ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ BAKALÁŘSKÁ PRÁCE PRAHA 2014 Pavel KAVÁLEK

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ Studijní program: GEODÉZIE A KARTOGRAFIE Studijní obor: GEODÉZIE A KARTOGRAFIE BAKALÁŘSKÁ PRÁCE KALIBRACE KAMERY A JEJÍ VLIV NA KVALITU VÝSTUPŮ - SOFTWARE AGISOFT Vedoucí práce: Ing. Jindřich HODAČ, Ph.D. Katedra geomatiky květen 2014 Pavel KAVÁLEK

ABSTRAKT Práce se zabývá problematikou kalibrace digitální neměřické kamery a následně vlivem této kalibrace při tvorbě 3D modelu metodou optické korelace. V teoretické části je objasněno, co se rozumí pod pojmem kalibrace kamery, jaké výstupy se z ní získávají a jaké jsou metody kalibrace. V praktické části je testován vliv různých variant kalibrací na přesnost výstupů a to tak, že se nejprve porovnávají souřadnice vlícovacích bodů, získané výpočtem 3D modelu testovacího pole v softwaru Agisoft PhotoScan, s referenčními souřadnicemi vlícovacích bodů získaných geodetickým zaměřením a následně se porovnávají 3D modely s jedním určeným referenčním 3D modelem testovacího pole. Veškeré 3D modely jsou výstupem ze softwaru Agisoft Photoscan. Všechny varianty kalibrací jsou provedeny pro dva typy kamer (poloprofesionální a amatérskou) a dva typy fotografických objektivů. KLÍČOVÁ SLOVA kalibrace, neměřická kamera, testovací pole, metoda optické korelace, Agisoft PhotoScan, 3D model, rozdílový rastr, deformace

ABSTRACT The work deals with the calibration of digital non-metric camera and subsequently influence of the calibration in creating 3D model using optical correlation. The theoretical part explains what is meant by calibration of the camera, which outputs of the gain and what are the methods of calibration. In the practical part is tested the effect of different variants of calibration on accuracy of outputs by comparing coordinates of control points obtained by calculating 3D model of test field in the software Agisoft PhotoScan, with reference coordinates of control points obtained by surveying and then compares 3D models with reference 3D model of test field. All 3D models are output from the software Agisoft Photoscan. All variants calibrations are performed for two types of cameras (semi-professional and amateur) and two types of camera lenses. KEY WORDS calibration, non-metric camera, test field, optical correlation method, Agisoft PhotoScan, 3D model, difference grid, deformation

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem tuto bakalářskou práci vypracoval samostatně. Všechny informační zdroje, ze kterých jsem čerpal, jsou uvedeny v seznamu použité literatury. V Praze dne....... Pavel Kaválek

PODĚKOVÁNÍ Tímto bych chtěl poděkovat Ing. Jindřichu Hodačovi, Ph.D. za vedení práce a odborné rady při zpracovávání.

Obsah Úvod...10 1 Kalibrace digitálních komor..11 1.1 Prvky vnitřní orientace. 11 1.2 Kalibrační metody 12 2 Použité přístrojové vybavení 14 2.1 Fotoaparát Canon EOS 450D 14 2.2 Fotoaparát Canon EOS 5D Mark II 15 2.3 Totální stanice Trimble 3603 DR 16 3 Použitý kalibrační software a postup kalibrace..17 3.1 Software PhotoModeler. 17 3.2 Postup kalibrace fotoaparátu v softwaru PhotoModeler...17 3.3 Software Agisoft Lens..19 3.4 Postup kalibrace fotoaparátu v softwaru Agisoft Lens.19 3.5 Testování kalibrace v Agisoft Lens..20 4 Testovací pole..23 4.1 Snímkování testovacího pole..24 4.2 Postprocesing snímků..26 4.3 Idealizace snímků v aplikaci SIMphoto.27 4.4 Volba vlícovacích bodů 28 4.5 Zaměření vlícovacích bodů 28 4.6 Výpočet souřadnic vlícovacích bodů....29 5 Tvorba a porovnání modelů..31 5.1 Software Agisoft PhotoScan 31 5.2 Postup tvorby modelu v Agisoft PhotoScan.31 5.3 Software CloudCompare 37 5.4 Postup porovnání 3D modelů v CloudCompare.37 6 Testování.39 6.1 Porovnání souřadnic vlícovacích bodů.40 6.1.1 Postup testování.40 6.1.2 Zhodnocení pro fotoaparát Canon EOS 450D, f = 18 mm.41

6.1.3 Zhodnocení pro fotoaparát Canon EOS 5D Mark II, f = 16 mm..48 6.2 Porovnání 3D modelů v CloudCompare..54 6.2.1 Postup testování. 54 6.2.2 Zhodnocení pro fotoaparát Canon EOS 450D, f = 18 mm.55 6.2.3 Zhodnocení pro fotoaparát Canon EOS 5D Mark II, f = 16 mm..58 6.3 Celkové zhodnocení testování.....60 Závěr.62 Použité zdroje 64 Seznam příloh 67 Přílohy. 68 Obsah DVD.. 80 Seznam tabulek...83 Seznam obrázků.. 84

Úvod ČVUT v Praze ÚVOD Tato práce navazuje na diplomové práce Ondřeje Boháče Optické korelační systémy průzkum a zhodnocení aktuálního stavu [2] a Martina Tröstla Tvorba kvalitních fotoplánů v mezních případech [3], ze kterých byly čerpány potřebné informace a závěry pro snímkování testovacího pole, kalibraci kamery v softwaru Agisoft Lens, výpočet modelu v softwaru Agisoft PhotoScan a porovnání 3D modelů v softwaru CloudCompare. Hlavní téma této práce je posouzení vlivu kalibrace komory, provedené různými způsoby, na přesnost 3D modelu testovacího pole vytvořeného metodou optické korelace. Způsoby kalibrace využité v této práci jsou: kalibrace v softwaru PhotoModeler, kalibrace v softwaru Agisoft Lens a autokalibrace v softwaru Agisoft PhotoScan. Mimo tyto způsoby kalibrace je testován vliv idealizovaných snímků ze softwaru SIMPhoto, kdy bylo při idealizaci využito kalibračních koeficientů ze softwaru PhotoModeler. Při výpočtu modelu v softwaru Agisoft PhotoScan se, jak již bylo zmíněno výše, může provést kalibrace přímo ze snímků zájmového objektu ( autokalibrace ) nebo se do softwaru vloží externí výsledky kalibrace (PhotoModeler, Agisoft Lens). Tyto externí výsledky se v softwaru Agisoft Photoscan mohou nastavit jako fixní, kdy se v průběhu výpočtu modelu nezmění, nebo se možnost fixní nezvolí a software v průběhu výpočtu modelu kalibrační koeficienty vyrovná. Tudíž je k otestování celkem 6 modelů pro jeden fotoaparát. K testování slouží referenční souřadnice vlícovacích bodů, které byly získány geodetickým zaměřením testovacího pole. Ty se porovnávají se souřadnicemi bodů vypočtenými při tvorbě 3D modelu. Model, který dosáhl nejlepších výsledků při tomto porovnání byl zvolen jako model referenční k porovnávání samotných 3D modelů v softwaru CloudCompare. Pro objektivnější zhodnocení problému je použito dvou komor. Amatérské a poloprofesionální. Každá z nich má rozdílný zoom objektiv nastavený do krajní polohy a to konkrétně širokoúhlé. 10

