stringtranslate.com

Фотограмметрия

Аэрофотоснимок с малой высоты для использования в фотограмметрии. Местоположение: залив Три-Арч , Лагуна-Бич, Калифорния.

Фотограмметрия — это наука и технология получения достоверной информации о физических объектах и ​​окружающей среде посредством процесса регистрации, измерения и интерпретации фотографических изображений и моделей электромагнитного излучения и других явлений. [1]

Фотограмметрия штаб-квартиры Фазенда-ду-Пинхал, Сан-Карлос-СП, Бразилия.

Хотя изобретение метода приписывается Эме Лосседату [2] , термин «фотограмметрия» был придуман прусским архитектором Альбрехтом Мейденбауэром [3] и появился в его статье 1867 года «Die Photometrographie». [4]

Фотограмметрия штаб-квартиры Фазенда-ду-Пинхал, Сан-Карлос-СП, Бразилия.

Существует множество вариантов фотограмметрии. Одним из примеров является извлечение трехмерных измерений из двумерных данных (т. е. изображений); например, расстояние между двумя точками, лежащими на плоскости, параллельной плоскости фотографического изображения, можно определить, измерив их расстояние на изображении, если известен масштаб изображения. Другим примером является извлечение точных цветовых диапазонов и значений, представляющих такие величины, как альбедо , зеркальное отражение , металличность или окружающая окклюзия , из фотографий материалов для целей физически обоснованного рендеринга .

Фотограмметрия с близкого расстояния относится к сбору фотографий с меньшего расстояния, чем традиционная воздушная (или орбитальная) фотограмметрия. Фотограмметрический анализ может быть применен к одной фотографии или может использовать высокоскоростную фотографию и дистанционное зондирование для обнаружения, измерения и записи сложных 2D и 3D полей движения путем подачи измерений и анализа изображений в вычислительные модели в попытке последовательно оценить, с возрастающей точностью, фактические 3D относительные движения.

Изначально он использовался в стереоплоттерах для нанесения контурных линий на топографические карты , а теперь имеет очень широкий спектр применения, например, в качестве сонаров , радаров и лидаров .

Методы

Модель данных фотограмметрии [5]
Тууре Леппянен, Реконструкция I : 2D-изображение из 3D-модели, созданной с помощью методов фотограмметрии на основе сотен фотографий японского сада с уровня земли

Фотограмметрия использует методы из многих дисциплин, включая оптику и проективную геометрию . Цифровая съемка изображений и фотограмметрическая обработка включают несколько четко определенных этапов, которые позволяют генерировать 2D или 3D цифровые модели объекта как конечный продукт. [6] Модель данных справа показывает, какой тип информации может входить и выходить из фотограмметрических методов.

3D-координаты определяют местоположение точек объекта в 3D-пространстве . Координаты изображения определяют местоположение изображений точек объекта на пленке или электронном устройстве формирования изображения. Внешняя ориентация [7] камеры определяет ее местоположение в пространстве и направление взгляда. Внутренняя ориентация определяет геометрические параметры процесса формирования изображения. Это в первую очередь фокусное расстояние объектива, но может также включать описание искажений объектива. Дальнейшие дополнительные наблюдения играют важную роль: С помощью масштабных линеек , в основном известного расстояния двух точек в пространстве или известных фиксированных точек , создается связь с основными единицами измерения.

Каждая из четырех основных переменных может быть входом или выходом фотограмметрического метода.

Алгоритмы для фотограмметрии обычно пытаются минимизировать сумму квадратов ошибок по координатам и относительным смещениям опорных точек. Эта минимизация известна как уравнивание пучка и часто выполняется с использованием алгоритма Левенберга–Марквардта .

