German Title: Rekonstruktion von bewegten rotationssymmetrischen Oberflächen aus dünnen 3D-Punktwolken unter Verwendung einer Stereokamera und strukturierter Beleuchtung

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Abstract

Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Analyse der algorithmischen Methodik zur Rekonstruktion eines parametrischen Oberflächenmodells für ein rotationssymmetrisches Objekt aus einer Sequenz von dünnen 3D-Punktwolken. Dabei kommt ein neuartiges Messsystem mit großem Sichtfeld zum Einsatz, das auch in schwierigen Bedingungen eingesetzt werden kann. Das zu vermessende Objekt kann während der Aufnahme der Sequenz einer als analytisches Modell formulierbaren Bewegung unterliegen. Das Verfahren wird anhand einer praktischen Anwendung zur Oberflächenrückgewinnung eines Rades analysiert und entwickelt. Es wird gezeigt, dass die durch Fit eines einfachen Models für jede Einzelmessung erzielbare Genauigkeit durch Anpassung eines globalen Modells unter gleichzeitiger Einbeziehung aller Einzelmessungen und unter Berücksichtigung eines geeigneten Bewegungsmodells erheblich verbessert werden kann. Die Gewinnung der dreidimensionalen Punktdaten erfolgt mit einem Stereokamerasystem in Verbindung mit aktiver Beleuchtung in Form eines Punktmusters. Eine relativ hohe Punktdichte im gesamten Sichtfeld des Stereokamerasystems wird durch Verbindung mehrerer Laserprojektoren zu einer Projektionseinheit erzielt. Durch exakte Kalibrierung des Kamerasystems und der Projektionseinheit wird trotz großer Streuung der Laserpunkte im Kamerabild unter Ausnutzung der trifokalen geometrischen Bedingungen eine hohe Genauigkeit in den dreidimensionalen Punktdaten erzielt.

Translation of abstract (English)

The aim of this thesis is the development and analysis of an algorithmic framework for the reconstruction of a parametric model for a moving surface of revolution from a sequence of sparse 3-D point clouds. A new measurement device with a large field of view that allows for acquisition of three-dimensional data in challenging environments is utilized. During the measurement process, the observed object may be subject to motion which can be described in terms of an analytical model. The proposed method is developed and analyzed, along with an application for the surface reconstruction of a wheel. It is shown that the precision of the coarse surface model independently fitted to each measurement can be significantly improved by fitting a global model to all measurements of the sequence simultaneously. The global model also takes into account the object's motion. The three-dimensional point clouds are acquired by an optical device which consists of a stereo camera and an illumination unit projecting a dot pattern. A rather high density of surface points within the camera's field of view is established by means of multiple laser projectors. Through an elaborate calibration procedure of the stereo camera and the projector, and by utilizing the trifocal epipolar constraints of the measurement device, a high accuracy in the three-dimensional point cloud is achieved.