (2019) Leica Absolute Tracker (AT960). https://www.hexagonmi.com/en-GB/products/laser-tracker-systems/leica-absolute-tracker-at960. Accessed 25 July 2019
HEXAGON (2019) Leica T-Probe. https://www.hexagonmi.com/en-GB/products/laser-tracker-systems/leica-probing-solutions/leica-tprobe. Accessed 25 July 2019
HEXAGON (2019) Leica T-Scan 5. https://www.hexagonmi.com/products/3d-laser-scanners/leica-tscan-5. Accessed 25 July 2019
Hofherr O (2016) 6D-Messkopf zur Messung der Position und Orientierung in Verbindung mit einem Lasertracker. Dissertation Uni Freiburg. https://doi.org/10.6094/UNIFR/12317
Huber PJ, Ronchetti E (2009) Robust statistics. wiley series in probability and statistics. Wiley, New York. https://doi.org/10.1002/9780470434697
Kersten TP, Mechelke K, Lindstaedt M, Sternberg H (2009) Methods for geometric accuracy investigations of terrestrial laser scanning systems. Photogramm Fernerkundung Geoinf 4:301–316. https://doi.org/10.1127/1432-8364/2009/0023
Koch KR (2004) Parameterschätzung und Hypothesentests in linearen Modellen. Dümmler Verlag, Bonn
Leica (2014) Leica Nova MS 50 MultiStation. https://w3.leica-geosystems.com/downloads123/zz/tps/nova_ms50/brochures-datasheet/leica_nova_ms50_dat_de.pdf. Accessed 25 July 2019
Lemmens M (2011) Terrestrial laser scanning. Geo-information 5:101–121. https://doi.org/10.1007/978-94-007-1667-4_6
Lowe D (1999) Object recognition from local scale-invariant features. In: Proceedings of the seventh IEEE international conference on computer vision, vol 2, pp 1150–1157. https://doi.org/10.1109/ICCV.1999.790410
Luhmann T (2018) Nahbereichsphotogrammetrie. Wichmann Verlag 4, Berlin (ISBN 978-3-87907-640-6)
Luhmann T, Fraser C, Maas HG (2016) Sensor modelling and camera calibration for close-range photogrammetry. ISPRS J Photogramm Remote Sens 115:37–64. https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2015.10.006
PhotoModeler Technologies (2018) PhotoModeler scanner. https://www.photomodeler.com/products/scanner/default.html. Accessed 25 July 2019
Polyworks (2017) Polyworks 2017 IR11 (build 6618) 64-bit April 2018. https://www.duwe-3d.de/en/products/polyworks. Accessed 25 July 2019
Rosten E, Loveland R (2009) Camera distortion self-calibration using the plumb-line constraint and minimal Hough entropy. Mach Vis Appl 22(1):77–85. https://doi.org/10.1007/s00138-009-0196-9
Schestauer B, Wagner A, Wiedemann W, Wunderlich T (2017) Tachymetrisches 6DOF-Messverfahren. 18. Internationaler Ingenieurvermessungskurs Graz
Schlögelhofer F (1989) Qualitäts- und Wirtschaftlichkeitsmodelle für die Ingenieurphotogrammetrie. Geowissenschaftliche Mitteilungen 32 Dissertation TU Wien Hochschulschrift
Schneider UJ (2017) Untersuchung von modellbasierter Fehlerkompensation und erweiterter Positionsregelung zur Genauigkeitssteigerung von roboterbasierten Zerspanungsprozessen. Dissertation Uni Stuttgart. https://doi.org/10.18419/opus-9055
Schuetz M (2019) Potree. http://www.potree.org. Accessed 25 July 2019
Sun Q, Wang X, Xu J, Wang L, Huiyan Z, Yu J, Su T, Xun Z (2016) Camera self-calibration with lens distortion. Optik Int J Light Electron Opt 127(10):4506–4513. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2016.01.123
Tang R, Fritsch D, Cramer M (2012) New rigorous and flexible Fourier self-calibration models for airborne camera calibration. ISPRS J Photogramm Remote Sens 71:76–85. https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2012.05.004
Technet (2010) Pictran manual. Technet GmbH, Berlin
Trimble Geospatial (2019) Trimble INPHO. https://geospatial.trimble.com/products-and-solutions/inpho. Accessed 25 July 2019
Wester-Ebbinghaus W (1981) Zur Verfahrensentwicklung in der Nahbereichsphotogrammetrie. Institut für Photogrammetrie der Universität Bonn Dissertation
Zhao G, Zhang C, Jing X, Sun Z, Zhang Y, Luo M (2016) Station-transfer measurement accuracy improvement of laser tracker based on photogrammetry. Measurement 94:717–725. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2016.09.008
Acknowledgements
We thank the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) for the support of our project eDIan (Grant number 03FH021PX5), to make this research project possible. Many thanks to Benjamin Stocker from Hexagon for the help to optimize the laser scanning technique. Thanks to Ole Vieth from the Duwe-3d support for the help with the reverse engineering-process in PolyWorks. Thanks to Valentin Wich and Yannik Werner for the tacheometric measurements.
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Fiedler, S., Knoblach, S., Werthmann, H. et al. A Novel Method for Digitalisation of Test Fields by Laser Scanning. PFG 87, 191–204 (2019). https://doi.org/10.1007/s41064-019-00079-8
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