Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследования методов калибровки съемочных камер 15
1.1. Современные цифровые съемочные камеры: конструктивные особенности и технические возможности, тенденции совершенствования. Изобразительные свойства цифровых камер 15
1.2. Измерительные свойства изображений, получаемых цифровыми камерами. Состав и структура возникающих искажений. Связь традиционных и проективных элементов внутреннего ориентирования, переход к универсальным методам обработки 24
1.3. Дисторсия объектива съемочной камеры, способы описания и учета. Определение положения точки симметрии. Особенности калибровки неметрических съемочных камер 29
1.4. Обзор методов калибровки съемочных камер. Обоснование применения проективных соотношений для калибровки 34
1.5. Калибровка съемочных камер по плоскому тест-объекту 38
1,5.1- Обоснование применения плоского тест-объекта для определения параметров дисторсии. Создание плоского тест-объекта 38
1.5.2. Методика определения параметров дисторсии по плоскому тест-объекту 40
1.5.3. Анализ результатов калибровки по плоскому тест-объекту 43
1.6. Особенности калибровки съемочных камер с трансфокатором 46
1.7. Калибровка съемочных камер по полигону опорных геодезических точек 51
1.7.1. Обоснование применения пространственного полигона для калибровки съемочных камер. Создание полигона опорных геодезических точек 51
1.7.2. Внешнее ориентирование одиночного снимка на основе уравнений проективной коллинеарности 53
1.7.3. Методика калибровки съемочных камер по полигону опорных точек 54
1.7.4- Анализ результатов калибровки по полигону опорных точек 57
1,8. Вопросы статистической оценки результатов исследований 58
1.8.1. Влияние нормировки данных на качество решения задачи 58
1.8.2, Использование дисперсионно-ковариационных матриц для оценки корреляционных зависимостей между определяемыми параметрами 59
Глава 2. Совершенствование способов наземной стереосъемки 64
2.1. Исследование наклонно-конвергентного способа стереосъемки „. 64
2.1.1. Основные требования к выполнению НСС. Сущность наклонно-конвергентного способа съемки 64
2.1.2. Обоснование повышения точности фотограмметрических определений при использовании наклонно- конвергентного случая съемки. Сравнительный анализ точности нормального и наклон но-конвергенти ого способов 66
2.1.3. Приведение наклонно-конвергентных снимков к нормальному случаю съемки путем приближенного проективного трансформирования 68
2-2- Исследования геометрических параметров съемки для целей построения блочных моделей- Обоснование оптимальной блочной схемы наземной стереосъемки 71
2,2.1- Применение симметричных 60 %-х перекрытий и квадратно-сеточной блочной схемы в аэросъемке 72
2.2.2. Особенности применения блочных моделей объекта в наземной стереосъемке 74
2.3. Математическое моделирование проективных снимков с заданными параметрами случайных ошибок 76
Глава 3. Исследования проективных н универсальных методов решения фотограмметрических задач 82
3.1 Основные задачи фотофамметрической обработки. Обоснование применения проективных и универсальных методов их достоинства и недостатки 82
3.2. Исследование способов взаимного ориентирования снимков Универсальными и проективными методами 85
3.2.L Универсальный способ взаимного ориентирования пары снимков на основе аффинных матриц параметров направляющих косинусов 85
3.2,2. Взаимное ориентирование пары снимков на основе проективного преобразования двумерного пространства в двумерное 92
3.2-3. Результаты взаимного ориентирования универсальными и проективными методами 93
3.3, Исследования способов внешнего ориентирования моделей на основе аффинных и проективных соотношений 94
3.3.1. Аффинное внешнее ориентирование подобной модели 96
3.3.2. Проективное внешнее ориентирование подобных и проективных моделей 97
3.3.3. Результаты исследований по внешнему ориентированию одиночных моделей 98
3.4. Исследования способов построения и уравнивания блочных фотограмметрических сетей 99
3.4.L Построение и уравнивание блочной сети на основе совместного аффинного внешнего ориентирования независимых подобных моделей 100
3.4.2. Построение и уравнивание блочной сети на основе совместного проективного внешнего ориентирования независимых подобных или проективных моделей 102
3.4.3. Обоснование применения векторных произведений в аффинных и проективных преобразованиях. Предварительное построение блочной модели на основе аффинного внешнего ориентирования с привлечением виртуальной опоры 104
3.4.4. Уравнивание фотограмметрических сетей сгущения методом проективных связок 107
Выводы по главе 110
Глава 4. Вопросы трансформирования цифровых изображений . 114
4.1, Основы цифрового трансформирования изображений 114
4.1.1. Геометрия и изобразительные свойства цифрового изображения 114
4.1.2. Связь цифрового и аналогового изображений 115
4.1.3. Особенности цифрового трансформирования изображений 116
4 1 4 Виды трансформирования в цифровой фотограмметрии.. 118
4.2, Исследования вопросов трансформирования изображений для целей наземной фотограмметрии. Разработка технологий создания новых видов фотограмметрической продукции 123
4.2.1. Особенности и проблемы ортотрансформирования на примере архитектурной съемки. Пути повышения качества ортофотоплана 123
4.2.2. Процесс создания комбинированного ортофотоплана на примере ЦФС «Photomod» „ 126
4.2.3. Перспективы развития фотограмметрической продукции 131
Выводы по главе 131
Заключение * 134
Список использованных литературных источников 136
Приложения 147
- Измерительные свойства изображений, получаемых цифровыми камерами. Состав и структура возникающих искажений. Связь традиционных и проективных элементов внутреннего ориентирования, переход к универсальным методам обработки
- Исследования геометрических параметров съемки для целей построения блочных моделей- Обоснование оптимальной блочной схемы наземной стереосъемки
- Исследование способов взаимного ориентирования снимков Универсальными и проективными методами
- Исследования вопросов трансформирования изображений для целей наземной фотограмметрии. Разработка технологий создания новых видов фотограмметрической продукции
Введение к работе
В последнее время в фотограмметрии и смежных с ней областях произошли значительные изменения [ЮЗ], Переход современной фотограмметрии на строгие и функциональные аналитические методы обработки предоставил возможность усовершенствовать и автоматизировать многие фотограмметрические процессы [10, 74,124],
Аналитическая фотограмметрия [108], сочетающая достоинства аналитических методов и возможности более информативных и обладающих исключительно высокими изобразительными свойствами аналоговых фотоизображении, является наиболее высокоточной.