ČVUT v Praze 1. KALIBRACE DIGITÁLNÍCH KOMOR 1 Kalibrace digitálních komor Kapitola čerpá z [1]. Pomocí kalibrace se zjišťují vlastnosti použité fotografické komory, zejména jde o zjištění jejích prvků vnitřní orientace. Při tomto postupu se určuje: konstanta komory poloha hlavního snímkového bodu radiálně-symetrické zkreslení tangenciální a asymetrické zkreslení afinita a nekolmost os souřadnicového systému další přídavné parametry 1.1 Prvky vnitřní orientace Prvky vnitřní orietnace jsou souřadnice hlavního snímkového bodu a konstanta komory a definují geometrii paprsků uvnitř komory. Často se k nim přidává i znalost průběhu radiální distorze. Hlavní snímkový bod H je definován jako průsečík roviny snímku s paprskem procházejícím v předmětovém prostoru středem promítání a který je kolmý na rovinu snímku. Konstanta komory f je vzdálenost od hlavního snímkového bodu H ke středu promítání v předmětovém prostoru (střed výstupní pupily). Konstanta komory se obyčejně značí f nebo c (pro uvažovaný pozitiv) nebo f či c pro negativ. Značení f nebo f je věc definování počátku a směru os a nemusí být zcela jednotná. Distorze (zkreslení) objektivu je způsobena souborem geometrických nepřesností při výrobě objektivu. Dnešní objektivy se skládají z 8 30 prvků, které nelze urovnat přesně do ideální optické osy. Proto není úhel vstupujícího paprsku úplně totožný s úhlem vystupujícího paprsku a poloha zobrazovaného bodu se mírně liší od správné polohy. 11

ČVUT v Praze 1. KALIBRACE DIGITÁLNÍCH KOMOR Distorze se dělí na: radiální tangenciální Radiální distorze je posun bodu o radiální vzdálenosti r na snímku o hodnotu Δr. Obyčejně nemá průběh přesně rotačně symetrický, ale při její kompenzaci se tento průběh předpokládá. Vzhledem k rotační symetrii stačí určit průběh distorze v jednom radiálním směru. Tangenciální distorze je důsledek nepřesné centrace jednotlivých čoček objektivu. Její směr je kolmý na směr radiální distorze a způsobuje nepravidelné špatně definovatelné lokální posuny. Toto zkreslení prakticky nelze jednoduše vyloučit a běžně se neuvažuje. 1.2 Kalibrační metody Jsou tři metody kalibrace, které jsou charakterizovány referenčním objektem, případně místem a časem okamžiku kalibrace a to: laboratorní kalibrace kalibrace pomocí testovacího pole simultánní kalibrace Laboratorní kalibrace se provádí jen pro přesné měřické komory, kdy jsou prvky vnitřní orietnace určovány pomocí goniometru a kolimátoru, kdy se měří směry obrazových paprsků procházejících objektivem komory. Kalibrace pomocí testovacího pole je metoda, kdy se snímkuje signalizované pole z několika vhodně geometricky konfigurovaných stanovisek. Signalizované body mají známé souřadnice v referenčním nebo místním systému, popřípadě je známa vzdálenost mezi body. Testovací pole může být přenosné nebo pevné (např. na fasádě budovy), rovinné či prostorové. Snímky jsou konvergentní s vhodným úhlem protnutí 12

ČVUT v Praze 1. KALIBRACE DIGITÁLNÍCH KOMOR záměrných os. Běžně se pořizuje 4-8 snímků. Pří snímkování je vhodné komoru pootáčet o 90 ve vlastní rovině z důvodu především eliminace systematických chyb. Z měřených snímkových souřadnic a daných referenčních souřadnic se metodou protínání paprskových svazků vypočtou vyrovnané souřadnice bodů testovacího pole, prvky vnitřní i vnější orientace. Pro eliminaci nežádoucí korelace mezi jednotlivými parametry je důležité správně zvolit konfiguraci snímků. Obr. 1.2: Jedna z variant konfigurace snímků pro kalibraci pomocí testovacího pole [18] Simultánní kalibrace je způsob, kdy pro zjištění prvků vnitřní orientace slouží snímky, které se použijí zároveň pro vlastní vyhodnocení (rekonstrukci objektu). Snímky musí být pořízeny za srovnatelných podmínek, jako při snímkování samotného kalibračního pole (prostorová hloubka ostrosti, snímky pootočené o 90 ve vlastní rovině, konvergentní snímky). Hlavní předností je určení vnitřní orientace pro časový okamžik snímkování objektu, což zaručuje nejlepší výsledky při vyhodnocení objektu. Pro testování v této práci se využila metoda kalibrace pomocí testovacího pole a simultánní kalibrace. Viz kapitola 3. 13

ČVUT v Praze 2. POUŽITÉ PŘÍSTROJOVÉ VYBAVENÍ 2 Použité přístrojové vybavení Testování v této práci bylo provedeno pro dvě kamery, v textu jsou dále uváděny jako fotoaparáty, a dva objektivy. Konkrétně byl použit fotoaparát Canon EOS 450D s objektivem Canon EF-S 18-55mm f/3.5-5.6 II a fotoaparát Canon EOS 5D Mark II s objektivem Canon EF 16-35mm f/2.8 L II USM. Testovalo se v krajních širokoúhlých polohách objektivů, pro první objektiv při ohniskové vzdálenosti 18 mm, pro druhý objektiv při ohniskové vzdálenosti 16 mm. 2.1 Fotoaparát Canon EOS 450D Amatérská digitální jednooká zrcadlovka s obrazovým snímačem CMOS o velikosti 22.2 mm x 14.8 m a rozlišení 12.2 megapixelu. Crop faktor je 1.6. Výstupní formáty fotografií jsou JPEG a RAW. Na trh byla uvedena v roce 2008. Informace byly čerpány z [11]. Obr. 2.1: Canon EOS 450D s objektivem Canon EF-S 18-55mm Objektiv Canon EF-S 18-55mm f/3.5-5.6 II Disponuje optickou stabilizací. Skládá se z 11 optických členů v 9 skupinách. Optický zoom 3,1x. Minimální ohnisková vzdálenost je 18 mm a maximální je 55 mm. Světelnost objektivu je v rozsahu 3.5 5.6. Horizontální obrazový úhel je 64 30 až 23 20. Minimální zaostřovací vzdálenost je 25 cm. Informace byly čerpány z [12]. 14

