3. Elementy fotogrametrii cyfrowej 3.1. WstÄ™p PoczÄ…tki fotogrametrii cyfrowej datuje siÄ™ na lata osiemdziesiÄ…te ubiegÅ‚ego stulecia, kiedy to gwaÅ‚towny rozwój komputerów umożliwiÅ‚ prace na obrazach cyfrowych. Fotogrametria analogowa swoje apogeum ma już raczej za sobÄ…, ustÄ™pujÄ…c miejsca fotogrametrii anlitycznej i cyfrowej. Metody fotogrametrii analogowej, które nie zawsze speÅ‚niaÅ‚y wysokie wymagania dokÅ‚adnoÅ›ciowe stawiane pomiarom inżynieryjnym charakteryzowaÅ‚y siÄ™ gÅ‚ownie brakiem możliwoÅ›ci zastosowania automatyzacji (pomiar punktów na zdjÄ™ciach odbywaÅ‚ siÄ™ w sposób rÄ™czny ), dużą czasochÅ‚onnoÅ›ciÄ…, nieporÄ™cznoÅ›ciÄ… wykorzystywanych instrumentów, kosztownoÅ›ciÄ… wysoko dokÅ‚adnych opracowaÅ„ i wysokimi kosztami materiałów Å›wiatÅ‚oczuÅ‚ych oraz ich laboratoryjnej obróbki. WiÄ™kszość tych problemów pozwala rozwiÄ…zać fotogrametria cyfrowa, której rozwój podkreÅ›liÅ‚o pojawienie siÄ™ kamer cyfrowych. Niemetryczne kamery cyfrowe majÄ… przewagÄ™ nad odpowiednikami analogowymi, dziÄ™ki pÅ‚askiej (i staÅ‚ej) matrycy rejestrujÄ…cej, wobec sÅ‚abo wypÅ‚aszczanej bÅ‚ony filmowej. Pomiary mogÄ… być wykonywane w trybie on line lub nawet w czasie rzeczywistym (RTP - ang. real time photogrammetry). Widzenie maszynowe (ang. machine vision) otwarÅ‚o przed fotogrametriÄ… wiele nowych możliwoÅ›ci w tym automatyczne nadzorowanie i sterowanie procesami przemysÅ‚owymi, pomiary realizacyjne, badania w medycynie, transporcie i inne. Fotogrametria znalazÅ‚a zastosowanie w najbardziej zawansowanych dziedzinach współczesnej techniki: w przemyÅ›le kosmicznym, lotniczym, okrÄ™towym, nuklearnym, motoryzacyjnym. Sukces dokÅ‚adnoÅ›ciowy zawdziÄ™cza fotogrametria cyfrowa poÅ‚Ä…czeniu techniki automatyzacji pomiaru znacznej liczby punktów z samokalibracyjnym wyrównaniem sieci wiÄ…zek. 3.2. Cyfrowe rejestracje obrazów W ostatnich latach upowszechniÅ‚a siÄ™ w fotografii (i w fotogrametrii) technika cyfrowego zapisu obrazu, opracowana pierwotnie dla potrzeb teledetekcji satelitarnej. Analogowe obrazy zbudowane z halogenków srebra sÄ… zastÄ™powane przez matryce Å›wiatÅ‚oczuÅ‚uch elementów - detektorów. Obraz optyczny tworzony przez wiÄ…zkÄ™ promieni w pÅ‚aszczyznie obrazowej, jest zapisywany liczbowo intensywność Å›wiatÅ‚a oceniajÄ… miliony detektorów. Każdy z nich dostarcza informacji o oÅ›wietleniu elementarnego pola obrazu piksela; jasność każdego piksela jest kodowana na ustalonej liczbie bitów. Obrazy cyfrowe pozyskuje siÄ™ na innych zasadach niż tradycyjne zdjÄ™cia, które od czasu pojawienia siÄ™ tych pierwszych (i w celu lepszej rozróżnialnoÅ›ci) nazwane sÄ… analogowymi lub konwencjonalnymi. Generalnie możemy mówić o dwóch sposobach pozyskiwania obrazów cyfrowych: - sposób bezpoÅ›redni poprzez zapis przestrzeni przedmiotowej za pomocÄ… urzÄ…deÅ„ pozwalajÄ…cych rejestrować obraz w formie cyfrowej za pomocÄ… odpowiednich sensorów (np. kamery z matrycami CCD); - sposób poÅ›redni poprzez doprowadzenie do postaci cyfrowej istniejÄ…cych materiałów analogowych np. poprzez skanowanie zdjęć, szklanych klisz wykonanych kamerami naziemnymi lub papierowych odbitek stykowych. 26 Sposób bezpoÅ›redni jest podobny do procesu wykonywania zdjęć w sposób tradycyjny, jednak istota rzeczy polega na umieszczeniu w miejscu ramki tÅ‚owej - zamiast tradycyjnego filmu czy kliszy szklanej - nowoczesnej matrycy CCD pozwalajÄ…cej na bezpoÅ›redniÄ… rejestracjÄ™ obrazu. Pojedyncza - elementarna część obrazu cyfrowego nazywana jest pikselem (od angielskiego picture element). Obraz cyfrowy ma strukturÄ™ macierzowÄ…; skÅ‚ada siÄ™ z pikseli, uporzÄ…dkowanych w wiersze (linie) i kolumny. Zwykle poczÄ…tek ukÅ‚adu współrzÄ™dnych przyjmuje siÄ™ w lewym górnym rogu obrazu, gdzie x oznacza poÅ‚ożenie piksela w danej linii obrazu, y natomiast oznacza nr linii (rys. 3.1). Oprócz swojego poÅ‚ożenia geometrycznego (nr wiersza i kolumny w macierzy), każdy piksel ma przypisanÄ… wartość odpowiedzi spektralnej, która jest liczbÄ… w pewnym zakresie (najczęściej od 0 do 255). Zakres ten zależy od wielkoÅ›ci pamiÄ™ci jakÄ… zarezerwujemy dla danego piksela. Standardowy obraz monochromatyczny rezerwuje pamięć wielkoÅ›ci 8 bitów (czyli 1 Bajt pamiÄ™ci) na każdy piksel. Wówczas dany piksel może odzwierciedlać rzeczywistość jako liczbÄ™ z zakresu 0-255. Wiele systemów ma jednak możliwość rejestracji obrazu w szerszym zakresie np. 2 lub 4 Bajtów. Szerszy zakres niż 8 bitów wykorzystuje siÄ™ głównie w teledetekcji. Tak jest w przypadku obrazów monochromatycznych; gdy jednak mamy do czynienia z obrazem kolorowym pojedynczy piksel ma przypisane zwykle trzy wartoÅ›ci skÅ‚adowych koloru (RGB): R czerwony, G zielony i B niebieski. Każda z nich może przyjmować wartoÅ›ci w zakresie 0-255 lub szerszym, przez co obraz kolorowy jest najczęściej trzy razy wiÄ™kszy od obrazu monochromatycznego. x y Rys. 3.1. Najczęściej definiowany ukÅ‚ad współrzÄ™dnych na obrazie cyfrowym 3.2.1. Kamery cyfrowe Do bezpoÅ›rednich, cyfrowych rejestracji obrazów sÅ‚użą kamery cyfrowe. W odróżnieniu od okrężnej drogi skanowania obrazów analogowych, bezpoÅ›rednia rejestracja umożliwia pomiar w czasie rzeczywistym (opracowanie on line), zaÅ› w przypadku automatyzacji pomiaru obrazów cyfrowych możemy mówić o nieodzownym w robotyce sztucznym widzeniu. Kamery cyfrowe sÄ… jeszcze czasem budowane na bazie analogowych aparatów fotograficznych (np. lustrzanek jednoobiektywowych), ale wiÄ™kszość z nich to już sÄ… konstrukcje caÅ‚kiem nowe, najczęściej typu compact . Nowoczesna, wysokorozdzielcza kamera cyfrowa ma wbudowany system przetwarzajÄ…cy obrazy analogowe w cyfrowe (A/D conversion) i ma wbudowany twardy dysk o pojemnoÅ›ci 1 2 GB, pozwalajÄ…cy na zapisanie ponad stu obrazów. Głównym ograniczeniem opóżniajÄ…cym wyparcie rejestracji analogowych z zastosowaÅ„ pomiarowych jest niedostateczna rozdzielczość geometryczna obrazów uzyskiwanych przy pomocy kamer cyfrowych, co rzutuje na dokÅ‚adność pomiaru. Pomimo swoistego wyÅ›cigu technologicznego, nie udaÅ‚o siÄ™ jeszcze skonstruować kamery cyfrowej, która rejestrowaÅ‚aby obraz z rozdzielczoÅ›ciÄ… 27 typowÄ… dla analogowego fotogramu. MatrycÄ™ standardowej kamery CCD charakteryzuje 1 megapiksel (np.1200x900 pikseli), kamery profesjonalne - ponad 2 megapiksele, zaÅ› niektóre specjalne kamery klasy High Resolution - 16 megapikseli, przy wymiarach piksela 4 - 14 µm. PrzodujÄ…ce firmy uczestniczÄ…ce w tym wyÅ›cigu , stosujÄ… poza powierzchniowymi matrycami detektorów CCD - różne rozwiÄ…zania: - linijka sensorów (Leica), - kilka matryc sensorów CCD wypeÅ‚niajÄ…cych kadr (Zeiss-Intergraph), - obok matryc CCD (elementy półprzewodnikowe ze sprzężeniem Å‚adunkowym), stosuje siÄ™ CMOS (complementary metal oxide semiconductor) technologiÄ™ taÅ„szÄ… produkcyjnie i bardziej wydajnÄ… eksploatacyjnie. Z poÅ›ród kamer cyfrowych o najwyższej geometrycznej rozdzielczoÅ›ci obrazu, przy wymiarach matrycy stwarzajÄ…cych warunki do osiÄ…gania wysokiej rozdzielczoÅ›ci kÄ…towej (przy normalnokÄ…tnym zasiÄ™gu), na uwagÄ™ zasÅ‚uguje kamera analogowa Rollei 6008 z przystawkÄ… skanujÄ…cÄ… Gamma S12. Obrazy o formacie 56x56 mm sÄ… skanowane z rozdzielczoÅ›ciÄ… 16 µm; linijka sensorów liczy 12.000 elementów CCD. WadÄ… tego rozwiÄ…zania jest rozciÄ…gniÄ™cie rejestracji w czasie, zaÅ› ewentualne nieprostoliniowoÅ›ci