Вместе с тем, в настоящее время получило широкое распространение цифровое представление снимков [79], которое, в отличие от аналогового фотоизображения, позволяет более строго выполнять их трансформирование. Более того, цифровые изображения позволяют применять к ним преобразования, невозможные в аналоговой и аналитической фотограмметрии, например, проективные и нелинейные. Помимо этого, цифровые методы позволяют многократно копировать изображения без потери качества, для улучшения изобразительных свойств применять к ним детальный анализ, преобразование цветов и многое другое. Немаловажным достоинством цифрового представления изображений является также возможность непосредственного создания векторных графических примитивов, как в плоскости снимка, так и в пространстве стереомодели, позволяющих создавать высокоинформативные модели местности или изучаемых объектов [9]. Цифровая фотограмметрия не требует дорогостоящего прецизионного оборудования, что сделало ее доступной для многих отраслей народного хозяйства.
Вместе с тем, цифровые изображения обладают более низкой информативностью и изобразительными свойствами по сравнению с фотоизображениями, что сказывается на точности решаемых задач, а их обработка требует значительных вычислительных мощностей [14, 15]. Это выдвигает к решению задач фотограмметрии новое требование — наиболее
полное использование полезной информации на основе более точных математических закономерностей.
Развитие компьютерной техники и вычислительных средств идет в направлении повышения их производительности, увеличения объемов хранимой и обрабатываемой информации, а также повышении функциональности программного обеспечения [66]. Тактовая частота процессоров современных персональных компьютеров достигла 3,5 Ггц, оперативная память у рабочих станций обычно составляет 1 Гб и более, объем информации, хранимый на одной машине, превышает 500 Гб. Объединение рабочих станций при помощи локальных и глобальных вычислительных сетей и организация специализированных хранилищ информации [19, 90] обеспечивает возможности, сравнимые с дорогостоящими мейнфреймами — большими вычислительными машинами. Таким образом, технические средства практически перестали ограничивать объемы вычислительных работ,
В отличие от прочих методов получения измерительной информации об объекте (например, геодезических), наземная стереофотограмметрическая съемка (НСС) в современных условиях позволяет быстро, в том числе и в режиме «реального времени» [88], получать большие объемы информации об изучаемых объектах, а стоимость работ при этом значительно ниже. Вместе с тем, имеются возможности совершенствования методов НСС и за счет применения особых способов выполнения стереосъемки [47].
В последнее время появилось значительное количество новых разнообразных технических средств для получения снимков и их геодезического обоснования, в том числе и для наземной стереофотограмметрической съемки.
Развивающиеся сейчас методы наземного лазерного сканирования [81, 112] весьма перспективны, но пока требуют привлечения методов НСС- В то же время, они дают возможность определять координаты большого количества опорных точек со значительной точностью, однако такое их применение ограничено большой стоимостью оборудования при относительно небольших объемах работ. Применение систем глобального позиционирования (GPS -Global Position Systems) для создания геодезического обоснования также
существенно увеличивает точность решения задач [80], но по тем же причинам применяется в основном при геодезическом обосновании для аэросъемки.
Появление цифровых съемочных камер (ЦСК) с достаточно большой информационной емкостью дало реальную возможность непосредственно получать цифровые изображения для фотограмметрии. Хотя в настоящее время это в наибольшей мере касается наземной стереофотограмметрии, в частности архитектурной н строительной, но, вместе с тем, наметился переход на непосредственное получение цифровых изображений и в аэросъемке [35].
Непосредственное получение цифровых снимков позволяет избежать фотохимического процесса и процесса сканирования, полностью исключив при этом возникновение различного рода искажений, вносимых усадкой фотоматериала и погрешностями сканирования, и сопутствующих этому потерь точности снимка. Помимо этого, к достоинствам большинства цифровых съемочных камер можно отнести возможность оперативного контроля получаемого изображения. Как правило, они снабжаются высококачественными оптическими системами, которые, однако, требуют учета нелинейных искажений. При этом современные способы калибровки позволяют обеспечить точность порядка 0,2-ОД пиксела [85]. Геометрическое качество изготовления светочувствительных матриц таких камер также весьма высоко. Основным недостатком даже лучших образцов ЦСК пока является более низкое разрешение получаемого изображения по сравнению со сканированными фотоснимками. Вместе с тем, их постоянное совершенствование позволяет надеяться на дальнейшее увеличение их информативности до уровня используемых в фотограмметрии фотоизображений при сохранении доступной стоимости.
В настоящее время для НСС применяются в основном дорогостоящие прецизионные «профессиональные» ЦСК со значительной информационной емкостью, но наряду с этим делались и делаются многочисленные попытки использовать компактные «любительские» ЦСК, достигнувшие в настоящее время достаточно высокой информативной емкости при относительно невысокой стоимости1. Их использование весьма перспективно для целей НСС,
1 Более подробный обзор ЦСК будет лан в главе 1, посвященной вопросам их калибровки.
Такие камеры, как правило, снабжены оптической системой с переменным фокусным расстоянием, что может являться немаловажным достоинством при съемке в стесненных условиях пространства улицы. Это позволяет более эффективно и свободно выполнять съемочные работы.
Для фотограмметрической обработки в настоящее время в основном
применяются методы перспективной (традиционной) фотограмметрии,
основанные на положениях центральной проекции и требующие восстановления ^
связок проектирующих лучей. Вместе с тем, реальный объектив строит
изображение по законам проективной геометрии [38, 40, 44, 51, 57]. При этом
только линейные отклонения от центральной проекции для аэрофотоаппаратов
(АФА) могут достигать 30 мкм (т.е. 1/6000 от формата кадра) [45], а для
неметрических камер должны составлять еще большую величину (порядка 500
мкм [114]). п
Проективная фотограмметрия была разработана к.т.н., проф. Е.И. Калантаровым и представляет собой экстракт положений из теории проективной геометрии, сформулированных применительно к фотограмметрии. В теорию проективной фотограмметрии вошли научные достижения П.А. Кобозева, ГЛ. Жукова, А.И. Мазмишвили, М.С. Муравьева, Ю.М. Трунина и др. Разработкой и исследованием методов и алгоритмов решения фотограмметрических задач на основе положений проективной фотограмметрии в разное время занимались Г.Ю. Сбоева, НгуенЗыХаиг, М.Ж. Сагагщьгкова, СХ. Огородников, АЛ. Говоров, СВ. Романова.
