ТЕХНОЛОГИЯ ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКОЙ КАЛИБРОВКИ ЦИФРОВЫХ КАМЕР

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Самые современные технологии фотограмметрии предполагают использование цифровых фотограмметрических станций (ЦФС) и цифровой фотоаппаратуры. Цифровая фотограмметрическая станция представляет собой программный комплекс, предназначенный для фотограмметрической обработки цифровых стереоизображений на компьютере. С изобретением данных систем нового поколения, соединяющих в себе аналитические алгоритмы обработки снимков со статистическими алгоритмами распознавания образов, фотограмметрия как наука и отрасль производства переживает по истине революционные изменения, поскольку львиную долю ручного труда фотограмметриста, связанную с распознаванием соответственных точек стереопары, можно поручить компьютеру.

Сегодня на рынке присутствует больше десятка ЦФС (Delta, Photomod, Талка, Z-Space, TNT и ряд других). Каждая из данных программ обладает своими достоинствами и недостатками, но выбор есть и под решение конкретной задачи всегда можно подобрать более или менее подходящий вариант. Что же касается цифровой съемочной аппаратуры, то здесь ситуация прямо противоположная. Цифровые фотограмметрические камеры, способные полноценно заменить АФА или фототеодолиты - редкость, граничащая с уникальностью. Поэтому сегодня преобладающая технология предполагает фотографирование на пленку или фотопластинки с последующим сканированием изображений на прецизионных фотограмметрических сканерах.

Другой вариант получения цифровых фотоснимков для фотограмметрической обработки - это съемка на неметрические профессиональные и полупрофессиональные цифровые фотокамеры. Благодаря массовому производству данная техника широко представлена на рынке и стоит относительно недорого. Однако она не разрабатывалась производителями для решения фотограмметрических задач и имеет, в этой связи, ряд недостатков. Прежде всего, это геометрические искажения, вызванные недостатками оптической системы (значительная дисторсия объектива), неровность поверхности светочувствительной матрицы, не идеальная установка матрицы по отношению к главному лучу и ряд других. Но, тем не менее, применение данной техники, по нашему мнению, перспективно. Во-первых, всегда можно выполнить калибровку камеры. Во-вторых, съемка на цифровую камеру для решения фотограмметрических задач не налагает столь строгих требований к параметрам камеры как съемка на пленку или на фотопластинку, поскольку цифровое изображение более пластично и хорошо поддается исправлению программными средствами без существенной потери качества. И, в-третьих, массовость производства данной аппаратуры и конкуренция среди производителей приводит к тому, что соотношение цена - качество неуклонно смещается в пользу потребителя. Уже сейчас за относительно небольшие деньги можно приобрести цифровую камеру, которая по качеству оптики и разрешению изображения мало, в чем уступит фототеодолиту. Большое количество научных статей связанных с калибровкой данной аппаратуры и попытками ее использования в фотограмметрии подтверждает это наше мнение.

В то же время, калибровка фотокамер - математически сложная и очень ответственная задача, которая под силу далеко не каждому предприятию выполняющему фотограмметрические работы. В 2002 - 2003 годах специалистами нашего предприятия в сотрудничестве с кафедрой картографии Санкт-Петербургского Государственного Университета и кафедрой инженерной геодезии Санкт-Петербургского Государственного Горного института был проведен комплекс исследований по данному вопросу и разработана технология калибровки цифровых камер.


ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ

В основу технологии калибровки положен принцип совместного определения элементов внутреннего и внешнего ориентирования камеры и поправок за несовпадение проекции изображения полученного камерой и центральной проекции. Калибровка выполняется по фотоснимкам пространственного испытательного полигона. Такой путь решения задачи является классическим и, по нашему мнению, наиболее строгим.


ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

I. Программный комплекс PhotoTransformator Professional
Важнейшей частью технологии является программный комплекс PhotoTransformator Professional (программист: С.Тихонов, консультант: к.т.н. А.Войнаровский). Данная версия программы имеет программный модуль PhotoCorrector, который специально разработан для решения задач калибровки фототехники. В целом же PhotoTransformator Professional представляет собой фотограмметрическую систему, предназначенную для решения следующих основных задач:

1. Измерение цифровых фотоснимков.
Измерение цифровых фотоснимков осуществляется по принципу прецизионного монокомпаратора. Предельная точность измерения составляет 0.001 пикселя, хотя физически значимая величина при обработке цифровых изображений, как показали наши исследования, находится в районе 0.5 пикселя. Модуль PhotoCorrector позволяет выполнять измерения марок фотограмметрического полигона в автоматическом режиме с точностью, примерно 0.5 пикселя.

