Technologie tvorby fotoplán a možnosti využití free software SIMphoto

Transkript

1 Technologie tvorby fotoplán a možnosti využití free software SIMphoto Jindich Hoda Software SIMphoto byl vyvinut Ing. Davidem ížkem v rámci jeho diplomové práce na Fakult stavební VUT v Praze. Tvorba tohoto typu softwaru byla inspirována zkušenostmi autora píspvku s využitím jednosnímkové fotogrammetrie pro úely dokumentace v oblasti památkové pée. Tato metoda je hojn využívána a její výstupy (tj. fotoplány) jsou nejastjším fotogrammetrickým produktem, se kterým je možné se v dané oblasti setkat. Postupy, které se pi vytváení fotoplán používají, jsou však z hlediska fotogrammetra asto spíše pseudofotogrammetrické. Jedním z dvod, pro tomu tak je, je absence jednoduchého nástroje pro jejich tvorbu. Softwar, s jejichž pomocí je možné fotoplán vytvoit, je celá ada. Vtšinou jsou však s ohledem na svoji cenu špatn dostupné a jejich funkcionalita je bu siln nadbytená, nebo naopak nedostaující. Vyvinutý software je šit pímo na míru potebám památkové pée a byl vytvoen jako free software. Systém je tedy oteven dalšímu vývoji a je voln šiitelný. Píspvek se soustedí na pedstavení základní funknosti softwaru pi tvorb fotoplánu v rámci dokumentace objekt a zárove ukazuje obecné postupy, jak je možné kvalitní fotoplán vytvoit. Snímek základ tvorby fotoplánu Snímek je ve fotogrammetrii základním zdrojem vstupních dat. Kvalita snímku tedy zásadn uruje výslednou kvalitu výstupu. Snímek vzniká jako stedový prmt zobrazeného objektu, kdežto plán (zde tedy fotoplán) je prmtem pravoúhlým. Proces pevodu ze stedového na pravoúhlý prmt je tedy to, co je hlavním tématem píspvku. Matematickou operací, která je vyjádením tohoto pevodu, je geometrická transformace (zde transformace obrazových dat). Jednosnímková metoda je ze svého principu vhodná pro dokumentaci rovinných objekt a jejich ástí. Obecn mohou nastat dva pípady vzájemné konfigurace snímku a objektu. V reálné situaci (obr. 1) je osa zábru snímku orientována obecn k rovin objektu. To má za následek, že snímek vykazuje perspektivní zkreslení (obr. 2). V ideální Obr. 2: Perspektivn zkreslený snímek. Obr. 3: ideální konfigurace poízení snímku situaci je osa zábru na rovinu objektu kolmá (obr. 3). Perspektivní zkreslení pak snímek geometricky nedeformuje. Je však pomrn nároné poídit v terénu snímek s touto konfigurací. Jakákoliv, by i malá, odchylka od ní má za následek deformaci obrazu. To má poté pímé dsledky pro proces jeho zpracování. Dalším pomrn významným parametrem, který ovlivuje geometrickou kvalitu snímku, je zkreslení vlivem objektivu fotoaparátu distorze. Obrázek 4 ukazuje psobení distorze v krajích snímku. Je poteba zdraznit, že u objektiv s promnnou ohniskovou vzdáleností (zoomobjektivy) je také prbh distorze promnný (obr. 5). Snímek sám o sob má podle konfigurace použité pi snímkování bu mítko promnné, nebo konstantní, avšak nabývající obecné hodnoty. Obr. 1: Reálná konfigurace poízení snímku. DJINY STAVEB

2 J. Hoda Technologie tvorby fotoplán a možnosti využití free software SIMphoto Obr. 4: Snímek ovlivn ný distorzí. Obr. 6: Kalibrace v programu PhotoModeler. Obr. 7: Snímkování testovacího pole. Obr. 5: zm ny distorze u zoom objektivu P i zpracování snímk bude tedy pot eba postupn vy ešit tyto úkoly odstranit geometrické zkreslení obrazu vlivem objektivu, odstranit perspektivní zkreslení obrazu a nastavit správné m ítko výstupu. Poslední dva body se asto eší v rámci jednoho kroku. Zpracování snímk distorze Pro odstran ní vlivu distorze je nutné získat další údaje o použitém fotoaparátu a jeho objektivu. Ve fotogrammetrické praxi se pro ur ení t chto parametr (tzv. prvky vnit ní orientace) používají r zné kalibra ní metody. S ohledem na požadovanou p