Использование положений проективной фотограмметрии (ПФ), основными соотношениями которой являются проективные и аффинные преобразования пространств различной размерности, позволяет по-иному подойти к выполнению основных фотограмметрических процессов. Отличительной особенностью ПФ является использование скалярной метрики, вследствие чего координаты и элементы ориентирования представляются безразмерными числами — скалярами [45], Присущие традиционной фотограмметрии элементы внутреннего и внешнего ориентирования в явном виде здесь не используются» однако проективные параметры включают их в себя
и дополняют их, при этом традиционные элементы могут быть выделены из проективных путем матричных преобразований. Обработка снимков проективными методами позволяет наиболее полно учитывать линейные преобразования снимков за счет дополнительных элементов ориентирования и освобождает от внутреннего ориентирования снимков, т.к. этот процесс заложен в проективных преобразованиях [44].
Использование проективных преобразований приводит к тому, что почти все уравнения поправок для решения фотограмметрических задач в ПФ могут быть представлены в линейном виде относительно элементов ориентирования, что дает возможность решать большинство задач прямым методом, не требующим знания приближенных значений искомых величин [481. Это позволяет упростить методы решения задач и сократить вычислительный процесс. Хотя ПФ предъявляет более высокие требования к количеству и расположению опорных точек [22, 41, 45], однако в фотограмметрии, как правило, используется избыточное количество опорных точек, что снимает эту проблему при решении многих фотограмметрических задач. Более подробно данный вопрос рассмотрен в главе 3.
Значительного повышения точности можно добиться, частично используя проективные методы, например, при проективном внешнем ориентировании модели [56], Такие комбинированные методы позволяют широко использовать взаимосвязь традиционных и проективных методов, объединять их достоинства и исключать недостатки, обеспечивая универсальность технологии, поэтому такие методы получили название «универсальных» [44], Универсальные методы основываются на теории традиционной и проективной фотограмметрии, а также на калибровке съемочной и обрабатывающей аппаратуры, и обеспечивают решение задач как проективной, так и традиционной фотограмметрии. Таким образом, применение проективных и универсальных методов является средством повышения точности фотограмметрических задач.
Определение целей и постановка задач экспериментальных исследований. На основании сказанного выше сложившуюся ситуацию можно охарактеризовать следующим образом: современная фотограмметрия» в том
числе наземная, в настоящее время получила большой арсенал технических средств и широко использует цифровые методы представления (получения) и обработки изображений. При этом более низкая информативность цифровых изображений требует максимального использования заложенных в них возможностей. Вместе с тем, с целью сокращения затрат на производство работ (что весьма актуально в настоящее время) можно пойти по пути сокращения объемов полевых работ за счет уменьшения масштаба съемки, что также выдвигает требования к дальнейшему повышению точности фотограмметрических определений. Стоимость работ в наземной фотограмметрии может быть также снижена за счет более доступного съемочного оборудования. В этом аспекте актуально использование, например, малоформатных цифровых съемочных камер, предоставляющих некоторые дополнительные возможности [86]. Немаловажным фактором во многих случаях является сокращение сроков фотограмметрической обработки» решения задач в режиме т.н. «реального времени», что также требует использования легких и компактных камер. Помимо этого, цифровые методы позволяют сделать фотограмметрическую продукцию более разнообразной, что значительно усиливает роль фотограмметрии как средства информационного обеспечения в различных отраслях. Все это обуславливает актуальность темы исследований.
Основной целью данной работы является исследование методов калибровки и решения основных фотограмметрических задач на основе положений проективной фотограмметрии, разработанных проф. Е.И. Калантаровым, в первую очередь применительно к наземной стереофотограмметрической съемки. Попутно проводились исследования по усовершенствованию существующих методов наземной стереосъемки: наклонно-конвергентного способа стереосъемки и блочных сетей.
Основными задачами работы являются:
проведение детальных исследований проективных методов калибровки съемочных камер;
исследование проективных методов решения задач;
- совершенствование способа наклонно-конвергентной стереосъемки, заключающееся в разработке и исследовании метода обработки получаемых таким образом снимков на основе проективного трансофрмирования.
Исследуемые методы и алгоритмы одинаково применимы как к цифровой, так и к аналитической фотограмметрии, однако исследования проводились на основе цифровой съемочной аппаратуры, главным образом неметрических трансфокаторных съемочных камер. В работе также рассматриваются вопросы, несколько выходящие за рамки наземной фотограмметрии (например, методы построения и уравнивания блочных сетей). Вместе с тем, ранее несвойственные НСС методы развития сетей фототриангуляции могут быть применены для построения блочных моделей наземных объектов, имеющих значительную площадь или протяженность, а также позволяют использовать снимки более крупного масштаба в целях повышения точности фотограмметрических определений;
На основании вышесказанного можно сформулировать следующие основные задачи исследований:
1. Исследование связи традиционных и проективных параметров
внутреннего ориентирования съемочных камер, а также определение способов
перехода между проективными и традиционными методами обработки.
Исследование методов калибровки на основе проективных соотношений для
ряда цифровых съемочных камер, в том числе трансфокаторных. Это
направление включает методы калибровки при помощи плоского тест-объекта и
пространственного полигона опорных геодезических точек, выбор оптимального
количества коэффициентов дисторсии и технологии калибровки,
статистическую оценку их точности. Сюда также входят оценка точности (с
привлечением статистических методов) и сравнительный анализ качества
решения задач при использовании традиционных и проективных соотношений.
2. Исследование и оценка точности наклонно-конвергентного способа
наземной стереофотогралшетрической съемки, а также определение
оптимальной схемы для нормального случая съемки, применимой как в НСС, так
и в аэрофотосъемке.
