Georeferenzierung von Bildern und Videos

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Georeferenzierung von Videos und Bildern 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS Inhalt 1. Motivation…
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Georeferenzierung von Videos und Bildern 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS Inhalt 1. Motivation 2. Grundlagen 3. Beispiel: Pariser Brücke 4. Video Compass 5. Panorama-Aufnahme 6. Patent 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS Grundlagen Bei der Modellierung der Aufnahme benötigt man 3 Koordinatensysteme: 1. Objektkoordinaten- system So 2. Kamerakoordinaten- system Sk 3. Koordinatensystem in der Bildebene Sc 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS Grundlagen Bei der Orientierung der Kamera unterscheidet man : • Äußere Orientierung (ÄO): – sie bestimmt die räumliche Lage der Kamera bezogen auf das Objektkoordinatensystem – Räumliche Bewegung wird durch 3 Translations- und 3 Rotationsparameter bestimmt • Innere Orientierung (IO): – sie enthält die Koordinatentransformation zwischen Sk und Sc (Hauptpunkt, Kamerakonstante) sowie die Korrektur der Abbildungsfehler (Scherung, Maßstab) 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS Grundlagen • Falls IO der Kamera bekannt:  kalibrierte Kamera • Falls IO nicht oder nur teilweise bekannt:  nicht kalbrierte Kamera 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS Beispiel: Pariser Brücke Projekt: Simulation verschiedener Beleuchtungssysteme für Brücken in Paris und deren Einfluß auf die Umgebung Beispiel: Aufnahme einer 300 Bilder großen Sequenz einer speziellen Brücke, der Pont-Neuf Notwendig: robuste Methode zur Berechnung der Position der Kamera, um damit die virtuellen Objekte in die richtige Stelle im Bild einzuordnen 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS Beispiel: Pariser Brücke 160.Bild der Sequenz von anderer Brücke in der Dämmerung aufgenommen 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS Beispiel: Pariser Brücke • Keine Informationen über ÄO der Kamera • Features (Punkte, Bögen) werden automatisch detektiert Ausnahme: 1.Bild Ablauf: • Im ersten Bild werden nicht-koplanare features gesucht und halbautomatisch mit den entsprechenden features im 3D-Modell gematched • Diese features dienen zur Berechnung einer Schätzung der Kameraposition nach DeMenthon und Davis 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS Beispiel: Pariser Brücke • die anfängliche Schätzung wird durch eine robuste Minimierung der Projektionsfehler verfeinert  Berechnung des Kamerastandpunktes • Einarbeitung des virtuellen Objektes ins Bild • Die features, die im 1.Bild detektiert worden sind werden über die Sequenz getracked und mit den 3D-features gematched  Berechnung des Kamerastandpunktes für jedes Bild der Sequenz nach dieser Methode 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS Beispiel: Pariser Brücke Augmented-reality Schleife: 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS Beispiel: Pariser Brücke Image Synthesis: • Modellierung der 3D-Brücke mittels alter Konstruktionspläne • unterteilt man in 3 Prozesse: 1. Modellierung der Geometrie 2. Modellierung der Bestandteile der Oberflächenmaterialien 3. Modellierung der Position und Beleuchtungsintensität der virtuellen Lichtquelle 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS Beispiel: Pariser Brücke Image compositions: • Nach Berechnung des Kamerastandpunktes für jedes Bild, werden die computergenerierten Bilder durch sogenannte ray-casting Algorithmen erstellt 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS Beispiel: Pariser Brücke Kamerakalibrierung: • IO wird durch ein Referenzobjekt in ca. 3m Entfernung zur Kamera bestimmt • Grund für die Trennung der Bestimmung der IO und des Kamerastandpunktes liegt in der Anzahl der features • Bei der Bestimmung des Kamerastandpunktes liegt die Anzahl der features zwischen 10 und 20  mangelhaft zur Ausführung einer kompletten Kalibrierung 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS Beispiel: Pariser Brücke Kamerakalibrierung (Methode nach DeMenthon und Davis): feature points f O = Kamerazentrum 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS Beispiel: Pariser Brücke Kamerakalibrierung: W = R*T ( ) f 0 0 Perspektive Projektionsmatrix M = 0 f 0 *W 0 0 1 Unbekannte Parameter: • Translation: X0; Y0; Z0 • Orientierung des Kamerasystems (Rotation): i, j, k 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS Beispiel: Pariser Brücke Gesucht: Methode nach DeMenthon und Davis: X0; Y0; Z0, i, j, k • k = i x j ,da k orthogonal zur ij-Ebene • Hier gilt: bzw.  es müssen nur die Unbekannten Z0, i, j bestimmt werden 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS Beispiel: Pariser Brücke Perspektive Projektion: Gesucht: X0; Y0; Z0, i, j, k 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS Beispiel: Pariser Brücke Perspektive Projektion: skalar multiplizieren mit i * i = ... ~ Faktoren hier vernachlässigt * i = ... ~ * i = 0, da orthogonal  mit = kleiner Wert 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS Beispiel: Pariser Brücke Gesucht: Perspektive Projektion: X0; Y0; Z0, i, j, k mit mit  Gleichungssystem: 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS Beispiel: Pariser Brücke Orientierungsschätzung mittels POSIT-Algorithmus: 1.Näherung:  Z0, i, j  2.Iteration:  3.Iteration: ... usw.  