esnost výstup pro památkovou pé i v tšinou dosta uje kalibrace pomocí rovinného kalibra ního pole malého rozsahu (cca formát A2 A0). Snímky pole po ízené podle p edepsaného postupu se zpracují ve vhodném softwaru a výsledkem tohoto procesu jsou požadované parametry. Ukázka projektu kalibrace v softwaru PhotoModeler je na obrázku 6. Kalibraci zvládne po zacvi ení i neodborník a spolu s po ízením snímk trvá celý proces cca 30 min. U objektiv se zoomem je vhodné kalibrovat každou polohu objektivu, která bude p i snímkování použita (obr. 5). Je ovšem nutné, aby tyto vybrané polohy bylo možné na objektivu zp tn nastavit. Ur ené kalibra ní parametry platí p esn jen pro n. 2 Obr. 8: Odstran ní distorze,,od ruky (SW ShiftN). Výsledný snímek prostý distorze vznikne poté ve vhodném softwaru zadáním jejích parametr (nap. software PhotoModeler,1 SIMphoto2 apod.). Odstran ní distorze lze provést i mén p esným, p esto však použitelným zp sobem,,od ruky. Fotoaparátem je v tom p ípad pot eba frontáln nasnímkovat jednoduché testovací pole (sí linií) obr. 7. Pak je možné v r zných 1 PhotoModeler2011 webové stránky software [online] [vid ]. Dostupné z: < 2 SIMphoto webové stránky software [online] [vid ]. Dostupné z: < D JINY STAVEB 2011

3 programech pro práci se snímky (nap. software ShiftN 3 ) zkreslení odstranit od ruky nap. posunem jezdce pro odstranní distorze (obr. 8). Hodnotu urenou pro snímek testovacího pole použijeme následn pro snímek objektu o stejných parametrech (tj. ohnisková vzdálenost). Existují také databáze parametr pro jednotlivé objektivy (tzv. kalibraní profily), které jsou využívány nkterými programy pro automatické odstranní distorze (nap. plug-in PTLens 4 ). Otázkou u tohoto zpsobu je, jak kvalitn jsou parametry ureny, jak se na tento pln automatický proces dá spolehnout. Tém každý zoom-objektiv má polohu, v níž se vliv distorze uplatuje minimáln. Pokud se nám jí podaí najít a snímky budeme poizovat s tímto nastavením, pak není nutné distorzi v bžných projektech odstraovat. V ostatních pípadech je vždy potebné se odstranním distorze zabývat a pro další zpracování pipravit opravený snímek. Zpracování snímk perspektiva Pro odstranní vlivu perspektivního zkreslení obrazu je nezbytné získat další údaje mením pímo na objektu. Tyto mené údaje také umožní nastavit vznikajícímu fotoplánu správné mítko. V zásad jsou dv možnosti co a jak mit. První možností je geodetické zamení sít dobe identifikovatelných bod (tzv. vlícovací body), obr. 9. Minimální poet zamovaných bod je tyi, ovšem pro úely kontroly se bod vždy mí více. Body se volí v rozích zájmové oblasti objektu. Jistou slabinou této alternativy (z pohledu památkáské praxe) je nutnost mít k dispozici píslušné mické vybavení a výpoetní geodetický software. Obr. 10: Sí mených délek. k nastavení správného natoení fotoplánu. Použití mení sít délek je vhodné spíše pro objekty menšího rozsahu, a to pro možnost snadno mit délky pásmem. Pro korektní odstranní perspektivního zkreslení a nastavení mítka je potebné mít k dispozici vhodný software. Matematickým základem jednosnímkové metody je tzv. kolineární (projektivní) transformace. Využitý software by ml tento typ transformace podporovat. V tabulce 1 je pehled nkolika vybraných softwar umožujících tvorbu fotoplán. Obr. 9: Sí mených bod. Druhou možností je zamení sít délek mezi tymi rohy tyúhelníka (obr. 10). Tato alternativa je dostupná širšímu potu zájemc. Body musí být opt dobe identifikovatelné a délky se mí nap. mickým pásmem. Pro úely kontroly je vhodné zmit všechny délky (tj. šest vetn obou úhlopíek). Pi této variant je také vhodné najít na objektu njakou svislou hranu, nebo tuto linii umle vytvoit (olovnice, výtyka apod.). Tato svislá linie poslouží Tab. 1: software pro tvorbu fotoplán Zpracování snímk mítko V pípad, že snímek byl poízen jako frontální, není nutné odstraovat perspektivní zkreslení. Pro nastavení správného mítka snímku zde staí zmit na objektu jednu dostaten dlouhou délku. Je vhodné, aby tato délka byla zárove svislicí (realizace výtykou, nivelaní latí aj.). Tak je možné jejím prostednictvím nastavit fotoplánu také správné natoení. Píklad frontálního snímku se svislou délkou je na obrázku 11. Pro zpracování snímku se v tomto pípad používá jiný typ transformace (tzv. podobnostní). 