3, Исследование методов и разработка алгоритмов решения основных
фотограмметрических задач на основе аффинных и проективных соотношений
проективными и универсальными методами. Установление связи параметров
внешнего ориентирования традиционных и проективных снимков. В число
исследуемых задач были включены: внешнее ориентирование одиночного
снимка и блочной сети на основе уравнений проективной коллинеарности,
взаимное ориентирование стереопары снимков и построение моделей на основе
универсальных и проективных соотношений, аффинное и проективное внешнее
ориентирование снимков и моделей. Так как работа включает более широкое
рассмотрение применительно к аэрофотосъемке и космической фотограмметрии,
то здесь также рассматриваются методы построения и уравнивания блочных
фотограмметрических сетей на основе аффинных и проективных
преобразований прямыми и итеративными методами.
4. Анализ технологии трансформирования цифровых изображений и
влияния качества цифрового изображения на точность фотограмметрических
определений. Исследование возможностей и путей совершенствования процесса
цифрового трансформирования изображений для целей создания новых видов
фотограмметрической продукции (на примере комбинированного обмерного
чертежа), выдвижение рекомендаций по технологии трансформирования.
Объектами исследований в работе являлись цифровые изображения, полученные при помощи различных цифровых съемочных камер, в том числе снабженных трансфокатором, а также математические модели цифровых снимков для различных случаев съемки. В работе применялись следующие методы исследования: проверка математических и статистических гипотез, математическое моделирование снимков с заданными параметрами случайных ошибок, статистическая оценка результатов исследований, экспериментальная проверка решения задач по реальным снимкам.
Данная работа состоит из четырех глав, соответствующих определенным выше направлениям, В каждой главе приведено краткое теоретическое обоснование предлагаемых методов и пути их реализации, описан ход экспериментальных работ, в конце каждой главы сделаны сравнительный анализ
полученных результатов. В заключительной части работы приведены обобщенные выводы о целесообразности и областях применения предлагаемых методов.
Экспериментальные работы производились на базе кафедры фотограмметрии Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК). В процессе исследований было использовано оборудование и программно-аппаратные средства кафедры, в том числе универсальная метрическая камера UMK-10/1318 и фотограмметрические рабочие станции "Моно\ "СтереоФото", "Photomod 3.11/3.5", а также экспериментальные программные разработки доц. А.В. Говорова.
В процессе исследований использовались: цифровая камера "Hewlett Packard Photo Smart 715", любезно предоставленная кафедрой высшей геодезии
МИИГАиК в лице ее руководителя (Ю.Г. Карпушина |; камера "Olympus CamediaC-120", предоставленная деканом факультета аэрокосмических съемок и фотограмметрии А.Г. Чибуничевым; камеры "Canon Power Shot G3", предоставленные научным сотрудником кафедры фотограмметрии А.В. Говоровым.
Автор благодарен:
сотрудникам кафедры фотограмметрии: А.П. Михайлову,
Б.В. Краснопевцеву, А.В, Говорову, Г.Ю. Сбоевой, В.М. Куркову,
СБ. Макарову, В.Г. Авхадееву и другим за реальную помощь в организации и проведении экспериментов;
- руководству и сотрудникам ЗАО «Фирма «Ракурс» за помощь в
оформлении работы;
- сотрудникам Сектора национального атласа Российского НИИ
культурного и природного наследия им. Д.С.Лихачева за помощь в оформлении
работы.
Автор приносит особую благодарность своему научному руководителю,
профессору кафедры фотограмметрии | Е.И. Калантарову ) за чуткое
руководство, неоценимую помощь при подготовке и проведении экспериментов, а также за руководство при написании и редактировании данной работы.
Измерительные свойства изображений, получаемых цифровыми камерами. Состав и структура возникающих искажений. Связь традиционных и проективных элементов внутреннего ориентирования, переход к универсальным методам обработки
Известно, что точності, фотограмметрических определений по снимку слагается из собственно точности построения изображения (его измерительных свойств), а также личных, инструментальных., методических и внешних ошибок. возникающих при его обработке [30]. Так как современная фотограмметрия (аналитическая и цифровая) решает свои задачи аналитически на основе строгих математических формул, то методические ошибки, определяемые точностью вычислений программного обеспечения, весьма малы. R цифровой фотограмметрии также полностью исключаются инструментальные и внешние5 ошибки (хотя они могут возникать в процессе сканирования фотоизображения). Личные ошибки характеризуются точностью измерения координат точек снимка оператором и определяются точностью, необходимой для выполнения конкретных операций и условиями наблюдения [641. С другой стороны. использование для калибровки съемочных камер проективных методов позволяет достигнуть точности построения изображения порядка 0.2 - 0,1 пиксела [85]. что соразмерно с величиной личных ошибок.
Измерительные свойства снимка, получаемого съемочной камерой, в свою очередь, зависят от свойств съемочной камеры и влияния внешних условий. Для того чтобы характеризовать измерительные свойства снимков, неоиходимо рассмотреть вопросы соответствия законов формирования изображения оптической системой математическим соотношениям, используемым при их фотограмметрической обработке.
Применяемые в настоящее время способы фото грамм етричее кой оораоотки основаны на положениях традиционной фотограмметрии, рассматривающей снимок как центральную проекцию объекта съемки и требующей восстановления связки проектирующих лучей. Процесс внутреннего ориентирования снимка можно представить как преобразование его координат г =(х у ) на основе традиционной матрицы внутреннего ориентирования Вно-1\ содсржатцеи координаты главной точки {х у ) и фокусное расстояние / [44]:
Элементы внутреннего ориентирования (Э130) должны определяться илиуточняться па основании калибровки съемочной камеры. Выполнение процесса внутреннего ориентирования требует наличия на снимке координатных меток и привносит дополнительные ошибки при их измерении, что приводит к снижению точности фотограмметрических определений, в связи с этим его обычно выполняют на основе аффинных или проективных преобразован и и. Здесь следует отметить интересную особенность ЦСК; так как матрица не меняет своего положения в системе координат камеры, то каждый ее элемент может исполнять роль координатой метки, что позволяет упростить технологические процессы внутреннего ориентирования и учета дистореии, а также повысить точность их выполнения.