Ergebnis für Z0, i, j  Ergebnis für X0, Y0, k 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS Paris Ergebnis der Simulation 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS Video Compass Prinzip: Gewinnung der Relativen Orientierung (RO) mit Hilfe von Fluchtpunkten und Fluchtlinien • Fluchtpunkte schneiden sich bei parallelen Geraden in der Realwelt im Unendlichen • Wegen des Effekts der perspektiven Projektion schneiden sich parallele Linien der Realwelt im Bild 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS Video Compass Ansatz: x´= P X mit x´= [ x´, y´, 1] T und X = [ X, Y, Z, 1] T 3 Fluchtpunkte im Unendlichen = unendlich ferne Punkte • unendlich ferner Punkt in x-Richtung: v1 = [1,0,0,0]T • unendlich ferner Punkt in y-Richtung: v2 = [0,1,0,0] T • unendlich ferner Punkt in z-Richtung: v3 = [0,0,1,0]T 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS Video Compass x´= P v1  x´= [p11, p21, p31]T 1. Spalte der Projektionsmatrix P x´= P v2  x´= [p12, p22, p32]T 2. Spalte der Projektionsmatrix P x´= P v3  x´= [p13, p23, p33]T 3. Spalte der Projektionsmatrix P  Fluchtpunkte im Bild suchen 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS Video Compass • Dazu werden die Linien im Bild detektiert • Zur Berechnung der Fluchtpunkte werden nur Linien mit einer Länge von mind. 5% der Bildbreite benutzt • Automatische Suche nach Fluchtpunkten und deren geschätzten Koordinaten wird mittels EM- Algorithmen (Wahrscheinlichkeitskeitsmaximierung) vollzogen 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS Video Compass Problem: Fluchtpunkte sind nicht immer eindeutig  Lösung über Kleinste-Quadrate 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS Video Compass Kalibrierung: Für nicht kalibrierte Kameras gilt: Einheitsvektoren: Fluchtpunkte: Wegen Orthogonalität: 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS Video Compass Mit Für 3 im Bild detektierte Fluchtpunkte gibt es 3 Beschränkungen der Matrix S: Durch Cholewsky-Zerlegung von S erhält man Kalibriermatrix 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS Panorama-Aufnahme MIT City Projekt: • Ziel: vollautomatische Rekonstruktion einer 3D- Stadtlandschaft aus Bildern • Bewegliche Plattform mit Kamera macht Panoramaaufnahmen mit genäherten Orientierungs- und Positionsdaten  durch on-board Sensoren wie GPS, Beschleunigugsmesser, Meterzähler • Aufnahmestandpunkte heißen nodes • Abstände zwischen den Aufnahmenstandorten ca. 5-10m 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS Panorama-Aufnahme • Annahmen: – IO ist bekannt – Rotation wird aufgezeichnet – Ungefähre Bewegung der Kamera ist bekannt Prinzip: • Suche benachbarter nodes-Paare • Schätzung der Basislinie zwischen den nodes • Schätzung der Bewegungsrichtung für jedes Paar mittels Hough-Transformation und Monte-Carlo- Wahrscheinlichkeitsmaximierung  alle geschätzten Bewegungen gehen in eine Optimierung ein, die die Kameraposition berechnet 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS Patent Patent vom 28.12.2000: Elektronische Schaltung zur Aufzeichnung von geographischen Positionsdaten auf dem Tonkanal eines Camcorders. Ziel: Aufgenommene Bildsequenzen auf einfache Weise zu den entsprechenden Aufnahmeorten zu referenzieren 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS Patent Aufbau: • Anschluß des GPS-Empfängers über den 1. Schaltungsteil mit Mikrofon- oder Audioeingang des Camcorder • Nahezu Synchrone Aufnahme der Bilder und der aktuellen geographischen Position auf Aufzeichnungsmedium (z.B. Magnetband) • Zur Nachbearbeitung: Anschluß des Videoausgangs des Camcorders über 2. Schaltungsteil mit einem PC • Datenverarbeitungsprogramm zeigt Landkarte mit markierten Orte der Filmaufnahme • Durch Mausklick auf einen bestimmten Ort werden automatisch die entsprechenden Filmsequenzen angezeigt 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS Patent • Camcorder zeichnet i.d.R. Aufnahmezeiten mit auf, bzw. Aufnahmezeiten sind in den GPS-Informationen enthalten  Datenverarbeitungsprogramm errechnet bereiste Route • Mittels Schnittprogramm kann Film und Karte zu einem kompletten Film zusammgesetzt werden • Bei Kameras mit Stereo-Tonaufzeichnung genügt ein Tonkanal für kontinuierliche Aufnahme der GPS-Signale • Es besteht Möglichkeit der Differenzkorrektur mittels Differential-GPS (Verbindung PC mit Internet):  Ortsgenauigkeit von ca. 1m 12.12.2002 Multimediale Visualisierung ortsspezifischer Informationen Frank Ottmann Vertiefer GIS
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