ČVUT v Praze 2. POUŽITÉ PŘÍSTROJOVÉ VYBAVENÍ 2.2 Fotoaparát Canon EOS 5D Mark II Poloprofesionální digitální jednooká zrcadlovka s obrazovým full frame snímačem CMOS o velikosti 36 mm x 24 mm a rozlišení 21.1 megapixelu s rychlostí snímání až 3.9 snímku za vteřinu. Rozsah citlivosti ISO je 100 až 6400. Nastavení doby expozice je od 30 sekund do 1/8000 sekundy. Výstupní formáty fotografií jsou JPEG a RAW. Na trh byla uveden v roce 2008. Informace byly čerpány z [13]. Obr. 2.2a: Canon EOS 5D Mark II Objektiv Canon EF 16-35mm f/2.8 L II USM Jedná se o širokoúhlý zoomový objektiv, který nedisponuje optickou stabilizací. Skládá se z 16 optických členů ve 12 skupinách. Minimální ohnisková vzdálenost je 16 mm a maximální je 35 mm. Světelnost objektivu je 2.8. Horizontální obrazový úhel je 98-54. Minimální zaostřovací vzdálenost je 28 cm. Informace byly čerpány z [14]. Obr. 2.2b: Canon EF 16-35mm f/2.8 L II USM 15

ČVUT v Praze 2. POUŽITÉ PŘÍSTROJOVÉ VYBAVENÍ 2.3 Totální stanice Trimble 3603 DR Přesnost úhlového měření této totální stanice je 1 mgon. Dálkoměr umožňuje kromě měření na hranol i bezhranolové měření délek. Délky měřené na hranol mají přesnost 2 mm + 2 ppm až do vzdálenosti 2500 m, délky měřené pasivním odrazem mají přesnost 3mm s dosahem 150 m. Přístroj disponuje vnitřní pamětí pro ukládání měřených údajů. [15] Obr. 2.3: Trimble 3603 DR 16

ČVUT v Praze 3. POUŽITÝ KALIBRAČNÍ SOFTWARE A POSTUP KALIBRACE 3 Použitý kalibrační software a postup kalibrace V této práci se využívá metody kalibrace pomocí testovacího pole a metody autokalibrace, která má stejný základ jako simultánní kalibrace. U metody autokalibrace se kalibrační koeficienty počítají přímo ze snímků zájmového objektu, ale na rozdíl od simultánní kalibrace se nemusí dodržovat výše zmiňované podmínky. Výpočet prvků vnitřní orientace ze snímků testovacího pole je proveden v softwarech PhotoModeler a Agisoft Lens. Autokalibraci je možné nastavit v softwaru Agisoft PhotoScan, který zároveň slouží pro vytvoření 3D modelu zájmového objektu, viz kap. 5. 3.1 Software PhotoModeler PhotoModeler je placený fotogrammetrický systém určený k bezdotykovému 2D a 3D měření. Je založen na principech metody průsekové fotogrammetrie a umožňuje práci i s metodou optické korelace. Kombinuje snímky a umístění bodů v třírozměrném prostoru. Výsledkem je 3D model, který může být exportován do jiných grafických softwarů. [7] 3.2 Postup kalibrace fotoaparátu v softwaru PhotoModeler Nejprve bylo nutné pořídit 5 snímků rovinného testovacího pole podle zásad uvedených v kapitole 1. Co se týče kvality snímků, dbalo se především na jejich ostrost a dostatečné pokrytí testovacím polem. Postup kalibrace v softwaru PhotoModeler byl takový, že se nejprve založil nový projekt, nastavil se přibližný rozměr projektu a definovaly se jednotky, v našem případě metry. Následně se v menu nastavily přibližné hodnoty parametrů fotoaparátu. Poté se načetlo 5 snímků testovacího pole a označovaly se na nich body. Jelikož byly body testovacího pole vůči pozadí dostatečně kontrastní, bylo možné zvolit automatické měření (funkce Automatic Target Marking). V této funkci bylo potřeba označit oblast snímku, v níž budou body vyhledávány, poté se nastavilo, zda-li jde o tmavé body na světlém pozadí nebo naopak, nastavit minimální a maximální průměr bodu, obrys a 17

ČVUT v Praze 3. POUŽITÝ KALIBRAČNÍ SOFTWARE A POSTUP KALIBRACE metodu pro subpixelové měření, kde se zvolila metoda LSM (metoda nejmenších čtverců), jelikož je přesnější než druhá metoda Centroid. Poté se již spustilo automatické vyhledávání bodů na snímku. Následovalo referencování odpovídajících si bodů na snímcích. Nejprve proběhlo manuální referencování 8 bodů, které jsou vyznačeny na obr. 3.2a. Poté proběhl první předběžný výpočet modelu funkcí Process, kde se nastavila orientace všech snímků. Po výpočtu se pomocí 3D Vieweru provedla kontrola modelu (kontrola pozic kamer, bodů testovacího pole). Následně se využilo funkce Automatic Referencing, kdy se automaticky zreferencoval zbytek bodů testovacího pole. Po referencování se mohlo přejít k druhému výpočtu modelu. Po výpočtu a kontrole správnosti dat ve 3D Vieweru se přešlo k výpočtu samotné kalibrace, kdy se ve funkci Process zatrhla možnost full field calibration. Nakonec se projekt kalibrace s příponou.pmr uložil. Čerpáno z [8]. Obr. 3.2a: Testovací pole použité při kalibraci v softwaru PhotoModeler Výstupními hodnotami jsou souřadnice hlavního snímkového bodu (Principal Point X,Y), ohnisková vzdálenost (Focal Length), šířka snímacího čipu (Format Size W) výška snímacího čipu (Format Size H) zůstává při výpočtu neměnná, koeficienty radiální distorze objektivu (K1, K2) a koeficienty tangenciální distorze objektivu (P1, P2). V DVD příloze [A] jsou vyplněné kalibrační protokoly [16] pro použité fotoaparáty, které ze zadaných hodnot počítají a zobrazují grafy s průběhem radiální a tangenciální distorze. Aby se mohly tyto výstupní hodnoty použít v softwaru Agisoft PhotoScan při výpočtu 3D modelů, musí se nejprve konvertovat v softwaru Agisoft Lens. Veškerá vstupní i výstupní data jsou v DVD příloze [A]. 18