Стереофотограмметрия

Особый случай, называемый стереофотограмметрией , включает оценку трехмерных координат точек на объекте с использованием измерений, сделанных на двух или более фотографических изображениях, снятых с разных позиций (см. стереоскопия ). Общие точки определяются на каждом изображении. Линия визирования (или луч) может быть построена от местоположения камеры до точки на объекте. Именно пересечение этих лучей ( триангуляция ) определяет трехмерное местоположение точки. Более сложные алгоритмы могут использовать другую информацию о сцене, которая известна априори , например симметрии , в некоторых случаях позволяя реконструировать трехмерные координаты только из одной позиции камеры. Стереофотограмметрия становится надежной бесконтактной техникой измерения для определения динамических характеристик и форм мод невращающихся [8] [9] и вращающихся структур. [10] [11] Сбор изображений с целью создания фотограмметрических моделей можно более правильно назвать полископией, в честь Пьера Сегена [12]

Интеграция

Фотограмметрические данные могут быть дополнены данными о дальности из других методов. Фотограмметрия более точна в направлении x и y, в то время как данные о дальности, как правило, более точны в направлении z [ требуется ссылка ] . Эти данные о дальности могут быть предоставлены такими методами, как LiDAR , лазерные сканеры (использующие время пролета, триангуляцию или интерферометрию), оцифровщики белого света и любым другим методом, который сканирует область и возвращает координаты x, y, z для нескольких дискретных точек (обычно называемых « облаками точек »). Фотографии могут четко определять края зданий, когда след облака точек не может. Полезно объединить преимущества обеих систем и интегрировать их для создания лучшего продукта.

3D-визуализация может быть создана путем геореферирования аэрофотоснимков [13] [14] и данных LiDAR в одной и той же системе отсчета, ортотрансформирования аэрофотоснимков и последующего наложения ортотрансформированных изображений поверх сетки LiDAR. Также возможно создавать цифровые модели рельефа и, таким образом, 3D-визуализации с использованием пар (или нескольких) аэрофотоснимков или спутниковых изображений (например, спутниковых изображений SPOT ). Затем используются такие методы, как адаптивное стереосопоставление наименьших квадратов для создания плотного массива соответствий, которые преобразуются с помощью модели камеры для создания плотного массива данных x, y, z, которые могут использоваться для создания цифровой модели рельефа и продуктов ортоизображения . Системы, использующие эти методы, например, система ITG, были разработаны в 1980-х и 1990-х годах, но с тех пор были вытеснены подходами на основе LiDAR и радаров, хотя эти методы все еще могут быть полезны для получения моделей рельефа из старых аэрофотоснимков или спутниковых изображений.

Приложения

Видео 3D-модели бюста Горацио Нельсона в музее Монмута , созданное с помощью фотограмметрии
Гибралтар 1. Трехмерная каркасная модель черепа неандертальца , созданная с помощью 123d Catch

Фотограмметрия используется в таких областях, как топографическое картирование , архитектура , кинопроизводство , машиностроение , производство , контроль качества , полицейские расследования, культурное наследие и геология . Археологи используют ее для быстрого создания планов больших или сложных объектов, а метеорологи используют ее для определения скорости ветра торнадо , когда объективные данные о погоде получить невозможно.

Фотография человека, использующего контроллер для исследования 3D-фотограмметрии, Future Cities от DERIVE, воссоздающего Токио

Он также используется для объединения живого действия с компьютерной графикой в ​​пост-продакшне фильмов ; «Матрица» — хороший пример использования фотограмметрии в кино (подробности приведены в дополнительных материалах к DVD). Фотограмметрия широко использовалась для создания фотореалистичных объектов окружающей среды для видеоигр, включая « Исчезновение Итана Картера», а также «Star Wars Battlefront» от EA DICE . [15] Главный герой игры Hellblade: Senua's Sacrifice был создан на основе фотограмметрических моделей захвата движения, взятых у актрисы Мелины Юргенс. [16]

Фотограмметрия также широко применяется в технике столкновений, особенно с автомобилями. Когда происходит судебное разбирательство по столкновению и инженерам необходимо определить точную деформацию, имеющуюся в транспортном средстве, обычно проходит несколько лет, и единственными оставшимися доказательствами являются фотографии места аварии, сделанные полицией. Фотограмметрия используется для определения того, насколько сильно был деформирован рассматриваемый автомобиль, что связано с количеством энергии, необходимой для создания этой деформации. Затем эта энергия может быть использована для определения важной информации об аварии (например, скорости в момент удара).

