Fotogrametria - Photogrammetry

Zdjęcie lotnicze z małej wysokości do wykorzystania w fotogrametrii. Lokalizacja: Three Arch Bay, Laguna Beach, CA.

Fotogrametria to nauka i technologia uzyskiwania wiarygodnych informacji o obiektach fizycznych i środowisku poprzez proces rejestracji, pomiaru i interpretacji obrazów fotograficznych oraz wzorów promieniowania elektromagnetycznego i innych zjawisk.

Termin fotogrametria został ukuty przez pruskiego architekta Albrechta Meydenbauera, który pojawił się w jego artykule z 1867 roku „Die Photometrographie”.

Istnieje wiele wariantów fotogrametrii. Jednym z przykładów jest ekstrakcja pomiarów trójwymiarowych z danych dwuwymiarowych (tj. obrazów); na przykład odległość między dwoma punktami leżącymi na płaszczyźnie równoległej do płaszczyzny obrazu fotograficznego można określić mierząc ich odległość na obrazie, jeśli znana jest skala obrazu. Innym jest ekstrakcja dokładnych zakresów kolorów i wartości reprezentujących takie wielkości jak albedo , odbicie zwierciadlane , metaliczność lub okluzja otoczenia ze zdjęć materiałów w celu fizycznego renderowania .

Fotogrametria bliskiego zasięgu odnosi się do zbierania fotografii z mniejszej odległości niż tradycyjna fotogrametria lotnicza (lub orbitalna). Analiza fotogrametryczna może być zastosowana do jednego zdjęcia lub może wykorzystywać szybką fotografię i teledetekcję do wykrywania, mierzenia i rejestrowania złożonych pól ruchu 2D i 3D poprzez wprowadzanie pomiarów i analizy obrazów do modeli obliczeniowych w celu sukcesywnego oszacowania, z coraz większą dokładnością , rzeczywiste ruchy względne 3D.

Od samego początku dzięki stereoploterom używanym do wykreślania warstwic na mapach topograficznych , ma teraz bardzo szeroki zakres zastosowań, takich jak sonar , radar i lidar .

Metody

Model danych fotogrametrii

Fotogrametria wykorzystuje metody z wielu dziedzin, w tym optykę i geometrię rzutową . Cyfrowe przechwytywanie obrazu i obróbka fotogrametryczna obejmuje kilka ściśle określonych etapów, które umożliwiają generowanie cyfrowych modeli 2D lub 3D obiektu jako produktu końcowego. Model danych po prawej stronie pokazuje, jakie informacje mogą wchodzić i wychodzić z metod fotogrametrycznych.

Te współrzędne 3D określić lokalizacje punktów obiektu w przestrzeni 3D . Te współrzędne obrazu określić rozmieszczenie obrazów punktów obiektu na filmie lub elektronicznego urządzenia do obrazowania. Orientacja zewnętrzny z kamerą określa jego położenie w przestrzeni i jego kierunku widzenia. Orientacja wewnętrzna określa parametry geometryczne procesu tworzenia obrazu. Jest to przede wszystkim ogniskowa obiektywu, ale może również zawierać opis dystorsji obiektywu. Kolejne dodatkowe obserwacje odgrywają ważną rolę: Z barów skalę , w zasadzie znanej odległości dwóch punktów w przestrzeni, lub znanych punktów fix , połączenie podstawowych jednostek pomiarowych jest tworzony.

Każda z czterech głównych zmiennych może stanowić dane wejściowe lub wyjściowe metody fotogrametrycznej.

Algorytmy fotogrametrii zazwyczaj starają się zminimalizować sumę kwadratów błędów na współrzędnych i względnego przemieszczenia punktów odniesienia. Ta minimalizacja jest znana jako dopasowanie wiązki i jest często wykonywana za pomocą algorytmu Levenberga-Marquardta .

Stereofotogrametria

„Stereofotogrametria” przekierowuje tutaj. Nie należy jej mylić ze stereofotogrametrią rentgenowską .
Główny artykuł: rekonstrukcja 3D z wielu obrazów
Kategoria główna: Stereofotogrametria
Zobacz też: Komputerowe widzenie stereo

Szczególny przypadek, zwany stereofotogrametrią , polega na szacowaniu trójwymiarowych współrzędnych punktów na obiekcie za pomocą pomiarów wykonanych na dwóch lub więcej obrazach fotograficznych wykonanych z różnych pozycji (patrz stereoskopia ). Na każdym obrazie znajdują się punkty wspólne. Linia widzenia (lub promień) może być skonstruowana od położenia kamery do punktu na obiekcie. To właśnie przecięcie tych promieni ( triangulacja ) określa trójwymiarowe położenie punktu. Bardziej wyrafinowane algorytmy mogą wykorzystywać inne informacje o scenie, które są znane a priori , na przykład symetrie , co w niektórych przypadkach pozwala na rekonstrukcję współrzędnych 3D tylko z jednej pozycji kamery. Stereofotogrametria jawi się jako solidna bezkontaktowa technika pomiarowa do określania charakterystyk dynamicznych i kształtów modowych struktur nieobrotowych i obracających się.