ČVUT v Praze 3. POUŽITÝ KALIBRAČNÍ SOFTWARE A POSTUP KALIBRACE Obr. 3.2b: Pracovní prostředí softwaru PhotoModeler 3.3 Software Agisoft Lens Agisoft Lens je bezplatný automatický kalibrační software [6]. Vstupními hodnotami pro výpočet jsou pouze snímky kalibračního pole (šachovnice), které software zobrazuje přímo na monitoru. Pro toto testování byla použita verze 0.4.1. 3.4 Postup kalibrace fotoaparátu v softwaru Agisoft Lens Postup kalibrace v tomto softwaru byl tedy takový, že se nejprve pořídily snímky šachovnice na monitoru a to minimálně tři, každý z jiné pozice (viz kap. 3.5 Testování kalibrace v Agisoft Lens). Podporované formáty jsou JPEG, TIFF, PNG, PPM, BMP. Ty se poté importovaly do PC a software následně ze snímků automaticky vypočetl kalibrační koeficienty. Obr. 3.4: Testovací pole zobrazované přímo na monitoru v softwaru Agisoft Lens 19

ČVUT v Praze 3. POUŽITÝ KALIBRAČNÍ SOFTWARE A POSTUP KALIBRACE Výstupní hodnoty jsou obdobné, jako u softwaru PhotoModeler. Navíc jsou vypočteny koeficienty radiální distorze K3, K4 a software také zobrazí grafy průběhu radiální a tangenciální distorze. Tyto hodnoty se uložily do souboru s příponou.xml, který se následně využil při výpočtu 3D modelu v softwaru Agisoft PhotoScan a zároveň se uložil projekt kalibrace s příponou.lnz. 3.5 Testování kalibrace v Agisoft Lens Účelem tohoto testování bylo zjistit, jaký vliv má počet, kvalita a konfigurace snímků do kalibrace vstupující na výsledné hodnoty směrodatných odchylek kalibračních koeficientů. V manuálu pro tento software jsou doporučení: 1) pořídit sérii minimálně 3 snímků 2) každý snímek pořídit z mírně odlišeného úhlu 3) pokrýt celou plochu snímku testovacím polem 4) pořizovat co nejostřejší snímky, aby hranice mezi jednotlivými čtverci byly dobře rozeznatelné Z těchto požadavků se stanovila pravidla pro snímkování v tomto testu. Celkem se pořídilo 50 snímků pro každý fotoaparát, tento počet se dělil na série po pěti snímcích. V každé sérii byl jeden snímek frontální, jeden mírně zleva, jeden mírně zprava, jeden mírně shora a jeden mírně zdola. Obrazovka se snímkovala jen z mírných úhlů, jelikož při větších úhlech byly čtverce testovacího pole, které byly dál od objektivu, rozmazané a software jejich rohy při výpočtu nerozpoznal. Snímek, na kterém software rozpoznal prakticky maximum rohů je na obrázku níže. 20

ČVUT v Praze 3. POUŽITÝ KALIBRAČNÍ SOFTWARE A POSTUP KALIBRACE Obr. 3.5: Rozpoznané rohy na testovacím poli Agisoft Lens Výpočet kalibrace pak probíhal postupným přidáváním sérií snímků, kdy se začalo na pěti snímcích, provedl se výpočet kalibrace, přidalo se dalších pět snímků, provedl se výpočet kalibrace a tak dále. Při jednotlivých výpočtech se sledovaly hodnoty směrodatných odchylek prvků vnitřní orientace, které se postupným přidáváním snímků snižovaly. Průběh poklesu směrodatných odchylek se zvyšujícím se počtem snímků je znázorněn v grafu 3.5a, kde jsou uvedeny hodnoty pro souřadnice hlavního snímkového bodu fotoaparátu Canon 450D. Vliv počtu snímků na směrodatné odchylky souřadnic hl. snímkového bodu (Canon EOS 450D) Směrodatná odchylka 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Počet snímků Směr. odch. souřadnice x Směr. odch. souřadnice y Graf 3.5a: Vliv počtu snímků na směr. odch. souřadnic hl. sn. b. (Canon EOS 450D) 21

ČVUT v Praze 3. POUŽITÝ KALIBRAČNÍ SOFTWARE A POSTUP KALIBRACE Z grafu je vidět, že pokles hodnot směrodatných odchylek je největší mezi pěti a deseti snímky. Rozdíl v odchylkách na obou souřadnicích je téměř 3 desetiny. V dalším průběhu už je pokles odchylek vcelku mírný. Mezi deseti a patnácti snímky je pokles v rámci jedné desetiny a dále už jen v řádu setin. Pro objektivnější zhodnocení byl sestaven graf 3.5b, kde jsou porovnány odchylky souřadnice x hlavního snímkového bodu obou fotoaparátů. Porovnání směr. odch. souřadnice x hl. sn. bodu jednotlivých fotoaparátů Směrodatná odchylka 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Počet snímků Směr. odchylka x - Canon 5D Směr. Odchylka x - Canon 450D Graf 3.5b: Porovnání sm. odch. souř. x hl. sn. bodu jednotlivých fotoaparátů Z grafu 3.5b je vidět, že u kvalitnějšího fotoaparátu Canon EOS 5D Mark II nejsou odchylky tak vysoké, jako u fotoaparátu Canon EOS 450D. Pokles odchylek s postupným zvyšováním počtu snímků je však podobné. U Canon EOS 5D Mark II je jen o něco málo mírnější pokles mezi prvními pěti a deseti snímky. Obecně lez tedy říci, že při kalibraci fotoaparátů v softwaru Agisoft Lens je nutné vložit 20 až 30 snímků testovacího pole, které splňují výše uvedené požadavky, aby bylo dosaženo spolehlivých hodnot kalibračních koeficientů. Pro testování v této práci byly tedy kalibrační koeficienty spočteny ze 30 snímků testovacího pole. Veškerá vstupní i výstupní data jsou v DVD příloze [B]. 22

ČVUT v Praze 4. TESTOVACÍ POLE 4 Testovací pole Pro testování bylo nutné vybrat objekt, který vyhovuje určitým požadavkům. Kladl se důraz především na nehomogenitu objektu. V tomto případě to znamenalo najít objekt, který se v různých místech liší barvou, velikostí prvků, ze kterých je složen, popřípadě i lehce rozdílným prostorovým uspořádáním těchto prvků. Další z požadavků byl dostatečný rozměr pole. Těmto požadavkům vyhověla část opevnění (dále zeď) v Praze na Vyšehradě. Zeď jde souběžně se stezkou pro pěší, která spojuje ulice Lumírova a Na Pankráci. Obr. 4a: Pozice zdi na mapě [19] Z této zdi byla vybrána část o rozměrech přibližně 10 x 3 m (D x Š). Tyto rozměry byly vhodné pro snímkování s malým odstupem a pro trojnásobný překryt snímků. To jsou vhodné podmínky pro tvorbu výstupů metodou optické korelace. Obr. 4b: Úsek zdi pro testování 23

