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W. Karel:
"Creation of a Geometrically Exact 3D Photo Model of the Church of San Juan del Hospital in Valencia/Spain";
Betreuer/in(nen): K. Kraus, H. Kager, F. Rottensteiner; Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung, 2004.

Diese Diplomarbeit wurde am Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung (I.P.F.) erstellt, in Kooperation mit Dr. José Luis Lerma García, Departamento de Ingeniería Cartográfica, Geodésia y Fotogrametría, ETSIGCT, Universidad Polytécnica de Valencia, Spanien.

Ziel war die Erstellung eines geometrisch exakten Photomodells der Kirche San Juan del Hospital in der historischen Altstadt von Valencia. Die Ausgabe sollte im standardisierten, weit verbreiteten, plattform- und herstellerunabhängigen Format VRML97 erfolgen.

San Juan del Hospital wurde 1238 a.d. erbaut, im Jahr der endgültigen Rückeroberung des bis dahin arabischen Valencias durch christliche Truppen ("Reconquista", 722-1492). Dieser Zeitpunkt liegt bereits am Ende der kunsthistorischen Epoche der Romanik (ca. 950-1250), weshalb auf der iberischen Halbinsel nur sehr wenige sakrale Bauten in diesem Stil errichtet wurden, noch weniger sind bis heute erhalten geblieben. Besonders hieraus wird die Notwendigkeit der Dokumentation ersichtlich. In unmittelbarer Nachbarschaft zum Kirchengebäude befindet sich ein ebenso alter steinerner Pavillon, der einst für Zeremonien zur Bestattung am umgebenden Friedhof Nutzung fand.

Das Kirchengebäude sollte mit einer geometrischen Genauigkeit wie auch einem radiometrischen Detaillierungsgrad von 5cm, der Pavillon resp. mit 2cm modelliert werden. Um dies bei dieser komplexen Geometrie und äußerst schweren Zugänglichkeit zu erreichen, sollten alle zur Verfügung stehenden Mittel genutzt werden.

So waren zu Beginn die bereits vorhandenen photogrammetrischen und tachymetrischen Auswertungen zu beurteilen. Es stellte sich allerdings heraus, daß eine komplette Neuaufnahme des Objekts sich wesentlich wirtschaftlicher gestalten würde. Um die Erstellung des Modells zu beschleunigen bzw. sie überhaupt flächendeckend zu ermöglichen, würde die exzessive Nutzung von Gestaltinformationen nötig werden. Deren Verwendung kann allerdings eine projektbegleitende Kamerakalibrierung negativ beeinflussen, weshalb vor Beginn der Aufnahmen die innere Orientierung der zur Verfügung stehenden Amateur-Digitalkamera in einem Testfeld bestimmt wurde. Statistische Tests ergaben aber, daß diese sich nach einer vorübergehenden Verstellung der Fokussierung und Brennweite nicht wiederherstellen ließ. Deshalb schien es vorteilhaft, zahlreiche tachymetrische Paßpunkte zu bestimmen. Die Belichtung und spätere Auswahl der Photogramme geschahen unter Berücksichtigung der geforderten Objektauflösung und maximalen Unschärfe der zu entzerrenden Textur. Gestaltinformation wurde in Form von expliziten wie auch impliziten Gleichungen bis vierten Grades in den hybriden Block integriert. Dabei kam die große Universalität des verwendeten Programmsystems ORIENT/ORPHEUS zur Geltung. Viele Koeffizienten wurden mehrfach verwendet, um Baugleichheit von Objektteilen wie Säulen, Kuppelsegmenten oder auch Spiegelsymmetrien zum Ausdruck zu bringen. Die zu verwendenden Parameter wurden auf Signifikanz getestet und entsprechend angepasst. Schließlich wurden mit Hilfe der robusten Fehlerschätzung schlechte Beobachtungen aus dem Block entfernt. An Hand der Ergebnisse der Varianzkomponentenschätzung waren noch die a-priori Standardabweichungen der verschiedenen Beobachtungs-Genauigkeitsklassen anzupassen. An der endgültigen Ausgleichung nahmen ca. 12000 Beobachtungen teil, aus denen rund 7000 Unbekannte geschätzt wurden.