3 ShiftN 3.6, 2010 webové stránky software [online] [vid ]. Dostupné z: < 4 PTLens 8.7.8, 2010 webové stránky software [online] [vid ]. Dostupné z: < Obr. 11: Jedna mená délka. DJINY STAVEB

4 Obecn je nutno brát tuto možnost z fotogrammetrického hlediska pouze jako nouzovou. Poízení pesn frontálního snímku mže být pomrn nároné, viz výše. Fotoplán pesnost Otázky pesnosti jsou v technické praxi velmi podstatné a týká se to také fotogrammetrické dokumentace objekt. Proto je vhodné vnovat v prbhu celé dokumentace pozornost i tomuto tématu. Ve všech výše zmínných krocích je možné pesnost vhodn zvoleným postupem výrazn ovlivnit. Vždy záleží na úelu dokumentace a jejích základních parametrech (nap. na velikosti objektu). Podle toho je mj. také možné vybrat vhodnou metodu odstranní distorze snímku a postup mení na objektu. Samozejmostí by mla být nadbytenost mení (mím/snímkuji více než musím) a prbžná kontrola. Podrobnjší rozbor pesnosti již pesahuje rámec tohoto lánku a lze se s ním blíže seznámit v dostupné literatue. 5 Jak již bylo zmínno, jednosnímková metoda je vhodná pro objekty, které jsou rovinné nebo rovin blízké. Z principu metody plyne, že vše co leží za nebo ped hlavní rovinou objektu bude zkreslené. Hlavní rovina je po zpracování pravoúhlým prmtem a vše ostatní nikoliv (obr. 12). Pi další práci s výslednými fotoplány je poteba mít toto na pamti. Pro tvorbu pravoúhlého prmtu u nepravidelných objekt je možné využít metodu digitálního ortofota, která je však po všech smrech náronjší (software, znalosti, as apod.). Funkce odstranní perspektivního zkreslení je v souasné dob celkem bžnou souástí softwar pro úpravu obrázk (nap. Gimp, 6 Adobe Photoshop aj.), obr. 13. Tyto programy vtšinou také umožují odstranit ze snímk distorzi. Existují také specializované softwary fotogrammerické/geodetické, které danou problematiku také eší (tab. 1). Pro tedy vznikla idea vytvoit další software? Pokud se podíváme podrobnji na první možnost, tak zjistíme, že celý proces zpracování se dje bez možnosti njaké exaktní kontroly (prbžné i závrené). Je možné konstatovat, že,,to njak jde, ovšem o výstupu z hlediska pesnosti mnoho nevíme. Obr. 13: Program GIMP odstranní perspektivy. Specializované programy obsahují krom kolineární transformace také mnoho dalších funkcí. Jejich funkcionalita je tedy z hlediska poteb bžného uživatele v oblasti památkové pée siln nadbytená. To ztžuje práci se softwarem (tj. je píliš složitý) a odpovídá tomu i jeho cena (tj. je píliš drahý z hlediska pomru poteb uživatele/ceny). Proto vznikl v rámci bakaláské a následn diplomové práce Davida ížka software SIMphoto. Pi návrhu funkcionality tohoto softwaru jsem vycházel ze svých dlouhodobých zkušeností ze spolupráce s kolegy památkái. Software byl vytváen na míru jejich/vašim potebám. Samozejm je zde otázka, do jaké míry se to podailo. Tuto otázku nechávám na Vašem laskavém posouzení. Software byl vytvoen jako free software (svobodný software). Free software je software, ke kterému je k dispozici také zdrojový kód, spolu s právem tento software používat, modifikovat a distribuovat. 7 Je tedy možné využívat tento software zdarma. Další výhodou programu je, že nevyžaduje instalaci. Obr. 12: Fotoplán místa se zkreslením. SIMphoto 5 Nap. Hoda, J.: Pozemní fotogrammetrie. Ústí nad Labem GIMP 2.7, 2011 webové stránky software [online] [vid ]. Dostupné z: < 7 Svobodný software Wikipedie, otevená encyklopedie [online] 2011 [vid ]. Dostupné z: < wiki/svobodn%c3%bd_software>. 4 DJINY STAVEB 2011