prowadnic linijki sensorów mogÄ… stanowić zródÅ‚o dodatkowych bÅ‚Ä™dów. Jak wskazujÄ… publikacje fotogrametryczne, najchÄ™tniej wykorzystywane do celów pomiarowych sÄ… wykorzystywane kamery cyfrowe Kodaka: DCS 660 a ostatnio DCS 760. Podstawowe parametry tych kamer sÄ… podobne: matryca CCD o wymiarach 18x28mm - skÅ‚ada siÄ™ z ponad 6.000 elementów; tak duży format obrazu umożliwia osiÄ…ganie normalnokÄ…tnego zasiÄ™gu kamery, przy standardowym obiektywie 50 mm. Najnowszy z tych modeli kamera DCS 760 zostaÅ‚a zbudowana na bazie doskonaÅ‚ej lustrzanki japoÅ„skiej Nikon F5. Matryca obrazowa CCD skÅ‚ada siÄ™ z 6.1502.000 elementów (2016x3052) o wymiarze 9 µm. Aparat posiada czuÅ‚ość w zakresie 80 400 ISO i umożliwia wykonywanie zdjęć z czÄ™stotliwoÅ›ciÄ… 1,5 klatki/sek. Wbudowany miniaturowy twardy dysk MicroDrive o pojemnoÅ›ci 1 GB pozwala na zapisanie ponad 100 obrazów w formacie TIFF lub JPG. Rys. 3.2. Matryce CCD w kamerze Zeiss - UMK HighSCAN (15.4 K x 11 K pikseli) 28 Istotnym wymogiem - z punktu widzenia fotogrametrii - stawianym kamerom cyfrowym, jest wysoka stabilność elementów orientacji wewnÄ™trznej i powtarzalność odwzorowaÅ„. W niektórych kamerach analogowych majÄ…c powyższe na uwadze - w pÅ‚aszczyznie ramki tÅ‚owej umieszcza siÄ™ siatkÄ™ krzyży (reseau); pozwala ona zwiÄ™kszyć poprawność rekonstrukcji wiÄ…zki. Precyzyjna kalibracja kamery cyfrowej również ma sens jedynie w przypadku wysokiej powtarzalnoÅ›ci odwzorowaÅ„ nie każda zatem wysokorozdzielcza kamera cyfrowa może stwarzać warunki do osiÄ…gania wysokich dokÅ‚adnoÅ›ci pomiaru. Jak jednak wskazujÄ… wyniki różnych badaÅ„, najchÄ™tniej stosowane, najnowsze profesjonalne kamery Kodak DCS 460, 660, 760 gwarantujÄ… wystarczajÄ…cÄ… powtarzalność rejestracji. W trakcie kalibracji okreÅ›la siÄ™ staÅ‚Ä… kamery, współrzÄ™dne punktu głównego, oraz współczynniki wielomianu dystorsji (który de facto uwzglÄ™dnia nie tylko wpÅ‚yw znieksztaÅ‚ceÅ„ optycznych). KalibracjÄ™ kamery przeprowadza siÄ™ na polu testowym (pÅ‚askim lub przestrzennym). WielostanowiskowÄ… sieć kalibracyjnÄ… najkorzystniej jest liczyć i wyrównywać przy pomocy programu samokalibracji. Technologiczne trudnoÅ›ci powodujÄ…, że kamery cyfrowe o najwyższej rozdzielczoÅ›ci sÄ… bardzo drogie; drogie sÄ… także nieco mniej ambitne rozwiÄ…zania kamery profesjonalne z matrycami rzÄ™du 6 milionów pikseli. Sukcesy w pracach nad zbudowaniem wysokorozdzielczej cyfrowej kamery lotniczej (linijka ponad 12.000 detektorów) pozwalajÄ… jednak przypuszczać, że postÄ™p ten zostanie przeniesiony do fotogrametrii bliskiego zasiÄ™gu, zaÅ› powszechność kamer cyfrowych pociÄ…gnie za sobÄ… obniżenie ich cen. Ostatnio w wyniku wspomnianego wyÅ›cigu producentów, oraz zwiÄ™kszajÄ…cego siÄ™ popytu ceny sukcesywnie spadajÄ…, co pozwala uznać problem osiÄ…galnoÅ›ci i opÅ‚acalnoÅ›ci stosowania w Polsce wysokorozdzielczych kamer za perspektywÄ™ najbliższej dekady. 3.2.2. Skanery fotogrametryczne Skanery fotogrametryczne w odróżnieniu od tradycyjnych charakteryzujÄ… siÄ™ bardzo wysokÄ… dokÅ‚adnoÅ›ciÄ… geometrycznÄ… rzÄ™du 1 3 mikrometrów. Nie jest to możliwe do osiÄ…gniÄ™cia w przypadku skanerów tradycyjnych, w zwiÄ…zku z tym ich stosowanie jest bardzo ograniczone. Czasem jednak sÄ… wykorzystywane do opracowaÅ„, gdzie wymogi dokÅ‚adnoÅ›ciowe nie sÄ… zbyt wysokie, jednak wówczas konieczna jest znajomoÅ›ci rozkÅ‚adu bÅ‚Ä™dów (dystorsja) skanera, aby można byÅ‚o wprowadzić odpowiednie korekty do znieksztaÅ‚conego obrazu. BudowÄ™ i dziaÅ‚anie skanera fotogrametrycznego przedstawiono na przykÅ‚adzie skanera PHOTOSCAN TD, znajdujÄ…cego siÄ™ na wyposażeniu ZakÅ‚adu Fotogrametrii i Informatyki Teledetekcyjnej AGH w Krakowie. Skaner docelowo przeznaczony jest do pracy na zdjÄ™ciach lotniczych, jednak jest możliwość skanowania na nim szklanych klisz z naziemnych kamer pomiarowych. Może to by realizowane poprzez usuniÄ™cie górnej pÅ‚yty szklanej dociskowej (nr 8 Rys. 3.3). Można również skanować tradycyjne filmy ( wielkość klatki 24 x 36 mm) wykorzystywane w fotogrametrii do wykonywania zdjęć niemetrycznych. 29 1. Obudowa 9. Lampa 2. Prowadnica główna 10. System optyczny 3. Koder liniowy 11. Przewijarka (dostÄ™pna w opcji) 4. Prowadnica druga 12. Rolka filmu (dostÄ™pna w opcji) 5. ZwierciadÅ‚o 13. Pokrywa instrumentu 6. Matryca CCD 14. Pokrywa instrumentu 7. NoÅ›nik (pÅ‚yta szklana) na zdjÄ™cie 15. Panel sterowania 8. PÅ‚yta szklana dociskowa 16. ModuÅ‚ elektroniczny Rys.3.3. Schemat budowy skanera Photoscan TD Skaner Photoscan TD zawiera prowadnicÄ™ głównÄ… (2 - rys. 3.3), z serwo-motorami dziaÅ‚ajÄ…cymi w kierunku x i y. Lampa tungsten - halogen (9) dostarcza stabilnego zródÅ‚a Å›wiatÅ‚a, które systemem optycznym (10) przechodzi przez soczewkÄ™ i emulsjÄ™ zdjÄ™cia. ÅšwiatÅ‚o pada na liniowÄ… matrycÄ™ CCD (6), z której zbierane sÄ… dane i przesyÅ‚a dalej do komputera. System optyczny (10) z soczewkÄ… i matrycÄ… CCD tworzÄ… drugÄ… prowadnicÄ™, która skanuje zdjÄ™cie podczas precyzyjnego ruchu. ModuÅ‚ CCD skÅ‚ada siÄ™ z trzykolorowej liniowej matrycy CCD i rejestruje trzy kanaÅ‚y w pojedynczym cyklu skanowania 5632 piksele w liniowej matrycy CCD dostarczajÄ… pas danych o szerokoÅ›ci 39.424 mm, tzn. że skanowanie zdjÄ™cia w formacie 230 mm może siÄ™ odbyć w 6 pasach. 30 3.2.2.1. Przygotowanie zdjÄ™cia do skanowania Przed zaÅ‚ożeniem zdjÄ™cia na noÅ›nik powinno ono być dokÅ‚adnie oczyszczone przy pomocy materiałów antystatycznych (z ewentualnego kurzu) oraz przy pomocy specjalistycznych pÅ‚ynów z innych zanieczyszczeÅ„ bÄ…dz przypadkowych odcisków palców, mogÄ…cych wystÄ™pować na zdjÄ™ciach. Należy uwzglÄ™dnić, że przy maksymalnej aperturze skanowania - 7 mikrometrów pÅ‚atki kurzu majÄ… kilkanaÅ›cie na kilkanaÅ›cie pikseli, stÄ…d konieczna jest dbaÅ‚ość szczególnie o czystość stanowiska pracy. W zależnoÅ›ci od tego czy obraz jest odwrócony czy nie, zdjÄ™cie umieszcza siÄ™ na noÅ›niku w odmienny sposób. W przypadku zdjÄ™cia, gdzie jego nr po uÅ‚ożeniu na skanerze jest odwrócony należy ustawić opcjÄ™ prawo-czytelnÄ… (ang. right-reading), natomiast w innym przypadku lewo- czytelnÄ… (ang. wrong-reading). Należy pamiÄ™tać również, że przygotowane wczeÅ›niej zdjÄ™cie umieszcza siÄ™ na noÅ›niku skanera emulsjÄ… do ukÅ‚adu optycznego (warunek konieczny) i dociska pÅ‚ytÄ… (8). 