NEMĚŘICKÉ KAMERY PŘI FOTOGRAMMETRICKÉM STUDIU PAMÁTKOVÝCH OBJKETŮ

Transkript

1 Univerzita Palackého v Olomouci Přírodovědecká fakulta Katedra geoinformatiky Martin ŠIMÍČEK NEMĚŘICKÉ KAMERY PŘI FOTOGRAMMETRICKÉM STUDIU PAMÁTKOVÝCH OBJKETŮ Bakalářská práce Vedoucí práce: RNDr. Jakub MIŘIJOVSKÝ Olomouc 2012

2 Čestné prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci bakalářského studia oboru Geoinformatika a geografie/geoinformatika vypracoval samostatně pod vedením RNDr. Jakuba Miřijovského. Všechny použité materiály a zdroje jsou citovány s ohledem na vědeckou etiku, autorská práva a zákony na ochranu duševního vlastnictví. Všechna poskytnutá i vytvořená digitální data nebudu bez souhlasu školy poskytovat. V Olomouci 13. květena 2012

3 Děkuji vedoucímu práce RNDr. Jakubu Miřijovskému za podněty a připomínky při vypracování práce. Dále děkuji všem, kteří pomáhali při terénní části práce.

4

5 OBSAH SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK... 7 ÚVOD CÍLE PRÁCE SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY FOTOGRAMMETRIE A JEJÍ PRINCIPY Dělení fotogrammetrie Dělení dle polohy stanoviska Dělení dle počtu vyhodnocovaných snímků Dělení dle technologického způsobu zpracování Dělení dle typu výstupu Principy fotogrammetrie Centrální projekce Prvky vnitřní orientace Prvky vnější orientace Matematické základy Rovnice kolinearity NEMĚŘICKÉ KAMERY Použité kamery a objektivy VLASTNÍ ŘEŠENÍ Kalibrace Použitá kalibrační pole Snímkování Kalibrace v programu PhotoModeler Kalibrace v programu iwitness Aplikace průsekové fotogrammetrie Snímkování Modelování v programu PhotoModeler Aplikace jednosnímkové fotogrammetrie Snímkování Zpracování v software Aplikace stereofotogrammetrie Snímkování Zpracování snímků

6 6 VÝSLEDKY Vyhodnocení kalibrace neměřických kamer Vyhodnocení 3D modelů v programu PhotoModeler Vyhodnocení fotoplánů Vyhodnocení stereofotogrammetrických snímků DISKUZE ZÁVĚR POUŽITÁ LITERATURA A INFORMAČNÍ ZDROJE SUMMARY PŘÍLOHY 6

7 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK Zkratka Význam CAD Computer Aided Design CCD Charge-Coupled Device CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor DXF Drawing Exchange format GPS Global Positioning System IMU Inercial Measurement Unit JPEG Joint Picture Experts Group KML Keyhole Markup Language PDF Portable Document Format RMS Root Mean Square TIFF Tag Image File Format VRML Virtual Reality Modeling Language VÚGTK Výzkumný ústav geodetický, topografický a kartografický 7

8 ÚVOD V dnešní době výpočetní technika zaznamenává největší technický pokrok. Tento pokrok, mířící mílovými kroky stále vpřed, činí tuto techniku každodenní součástí našeho života. Do tohoto odvětví spadá i pořizování obrazových záznamů pomoci stále levnějších a dostupnějších digitálních fotoaparátů. Tyto přístroje dostávají do rukou nejen obyčejní lidé, ale s klesající cenou a snazší dostupností oproti drahým a profesionálním kamerám, dávají těmto přístrojům přednost i odborná pracoviště zabývající se například archivací historických objektů. Odborně je pro tyto fotoaparáty používán termín neměřické kamery. Aby se těmito kamerami mohly pořizovat měřické snímky a z nich následně vytvářet fotoplány a 3D modely například historické architektury, je potřeba zjistit parametry těchto kamer, které jsou pro fotogrammetrické použití nezbytné, ale běžně neuváděné. S klesající cenou však hrozí i nižší kvalita zpracování samotných přístrojů, i když ne vždy to musí být pravidlem. A tak se naskytuje otázka, zda-li je možné použít všechny momentálně na trhu nabízené neměřické kamery. Popřípadě zda-li tyto kamery poskytnou dostatečnou kvalitu ve výsledcích pořízených metodami fotogrammetrie. 8

9 1 CÍLE PRÁCE Cílem bakalářské práce je podrobně popsat jednotlivé možnosti využití fotogrammetrie při studiu památkových objektů. Práce se podrobně zabývá celým procesem od kalibrace až po finální zpracování snímků. Nedílnou součástí práce je tvorba fotoplánů. Práce předpokládá práci v terénu i v laboratoři. Výstupem práce je kompletní slovní, statistické a grafické zhodnocení možností využití fotogrammetrie při studiu památkových objektů, včetně tvorby fotoplánů vybraných staveb. Řešení cíle bakalářské práce se zaměřilo na testování technických vlastností a použitelnosti neměřických kamer pro užití různých metod fotogrammetrie, pro něž nebyly tyto přístroje v podstatě konstruovány. Přínosem této práce je poskytnout informace o vhodnosti různých druhů použitých kamer pro fotogrammetrické studium nejen odborné společnosti, řešící tuto problematiku, ale i veřejnosti. Především jednotlivcům, zabývajícím se tvorbou 3D modelů prostřednictvím fotografického záznamu. 9

10 2 SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY Neměřické kamery využívané k fotogrammetrickým účelům v podobě tvorby fotoplánů, nebo modelování, jsou velice zajímavé téma, avšak publikací je relativně málo. Touto problematikou se zabývají lidé či instituce zaměřené především na samotnou fotogrammetrii. Nejrozšířenější částí tématu neměřických kamer ve fotogrammetrii je jejich kalibrace. Nejznámější publikací řešící problematiku kalibrace a zároveň nejbohatším zdrojem informací je Fotogrammetrie 10 (Pavelka, K., 2003). Avšak použití neměřických kamer ve fotogrammetrii komentuje jen okrajově. Dále se problematikou zabývá práce Kalibrace neměřických digitálních kamer (Štefanová, E, 2006), která pojednává o kalibraci pomocí prostorových a rovinných kalibračních polí v programu CameraCalibraor a Matlab. Obdobnou prací je i "Polní kalibrace" v systému firmy EOS Systems INC.-PhotoModelerPro 4.0 (Podstavek, J., 2003). Kalibrací se zabývá i práce Kalibrace orientačních systémů a středo-formátových kamer pro letecké snímkování (Hanzl, V. a Sukup, K., 2006). Ale již z názvu je patrné, že je zaměřena na fotogrammetrii leteckou, nikoli blízkou. Téma kalibrace kamer bylo řešeno i na půdě Univerzity Palackého v Olomouci. Touto tématikou se zabývala práce Srovnání vhodnosti použití pozemních fotogrammetrických metod pro vizualizaci geomorfologických objektů Libora Hladiše (2009). Tuto problematiku řešila ve své práci Tvorba 3D modelů geomorfologických objektů ze stereodvojic i Marie Štěpánová (2012). Ze zahraniční literatury se kalibrací a použitelností neměřických kamer zabývá práce Experience using non-metric cameras in photogrammetry (Rodríguez, B. D. D. a kol, 2008). Pojednává o aplikaci principů fotogrammetrie za pomocí neměřických kamer za účelem restaurování fasád, které jsou součástí kulturního dědictví Staré Havany. Výše zmíněné práce se zabývají především procesem kalibrace. Avšak práce 3 x 3 pravidla pro jednoduchou fotogrammetrickou dokumentaci architektury (Hodač, J., 2004) podává stručný a ucelený popis jak samotné snímky co nejlépe pořizovat a vyvarovat se chybám během snímkování. 10

