stringtranslate.com

Фотограмметрия

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

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

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

Хотя изобретение метода приписывается Эме Лаусседату , [2] термин «фотограмметрия» был придуман прусским архитектором Альбрехтом Мейденбауэром, [3] который 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 в плоскости, параллельной плоскости фотографического изображения, можно определить путем измерения их расстояния на изображении, если известен масштаб изображения. Другой способ — извлечение точных цветовых диапазонов и значений, представляющих такие величины, как альбедо , зеркальное отражение , металличность или окружающая окклюзия, из фотографий материалов для целей физического 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 ввода измерений и анализа изображений в вычислительные модели в попытке последовательно оценить с возрастающей точностью. , фактические трехмерные относительные движения.

Начиная со стереоплоттеров , используемых для построения контурных линий на топографических картах , теперь он имеет очень широкий спектр применений, таких как гидролокаторы , радары и лидары .

Методы

Модель данных фотограмметрии [5]
Тууре Леппянен, Реконструкция I : 2D-изображение на основе 3D-модели, построенной методами фотограмметрии на основе сотен фотографий японского сада с уровня земли.

Фотограмметрия использует методы многих дисциплин, включая оптику и проективную геометрию . Захват цифрового изображения и фотограмметрическая обработка включают в себя несколько четко определенных этапов, которые позволяют создавать 2D или 3D цифровые модели объекта в качестве конечного продукта. [6] Модель данных справа показывает, какой тип информации может входить и выходить с помощью фотограмметрических методов.

Трехмерные координаты определяют расположение точек объекта в трехмерном пространстве . Координаты изображения определяют расположение изображений точек объекта на пленке или электронном устройстве формирования изображений. Внешняя ориентация [7] камеры определяет ее положение в пространстве и направление обзора. Внутренняя ориентация определяет геометрические параметры процесса визуализации. В первую очередь это фокусное расстояние объектива, но оно также может включать в себя описание искажений объектива. Дальнейшие дополнительные наблюдения играют важную роль: с помощью масштабных линеек , по сути, известного расстояния в две точки в пространстве или известных фиксированных точек , создается связь с основными единицами измерения.

Каждая из четырех основных переменных может быть входными или выходными данными фотограмметрического метода.

Алгоритмы фотограмметрии обычно пытаются минимизировать сумму квадратов ошибок по координатам и относительным смещениям опорных точек. Эта минимизация известна как пакетная корректировка и часто выполняется с использованием алгоритма Левенберга-Марквардта .

Стереофотограмметрия

Особый случай, называемый стереофотограмметрией , включает оценку трехмерных координат точек объекта с использованием измерений, выполненных на двух или более фотографических изображениях, снятых с разных позиций (см. Стереоскопия ). На каждом изображении указаны общие точки. Линия обзора (или луч) может быть построена от места расположения камеры до точки на объекте. Именно пересечение этих лучей ( триангуляция ) определяет трёхмерное расположение точки. Более сложные алгоритмы могут использовать другую информацию о сцене, которая известна априори , например, симметрии , в некоторых случаях позволяя восстанавливать трехмерные координаты только с одной позиции камеры. Стереофотограмметрия становится надежным бесконтактным методом измерения для определения динамических характеристик и форм колебаний невращающихся [8] [9] и вращающихся структур. [10] [11] Сбор изображений с целью создания фотограмметрических моделей правильнее называть полиоскопией, по имени Пьера Сегена [12]

Интеграция

Фотограмметрические данные могут быть дополнены данными о дальностях, полученными другими методами. Фотограмметрия более точна в направлении x и y, тогда как данные о расстоянии обычно более точны в направлении z . Эти данные о дальности могут быть получены с помощью таких методов, как LiDAR , лазерных сканеров (с использованием времени пролета, триангуляции или интерферометрии), дигитайзеров белого света и любого другого метода, который сканирует область и возвращает координаты x, y, z для нескольких дискретных точек (обычно называемые « облаками точек »). Фотографии могут четко определить края зданий, тогда как контуры облаков точек не могут этого сделать. Полезно объединить преимущества обеих систем и интегрировать их для создания лучшего продукта.