ČVUT v Praze 4. TESTOVACÍ POLE 4.1 Snímkování testovacího pole Pro testování byla oběma fotoaparáty s uvedeným objektivem pořízena sada snímků testovacího pole. Snímky byly pořízeny při nastavení objektivů do krajních širokoúhlých poloh. Základní požadavky byly nastaveny tak, aby pořízená sada snímků zachycovala zvolený rozměr zdi, to znamená 10 x 3 m, zároveň aby celý zvolený rozměr zdi byl na dvou snímcích a důležitá podmínka pro správné vyhodnocení 3D modelu je, aby každý bod zvolené části zdi byl minimálně na třech snímcích. Z těchto podmínek vyšel počet snímků se vzájemně rovnoběžnými osami záběru, což je konfigurace doporučená výrobcem softwaru Agisoft PhotoScan a z testování Ondřeje Boháče [2] vyšla jako nejlepší, v sadě na osm. Pro každý objektiv se pak spočítala vzdálenost stanovisek snímkování od zdi a délka fotogrammetrické základny. Snímkování proběhlo dne 21. 3. 2014. Bylo jasno, ale zeď se nacházela ve stínu, což jsou podle testování Ondřeje Boháče [2, kap. 5.1] vhodné podmínky. Poskytují rovnoměrné osvětlení bez tvrdých stínů, nežádoucích odrazů a oslněných míst. Pro oba fotoaparáty byly při snímkování nastaveny stejné parametry, viz následující tabulka. Program expozice priorita clony Clonové číslo 11.0 Citlivost ISO 200 Vyvážení bílé automaticky Tab. 4.1a: Nastavení fotoaparátů při snímkování Pro možnost výběru vhodných snímků byla nastavena funkce Automatický bracketing expozice (AEB) s krokem ±2/3 EV. Každý snímek byl tedy pořízen 3x s jinou expoziční dobou. Snímky byly ukládány ve formátu RAW a JPEG v maximálním rozlišení. 24

ČVUT v Praze 4. TESTOVACÍ POLE Konfigurace snímkování pro jednotlivé fotoaparáty: Canon EOS 450D + objektiv EF 18-55mm f/3,5-5,6 Ohnisková vzdálenost 18 mm Vzdálenost od zdi 4.07 m Vzdálenost stanovisek 1.66 m Tab. 4.1b: Konfigurace snímkování pro Canon EOS 450D Obr. 4.1a: Konfigurace snímkování pro Canon 450D Canon EOS 5D Mark II + objektiv EF 16-35mm f/2,8l II Ohnisková vzdálenost 16 mm Vzdálenost od zdi 2.23 m Vzdálenost stanovisek 1.66 m Tab. 4.1c: Konfigurace snímkování pro Canon EOS 5D Mark II Obr. 4.1b: Konfigurace snímkování pro Canon EOS 5D Mark II 25

ČVUT v Praze 4. TESTOVACÍ POLE 4.2 Postprocesing snímků Jelikož pořízené snímky vykazovaly určité vady, jako je nedostatečná ostrost, kontrast a jas, díky kterým by model nemusel být kvalitní, bylo nutné provést postprocesing. K tomu posloužil software Canon - Digital Photo Professional, v. 3.14.15.0 [9], který byl výrobcem dodán spolu s použitými fotoaparáty. Vstupní formát snímků, který je vhodný pro takovéto úpravy, je RAW, jedná se totiž o předem nijak nezpracovaná data. Pro fotoaparát Canon EOS 450D byly po pohledovém posouzení vybrány snímky s nulovým krokem AEB, pro fotoaparát Canon EOS 5D Mark II byly vybrány snímky s krokem +2/3 AEB. Pomocí palety nástrojů se u snímků upravily tyto hodnoty: 1) Jas [Brightness adjustment] posun histogramu 2) Vyvážení bílé [White balance adjustment] jelikož se snímkovalo v exteriéru a bylo jasno, nastavila se hodnota Daylight 3) Kontrast [Contrast] vyrovnání kontrastru tmavých a světlých míst 4) Ostrost [Sharpness] zaostření bylo potřeba především na krajích snímků Upravené snímky se poté pro další práci zkonvertovaly do formátu TIFF. Obr. 4.2: Porovnání snímků před (vlevo) a po (vpravo) postprocesingu 26

ČVUT v Praze 4. TESTOVACÍ POLE 4.3 Idealizace snímků v aplikaci SIMphoto Jeden ze způsobů, pro který bylo testování provedeno, je výpočet 3D modelu pomocí idealizovaných snímků, kde se pro idealizaci využily kalibrační koeficienty ze softwaru PhotoModeler. Pro idealizování, neboli odstranění vlivu distorze objektivu na snímky, se využila aplikace SIMphoto. [10] Jedná se o volně šiřitelný software, který byl vytvořen v rámci diplomové práce ing. Davida Čížka na Fakultě stavební, ČVUT v Praze a je určen pro odborníky z památkové péče jako nástroj při dokumentaci historických objektů. SIMphoto je aplikace primárně zaměřená na zpracování rastrových dat metodou jednosnímkové fotogrammetrie. Kromě tvorby fotoplánů a odstranění distorze nabízí několik funkcí umožňujících vložení grafického měřítka, otočení rastru a další. V aplikaci je možné otevřít a editovat jen dva podporované typy rastrových souborů JPEG a TIFF. Postup idealizace začíná načtením snímku do programu. Poté se pomocí ikony Eliminace distorze zobrazí formulář, kde se vyplní kalibrační údaje získané z kalibrace v programu PhotoModeler. Vyplňují se souřadnice hlavního snímkového bodu, šířka a výška snímacího čipu, koeficienty radiální složky K1, K2 popřípadě K3 a koeficienty tangenciální složky P1 a P2. Poté se pomocí tlačítka Transformovat provede idealizace snímku. Ten se následně uloží. Veškeré snímky zdi před postprocesingem, po postprocesingu a idealizované - jsou v DVD příloze [C]. Obr. 4.3: Pracovní prostředí aplikace SIMphoto 27

ČVUT v Praze 4. TESTOVACÍ POLE 4.4 Volba vlícovacích bodů Zvolení dostatečného počtu vlícovacích bodů bylo nezbytné pro testování deformací modelu. Na zdi se vytvořila rovnoměrná síť o 21 bodech, na délku měla 7 řad s odstupem 1,6 metru a na výšku 3 řady s odstupem 1,5 m. Body se zvolily na snímcích, což zaručilo jejich dohledatelnost při výpočtu modelu. Většinou se jednalo o rohy cihel popřípadě o výraznější body v blízkosti rohů, které byly např. uražené a při měření by se na nich nedalo zacílit na konkrétní bod. Přehledka vlícovacích bodů je v příloze č. 1. 4.5 Zaměření vlícovacích bodů Zaměření vlícovacích bodů proběhlo dne 1. 4. 2014 za pomoci totální stanice Trimble 3603 DR. Z podmínky optimálního úhlu protnutí na určovaném bodě, který musí být v rozmezí 50 až 170 gon, se pro určitou vzdálenost od středu zdi vypočetla délka měřické základny. Při vzdálenosti 7 m, ze které byly zvolené body dobře vidět, a úhlu protnutí 110 g, což je hodnota ve středu intervalu 50 až 170 gon, vyšla délka základny přibližně 16,5 m. Na koncích základny se dřevenými kolíky stabilizovala stanoviska 4001 a 4002. Pro přesnější výpočet a ověření souřadnic bodů se stabilizovalo třetí stanovisko s číslem 4003 ve vzdálenosti přibližně 3 metrů od stanoviska 4001. Tím vznikly dvě měřické základny se společným bodem 4002, základna 4001-4003 se z důvodu krátké vzdálenosti mezi těmito body neuvažovala. Konfigurace stanovisek je znázorněna na obrázku 4.4. Vodorovné a zenitové úhly se na všechny vlícovací body měřily ve dvou polohách dalekohledu, bezhranolové měření délek umožňuje totální stanice pouze v první poloze dalekohledu. Měřily se šikmé délky. Veškeré údaje měřené v první poloze byly ukládány do paměti přístroje, údaje měřené v druhé poloze byly zapisovány ručně do papírových zápisníků, protože druhou polohu totální stanice neumožňuje registrovat. Elektronický zápisník včetně jeho zpracované verze je v DVD příloze [D]. 28