11 3 FOTOGRAMMETRIE A JEJÍ PRINCIPY Fotogrammetrii lze zařadit mezi vědní obory, zabývající se získáváním informací o předmětech na základě přesného měření. Existuje více definicí fotogrammetrie, ale jejich znění se v průběhu času mění v závislosti na použitých technologiích a metodách, které se stále zlepšují a zdokonalují a v závislosti na využití a zpracování výsledků. Obecná definice fotogrammetrie dle K. Pavelky (2003) zní: "Fotogrammetrie je věda, způsob a technologie, která se zabývá získáváním dále využitelných měření, map, digitálního modelu terénu a dalších produktů, které lze získat z obrazového, nejčastěji fotografického záznamu." Slovo fotografie vychází ze složení dvou řeckých slov fotos (světlo) a graphos (kresba). Tradiční fotogrammetrie vychází z fotografického záznamu. Fotografický záznam lze provádět klasickou formou analogové světlocitlivé vrstvy nebo dnes již nejrozšířenější a v mnoha ohledech výhodnější digitální formou. Pro získání fotografie lze použít zařízení s různou výstupní přesností, od běžných digitálních fotoaparátů až po speciální měřické komory určené pro fotogrammetrické snímkování. Pořízený snímek slouží k zachycení reality. Na základě polohy bodů na snímku lze odvozovat tvar, velikost, umístění objektu v prostoru, vzájemnou prostorovou polohu jednotlivých bodů, vyhodnotit polohopis a výškopis a zjišťovat další vlastnosti. Pojmu fotogrammetrie (složenina slov fotos - světlo, gramma - záznam a metrie - měření) bylo prvně použito v roce 1858 německým inženýrem Albrechtem Meydenbauerem. V roce 1861 Francouz Aimé Laussedat, který byl průkopníkem letecké fotogrammetrie a její aplikace v kartografii, použil fotografie země k tvorbě topografických map. Od okamžiku, kdy bylo poprvé fotogrammetrie použito, uběhlo víc než 150 let a během této doby prošla různorodým vývojem. První půlstoletí bylo ve znamení hledání uplatnění nové metody, zkoumání matematických základů a pořizování snímků. Technologicky se používalo jen principu pozemní průsekové fotogrammetrie. V průběhu prvních padesáti let 20. století se začalo využívat principů stereoskopie a leteckého snímkovaní, a jejich aplikace vedla ke konstrukci řady důmyslných analogových přístrojů pro vyhodnocení snímků a dalších inovací, které vedly ke zdokonalení fotogrammetrie. Dle K. Pavelky (2003) se za posledních 50 let změnila koncepce fotogrammetrie díky velkému rozvoji počítačů. Postupně se používalo analytických metod, poté se přešlo na metody digitální, které znamenaly zásadní technologickou změnu a v současnosti jejich využití zcela převládlo. Vznikem družicové fotogrammetrie a laserového skenování ve spojení s digitální fotogrammetrií se zcela mění pohled na 3D dokumentaci objektu a prostoru. 3.1 Dělení fotogrammetrie Dle K. Pavelky (2003) lze fotogrammetrii dělit dle několika kriterií podle: polohy stanoviska, počtu a konfigurace vyhodnocovaných snímků, 11

12 technologického způsobu zpracování, typu výstupu Dělení dle polohy stanoviska Z geodetického hlediska je stanovisko bod zemského povrchu, na který je stroj centrován či dostředěn (Lecyklopædia, 2012). V podstatě se jedná o pozici kamery vůči objektu při snímkování. Dle polohy stanoviska rozdělujeme fotogrammetrii na: Pozemní (blízká) fotogrammetrie V této metodě je stanovisko zpravidla nepohyblivé, umístěné na Zemi. Při fotografování máme čas i technické možnosti přesně geodeticky určit souřadnice stanoviska i prostorovou orientaci snímku. Tímto je zpracování snímku jednodušší. Nedostatkem pozemní fotogrammetrie ovšem je, že jednotlivé předměty měření jsou vzájemně zakrývány a snímek obsahuje často značnou část nevyhodnotitelných oblastí (zakryté prostory). Pozemní fotogrammetrie je vhodná pro dokumentaci objektů, které jsou přibližně ve stejné vzdálenosti (fasády domů, strmé břehy říčních koryt apod). Její dosah záleží na konstantě komory a je maximálně 500 metrů (Böhm, 2002). Trend poslední doby jsou speciální aplikace pozemní fotogrammetrie, které lze najít v mnoha odlišných oborech od designu až po strojírenství. Velký rozvoj v oblasti dokumentace objektů je dán cenově dostupnými digitálními kamerami a zpracovatelskými programy. Význam blízké fotogrammetrie stále vzrůstá. Letecká fotogrammetrie Při užití této metody je stanovisko pro pořízení snímku umístění v letadle či, jiném pohybujícím se dopravním prostředku. Na snímku je zobrazena daleko větší plocha než u pozemní fotogrammetrie. Metoda má ovšem nevýhodu v podobě obtížného určení polohy snímku v době jeho pořízení a tím pádem jsou i způsoby zpracování komplikovanější. Při snímání je požadováno aby byly pořizovány kolmé snímky s přibližně stejnou vzdáleností objektů od místa fotografování, čímž je zajištěna podobná přesnost snímků. Díky GPS/INS možno určovat prvky vnější orientace přímo za letu. Družicová fotogrammetrie Družicových snímků se užívá pro například tvorbu fotomap. Civilní uplatnění této metody bylo umožněno po startu družice Spot-1 v roce 1984 (Pavelka, 2003). Snímky získané družicovou fotogrammetrií není možno vyhodnotit na běžných zařízeních a je potřeba speciálních programových vybavení. Tato metoda je považována za speciální a rozlišení komerčních družic je lepší než 1 metr Dělení dle počtu vyhodnocovaných snímků Jednosnímková fotogrammetrie Je využíváno samotných měřických snímků. Jelikož lze na snímku měřit pouze rovinné souřadnice, lze jednosnímkovou fotogrammetrií určit opět jen rovinné souřadnice předmětu měření. Tímto lze metodu použít pouze pro objekty rovinné nebo blízké rovině. 12