Вместе с тем, построение изображения реальным объективом осуществляется по законам проективной геометрии [38, 40, 48, 45, 51 ]. вследствие чего получаемое изображение подвергается дополнительным линейным преобразованиям, т.е. является проективным. Хотя расчет оптической системы производится на основе положений геометрической оптики (т.е. центрального проектирования), появление проективных преобразований и их величина обусловлены конечным качеством изготовления оптической системы, что особенно актуально для неметрических (не рассчитанных на применение в фотограмметрии) камер, в особенности для малоформатных ЦСК. Точность изготовления матриц и их положение в камере также может оказывать влияние на ЭВО. Помимо этого, применяемые в таких камерах трансфокаторы обычно не имеют фиксированных положений поэтому его использование сопряжено с произвольным изменением параметров внутреннего ориентирования камеры. В / связи с этим оиработка получаемых таким образом сннмкоп метолами традиционной фотограмметрии затруднительна и даже невозможна.
Использование положений проективной фотограмметрии позволяет по-иному подойти к решению фотоірамметричсских залам, в том числе к калибровке съемочных камер и обрабатывающей аппаратуры. Ее основными соотношениями являются проективные и аффинные преобразования пространств рахтичтюй размерности. Проективные методы полностью учитывают линейные зависимости построения снимков и таким образом освобождают от процесса внутреннего ориентирования, так как оно заложено в проективных преобразованиях. Это способствует повышению точности решения фотограмметрических задач, а также позволяет использовать неметрические, в том числе трансфокаторные камеры [47, 48], Калибровка проективных ЭВО камер позволяет наиболее полно учитывать линейные преобразования снимков за счет дополнительных параметров.
Применительно к универсальным и традиционным методам обработки внутреннее ориентирование проективных снимков может осуществляться на основе проективной матрицы внутреннего ориентирования ВЮп [44] следующим образом:
В отличие от традиционной матрицы внутреннего ориентирования (1.3) здесь, помимо традиционных элементов xs у$ и /„ содержатся параметры х. t представляющие собой коэффициенты линейного изменения фокусных расстояний вдоль кажлой из осей относительно общего фокусного расстояния/, а также параметр pAV1 характеризующий перекос (неортоїчшальноеть) координатных осей снимка и представляющий собой косинус угла между ними [441. Индекс і при фокусном расстоянии / указывает на ю, что каждый проективный снимок может иметь собственное фокусное расстояние, поэтому полученные связки необходимо привести к единому фокусному расстоянию, которое будет использоваться при обработке традиционными методами, поформуле:
Связь между проективными и традиционными элементами внутреннего ориентирования снимков была экспериментально проверена на примере обработки реальных снимков, полученных ЦСК Hewlett-Packard Photo Smart 715, на аналитической фотограмметрической системе «СтереоФото», Значения проективных параметров внутреннего ориентирования были получены в результате предварительной калибровки: данной съемочной камеры (см. раздел 1,7). Проведенный -эксперимент по преобразованию проективных снимков в традиционные с последующей их аналитической обработкой но программе «СтереоФото» показал справедливость такого подхода. При этом, как и ожидалось, полученная точность оказалась несколько ниже, чем при их параллельной обработке проективными методами.
Таким образом, в традиционной фотограмметрии любые отклонения точек получаемого изображения от центральной проекции снимаемых объектов принято считать искажениями изображения, которые включают в себя систематическую и случайную части. Систематические искажения в свою очередь подразделяются на линейные, являющиеся следствием неточности ЭВО,камерой) изображений, представляющие собой главным образом дисторсию. Калибровка камер для традиционных методов обработки включает в себя уточнение ЭВО и определение параметров для учета нелинейных искажений. При помощи калибровки устраняются систематические ошибки, а остаточные «случайные» искажения снимков (включающие действительно случайные, а также неучтенные сложно-систематические) относят к остаточной дисторсин.
Исследования геометрических параметров съемки для целей построения блочных моделей- Обоснование оптимальной блочной схемы наземной стереосъемки
Хотя построение и уравнивание маршрутных или блочных моделей в настоящее время не свойственно наземной фотограмметрии, но такая задача может возникнуть, например, в случае архитектурной съемки фасада здания или сооружения, имеющего значительную площадь (протяженность). В результате этого снимаемый объект не помещается в кадр полностью.
Применяемое в этом случае уменьшение масштаба съемки ухудшает условия наблюдений и точность їгзмерений, это в конечном счете может привести к тому, что получаемые снимки перестанут обеспечивать требования к точности фотограмметрические определений. Это особенно актуально для цифровых снимков (из-за ограниченных возможностей масштабирования при их визуализации), а для малоформатных ЦСК эта проблема усугубляется вследствие их ограниченной информационной емкости. Кроме того, увеличение отстояния (для уменьшения масштаба) или базиса (во избежание появления «мертвых» зон) может стать невозможным вследствие оіраниченности пространства улицы.
Во всех этих случаях целесообразно снимать объект по частям. Использование блока снимков, в свою очередь, позволяет производить съемку в более крупном масштабе и, соответственно, повысить точность фотограм метрических определений. Построенная на их основе блочная модель объекта может служить аналогом снимка с более высоким разрешением. Помимо этого, в наземной съемке становится возможным построение блока, составленного из наклонно-конвергентных снимков, что также позполит усовершенствовать наземную съемку.
Вмсп : с тем, одной т ислсїї дану ой рибшы иьоо &иее широкое ряегъштренис епоеооов как архт\жгур гочтроіпсезьит} так її гашдушіюй СЬЄЧІЛІ. И свя ш с; НИМ раиепэтрпш&мьш ниже шшрое етдшшя б.ючиой ссш ллн во ijvijiiiou съемка несколько выходит ІЗ риыкн на ІЄЖЕШІ фО ШІ рІШМСфШК
Квадрупю-есіачмая ехе\ш (К( В і юроеьоші Ьы.т рачрабішша иИСЄ-К ,іШШШ В к8ЧЄСНіЄ ОредсаМЙ ДОЇШЛШГПГЛЬЦОІП глуЧІН Н ! кіХЧЕ і. пшфотограмметрических сетей (ФС] [41„ 75. Для ишеїсеинім суш КГЬ рисемптрим аік\чнеаг\ Ю ехеиу шюЕОчоршрчтноГі юрофшпеьемш, покаїмнную ЇШ рис. 2,5(a). Ь їісаіі схема и\ісет иродолыюе ітерскрьиис 60 % и поперечное перекрытие JO %. вследствие icio шчшнггъ уравншшшя іашй ФС но осям # п У ІЬЛСЇ ноешь неоднородный характер [24 Її9]. Наьжшьш показателем пою может едужшъ оценка результатов уравшжання п ішле дл-шпеон оши(їок. иежшлусмая. например п ярої рамме урашвдщщя «OR1М«А ) 1ЗЛ [.
