Měření objektů na fotografii - nové řešení na PC


Ličev, Lačezar1 & Holuša, Tomáš2

1 Ing., CSc. Katedra informatiky, Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB-TU v Ostravě, tř. 17.listopadu 15, 708 33 Ostrava-Poruba. Lacezar.Licev@vsb.cz,  http://www.vsb.cz/~Lic10/index.html

2 Ing. CVT, VŠB-TU v Ostravě, tř. 17.listopadu 15, 708 33 Ostrava-Poruba. Tomas.Holusa@vsb.cz, http://www.vsb.cz/~Hol79

1. Abstrakt

Příspěvek se zabývá důlní fotogrammetrií, jakožto relativně mladým odvětvím fotogrammetrie. Je zde popsán systém, který je rozdělen do dvou modulů. V prvním modulu se popisují body jednotlivých objektů na snímku a ve druhém modulu se provádí syntéza všech snímků. Řešení fotogrammetrických úloh za využití výpočetní techniky vytváří nový prostor pro rozvoj tohoto odvětví. Fotogrammetrický systém FOTOM vyřešil konkrétní požadavek kladený na důlní fotogrammetrii jako ucelený systém na kvalitativně vyšší úrovni, než jsou stávající technické a softwarové prostředky.

2. Úvod

Název fotogrammetrie vznikl složením tří řeckých slov: PHOTOS ... světlo, GRAMMA ... to, co jest zapsáno nebo nakresleno, čili záznam, a METRON ... měřit. Slovo fotogrammetrie vzniklo ze snahy nazvat vhodným způsobem činnost, zbývající se měřením světelných záznamů, neboli fotografických snímků [Maršík 1982]. Ve fotogrammetrii se nezískávají informace o předmětech přímým měřením těchto předmětů, nýbrž měřením jejich fotografických obrazů. Fotogrammetrii můžeme tedy definovat jako vědní a technický obor, zabývající se měřením na fotografických snímcích a zpracováním takto získaných informací.

Základem fotogrammetrie jako měřické techniky je to, že fotografický snímek je za určitých podmínek exaktním středovým průmětem fotografovaného předmětu. Existují tedy jednoznačné geometrické vztahy mezi předmětem a jeho snímkem, které lze numericky, graficky nebo mechanicky určit pomocí speciálních přístrojů. Kvalitní fotogrammetrický měřický snímek musí být pořízen zvláštním aparátem se speciálním vybavením - fotografickou měřickou komorou.

Budeme-li uvažovat pouze dvě úrovně černání filmu, zjistíme, že snímek o rozměru 18 x 18 cm obsahuje asi 200 miliónů informací [Maršík 1982]. Toto množství informací je dostačující pro dosažení vysoké přesnosti měření zkoumaných objektů.

3. Měření objektů na fotografii

Využití výpočetní techniky ve fotogrammetrii

Oblast digitální fotogrammetrie ze zabývá možností použití výpočetní techniky ve fotogrammetrii. Je naprosto zřejmé, že počítače mohou v mnoha směrech usnadnit, zpřesnit a zefektivnit práce, jež se v tomto oboru uplatňují.

Posledním krokem ve vývoji fotogrammetrie je kompletní zpracování digitální metodou. To znamená, že veškerá měření se neprovádějí na fotografiích, nýbrž na zdigitalizovaných obrazech přímo v počítači. Technologie převodu světelné informace do digitální formy mohou být dvojího druhu. První metoda spočívá v naskenování měřických snímků kvalitním scannerem. Druhá, zatím spíše experimentální metoda je založena na přímé digitalizaci obrazu ihned za objektivem kamery a úplně z procesu vynechává klasickou fotografickou techniku. Využití digitální fotogrammetrie plně umožnily až výkonné pracovní stanice; dnes dokonce postačuje běžný lepší počítač typu PC.