ČVUT v Praze 4. TESTOVACÍ POLE Obr. 4.4: Schéma konfigurace stanovisek 4.6 Výpočet souřadnic vlícovacích bodů K výpočtu souřadnic vlícovacích bodů se využil software Groma v.8. Nejprve se zpracovala naměřená data. Tento krok obsahoval redukci měřených směrů, opravu zenitových úhlů o indexovou chybu a výpočet vodorovných délek pomocí zenitových úhlů. Následně se zvolil místní systém, počátek tvořil bod číslo 4001 a jeho souřadnice byly x = 5000, y = 1000, z = 100. Souřadnice počátku se zvolily nenulové, aby vypočtené souřadnice vlícovacích bodů nebyly záporné. Osa x se vložila do spojnice bodů 4001 a 4002, viz obr. 4.4. Poté se spočetly souřadnice bodu 4002, kde x = vodorovná délka mezi body 4001 a 4002, y = 0, z = výška bodu 4001 + výška stroje na bodě 4001 převýšení mezi body 4001 a 4002. Souřadnice bodu 4003 se spočetly polární metodou pomocí bodů 4001 a 4002. Následoval výpočet souřadnic vlícovacích bodů. Ten se provedl postupně pěti způsoby. Polární metodou ze všech tří stanovisek a protínáním ze směrů ze základen 4001-4002 a 4002-4003. Ze základny 4001-4003 se souřadnice vlícovacích bodů nepočítaly, jelikož vzdálenost mezi body byla příliš malá, tudíž by byl úhel protnutí na vlícovacích bodech nevyhovující. Jednotlivé výpočty se mezi sebou porovnaly, největší odchylky vznikly mezi souřadnicemi spočtenými polární metodou z bodu 4001 a 4002. Maximální dosažená střední odchylka v poloze byla 0.009 m a výběrová střední souřadnicová chyba 0.003 m. Toto porovnání je uvedné v tabulce 4.5. Souřadnice byly tedy určeny s přesností cca 1 cm. Souřadnice vypočtené jednotlivými metodami, jejich porovnání i protokol o výpočtu jsou v DVD příloze [E]. 29

ČVUT v Praze 4. TESTOVACÍ POLE Tab. 4.5: Rozdíly souřadnic vypočtených polární metodou z bodů 4001 a 4002 Bod dy [m] dx [m] dz [m] up [m] 1 0.005 0.007-0.004 0.006 2 0.001-0.010-0.003 0.007 3 0.002-0.003-0.005 0.003 4 0.001-0.001-0.005 0.001 5 0.000-0.006-0.002 0.004 6 0.004-0.005-0.004 0.005 7-0.001-0.005-0.004 0.004 8-0.001-0.001-0.005 0.001 9 0.002-0.002-0.005 0.002 10 0.001-0.006-0.004 0.004 11 0.000-0.009-0.004 0.006 12 0.001 0.000-0.005 0.001 13 0.000-0.003-0.004 0.002 14-0.004-0.005-0.004 0.005 15-0.001-0.004-0.005 0.003 16-0.001 0.002-0.004 0.002 17-0.007 0.010-0.004 0.009 18 0.000-0.001 0.002 0.001 19 0.001-0.008-0.004 0.006 20-0.001-0.008-0.009 0.006 21 0.002 0.000-0.002 0.001 dy, dx, dz rozdíly v souřadnicích Y, X, Z up střední odchylka v poloze Výsledné souřadnice vlícovacích bodů se určily průměrem ze všech pěti výpočtů a jsou uvedeny v příloze č. 2. 30

ČVUT v Praze 5. TVORBA A POROVNÁNÍ MODELŮ 5 Tvorba a porovnání modelů V této kapitole je představen software Agisoft PhotoScan včetně postupu tvorby modelu a software CloudCompare včetně postupu porovnání dvou modelů. 5.1 Software Agisoft PhotoScan Pro tvorbu 3D modelů, neboli hustých mračen bodů, byl vybrán software Agisoft PhotoScan,v. 0.9.1 [4]. Software Agisoft PhotoScan nachází uplatnění v letecké i pozemní fotogrammetrii a stává se čím dál tím více populární pro řadu svých předností (všestrannost, jednoduchost, přesnost, spolehlivost, intuitivnost atd.). Dosahuje vynikajících výsledků v přesnosti modelu. Navíc je schopen zpracovat jakékoliv snímky (i bez informace EXIF). Snímky mohou mít formu stereopárů i konvergentních snímků. Jednotlivé kroky výpočtu modelu (orientace snímků, generace 3D mračna atd.) probíhají automatizovaně, ale výsledky se dají ovlivňovat nastavitelnými parametry. Výsledný model lze vlícovat do libovolného referenčního systému (WGS84, S-JTSK a mnoho dalších). Podporované výstupní formáty modelů jsou: OBJ, 3DS, VRML, COLLADA, PLY, DXF, FBX, U3D, KMZ a PDF. Software je dostupný ve dvou edicích: Standard Edition SE a Professional Edition PE. SE stojí 179 $ a PE stojí 3 499 $. Rozdíl mezi edicemi je, že PE navíc oproti SE podporuje více funkcí pro GIS profesionály jako jsou např. nastavení souřadnicového systému, tvorba DMT, tvorba ortofota atd. Citováno z [2]. V této práci se využívala profesionální verze 0.9.1 pro 64-bitový operační systém. 5.2 Postup tvorby modelu v Agisoft PhotoScan V této kapitole je popsán postup při tvorbě modelu v Agisoft Photoscan, včetně konkrétně zvolených nastavení výpočtu pro testování. Postup se skládá z importu snímků, nastavení kalibračních koeficientů fotoaparátu, vytvoření maskování snímků, označení vlícovacích bodů na snímcích a následně výpočtu samotného 3D modelu testovacího pole. 31