13 V pozemní fotogrammetrii se využívá jednosnímkových metod pro tvorbu fotoplánů rovinných objektů (např. málo členité fasády domů). V letecké fotogrammetrii, kde bývá osa záběru svislá, lze jednosnímkovou metodou vyhodnocovat polohopisnou složku mapy rovinného území. Vícesnímková fotogrammetrie Slouží pro 3D zpracování a je potřeba aspoň dvou vzájemně se překrývajících snímků. Předmět měření musí být zobrazen na obou snímcích a ze snímkových souřadnic na snímcích lze vypočítat jeho prostorovou 3D polohu. Využijeme-li k vyhodnocení stereoskopického vjemu, mluvíme o tzv. stereofotogrammetrii. Vzhledem ke své univerzálnosti je stereofotogrammetrie nejvíce využívána. Patří zde i průseková fotogrammetrie,zabývající se zjišťováním geometrických vlastností objektů. Princip této metody spočívá v protínání os záběrů měřických snímků pod velkým konvergentním úhlem nejlépe 90 (slovník VUGTK, 2012). Součástí vícesnímkové fotogrammetrie je i vícesnímkové prostorové protínání. V podstatě se jedná o průsekovou fotogrammetrii, kdy osy záběru snímku jsou vůči sobě konvergentní. Konvergentně orientované snímky lze vyhodnotit na základě identifikace bodu na dvou snímcích Dělení dle technologického způsobu zpracování Dle technologického zpracování snímků lze fotogrammetrii, respektive metody zpracování, dělit na metody analogové, analytické a digitální. Hlavním rozdílem je, že se různé vstupy v podobě snímků (analogového či digitálního) zpracovávají různými přístroji. Například při analogické metodě je k vyhodnocení snímku využíváno mechanických či optických metod a u digitální metody je veškeré vyhodnocení provedeno v počítači, který bývá úrp tyto specifické práce speciálně vybaven Dělení dle typu výstupu Výstupy mohou být v podobě grafické nebo číselné (numerické). Grafické výstupy vznikají vyznačováním na kreslícím stole, do kterého je přes vyhodnocovací zařízení posílán výsledek vyhodnocení snímku. Výsledkem je kartografický originál s polohopisnou a výškopisnou složkou mapy. Pro zkušeného pracovníka je metoda relativně rychlá, avšak dnes již zastaralá, bez možnosti dalšího zpracování výpočetní technikou. Princip číselných výstupů spočívá v tom, že se souřadnice jednotlivých vyhodnocených bodů registrují do paměti počítače či jiného datového zařízení, jako je například harddisk, a do výsledné podoby se zpracovávají ve speciálním software. Výsledky jsou v rastrové nebo vektorové formě a lze je libovolně editovat, ukládat a přenášet. 13

14 3.2 Principy fotogrammetrie Centrální projekce Základními prvky centrální projekce je snímaný předmět, střed projekce centrálního promítání, za který považujeme střed objektivu, a obrazová rovina reprezentovaná citlivou vrstvou filmu, dnes CCD čipy. Paprsky od předmětových bodů na P1, P2... snímaného objektu procházejí středem objektivu a pokračují na fotografickou vrstvu, na které tvoří obraz P'1, P'2..., jak lze vidět na obrázku 3.1 (Böhm, 2002). Obrázek 3.1 Princip centrální projekce (zdroj: Böhm, 2002) Prvky vnitřní orientace Prvky vnitřní orientace se týkají především kamery samotné, resp. jejího objektivu, určují vztah projekčního centra a roviny snímku. Prvním prvkem je konstanta komory, nebo taktéž ohnisková vzdálenost (zn. f). Jedná se o údaj, který říká, jak daleko je střed optické soustavy objektivu od snímače kamery. Čím menší je hodnota ohniskové vzdálenosti, tím větší je úhel záběru kamery. Dalším prvkem je poloha hlavního bodu (zn. H'). Dle J. Böhma se v podstatě jedná o polohu paty kolmice, která představuje paprsek procházející v předmětovém prostoru středním promítáním, na obrazové rovině (viz obrázek 3.2). Posledním prvkem je distorze objektivu, která je způsobena nepřesným urovnáním konstrukčních prvků objektivu do ideální optické osy. Z tohoto důvodu dochází k rozdílu úhlu vstupujícího paprsku a úhlu vystupujícího paprsku, tzn. ohyb paprsků, a poloha zobrazovaného bodu na snímku se s drobnými odchylkami liší od správné polohy (Pavelka, 2003). 14

15 Obrázek 3.2 Prvky vnitřní orientace (zdroj: LPS User's Guide) Prvky vnější orientace Prvky vnější orientace určují vztah projekčního centra k vnějším souřadnicím a orientaci osy záběru vůči souřadnicovým osám. Jejich zjištění se dnes provádí například v letadle pomocí GPS/IMU (globálního polohového systému/inerciální měřící jednotky). Dle J. Böhma je šest prvků vnitřní orientace, které určují polohu fotogrammetrického svazku paprsků v prostoru. Jsou to: a) prostorové souřadnice x 0, y 0, z 0 stanoviště, tzn. středu optického systému, b) směr osy záběru, resp. rotace, tzn. vodorovný úhel, který svírá průmět osy záběru s určeným stanoveným směrem, označován ω, c) sklon osy záběru, měřený ve svislé rovině od horizontály, nebo jeho doplněk měřený od vertikály, označován φ, d) pootočení, tj. úhel, který vyjadřuje otočení snímku ve vlastní rovině kolem osy záběru, označován κ. Obrázek 3.3 Úhly pootočení snímku (zdroj: LPS User's Guide). 15

16 Obrázek 3.4 Znázornění prvků vnější orientace (zdroj: LPS User's Guide). 3.3 Matematické základy Rovnice kolinearity Na základě znalosti prvků vnější orientace lze provést transformaci mezi souřadnicovými systémy, kdy snímkové souřadnice jsou sladěny se souřadnicemi geodetickými. Z transformací kolem jednotlivých os x, y, z o úhly ω, φ, κ vznikne matice rotace: Po dosazení matice rotace do rovnic: které vycházejí z vektorů: ; (1) a = (x p - x 0, y p - y 0, -f); A = (X p - X 0, Y p - Y 0, Z p - Z 0 ) (2) 16

17 kde: a = k * A (3) a k představuje měřítkové číslo, získáme rovnice kolinearity: r11 x = x0 f r13 y = y 0 r 21 f r13 ( X X 0) + r12( Y Y 0) + r13( Z Z 0) ( X X 0) + r 23( Y Y 0) + r 33( Z Z 0) ( X X 0) + r 22( Y Y 0) + r 23( Z Z 0) ( X X 0) + r 23( Y Y 0) + r 33( Z Z 0) Díky této transformaci je dodržena podmínku kolinearity, která říká, že projekční centrum, bod v terénu a jeho obraz na snímku leží v jedné přímce (Bělka, 2009). (4) (5) 17

18 4 NEMĚŘICKÉ KAMERY Kamery dělíme na měřické, částečně měřické a neměřické (Hanzl, Soukup, 2001). Měřické kamery jsou určeny pro měřické účely a jejich prvky vnitřní orientace jsou známy s vysokou přesností a jsou stabilní. Zkreslení je velmi malé, proto jej lze často zanedbat. Částečně měřické kamery lze považovat za mezistupeň mezi kamerami měřickými a neměřickými. Jedná se o kamery, které jsou doplněny o mřížku (reseau) v rovině snímku. Tyto křížky se promítnou na samotný snímek a jejich pomocí je z velké části eliminována deformace filmu. S těmito kamerami lze dosahovat přesnosti kamer měřických, ale před jejich použitím musí být kalibrací zjištěny prvky vnitřní orientace a zkreslení. Poslední, neměřické kamery, jsou fotoaparáty, jejichž prvky vnitřní orientace jsou částečně, nebo úplně neznámé a bývají nestabilní. Neměřické kamery se užívají hlavně v blízké, nebo velmi blízké fotogrammetrii, kde přesnost určení geodetických souřadnic je ještě dostatečná. Tyto kamery je optimální používat ke snímkování přibližně do přibližně 15 metrů, i když tato vzdálenost není limitující. Pokud není provedena kalibrace komory a není možnost určit průběh (hodnoty) radiální distorze a její začlenění do výpočtu, je nutno si uvědomit, že u okraje snímku mohou hodnoty radiální distorze dosáhnout 200 µm. Tento fakt umožňuje využit jen oblast přibližně 60% kolem středu snímku (Pavelka, 2003). 4.1 Použité kamery a objektivy V rámci této práce bylo k porovnání použito dvou neměřických kamer.jedná se o digitální zrcadlovku Canon a digitální kompaktní fotoaparát Fujifilm. Jedná se o přístroje různé konstrukce, kvality a cenové kategorie. Představení v podobě nejdůležitějších parametrů jednotlivých kamer lze vidět níže (viz Tabulka 4.1). Tabulka 4.1 Základní parametry použitých kamer. Kamera Canon EOS 500D Fujifilm S8000fd Typ kamery Digitální zrcadlovka s výměnnými objektivy Typ snímače CMOS CCD Digitální kompakt s ultrazoom objektivem Velikost snímače [mm] 22,334 x 14,889 5,8752 x 4,4064 Rozlišení snímače [px] 4752 x x 2448 Poměr stran snímače 3:2 4:3 Velikost pixelu [µm] 4,7 1,8 Objektiv Canon EF-S mm Fujinon Lens 18