Для того чтобы сделать ФС значительно однороднее, целесообразно выполнять съемку, обеспечивающую симметричные продольные и поперечные перекрытия более 60%. Этим не исчерпываются возможности симметричной схемы — если, помимо соблюдения симметричности перекрытий, располагать центры проектирования в узлах квадратной сетки, как показано на рис. 2,5(6), то такой квадратно-симметричный блок (КСБ) снимков позволит строить и наблюдать стсреомодели как с продольными, так и с поперечными и диагональными базисами что позволит точнее и надежнее строить ФС.
Такой подход значительно снижает объем "мертвых" зон, чго особенно актуально в населенных пунктах с плотной высотной застройкой и в горной местности. Он позволяет также более надежно выполнять измерения при фотограмметрическом сгущении и камеральном дешифрировании, так как имеется возможность наблюдать до 9 изображений точек в различных ракурсах, при этом целесообразна одновременная визуализация нескольких стсрсомодслей.
Помимо этого, применение КСБ позволяет несколько увеличить полезную площадь блока [43]. Сравттенне полезной площади (ограниченной центрами проектирования) для КСБ и традиционной схемы блочных сетей представлено в таблице 2.2. При расчетах полагалось, что блоки имеют 20 маршрутов по 20 снимков R каждом..
Идея симметричных перекрытий не нова, вопросам обоснования точности при их применении посвящена, например, работа [75]. Несмотря па ее достоинства, в настоящее время, как правило, применяется классическая схема что обусловлено, s основном, экономическими соображениями (так как при этом используется меньшее количество маршрутов и снимков), В связи с подорожанием аэросъемочных работ в настоящее время это является немаловажным фактором при выборе схемы съемки. Тем не менее, в настоящее время сложились условия, которые делают актуальным применение симметричной схемы в виде КСБ. Современные аэрофотоаппараты существенно улучшили свои изобразительные свойства, что в сочетании с предоставляемой КСБ возможностью наблюдений до 20-ти моделей в различных ракурсах обеспечивает приемлемое дешифроиочное качество снимков при более мелком масштабе. Это дает возможность сократить количество маршрутов за счет уменьшения масштаба съемки. Применение для самолетовождения навигационных систем GPS позволяет выдерживать параметры аэросъемки, в том числе центры проектирования, с достаточно высокой точностью.
Возможности, предоставляемые КСБ, весьма актуальны и для архитектурной стереосъемки. Фасад архитектурного сооружения в большинсіве случаев представляет собой сложную совокупность горизонтальных и вертикальных плоскостей, поэтому при съемке такого объекта (даже с небольшими перепадами отстояний) часто возникают сплошные «мертвые» зоны. При этом минимальная величина базиса съемки должна обеспечивать необходимую точность измерения отстояний, но в то же время ее увеличение ограничивается возможностью появления на снимках «мертвых» зон. При традиционном способе получения на объект только одной стереопары с «земли» проблема «мертвых» зон усугубляется.
Во избежание этого съемку архитектурного сооружения выполняют с минимально возможными базисами (обеспечивающими требуемую точность фотої рам метрических определений), а для устранения «мертвых» зон в вертикальной плоскости стереосъемку осуществляют в виде блока, организовывая несколько горизонтальных «маршрутов» (например, с помощью подемных устройств). В дополнение к вышесказанному в ряде случаев целесообразно выполнять НСС в виде квадратно-сеточного блока, при этом возможность наблюдения точек объекта в нескольких ракурсах несколько снижает остроту проблемы «мертвых» зон.
Специфической особенностью блочных сетей в наземной стереосъемке является возможность использования наклонно-конвергентных снимков. Схема получения такого блока, состоящего из 4-х моделей, снятых с одного базиса под различными углами, показана на рис. 2,6, Возможно также получение каждой стереопары с различных базисов.
При проведении экспериментальных работ по обработке проективных снимков архитектурного сооружения при помощи ЦСК Hewlett-Packard была произведена наклонно-конвергентная съемка с двух точек (но два снимка с различными углами конвергенции на каждой) и получены 2 стереопары, соответствующие одному из показанных на рис, 2.6 маршрутов. Отстояние до объекта съемки составило порядка 25 м. Базис фотографирования В был выбран небольшим во избежание появления «мертвых» зон, однако на полученных изображениях они все-таки присутствовали.
На основании анализа проблем, возникших в результате последующей обработки этих снимков, можно сделать следующуЕо рекомендацию; съемку следовало проводить с четырех съемочных точек (с меньшими базисами). В этом случае проблему «мертвых» зон можно устранить возможностью организовать 6
Исследование способов взаимного ориентирования снимков Универсальными и проективными методами
Традиционный способ взаимного ориентирования снимков использует матрицы направляющих косинусов. Нелинейность возникающих при эгом уравнений поправок обуславливает их линеаризацию путем взятия частных производных от тригонометрических функций, а также знание приближенных значений искомых параметров. Вместе с тем, при взаимном ориеширопапии на существующем программном обеспечении традиционным способом, например, наклотшо-конвергентных снимков с большими углами конвергенции Да (до 70) и наклона OJ (порядка 10) возникает необходимость определения исходных значений параметров в каждом отдельном случае. В случае их неточного задания количество итераций возрастает, а сам процесс может разойтись. В связи с этим встает задача отыскания такого мсгода. который позволит решать задачу взаимною ориентирования при любых значениях углов и без знания их приближенных значений. Для определенности поставим условие взаимного ориешироватшя по первой схеме (с неподвижным базисом), которое имеет следующий вид:
Одним из альтернативных способов взаимного ориентирования снимков может служить метод взаимного ориентирования путем линейных итерапий. Он основан на использовании матриц параліетров направляющих косинусов р, q и г, являющихся аналогами угловых элементов ориентирования снимков о, а, к. Использование этих матриц обосновано в [42, 54], Их основным достоинством является простота математического представления и возможность с их помощью существенно сократить объем вычислений. Как видно из выражений (3.2), их использование для строгого решения задачи прямым методом затруднительно. Однако если применительно к задаче взаимного ориентирования несколько упростить эти выражения, приняв в них Д=1Э а параметры сделать равными: j , p OjKI и г к 0 для 1-госнимка1 и q sa, р % J =0 и г к 0 для 2-го снимка, то, по аналогии сприближенной матрицей направляющих косинусов, выражения (3.2) можно записать в следующем виде:1 Так как снимки в процессе измерений на стереокомпараторе ориентируются по начальным направлениям, то К[ и к; близки к 0, угол наклонам также сравнительно небольшой.