Картографирование

Фотокартирование — это процесс создания карты с «картографическими улучшениями» [17] , которые были получены из фотомозаики [18], которая представляет собой «составное фотографическое изображение земли», или, точнее, контролируемую фотомозаику, в которой «отдельные фотографии исправлены с учетом наклона и приведены к общему масштабу (по крайней мере, в определенных контрольных точках)».

Исправление изображений обычно достигается путем «подгонки проецируемых изображений каждой фотографии к набору из четырех контрольных точек, чьи положения были получены из существующей карты или из наземных измерений. Когда эти исправленные, масштабированные фотографии размещаются на сетке контрольных точек, хорошее соответствие между ними может быть достигнуто посредством умелой обрезки и подгонки, а также использования областей вокруг главной точки, где смещения рельефа (которые нельзя устранить) минимальны». [17]

«Вполне разумно заключить, что некая форма фотокарты станет стандартной общей картой будущего». [19] Далее они предполагают [ кто? ] , что «фотокартирование, по-видимому, является единственным способом извлечь разумную выгоду» из будущих источников данных, таких как высотные самолеты и спутниковые снимки.

Археология

Использование компьютера Pentop для фотокартирования археологических раскопок в полевых условиях

Демонстрируя связь между ортофотокартированием и археологией , [20] исторические аэрофотоснимки были использованы для разработки реконструкции миссии Вентура, которая направляла раскопки стен сооружения.

БПЛА Pteryx , гражданский БПЛА для аэрофотосъемки и фотокартографирования с головкой камеры, стабилизированной по крену

Верхняя фотография широко применялась для картирования поверхностных остатков и раскопок на археологических объектах. Предлагаемые платформы для съемки этих фотографий включают: военные воздушные шары времен Первой мировой войны; [21] резиновые метеорологические шары; [22] воздушные змеи ; [22] [23] деревянные платформы, металлические каркасы, построенные над раскопками; [22] лестницы как по отдельности, так и скрепленные шестами или досками; трехногие лестницы; одно- и многосекционные шесты; [24] [25] двуноги; [26] [27] [28] [29] штативы; [30] тетраподы, [31] [32] и воздушные ковшовые автоцистерны («черри-сборщики»). [33]

Ручные, близкие к надиру, цифровые фотографии сверху использовались с географическими информационными системами ( ГИС ) для регистрации экспозиций раскопок. [34] [35] [36] [37] [38]

Фотограмметрия все чаще используется в морской археологии из-за относительной простоты картографирования мест по сравнению с традиционными методами, что позволяет создавать трехмерные карты, которые можно визуализировать в виртуальной реальности . [39]

3D моделирование

Несколько похожее применение — сканирование объектов для автоматического создания их 3D-моделей. Поскольку фотограмметрия опирается на изображения, существуют физические ограничения, когда эти изображения представляют собой объекты с темными, блестящими или прозрачными поверхностями. В таких случаях созданная модель часто все еще содержит пробелы, поэтому дополнительная очистка с помощью программного обеспечения, такого как MeshLab , netfabb или MeshMixer, часто все еще необходима. [40] В качестве альтернативы, распылительная окраска таких объектов с матовым покрытием может удалить любые прозрачные или блестящие качества.

Google Earth использует фотограмметрию для создания 3D-изображений. [41]

Существует также проект Rekrei , который использует фотограмметрию для создания 3D-моделей утерянных/украденных/сломанных артефактов, которые затем публикуются в Интернете.

Механика горных пород

Высокоразрешающие трехмерные облака точек, полученные с помощью БПЛА или наземной фотограмметрии, могут использоваться для автоматического или полуавтоматического извлечения свойств горного массива, таких как ориентация разрывов, устойчивость и интервалы. [42] [43]

Программное обеспечение

Существует множество пакетов программного обеспечения для фотограмметрии; см. сравнение программного обеспечения для фотограмметрии .

