Fotogrammetrie: berührungslose 2D- und 3D-Messtechnik

Diesen Hinweis ausblendenDie Messtechnische Auswertung von Fotografien, die 2D- oder 3D-Modelle erzeugt, ist die klassische Anwendung der Fotogrammetrie. Die berührungslose, optische Messtechnik kommt vor allem bei Objekten zum Einsatz, die sich direkten Messverfahren entziehen, sei es aufgrund ihrer Größe, eines unüberwindbaren Abstands oder einer Bewegung des Messobjekts. Die moderne 3D Messtechnik nutzt zum Teil Verfahren, die nur noch wenig mit Fotografie zu tun haben, aber den gleichen Messprinzipien folgen wie die klassische Fotogrammetrie.

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Wie funktioniert die 2D Fotogrammetrie

Aus einer senkrecht zu einer Oberfläche aufgenommenen Fotografie können Sie die Abmessungen zweidimensionaler Strukturen exakt ermitteln, wenn Sie den Abstand von der Objektebene und die Brennweite des bei der Aufnahme verwendeten Objektivs kennen und dieses im Rahmen der Messgenauigkeit verzeichnungsfrei arbeitet oder die Verzeichnung als eine Funktion des Bildwinkels bekannt ist.

Diese Beschreibung ist nicht ganz korrekt, wenn der Objektabstand klein ist, das heißt, bei großen Abbildungsmaßstäben, und Sie nicht nur eine einzelne, dünne Linse als Objektiv verwenden. In diesem Fall müssen Sie zwischen der objektseitigen und der bildseitigen Brennweite unterscheiden und berücksichtigen, dass diese Maße im Allgemeinen von zwei unterschiedlichen Hauptebenen aus gemessen werden.

Meist können Sie diese Details aber vernachlässigen, weil die Aufnahme mit ausreichend starker Verkleinerung erfolgt.

Wie lassen sich 2D Koordinaten mit Fotogrammetrie ermitteln

Die realen Abmessungen der zweidimensionalen Strukturen ergeben sich mit den oben genannten Parametern aus den Abbildungsgesetzen der Gaußschen Dioptrik: Das Verhältnis einer Strecke im Bild zur Originalgröße entspricht dem Quotienten aus Bildweite und Objektweite und ist gleich dem Abbildungsmaßstab. Den gleichen Wert erhalten Sie, wenn Sie die Brennweite des Objektivs durch den Abstand des Objekts vom vorderen Brennpunkt dividieren, was meist leichter zu ermitteln ist.

Weitere Methoden der Fotogrammetrie

Damit sind die Möglichkeiten der Fotogrammetrie aber noch längst nicht erschöpft. Zunächst lassen sich die Berechnungen auch leicht für Aufnahmen erweitern, die Sie nicht senkrecht, sondern unter einem Winkel aufgenommen haben.

Desweiteren können Sie aus Fotos, die Sie aus leicht unterschiedlichen Bildwinkeln, stereofotografisch aufgenommenen haben, mittels Stereofotogrammetrie auch dreidimensionale Koordinaten ermitteln. Die Fotogrammetrie wird damit zum Werkzeug der 3D Messtechnik. Eine weitere Variante sind Lichtschnittverfahren.

Fotogrammetrie in der 3D Messtechnik

Bei der meist als Laserlichtschnittverfahren angewendeten Methode der Fotogrammetrie nutzen Sie eine spezielle Beleuchtung, die ein streifenförmiges Muster auf das zu vermessende Objekt projiziert, im Zusammenhang mit einer Kamera, beziehungsweise einer kameraartigen Kombination aus Objektiv und optischem Sensor.

Lichtquelle und Kamera sind so montiert, dass der Sensor das senkrecht beleuchtete Objekt aus einem bekannten Winkel aufnimmt. Dadurch erscheinen Höhenunterschiede am Objekt in der Kamera als seitliche Verschiebung der Lichtstreifen.