5 SIMphoto transformace Jak již bylo zmínno v první ásti píspvku, lze využít pro nastavení správného mítka a odstranní perspektivního zkreslení dvou typ transformací. Výbr závisí na základní konfiguraci pi snímkování. V ideálním pípad pesn frontálního snímku se používá transformace podobnostní. Správné mítko se snímku vloží prostednictvím jedné mené délky. Obrázek 14 dokumentuje prbh snímání bod a zadávání délky. Pímá kontrola není v tomto pípad možná. Používá se pouze jedna mená hodnota. Je však možné kontrolovat kvalitu výsledného fotoplánu prostednictvím dalších mených délek, viz funkce mení dále. Na obrázku 16 je zachycena práce s transformaní tabulkou pi použití sít vlícovacích bod. Pi nadbyteném potu bod (více jak tyi) jsou pro každý bod vypoteny odchylky a ty jsou uvedeny v rámci transformaní tabulky. Uživatel má možnost body s velkými odchylkami vypnout a tak pesnost výsledného fotoplánu ovlivnit. Je možné zadat až devt zamených vlícovacích bod. Obr. 14: Zadávání jedné mené délky. V ostatních pípadech se používá transformace kolineární. Její použití již skýtá možnosti prbžné kontroly pesnosti a to v pípad zadání nadbytených mení. Jako vlícovací podklad je možné využít sí mených délek a sí vlícovacích bod, viz výše. Obrázek 15 dokumentuje prbh snímání a zadávání pi použití sít délek. Vzhledem k tomu, že jedna mená délka je ve tyúhelníku nadbytená, vypote software charakteristiku pesnosti tohoto vlícovacího podkladu. Od té se bude odvíjet celková pesnost fotoplánu. Pípadné natoení transformovaného snímku do správné polohy eší další funkce, viz dále. Obr. 16: Sí bod práce s transformaní tabulkou. Pro každou výše uvedenou možnost je po výpotu transformace uložen textový protokol (transformaní tabulka). Tuto tabulku je možné pozdji znovu naíst a k transformaci se tak vrátit (možnost editace, nové transformace aj.). Výsledkem provedené transformace je nový snímek. K tomuto snímku jsou uloženy do textového souboru jeho základní parametry (souadnice roh a nastavená skutená velikost pixelu). Na obrázku 17 jsou ukázány výše zmínné typy výstup z transformace. Obr. 17: Rzné typy výstup transformace. Obr. 15: Zadávání sít mených délek. SIMphoto další funkce Jádrem funkcionality softwaru jsou výše popsané transformace snímk. Dále zmínné funkce slouží k vytvoení kvalitních vstup a výstup. V rámci SIMphota byla vytvoena funkce pro odstranní distorze snímku na základ parametr zjištných kalibrací kamery v programu PhotoModeler. Zadávání parametr pi této funkci zachycuje obr. 18. DJINY STAVEB

6 Po provedené transformaci je možné nad vytvoeným fotoplánem mit délky. Tuto funkci lze využít nap. pi dalším posuzování pesnosti výstup, nebo pi zjiš ování délkových pomr objekt. V pípad poteby je také možné fotoplán natoit do požadované polohy prostednictvím jedné definované linie (svislice). Obr. 18: Zadávání parametr distorze. Do vytvoeného fotoplánu mže uživatel jednoduchým zpsobem vložit grafické mítko. Parametry mítka lze nastavit, jak dokumentuje obr. 19. Po potvrzení parametr se vytváí nový snímek, jehož je mítko nedílnou sou- ástí (obr. 17). U vtšiny funkcí program umožuje vrátit se o krok zpt. Program umožuje pímý tisk výstup v zadaném mítku do formátu pdf. Tvorbu tiskové sestavy ukazuje obr. 20. Z obrázku je patrné, jaké typy textových údaj mže uživatel zadat. Pro úely tisku dochází k oezu fotoplánu podle obdélníka definovaného uživatelem. Obr. 20: Tvorba tiskové kompozice. Jednosnímková metoda závrem Fotoplán