3.2.2.2. Proces skanowania Pomieszczenie gdzie umieszczony jest skaner powinno speÅ‚niać pewne warunki. Powinno posiadać trwaÅ‚e i stabilne podÅ‚oże (ponieważ skaner wymaga zachowania bardzo niskiego poziomu drgaÅ„), jak również powinno być klimatyzowane aby zapewnić staÅ‚a temperaturÄ™ ( 15 - 25 ° ) oraz wilgotność ( 30 - 80 %). Bardzo ważnÄ… rzeczÄ… jest również używanie antystatycznych materiałów w celu eliminowania nagromadzonych Å‚adunków elektrycznych. Duża ilość Å‚adunków powoduje wystÄ™powanie kurzu, który osiadajÄ…c na zdjÄ™ciach powoduje zanieczyszczenia obrazu, o czym wspomniano wczeÅ›niej. Po wÅ‚Ä…czeniu skanera wraz z nim uruchamiany jest komputer kontrolny poÅ‚Ä…czony za pomocÄ… magistrali SCAI do komputera PC. NastÄ™pnie po sygnalizacji skanera i przejÅ›ciu niezbÄ™dnych testów uruchamiany jest komputer PC z zainstalowanym oprogramowaniem do obsÅ‚ugi skanera. Po ustawieniu odpowiednich parametrów uruchamia siÄ™ program skanujÄ…cy. W czasie skanowania prowadnica główna (2) oraz druga (4) poruszajÄ… siÄ™ w kierunku "przód - tyÅ‚" skanera. Po zeskanowaniu pierwszego pasa prowadnica ustawia siÄ™ automatycznie na sÄ…siednim pasie. Dla maksymalnego formatu 275 mm może wystÄ…pić 7 pasów skanowania. W trakcie skanowania dane transmitowane przez magistralÄ™ SCAI umieszczane sÄ… w komputerze PC. 3.2.2.3. Skanowanie fotogramów WiÄ™kszość opracowaÅ„ cyfrowych (aerofotogrametrycznych i terrofotogrametrycznych) opiera siÄ™ obecnie na obrazach cyfrowych pozyskanych w drodze skanowania metrycznych zdjęć analogowych (wykonanych pomiarowymi kamerami fotogrametrycznymi). TÄ… poÅ›redniÄ… drogÄ™ postÄ™powania (w której wykorzystujemy stacjonarny skaner laboratoryjny) nazywa siÄ™ czasem analogowo-cyfrowÄ…. Skanery staÅ‚y siÄ™ obecnie dość powszechnie stosowanym urzÄ…dzeniem do zamiany zdjÄ™cia z postaci analogowej (fotograficznej) na obraz w postaci cyfrowej, poczÄ…wszy od podrÄ™cznych skanerów stosowanych do skanowania tekstów, rysunków czy zdjęć maÅ‚oformatowych, do wielkoformatowych skanerów stosowanych w poligrafii. W geodezji do skanowania map stosowane sÄ… również skanery wielkoformatowe, ale o podwyższonej dokÅ‚adnoÅ›ci geometrycznej (0.05 - 0.10 mm), odpowiadajÄ…cej dokÅ‚adnoÅ›ci mapy, aby w procesie skanowania nie nastÄ…piÅ‚o obniżenie jej dokÅ‚adnoÅ›ci geometrycznej. 31 Tego rodzaju skanery nie nadajÄ… siÄ™ jednak do stosownia w fotogrametrii, gdzie sÄ… bardzo wysokie wymagania dokÅ‚adnoÅ›ciowe. Dlatego też skonstruowano specjalne skanery fotogrametryczne. Głównymi cechami skanerów stosowanych w fotogrametrii sÄ…: - wysoka dokÅ‚adność geometryczna ( 1-2 µm.), - wysoka rozdzielczość geometryczna , np. w skanerze PHOTO SCAN (Intergraph-Zeiss) jest możliwość skanowania z rozdzielczoÅ›ciÄ… do 3600dpi, a typowe wymiary piksela to: 7, 14, 21, 28, 56 µm), - rozdzielczość radiometryczna 8 bitowa dla zdjęć czarnobiaÅ‚ych i 24 bitowa dla zdjęć barwnych, - format, najczęściej 25x25 cm, co umożliwia zeskanowanie typowych zdjęć lotniczych, - możliwość skanowania materiałów przezroczystych i nieprzezroczystych, - możliwość skanowania zdjęć w rolce bez koniecznoÅ›ci ich rozcinania. Podczas skanowania zdjęć należy odpowiednio dobrać parametry skanowania. Przede wszystkim należy zdefiniować wedÅ‚ug jakiej zasady przypisywane bÄ™dÄ… wartoÅ›ci liczbowe poszczególnym pikselom. Możliwe sÄ… trzy definicje wartoÅ›ci piksela: jako funkcja współczynnika przepuszczalnoÅ›ci, jako funkcja gÄ™stoÅ›ci optycznej lub jako funkcja współczynnika korygujÄ…cego gamma. Współczynnik gamma, w zależnoÅ›ci od przyjÄ™tej wartoÅ›ci, umożliwia lepsze oddanie szczegółów w zacienionych lub jasnych partiach obrazu. Ponadto należy ustalić minimalnÄ… i maksymalnÄ… wartość współczynnika przepuszczalnoÅ›ci tak, aby poprawnie zerejestrowaÅ‚y siÄ™ znaczki tÅ‚owe ( najczęściej jasne krzyże na ciemnym tle) oraz treść obrazu. Dobór odpowiednich parametrów ma duży wpÅ‚yw na koÅ„cowÄ… jakość obrazu i w zasadzie powinien być przeprowadzany indywidualnie dla każdego zdjÄ™cia a przynajmniej dla grupy zdjęć (np. szeregu) wykonywanych w podobnych warunkach oÅ›wietleniowych. Cechami charakteryzujÄ…cymi obrazy cyfrowe sÄ…: rozdzielczość geometryczna, radiometryczna i spektralna. Rozdzielczość geometryczna jak wiadomo - charakteryzuje wielkość najmniejszego elementu obrazu (piksela) i jest najczęściej wyrażana liczbÄ… pikseli przypadajÄ…cÄ… na jeden cal ( dpi - ang. dot per inch). Rozdzielczość radiometryczna charakteryzuje liczbÄ™ poziomów jasnoÅ›ci, w której zapisywany jest obraz cyfrowy. Najczęściej obraz zapisywany jest na 256 poziomach jasnoÅ›ci co pozwala na zapisanie wartoÅ›ci piksela na jednym bajcie. Natomiast rozdzielczość spektralna podaje w jakim zakresie spektrum promieniowania elektromagnetycznego rejestrowany jest obraz. Dla zdjęć kolorowych obraz zapisywany jest również na 256 poziomach dla trzech kolorów podstawowych: czerwonego , zielonego i niebieskiego. Obrazy cyfrowe mogÄ… być zapisywane w różny sposób, nie ma niestety jednego standardu zapisu obrazów cyfrowych. Najbardziej rozpowszechniony jest format TIFF, który wystÄ™puje w kilku wersjach. Ze wzglÄ™du na dużą objÄ™tość obrazów cyfrowych, dla uÅ‚atwienia ich przechowywania, opracowano różne metody kompresji obrazów. Metody kompresji można podzielić na bezstratne ( po dekompresji jakość obrazu nie ulega degradacji) i stratne np. JPEG (bardziej wydajne, lecz powodujÄ…ce obniżenie jakoÅ›ci obrazu po jego dekompresji). 3.2.2.4. Archiwizacja danych Archiwizacja danych może odbywać siÄ™ na komputerze PC, jednak najlepiej jest poÅ‚Ä…czyć komputer sieciÄ… z innym i kopiować pliki podczas skanowania, aby zaoszczÄ™dzić na czasie. Kopiowanie podczas skanowania nie ma żadnego wpÅ‚ywu na skanowanie, z racji tego, że dane ze skanera przechodzÄ… magistralÄ… SCAI a dane w sieci poprzez kartÄ™ i kabel sieciowy niezależny od SCAI. Archiwizowanie plików z racji ich objÄ™toÅ›ci może odbywać siÄ™ poprzez nagrywanie na noÅ›niki CD (do 800 MB ), DVD (do 17 GB) lub inne urzÄ…dzenia archiwizujÄ…ce. Oprogramowanie zainstalowane na komputerze PC pozwala na automatyczne kompresowanie danych podczas zapisu. 32 3.2.2.5. Formaty danych cyfrowych Dane cyfrowe mogÄ… być magazynowane w pamiÄ™ci komputera w różnej postaci. Rejestrowane obrazy czy to poprzez skanowanie czy zapis bezpoÅ›redni zapisywane sÄ… na dysku w postaci plików graficznych. Najczęściej wystÄ™pujÄ…ca struktura takiego pliku to: - nagłówek pliku, - obraz, - koniec pliku. W nagłówku pliku zapisywane sÄ… informacje takie jak: rodzaj pliku graficznego, ilość wierszy lub kolumn obrazu itp. Dopiero po tych informacjach nastÄ™puje zapis rzeczywistego obrazu. Zapisywana jest najczęściej wartość jasnoÅ›ci danego piksela jako liczba od 0 do 255 w przypadku obrazu monochromatycznego (odcienie szaroÅ›ci) lub trzy takie liczby w przypadku obrazu kolorowego. Na zakoÅ„czenie zapisywane sÄ… informacje o koÅ„cu pliku. Jednym z prostszych formatów graficznych jest BMP ( ang. Bit Map). Plik mapy bitowej nie jest prostÄ… mapÄ… bitów, jak sugeruje nazwa. Jest to plik zawierajÄ…cy strukturÄ™, na którÄ… skÅ‚adajÄ… siÄ™ informacje o typie, rozmiarze, kolorze, oraz o elementach obrazu, czyli pikselach. Pliki map bitowych mogÄ… magazynować obrazy o jakoÅ›ci fotograficznej, jak też i proste wizerunki np. ikon windowsowych. Jednak ostatnimi laty spopularyzowaÅ‚ siÄ™ format graficzny TIFF. Jest to jedyny format, który jest czytany przez wszystkie cztery stacje fotogrametryczne opisane w tym rozdziale. Format TIFF może być kompresowany metodÄ… bezstratnÄ… (kompresja LZW). Jednak zysk z powodu zastosowania tego rodzaju kompresji (zależny oczywiÅ›cie od struktury obrazu) jest znikomy. SpowodowaÅ‚o to konieczność stworzenia formatów bardziej wydajnych w sensie kompresji. Wprowadzono formaty graficzne kompresowane stratnie. Zatem ze wzglÄ™du na rodzaj kompresji pliku graficzne możemy podzielić na: - pliki kompresowane metodÄ… bezstratnÄ… (np. kompresja LZW); - pliki kompresowane metodÄ… stratnÄ… (np. JPEG, ECW). Z racji tego, że procesy fotogrametryczne wymagajÄ… dużej iloÅ›ci danych, ostatnimi laty spopularyzowaÅ‚y siÄ™ stratnie kompresowane formaty danych. Najpopularniejszym jest format JPEG. Kompresja stratna powoduje, że obraz po kompresji nie jest identyczny z obrazem oryginalnym. WystÄ™pujÄ…ce pewne różnice w jasnoÅ›ciach pikslei sÄ… zależne od mocy użytej kompresji. W przypadku JPEG odbywa siÄ™ to poprzez wybór wielkoÅ›ci współczynnika kompresji Q (w zakresie od 1 do 100). Obrazy kompresowane metodÄ… JPEG sÄ… popularne szczególnie na profesionalnych stacjach graficznych np. Image Station. 