Daraus lassen sich dreidimensionale Koordinaten durch Triangulation errechnen, während das Messobjekt unter Scanner hindurch läuft. Neben der berührungslosen Arbeitsweise der Fotogrammetrie ist dabei die Erfassung der Messdaten in Echtzeit besonders vorteilhaft, weil sich die 3D Messtechnik dadurch unmittelbar in Produktionsabläufe integrieren lässt.

3D Messtechnik von der Oberflächenrauheit bis zum Schwarzen Loch

Fotogrammetrie eignet sich für die Vermessung von Objekten sehr unterschiedlicher Größe. Mikroskopische Strukturen wie eine Oberflächenrauheit in der Fertigungstechnik gehören ebenso zu den typischen Anwendungsgebieten der 3D Messtechnik, wie die Vermessung von Gebäuden oder der Erdoberfläche. Zu den neueren Methoden dieser Art der Fotogrammetrie zählen das Terrestrisches Laserscanning (TLS) und die UAS-Fotogrammetrie, eine 3D Messtechnik, die sich unbemannte Flugsysteme zunutze macht.

Die Bereitstellung der Datengrundlage für die Kartografie aus Luftbildern ist gerade ein klassisches Einsatzgebiet der Fotogrammetrie. Für die Untersuchung der Eigenschaften Schwarzer Löcher wird das Verfahren der 3D Messtechnik ebenfalls eingesetzt, wenn auch nicht direkt, sondern an physikalischen Modellen, deren mathematische Beschreibung mit der Schwarzer Löcher übereinstimmt.

Fotogrammetrie von Wasserflächen

Die Oberflächen hydrodynamischer Systeme, wie sie für die Modellierung Schwarzer Löcher verwendet werden, stellen die Fotogrammetrie vor spezielle Probleme und sind daher eine detailliertere Betrachtung wert.

Eine Wasseroberfläche zeigt eine deutliche gerichtete Reflektion auftreffenden Lichts. Durch ihre Winkelabhängigkeit verursachen solche Reflexe besonders bei Wellenbewegungen auf der Wasserfläche starke Störungen der aufgenommenen Bilder. Sie lassen sich zum großen Teil durch Partikel auf der Wasseroberfläche unterdrücken, die das Licht diffus reflektieren.

Auch eine Einfärbung des Wassers hat einen ähnlichen Effekt. Besonders wirkungsvoll haben sich dabei fluoreszierende Farbstoffe wie Eosin erwiesen, da sie das auftreffende Licht mit einer charakteristischen Wellenlänge reflektieren. Bei einer geeigneten Wahl von Lichtfarbe und Farbstoff können Sie dadurch das gerichtet reflektierte Licht vor dem Sensor ausfiltern und erhalten so völlig ungestörte Bilder für die Fotogrammetrie.

Ein anderer Ansatz kommt ganz ohne Einfärbung aus, indem er das reflektierte Licht zunächst auf einer senkrechten Projektionsfläche auffängt und nur diese indirekten Reflektionen mit der Kamera aufnimmt.

Ein weiteres attraktives Anwendungsbeispiel für die Fotogrammetrie

Ein besonders interessantes Einsatzgebiet für die Fotogrammetrie findet sich im Bereich der Fertigungstechnik und Qualitätssicherung. Hier können Sie mit der 3D Messtechnik gleich mehrere Effekte nutzen. Einerseits spart die berührungslose, optische Messtechnik unmittelbar Zeit, wenn sie direkt in den Fertigungsablauf integriert wird.

Die Prüfung während der oder sofort im Anschluss an die Bearbeitung ermöglicht aber auch das Nachbearbeiten ohne zusätzliche Rüstzeiten. Weiterhin kann das frühzeitige Erkennen und Aussortieren von Ausschussteilen deren Anteil an den Fertigungskosten senken.


Daniel Wilhelm

Daniel Wilhelm

CEO

Ihr 3D-Messtechnik Spezialist für taktile Messtechnik.

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