Masterarbeit Franziska Poltersdorf

Titel:
Untersuchung der Eignung einer GoPro-Kamera für photogrammetrische Aufgabenstellungen

Betreuer:
Dipl.-Wirt.-Ing. Robert Koschitzki, Dr.-Ing. Danilo Schneider

Beschreibung:

In vielen Aufgabenbereichen der Photogrammetrie haben sich neben den Messkameras auch bereits Amateurkameras, wie Spiegelreflex- oder Kompaktkameras, etabliert. Ein ganz neuer eigener Kameratyp im Bereich der Amateurphotographie sind die sogenannten Action Cams. Diese Kameras werden vor allem für Bild- und Videoaufnahmen während verschiedener Outdoor Aktivitäten, wie z.B. Bergsteigen oder Surfen, konstruiert. Sie weisen gegenüber herkömmlichen Digitalkameras einige spezielle Eigenschaften auf: Action Cams sind klein und kompakt gebaut, extrem robust und oft staub- und wasserdicht. Zudem besitzen sie oft ein fest eingebautes Weitwinkel- bzw. Fisheyeobjektiv. Die Besonderheit hierbei besteht in der festen Brennweite, dem festen Fokuspunkt und der fixierten Blende. Genau diese Eigenschaften versprechen ein gewisses Genauigkeitspotenzial für photogrammetrische Anwendungen. Dennoch könnte dabei der extreme Öffnungswinkel des Objektivs als limitierender Faktor gelten.

Die Masterarbeit untersucht die Eignung einer bestimmten Action Cam, der GoPro Hero 3, für photogrammetrische Aufgabenstellungen. Im Vordergrund stand dabei die Kalibrierung der Kamera. Da die weitwinkelige Optik eine Abbildungsbeschreibung über die Zentralperspektive nicht ausreichend genau zulässt, musste zudem ein geeignetes Abbildungsmodell bestimmt werden. Für diesen Zweck wurden im Rahmen der Kalibrierung gleichzeitig vier weitere geometrische Modelle getestet und anhand der Kalibrierergebnisse hinsichtlich ihrer Eignung bewertet. Ein weiteres Ziel der Arbeit war die Prüfung der Stabilität der inneren Orientierung unter veränderten Aufnahmebedingungen.

 

Die GoPro Hero 3 Black Edition (12 Megapixel) besitzt ein Weitwinkelobjektiv mit 170° Öffnungswinkel und eine feste Brennweite von 2,77mm. Alle für die Untersuchung relevanten Aufnahmen wurden in einem TU eigenen Kalibrierraum aufgenommen. Dieser Raum ist speziell für die Kalibrierung von Fisheyekameras eingerichtet. Die codierten und uncodierten Messmarken sind so über die Decke und Wände verteilt, dass eine gleichmäßige und flächendeckende Verteilung der Marken im (Weitwinkel-)Bild gewährleistet ist. Die Auswertung der Marken im Bild erfolgte dann mit einem am Institut entwickelten Programm.

 

Im Rahmen der Kamerakalibrierung konnte das äquidistante Modell als das geometrische Projektionsmodell bestimmt werden, welches die Abbidlungsgeometrie der Linse am besten beschreibt. Zudem wurde festgestellt, dass die Zusatzparameter für radial-symmetrische, radial-asymmetrische Verzeichnung, sowie Affinität und Scherung unbedingt bei der Kalibrierung mitgeschätzt werden müssen, da diese Parameter Abweichung zwischen der Modellgeometrie und der realen Abbildung der Linse kompensieren können. Ohne das Mitschätzen der Parameter lag das Ergebnis der Kamerakalibrierung bei 10 Pixel Genauigkeit. Wurden alle Verzeichnungsparameter zum Modell hinzugefügt, lag das finale Ergebnis der Kalibrierung bei 0,1 Pixel Genauigkeit.

 

Die Stabilität der inneren Orientierung wurde mit Hilfe von Hypothesentests ermittelt. Dabei stellte sich heraus, dass die Lage des Hauptpunktes unter keiner der veränderten Bedingungen stabil bleibt, mindestens eine Koordinatenkomponente wies signifikante Abweichungen auf. Alle anderen Parameter (Kamerakonstante und Zusatzparameter) zeigten einzig bei Kälteeinfluss signifikante Abweichungen.

Die Untersuchungen ergaben somit, dass die GoPro Hero 3 Action Cam potenziell für photogrammetrische Aufgaben geeignet ist und auch auf Grund ihrer Eigenschaften in vielen Bereichen Verwendung finden kann.