German Title: Entwurf und Implementierung eines passiven Stereo-Infrararot-Kamerasystems zur Oberflächenrekonstruktion von Wasserwellen

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Abstract

To quantify air-sea exchange processes, an understanding of how they are influenced by water waves is necessary. This work presents a passive, infrared stereo-imaging system for the reconstruction of a wavy water surface. The system does not require a sub-merged light source, so it is suitable for field operation. The structure of the thesis is as follows. Previous work on water wave imaging is reviewed and the major problems with stereo-based reconstruction of water surfaces are identified: transparency, lack of texture and specular reflections. It is shown that many of these problems can be avoided by imaging at infrared wavelengths. Following a review of infrared radiometry, the key ingredients of surface reconstruction using the stereo principle are explained, including camera calibration, epipolar geometry and disparity estimation. A description of the stereo infrared camera system used in this work is given. An experimental validation of the system was performed at the Heidelberg wind-wave channel. Several stereo infrared image sequences of water waves recorded at this facility are used to demonstrate that a dense surface reconstruction of water waves is possible using this system. The accuracy of the reconstruction is experimentally assessed using a flat water surface as a reference plane.

Translation of abstract (German)

Eine quantitative Beschreibung der Austauschprozesse zwischen Ozean und Atmosphäre erfordert ein Verständnis des Einflusses von Wellen auf diese Prozesse. Diese Arbeit stellt ein bildgebendes, passives Infrarot-Stereokamerasystem zur Rekonstruktion wellenbewegter Wasseroberflächen vor. Da keine Lichtquelle unterhalb der Wasseroberfläche benötigt wird, ist das System feldgängig. ZunÄachst werden bestehende Verfahren zur Wellenvisualisierung besprochen und die Hauptprobleme der stereo-photogrammetrischen Rekonstruktion von Wasseroberflächen herausgearbeitet: Transparenz, unzureichende Bildstruktur und spiegelnde Reflektion. Es wird aufgezeigt, daß sich durch Bildaufnahme im infraroten Wellenlängenbereich viele dieser Probleme vermeiden lassen. Nach einer Wiederholung der Infrarotradiometrie werden die wichtigsten Komponenten der auf dem Stereoprinzip beruhenden Oberflächenrekonstruktion erläutert: Kamerakalibration, Epipolargeometrie sowie Disparitätssuche. Im Anschluß wird das verwendete Stereokamerasystem beschrieben. Eine experimentelle Validierung des Systems erfolgte am Heidelberger Wind-Wellenkanal. Anhand mehrerer dort aufgenommer Infrarot-Stereobildsequenzen von Wasserwellen wird gezeigt, daß das Instrument eine dichte Rekonstruktion der Wasseroberfläche ermÄoglicht. Eine experimentelle Beurteilung der Genauigkeit des Verfahrens erfolgt anhand der Rekonstruktion einer ruhenden Wasseroberfläche, welche als Referenzebene verwendet wird.