Jednou z oblastí, kde se k měření a pořizování dokumentace používá fotogrammetrické metody, je také hornictví a důlní průmysl [Gavlovský 1990]. Jedná se zde především o zaměřování profilů svislých důlních děl. U jam, šachet a jejich vybavení je nutno z bezpečnostních i jiných důvodů pravidelně sledovat jejich deformace, což přispívá k zajištění plynulého a bezpečného provozu v těchto prostorách.

Pořizování důlních snímků

Pro zaměřování profilů svislých jam byla na Ústavu pro výzkum rud v Praze vyvinuta speciální fotogrammetrická metoda. Základem metody je zdroj rovinného svazku světelných paprsků, kterým je měřený profil osvětlen. Světlo vytváří na stěnách důlního díla světelnou stopu širokou asi 3 - 5 cm.

Tento světelný zdroj je zavěšen pod fotokomorou, fotokomora je umístěna těsně pod klecí, objektivem směrem dolů. Po celé délce měřeného úseku jsou v jámě spuštěny olovnice, které slouží později pro zajištění orientace snímků v prostoru.

Na snímku máme tedy ve formě světelné stopy zachycen nejen vlastní profil jámy, pruvodnic, potrubí a dalšího vybavení, ale také průsečíky světelné roviny se závěsy (dráty) olovnic (vlícovací body).

Proměřování důlních snímků

Metoda uplatňovaná při analýze důlních snímků spadá do kategorie jednosnímkové fotogrammetrie. To znamená, že můžeme z jednoho snímku určit na základě znalosti polohy fotostanoviště a orientace fotografovaného rovinného předmětu pouze dvojrozměrné souřadnice v rámci tohoto fotografovaného rovinného předmětu.

Transformační vztahy pro převod údajů ze snímkového souřadnicového systému do prostorového souřadnicového systému, spadají do kategorie afinních rovinných transformací. Je nutno dodržet následující podmínky:

světelná rovina a projekční rovina jsou rovnoběžné

osa záběru je kolmá na tyto roviny a musí být svislá

objektiv kamery má zanedbatelné zkreslení

Faktory ovlivňující přesnost měření

Tato problematika je poměrně velmi rozsáhlá a proto se zde omezíme pouze na výčet jednotlivých faktorů. Nejdůležitější faktor ovlivňující přesnost měření [Holuša 1997] je stanovení přesné polohy vlícovacích bodů (olovnic). Podstatnou chybu může způsobit také odklon světelné roviny od roviny projekční. V ideálním případě mají být tyto roviny obě vodorovné. Další faktory ovlivňující přesnost jsou závislé na použitém fotografickém přístroji (fotokomora, zkreslení objektivu, ...) a použitém fotografickém materiálu (film, skleněné desky, ...). Další chyby vznikají při stanovování souřadnic bodů na snímku (rozlišovací schopnost použitého zařízení - digitizér, scanner, monitor, ...).

Závěrem lze říci, že přesnost při použití fotogrammetrické metody pro proměřování svislých důlních děl je především závislá na kvalitě použitých zařízení, samotném snímkování a stanovování poloh bodů na snímcích.

Návrh a realizace softwarového systému

Navržený systém [Holuša 1997] zpracovává bitmapové soubory ve formátu Microsoft Windows Bitmap (BMP, DIB). Tyto soubory jsou vytvořeny nascanováním jednotlivých důlních snímků v dostatečném rozlišení. V těchto souborech jsou tedy zachyceny "řezy" jámou v různých hloubkách.

Ke každému BMP souboru je systémem vytvořen textový soubor stejného jména s příponou FTM, ve kterém je uveden odkaz na BMP soubor (snímek), veškeré další informace týkající se umístění vlícovacích a zájmových bodů na snímku, definice zájmových objektů a informace o hloubce.

Systém obsahuje dva moduly, jeden pro analýzu jednotlivých snímků a druhý pro syntézu snímků. Popis modulů:

1. FOTOM: V tomto modulu uživatel určuje orientaci snímku pomocí dvou vlícovacích bodů a označí na snímcích tzv. zájmové body. Poté nad těmito zájmovými body definuje různé druhy zájmových objektů. Tyto mohou být:

Samostatný bod je definován jedním zájmovým bodem.