ČVUT v Praze 5. TVORBA A POROVNÁNÍ MODELŮ Import snímků Nejprve se v záložce Workspace založí nový Chunk (soubor snímků) a do tohoto souboru se vloží snímky testovacího pole. Pro oba fotoaparáty se nahrávala sada snímků ve formátu TIFF, což je výstupní formát po postprocesingu. Nastavení kalibračních koeficientů fotoaparátu V záložce Tools Camera Calibration... se nastaví hodnoty kalibračních koeficientů fotoaparátu. Může se zvolit možnost Auto, která vypočítá kalibraci přímo ze snímků testovacího pole, nebo se zvolí možnost Precalibrated a kalibrační hodnoty se mohou ručně vypsat do připravených kolonek nebo se může importovat soubor s kalibračními parametry spočtenými v jiném softwaru, viz obr. 5.2a. Pokud se zvolí možnost Precalibrated, je zde možnost zaškrtnout políčko pro fixování hodnot, to znamená, že software hodnoty v průběhu výpočtu modelu ponechá nezměněné. Pokud se políčko nezaškrtne, software hodnoty vyrovná, viz obr. 5.2b. Obr. 5.2a: Kalibrační hodnoty z Agisoft Lens (Canon 450D) před vyrovnáním Obr. 5.2b: Kalibrační hodnoty z Agisoft Lens (Canon 450D) po vyrovnání 32

ČVUT v Praze 5. TVORBA A POROVNÁNÍ MODELŮ Maskování snímků Z důvodu velké náročnosti na hardware při výpočtu modelů bylo nutné přistoupit k vytvoření masek na jednotlivých snímcích. Výběrovou funkcí byly označeny části snímků, které nebyly pro výpočet a porovnávání potřebné. V tomto případě to byly části, které se nacházely na krajích testovaného prostoru. Volbou Photo Add Selection se spustila funkce maskování. Výsledek maskování se pak přes funkci Export Export Masks uložil do souboru, který se při výpočtech zbývajících 3D modelů určených pro testování jen importoval a snímky se tak zamaskovaly automaticky a hlavně přesně na stejných místech jako u předchozích modelů. Označení vlícovacích bodů na snímcích První import souřadnic vlícovacích bodů lze provést buď z textového souboru v záložce Ground Control Import nebo se nejprve vytvoří bod funkcí Add Marker a souřadnice mu lze vypsat ručně. K umístění vlícovacích bodů na snímky je nutné nejprve zapnout funkci Edit Markers a následně na každém snímku, na kterém se bod nachází, pravým tlačítkem myši kliknout na místo, kde má být bod umístěn, zvolit Add Marker a vybrat číslo bodu. Po umístění bodů lze vyexportovat soubor, který se při tvorbě dalších modelů importuje a body se na snímcích automaticky umístní na správné pozice. Při tomto testování bylo na snímcích označeno všech 21 bodů ještě před orientací snímků a generací řídkého mračna bodů, viz dále, právě z důvodu možnosti hromadného exportu, importu a automatického umístění na správné pozice, čímž odpadla chyba z nesprávného umístění bodů na jednotlivých modelech. Při importu bodů lze zadat jejich přesnost (Ground Control Settings - Marker accuracy (m)). V kap. 4.6 je uvedeno, že souřadnice vlícovacích bodů byly určeny s přesností 1 cm, pro toto testování však můžeme považovat souřadnice za bezchybné, tudíž se za hodnotu Marker accuracy nastavila nula. Výpočet 3D modelu testovacího pole Následoval výpočet samotného modelu, který se skládal ze tří kroků: 1) orientace snímků s generací řídkého mračna bodů 2) tvorba hustého mračna bodů a samotného 3D modelu 33

ČVUT v Praze 5. TVORBA A POROVNÁNÍ MODELŮ 3) tvorba textury modelu Před provedením výpočtu modelu se v menu Tools Preferences Advanced nastavila hodnota maximálního počtu bodů na snímek (Maximum points per photo) na dostatečně vysokou, v tomto případě na 200000 bodů. Poté se nastavila hodnota Depth filtering, což je funkce pro filtrování dat na základě jejich prostorové polohy, na Mild, která je vhodná pro objekty s velkým množstvím malých detailů. Orientace snímků s generací řídkého mračna bodů se spustila volbou Workflow - Align Photos, kde se přesnost (Accuracy) nastavila na hodnotu High (vysoká přesnost) a předvýběr párů snímků (Pair preselection) se zvolil Generic (páry určil software automaticky). Obr. 5.2c: Řídké mračno s vlícovacími body Po zorientování snímků se vypočetly rozdíly v souřadnicích jednotlivých vlícovacích bodů (X err, Y err, Z err) jako rozdíl souřadnic vypočtených z modelu a souřadnic referenčních, prostorové odchylky pro každý bod (Error) jako odmocnina ze součtu čtverců rozdílů jednotlivých souřadnic, celkové chyby pro soubor souřadnic X, soubor souřadnic Y, soubor souřadnic Z jako kvadratický průměr z rozdílů souřadnic (Total Error X, Y, Z) a celkové prostorové odchylky pro soubor všech vlícovacích bodů jako kvadratický průměr celkových chyb jednotlivých bodů (Total Error). Zvolený místní souřadný systém v této práci je levotočivý, souřadný systém softwaru Agisoft PhotoScan je pravotočivý, tudíž musely být prohozeny osy X a Y. 34

ČVUT v Praze 5. TVORBA A POROVNÁNÍ MODELŮ Vztahy pro výpočet chyb souřadnic vlícovacích bodů 2 2 Error = Xerr + Yerr + Zerr 2 TotalErrorX TotalError = 2 2 2 Xerr1 + Xerr2 +... Xerrn = obdobně pro Y a Z n 2 2 Error1 + Error2 +... Error n 2 n Obr. 5.2d: Soubor chyb souřadnic vlícovacích bodů v Agisoft PhotoScan Tvorba hustého mračna bodů a samotného 3D modelu se spustila volbou Workflow Build Geometry, kde se typ objektu (Object type) nastavil na hodnotu Hight field, což je vhodné pro rovinné objekty, tvar objektu (Geometry type) na hodnotu Sharp, vhodné pro objekty s ostřejšími hranami, kvalita mračna (Target quality) na hodnotu High (vysoká kvalita), počet trojúhelníků sítě (Face count) na hodnotu 4000000, práh filtru pro nejmenší komponenty modelu (Filter treshold ) na hodnotu 0.5 % a práh vyplnění děr modelu (Hole treshold) na hodnotu 0.1 %. Posledním krokem je tvorba textury modelu. Pro toto testování není textura důležitá, ale je vhodná pro práci při porovnávání modelů v softwaru CloudCompare. Při transformaci dvou modelů na sebe se díky textuře lépe identifikují. Tvorba textury se 35