Apple представила API фотограмметрии под названием Object Capture для macOS Monterey на Всемирной конференции разработчиков Apple 2021 года . [44] Для использования API требуется MacBook под управлением macOS Monterey и набор захваченных цифровых изображений. [45]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ASPRS онлайн Архивировано 20 мая 2015 г. на Wayback Machine
  2. ^ «История фотограмметрии и современное применение». 8 июня 2022 г.
  3. ^ "Фотограмметрия и дистанционное зондирование" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2017-08-30.
  4. ^ Альбрехт Мейденбауэр: Die Photometrographie . В: Wochenblatt des Architektenvereins zu Berlin Jg. 1, 1867, №. 14, С. 125–126 (Диджиталисат); № 15, С. 139–140 (Диджиталисат); № 16, С. 149–150 (Диджитализат).
  5. ^ Виора, Георг (2001). Optische 3D-Messtechnik: Präzise Gestaltvermessung mit einem erweiterten Streifenprojektionsverfahren (Докторская диссертация). ( Оптическая 3D-метрология: точное измерение формы с помощью расширенного метода проецирования полос ) (на немецком языке). Гейдельберг: Университет Рупрехта-Карла. п. 36 . Проверено 20 октября 2017 г.
  6. ^ Sužiedelytė-Visockienė J, Bagdžiūnaitė R, Malys N, Maliene V (2015). «Фотограмметрия с близкого расстояния позволяет документировать деформацию архитектурного наследия, вызванную окружающей средой». Журнал Environmental Engineering and Management . 14 (6): 1371–1381. doi :10.30638/eemj.2015.149.
  7. ^ Ина Ярве; Наталья Либа (2010). «Влияние различных принципов внешней ориентации на общую точность триангуляции» (PDF) . Technologijos Mokslai (86). Эстония: 59–64. Архивировано из оригинала (PDF) 22-04-2016 . Получено 08-04-2016 .
  8. ^ Sužiedelytė-Visockienė, Jūratė (1 марта 2013 г.). «Анализ точности измерения точек изображения на близком расстоянии с использованием ручного и стереорежимов». Геодезия и картография . 39 (1): 18–22. Bibcode :2013GeCar..39...18S. doi : 10.3846/20296991.2013.786881 .
  9. ^ Бакерсад, Джавад; Карр, Дженнифер; и др. (26 апреля 2012 г.). Динамические характеристики лопасти ветряной турбины с использованием корреляции трехмерных цифровых изображений. Труды SPIE . Том 8348.
  10. ^ Lundstrom, Troy; Baqersad, Javad; Niezrecki, Christopher; Avitabile, Peter (1 января 2012 г.). «Использование высокоскоростных методов стереофотограмметрии для извлечения информации о форме из данных о работе ветряной турбины/ротора». Темы модального анализа II, том 6. Труды конференции Общества экспериментальной механики. Springer, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. С. 269–275. doi :10.1007/978-1-4614-2419-2_26. ISBN 978-1-4614-2418-5.
  11. ^ Lundstrom, Troy; Baqersad, Javad; Niezrecki, Christopher (1 января 2013 г.). «Использование высокоскоростной стереофотограмметрии для сбора эксплуатационных данных о вертолете Robinson R44». Специальные темы в Structural Dynamics, том 6. Conference Proceedings of the Society for Experimental Mechanics Series. Springer, New York, NY. стр. 401–410. doi :10.1007/978-1-4614-6546-1_44. ISBN 978-1-4614-6545-4.