19 Objektiv Canon EF-S mm EF-S mm (model EW-60C) je standardní a kvalitní objektiv firmy Canon. Objektiv je vhodný pro většinu klasických fotek díky širokému ekvivalentu ohniskové vzdálenosti mm. Objektiv disponuje automatickým ostřením, které funguje už od vzdálenosti přibližně 25 cm. Má moderní čtyř krokovou stabilizaci obrazu Canon Image Stabilizer a kruhovou clonou objektivu (M. Kvapilík, 2011). Objektiv Fujinon Lens Jedná se o standardní ultrazoom objektiv firmy Fujifilm, jehož největší předností je 18ti násobný zoom. Je také vybaven optickou stabilizací obrazu a inteligentní detekcí obličeje. Objektiv je vhodný spíše na venkovní focení, z něhož pořídí velice kvalitní snímky. Nevýhodou je horší kvalita snímků při focení v interiérech. Obrázek 4.1 Kamra Canon EOS 500D (zdroj: Obrázek 4.2 Kamera Fujifilm S8000fd (zdroj: 19

20 5 VLASTNÍ ŘEŠENÍ Následující kapitola popisuje samotné dílčí části praktické práce. Nejprve byla provedena kalibrace použitých kamer. Z jejich výsledků se dále vycházelo při zpracování snímků pořízených základními metodami fotogrammetrie v jednotlivých software. 5.1 Kalibrace Dle K. Pavelky (2003) se kalibrací rozumí určení vlastností fotografického přístroje, zejména zjištění prvků vnitřní orientace, což jsou: konstanta komory (ohnisková vzdálenost v milimetrech, označení: f nebo c), poloha hlavního snímkového bodu (souřadnice hlavního bodu, označení: x 0,y 0 ), radiální distorze objektivu (označení K, K2, K3). Kalibraci je možno provádět několikerým způsobem a lze ji rozdělit na tři základní druhy. Jednotlivé druhy jsou dány různým referenčním objektem, místem a časem kalibrace. Jedná se o kalibraci laboratorní, simultánní a kalibraci pomocí testovacího pole. Avšak ne všechny způsoby kalibrace jsou vhodné pro tuto konkrétní práci, jejímž cílem je otestovat vhodnost a přesnost neměřických kamer. Například laboratorní kalibrace se provádí pouze pro měřické kamery se speciálními přístroji a na specializovaných pracovištích. Vhodnou a nejčastěji používanou kalibrací pro digitální neměřické kamery je kalibrace pomocí testovacího pole. Princip této metody spočívá ve snímkování rovinného, nebo prostorového testovacího (kalibračního) pole z několika optimálně konfigurovaných stanovisek, ze kterých je pořízeno konvergentních snímků s vhodným úhlem protnutí os záběru. Je popsáno mnoho principů jak volit polohu stanoviska, ale všechny se shodují v dodržení zásad průsekové fotogrammetrie jako konvergence os a natáčení kamery o 90 pro fixaci polohy hlavního snímkového bodu. V práci bylo použito především volby stanovisek a snímkování dle tutoriálu k programu PhotoModeler, která bude popsaná níže. Během práce bylo použito rovinných i prostorových testovacích polí. Jedná se o bodová pole ze speciálních terčů, nebo "matici" bodů se čtyřmi specifickými hlavními body. Jednotlivá pole jsou zobrazena a popsána níže. V rámci ověření výsledků bylo vytvořeno improvizované prostorové kalibrační pole, složené ze všech použitých polí, kterým byla dodána prostorová složka vyvýšením nad rovinu Použitá kalibrační pole Kalibrační pole programu PhotoModeler Small Sheet Pole je součástí programu PhotoModeler v souboru pdf. Rovinné pole se skládá z matice bodů, která obsahuje deset x deset bodů, kde čtyři z nich jsou speciálně vyznačeny (viz Obrázek 5.1). 20

21 Obrázek 5.1 Kalibrační pole PhotoModeler Small Sheet (zdroj: PhotoModeler 6 User Guide). Kalibrační pole programu PhotoModeler Large Sheet Toto pole je stejně jako předchozí součástí programu PhotoModeler ve formátu pdf. Je podobné jako pole výše, ale s tím rozdílem, že matice se skládá ze 144 bodů, tedy 12 na 12 bodů (viz Obrázek 5.2). Pole se tiskne na velký formát 36 x 36 palců (90 x 90 centimetrů) a slouží především ke kalibraci kamer s vysokým rozlišením, popřípadě pro kalibraci, kdy v rámci projektu budou snímány velké objekty nebo scény (PhotoModeler 6 User Guide). Obrázek 5.2 Kalibrační pole PhotoModeler Large Sheet (zdroj: PhotoModeler 6 User Guide). Kalibrační pole Multisheet Jedná se o prostorové kalibrační pole složené ze 75 speciálních bodů na 15 listech formátu A4. Pole se rozkládá po třech listech na šířku a pěti na výšku. Dvě krajní části jsou podloženy, například knihami, čímž se přidá prostorová složka (viz Obrázek 5.3). Pole je součástí novějších verzí programu PhotoModeler Scanner, ale použitá starší verze programu neumožňuje kalibraci pomocí tohoto pole. 21

22 Obrázek 5.3 Kalibrační pole Multi-sheet (autor: M. Šimíček, 2011). Kalibrační pole programu iwitness Základní prostorové kalibrační pole programu iwitness. Pole je složeno z 15ti bodů na celkem šesti listech papíru formátu A4. Prostorová složka je opět docílena vypodložením libovolného listu (viz Obrázek 5.4). Obrázek 5.4 Kalibrační pole programu iwitness (autor: J. Miřijovský, 2011). Improvizované kalibrační pole Pole bylo vytvořeno rozložením všech použitých polí. Jedná se o prostorové pole. V libovolně zvolených místech bylo vypodloženo do výšky, čímž byla dodána prostorová složka (viz Obrázek 5.5). 22