Элемегны /, и гг находятся дополнительно, путем решения системы уравненийотносительно комбинированных параметров Сь Сг, С3. Полученные в результате приближенные значения параметров направляющих косинусов р, q и г являются аналогами угловых элементов ориентирования ш, а, к и приближенно равны им. Составленные из этих элементов матрицы (3.3) будут аффинными, поэтому для приведення их в соответствие метрике традиционной фотограмметрии необходимо выполнить ортогонализацию, например, ортогонализацию Грамма-Шмидта 127, 115, 116].
Для ортогопализации полученных матриц п процессе исследований были использованы соотношения, основанные на положениях проективной геометрии и описанные в 42] и [54].
Согласно одному ш методов матрицы направляющих косинусов С,- (3.2) могут быть представлены следующим образом: Как показали эксперименты на макетных снимках, матрицы направляющих косинусов, вычисленные обоими способами, достаточно близки к оригинальной матрице направляющих косинусов. Вместе с тем, использование последнего метода может привести к неоднозначному определению элементов матрицы Д при их извлечении из матрицы Всиммш
На основании полученных в результате ортогонализации матриц наїгравляющих косинусов осуществляется трансформирование снимков стереопары и вычисление координат точек модели.
Так как при решении используются нестрогие матрицы (3.3). то данный метод предполагает многократное решение задачи и уточнение матриц взаимного ориентирования. Для этого выполняется серия линейных2 итераций -«приемов» [47, 48], каждая их которых представляет собой цикл приведенных выше операций с последующим трансформированием. В этом случае в конце каждой итерации выполняется промежуточное трансформ про ваттие координат взаимных точек стереопары, исправленных за углы наклона и разворота. Окончательное трансформирование исходных снимков и вычисление координат точек модели осуществляется после достижения необходимой точности. При выполнении достаточного числа приемов-итераций величина остаточного поперечного параллакса становится соразмерной с величинами случайных ошибок снимков, а остаточные величины 5ш, 5а, 5к составляют менее 10"" от величины р.
Во избежание накопления ошибок в процессе вычислений после каждой итерации должны вычисляться результирующие матрицы, получаемые 1 В отличие от традиционного метода, в данном случае используются уравнения поправок, имеющие линейный вид и решаемые прямым методом. перемножением матриц текущей и предыдущих итераций. Данный процесс можно легко реализовать при помощи разработанного в ходе исследований алгоритма предварительного трансформирования. Для некоторой промежуточной /7/-ОЙ итерации он заключается в следующем: L. Координаты исходных снимков г =(х у — /) предварительно трансформируются за некоторые результирующие матрицы взаимного WF-I ориентирования cam_n -]"[ ч полученные на предыдущих итерациях. П целях сохранения общего вида и целостности алгоритма на первой итерации в качестве исходной матрицы С можно взять единичную матрицу Е. 2, Из полученных координат составляются и решаются уравнения поправок (3,5 - 3.6) и находятся поправки в приближенные значения элементов взаимного ориентированиярч q и г. 3, Используя полученные в п.2 значения, по формулам (3,8 - 3.7) или (3.9 - 3.13) вычисляются текущие матрицы Ст% представляющие собой матрицы поправок в результирующую матрицу С т \ 4, Вычисляются результирующие матрицы направляющих косинусов для текущей итерации по формуле: CLm -CmClm = J C" Если последняя матрица поправок Ст сооївстствует с заданной точностью единичной матрице, а значения остаточных поперечных параллаксов минимальны, то принимается решение об окончании итерационного процесса и переходе к п.5. , в противном случае - возврат к п.1. 5 . Осуществляется окончательное трансформирование исходных снимков за взаимные углы. В случае цифрового снимка оно применяется ко всем пикселам исходных снимков. Схематически весь процесс можно представить в следующем виде:
Исследования вопросов трансформирования изображений для целей наземной фотограмметрии. Разработка технологий создания новых видов фотограмметрической продукции
Фасад архитектурного сооружения в большинстве случаев представляет собой сложную совокупность горизонтальных и вертикальных плоскостей, которые при съемке с малых базисов или только с земли часто создают сплошные "мертвые" зоны. Это вызывает затруднения и снижает точность при стереоскопической рисовке необходимых элементов сооружения и приводит к значительным искажениям при трансформировании. При наличии сплошных "мертвых" зон трансформирование вообще не может быть выполнено.
Во избежание этого при съемке архитектурного сооружения целесообразно выполнять блочную наклон но-юэнвергептную съемку (рис, 2.6) в виде квадратно-сеточного блока (КСБ), (схема которого аналогична показанной рис. 2.7).
Вместе с тем, даже такая организация съемки не всегда позволяет полі гостью устранить «мертвые» зоны, например, при наличии на фасаде сложных архитектурных форм. В связи с этим обычно идут путем создания полноценного обмерного чертежа здания включая мелкие детали, однако такой подход не является целесообразным, так как приводит к значительному увеличению объема работ и потере информативности.