Трехмерную визуализацию можно создать путем пространственной привязки аэрофотоснимков [13] [14] и данных LiDAR в одной и той же системе отсчета, ортотрансформации аэрофотоснимков, а затем наложения ортотрансформированных изображений поверх сетки LiDAR. Также возможно создавать цифровые модели местности и, таким образом, 3D-визуализации, используя пары (или несколько) аэрофотоснимков или спутниковых фотографий (например, спутниковых изображений SPOT ). Такие методы, как адаптивное стереосопоставление методом наименьших квадратов, затем используются для создания плотного массива соответствий, которые преобразуются с помощью модели камеры для создания плотного массива данных x, y, z, который можно использовать для создания цифровой модели местности 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 при построении моделей рельефа на основе старых аэрофотоснимков или спутниковых изображений.

Приложения

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

Фотограмметрия используется в таких областях, как топографическое картографирование , архитектура , кинопроизводство , инженерия , производство , контроль качества , полицейские расследования, культурное наследие и геология . Археологи используют его для быстрого создания планов больших или сложных объектов, а метеорологи используют его для определения скорости ветра торнадо , когда объективные данные о погоде не могут быть получены.

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

Он также используется для объединения живого действия с компьютерными изображениями при постобработке фильмов ; «Матрица» — хороший пример использования фотограмметрии в кино (подробности приведены в дополнениях к DVD). Фотограмметрия широко использовалась для создания фотореалистичных объектов окружающей среды для видеоигр, включая The Vanishing of Ethan Carter, 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 используется при проектировании столкновений, особенно в автомобилях. Когда возникает судебный процесс по поводу столкновения и инженерам необходимо определить точную деформацию автомобиля, обычно проходит несколько лет, и единственным доказательством, которое остается, являются фотографии места аварии, сделанные полицией. Фотограмметрия используется для определения степени деформации рассматриваемого автомобиля, что связано с количеством энергии, необходимой для создания этой деформации. Затем эту энергию можно использовать для определения важной информации о столкновении (например, скорости в момент удара).

Картирование

Фотокартографирование — это процесс создания карты с «картографическими улучшениями» [17] , которые были созданы на основе фотомозаики [18] , которая представляет собой «составное фотографическое изображение земли», или, точнее, контролируемую фотомозаику, где «отдельные фотографии скорректированы за наклон и приведены к единому масштабу (по крайней мере, в определенных контрольных точках)».

Исправление изображений обычно достигается путем «подгонки проецируемых изображений каждой фотографии к набору из четырех контрольных точек, положение которых было получено на основе существующей карты или на основе наземных измерений. После исправления масштабированные фотографии размещаются на сетке контрольных точек». , хорошее соответствие между ними может быть достигнуто путем умелой обрезки и подгонки и использования участков вокруг главной точки, где смещения рельефа (которые невозможно устранить) минимальны». [17]

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

Археология

Использование настольного компьютера для фотографирования археологических раскопок в полевых условиях.

Демонстрируя связь между ортофотопланированием и археологией , [20] исторические аэрофотоснимки были использованы для помощи в разработке реконструкции миссии Вентуры, которая руководила раскопками стен сооружения.

Pteryx UAV , гражданский БПЛА для аэрофотосъемки и фотокартографии с головкой камеры, стабилизированной по крену.

Фотография с высоты птичьего полета широко применялась для картирования наземных остатков и раскопок на археологических объектах. Среди предлагаемых платформ для съемки этих фотографий: военные воздушные шары времен Первой мировой войны; [21] резиновые метеорологические шары; [22] воздушные змеи ; [22] [23] деревянные платформы, металлические каркасы, возведенные над выходом раскопа; [22] лестницы как отдельные, так и скрепленные шестами или досками; трехногие лестницы; опоры одно- и многосекционные; [24] [25] сошки; [26] [27] [28] [29] штативы; [30] четвероногие, [31] [32] и автовышки («сборщики вишни»). [33]

Ручные цифровые фотографии, расположенные вблизи надира, использовались с географическими информационными системами ( ГИС ) для записи изображений 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 приложение — сканирование объектов для автоматического создания их 3D-моделей. Поскольку фотограмметрия основана на изображениях, существуют физические ограничения, когда эти изображения представляют собой объект с темной, блестящей или прозрачной поверхностью. В таких случаях созданная модель часто все еще содержит пробелы, поэтому часто по-прежнему необходима дополнительная очистка с помощью такого программного обеспечения, как MeshLab , netfabb или MeshMixer. [40] В качестве альтернативы, окраска таких объектов матовой поверхностью распылением может удалить любые прозрачные или блестящие свойства.