Integracja

Dane fotogrametryczne można uzupełnić danymi o zasięgu z innych technik. Fotogrametria jest dokładniejsza w kierunku x i y, podczas gdy dane dotyczące odległości są generalnie dokładniejsze w kierunku z. Dane tego zakresu mogą być dostarczane za pomocą technik takich jak LiDAR , skanerów laserowych (z wykorzystaniem czasu przelotu, triangulacji lub interferometrii), digitizerów światła białego i dowolnej innej techniki, która skanuje obszar i zwraca współrzędne x, y, z dla wielu dyskretnych punktów (powszechnie zwane " chmury punktów "). Zdjęcia mogą wyraźnie określać krawędzie budynków, gdy ślad chmury punktów nie może. Korzystne jest połączenie zalet obu systemów i zintegrowanie ich w celu stworzenia lepszego produktu.

Wizualizację 3D można utworzyć poprzez georeferencję zdjęć lotniczych i danych LiDAR w tej samej ramce odniesienia, ortorektyfikację zdjęć lotniczych, a następnie naniesienie ortorektyfikacji obrazów na siatkę LiDAR. Możliwe jest również tworzenie cyfrowych modeli terenu, a co za tym idzie wizualizacji 3D z wykorzystaniem par (lub wielokrotności) zdjęć lotniczych lub satelitarnych (np. zobrazowania satelitarne SPOT ). Techniki, takie jak adaptacyjne dopasowanie stereo metodą najmniejszych kwadratów, są następnie wykorzystywane do tworzenia gęstej tablicy korespondencji, która jest przekształcana przez model kamery w celu wytworzenia gęstej tablicy danych x, y, z, które można wykorzystać do tworzenia cyfrowych modeli terenu i produktów ortoobrazowych . Systemy wykorzystujące te techniki, np. system ITG, zostały opracowane w latach 80. i 90., ale od tego czasu zostały wyparte przez LiDAR i podejścia oparte na radarach, chociaż techniki te mogą nadal być przydatne w uzyskiwaniu modeli wysokościowych ze starych zdjęć lotniczych lub zdjęć satelitarnych.

Aplikacje

Film przedstawiający model 3D popiersia Horatio Nelsona w Muzeum Monmouth , wyprodukowany przy użyciu fotogrametrii
Gibraltar 1 Model szkieletowy czaszki neandertalczyka 3D, stworzony za pomocą 123d Catch

Fotogrametria jest wykorzystywana w takich dziedzinach, jak tworzenie map topograficznych , architektura , inżynieria , produkcja , kontrola jakości , dochodzenia policyjne , dziedzictwo kulturowe i geologia . Archeolodzy używają go do szybkiego tworzenia planów dużych lub złożonych stanowisk, a meteorolodzy używają go do określania prędkości wiatru tornad, gdy nie można uzyskać obiektywnych danych pogodowych.

Zdjęcie osoby korzystającej z kontrolera do eksploracji fotogrametrii 3D, Future Cities autorstwa DERIVE, odtwarzające Tokio.

Służy również do łączenia akcji na żywo z obrazami generowanymi komputerowo w postprodukcji filmów ; Matryca jest dobrym przykładem zastosowania fotogrametrii w filmie (szczegóły w dodatkach DVD). Fotogrametrii był szeroko stosowany do tworzenia fotorealistycznych aktywów środowiskowych do gier wideo, w tym Zaginięcie Ethana Cartera oraz EA DICE „s Star Wars Battlefront . Główny bohater gry Hellblade: Senua's Sacrifice wywodził się z fotogrametrycznych modeli przechwytywania ruchu wykonanych przez aktorkę Melinę Juergens.

Fotogrametria jest również powszechnie stosowana w inżynierii zderzeń, zwłaszcza w samochodach. Kiedy dochodzi do postępowania sądowego w sprawie wypadku i inżynierowie muszą określić dokładną deformację obecną w pojeździe, często mija kilka lat, a jedynym dowodem, który pozostaje, są zdjęcia z miejsca wypadku wykonane przez policję. Fotogrametria służy do określenia, jak bardzo dany samochód został zdeformowany, co odnosi się do ilości energii potrzebnej do wytworzenia tego odkształcenia. Energia może być następnie wykorzystana do określenia ważnych informacji o zderzeniu (takich jak prędkość w momencie zderzenia).