2. Установка виртуального разрешения цифрового изображения.
В программе предусмотрена принудительная установка соотношения пиксели - миллиметры или пиксели - дюймы.

3. Решение обратной фотограмметрической засечки.
Программа решает обратную фотограмметрическую засечку методом уравнивания результатов измерений снимков параметрическим способом. Из уравнивания по МНК уточняются значения элементов внешнего и внутреннего ориентирования камеры в момент съемки. При необходимости некоторые параметры решения можно оставлять фиксированными.

4. Строгое аналитическое трансформирование цифровых снимков.
Программа осуществляет строгое аналитическое трансформирование цифровых фотоснимков по заданным значениям эйлеровых углов, фокусного расстояния камеры и координат центральной точки снимка. Эти данные можно ввести вручную или получить как результат решения обратной фотограмметрической засечки.

5. Определение поправок за отклонение проекции фотоснимка от центральной проекции (модуль Photocorrector).
Данная задача решается в результате уравнивания обратной фотограмметрической засечки по МНК с дополнительными параметрами. В качестве параметров, характеризующих отклонение проекции фотоснимка от центральной проекции, используются коэффициенты полиномов разных степеней. Предусмотрены способы повышения устойчивости решения.

6. Приведение цифровых фотоснимков к центральной проекции.
Исходными данными для решения данной задачи являются коэффициенты полиномов, аппроксимирующих поле искажений камеры и определяемые на предыдущем этапе. В ходе решения для каждого пикселя вычисляется поправка за приведение изображения к центральной проекции. Такой способ решения задачи обеспечивает не только высокое качество выходного изображения, но и гарантирует, что изображение в любой его части соответствует центральной проекции.


II. Программа PhotoCorrector (lite)
Программа PhotoCorrector (lite) создана теми же авторами и представляет собой облегченную версию описанной ранее системы. Данная программа поставляется вместе с результатами калибровки камеры для исправления фотоизображений (приведения фотоснимков к центральной проекции).

III. Испытательный полигон
Специалисты НПП «Фотограмметрия» создали и поддерживают испытательный полигон, по фотографиям которого и выполняется калибровка. Полигон содержит более 500 марок, взаимное положение которых определено в пространстве со средней точностью 0.1 мм. Конструкция полигона выполнена таким образом, чтобы обеспечить качественную калибровку по всем параметрам и для любой цифровой камеры.
В короткое время, может быть, развернут и полигон для калибровки тепловизионных камер.


ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ, ТОЧНОСТЬ КАЛИБРОВКИ

Процесс калибровки заключается в том, что исследуемой камерой выполняется съемка испытательного полигона с разных расстояний и на разных установках некоторых параметров камеры, влияющих на величину искажений.

Затем полученные снимки измеряются в модуле PhotoCorrector в автоматическом режиме и обрабатываются в нем же. По результатам математической обработки результатов измерений определяются величины параметров калибровки (фокусное расстояние камеры, координаты центральной точки, поле искажений снимка в виде коэффициентов полиномов или поправок в координаты) на каждой установке фокуса, диафрагмы или других настроек.

Точность калибровки для хороших камер составляет примерно 1 пиксель.

Время необходимое для проведения калибровки камеры зависит от степени детальности исследования и может занять от 2-х дней до 2-х недель. При этом сама камера задействована всего 2 - 3 дня.

Могут также исследоваться такие параметры как стабильность калиброванных значений, их изменение при изменении температуры и влажности воздуха.
Наряду с камерами работающими в видимом диапазоне могут исследоваться тепловизоры и другие камеры работающие в инфракрасном диапазоне.

Вместе с результатами калибровки заказчику поставляется программа PhotoCorrector (lite), предназначенная для приведения фотоснимков к центральной проекции.

Чтобы проиллюстрировать работу программы, приводим два изображения:

Фотоснимок сетки квадратов, полученный цифровой камерой Olympus D-600L.



На снимке заметна значительная бочкообразная дисторсия. Мы проводили тестирования ряда камер и исследования показали, что отклонения проекции фотоснимков от центральной проекции могут достигать 50-ти пикселей и более.

После обработки изображения в программе PhotoCorrector (lite) получаем фотоснимок в центральной проекции:



Так что вы приносите к нам обычную цифровую камеру, а забираете - метрическую.


распечатать


Программный комплекс ScanIMAGER

Программный комплекс ScanIMAGER предназначен для обработки результатов трехмерного лазерного сканирования применительно к архитектурным обмерам. Он построен по модульному принципу и поставляется в различных модификациях.
Подробнее...

Новочеркасский войсковой собор, полет по облаку точек

3D модель горельефа Е.В. Вучетича «Советскому народу слава!»

© Photorgammetria.ru, 2006—2017. Разработка и поддержка TCSE-CMS.com