jako produkt jednosnímkové fotogrammetrie je nejbžnji používaným fotogrammetrickým výstupem v památkové péi. Jednoduchost této technologie nabízí možnost, aby sami kolegové pracující v památkové péi (tedy Vy) tento produkt vytváeli. Pro dosažení kvalitních výstup je však vhodné mít alespo základní poznatky o dané technologii, o vlivech na pesnost a o její použitelnosti. V první ásti tohoto píspvku jsem se pokusil vymezit oblasti, kterými je poteba se pi jejím využívání zabývat. Ve druhé ásti píspvku pedstavuji software SIMphoto, který byl vytvoen na míru potebám koleg památká tak, jak jsem je z pozice fotogrammetra stihl poznat a pochopit. Software eší základní úlohy spojené s tvorbou fotoplán a je vhodný pro tvorbu fotoplán menšího rozsahu. Pracuje vždy s jedním snímkem. Pro tvorbu fotoplán velkého rozsahu, které jsou složeny z více snímk, je poteba použít software jiný (nap. software TopoL 9 ). V takových složitjších pípadech je z mého pohledu vhodné penechat fotogrammetrickou dokumentaci na specialistech. Vím, že tento píspvek Vám bude nápomocen pi Vaší dokumentaní innosti stejn jako vytvoený a zde pedstavený nástroj software SIMphoto. Obr. 19: Vkládání grafického mítka. SIMphoto web Software SIMphoto byl vytvoen v eské a anglické verzi. Aktuální verze je možné stáhnout z webových stránek projektu. 8 Na uvedených stránkách jsou také další materiály, jež se programu týkají (manuály, videa apod.). 8 Citace v pozn TopoL xt, 2011 webové stránky software [online] [vid ]. Dostupné z: < 6 DJINY STAVEB 2011

7 Technology of photomap creation, possibilities of using of free software SIMphoto Jindich Hoda Software SIMphoto was developed by David ížek within his thesis. Creation of this type of software was inspired by experience of the author of paper with use of single-image photogrammetry for documentation purposes in the area of Cultural Heritage. This method is widely used and its outputs (photomaps) are the most common photogrammetrical product used in this area. Technologies which are used for photomap creation, are however pseudo-photogrammetrical rather frequently, from photogrammetrician point of view. One of the reasons of this situation is an absence of simple tool for their creation. Numerous software for photomaps creation exist. Most of them are not so good available because of their high price. Their functionality is either highly redundant or insufficient. The developed software SIMphoto is tailor-made for needs of historian-architects and it was created as a free software. The system is therefore open to further development and is freely distributable. This paper is focused on presentation of the basic functionality of the software. The paper also shows a general procedures how is possible to create high-quality photomaps. FIGURES Fig. 1: image acquisition real configuration Fig. 2: perspectively distorted image Fig. 3: image acquisition ideal configuration Fig. 4: influence of lens distortion to image Fig. 5: lens distortion variability - zoom lens Fig. 6: calibration software PhotoModeler Fig. 7: image acquisition test field Fig. 8: lens distortion removing,,by hand (software ShiftN) Fig. 9: mesh of measured control points Fig. 10: mesh of measured distances Fig. 11: one measured distance Fig. 12: photomap distorted parts Fig. 13: software GIMP perspective distortion removing Fig. 14: setting of one measured distance Fig. 15: setting of mesh of measured distances Fig. 16: mesh of measured points work with transformation table Fig. 17: various types of results of transformation Fig. 18: setting of lens distortion parameters Fig. 19: setting of graphic scale Fig. 20: creation of print composition Tab. 1: software for photomap creation (Translation J. Hoda) DJINY STAVEB