  12. ^ Робер-Уден, Жан-Эжен (1885) _[Magie et Physique Amusante] (https://archive.org/details/magieet Physique00hougoog/page/n167/mode/2up "iarchive: magieet Physique00hougoog/page/n167/mode/2up ")._ Париж: Кальман Леви, с. 112
  13. ^ А. Сечин. Цифровые фотограмметрические системы: тенденции и разработки. Геоинформатика. №4, 2014, стр. 32-34 Архивировано 21 апреля 2016 г. на Wayback Machine .
  14. ^ Ахмади, ФФ; Эбади, Х (2009). «Интегрированная фотограмметрическая и пространственная система управления базами данных для создания полностью структурированных данных с использованием аэрофотоснимков и изображений дистанционного зондирования». Датчики . 9 (4): 2320–33. Bibcode : 2009Senso ...9.2320A. doi : 10.3390/s90402320 . PMC 3348797. PMID  22574014. 
  15. ^ «Как мы использовали фотограмметрию, чтобы запечатлеть каждую мельчайшую деталь для Star Wars Battlefront™». 19 мая 2015 г.
  16. ^ "Захват движения в реальном времени в 'Hellblade'". engadget.com . 8 августа 2017 г.
  17. ^ ab Petrie (1977: 50)
  18. ^ Петри (1977: 49)
  19. ^ Робинсон и др. (1977:10)
  20. ^ Эстес и др. (1977)
  21. ^ Каппер (1907)
  22. ^ abc Гай (1932)
  23. ^ Баском (1941)
  24. ^ Шварц (1964)
  25. ^ Уилтшир (1967)
  26. ^ Криглер (1928)
  27. ^ Хампл (1957)
  28. ^ Уиттлси (1966)
  29. ↑ Фант и Лой (1972)
  30. ^ Страффин (1971)
  31. ^ Симпсон и Кук (1967)
  32. ^ Хьюм (1969)
  33. ^ Стеруд, Юджин Л.; Пратт, Питер П. (1975). «Археологическая внутриобъектовая запись с помощью фотографии». Журнал полевой археологии . 2 (1/2): 151. doi :10.2307/529625. ISSN  0093-4690. JSTOR  529625.
  34. ^ Крейг (2000)
  35. ^ Крейг (2002)
  36. ^ Крейг и Олдендерфер (2003)
  37. ^ Крейг (2005)
  38. ^ Крейг и др. (2006)
  39. ^ "Фотограмметрия | Морская археология". 2019-01-19. Архивировано из оригинала 2019-01-19 . Получено 2019-01-19 .
  40. ^ MAKE:3D-печать Анны Казюнас Франция
  41. ^ Гопал Шах, Невероятные 3D-изображения Google Earth, Объяснение, 2017-04-18
  42. ^ Томас, Р.; Рикельме, А.; Кано, М.; Пастор, Дж. Л.; Паган, Дж.И.; Асенсио, JL; Руффо, М. (23 июня 2020 г.). «Оценка устойчивости рокосов и части нубов де точек 3D, полученных с воздушным транспортным средством без трипуладо». Revista de Teledetección (55): 1. doi :10.4995/raet.2020.13168. hdl : 10045/107612 . ISSN  1988-8740.
  43. ^ Рикельме, Адриан; Томас, Роберто; Кано, Мигель; Пастор, Хосе Луис; Абеллан, Антонио (2018-10-01). «Автоматическое картирование стойкости разрывов в скальных массивах с использованием трехмерных облаков точек». Rock Mechanics and Rock Engineering . 51 (10): 3005–3028. doi :10.1007/s00603-018-1519-9. ISSN  1434-453X.
  44. ^ «RealityKit 2 от Apple позволяет разработчикам создавать 3D-модели для дополненной реальности с использованием фотографий iPhone». TechCrunch . 8 июня 2021 г. Получено 09.03.2022 .
  45. ^ Эспосито, Филипе (09.06.2021). «Практическое руководство: macOS 12 представляет новый API «Захват объектов» для создания 3D-моделей с помощью камеры iPhone». 9to5Mac . Получено 26.09.2022 .

Источники

Внешние ссылки

Найдите информацию о фотограмметрии в Викисловаре, бесплатном словаре.
На Викискладе есть медиафайлы по теме «Фотограмметрия» .