Nach der Definition der Topologie wurde nun das Modell ins Format VRML97 exportiert. Es zeigte sich, daß ein Farbabgleich der bei unterschiedlichen Witterungsverhältnissen getätigten Aufnahmen nötig war.

Verschiedene dynamische Elemente wurden programmiert. So erscheint der Pavillon je nach Distanz zum virtuellen Betrachter in verschiedenen Auflösungen; ein animierter Rundgang kann gestartet und historische Information eingeblendet werden; auf verschiedenen Anzeigetafeln können Programmodule geschaltet, die Stellung des Betrachters im Raum angezeigt und ein kleines Tutorium gestartet werden. Weiters ist es möglich, Koordinaten und Strecken am Objekt zu messen. Alternativ dazu kann der Betrachter in die Qualität der Punktbestimmung Einsicht nehmen. Dies geschieht durch Visualisierung der photogrammetrischen und polaren Beobachtungsstrahlen im Raum, durch numerische wie graphische Ausgabe der Punktgenauigkeit in Form der Koordinatenstandardabweichungen bzw. des Fehlerellipsoids im Punkt und durch Anzeige der Anzahl der zur Bestimmung des Punktes verwendeten Beobachtungsgleichungen.

This diploma thesis was produced at the Institute of Photogrammetry and Remote Sensing (I.P.F.), in cooperation with Dr. José Luis Lerma García, Departamento de Ingeniería Cartográfica, Geodésia y Fotogrametría, ETSIGCT, Universidad Polytécnica de Valencia, Spain.

The object was to create a geometrically exact photo model of the church of San Juan del Hospital in the historical centre of Valencia. The output should be done in the standardized, wide spread, platform and software independent file format VRML97.

San Juan del Hospital was built in 1238 A.C., in the year of the final recapture of the till then Arabic Valencia by Christian troops ('Reconquista', 722-1492). At this time, the Romanesque epoch of history of art (ca. 950-1250) ceased to exist. Therefore, very few sacral edifices of this style were built on the Iberian peninsula and even less have survived. In particular, the necessity of documentation becomes obvious from this point of view. In the very neighbourhood of the church, there is situated a pavilion of same age, which was used for ceremonies of burials on the surrounding cemetery.

The church building should be modelled with a geometric accuracy and radiometric level of detail of 5cm, the pavilion with 2cm, respectively. To reach this despite the complex geometry and difficult accessibility, all available means should be used.

Already existing photogrammetric and tachymetric data had to be examined at first. But it turned out that a wholly new determination of the object would be the more economic alternative. To accelerate and enable model production, excessive use of Gestalt information would be necessary. Nevertheless, this can influence an on-the-fly-calibration of the camera negatively. So the interior orientation of the used digital amateur camera was determined in a test field. But statistical tests showed that it could not be restored after a temporary shift of focus and focal length. Therefore, it seemed advisable to determine many tachymetric control points. The exposure and selection of the photographs were done regarding the demanded resolution and maximum blur of the texture to be rectified. Gestalt information was introduced into the hybrid block as explicitly and implicitly defined equations of degrees up to four. At this point, the enormous versatility of the used program package ORIENT/ORPHEUS was a great advantage. Numerous coefficients were used several times to express the equal shape of different object parts like columns, cupola segments or symmetries on a single object. The parameters were tested on significance and adapted accordingly. Finally, ill observations were removed from the block, using robust estimation to detect them. Following the results of variance components analyses, the a-priori standard deviations of the observations' accuracy classes were altered. In the conclusive adjustment, there took part about 12000 observations, and 7000 unknowns were estimated.

After the definition of the topology, the model was exported into VRML97 format. It turned out that colours had to be fitted due to different weather during the exposures.

Diverse dynamic features were programmed. E.g. the pavilion is viewed in different resolutions, according to the distance from the virtual observer; furthermore, an animated walkabout can be started, historic information may be shown; on different displays, program modules can be toggled, the viewer's orientation may be inspected or a little tutorial be started. Moreover, it is possible to measure coordinates and line segments on the object. Alternatively, users may check the quality of point determination by visualizing photogrammetric and polar observation rays in space, displaying numerically or graphically the point accuracy as coordinate standard deviations or the error ellipsoid, respectively, or by examining the number of observations used to determine the point.

http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_119759.pdf