33 3.3. Pomiary obrazów cyfrowych Pomiarowe opracowanie zdjęć i stereogramów cyfrowych przeprowadza siÄ™ w fotogrametrycznych stacjach cyfrowych lub w autografach cyfrowych. W trakcie pomiaru okreÅ›la siÄ™ pozycjÄ™ mierzonego piksela, aby nastÄ™pnie okreÅ›lić współrzÄ™dne tÅ‚owe lub terenowe punktu. Oprogramowanie fotogrametrycznej stacji cyfrowej umożliwia obserwowanie obrazów cyfrowych w dogodnej skali, przemieszczanie siÄ™ po obrazie, wybór kadru i inne operacje zwiÄ…zane z obserwacjÄ… obrazów. Kontury obwodzone kursorem, speÅ‚niajÄ…cym funkcjÄ™ znaczka pomiarowego, mogÄ… być wektoryzowane. Pozycja punktu, okreÅ›lona numerem wiersza (x) i kolumny (y) może być przetworzona do innego ukÅ‚adu (X, Y) przy wykorzystaniu wybranej formuÅ‚y transformacji. 3.3.1. Fotogrametryczne stacje cyfrowe Fotogrametryczne stacje cyfrowe sÄ… to systemy, skÅ‚adajÄ…ce siÄ™ ze sprzÄ™tu (ang. hardware) oraz oprogramowania (ang. software) pozwalajÄ…cego na wykonywanie prac fotogrametrycznych z wykorzystaniem obrazów cyfrowych. Zasadniczym elementem jest odpowiednio wyposażony komputer (maksymalnie możliwa liczba pamiÄ™ci operacyjnej i wielkoÅ›ci dysku twardego, dobra karta graficzna) plus duży monitor np. 21 cali, pozwalajÄ…cy na współpracÄ™ z systemem optycznym, w przypadku stereoskopu lub polaryzujÄ…cych okularów pozwalajÄ…cych na obserwacjÄ™ stereoskopowÄ…. Najistotniejszym jednak elementem stacji jest oprogramowanie. Od niego zależą potencjalne możliwoÅ›ci stacji oraz technologia. Typowa stacja fotogrametryczne pozwala realizować (a także częściowo zautomatyzować) - nastÄ™pujÄ…ce procedury technologiczne: - przeprowadzenie orientacji (wewnÄ™trznej, wzajemnej i bezwzglÄ™dnej), - pomiar punktów stereogramu i pojedynczego zdjÄ™cia z wykorzystaniem autokorelacji, - wektoryzacjÄ™ elementów stanowiÄ…cych treść opracowania (np. mapy), - automatycznÄ… lub półautomatycznÄ… aerotriangulacjÄ™; - automatyczny pomiar danych do numerycznego modelu terenu (NMT, lub z ang. DTM); - wytwarzanie cyfrowych ortofotomap; - pozyskiwanie różnych danych do SIT. Do najbardziej rozpowszechnionych w Polsce fotogrametrycznych stacji cyfrowych (stacji roboczych) należą: - VSD - videostereodigitizer (najprzystÄ™pniejszy cenowo), znany studentom AGH z podstawowego kursu fotogrametrii, - DEPHOS - produkt krakowskiego KPG (na dość drogich komponentach: profesjonalna karta graficzna, okulary ciekÅ‚okrystaliczne, manipulator), - wysokoprofesjonalne, ale drogie stacje cyfrowe firm INTERGRAPH i LEICA. 34 Poniżej krótka charakterystyka wspomianych wyżej stacji fotogrametrycznych. 1. VSD VSD jest analitycznym autografem cyfrowym powstaÅ‚ym w Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie na poczÄ…tku lat dziewięćdziesiÄ…tych [Jachimski, 1995]. Zawiera wszystkie możliwe moduÅ‚y potrzebne do zestrojenia modeli i pracy na nich. WadÄ… tego systemu jest możliwość pracy tylko w Å›rodowisku DOS. VSD pracuje na formacie graficznym TIFF (indeksowany). Powoduje to pewne ograniczenia, ponieważ zmusza użytkownika do przechowywania dużej iloÅ›ci danych w przypadku pracy na oryginalnych obrazach zeskanowanych w dużych rozdzielczoÅ›ciach. Obserwacja stereoskopowa odbywa siÄ™ tutaj poprzez stereoskop zwierciadlany. 2. DEPHOS Cyfrowa Stacja Fotogrametryczna DEPHOS jest produktem polskim rozprowadzanym przez DEPHOS Sp. z o.o. DEPHOS daje użytkownikowi możliwość samodzielnego i niezależnego wykonywania zadaÅ„ fotogrametrycznych, a dziÄ™ki otwartoÅ›ci formatów danych i elastycznoÅ›ci może być z Å‚atwoÅ›ciÄ… wkomponowana w istniejÄ…ce technologie. DEPHOS umożliwia zasilanie danymi systemów mapy numerycznej i GIS a także edycjÄ™ i aktualizacjÄ™ istniejÄ…cych materiałów (nawet 2D). Funkcje kolekcji elementów DTM i ortorektyfikacji zdjęć, tworzÄ… technologiÄ™ opracowania ortofotomapy. Wszystkie możliwoÅ›ci i zalety sytemu można także w peÅ‚ni wykorzystać przy naziemnych opracowaniach fotogrametrycznych. Szczegółowe informacje można uzyskać na stronie www.dephos.com. 3. Image Station - Z/I IMAGING (dawniej INTERGRAPH) AmerykaÅ„ski produkt Image Station (rys. 3.4) jest chyba najbardziej popularnÄ… stacjÄ… fotogrametrycznÄ… zarówno w Polsce jak i na Å›wiecie. System ten w peÅ‚ni realizuje zadania fotogrametryczne. GłównÄ… zaletÄ… tego systemu jest automatyzacja. Jest to jeden z niewielu systemów na Å›wiecie, tak dobrze zautomatyzowany. Pomiar numerycznego modelu terenu może odbywać w sposób automatyczny dziÄ™ki moduÅ‚owi ImageStation Automatic Elevation (ISAE) we wczeÅ›niejszych wersjach byÅ‚ to MATCH-T. Po zdefiniowaniu wielkoÅ›ci oczka siatki (tzw. GRID) program dziÄ™ki automatycznej pracy pokrywa zadany wczęściej obszar punktami stanowiÄ…cymi pikiety poÅ‚ożone na odpowiedniej wysokoÅ›ci terenowej. Po zakoÅ„czeniu pracy, użytkownik ma możliwość korekcji ewentualnych bÅ‚Ä™dów. WystÄ™pujÄ…ce bÅ‚Ä™dy mogÄ… być spowodowane niskim poziomem korelacji pomiÄ™dzy obrazami, wynikajÄ…cej z trudnej do analizy tekstury obrazu. W stacjach firmy Z/I Imaging zautomatyzowany jest również proces aerotriangulacji dziÄ™ki moduÅ‚owi ImageStation Automatic Triangulation (ISAT) dobrze znany użytkownikom z wczeÅ›niejszej nazwy - MATCH-AT. Szczegóły można znalezć na stronie www.ziimaging.com 35 Rys. 3.4. Zestaw Image Station 2002. 4. DVP Stacja fotogrametryczna DVP (ang. Digital Video Plotter) produkcji kanadyjskiej, chociaż kojarzona jest czÄ™sto z LEIC jako, że jeszcze kilka lat temu firma LEICA byÅ‚a jej dystrybutorem. PoczÄ…tki DVP siÄ™gajÄ… koÅ„ca lat osiemdziesiÄ…tych, kiedy to w Laval University (Quebec, Canada) powstaÅ‚ prototyp programu pracujÄ…cego jeszcze w systemie operacyjnym DOS. Aktualnie DVP jest nowoczesnÄ… graficznÄ… stacjÄ… fotogrametrycznÄ… dostarczajÄ…cÄ… kompletny zestaw narzÄ™dzi pozwalajÄ…cy wykonać wszystkie etapy procesu fotogrametrycznego. Oprócz tego DVP posiada moduÅ‚ do półautomatycznego generowania numerycznego modelu terenu. Z ciekawych możliwoÅ›ci DVP godna odnotowania jest możliwość pracy w jednym w czterech dostÄ™pnych systemow obserwacji stereoskopowej: - poprzez filtr polaryzujÄ…cy, - poprzez okulary polaryzujÄ…ce, - tradycyjny stereoskop zwierciadlany, - okulary anaglifowe. Szczegóły można znalezć na stronie www.dvp.ca. 3.3.2. Automatyzacja pomiarów na obrazach cyfrowych1 Jednym z fundamentalnych procesów w fotogrametrii jest identyfikacja i pomiar punktów homologicznych na dwóch lub wiÄ™cej obrazach. Zadaniem takiego pomiaru jest wybranie obiektu na jednym obrazie i odszukanie odpowiednika na drugim. W fotogrametrii analogowej i analitycznej odbywa siÄ™ to poprzez manualny pomiar operatora. W fotogrametrii cyfrowej dąży siÄ™ do rozwiÄ…zania problemu w sposób automatyczny. Proces ten nazywa siÄ™ z ang. image matching (czasami zwany 1 Opracowano na podstawie Digital Photogrammetry - Volume 1 T. Schenk, 1999. 