23 5.1.2 Snímkování Obrázek 5.5 Improvizované kalibrační pole (autor: M. Šimíček, 2011). Výše již bylo zmíněno, že bylo použito volby stanoviska dle video tutoriálu programu PhotoModeler. Stanoviska byla rozmístěna na každou stranu kalibračního pole, tudíž osy záběru stanoviska byly 90, a na každém stanovisku byly pořízeny snímky v normální poloze kamery a v poloze otočené ve vlastní rovině o 90 na každou stranu. Z jednoho snímkování vzniklo 12 snímků. Tato volba stanovisek byla použita ve většině případů. Ale například při snímkování kalibračního pole programu iwitness bylo pořízeno pouze osm snímků, kamera byla otáčena o 90 jen na jednu stranu. Při snímkování je nutno dodržet několik podmínek, zajišťujících kvalitu kalibrace. Je nastaveno nejvyšší možné rozlišení snímku kamery a vypnuto automatické ostření, pokud to ovšem kamera umožňuje. U objektivů typu zoom je nastaveno přiblížení do krajní polohy. Po vytvoření snímků se snímky nesmí jakkoli upravovat, například ořezávat a podobně. Snižuje se tím jejich původní kvalita a rozlišení a snímky se stávají pro kalibraci nepoužitelné. Kalibrace je velmi závislá na kvalitě snímků, které se použijí pro výpočet parametrů použité kamery. V případě digitálních kamer lze určit pouze systematickou chybu objektivu a tím zvýšit přesnost výsledků. Systematická chyba objektivu je v čase proměnlivá a je tedy optimální kalibraci provádět před snímkováním objektu, což je ale časově relativně náročné. Jak již bylo řečeno bylo použito více kalibračních polí. Z výsledků by tak mělo být možné, jak velký význam má volba kalibračního pole na samotnou kalibraci a jakých odchylek budou výsledné hodnoty dosahovat Kalibrace v programu PhotoModeler Program vytváří několik druhů projektů. Jeden z projektů je určen přímo ke kalibraci kamer. Po spuštění programu se zvolí ve startovacím okně možnost 'Camera Calibration project'. Objeví se menu pro nahrávání snímků, kde se vyberou ze složky potřebné snímky. Dalším krokem je okno, kde se již samotná kalibrace spouští tlačítkem 'Execute 23

24 Calibration'. Kalibrace je zcela automatická a uživatel do ní nemusí nějakým způsobem zasahovat. Výsledek kalibrace se zobrazí v okně a je možnost jej uložit do textového souboru. Kalibrace se v tomto projektu musí provádět dvakrát. To proto, že po první kalibraci se vypočte ze snímku velikost snímače, která se blíží skutečné hodnotě, ale tato hodnota není přesná a výsledky kalibrací se mohou lišit. Proto se po první kalibraci upraví hodnoty 'Format Size' v záložce 'Project, Cameras' a kalibrace se spustí znovu. Při ukončování kalibrace je programem nabídnuta možnost, zda přidat kalibrovanou kameru do databáze kamer, což je výhodou, jelikož program při následném nahrání snímků, pořízených stejným přístrojem, automaticky rozpozná a nabídne ke zpracování snímků parametry kalibrované kamery. Kalibrované kameře bylo přidáno označení, které umožnilo kameru rychleji nalézt v seznamu nabízených kamer. Nevýhodou této kalibrace v tomto programu je užití pouze rovinných polí dodávaných k programu Kalibrace v programu iwitness Proces kalibrace v tomto programu je pracnější a časově náročnější, jelikož není automatizován a je potřeba pomoci uživatele. Nejprve je do programu nahráno potřebné množství snímků přes nabídku 'File' a 'Import Images'. Objeví se 'Image Browser', kde jsou vybrány potřebné snímky. Po kliknutí na tlačítko 'OK' program ze snímků rozpozná o jakou kameru se jedná a automaticky vybere parametry kamery ze své databáze. Pokud se kamera v databázi nenachází, je potřeba manuálně navoli základní požadované parametry. Následně jsou na jednotlivých snímcích spojovány body, které se těchto snímcích objevují. K tomu slouží nástroj 'Point Referencing mode'. Právě tato činnost je na celé kalibraci v tomto programu časově nejnáročnější. Dále bylo otevřeno okno s parametry kamery a tlačítkem 'Run Calibration Bundle' spuštěna kalibrace. Po kalibraci komory je možno si zobrazit 'Distorsion Grid', který ukazuje, kde se na snímku projevuje distorze objektivu, a křivku distorze ('Distorsion Curves'). Pomocí 3D pohledu lze zobrazit stanoviska a jak bylo z kterého stanoviska pole snímáno. V programu je možné kalibrovat všechna kalibrační pole, jelikož spojování bodů je založeno na zadání uživatelem. Nevýhodou oproti PhotoModeleru je neschopnost uložení výsledků kalibrace do textového souboru. 24

25 Obrázek 5.6 Vliv radiální distorze na snímku. Obrázek 5.7 Křivka radiální distorze. Obrázek 5.8 3D pohled na rozmístění stanovisek a úhly snímání. 25

26 5.2 Aplikace průsekové fotogrammetrie Jako objekt snímkování byla vybrána boží muka nad tratí u bývalé cesty na Nedvězí z 19. století. Objekt se nachází na Kopretinové ulici v Nemilanech u Olomouce. Objekt je pro své rozměry a jednoduchost vhodný k porovnání neměřických kamer pro fotogrammetrické účely. Obrázek 5.9 Boží muka v Nemilanech a jejich snímkování (autor: M. Šimíček, H. Uhrová, 2012) Snímkování Před samotným snímkováním musí být dodrženo několik pravidel, která mohou ovlivnit především přesnost následného fotogrammetrického vyhodnocení. V prvé řadě byly změřeny kontrolní délky mezi body, vyznačenými na objektu černými značkami. Údaje sloužící k udání rozměru byly měřeny pásmem a měly hodnotu 100 centimetrů ve svislém a 70 centimetrů ve vodorovném směru. Hodnoty měřených délek jsou zvoleny zcela náhodně, dle uvážení uživatele a dle možnosti jejich vyznačení na objektu. Delší měřená délka je svislá, čímž byla definovaná svislice, která při vyhodnocení určuje orientaci objektu. Kromě kontrolních hodnot byly na objektu změřeny i délky vybraných hran pro výsledné porovnání modelu s realitou. Dalším krokem byl návrh optimální konfigurace snímků během snímkování. Snímaný objekt by měl být nafotografován kolem dokola s překryvem snímků více než 50%, je-li to možné, z poloviční výšky objektu a vodorovnou osou záběru.sada vytvořených snímků musí obsahovat šikmé snímky, které spojují dva sousední snímky a jsou na nich zachyceny dvě stěny objektu, a frontální snímky ucelených částí, jako jsou jednotlivé stěny a fasády, pro celkový přehled, popřípadě pro vyhodnocení pomocí jednosnímkové fotogrammetrie (Hodač, 2004). Během snímkování nesmí být používán zoom. U kamer se zoom objektivem musí být nastaven do krajní širokoúhlé polohy (označovanou písmenem W). Ostření bylo nastaveno na nekonečno a použito u všech snímků. Pokud kamera neumožňuje zaostření na nekonečno, lze snímkování provést, avšak musí se počítat s možnými problémy, či chybami v přesnosti výsledku. Během snímkování byl použit stativ, aby byl obraz snímku ostrý, dobře viditelný a s dostatečným kontrastem. Kamery měly nastaveny největší možné rozlišení snímků. Po vytvoření snímku nesmí být tento snímek jakkoli upravován, 26