Hrana je úsečka definována dvěma zájmovými body, které značí její začátek a konec.

Vrchol je definován čtyřmi zájmovými body, kdy vždy dva tvoří přímku. Vrchol je průsečík těchto dvou přímek.

Kružnice je definována třemi nebo více zájmovými body, které leží na této kružnici.

Elipsa je definována pěti zájmovými body, které náleží této elipse.

Tyto objekty můžeme okamžitě zkontrolovat, jak "zapadají" na fotografii do skutečných objektů. Dále může provádět nad definovanými zájmovými objekty různé druhy výpočtů (vzdálenosti, úhly, ...).

Po odstartování systému se objeví základní menu modulu FOTOM, viz obr. 1.

Obr. 1. Hlavní okno modulu FOTOM1

Funkce které modul umožňuje jsou patrné z obrázku. Na tomto obrázku je znázorněn konkrétní příklad zpracování snímku. Vlevo je vidět celý snímek s označenými zájmovými body a vpravo je detail téhož snímku, kde je vidět nalícování zájmového objektu (vrcholu) na světelnou stopu na fotografii.

2. FOTOM2: V tomto modulu uživatel provádí syntézu více snímků. To znamená, že může sledovat změnu všech parametrů zájmových objektů v závislosti na hloubce pořízení snímku - má možnost "celkového pohledu" na zájmové objekty v jámě v celé délce proměřovaného úseku.

Obr. 2. Hlavní okno modulu FOTOM2

Na obr. 2 je zobrazeno hlavní okno modulu FOTOM2 - graf závislosti parametrů kružnice "kr3" na hloubce pořízení pěti snímků. V horní polovině okna jsou grafy vyjadřující polohu středu kružnice jako souřadnice x a y, v dolní polovině okna je graf poloměru této kružnice. Je otevřeno dialogové okno pro zadání směru pohledu na objekt.

Tento modul dále umožňuje tisk aktuálně zobrazených grafů, prohlížení tabulek hodnot těchto grafů a výstup těchto tabulek do textových souborů nebo tiskových sestav.

Realizace systému

Systém byl realizován v jazyce C++ pod operačním systémem Microsoft Windows 95 ve vývojovém prostředí Microsoft Visual C++ v 2.0.

Systém se dá provozovat pod operačními systémy Windows 95, Windows NT, případně i Windows 3.1x s rozšířením Win32s.

Ověření a zhodnocení systému

Funkčnost systému FOTOM byla ověřena na sérii důlních snímků z dolu OKD, a. s. ČSM jih - černobílých negativů formátu 13 x 18 cm. Nascanování negativů bylo provedeno na scanneru ScanMate 5000. Snímky byly nascanovány do 256 odstínů šedi při rozlišení 1000 dpi. Celková velikost bitmapových souborů byla okolo 170 MB. Pro ověření systému bylo z důvodu dostupného počítače typu PC (Pentium 100 MHz, 16 MB paměti) použito snímků softwarově převzorkovaných na 30% původního rozměru (jeden snímek cca 4 MB).

4. Transformace snímků

Transformace zahrnuje posun (translaci), otočení (rotaci) a změnu měřítka (scale). K určení parametrů těchto transformací vycházíme z polohy vlícovacích bodů, u kterých známe jejich polohu v prostoru.

Pro vyjádření transformace je vhodné pracovat s homogenními souřadnicemi a vyjádřit ji v maticovém tvaru jako součin matic.

Jednotlivé transformační matice vypadají takto [Holuša 1997, Sojka 1994]:

otočení: R = ;

posun: T = ;

změna měřítka: S = ;

Transformace bodu je pak vyjádřena maticovou rovnicí


kde X' je řádkový vektor reprezentující polohu transformovaného bodu po transformaci, X je řádkový vektor reprezentující polohu bodu před transformací a Tr je matice transformace.