36 automatic stereo matching lub po prostu correlation). W przypadku matchingu kilku obrazów mówi siÄ™ o multiple image matching i wykorzystuje najczęściej w aerotriangulacji czy matchingu obrazów sekwencyjnych (obrazy pozykane kamerami wideo). Poczatki image matchingu datuje siÄ™ na lata pięćdziesiÄ…te, gdzie opracowano korelatory poziomów szaroÅ›ci dwóch obrazów. Firma Wild Heerbrugg na kongresie ISPRS w 1968 roku zaprezentowaÅ‚a pierwszy korelator. Lata siedemdziesiÄ…te i osiemdziesiÄ…te to już pierwsze zastosowania cyfrowych technik korelacji obrazów. Dokonano pierwszych prób zastosowania matchingu do numerycznego modelu terenu oraz cyfrowego przetwarzania różniczkowego. W Polsce sÅ‚owo matching tÅ‚umaczy siÄ™ najczęściej jako dopasowanie dwóch lub wiÄ™cej obrazów (czy raczej ich fragmentów), znajdowanie odpowiednika, rozpoznanie podobnej cechy. I tak procesowi matchingu podlegać może obszar grupy pikseli obrazu, zarejestrowany w tablicy (ABM ang. Area Based Matching) bazujÄ…cy głównie na analizie odcieni szaroÅ›ci w danym fragmencie obrazu lub w przypadku obrazu kolorowego, analizie jednej ze skÅ‚adowych (lub wagowanej kombinacji skÅ‚adowych). W przypadku, gdy procesowi powyższemu podlega jakaÅ› cecha obrazu, mówimy o metodzie FBM (ang. Feature Based Matching). Cecha może mieć charakter lokalny np. punkt, krawÄ™dzie obiektów lub globalny (np. poligony). Poszczególne metody możemy scharakteryzować nastÄ™pujÄ…co: " Area Based Matching opiera siÄ™ na analizie obszaru grupy pikseli (porównanie ich skali szaroÅ›ci). W przypadku obrazu kolorowego można wykorzystać jeden z kanałów do korelacji. W metodzie tej porównuje siÄ™ maÅ‚e fragmenty obrazów zwanych z ang. image patches, a nastÄ™pnie mierzy siÄ™ ich podobieÅ„stwa na podstawie korelacji lub znanych metod najmniejszych kwadratów. Image matching wykorzystujÄ…cy równanie korelacji jest czÄ™sto zwany po prostu korelacjÄ… obrazów , natomiast wykorzystujÄ…cy podejÅ›cia metod najmniejszych kwadratów: matching najmniejszych kwadratów (ang. least squares matching) oznaczany czÄ™sto LSM. " Feature-Based Matching jest używany przeważnie w grafice komputerowej. KrawÄ™dzie lub inne obiekty wydobywane z obrazów oryginalnych sÄ… porównywane do odpowiednich, homologicznych obiektów na drugim lub pozostaÅ‚ych obrazach. PodobieÅ„stwo liczone jest najczęściej jako funkcja kosztów " W ostatnich latach coraz częściej wykorzystuje siÄ™ trzeciÄ… metodÄ™: Symbolic Matching. Metoda ta porównuje opisy symboliczne używajÄ…c również funkcji kosztów. Opisy symboliczne mogÄ… odnosić siÄ™ do skali szaroÅ›ci lub wystÄ™pujÄ…cych na obrazie obiektów. MogÄ… być zaimplementowane do systemu jako grafy, drzewa, sieci semantyczne. W porównaniu do poprzednich metod symbolic matching nie bazuje na podobieÅ„stwie geometrycznym. Zamiast podobieÅ„stwa ksztaÅ‚tu lub poÅ‚ożenia, porównuje wÅ‚asnoÅ›ci topologiczne obiektów. W tabeli 3.1 usystematyzowano podziaÅ‚ metod ze wzglÄ™du na sposób pomiaru podobieÅ„stwa i podstawÄ™ matchingu. 37 Tab.3.1. Relacja pomiÄ™dzy metodÄ…, sposobem pomiaru podobieÅ„stwa i podstawÄ… matchingu. Metoda matchingu Sposób pomiaru podobieÅ„stwa Podstawa matchingu Area-based korelacja obrazów, skala szaroÅ›ci metoda najmniejszych kwadratów Feature-based funkcja kosztów krawÄ™dzie, obszary Symbolic funkcja kosztów opis symboli Praktyczne wykorzystanie matchingu sprowadza siÄ™ głównie do czterech podstawowych etapów: - wyboru elementów dopasowania, - znalezienie ich odpowiedników na drugim obrazie (lub kolejnych obrazach), - obliczenie poÅ‚ożenia przestrzennego dopasowywanych elementów, - oszacowanie (kontrola) dokÅ‚adnoÅ›ci dopasowania. W przypadku fotogrametrii problem matchingu sprowadza siÄ™ głównie do dwóch zadaÅ„: - automatycznego poszukiwania punktów identycznych na lewym i prawym zdjÄ™ciu stereogramu, - automatycznego poszukiwanie na zdjÄ™ciach takich obrazów, dla których wczeÅ›niej znany jest obraz tzw. wzorcowy (np. znaczki tÅ‚owe, sygnalizowane krzyże), inaczej mówiÄ…c jest to próba dopasowania obrazu rzeczywistego do obrazu wzorca, W tym pierwszym przypadku mówi siÄ™ o matchingu image to image, w drugim image to model. Metody oparte ma matchingu wykorzystywane sÄ… w fotogrametrii do różnych celów. Główne zastosowania majÄ… w nastÄ™pujÄ…cych procesach: - kalibracji, - orientacji wewnÄ™trznej, - orientacji wzajemnej, - orientacji bezwzglÄ™dnej, - aerotriangulacji, - generowania numerycznego modelu terenu (NMT). Z racji tego, że wymiary obrazów cyfrowych mogÄ… być znaczÄ…ce, szukanie odpowiedników na drugim obrazie, mogÅ‚oby pochÅ‚aniać dużą ilość czasu. W zwiÄ…zku z tym wykorzystuje siÄ™ różne metody celem redukcji obszaru poszukiwaÅ„ na drugim obrazie. Zadanie to może być realizowane poprzez: - wykorzystanie linii epipolarnych, - wykorzystanie poÅ‚ożenia linii pionowych (lub poziomych w przypadku fotogrametrii naziemnej), - podejÅ›cie hierarchiczne. " Wykorzystanie linii epipolarnych Metoda linii epipolarnych, opiera siÄ™ na istnieniu wspólnej pÅ‚aszczyzny tworzonej przez Å›rodki rzutów (ozn. C ,C ) zdjęć oraz punkt terenowy P (rys.3.5). Linie epipolarne tworzÄ… siÄ™ poprzez przeciÄ™cie pÅ‚aszczyzny rzutujÄ…cej z pÅ‚aszczyznami wyznaczanymi przez ramkÄ™ tÅ‚owÄ…. Zwykle linie epipolarne nie sÄ… równolegÅ‚e do osi x ukÅ‚adu tÅ‚owego. Wskazane jest zatem transformowanie (resampling) obrazu 38 wÅ‚aÅ›nie do takiego ukÅ‚adu osi, a wówczas takie stereopary nazywa siÄ™ obrazami epipolarnymi (czy znormalizowanymi z ang. normalized images). Rys.3.5. PÅ‚aszczyzna epipolarna, zdefiniowana przez bazÄ™ C C i punkt P w przestrzeni przedmiotowej, przecina obrazy tworzÄ…c linie e i e . W metodzie tej wylicza siÄ™ poÅ‚ożenie linii e , e , wówczas zagadnienie odszukania odpowiednika na drugim obrazie sprowadza siÄ™ do analizy tylko tych linii (nie ma potrzeby analizy caÅ‚ych obszarów). Powoduje to znacznÄ… redukcjÄ™ obliczeÅ„. " Wykorzystania poÅ‚ożenia linii pionowych (poziomych) InnÄ… metodÄ… geometrycznÄ… badania przestrzennego poÅ‚ożenia punktów jest metoda poÅ‚ożenia linii pionowych (z ang. Vertical Line Locus). Na rys. 3.6 punkt P ma przybliżonÄ… wysokość terenowÄ… z zakresu pewnego ´z zdefiniowanego punktami L i U. Odcinki L U i U L powstajÄ… jako przeciÄ™cie trójkÄ…tów SUC i SUC z pÅ‚aszczyznami zdjÄ™cia. Podobnie jak w pierwszej metodzie obszar poszukiwaÅ„ ogranicza siÄ™ do tych odcinków. Rys.3.6. Koncepcja metody poÅ‚ożenia linii pionowych. Obszar przeszukiwania jest zwiÄ…zany z projekcjÄ… pionowych linii na obu obrazach. Pkt. P jest na przybliżonej wysokoÅ›ci, a S jest prawdziwym (ale nie znanym) poziomem. Przeszukiwanie jest prowadzone wzdÅ‚uż odcinków UL. 39 Metoda ta może być stosowana w poÅ‚Ä…czeniu z metodÄ… pierwszÄ… (wykorzystujÄ…c linie epipolarne). " PodejÅ›cie hierarchiczne InnÄ… metodÄ… redukcji przestrzeni przeszukiwania jest zwiÄ™kszenie wielkoÅ›ci piksela. WykorzystujÄ™ siÄ™ do tego przygotowane wczeÅ›niej piramidy obrazów (rys. 3.7). NajprostszÄ… metoda tworzenia piramidy obrazów jest zapis co drugiego piksela, ale istniejÄ… również metody zmniejszania rozdzielczoÅ›ci obrazu wykorzystujÄ…c interpolacjÄ™. W metodzie tej wykorzystana jest zasada od ogółu do szczegółu . Rys.3.7. Piramida obrazów. Proces matchingu jest powtarzany na każdym poziomie, aż do znalezienia dokÅ‚adnej pozycji. W metodach matchingu oprócz samego procesu, ważnym elementem jest kontrola poprawnoÅ›ci. kluczowym zagadnieniem wydaje siÄ™ wiÄ™c być analizowanie podobieÅ„stwa. IstniejÄ… w zasadzie trzy główne metody