27 ořezáván a podobně. Mnohá z výše zmíněných pravidel byla použita i u kalibrace kamery (viz výše). Snímkování by mělo být prováděno za optimálního počasí, které zajistí vhodné světelné podmínky. Je ale vhodnější, pokud je během snímkování zataženo. Ostré kontrasty způsobené sluncem (osvětlené a zastíněné části objektu) mohou způsobit jistou barevnou nerovnoměrnost textur povrchu ve finálním modelu objektu. Výsledkem snímkování byla série fotek pro každou použitou kameru. Kamerou Canon EOS 500D bylo pořízeno 17 snímků a kamerou Fujifilm S8000fd 19 snímků. Vždy bylo nafoceno osm základních snímků s úhlem 45 mezi osami stanovisek a další byly snímky zachycující detail objektu, v podobě průzoru. Zobrazení stanovisek snímků, použitých při modelování v programu PhotoModeler, lze vidět na obrázku Obrázek 5.10 Rozmístění stanovisek kamer Modelování v programu PhotoModeler Jak již bylo zmíněno výše, program PhotoModeler vytváří několik druhů projektů. Nejvhodnějším typem projektu pro modelování objektu ze snímků pořízených průsekovou fotogrammetrií je Points-based project (projekt na bázi identifikace bodů). Ve startovacím okně byla tedy zvolena tato možnost. Poté byly přes okno pro výběr snímků nahrány snímky. Po nahrání snímků se zobrazilo okno, ve kterém měla být vybrána kamera. Jak již bylo zmíněno, kamera byla po kalibraci uložena do databáze kamer programu. Byla zvolena jedna z kalibrovaných kamer, dle zpracovávaných snímků. Parametry kamery se ale dají dle potřeby měnit i během projektu. Tato možnost je v záložce Project položka Camera. Projekt na bázi identifikace bodů funguje na principu spojování jednotlivých bodů na dvou či více snímcích. Dvojklikem se otevře snímek v okně Photo Windows a na něm se pomocí funkce Mark Points Mode určí body, například v místech lomů, rohů, začátků a konců hran a podobně. Následně lze otevřít ostatní snímky, na kterých se tyto body identifikují nástrojem Referencing Mode, pokud jsou na daném snímku viditelné. Poté se spustí Processing. Jedná se o proces, který opakuje posloupnost kroků (výpočtů) tolikrát, 27

28 kolikrát je nutné, aby určil polohu každého bodu ve třech dimenzích a minimalizoval celkovou chybu (PhotoModeler Manual). Po dokončení Processingu lze v okně 3D View Windows vidět polohu bodů. Obrázek 5.11 Množina identických bodů v okně 3D View programu PhotoModeler. Processing je vhodné provádět podle uvážení, například co 5-10 referencovaných bodů. Může se stát, že jeden bod neumožní úspěšně provést Processing, jelikož program vypíše během procesu chybovou hlášku, že poloha bodu narušuje orientaci snímků. V takovém případě je jediným řešením daný bod smazat a identifikovat jej až po zreferencování většího množství bodů. Po referencování minimálně šesti bodů mezi dvěma snímky začne program automaticky generovat přibližnou polohu dalšího referencovaného bodu. S přibývajícím množstvím bodů je programem propočítávaná poloha přesnější. Avšak i tato vypočtená poloha nemusí být v některých případech zcela přesná a je nutno jí opravit dle skutečnosti. Tuto opravu ovšem program vyhodnotí jako chybu v poloze bodu a zvýší se takzvaná 'Residual' chyba. Residual (nebo také Marking Residual či Marked Point Residual) je rozdíl mezi hodnotou očekávanou (zadanou uživatelem) a vypočtenou (určenou programem). Hodnota je udávána v pixelech a je jedním z nejlepších ukazatelů kvality modelu, popřípadě celého projektu. Všechny projekty by měly mít nejvyšší Residual chybu do 10 pixelů. U projektů s měřickými a kalibrovanými neměřickými kamerami by tato hodnota neměla být větší než 3 pixely (PhotoModeler Manual). Nejvyšší hodnota Residual chyby je stále zobrazena v pravém dolním rohu programu, popřípadě si lze hodnoty pro jednotlivé snímky otevřít v Table Window pod tabulkou Point Table - Quality. Po zreferencování všech uživatelem identifikovaných bodů, byly mezi jednotlivými body nadefinovány linie a křivky. K tomu bylo použito nástrojů Mark Lines Mode a Curve Through Points. Definice linií a křivek může být provedena buď v okně 3D View Windos nebo Photo Windows. 28

29 Obrázek 5.12 Definování křivek a linií: vlevo okno 3D View, vpravo okno Photo Windows. Dalším krokem zpracování snímků a tvorby modelu je definování ploch modelu. Tento krok byl proveden nástroji Path Mode nebo Triangle Mode dle toho, jaká plocha byla definována. Pokud má plocha tvar trojúhelníku, použije se nástroj Triangle Mode, a po označení tří hran je plocha automaticky ukončena. 'Path Mode' slouží pro definici ploch, které mají čtyři a více stran, ale i s tímto nástrojem lze definovat plochy ve tvaru trojúhelníku. Při práci s touto funkcí je však po definování povrchu nutno ukončit nástroj pomocí položky Finish Surface, která se objeví v menu po kliknutí pravým tlačítkem myši. Po definici ploch je v menu Options okna 3D View Windows nastaven druh a kvalita povrchu. V tomto menu lze celkově nastavit, které části a popisky modelu se budou zobrazovat či nikoliv. Jako příklad lze uvést popisky bodů, body samotné, linie, křivky, povrchy a podobně. V záložce Surface Types byl jako Display style zvolen Quality Textures. Po potvrzení volby začne program zpracovávat textury z jednotlivých snímků a výsledkem je povrch s nejvyšším možným rozlišením. Jak již bylo zmíněno, na objekt byly připevněny značky, jejichž vzdálenost byla dána. Tato vzdálenost je určena, aby byl výslednému modelu přidán rozměr. Svislá vzdálenost mezi značkami byla 100 centimetrů. Na modelu byly vybrány dva body, které jsou obrazem těchto značek. Následně byla vybrána funkce Scale/Rotate. V záložce Units & Scale byly jako jednotky projektu zvoleny centimetry. Do kolonky Distance byla vyplněna vzdálenost mezi zmíněnými kontrolními značkami. Tlačítkem Define určíme, že vzdálenost je definovaná mezi dvěma vybranými body. Program PhotoModeler umožňuje export výsledného modelu do formátů mnoha programů. Nevhodnější formáty pro export jsou soubory s příponou VRML, DXF (formát programnu CAD) a KMZ (komprimovaná verze formátu KML pro vizualizaci 3D objektů vytvořených např. v software Google SketchUp, v prostředí Google Earth), jelikož se jedná o formáty nejčastěji používané a nejsnáze zobrazitelné. U soubrou s příponou KMZ je potřeba znát souřadnice minimálně tří bodů. Při zobrazení tohoto typu 29

