Wie unscharfe Bilder scharf werden

Die Bewegungsunschärfe (siehe Kasten) ist ein in der Fotografie bekanntes Problem – insbesondere dann, wenn qualitativ hochwertige Aufnahmen von bewegten Objekten oder aus einer nicht ganz stabilen Kameraposition heraus angefertigt werden sollen. Detailreichtum und eine „scharfe“ Abbildung sind gefragt. In der Luftbildfotografie ist durch die Bewegung der Plattform – also die Vorwärtsbewegung des Flugzeuges – auf jeden Fall mit einer Verunschärfung des Bildinhaltes zu rechnen. Der Einfluss der Bewegung des Flugzeuges auf die Aufnahme wird auch als Bildwanderung bezeichnet. Gleichzeitig ist klar: photogrammetrische Anwendungen sind von qualitativ hochwertigen Bilddaten abhängig. Daraus ergibt sich, dass die Bewegungsunschärfe korrigiert werden muss, sofern Luftbildaufnahmen in großem Maßstab erforderlich sind.

Stark vergrößertes Schrägbild mit Straßenszene: nach der Anwendung von AMC (rechts) ist das Bild deutlich schärfer und feine Strukturen sind sichtbar. Foto: Vexcel Imaging

Dieses Problem löst nun das österreichische Unternehmen Vexcel Imaging, Anbieter von digitalen großformatigen Luftbildkameras mit Hauptsitz in Graz, mit einem neuen, innovativen Ansatz der Bewegungskompensation, auch Adaptive Motion Compensation (kurz: AMC) genannt. Neben der Korrektur von Bildunschärfe in Flugrichtung – der sogenannten Forward Motion Compensation (FMC) – können nach Unternehmensangaben mit dem AMC auch solche Unschärfen korrigiert werden, die durch multidirektionale Kamerabewegungen während des Fluges entstehen.

In der Vergangenheit gab es zwar bereits verschiedene Ansätze, Bewegungsunschärfe zu korrigieren. Die Lösungen reichten von bewegtem Film in analogen Kameras, zeitverzögerter Integration (TDI) auf CCD-Sensoren, mechanisch bewegten CMOS-Sensoren bis hin zur einfachen Verwendung kurzer Verschlusszeiten. Die dynamische Umgebung von Luftbildkameraoperationen führt jedoch zu mehreren Einschränkungen der bestehenden Vorwärtsbewegungskompensations-(FMC)-Ansätze.

Bildwanderung durch Orientierungsdaten

Mit dem AMC hat Vexcel Imaging nun eine neue, softwarebasierte Methode auf den Markt gebracht. Dabei gibt es keine mechanischen Teile, die sich abnutzen oder Fehlfunktionen verursachen können. AMC beruht vielmehr auf der Feststellung der Bildwanderung durch bekannte Orientierungsdaten aus der Navigationseinheit mit GNSS und IMU, der näherungsweise bekannten Objektgeometrie und sehr präziser Daten aus dem Aufnahmevorgang der Kamera.

Dem neuen Ansatz liegt also die Idee zugrunde, dass das unscharf aufgenommene Bild und das darin versteckte scharfe Bild über einen sogenannten „Blur Kernel“ verbunden sind. Kennt man den Blur Kernel, kann in Folge durch eine mathematische Entfaltungsoperation (Umkehroperation zur Faltung) das scharfe Bild aus dem unscharfen Bild berechnet werden.

Dieser Blur Kernel wird aus der bekannten Bewegung der Kamera relativ zum aufgenommenen Objekt ermittelt, was auch als Non-Blind-Deconvolution bezeichnet wird. Zur bekannten Bewegung der Kamera über dem Objekt kommen auch Parameter der Kamera hinzu, die den Aufnahmevorgang beschreiben und aus der Kalibrierung bekannt sind. Einen wesentlichen Anteil hat dabei der exakt bekannte Schließvorgang des mechanischen Verschlusses.

Einsatz mit UltraCam Osprey 4.1

Die AMC-Technologie wurde speziell für Vexcels UltraCam-Sensoren der 4. Generation entwickelt und ist über die neue UltraMap-Software verfügbar. Die erste Luftbildkamera, die die Lösung zur Bildverbesserung bietet, ist die UltraCam Osprey 4.1. Sie ist ein vielseitiges System und in der Lage, gleichzeitig Nadirbilder in photogrammetrischer Qualität (PAN, RGB und NIR) und Schrägbilder (RGB) in vier Richtungen zu erfassen. Typische Anwendungen reichen von Smart-City-Projekten und 3D-Stadtmodellierung bis hin zu traditionellem Mapping.

Die Großformat-Luftbildkamera UltraCam Osprey 4.1 erfasst gleichzeitig Nadir- und Schrägbilder in photogrammetrischer Qualität und ermöglicht so eine hohe Effizienz der Flugerfassung bei enormer Bild- und Datenqualität. Foto: Vexcel Imaging

Wie leistungsfähig die Vexcel-Systeme insbesondere im praktischen Einsatz sind, hat das österreichische Unternehmen in einem Projekt in London gezeigt. Dabei wurde das Stadtgebiet in großem Maßstab mit einer Bodenauflösung von 3,5 Zentimetern und unter erschwerten Bedingungen durch starke Turbulenzen mit einer UltraCam Osprey 4.1 in einer Höhe von 750 Metern beflogen. Bei einer Fluggeschwindigkeit von circa 65 Meter pro Sekunde (rund 126 Knoten) und einer Belichtungszeit von 1 Millisekunde waren die aufgenommen Bilder zunächst unscharf und qualitativ nicht ausreichend. Nach der Bearbeitung mit dem AMC-Ansatz wurden jedoch die Gebäudefassaden sowie feine Strukturen eindeutig erkenn- und sichtbar.

„Die Verwendung von AMC zur erfolgreichen Kompensation multidirektionaler Bewegungen stellt einen Wendepunkt für die Branche dar“, ist sich Alexander Wiechert, Geschäftsführer von Vexcel Imaging, sicher. „Der Hauptvorteil liegt in der softwarebasierten Lösung. Der zweite wichtige Vorteil ist die Fähigkeit des Konzepts, jede Art von Bewegungsunschärfe zu handhaben – sei es eine Vorwärtsbewegung entlang der Flugbahn oder eine Winkelbewegung der Kamera.“ Ein weiterer Pluspunkt der Lösung sei darüber hinaus die Anpassungsfähigkeit an die unterschiedlich starke Unschärfe im Bild, je nach Objektmaßstab oder Bildposition. „Mit AMC werden unsere UltraCam-Sensoren der 4. Generation noch leistungsfähiger“, resümiert Wiechert. (jr)

www.vexcel-imaging.com