podeÅ›cia. Oblicza siÄ™: " wariancjÄ™ funkcji obrazu okreÅ›la jaki jest poziom różnic odcieni szaroÅ›ci wystÄ™pujÄ…cych w obrazie - maÅ‚a wariancja okreÅ›la duże podobieÅ„stwo obrazów, " autokorelacjÄ™ funkcji obrazu dostarcza samo-porównujÄ…cy pomiar fragmentów obrazu - wysoki współczynnik autokorelacji Å›wiadczy o dobrym dopasowaniu, " entropiÄ™ jako pomiar przypadkowoÅ›ci funkcji obrazu - wysoka entropia tj. np. 8 dla obrazów z 256 (28) odcieniami szaroÅ›ci, okreÅ›la wiÄ™kszÄ… przypadkowość niż niska liczba (np. 1 dla obrazów binarnych). WartoÅ›ci poszczególnych parametrów mówiÄ… o dokÅ‚adnoÅ›ci dopasowania szukanych obrazów. PrzykÅ‚adowe etapy użycia matchingu w metodzie ABM: - Lokalizacja wzorca (ang. location of template). W pierwszym etapie wybierana jest lokalizacja wzorca zdefiniowanego wczeÅ›niej. Åšrodek wzorca wybierany jest wewnÄ…trz obszaru, który jest poÅ‚owÄ… jego rozmiaru. - Rozmiar wzorca (ang. size of template). Rozmiar wzorca jest bardzo istotnym parametrem. Wraz ze wzrostem rozmiaru wzorca, wzrasta niepowtarzalność (unikalność) funkcji poziomów szaroÅ›ci, ale również zwiÄ™kszajÄ… siÄ™ bÅ‚Ä™dy geometrii (dystorsja) obrazu. W tym miejscu należy szukać kompromisu. - Lokalizacja i rozmiar okna przeszukiwania (ang. search window). 40 OdkÄ…d area-based matching wymaga bardzo dobrej aproksymacji, lokalizacja okna przeszukiwania jest sprawa kluczowÄ…. Jej rozmiar nie jest aż tak istotny, ponieważ konieczność aproksymacji sprowadza problem do wielkoÅ›ci kilku pikseli. - Akceptacja kryterium (ang. acceptance criteria) Współczynnik pomiaru podobieÅ„stwa musi być analizowany. Kryteria akceptacji lub odrzucenia czÄ™sto ulegajÄ… zmianie nawet w obrÄ™bie tego samego obrazu. Wartość progowa lub inne kryteria powinny być okreÅ›lone lokalnie. - Kontrola (ang. quality control). Kontrola powinna obejmować oszacowanie dokÅ‚adnoÅ›ci i wiarygodnoÅ›ci poszukiwanej lokalizacji. Dopasowywany punkt musi być analizowany pod kÄ…tem wiedzy o poÅ‚ożeniu przestrzennym (w odniesionym ukÅ‚adzie współrzÄ™dnych). JednÄ… z prostszych metod matchingu jest obliczenie współczynnika korelacji obrazów. Idea korelacji polega na dopasowaniu wzorca zawierajÄ…cego fragment obrazu cyfrowego do obrazu drugiego operujÄ…c na nim tzw. oknem przeszukujÄ…cym (ang. matching window) w oparciu o współczynnik korelacji Á (ang. correlaction factor). Współczynnik korelacji jest definiowany jako: à LR Á = /3.1/ à à L R JeÅ›li Á jest znormalizowane wówczas : -1 d" Á d" +1 à - kowariancja fragmentów obrazów L i R LR à - odchylenie standardowe obrazu L (wzorca) L à - odchylenie standardowe obrazu R (okna przeszukujÄ…cego) R WprowadzajÄ…c funkcje obrazu gL (x, y), gR (x, y) dla lewego i prawego zdjÄ™cia i obliczajÄ…c wartość Å›redniÄ… gL , gR , otrzymujemy poniższe równania: n m (xi , yi ) ""(gL i=1 j=1 gL = /3.2/ n Å" m n m ""gR (xi , yi ) i=1 j=1 gR = /3.3/ n Å" m n m (xi , yi - gL )2 ""(gL i=1 j=1 à = /3.4/ L n Å" m -1 41 n m (g (xi , yi - g )2 "" R R i=1 j =1 à = /3.5/ R n Å" m - 1 n m (xi , yi - gL )(gR (xi , yi - gR ) ""((gL i=1 j=1 à = /3.6/ LR n Å" m -1 Znormalizowany współczynnik korelacji przyjmuje wartoÅ›ci w przedziale <-1,1>. Gdy macierz wzorca pokrywa siÄ™ z macierzÄ… przeszukiwanego okna wówczas współczynnik wynosi 1. W przypadku braku korelacji współczynnik wynosi 0. Wartość 1 oznacza korelacjÄ™ odwrotnÄ…. Ma to miejsce np. w przypadku porównania diapozytywu i negatywu. Algorytmy korelacji cyfrowej opierajÄ… siÄ™ na analizie podobieÅ„stwa pomiÄ™dzy dwoma danymi obrazami. Jednym z takich kryteriów jest powierzchnia pod iloczynem dwóch obrazów, liczona jako funkcja wzglÄ™dnego przesuniÄ™cia przestrzennego miÄ™dzy nimi. Liczona jest nastÄ™pujÄ…co: " " r(x, y) = f1(x, y) " f2 (x, y) = f1(x', y') f2 (x + x', y + y')dx'dy' /3.7/ +" +" -"-" gdzie: r(x,y) funkcja korelacji; f1(x,y); f2(x,y) funkcje obrazów. Jeżeli funkcje sÄ… dostatecznie podobne, rozwiÄ…zaniem równania jest maksimum funkcji r(x,y) w punkcie najlepszego przylegania. Inna definicja miary podobieÅ„stwa, która jest mniej czuÅ‚a na mniejszy poziom, może być zaproponowana np. jako suma bezwzglÄ™dnych różnic " " r(x, y) = f1(x', y') - f2 (x + x', y + y')dx'dy' /3.8/ +" +" -"-" Z uwagi na to, że obliczanie korelacji jest czasochÅ‚onne, stosuje siÄ™ maÅ‚e obszary jako fragmenty caÅ‚oÅ›ci. StosujÄ…c miary korelacyjne wymagane jest obliczenie tablicy korelacji r(i, j) dla caÅ‚ej matrycy o wymiarze i,j. Ta czasochÅ‚onność spowodowaÅ‚a, że zaczÄ™to poszukiwać dalszych metod. Zaproponowany przez Pratta algorytm zapewniaÅ‚ estymacjÄ™ niedopasowania przy mniejszej liczbie obliczeÅ„. MetodÄ™ sekwencyjnego badania zaproponowali Bernea i Silverman. Obliczany jest bÅ‚Ä…d µ : S µ (i, j) = F1(m, n) - F2 (m + i, n + j) /3.9/ S "" m n 42 JeÅ›li przekroczy okreÅ›lonÄ… wczeÅ›niej wartość granicznÄ… zanim wszystkie I*J punkty zostanÄ… sprawdzone, przyjmuje siÄ™, że sprawdzenie daÅ‚o wynik negatywny dla danego okna i przystÄ™puje siÄ™ do sprawdzania kolejnego okna. JeÅ›li bÅ‚Ä…d narasta powoli, wówczas liczba sprawdzanych do momentu przekroczenia limitu jest odnotowywana jako parametr sprawdzenia okna. Po sprawdzeniu wszystkich okien, okno które dostaÅ‚o najwiÄ™kszÄ… wartość parametru zostaje uznane za wÅ‚aÅ›ciwie dopasowane. Procedury automatyczne w autografie cyfrowym VSD. Proces pomiaru automatycznego realizowanego na autografie cyfrowym VSD oparty jest na kilku trybach pomiarowych. Pierwszym trybem jest pomiar punktów homologicznych do orientacji wzajemnej. Wykorzystano tutaj metodÄ™ półautomatyczna nieparametrycznÄ… dwuwymiarowÄ… Do uruchomienia procedury operator autografu ustawia kursor na lewym i prawym zdjÄ™ciu na punktach homologicznych (z dokÅ‚adnoÅ›ciÄ… okoÅ‚o 25 pikseli ekranowych). Operator ma możliwość wyboru: czy wyszukiwanie ma siÄ™ odbywać na lewym czy na prawym zdjÄ™ciu. Po uruchomieniu procedury operator ocenia czy poszukiwanie zakoÅ„czyÅ‚o siÄ™ powodzeniem. Oceny dokonuje wzrokowo. Drugi tryb oparty jest na prawidÅ‚owo wykonanej orientacji wzajemnej stereogramu i uruchomieniu autogrametrycznego trybu sterowania. Jest półautomatycznÄ… strategiÄ… parametrycznÄ… jednowymiarowÄ… oparta tym samym kryterium podobieÅ„stwa jak poprzednio i realizowana na promieniu rdzennym drugiego obrazu odpowiadajÄ…cym wskazanemu punktowi na pierwszym obrazie Trzeci tryb wspomagania ma charakter automatyczny z rÄ™czna korekcjÄ… w przypadku utracenia nawiÄ…zania pomiÄ™dzy obrazami. Jest strategiÄ… parametrycznÄ… jednowymiarowÄ… z kontrolÄ… poprawnoÅ›ci dostosowania i doÅ‚Ä…czaniem dodatkowych kryteriów podobieÅ„stwa. Jakość wspomagania zależy tu jeszcze silniej niż dla poprzednich trybów od treÅ›ci obrazów, struktury szczegółów i odksztaÅ‚ceÅ„ geometrycznych [ZieliÅ„ski, 1998]. 