30 souboru například v programu Google Earth se model umístí přímo na místo, kde se objekt nachází. 5.3 Aplikace jednosnímkové fotogrammetrie Software SIMphoto je výsledkem diplomové práce Davida Čížka ze stavební fakulty Českého vysokého učení technického v Praze. Název SIMphoto je zkratka tří anglických slov single image photogrammetry. Jedná se o program pro zpracování snímků metodou jednosnímkové fotogrammetrie, který by byl využitelný odborníky z oblasti památkové péče k účelu dokumentace historických objektů (Čížek, 2011). Hlavním výstupem programu je fotoplán. Fotoplánem se rozumí překreslený fotografický měřický snímek rovinného objektu v požadovaném měřítku (slovník VÚGTK) Snímkování V rámci této práce bylo požadováno, aby byl vytvořen fotoplán fasády historické budovy. Byl vybrán obytný dům v Litovelské ulici v Olomouci. Objekt byl vhodný, jelikož na něj byl dobrý výhled bez stromů, sloupů veřejného osvětlení a jiných prvků, které by narušovaly objekt na snímku. Jak je z názvu patrné, k vyhodnocení dat pomocí jednosnímkové fotogrammetrie, stačí na tvorbu fotoplánu jediného snímku. Po pořízení frontálního snímku budovy byly změřeny libovolné délky na objektu. Jedna svislá a druhá vodorovná, kde optimálním stavem je, že měřené délky jsou na sebe kolmé Zpracování v software Součástí diplomové práce Davida Čížka byl i manuál k samotnému programu SIMphoto. Následující postup práce v programu tedy probíhal dle tohoto manuálu a zde je uveden jen zjednodušený popis. Jako jediná funkce po spuštění programu je možnost nahrání snímku, kde se otevře okno a je nahrán potřebný snímek ve formátu JPEG nebo TIFF. Následně pomocí funkce 'Eliminace distorze' jsou zadány požadované hodnoty použité kamery. Jedná se o souřadnice hlavního snímkového bodu, velikost formátu a koeficienty radiálních distorzí. Zde zadáme výsledné hodnoty provedené kalibrace použitých neměřických kamer. Po potvrzení těchto hodnot se snímek přetransformuje. Nyní program nabízí tři varianty zadávání rozměrů do fotoplánu: Metoda zaměření vlícovacích bodů Metoda zaměření sítě Metoda zaměření délek Byla zvolena 'Metoda zaměření délek', kde se umístily body na konce měřených délek a zadaly se jejich hodnoty. Poté program spustí přepočet a snímek je opět přetransformován. Nyní je možné na snímku měřit. K tomu slouží nástroj 'Měření'. Pro tvorbu fotoplánu je nutné vložit do snímku měřítko. To se vkládá pomocí nástroje 'Vložit grafické měřítko'. Jako poslední se použije nástroj 'Tisk do PDF' a zobrazí se okno s náhledem snímku, kde je vyznačeno, která část snímku bude na fotoplánu zobrazena. 30

31 V posledním nabídnutém okně jsou rozmístěny prvky fotoplánu v podobě samotného fotoplánu, názvu a popisu. Dle D. Čížka (2011) je nevýhodou metody zaměření délek nutnost zajištění kolmosti osy záběru na objekt, čehož nelze v praxi úplně dosáhnout. Jelikož při zpracování neproběhne kolineární transformace, nebude odstraněn vliv perspektivního zkreslení. Z tohoto důvodu nebyl při focení použit stativ kvůli jeho limitujícímu výškovému nastavení, ale snímky byly pořízeny 'z ruky' a z přibližně o 30 centimetrů větší výšky. Tímto byla částečně dosažena kolmost osy záběru pro část objektu. Ostatní metody by byly při velikosti snímaného objektu vhodnější, ale technicky a časově náročnější. Avšak metodu zaměření délek lze použít pro část fasády objektu, pro kterou je požadovaná kolmost částečně dodržena. Obrázek 5.13 Fotoplán vytvořený v programu SIMphoto. 5.4 Aplikace stereofotogrammetrie Snímkování Jako první bylo na objektu vytvořeno bodové pole. To se sestávalo z křížových značek, vytvořených černou elektrikářskou páskou. Body byly rozmístěny na všech stranách objektu za pomoci vodováhy a vážní laty, čímž byl zajištěn svislý a vodorovný směr mezi body, kterými byly následně proloženy osy místního souřadnicového systému. Celkem bylo 24 bodů, na každé straně devět, kdy trojice bodů ležící na hranách byly společné pro dvě strany. Body byly následně proměřeny a zaznačeny v místím souřadnicovém systému. Za jeho počátek byl zvolen bod, kterému byly přiřazeny souřadnice nula pro všechny tři osy a od nějž se proměřovaly vzdálenosti ostatních bodů. Stejně jako předešlé metody fotogrammetrie má i stereofotogrammetrie pravidla, která je potřeba při pořizování snímků dodržet. Prvním je dodržení konvergentního či normálního případu os záběru. V normálním případě jsou osy záběru rovnoběžné a kolmé na základnu. V případě konvergentním se osy záběru sbíhají (protínají). Existuje 31

32 i divergentní případ. Ten je však pro pořízení stereodvojic nežádoucí, jelikož osy záběru se rozbíhají (Hodač, 2004). Během snímkování byla snaha dodržet normální případ záběru os. Pozn. u normálního případu stačí rovnoběžnost os záběru a jejich kolmost odhadnout (Hodač, 2004). Dalším pravidlem je dodržení patřičné délky základny fotografování, neboli fotogrammetrické základny. Dle použitého případu jsou uváděny tyto hodnoty: 1/4-1/15 průměrné vzdálenosti od objektu u normálního případu, 1/10-1/15 průměrné vzdálenosti od objektu u případu konvergentního. Během snímkování byla dodržována 1/10 průměrné vzdálenosti. U použitých kamer tak délka základny činila 50 centimetrů pro Canon EOS 500D (vzdálenost snímkování pět metrů) a 40 centimetrů pro Fujifilm S8000fd (délka snímkování čtyři metry). Dalším pravidelm, pro stereofotogrammetrii podstatným, je překryv snímků. Pro dosažení stereovjemu je potřeba % překryv. Výsledkem snímkování byly čtyři páry snímků, které zachycovaly každou stranu snímaného objektu. Obrázek 5.14 Rozmístění bodů na objektu (autor: M. Šimíček, 2012) Zpracování snímků Ke zpracování stereo snímků byl vybrán program ERDAS IMAGINE, respektive jeho modul LPS (Leica Photogrammetry Suite). Program je primárně určen na zpracování snímků pořízených leteckou fotogrammetrií, kdy jsou v podstatě vytvářeny série stereo snímků zemského povrchu. Lze jej však použít i pro zpracování snímků pořízených blízkou fotogrammetrií. Zpracování v modulu LPS začíná založením nového projektu, tzv. Block file (BLK). V nastavení projektu se zvolí další potřebné parametry, jako je typ použité kamery (Digital Camera), souřadnicový systém (LSR (unknown) Projection), směr osy Z ve směru snímkování, průměrná vzdálenost snímkování (dle použité kamery, viz výše) a prvky vnitřní orientace použité kamery (Edit Camera). Dále byly naimportovány snímky ve formátu JPEG (Add Image), kterým program spočítá pyramidové vrstvy. Následovalo nastavení informací ohledně vnitřní orientace 32

33 snímků v menu pro editaci parametrů snímků (Frame Editor) v podobě velikosti pixelu v mikronech. Nástrojem pro identifikaci bodů (Point Measurement) byly na stereosnímcích identifikovány body o známých souřadnicích (v tomto případě souřadnice místního souřadnicového systému). Úskalím místních souřadnic je, že se musí do programu zadávat s ohledem na zvolený souřadnicový systém. Je-li v počátku nastaveno, že osa Z je ve směru snímkování, musí se reálný souřadnicový systém rotovat tak, aby souřadnice Z a X byly ve vodorovném směru a Y ve svislém. Navržení místního souřadnicového systému závisí na směru snímkování. Je tedy možné, že pro některé aplikace bude potřeba rotovat souřadnicovým systémem i jiným způsobem, například aby souřadnice Z a Y byly ve vodorovném a X ve svislém směru (Štěpánová, 2012). Pro vytvoření rektifikovaného bloku stereoskopických snímků bylo použito metody blokové triangulace (Block Triangulation). Byla zadána odchylka (Standard Deviation) polohy identifikovaných bodů a v pokročilém nastavení (Advanced Properities) byl zvolen Brownův model, umožňující kompenzovat distorze čočky. Poté byla tlačítkem Run spuštěna triangulace. Avšak program vypočítal vysoké hodnoty RMS chyby a z reportu triangulace bylo následně vyčteno, že program provedl malý počet iterací, popřípadě více, ale v dalších iteracích již chybu neměnil. Po akceptování výsledku se v hlavním okně programu objevila vzájemná pozice snímků vůči sobě, která byla pro další zpracování neakceptovatelná. Tato chyba nastala i u dalších stereodvojic a tudíž další práce v programu, jako například generování 3D bodů, jejich úprava a tvorba modelu, byla nemožná. Obrázek 5.15 Chybná konstelace snímků, vyhodnocená nástavbou LPS programu ERDAS IMAGINE. 33