Mapowanie

Photomapping to proces tworzenia mapy z „ulepszeniami kartograficznymi”, które zostały narysowane z fotomozaiki, która jest „złożonym fotograficznym obrazem ziemi”, a dokładniej, jako kontrolowana fotomozaika, w której „poszczególne zdjęcia są korygowane pod kątem pochylenia i przynoszone we wspólnej skali (przynajmniej w niektórych punktach kontrolnych)."

Rektyfikacja obrazów jest zwykle osiągana przez „dopasowanie wyświetlanych obrazów każdej fotografii do zestawu czterech punktów kontrolnych, których pozycje zostały wyprowadzone z istniejącej mapy lub z pomiarów gruntowych. , dobrą zgodność można osiągnąć między nimi dzięki umiejętnemu przycinaniu i dopasowaniu oraz wykorzystaniu obszarów wokół głównego punktu, w którym przemieszczenia wypukłości (które nie mogą być usunięte) są minimalne”.

„Całkiem rozsądne jest stwierdzenie, że jakaś forma fotomapy stanie się standardową ogólną mapą przyszłości”. dalej sugerują, że „fotomapowanie wydaje się być jedynym sposobem na rozsądne wykorzystanie” przyszłych źródeł danych, takich jak samoloty na dużych wysokościach i zdjęcia satelitarne. Fotomapy lotnicze o najwyższej rozdzielczości w GoogleEarth to obrazy o rozdzielczości przestrzennej około 2,5 cm (0,98 cala). Fotomapa ortoobrazów o najwyższej rozdzielczości została wykonana na Węgrzech w 2012 roku z rozdzielczością przestrzenną 0,5 cm (0,20 cala).

Archeologia

Wykorzystanie komputera typu pentop do fotomapy wykopalisk archeologicznych w terenie

Wykazanie związku między orthophotomapping i archeologii , historyczne airphotos zdjęcia zostały wykorzystane do pomocy w rozwijaniu rekonstrukcję misji Ventura, który kierowany wykopów ścian struktury jest.

Pteryx UAV , cywilny bezzałogowy statek powietrzny do fotografii lotniczej i fotomappingu z głowicą kamery stabilizowanej na rolkach

Fotografia z góry jest szeroko stosowana do mapowania szczątków powierzchniowych i ekspozycji wykopalisk na stanowiskach archeologicznych. Sugerowane platformy do robienia tych zdjęć to: Balony wojenne z I wojny światowej; gumowe balony meteorologiczne; latawce ; pomosty drewniane, konstrukcje metalowe, budowane nad ekspozycją wykopu; drabiny zarówno same, jak i trzymane razem z drążkami lub deskami; drabiny trójnożne; słupy jedno i wielosekcyjne; dwójnogi; statywy; czworonogi i podnośniki koszowe („zbieracze wiśni”).

Trzymane w pobliżu nadiru nad głową cyfrowe fotografie były wykorzystywane w systemach informacji geograficznej ( GIS ) do rejestrowania ekspozycji wykopaliskowych.

Fotogrametria jest coraz częściej wykorzystywana w archeologii morskiej ze względu na względną łatwość mapowania miejsc w porównaniu z tradycyjnymi metodami, umożliwiając tworzenie map 3D, które można renderować w wirtualnej rzeczywistości.

modelowanie 3d

Nieco podobną aplikacją jest skanowanie obiektów w celu automatycznego wykonania ich modeli 3D. Wyprodukowany model często nadal zawiera luki, więc dodatkowe czyszczenie za pomocą oprogramowania takiego jak MeshLab , netfabb lub MeshMixer jest często nadal konieczne.

Google Earth wykorzystuje fotogrametrię do tworzenia zdjęć 3D.

Istnieje również projekt o nazwie Rekrei, który wykorzystuje fotogrametrię do tworzenia modeli 3D zgubionych/skradzionych/uszkodzonych artefaktów, które są następnie umieszczane w Internecie.

Oprogramowanie

Kategoria główna: Oprogramowanie do fotogrametrii

Istnieje wiele pakietów oprogramowania do fotogrametrii; zobacz porównanie oprogramowania fotogrametrycznego .

Zobacz też

Kategoria główna: Fotogrametria

Bibliografia

Źródła

Linki zewnętrzne