Photogrammetrie-Verfahren zur dreidimensionalen Verfolgung von bewegten Objekten

Die Erfindung betrifft ein Photogrammetrie-Verfahren zur drei¬ dimensionalen Verfolgung von bewegten Objekten, deren Lage und Ort in Abhängigkeit der Zeit durch mehrere Kameras aus ver¬ schiedenen Richtungen zeittaktweise aufgenommen und deren zeit¬ gleich aufgenommenen Bilder mittels Mehrbildtriangulation zur Lage- und Ortsbestimmung des Objektes in Abhängigkeit der Zeit ausgewertet werden.

Photogrammetrische Systeme zur hochgenauen dreidimensionalen Objektvermessung sind nach dem Stand der Technik bekannt. Pho¬ togrammetrische Meßverfahren beruhen auf dem Prinzip, daß die fotografierte Abbildung mathematisch eine Zentralprojektion des abgebildeten Objektes in der Bildebene darstellt. Jeder Objekt¬ punkt ist als Bildpunkt abgebildet, der sich als Durchstoßpunkt eines Projektionsstrahles mit der Ebene darstellt. Der betref¬ fende Projektionsstrahl ist durch die Richtung festgelegt, aus der die Kamera das betreffende Objekt aufnimmt. Um die räumli¬ che Lage bzw. die Distanz des Objektpunktes bzw. die räumliche Anordnung mehrerer Objektpunkt zu bestimmen, müssen von minde¬ stens zwei Kameras verschiedene Bilder aufgenommen werden, bei denen die Schnittpunkte zweier Projektionsstrahlen ein und des¬ selben Objektpunktes die Entfernung festlegen. Die Meßtechnik beruht darauf, daß homologe Punkte, das sind Abbildungen des¬ selben Objektpunktes, in den gewonnenen Bildern identifiziert werden und ihre Lage in der Bildebene zu bestimmen ist. Die zur Rekonstruktion des Projektionsstrahles notwendige Kenntnis der Raumlage des Projektionszentrums läßt sich in einem gemeinsamen Rechenalgorithmus, der sogenannten Mehrbildtriangulation zusam¬ men mit den Koordinaten der gesuchten Objektpunkte berechnen. Hierbei spielt es grundsätzlich keine Rolle, ob die Aufzeich¬ nung der Bilder fotografisch oder optoelektronisch vorgenommen

wird. Das geschilderte Photogrammetrie-Verfahren wird nach dem

Stand der Technik nur zur Vermessung von ruhenden Objekten mit stillstehenden Kameras verwendet. Es ist Aufgabe der vorliegen¬ den Erfindung, das genannte Photogrammetrie-Verfahren derart weiterzuentwickeln, daß es zur Verfolgung von bewegten Objekten geeignet ist, wobei die sich aus den unterschiedlichen aufzu¬ nehmenden Orten bzw. Lagen des Objektes ergebenden Umgebungs¬ lichtverhältnisse und hierdurch hervorgerufene Meßfehler ausge¬ schaltet werden sollen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst, bei dem erfindungsgemäß das Objekt während der Bildaufnahme zeitsynchron zusätzlich belichtet wird. Durch die zusätzliche zeitsynchrone Belichtung werden die Umgebungslichteinflüsse- erheblich minimiert, so daß das Verfahren in allen Lichtver¬ hältnissen von der absoluten Dunkelheit bis hin zum vollen Son¬ nenlicht gleichermaßen verwendbar ist. Auch Störeinflüsse, die beispielsweise dadurch gegeben sind, daß das Objekt sich bei gleichen Tageslichteinflüssen in der Sonne oder im Schatten bzw. der Objekthintergrund sonnenbestrahlt oder abgeschattet ist, beeinträchtigen das Meßergebnis nicht oder nur geringfü¬ gig. Erst die mit der Bildaufnahme zeitsynchrone Belichtung des Objektes ermöglicht die Beobachtung und Feststellung der Orts¬ und Lageänderung.

Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Nach einer ersten Weiterbildung der Erfindung werden zur zusätzlichen Belichtung schnellschaltbare Lichtquellen, vor¬ zugsweise Blitzlampen oder Laserdioden verwendet, vorzugsweise mit einer Blitzlichtdauer von etwa 1 bis 10 μs, weiterhin vor¬ zugsweise von 1 bis 5 μs. Blitzlampen stellen schnell modulier¬ bare Lichtquellen mit einer hohen Lichtleistung dar, die in kurzer Zeit abgegeben werden kann, wobei mit kürzerer Blitz¬ dauer der angestrebte Effekt der ümgebungslichtunterdrückung besser erreicht wird.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Kame¬ ras Videokameras, die taktweise zeitsynchron mit der zusätzli¬ chen Belichtung empfindlich geschaltet werden, während der übrigen Zeit jedoch lichtunempfindlich sind. Diese lichtunemp¬ findlichen Zeit-Phasen betragen vorzugsweise etwa 20 ms, die der derzeit gültigen Fernsehnorm (CCIR-Norm) entsprechen. Das Verfahren ist jedoch auch bei anderen Zeitphasen anwendbar. Vorrichtungstechnisch kann diese Maßnahme dadurch realisiert werden, daß der elektronische shutter der Kamera jeweils auf die Blitzfrequenz und -dauer abgestimmt wird. Der Bruchteil der Umgebungslichtenergie zur Blitzlichtenergie ist hierbei relativ gering, da das Umgebungslicht nur während der kurzen lichtemp¬ findlichen Phase einen Beitrag leisten kann.