34 6 VÝSLEDKY Tato kapitola nabízí hlavní výsledky předložené práce. Jedná se o textové a statistické zhodnocení výstupů ze snímků, pořízených neměřickými kamerami pomocí základních fotogrammetrických metod a ukázky modelů a fotoplánů. 6.1 Vyhodnocení kalibrace neměřických kamer Celkem bylo pořízeno osm sérii snímků kalibračních polí, některá pole byly snímaná dvakrát. Kalibrační pole Small a Large Sheet byla zkalibrována programem PhotoModeler a v programu iwitness byla zkalibrovaná všechna pole. Z výsledných 12 projektů byly vybrány všechny, které měly střední kvadratickou chybu menší než 0,5. Výsledky konečných osmi kalibrací lze vidět v tabulce 4.2. Tabulka 6.1 Výsledky kalibrace kamery Canon EOS 500D s RMS chybou menší než 0,5. kalibrační pole program f[mm] x p [mm] y p [mm] K1 K2 K3 RMS err Small Sheet A PM 18,4061 0,002 0,003 5,56* ,34*10-6 0,00 0,401 Small Sheet B PM 18,3483 0,002 0,002 5,63* ,34*10-6 0,00 0,252 Large Sheet A PM 18,4552 9,30E-04 0,001 5,40* ,16*10-6 0,00 0,177 Large Sheet B PM 18,4719 0,001 0,001 5,35* ,16*10-6 0,00 0,163 Improvizované pole iw 18,5196-0,1331 0,1937 5,28* ,1* ,21*10-9 0,280 Multisheet iw 18,4948-0,0991 0,1335 5,24* ,1* ,03*10-9 0,260 Large Sheet A iw 18,4512-0,0812 0,14 5,44* ,3* ,75* ,280 Large Sheet B iw 18,4663-0,128 0,1357 5,19* ,5* ,33*10-9 0,200 Obrázek 6.1 Hodnoty ohniskové vzdálenosti kamery Canon EOS 500D po kalibracích. 34

35 Obrázek 6.2 Offset souřadnic hlavního snímkového bodu kamery EOS 500D. V rámci kalibrace byly nafoceny i série snímků kalibračních polí Small Sheet, Large Sheet, Multisheet a iwitness s objektivem s pevnou ohniskovou vzdáleností 50 mm. Důvodem bylo ověření, zda-li i s fixní konstantou komory bude výsledek kalibrace dosahovat podobného rozptylu jako při kalibraci s objektivem s nastavitelnou ohniskovou vzdáleností, či dosahovat hodnot vyšších nebo dokonce hodnot bez rozptylu. V tabulce níže lze vidět, že i s fixní konstantou komory jsou pro různá měření patrné drobné odchylky a jako v předešlém případě. Tyto odchylky mohou být způsobeny například kvalitou optických členů jednotlivých objektivů, nebo různými podmínkami při pořizování jednotlivých sad snímků. Tabulka 6.2 Výsledkykalibrací kamery Canon EOS 500D s objektivem s pevnou konstantou komory. kalibrační pole program f[mm] x p [mm] y p [mm] K1 K2 K3 RMS err Large Sheet PM 52,805 0,019 0,02 3,91* ,77*10-9 0,00 0,191 Large Sheet iw 52,923-0,201-0,108 3,76*10-5 1,73* ,67* ,64 Small Sheet iw 52,726-0,117-0,217 7,65*10-6 4,24* ,10*10-9 1,85 Multisheet iw 52,669-0,287-0,213 2,42*10-5 1,41* ,96* ,37 iwitness iw 52,737-0,176-0,131 4,08*10-5 0,00 0,00 1,21 Z výsledků lze vidět, že i při použití různých kalibračních polí a programů, vycházejí zjišťované prvky vnitřní orientace obdobně s rozdílem desetin až setin například u konstanty komory. Volba kalibračního pole tedy nemá výrazný vliv na použitý typ kalibrace. Z hodnot RMS chyby kalibračních projektů je ale patrné, že nejnižších hodnot, 35

36 tudíž i nejpřesnější kalibrace a to v obou programech, dosahovalo kalibrační pole Large Sheet. Kalibrace druhé kamery byla provedena jen pomocí kalibračního pole Large Sheet, kdy byly pořízeny dvě sady snímků. Při této kalibraci byly ponechány všechny výsledky, i když střední kvadratická v některých případech dosahovala příliš vysokých hodnot. Tabulka 6.3 Výsledky kalibrace kamery Fujifilm S8000fd. kalibrační pole program f[mm] xp[mm] yp[mm] K1 K2 K3 RMS err Large Sheet A PM 4,75 0,006 0,007 5,48* ,5*10-4 0,00 3,3 Large Sheet B PM 5,01 0,002 0,002 7,40* ,07*10-4 0,00 0,85 Large Sheet A iw 4,85 0,0386-0,01 5,59* ,5* ,50*10-7 0,37 Large Sheet B iw 4,99-0,045 0,0056 5,59* ,23* ,02*10-5 6,02 Za optimální statistickou metodou na celkové zhodnocení kalibrace obou komor byl vybrán průměr všech výsledných hodnot, jelikož výsledné hodnoty vykazují normální rozdělení, jsou si blízké a bez výrazných odchylek, které by mohly celkový průměr svým rozdílem výrazně ovlivnit. V tabulce 4 lze tedy vidět konečné výsledky po použití průměru. V případě parametru K3, jehož hodnoty a výsledný průměr dosahují téměř nulových hodnot, bylo rozhodnuto, že bude zanedbán a jeho výslednou hodnotou bude 0. Tyto výsledné hodnoty prvků vnitřní orientace budou použity pro následující modelování objektů. Tabulka 6.4 Výsledné hodnoty kalibrovaných neměřických komor. kamera f[mm] x p [mm] y p [mm] x 0 [mm] y 0 [mm] K1 K2 K3 EOS 500D 18, , , ,1125 7,5207 5,39* ,136*10-6 0,0 S8000fd 4,9 0,0004 0, ,938 2,204 4,18* ,0*10-4 0,0 6.2 Vyhodnocení 3D modelů v programu PhotoModeler Při modelování nebyly použity všechny nafocené snímky. Pro vytvoření modelů postačilo kromě osmi základních snímků, tři až čtyři snímky detailu. Modely tedy vznikaly z 12 snímků pro Canon EOS 500D a z 11 snímků v případě kamery Fujifilm S8000fd. Residual chyba modelů dosahovala 3,94 a 4,14 pixelů, což je v průměru jeden pixel od hraniční hodnoty. V případě použitých neměřických kamer je tato hodnota akceptovatelná, jelikož jejich konstrukce nebyla koncipována pro fotogrammetrické účely. Ač se jedná o kamery rozdílné konstrukce, parametrů, rozlišení snímků a dalších vlastností, bylo po proměření hran na modelu a porovnání jejich délek s délkami na skutečném objektu zjištěno, že chyba modelu proti realitě je v případě obou porovnávaných kamer řádově jednotky centimetrů. Takováto chyba je v podstatě standardní odchylkou u modelů pořízených metodami blízké fotogrammetrie. 36