Digitale Photogrammetrie in der dreidimensionalen Strömungsmesstechnik

Dreidimensionale Particle-Tracking-Velocimetry (3D-PTV) ist eines der vielseitigsten Werkzeuge in der Strömungsmeßtechnik. Das Verfahren basiert auf einer diskreten Visualisierung von Strömungen durch kleine, reflektierende, auftriebsneutrale Partikel und stereoskopische Aufnahmen von Bildsequenzen dieser Partikel. Diese Arbeit beschreibt und analysiert eine auf elektronische Bildaufnehmer und Methoden der digitalen Photogrammetrie gestützte Implementation eines vollautomatischen 3D-PTV Systems. Nach einer einleitenden Übersicht über verschiedene Methoden der Strömungsmeßtechnik folgt zunächst eine Zusammenstellung der Hardwarekomponenten eines 3D-PTV, wobei unterschieden wird zwischen einer Implementation am IHW/IGP der ETH Zürich, welche weitgehend aus Hardwarekomponenten des Videobereichs zusammengestellt wurde, und einer idealen Konfiguration unter Ausnutzung modernster Hardwarekomponenten. Schwerpunkt der Arbeit sind die geometrische Modellierung der Problemstellung, algorithmische Aspekte der Bildverarbeitung und der Stereozuordnung in dichten, echt dreidimensionalen Punktfeldern sowie die Kalibrierung des Systems. Die Auswertung der Bildsequenzen zur Bestimmung von Partikeltrajektorien beginnt mit der Bestimmung von Bildkoordinaten aller Partikel durch einen speziell entwickelten Schwerpunktoperator in hochpaßgefilterten Bildern. Die stereoskopische Zuordnung der Partikelabbildungen kann sich mangels eindeutiger Merkmale der Partikel lediglich auf das geometrische Kriterium der Kernlinie stützen. Bei hoher Anzahl von abgebildeten Partikeln (üblicherweise 1000 - 2000 je Bild) treten dabei in der Regel bei einem System mit nur zwei Kameras so viele Mehrdeutigkeiten auf, daß eine robuste Lösung des Korrespondenzproblems unmöglich wird. Erst der geometrische Zwang einer dritten Kamera vermag die Anzahl der Mehrdeutigkeiten auf ein akzeptables Maß zu reduzieren, wobei verschiedene Kameraanordnungen und Vorgehensweisen diskutiert und analysiert werden. Bei der geometrischen Modellierung und bei der Kalibrierung ist die Mehrmedienproblematik von zentraler Bedeutung. Sie bewirkt zum einen, daß jeder Strahl von einem Partikel in Wasser zum Bildaufnehmer zweimal gebrochen wird, was durch ein in die Kollinearitätsbedingung implementiertes Mehrmedienmodul berücksichtigt wird, und zum anderen, daß wegen optischer Effekte das Gesamtsystem nur unter Einsatzbedingungen kalibriert werden kann. Das beschriebene System ist in der Lage, nach Initialisierung durch einen Operateur vollautomatisch Geschwindigkeitsfelder in Strömungen mit einer räumlichen Auflösung von bis zu 1000 simultanen Geschwindigkeitsvektoren bei einer zeitlichen Auflösung von 25 Geschwindigkeitsfeldern pro Sekunde und theoretisch beliebig großer Sequenzlänge zu bestimmen.