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

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

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 . [42] Для использования API требуется MacBook под управлением macOS Monterey и набор захваченных цифровых изображений. [43]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ ASPRS онлайн. Архивировано 20 мая 2015 г., в Wayback Machine.
  2. ^ «История фотограмметрии и современное использование» .
  3. ^ «Фотограмметрия и дистанционное зондирование» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 30 августа 2017 г.
  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. ^ Сужиеделите-Висоцкене Дж, Багджюнайте Р, Малис Н, Малиене В (2015). «Фотограмметрия с близкого расстояния позволяет документировать деформацию архитектурного наследия, вызванную окружающей средой». Журнал экологической инженерии и менеджмента . 14 (6): 1371–1381. дои : 10.30638/eemj.2015.149.
  7. ^ Ина Ярве; Наталья Либа (2010). «Влияние различных принципов внешней ориентации на общую точность триангуляции» (PDF) . Технологиос Моксай (86). Эстония: 59–64. Архивировано из оригинала (PDF) 22 апреля 2016 г. Проверено 8 апреля 2016 г.
  8. ↑ Сужиеделите-Висоцкене, Юрате (1 марта 2013 г.). «Анализ точности измерения точек изображения с близкого расстояния в ручном и стереорежиме». Геодезия и картография . 39 (1): 18–22. дои : 10.3846/20296991.2013.786881 .
  9. ^ Бакерсад, Джавад; Карр, Дженнифер; и другие. (26 апреля 2012 г.). Динамические характеристики лопасти ветряной турбины с использованием корреляции цифровых 3D-изображений. Труды SPIE . Том. 8348.
  10. ^ Лундстрем, Троя; Бакерсад, Джавад; Низрецкий, Кристофер; Авитабиле, Питер (1 января 2012 г.). «Использование методов высокоскоростной стереофотограмметрии для извлечения информации о форме из рабочих данных ветряной турбины/ротора». Темы модального анализа II, том 6 . Серия материалов конференций Общества экспериментальной механики. Спрингер, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. стр. 269–275. дои : 10.1007/978-1-4614-2419-2_26. ISBN 978-1-4614-2418-5.
  11. ^ Лундстрем, Троя; Бакерсад, Джавад; Незрецкий, Кристофер (1 января 2013 г.). «Использование высокоскоростной стереофотограмметрии для сбора эксплуатационных данных на вертолете Robinson R44». Специальные темы структурной динамики, Том 6 . Серия материалов конференций Общества экспериментальной механики. Спрингер, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. стр. 401–410. дои : 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. в Wayback Machine .
  14. ^ Ахмади, ФФ; Эбади, Х (2009). «Интегрированная фотограмметрическая и пространственная система управления базами данных для получения полностью структурированных данных с использованием изображений аэрофотосъемки и дистанционного зондирования». Датчики . 9 (4): 2320–33. Бибкод : 2009Senso...9.2320A. дои : 10.3390/s90402320 . ПМЦ 3348797 . ПМИД  22574014. 
  15. ^ «Как мы использовали фотограмметрию, чтобы запечатлеть каждую деталь Star Wars™ Battlefront™» . 19 мая 2015 г.
  16. ^ «Захват движения в реальном времени в «Адском клинке»» . engadget.com .
  17. ^ Аб Петри (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. ^ Хэмпл (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 внутриплощадочная запись с фотографией». Журнал полевой археологии . 2 (1/2): 151. дои : 10.2307/529625. ISSN  0093-4690.
  34. ^ Крейг (2000)
  35. ^ Крейг (2002)
  36. ^ Крейг и Альдендерфер (2003)
  37. ^ Крейг (2005)
  38. ^ Крейг и др. (2006)
  39. ^ "Фотограмметрия | Морская археология" . 19 января 2019 г. Архивировано из оригинала 19 января 2019 г. Проверено 19 января 2019 г.
  40. ^ СДЕЛАТЬ: 3D-печать Анны Казюнас, Франция.
  41. ^ Гопал Шах, Объяснение невероятных 3D-изображений Google Earth, 18 апреля 2017 г.
  42. ^ «Apple RealityKit 2 позволяет разработчикам создавать 3D-модели для AR, используя фотографии iPhone» . ТехКранч . 8 июня 2021 г. Проверено 9 марта 2022 г.
  43. ^ Эспосито, Филипе (9 июня 2021 г.). «Практическое занятие: в macOS 12 появился новый API Object Capture для создания 3D-моделей с помощью камеры iPhone». 9to5Mac . Проверено 26 сентября 2022 г.

Источники

Внешние ссылки

Поищите фотограмметрию в Викисловаре, бесплатном словаре.
Викискладе есть медиафайлы по теме фотограмметрии .