Eine weitere Minimierung der Umgebungslichteinflüsse kann erreicht werden, wenn die zusätzliche Belichtung, ggf. jeweils, unter einem Winkel zur Beobachtungsrichtung erfolgt, die durch die relative Lage der Kameras zu dem Objekt definiert ist, wobei der betreffende Winkel größer ist als die Summe der hal¬ ben Öffnungswinkel aus dem Belichtungs- und dem Beobachtungske¬ gel. Durch diese Maßnahme wird das belichtete Bildfeld, das gleichzeitig das Objekt und Beobachtungsfeld ist, auf das zu beobachtende Objekt entsprechend eingeschränkt, d.h., es wird nur das Objekt beleuchtet, nicht aber der Hintergrund.

Der dann noch vorhandene Einfluß des Umgebungslichtes kann durch Bildsubtraktion völlig eliminiert werden, indem im Ver¬ lauf der zeitlichen Abfolge von Bildaufnahmen nur jede zweite Aufnahme zusätzlich buchtet wird, und die Helligkeit der unbe- lichteten Aufnahme von der der belichteten punktweise subtra¬ hiert wird. Unter der Annahme, daß sich zwischen zwei aufeinan¬ derfolgenden Aufnahmen das Umgebungslicht nicht merklich ändert, erscheinen alle Teile im Differeπzbild schwarz, die nur vom Umgebungslicht belichtet werden, während die von der zusätzlichen Belichtung getroffenen Objekte hell erscheinen.

Dies gilt für jede der Kameras. Im Falle der Bildauslesung nach dem Zeilensprungverfahren kann diese Methode sowohl auf das Vollbild als auch auf Halbbilder angewendet werden.

Vorzugsweise werden zur Bildauswertung inklusive der Bildsub¬ traktion aller von Kameras aufgenommenen Bilder digitalisiert und die digitalisierten Werte einer Prozessoreinheit zur Lage- und Ortsbestimmung in Abhängigkeit der Zeit zugeleitet. Vor¬ zugsweise besteht die Prozessoreinheit aus mehreren Prozesso¬ ren, wobei alle Prozessoren im Sinne der ParallelVerarbeitung die mindestens zwei zeitgleich aufgenommenen Kamerabilder gleichzeitig bearbeiten. In dieser Weise wird die Echtzeitfä¬ higkeit erreicht, d.h., alle von den Kameras gelieferten Bilder werden ausgewertet. Beispielsweise werden bei Verwendung von Standardkameras nach der CCIR-Norm alle Halbbilder mit einer Wiederholfrequenz von 50 Bildern pro Sekunde ausgewertet.

Nach einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung werden die zu verfolgenden Objekte nur an signifikanten, ggf. vorher flä¬ chenweise gekennzeichneten oder mit einer Codierung versehenen Teilflächen beobachtet. Solche Teilflächen können Eckbeschläge an Containern oder Wechselbehälter oder Tragzapfen an Eisen¬ bahnwagen oder sonstige Teile sein, die eine Objekterkennung aus einer Klasse von Objekten ermöglichen. Durch die zusätzli¬ che Belichtung, vorzugsweise Blitzbelichtung spielen Oberflä¬ cheneigenschaften des Objektes keine Rolle, d.h., die beobach¬ teten Objekte bzw. Objektteilflächen können farbig lackiert sein, schwarz oder weiß bis hin zur Rostbildung ausgebildet sein, wobei neben und hinter dem Objekt liegende beliebige Strukturen, die bei der Objektbewegung wechseln, beliebig aus¬ gestaltet sein können. Mit dem beschriebenen Verfahren kann die Meßgenauigkeit bezüglich der Linearabmessung des Meßvolumens auf 1 % und weniger begrenzt werden.

Eine vorzugsweise Verwendung dieses Verfahrens ist die Verfol¬ gung von schienengeführten Tragwagen oder deren Teilen, wie Tragzapfen, von auf den Tragwagen abgestellten Ladeeinheiten,

wie Containern, Wechselbehältern, Sattelaufliegern oder der¬ gleichen, und die Steuerung der Umschlaghebezeuge beim Be- und Entladen der Tragwagen während deren Fortbewegung. Diese Ver¬ wendung ermöglicht die heute an Schnell-Umschlaganlagen gestellten Anforderungen, bei denen Ladeeinheiten automatisch am langsam fahrenden Zug umgeschlagen werden können.