Наиболее приемлемым здесь представляется создание комбинированного ортофотоплана ігредставляющего собой ортофотоизображение, дополненное элементами обмерного чертежа. Ортотрансформированное изображение в данном случае обеспечивает основную площадь фасада, а также несет информацию о мелких деталях фасада, находящихся в одной плоскости (лепка, оконные переплеты и т.п.). Элементы обмерного чертежа отвечают за правильное геометрическое описание сложных элементов сооружения, а также отображают границы важных контуров при недостаточной их передаче фототопами.І Ірименепие цифровых методов позволяет легко реализовать идею "мозаичного1 составления фотоплана, которая заключается в следующем: если па объекте чередуются участки с противоположными уклонами, і о на орюфотоплан монтируются отдельные з расформированные участи изображения mio снимка, на котором они лучше изобразились (с минимальным углом наклона по нормали к поверхности снимка, т.е, подвергшиеся наименьшим преобразованиям при трансформировании), например участки а б снимка Pj па рис. 4.4 и 4.5. С другой стороны, такой подход требует предварительной разметки зон трансформирования па исходных изображениях. В их качестве могут использоваться, например, контура, полученные при стереоскопическом сборе информации о местности.
В то же время, при правильно выполненном орютрансформировании нескольких перекрывающихся снимков (на одну модель рельефа) изображения одноименных ючек должны точно совпади] ь. позі ому при формировании ортофотомозаики в областях перекрытия имеется возможность совмещать два и
Имеются соедспия об использовании тгого принципа в программе «Hclawa» 1133. 134, более «прозрачных» изображения. Окончательные ивета пикселов могут определяться в результате усреднения одноименных пикселов всех перекрывающихся трансформированных изображении (за исключением брака). В случае, если на одном изображений присутствует мертвая зона, она должна изображаться бесцветными пикселами и не участвовать в формировании изображения.
Для повышения качества ортофотоплапа или выделения некоторых элементов фасада можно превратить полутоновое растровое изображение в штриховое. Этого можно добиться путем вычисления разностей цветов соответствующих пикселов резкой и малокоптрастпой (размытой) копий изображения. Полученное в результате изображение будет содержать только контура, приуроченные к резким перепадам цвета. Использование такоі-о подхода представляется целесообразным при недостаточной резкости исходного изображения. В то же время, это позволит убрать с ортофотоизображения незначительные малоконтрастные детали и таким образом повысить удобство восприятия. Полученные контура могут также служить іраницами зон при мозаичном трансформировать.
Процесс составления комбинированною ортофотоплана, сопутствующие этому проблемы и пути их решения были исследованы на цифровой фотограмметрической системе (ЦФС) «Photomod 3.5». Исходным материалом для проведения экспериментальных работ служили изображения, полученные цифровой камерой Hewlett-Packard PS 715 с 3,3 Мпикс (формат кадра 1536x2048 пикселов). Объектом съемки было выбрано здание "АвтоВАЗ", обладающее сложными архитектурными формами (козырек над входом и карниз с перепадами отстояний 1,5 м и 0,5 л соответственно)- Съемка выполнялась наклонно-конвергентным способом с базиса длиной 5 м при отстоянии 15 м. На каждом конце базиса были получены по 2 снимка, как показано па рис. 4.6.
Постросрше и внешнее ориентирование фотограмметрических моделей (блока моделей). Оно включает в себя внутреннее ориентирование и учет дисторсии сігимков в соответствии с формулами (1.10) и (1.11), измерение связующих и опорных точек, уравнивание элементов внешнего ориентЕірования моделей и снимков [91, 92, 95]. В процессе фотограмметрической обработки экспериментального материала на ЦФС "Photomod" были составлены 2 стереопары — для левой и правой частей здания. Элементы внутреннего ориентирования и коэффициенты дисторсии для снимков были получены ранее, в результате калибровок данной камеры по плоскому тест-объекту и по полигону опорных геодезических точек. Построенные модели имели среднюю квадратическую ошибку внешнего ориентирования порядка 8-13 мм в натуре. 2. Подготовка пространственной основы для ортоірансформирования изображений. Как упоминалось выше, в цифровой фотоірамметрии такой основой служит регулярная модель рельефа - цифровая матрица рельефа (ЦМР или DEM - Digital Elevation Model), содержащая высоты или отстояния регулярно расположенных точек [93, 96]. Так как непосредственно из стереоизмерений получение такой модели рельефа затруднено, то в ЦФС «Photomod» предварительно создастся нерегулярная цифровая модель рельефа, которая затем преобразуется в регулярную. Для создания нерегулярной модели рельефа на стереомодели в характерных точках рельефа местности осущестштястся набор пикетов- На их основе строится пространственная сеть треугольников (TIN - Triangulated Irregular Network), вдоль сторон которых выполняется линейная интерполяция высот (отстояний) точек ЦМР.
Автоматическое построение сети треугольников, помимо топологических ошибок (пересечений ребер треугольников или самопересечений горизонталей), может привести к неадекватной рельефу интерполяции (например, поперек линии перегиба ската). Для уточнения модели рельефа в системе используются т.н. «вектора», соединяющие расположенные вдоль линии перегиба пикеты и позволяющие правильно выполнять Интерполяциго. Совокупность смежных векторов называется полилинией. В связи со сложностью рельефа в архитектурной съемке полилинии применяются практически повсеместно и фактически превращаются в обмерный чертеж сооружения. Например, при создании экспериментальной нерегулярной модели рельефа полилиниями были отрисованы: границы плоскости фасада, оконные и дверной проемы, грани карниза и козырька нал входом, а также оголовки водосточных труб.
Для выполнения ортотрансформирования был осуществлен переход от нерегулярной модели рельефа в виде TIN к регулярной ЦМР (DEM) [93]. Оценка точности ЦМР выполнялась по расхождениям на контрольных точках, в качестве которых были использованы опорные точки и точки сгущения. Количество и размер элементов ЦМР (ее разрешение) определяется требованиями к точности орто фотоплана и характером отображаемого рельефа: чем выше разрешение матрицы ЦМР, тем точнее будет осуществляться учет рельефа на ортофотоплане. В архитектурной съемке размер элемента ЦМР целесообразно принимать близким к размеру пиксела на исходном изображении, поэтому для экспериментальных снимков построение ЦМР осуществлялось для каждого пиксела.
Вместе с тем, наличие сложных участков фасада (с вертикальными участками поверхности, обратными уклонами и т,п,) приводит к возникновению вблизи них "мертвых" зон на одном из образующих модель снимков. В системе