3.3.2.1. PrzeglÄ…d stosowanych algorytmów2 NiezadawalajÄ…ca - z punktu widzenia potrzeb dokÅ‚adnoÅ›ciowych - rozdzielczość obrazu cyfrowego zmusza na ogół do okreÅ›lania pozycji punktu z dokÅ‚adnoÅ›ciÄ… podpikselowÄ…. Specjalistyczne programy umożliwiajÄ… uzyskiwanie - w okreÅ›lonych warunkach automatyczne (lub zautomatyzowane) pozycjonowanie punktu z dokÅ‚adnoÅ›ciÄ… rzÄ™du 1/50 piksela (a nawet wyższÄ…). Jest to uÅ‚atwione w przypadkach posiadania odpowiednio uzbrojonych sieci wiÄ…zek, rozwiÄ…zywanych metodÄ… samokalibracji. W ostatnich latach wiele publikacji fotogrametryczych poÅ›wiÄ™cono automatyzacji procesów wykrywania, identyfikacji i pomiaru różnego rodzaju obiektów na zdjÄ™ciach cyfrowych. Głównym zadaniem jest wyciÄ…gniÄ™cie z obrazu (ekstrakcja) informacji pożądanej przez użytkownika i przeksztaÅ‚cenie jej na wymaganÄ… postać, najczęściej wektorowÄ…, która stanowi zapis symboliczny obiektów Å›wiata rzeczywistego. Automatyzacja znajduje zastosowanie na różnych etapach procesu opracowania zdjęć naziemnych, lotniczych czy obrazów satelitarnych. PrzykÅ‚adami zastosowaÅ„ sÄ…: - poszukiwanie poÅ‚ożenia wzorca na obrazie ( ang. pattern recognition) np. automatyczny pomiar znaczków tÅ‚owych na etapie orientacji wewnÄ™trznej, - poszukiwanie odpowiadajÄ…cych sobie fragmentów obrazów na dwu lub wiÄ™kszej liczbie obrazów autokorelacja obrazów, np. pomiar punktów wiażących w semi-automatycznej lub automatycznej 2 Opracowano na podstawie W. Mierzwa, S. Mikrut : Automatyczna identyfikacja elemtów liniwych na obrazach cyfrowych , Kraków, 2000. 43 aerotriangulacji, pomiar punktów do NMT, rozpoznawanie obiektów liniowych ( ang. edge, line extraction ), np. wyszukiwanie dróg i rzek na zdjÄ™ciach lotniczych i obrazach satelitarnych, wykrywanie krawÄ™dzi przy tworzeniu modelu 3D budynków, wykrywanie linii w zastosowaniach inżynierskich. Do realizacji poszczególnych zadaÅ„ opracowano wiele algorytmów różniÄ…cych siÄ™ zaÅ‚ożeniami, efektywnoÅ›ciÄ… i dokÅ‚adnoÅ›ciÄ…, które stanowiÄ… moduÅ‚y systemów przetwarzania obrazów. Jest również wiele ciekawych algorytmów opisanych w literaturze nie stanowiÄ…cych części systemów komercyjnych. Typowa procedura wykrywania elementów liniowych obejmuje nastÄ™pujÄ…ce etapy [Fuchs, Heuel 1998]: - wytypowanie podobszarów, przez które mogÄ… przechodzić elementy liniowe, - identyfikacja pojedynczych pikseli z podobszarów, które z najwiÄ™kszym prawdopodobieÅ„stwem stanowiÄ… jedno-pikselowej szerokoÅ›ci Å‚aÅ„cuch sÄ…siadujÄ…cych pikseli, - okreÅ›lenie parametrów charakteryzujÄ…cych piksele elementu liniowego np. precyzyjne, podpikselowe (w liczbach rzeczywistych) okreÅ›lenie poÅ‚ożenia piksela, dokÅ‚adność, orientacja linii itp., - poÅ‚Ä…czenie i uszeregowanie pikseli należących do jednego elementu liniowego, - aproksymacja Å‚aÅ„cucha pikseli wybranÄ… funkcjÄ…, np. prostÄ…, Å‚amanÄ…, krzywÄ… itp. Typowanie podobszarów może być przeprowadzone trzema sposobami: - przez dopasowanie wzorca wymagajÄ…ce zdefiniowania różnych wzorców elementów liniowych ( model, orientacja, szerokość itp.), - przez dopasowanie modelu parametrycznego, polegajÄ…ce na lokalnej aproksymacji powierzchni jasnoÅ›ci obrazu nachylonÄ… pÅ‚aszczyznÄ…, - z wykorzystaniem gradientów; na podstawie pochodnych funkcji jasnoÅ›ci oblicza siÄ™ dla każdego piksela kierunek i wartość gradientu, na podstawie których klasyfikuje siÄ™ piksel do podobszaru. Wydzielone w tym etapie podobszary bÄ™dÄ… miaÅ‚y na ogół szerokość kilku pikseli. W nastÄ™pnym etapie sÄ… one pocieniane do szerokoÅ›ci jednego piksela. Stosowane sÄ… nastÄ™pujÄ…ce rozwiÄ…zania: jako piksel należący do elementu liniowego wybierany jest piksel Å›rodkowy linii podobszaru lub przez analizÄ™ pierwszej i drugiej pochodnej obliczanej dla każdego piksela, okreÅ›lane jest jego najbardziej prawdopodobne poÅ‚ożenie. Kolejny etap jest etapem poÅ›rednim przy przejÅ›ciu z zapisu rastrowego (przedstawienie ikonograficzne) do zapisu symbolicznego. Dla każdego piksela okreÅ›lane sÄ… nastÄ™pujÄ…ce parametry zapisywane jako jego atrybuty: - współrzÄ™dne dokÅ‚adne współrzÄ™dne punktu elementu liniowego wyrażone w liczbach rzeczywistych mogÄ… być okreÅ›lone przez aproksymacjÄ™ wielomianami trzeciego, drugiego i pierwszego stopnia odpowiednio funkcji jasnoÅ›ci i jej pierwszej i drugiej pochodnej w kierunku gradientu a nastÄ™pnie przez okreÅ›lenie punktu przegiÄ™cia, maksimum lub punktu zerowego odpowiednich wielomianów; w zależnoÅ›ci od wymiarów przyjÄ™tego okna i wartoÅ›ci gradientu można spodziewać siÄ™ dokÅ‚adnoÅ›ci na poziomie 0.02 0.2 wielkoÅ›ci piksela [Streilein, 1996, Trocha, 1993, Jachimski, Mikrut, 1998], oraz - kierunek, krzywizna, kontrast ,Å›rednia wartość jasnoÅ›ci itp. W nastÄ™pnym etapie grupuje siÄ™ i szereguje piksele należące do tego samego elementu liniowego. Elementy liniowe majÄ… skoÅ„czone wymiary i mogÄ… siÄ™ przecinać; w zwiÄ…zku z tym musimy wytypowane piksele zakwalifikować do jednej z trzech kategorii: - jako należące do elementu liniowego ( majÄ… tylko dwóch sÄ…siadów ), - jako punkty przeciÄ™cia ( majÄ… co najmniej trzech sÄ…siadów ), - jako punkty koÅ„cowe ( majÄ… tylko jednego sÄ…siada). Ostatnim etapem jest aproksymacja Å‚aÅ„cucha punktów odpowiednio dobranÄ… funkcjÄ… w zależnoÅ›ci od rodzaju wykrytego obiektu. 44 3.3.2.2. Wybrane przykÅ‚ady ekstrakcji krawÄ™dzi z podpikselowÄ… dokÅ‚adnoÅ›ciÄ… Pomiar obiektów (ang. features) może odbywać siÄ™ w sposób półautomatyczny, wówczas wymagana jest interwencja użytkownika, który decyduje które krawÄ™dzie chce wydobyć z obrazu. Pierwszym krokiem jest użycie operatora krawÄ™dziujÄ…cego np. Sobela (dziaÅ‚ajÄ…cego w kierunkach prostopadÅ‚ych) w celu obliczenia gradientu. Każdy piksel obrazu ma przydzielonÄ… wartość gradientu, który posiada swój kierunek i wartość. Wartość gradientu jest obliczana z wzoru: g(x, y) = gr (x, y)2 + gc (x, y)2 /3.10/ gdzie: g(x,y) wartość jasnoÅ›ci gr(x,y), gc(x,y) pochodne czÄ…stkowe wzdÅ‚uż wierszy i kolumn, natomiast kierunek gradientu jest obliczany jako: ¸ (x, y) = arctan(gc (x, y) / gr (x, y)) + 900 dla - Ä„ < ¸ < Ä„ /3.11/ PodpikselowÄ… dokÅ‚adność poÅ‚ożenia krawÄ™dzi uzyskuje siÄ™ poprzez wpasowanie wielomianu drugiego stopnia (parabola) wzdÅ‚uż kierunku gradientu. Współczynniki paraboli sÄ… wyznaczane metodÄ… najmniejszych kwadratów. Wykrywanie obiektów liniowych dotyczy nie tylko fotogrametrii bliskiego zasiÄ™gu - jak to ma miejsce w systemie DIPAD. Feature extraction stosuje siÄ™ również dla zobrazowaÅ„ satelitarnych. Andreas Busch [Busch, 1996] przedstawiÅ‚ metodÄ™, którÄ… wykorzystaÅ‚ przy wykrywaniu linii i krawÄ™dzi na obrazach SPOT-a i KWR 1000. WykorzystaÅ‚ ogólny model dla linii i krawÄ™dzi, które majÄ… wspólne matematyczne podÅ‚oże. Model krawÄ™dzi jest funkcjÄ… wielomianowÄ… trzeciego stopnia, która jest wpasowana w skalÄ™ szaroÅ›ci dla odpowiedniego okna obrazu ( image window ). Jest to tzw. model Å›ciankowy ( facet model - podany przez Haralicka w 1983). Wielomian jest reprezentowany przez wartoÅ›ci jasnoÅ›ci piksela jako funkcja kolumn i wierszy dla wybranego okna obrazu: g(x, y) = k0 + k1x + k2 y + k3x2 + k4 xy + k5 y2 + k6 x3 + k7 x2 y + k8xy2 + k9 y3 /3.12/ Współczynniki ki sÄ… wyliczane przez wpasowanie wielomianu metoda najmniejszych kwadratów w wybrane okno obrazu. StÄ…d pochodzi wielomian drugiego stopnia: g(x, y) = k0 + k1x + k2 y + k3x2 + k4 xy + k5 y2 /3.13/ Ponieważ wybrane okno obrazu może mieć dowolnÄ… wielkość (a także poziomy jasnoÅ›ci pikseli mogÄ… siÄ™ odnosić do różnych modeli jak Sobel czy Prewitt) dlatego model wielomianowy oferuje dobrÄ… elastyczność wpasowania. Decyzja czy dany piksel jest pikselem krawÄ™dzi (edge pixel) czy linii (line pixel) jest brana z pierwszej i drugiej pochodnej funkcji wielomianowej. Dla wykrycia krawÄ™dzi obliczane jest przeciÄ™cie wielomianu (wzór 3.12) z kierunkiem nachylenia wektora