Untersuchung bildbasierter Verfahren zur Analyse simulierter unterirdischer Massenbewegungen

Dauer der Arbeit: 6 Monate
Abschluss: Dezember 2016
Betreuer: Dipl.-Ing. Alessandro Cefalu
Prüfer: Prof. Dr.-Ing. Norbert Haala

Zur Untersuchung der Stabilität von Vollverdrängungspfählen am Institut für Geotechnik der Universität Stuttgart soll eine Versuchsreihe photogrammetrisch erfasst werden. Bei diesen Versuchen werden mehrere Vollverdrängungspfähle entlang einer Scheibe in einen mit Sand gefüllten Behälter geschlagen. In dieser Bachelorarbeit sollen die Aufnahme, sowie die Verarbeitung der Daten behandelt werden und anschließend mehrere Verfahren auf ihre Eignung untersucht werden um die Bewegung des Sandes und der Pfähle zu erfassen.  Bei den Verfahren handelt es sich um ein korrelationsbasiertes Verfahren, mehrere featurebasierte Verfahren, sowie ein differentielles Verfahren, den optischen Fluss. Die featurebasierten Verfahren werden hier anhand ihres Detektors benannt. Dabei werden das SURF, BRISK, FAST und Harris Verfahren verwendet.

Die, aus dem Versuch aufgenommenen Bilder, müssen, mithilfe einer Kalibrierung des Kamerasystems, mit der Software Agisoft Photoscan, entzerrt werden. Anschließend muss auch die perspektivische Verzerrung beseitigt werden. Dazu werden mehrere Targets benutzt, die auf der Glasscheibe angebracht sind. Mit diesen Punkten lassen sich die Bilder mit Hilfe einer projektiven Transformation perspektivisch entzerren. In den Bildern kann nun gemessen werden und sie müssen nur noch zugeschnitten werden. Mit den verarbeiteten Bildern können nun die Verfahren getestet werden.

Die verschiedenen Verfahren wurden unter Nutzung von Matlab und den dort vorhandenen Funktionen implementiert und generieren ein Vektorfeld auf einem festgelegten Raster.  Außerdem werden die dort ermittelten Ergebnisse, die in Form von Vektorfeldern vorliegen, auf ein identisches Gitter interpoliert, um sie besser vergleichen zu können. Die featurebasierten Verfahren und das korrelationsbasierte Verfahren haben dabei einen sehr ähnlichen Programmablauf. So werden in einem vorgefertigten Gitter, bzw. in vorgefertigten Zellen, Punkte aufgenommen, welche wiederum im nächsten Bild des Versuchs gefunden werden sollen. Daraus ergeben sich dann die Vektoren, welche wiederum auf ein festes Gitter interpoliert werden. Das Verfahren des optischen Flusses nach Lucas Kanade verwendet für die Berechnung der Vektoren ein differentielles Verfahren. Hier wird für jedes Pixel ein Vektor berechnet, weshalb diese auch hier auf das gleiche Gitter interpoliert werden müssen, wie bei den anderen Verfahren.

Die verschiedenen Verfahren haben zum Teil sehr unterschiedliche Ergebnisse, allerdings gibt es auch mehrere Verfahren, die ähnliche Ergebnisse liefern. Diese Verfahren bestätigen sich in gewisser Weise gegenseitig und erscheinen auch sonst sehr sinnvolle Ergebnisse zu liefern. Bei den featurebasierten Verfahren wird eine Vorauswahl getroffen bei denen sich schon zeigt, dass die beiden Verfahren mit BRISK und FAST ungeeignet sind.

Für den ausführlichen Test wurden daher nur noch das korrelationsbasierte Verfahren, die featurebasierten Verfahren mit SURF und Harris, sowie der optische Fluss nach Lucas Kanade getestet. Hierfür werden Heatmaps für die aufsummierten Beträge erstellt.

In diesen Heatmaps ist gut zu sehen welche Verfahren geeignet scheinen. Der optische Fluss mit LK bietet zwar eine gute Erkennung an welchen Stellen Bewegung stattfindet, jedoch entspricht die Größe und Richtung der Vektoren nicht der Realität. Das featurebasierte Verfahren mit Harris scheint hingegen Probleme zu haben, Punkte in der Nähe der Pfähle zu finden und ist daher ebenfalls nicht gut geeignet. Am besten eignet sich vor allem das korrelationsbasierte Verfahren, sowie das featurebasierte Verfahren mit SURF. Diese haben eine ähnliche Größenordnung und Darstellung, was ebenfalls durch die sonstige Auswertung der Vektorfeldern durch Histogramme bestätigt wird.