Dieses auf der sogenannten Rendezvous-Technik basierende Kon¬ zept und die hiermit verbundene Aufgabenstellung wird prinzipi¬ ell in den Unterlagen der DE 42 33 007 AI beschrieben. Übli¬ cherweise weisen Umschlageinrichtungen einen Lagerkomplex auf, entlang dem ein oder mehrere Geleise führen sowie ggf. benach¬ bart Fahrzeugbereiche vorgesehen sind. Der Lagerkomplex kann als Zwischenlager ein oder mehrere Hochregallager aufweisen. Zum Umschlagen der auf Tragwagen herantransportierten Contai¬ ner, Wechselbehälter, Sattelaufliegern oder dergleichen bedient man sich Hebezeugen sowie Querförderern. Ein geeignetes Umschlaggerät für die genannten Großbehälter ist beispielsweise in der DE 43 22 522 AI beschrieben. Dieses besitzt ein Hubge¬ rüst, das zwei über mindestens eine Traverse verbundene Säulen aufweist und das.in einer Laufkatze durch ein Linearführungs- system vertikal verfahrbar ist. Die genannten Säulen können Kastenprofile sein, in denen jeweils eine Pendelstange karda- nisch gelagert ist, an deren unterem freien Ende ebenfalls über eine kardanische Lagerung eine Lastaufnahmevorrichtung wie ein Spredder befestigt ist. Zur Führung des Umschlaggerätes ist eine genaue Positionierung gegenüber dem zu be- oder entladen¬ den Tragwagen erforderlich. Dies gilt insbesondere für solche Be- und Entladevorgänge, die am langsam bewegten Tragwagen durchgeführt werden. Vorzugsweise befindet sich mindestens ein Meßsystem bestehend aus mindestens zwei Kameras und einer Beleuchtungseinrichtung am Umschlaggerät. Mittels des vorbe¬ schriebenen Photogrammetrie-Verfahrens wird die Relativposition des Umschlaggerätes zum Ladegut bzw. zum Tragwagen gemessen und jeweils das Uraschlaggerät entsprechend der sich aus den Meßwerten und der Sollwertvorgabe ergebenden Differenzwerten gesteuert.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung befinden sich die Meßsy¬ steme an teleskopisch bewegbaren und geführten Trägern, die relativ zum Umschlaggerät auf die Positionen der zu verfolgen¬ den Objekte automatisch gefahren werden. Vorzugsweise wird zur Steuerung des Umschlaggerätes während eines Ab- oder Beladevor¬ ganges mindestens ein Meßsystem auf eine festgelegte Position außerhalb des Ab- oder Beladebereiches am Tragwagen mittels der Teleskope gefahren, so daß zur Steuerung der Synchronfahrt des Umschlaggerätes auch während des Umschlagevorganges tragwagen- bezogene Meßgrößen zur Verfügung stehen.

Vorzugsweise werden für die festgelegten Positionen außerhalb des Ab- und Beladebereiches markante Objekte verwendet, insbe¬ sondere Eckbeschläge für den Fall, daß sich auf dem Tragwagen benachbarte Ladeeinheiten befinden, oder Tragzapfen für den Fall, daß sich auf dem Tragwagen keine benachbarten Ladeeinhei¬ ten befinden.

Das erfindungsgemäße Photogrammetrie-Verfahren mit integrierter Mustererkennung zum Auffinden der homologen Punkte dient zur Steuerung des gesaraten Um-, Be- oder Entladevorgang, wobei in einem konkreten Ausführungsbeispiel von den im Abstand ange¬ ordneten Kameras in einer Taktfolge von ca. 20 ras jeweils zeit¬ gleich Bilder aufgenommen werden, die digitalisiert und in einem Parallelrechner verarbeitet werden. Bei jeder zweiten Bildaufnahme wird synchron ein Blitz als zusätzliche Beleuch¬ tung über eine Zeit von 10 μs ausgelöst, wodurch jede zweite zeitgleich aufgenommene Bildserie belichtet, die jeweils dazwi¬ schenliegende jedoch unbelichtet ist. Durch Bildsubtraktion können Umgebungslichteinflüsεe vollständig eliminiert werden, so daß sich eine Meßgenauigkeit von 1 % hinsichtlich der Fest¬ stellung der Ortskoordinaten bzw. des Meßvolumens erreichen läßt. Die Umgebungslichteinflüsse lassen sich umso besser eli¬ minieren, je kürzer die Belichtungsdauer, d.h. die Blitzlicht¬ dauer ist. Die Lichtintensität ist dann dementsprechend zu erhöhen, um eine ausreichende Belichtung zu erhalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist schematisch in der Figur zu erkennen. Das zu verfolgende bewegte Objekt 1 wird von einer Lichtquelle 2, die einen Lichtkegel mit einem Kegelwinkel ß ausstrahlt, taktweise beleuchtet, wobei zeitsynchron die Kame¬ ras 3 und 4 mit einem Beobachtungskegel α, (von denen nur einer dargestellt ist), das Objekt 1 aufnehmen. Die gegensei¬ tige Lage der Lichquelle 1 und der Kameras 3 und 4 in bezug auf die Kegelwinkel α and ß ist so gewählt, daß (α/2) + (ß/2) ≥ γ erfüllt ist, wobei γ der Winkel zwischen den jeweiligen optischen Achsen 5,6 ist, die jeweils Winkelhalbierende der Winkel cc bzw. ß sind.