Pak celková transformační matice bude vypadat takto:


Zbývá určit koeficienty rx, ry, tx, tys. Zaveďme si pomocnou funkci dvou proměnných atg2, která ze dvou parametrů xy vypočítá úhel odklonu spojnice bodů [0, 0] a [x, y] od kladné poloosy x. Je to funkce s oborem hodnot (-p, p.

Transformace je odvozena ze znalosti dvou dvojic odpovídajících si vlícovacích bodů. Lokální vlícovací body označme L1 a L2, odpovídající globální vlícovací body G1 a G2. Dále zaveďme DL jako vzdálenost mezi body L1 a L2:


Obdobně DG je vzdálenost mezi body G1 a G2. Úhel rotace označme :


Pak transformační koeficienty jsou:

5. Závěr

Důlní fotogrammetrie jako odvětví fotogrammetrie obecně je relativně mladá. Předchůdci zde popisovaného systému jsou systémy vyvinuté ve Vědecko-výzkumném uhelném ústavu v Ostravě-Radvanicích a systém vyvinutý na Hornicko-geologické fakultě VŠB - TU Ostrava [Ličev 1997]. Systém byl záměrně rozdělen do dvou modulů, kde v prvním modulu, jak již bylo řečeno, se popisují body jednotlivých objektů na snímku a ve druhém modulu se provádí syntéza všech snímků. Porovnáme-li tento systém s předcházejícími systémy, můžeme konstatovat, že úloha komparátoru (ASCORECORD) je eliminována [Holuša 1997, Ličev 1997]. Tuto úlohu plně řeší první modul, který vytváří podstatně komfortnější prostředí práce. Co se týká přesnosti, tak ta je postačující a při nascanování na kvalitním bubnovém scanneru v dostatečném rozlišení je možno dosáhnout vyšší přesnosti, než při použití původního postupu s využitím komparátoru. Řešení fotogrammetrických úloh za využití výpočetní techniky vytváří nový prostor pro rozvoj tohoto odvětví. Fotogrammetrický systém FOTOM vyřešil konkrétní požadavek kladený na důlní fotogrammetrii jako ucelený systém na kvalitativně vyšší úrovni, než jsou stávající technické a softwarové prostředky.

6. Literatura

Bubnové scannery: jediná cesta k dokonalým barvám 1995. CAD&Graphics, r. 1995, č. 4.

Digitální fotogrammetrie, vytvoření mapy z leteckých snímků 1996. Elektronika r. 1996, č. 1/96.

Fotogrammetrie 1994. Věda a technika mládeži, r. 1994, č. 2/94

GAVLOVSKÝ, E. 1990. Zaměřování a mapování lomů. 1. vydání. Ostrava : Ediční středisko VŠB, 1990.

HOLUŠA, T. 1997. Počítačové zpracování fotografie. Ostrava : VŠB - TUO, FEI, 1997. Diplomová práce.

LIČEV, L. 1997. Fotogrammetrické měření důlních jam, Ostrava : VŠB - TUO, FEI, 1997. Habilitační práce.

MARŠÍK, Z. 1982. Fotogrammetrie, 1. Díl - Základy letecké fotogrammetrie. 2. vydání. Praha : SNTL, 1982.

SCHEJBAL, C. 1994, Geologická informatika. 1. vydání. Ostrava : Ediční středisko VŠB, 1994.

SOJKA, E. 1994. Digitální zpracování obrazu. Ostrava : učební text VŠB - TUO, FEI, 1994.

ŠMIDRKAL, J. 1982. Fotogrammetrie I, II, III. 1. vydání. Praha : Ediční středisko ČVUT, 1982.

TOMÁŠEK, Z. 1984. Fotografujeme na černobílý film. 3. vydání. Praha : Merkur, 1984.

TOMSA, K. 1984. Teoretické základy letecké fotogrammetrie. 1. vydání. Praha : Academia, 1984.