gradientu. Centralny piksel w wybranym oknie obrazu jest klasyfikowany jako piksel krawÄ™dzi jeÅ›li maksimum 45 pierwszej pochodnej z funkcji wielomianu jest zlokalizowane wewnÄ…trz piksela i różni siÄ™ znacznie od zera. Piksele linii natomiast sÄ… wykrywane jako przeciÄ™cie paraboli (wzór 3.13), w kierunku maksymalnej krzywizny. PrzykÅ‚adowy piksel jest pikselem linii w miejscu zerowania siÄ™ pierwszej pochodnej, tzn. jeÅ›li ekstremum paraboli znajduje siÄ™ w Å›rodku piksela i jeÅ›li krzywizna paraboli jest dostatecznie duża. W tej procedurze dochodzimy do podpikselowej dokÅ‚adnoÅ›ci. Badania nad algorytmami dotyczÄ…cymi wykrywania krawÄ™dzi z podpikselowÄ… dokÅ‚adnoÅ›ciÄ… na obrazach cyfrowych sÄ… prowadzone również w Polsce. Analiza algorytmów opartych o analizÄ™ zmian jasnoÅ›ci pikseli wzdÅ‚uż przekrojów obrazu cyfrowego zostaÅ‚a przedstawiona w pracy doktorskiej W. Trochy [Trocha 1993]. Badania testowe wykonane w laboratorium ZakÅ‚adu Fotogrametrii i Informatyki Teledetekcyjnej AGH polegaÅ‚y na lokalizacji siatki zÅ‚ożonej z krzyży, które rejestrowane byÅ‚y kamerÄ… CCD. Jak na owe czasy byÅ‚a to praca nowatorska, a uzyskane wyniki wykazywaÅ‚y dokÅ‚adność lokalizacji krawÄ™dzi rzÄ™du jednej dziesiÄ…tej do jednej dwudziestej Å›rednicy piksela co byÅ‚o zaskakujÄ…co dobrym rezultatem [Jachimski, Trocha 1992; Trocha 1993]. W swojej pracy W. Trocha przedstawiÅ‚ kilka ciekawych metod okreÅ›lania poÅ‚ożenia krzyży siatki reseau. Co prawda obecnie znane sÄ… metody pozwalajÄ…ce na dokÅ‚adniejszÄ… lokalizacjÄ™ niemniej jednak z przedstawionych przez autora metod (obok interpolacji na wykresie rozkÅ‚adu jasnoÅ›ci czy aproksymacji wykresu rozkÅ‚adu jasnoÅ›ci funkcjÄ… matematycznÄ…) ciekawa jest metoda progowania. Mimo że dokÅ‚adność uzyskiwana nie jest wysoka (rzÄ™du - jak podaje autor- 0.5 piksela), to jednak z uwagi na swÄ… prostotÄ™ i szybkość obliczeÅ„ może być stosowana to do zgrubnego okreÅ›lania interesujÄ…cego nas poÅ‚ożenia, co najczęściej jest pierwszym niezbÄ™dnym krokiem przy precyzyjnym wyznaczaniu przebiegu linii. Wspomniane wczeÅ›niej uzyskiwanie wyższych dokÅ‚adnoÅ›ci odbywa siÄ™ obecnie poprzez wykorzystanie drugiej pochodnej obrazu cyfrowego, obliczanej dla obrazów poddanych filtracji z użyciem operatora Laplace'a. Analiza obrazu prowadzona dla szeregu sÄ…siadujÄ…cych ze sobÄ… przekrojów pozwala na podpikselowe zlokalizowanie punktów, w których badany kontur przecinany jest osiami przekrojów. Punkty te aproksymowane sÄ… nastÄ™pnie równaniem prostej, która wpasowywana jest z zachowaniem reguÅ‚ najmniejszej sumy kwadratów odchyÅ‚ek. Lokalizacja takiej prostej aproksymujÄ…cej poÅ‚ożenie konturu obiektu na obrazie cyfrowym okreÅ›lane jest z dokÅ‚adnoÅ›ciÄ… podpikselowÄ…. Opisane procedury wykrywania krawÄ™dzi z podpikselowÄ… dokÅ‚adnoÅ›ciÄ… znalazÅ‚y zastosowanie do okreÅ›lania naprężeÅ„ lin odciÄ…gowych w czasie prawie rzeczywistym. Technologia ta zostanie opisana w podrozdziale 5.3.2. Opracowany system bÄ™dzie mógÅ‚ być prawdopodobnie stosowany do pomiaru anomalii ksztaÅ‚tu i poÅ‚ożenia takich obiektów jak kominy przemysÅ‚owe, chÅ‚odnie kominowe, czy inne obiekty o wyraznych konturach. 46 3.4. PrzykÅ‚ady zastosowaÅ„ fotogrametrii cyfrowej DoÅ›wiadczenia prowadzone na caÅ‚ym Å›wiecie od kilkunstu lat sÄ… ukierunkowane na poszukiwanie metod pozwalajÄ…cych w sposób zautomatyzowany wykrywać elementy liniowe w obrazie. Jednym z prekursorów stosowania metod półautomatycznych w procesie tzw. feature extraction jest Andre Streilein [Streilein, 1996]. W systemie zaprojektowanym w ETH Zurich o nazwie DIPAD (Digital Photogrammetry and Architectural Design) poÅ‚Ä…czono metody fotogrametrii cyfrowej z możliwoÅ›ciami jakie stwarzajÄ… współczesne systemy CAD. W systemie tym model CAD danego obiektu jest używany zarówno a priori jak i a posteriori. Użytkownik okreÅ›la część poÅ‚ożenia obiektu w Å›rodowisku CAD poprzez podanie topologii, która jest nastÄ™pnie wykorzystana z obrazami cyfrowymi poprzez algorytmy fotogrametryczne. W rezultacie model obiektu jest z powrotem transformowany do Å›rodowiska CAD. Pomocne w tym sÄ… algorytmy pozwalajÄ…ce na wykrycie linii krawÄ™dziowych, na bazie których powstaje bardziej szczegółowy model 3D z precyzyjnie z wyznaczonymi obiektami liniowymi. Inny system, opisany przez autorów [Schneider, 1996, DPA, 2002], sÅ‚użący do pomiarów 3D oparty o kamerÄ™ cyfrowÄ… Kodak DCS 760 lub BlueCam (1.5 mln. pikseli) może sÅ‚użyć do precyzyjnych pomiarów budowli inżynierskich, maszyn, konstrukcji czy urzÄ…dzeÅ„ w przemyÅ›le okrÄ™towym, samolotowym. W systemie tym pomiar odbywa siÄ™ w sposób automatyczny, a współrzÄ™dne punktów wyznaczane sÄ… metodÄ… przestrzennej terratriangulacji razem z procesem samokalibracji kamery cyfrowej. Wyniki poddawane sÄ… szczegółowej analizie dokÅ‚adnoÅ›ciowej oraz statystycznej, co pozwala oszacować przydatność systemu do docelowych zagadnieÅ„. Zastosowania cyfrowe nie ominęły również fotogrametrii inżynieryjno-przemysÅ‚owej. W ZakÅ‚adzie Fotogrametrii i Informatyki Teledetekcyjnej AGH od kilku lat prowadzone sÄ… badania dotyczÄ…ce wdrożeÅ„ technik cyfrowych w zastosowaniach inżynierskich. Opracowanie videostereodigitizeza VSD-AGH pozwoliÅ‚o na wykorzystanie go w szeregu zagadnieÅ„ zwiÄ…zanych z pracÄ… na cyfrowych obrazach. RozwiniÄ™to również techniki zwiÄ…zane z automatycznym wykrywania krawÄ™dzi czy linii. Opracowano system pozwalajÄ…cy na automatyczne Å›ledzenie zarejestrowanych na obrazie cyfrowym przebiegi lin. ZaletÄ… systemu jest autorskie oprogramowanie pozwalajÄ…ce na dalszy rozwój oraz wykorzystywanie go w szerszym zakresie, o czym szerzej w rozdziale 5. W AGH powstaÅ‚ również system do monitorowania przebiegu skrajni kolejowej [Tokarczyk, Mikrut, 1999, 2000]. System oparty na dwóch aparatach cyfrowych pozwala na wykonywanie przekrojów skrajni kolejowej w dowolnym momencie czasu. System umiejscowiony jest na specjalnym wagonie kolejowym poruszajÄ…cym siÄ™ po torach kolejowych rejestrujÄ…c w dwóch plikach graficznych z każdego z aparatów w odpowiednim czasie fragment przestrzeni przedmiotowej. Po rejestracji i zgraniu danych, wymagane orientacje (wewnÄ™trzna, wzajemna oraz bezwzglÄ™dna) i pomiar zdjęć odbywa siÄ™ na komputerze, a wyniki mogÄ… być prezentowane zarówno na komputerze jak i poprzez wydruk. System ten - w zwiÄ…zku z faktem, że na wagonie jest zainstalowana rama ze znanymi elementami orientacji bezwzglÄ™dnej (rys. 3.8) - w pierwszej kolejnoÅ›ci sprawdza powtarzalność orientacji. JeÅ›li orientacja jest zachowana (a takie jest zaÅ‚ożenie systemu) wówczas można przejść do nastÄ™pnego etapu, czyli obrysowywania skrajni. Jeżeli orientacja jest zmieniona, wówczas należy wykonać jÄ… powtórnie i przejść do kolejnego etapu pracy systemu, czyli wektoryzacji obrysu skrajni kolejowej. 47 Rys.3.8. Szkic systemu sÅ‚użącego dopomiaru skrajni kolejowej. Naspecjalnie przygotowanym wagonie umoeszczone jest rama z elemtami do wyznaczaniaorientacji bezwzglÄ™dnej oraz zestaw kamer zkomputerem. Zadniem systemu jest możliwość wyznaczania obrysu skrajni kolejowej na dowolnym kilometrze trasy w trakci jazdy pociÄ…gu. Wyniki w postaci linii wektorych obrysu skrajni na poszczgólnych kilometrach, sÅ‚użą do okreÅ›lania maksymalnych kubatur obiektów, które mogÄ… zostać poddane transportowi kolejowemu. 48