Im Teil 2 unserer Serie betrachteten wir die Einsatzmöglichkeiten von Vario-Objektiven in der Videotachymetrie und fokussierten dabei auf die Anwendungsfälle mit kurzen Distanzen, aber wechselnden Bildfeldern, wie sie insbesondere im Bauaufmaß, Handwerk, der Unfallaufnahme etc. zu finden sind.
Geräte für die genannten Anwendungsgebiete wurden erst vergleichsweise spät erschlossen. Klassische Totalstationen waren und sind für andere Anforderungen entwickelt: sehr hohe Messgenauigkeit, hohe mechanische und klimatische Robustheit sowie den Einsatz durch geodätisch geschultes Personal.
Diese Eigenschaften treiben Aufwand und Preis, werden im Bauaufmaß und Handwerk aber nur teilweise benötigt. Für diesen Markt waren daher nicht lediglich vereinfachte Totalstationen gefragt, sondern Geräte, die hinsichtlich Aufbau, Bedienung, Genauigkeit und Kosten von Grund auf neu gedacht wurden.
So gab es zahlreiche Vorarbeiten zu tachymetrischen Vermessungsgeräten, speziell für diese Anwendungen, zugeschnitten auf Anwender ohne geodätisches Fachwissen, beispielsweise im Rahmen mehrerer Forschungsarbeiten an der Bauhaus-Universität Weimar unter Prof. Donath, auch durch den Autor.
Parallel gab es Entwicklungen in der Wirtschaft. 2007 brachte die Firma Techni-Soft GmbH den Flexijet 3D auf den Markt. Hier gilt es besonders, Christian Rösch, den Geschäftsführer der Techni-Soft GmbH, zu würdigen. Seine Firma war eigentlich im Bereich CNC / CAD-CAM und Automatisierungstechnik tätig. Er selbst stammt aus dem Bereich des Maschinenbaus und erkannte das Potenzial eines tachymetrischen Vermessungsgerätes speziell für diesen Markt und entwickelte, wo etablierte Hersteller verzögerten.
Leica Geosystems brachte dann erst 2011 den Disto3D auf den Markt, ein Gerät, welches nun ebenfalls klar von seiner ganzen Technologie auf den genannten Anwenderkreis zugeschnitten war und vom inneren Aufbau mit den klassischen Totalstationen brach, also keine Adaption darstellte, sondern eine Neuentwicklung.
Der Erfolg von Flexijet 3D führte zur Entwicklung der zweiten Generation mit Kamera mit Fix-Optik, Vorstellung Mai 2017. Leica seinerseits stellte im September 2024 die iCON iCS-Familie vor. Geräte dieser Serie zeichnen sich durch Merkmale wie mehrere Kameras verschiedener Brennweite und Stift-Tracking aus.
Nach diesen Vorbetrachtungen geht es nun an ein Testsystem für diesen Anwendungssektor. Betrachtet wird die Kombination aus Laserentfernungsmesser und Vario-Objektiv. Das ist sozusagen die kameraseitige „Mindestausstattung“ für eine Videotachymetrie, die durch weitere Kameras ergänzt werden kann und auch sollte.
In diesem Mindest-Setup erfüllt die Kamera mindestens zwei Aufgaben:
- Ersatz des Fernrohrs: Anpeilung eines Messpunktes
- Photogrammetrisch verwertbare Aufnahmen
Schon beim Anpeilen des Messpunktes kommen zwei „widersprüchliche“ Wünsche zusammen:
- Ein hoher Zoom, um den Messpunkt sicher anpeilen zu können
- Ein viel geringerer Zoom für eine Übersicht, wohin man gerade zielt, wo der Messpunkt grob liegt, auch um Sicherheit zu haben, z.B. den richtigen Messpunkt anzupeilen
Für die photogrammetrischen Aufnahmen bestehen ebenfalls mehrere Anforderungen, mindestens:
- Aufnahme in hoher Auflösung
- Möglichst Rohdaten des Sensors, also NICHT vom ISP (Image Signal Processor) vorverarbeitet
- insbesondere kein Debayering, sowie möglichst hohe Bittiefe / Dynamik
- Vorschaubild mit identischem Bildfeld wie dann die hochauflösende Aufnahme für die Ausrichtung
Aufbauend können dabei auch ganze Aufnahmesequenzen für Focus-Stack und HDR sinnvoll sein.
Hinzu kommen Tracking-Aufgaben. Hier können schaltbare Bandpassfilter für IR-Marker oder den Laser sinnvoll sein. Bei Bewegungen wären eigentlich Global-Shutter-Sensoren von Vorteil, deren häufig geringe Auflösung bei vergleichbaren Kosten allerdings wieder den vorherigen Anforderungen widerspricht.
Diese Aufgaben lassen sich wieder gruppieren in:
- Anpeilung einer Messmarke, geringe Auflösung, hoher Zoom, verlässliches Fadenkreuz, komprimiert, schnell, mit geringer Latenz über WLAN
- Vorschaubild des gesamten Bildfeldes mit geringerer Auflösung, komprimiert, schnell, mit geringer Latenz über WLAN
- Photogrammetrische Aufnahmen mit hoher Auflösung und Dynamik, Zeit dafür kann wesentlich länger sein, verlustfreie Komprimierung und sichere Übertragung über WLAN
- Schnelle Tracking-Aufgaben mit Bildverarbeitung direkt im Gerät
Nun betrachten wir die durch die Mechanik von Vario-Objektiven eingebrachten Störungen in die Optik. Diese lassen sich wie folgt gruppieren:
Für die hier betrachtete Anwendung sind diese Fehler unterschiedlich kritisch:
Der Positionsfehler auf der optischen Achse wirkt sich vorrangig, je nach Linse, auf Zoom oder Fokus aus.
Der Kippfehler zur optischen Achse hat bei der vorderen Linsengruppe den größten Einfluss, die optische Achse des Objektivs kippt als Folge.
Den geringsten Einfluss hat der Positionsfehler quer zur optischen Achse, vorrangig auf den Mittelpunkt der Verzeichnung.
Zoom- und Fokusschwankungen sowie Änderungen des Verzeichnungszentrums sind hier vor allem für photogrammetrische Auswertungen relevant, Schwankungen der optischen Achse dagegen besonders für das Anpeilen von Messpunkten und das Tracking.
Im Folgenden wird nun zunächst der Aufbau eines Prototypen zur Untersuchung der Störgrößen beschrieben und dann die mit diesem ermittelten Werte.