Algorithmen zur Oberflächenerfassung mit Gitterlinien-Verfahren

Abstract

Berührungslose Messverfahren haben den Vorteil, daß bei großen, unzugänglichen oder gefährlichen Objekten auf das Anbringen von Zielmarken verzichtet werden kann. Sie erfordern dann jedoch eine Nutzung der natürlichen Strukturen des Beobachtungsobjekts oder temporäre Zielmarkierungen, z.B. die Projektion von Laserpunkten.<br />Im Rahmen der Entwicklung eines Theodolitbasierten Messsystems mit integrierten CCD-Kameras in der Forschungsgruppe Ingenieurgeodäsie, Institut für Geodäsie und Geophysik der TU Wien, entstand das sog.<br />Gitterlinienverfahren.<br />Als vorrangiges, jedoch nicht alleiniges Anwendungsszenario wurde hier an die Erfassung von Oberflächen von Industriebauwerken und deren Deformation gedacht. Es verwendet neben einem Videotheodolit einen Theodolit mit Laserpointer, dessen Laserspot den aktuellen Messpunkt markiert. Der Grundgedanke dieses Verfahrens ist es, eine virtuelle Linie im Raum zu verfolgen, bis deren Durchstoßpunkt mit der zu untersuchenden Oberfläche gefunden wurde.<br />Die bisher vorgeschlagenen Algorithmen werfen hinsichtlich Stabilität und Schnelligkeit die Frage auf, ob einfachere Algorithmen, die dennoch eine heuristische Suche ermöglichen, zur Effizienzsteigerung beitragen können.<br />Es wird erwartet, dass sich eine deutliche Verbesserung der Verfahren zeigt, wenn Intervallverfahren verwendet werden, die über heuristisches Suchen nur eine Variable bestimmen, die gleichzeitig einen Bezug zur jeweiligen Gitterlinie aufweist. Der Großteil dieser Arbeit (Kap. 2 bis 4) befasst sich daher mit dem Entwurf und umfangreichen Tests zweier neuer Verfahren.<br />Neben der Untersuchung dieses Punktes wird in der vorliegenden Arbeit ein Vorschlag unterbreitet, wie die Zuverlässigkeit der Lage des gefundenen Durchstoßpunktes beurteilt werden und in die Algorithmen einfließen kann. Die dadurch verursachte Änderung im Verhalten der Algorithmen wird aufgezeigt und diskutiert.<br />Weitestgehend unberücksichtigt bleiben dabei äußere Einflüsse, wie die gesamte Messsituation, Lichtverhältnisse, das Reflexionsverhalten der Oberfläche oder die Messgenauigkeit der Theodolite, da letztlich davon auszugehen ist, dass diese Einflüsse sich auf alle Verfahren in der gleichen Weise auswirken und daher kein unterschiedliches Verhalten begründen.<br />Eine wesentliche Erweiterung der Gitterlinienverfahren ergibt sich aus einer anderen Überlegung. Die Gitterlinien werden bisher nur als Geraden gesehen. Um den Anwendungsbereich bzw. die Flexibilität der Verfahren zu erweitern, stellt sich daher die Frage, ob auch gekrümmte und / oder gewundene Kurven als Gitterlinien verwendet werden können. Damit beschäftigt sich Kap. 5, das die Arbeit abschließt.<br />

Contactless measuring methods have the advantage of avoiding to mount artificial targets on large, unapproachable or dangerous objects.<br />But this also means to make use of natural structures of the object or of temporary markings, e.g. projected laser spots.<br />While developing a theodolite based measuring system with integrated CCD-cameras the so-called gridline method was developed in the research group Engineering Geodesy, Institute of Geodesy and Geophsics, Vienna University of Technology. The main use for this method is thought to be monitoring of surfaces and deformation of industrial buildings. The system makes use of a video-theodolite and a laser pointing theodolite to mark the current target. The idea of the gridline method is to trace a virtual line in space until its intersection with the monitored surface is found.<br />Concerning robustness and needed time, the present algotithms let ask if simpler algorithms based on heuristic search methods would lead to more efficiency.<br />It is expected that better results are achieved by using methods which work with an interval and only one variable, that is determined by a heuristic search. At the same time this variable is supposed to be related directly to the gridline. Therefore the main part of this thesis (chap. 2 to 4) deals with the development and extensive tests of two new algorithms.<br />Besides a suggestion is made how to estimate the reliability of the position of the intersecting point, and how this can be consideredin the algorithms. Caused by this change, the different behaviour of the algorithms is shown and discussed.<br />Mostly unconsidered are external influence like the whole measuring situation, lighting conditions, reflexion behaviour of the surface, or the measuring accuracy of the theodolites. All these factors will influence the different algorithms in the same way. Therefore they cannot cause a different behaviour.<br />An essential enhancement of the gridline method derives by a futher thought. So far gridlines have been seen as straight lines. Now, the question is put if common curves (with curvature and torsion) can be token as gridlines as well. This would lead to a greater flexibility and application range. The closing chap. 5 deals with this question.