ČVUT v Praze 5. TVORBA A POROVNÁNÍ MODELŮ spustila volbou Workflow Build Texture, kde se nastavil mapovací mód (Mapping mode) na hodnotu Adaptive orthophoto, metoda míchání (Blending mode), která určuje, jak budou kombinovány odpovídající si hodnoty pixelů z jednotlivých snímků ve výsledné textuře, na hodnotu Mosaic, šířka textury (Atlas width) na 10000 pixelů, výška textury (Atlas height) na 3000 pixelů což jsou přibližné rozměry testovacího pole (10 x 3 metry) a barevná hloubka (Color depth) se nastavila na hodnotu Standard (24 bitová hloubka). Všechny tyto hodnoty se zvolily podle doporučení v návodu k softwaru [4], podle doporučení Ondřeje Boháče [2] a také podle vizuálního porovnání a vyhodnocení autora. Na obrázku 5.2e je 3D model úseku testovacího pole, při jehož výpočtu se nastavily výše uvedené hodnoty a na obrázku 5.2f je pro porovnání ten stejný úsek, ale s nastavením: Depth filtering Aggressive, Object type Arbitrary, Face count 2000000. Obr. 5.2e: Úsek modelu s vhodným nastavením výpočtu Obr. 5.2f: Úsek modelu s nevhodným nastavením výpočtu 36

ČVUT v Praze 5. TVORBA A POROVNÁNÍ MODELŮ Z obrázků lze vidět, že model vypočtený s vhodným nastavením parametrů má oproti modelu s nevhodnými parametry výpočtu lépe vykreslené detaily. Hrany cihel a kamenů jsou ostřejší. Na závěr byl uložen projekt ve formátu.psz a model byl pro další práci, viz dále, exportován do formátu OBJ (File Export model ) s texturou ve formátu JPEG. 5.3 Software CloudCompare Pro porovnání vytvořených 3D modelů, viz dále, se použil software CloudCompare,v. 2.5.1 [5], který ze dvou na sebe přiložených modelů vypočte jejich rozdílový rastr. CloudCompare je volně dostupný software primárně určený pro srovnávání dvou 3D bodových mračen nebo zasíťovaných mračen (modelů). Jeho autorem je Francouz Daniel Girardeau-Montaut. Pro účely porovnání je založen na speciální octree 1 struktuře. Software dokáže běžně pracovat s mračny o více než 10 milionech bodů. V současnosti jej lze využít též k různorodým operacím s 3D daty jako jsou: registrace, převzorkování, statistické výpočty apod. Čerpáno z [2]. 5.4 Postup porovnání modelů v CloudCompare V této kapitole je popsán postup při porovnávání modelů v softwaru CloudCompare, včetně konkrétně zvolených nastavení výpočtu pro testování. Nejprve se do softwaru načetly vyexportované modely ve formátu OBJ s připojenou texturou. Jeden model jako zvolený referenční a jeden porovnávaný. Oba modely se následně označily a provedlo se první přesné ztotožnění pomocí volby Finely registers already (roughly) aligned entities (clouds or meshes), zde se nastavil referenční (Model) a porovnávaný (Data) model, kritérium pro zastavení registrace (rozdíl předchozí a následující iterace) Error difference nastavila se hodnota 1.000e- 10. Pro případné potlačení vlivu špatně určeného měřítka byla zatržena volba Free scale parameter a volba optimalizující rychlost výpočtu pro velká mračna Random 1 octree je typ stromové struktury dat, kde každý uzel má právě osm potomků. [17] 37

ČVUT v Praze 5. TVORBA A POROVNÁNÍ MODELŮ sampling limit byla nastavena na hodnotu 4000000, což potlačilo použití tohoto parametru, jelikož žádné mračno nemělo více než 4 miliony bodů. Po tomto nastavení byla spuštěna registrace mračen. Po první přesné registraci se oba modely označily a bylo provedeno společné ořezání. Tím se odstranily nežádoucí části modelů, konkrétně spodní části, kde byly modely nesouvislé z důvodu vzrostlých trsů trávy a jiných rostlin, přes které nebylo na zeď vidět a tedy v těch místech nemohlo dojít k vyhodnocení modelu. Společně s těmito spodními částmi se modely lehce ořezaly i po ostatních hranách, aby porovnávané zájmové části byly opravdu stejné. Poté byla provedena druhá a finální registrace modelů, kdy se parametr Error diference nastavil na hodnotu 1.000e-20. Po druhé registraci se provedl výpočet rozdílového rastru obou modelů funkcí Compute cloud/mesh distance. Zde se nejprve nastavil referenční (Reference) a porovnávaný (Compared) model. Poté proběhl přibližný výpočet vzdálenosti. V dialogovém okně pro přesný výpočet vzdálenosti se nastavila úroveň stromové struktury Octree level na hodnotu 8, maximální zobrazovaná vzdálenost (Max. dist) se nastavovala pro konkrétní porovnání od 5 cm do 15 cm, výpočet vzdáleností se znaménkem Signed distances povolen, výpočet s funkcí multi-threaded povolen. Nakonec byl rozdílový rastr vizualizován pomocí barevné hypsometrie, kde záporné hodnoty byly značeny modrou barvou, která přechází do zelené barvy značící nulový rozdíl a ta přechází do barvy červené značící kladný rozdíl, viz obr. 5.4. A pomocí volby Show histogram byl zobrazen a následně uložen histogram četností vzdáleností dvou modelů. Všechny hodnoty nastavení zadané při porovnávání modelů se zvolily podle doporučení Ondřeje Boháče [2]. Veškerá provedená porovnání, viz dále, jsou v DVD příloze [G]. Obr. 5.4: Vizualizace rozdílového rastru barevnou hypsometrií včetně histogramu 38

ČVUT v Praze 6. TESTOVÁNÍ 6 Testování V této kapitole je testován vliv odlišných postupů kalibrace fotoaparátů na kvalitu výstupů ze softwaru Agisoft PhotoScan. Jednotlivé postupy kalibrace jsou: 1) automatická kalibrace provedená softwarem Agisoft PhotoScan přímo ze snímků testovacího pole (tzv. autokalibrace ) 2) kalibrace vypočtená v softwaru Agisoft Lens a při importu do softwaru agisoft PhotoScan nastavena jako fixní 3) kalibrace vypočtená v softwaru Agisoft Lens a při importu do softwaru Agisoft PhotoScan vyrovnána 4) kalibrace vypočtená v softwaru PhotoModeler a při importu do softwaru Agisoft PhotoScan nastavena jako fixní 5) kalibrace vypočtená v softwaru PhotoModeler a při importu do softwaru Agisoft PhotoScan vyrovnána 6) použití snímků idealizovaných v softwaru SIMphoto pomocí kalibračních koeficientů ze softwaru PhotoModeler Testování je prováděno na základě: a) porovnání souřadnic vlícovacích bodů b) porovnání vytvořených 3D modelů Kapitola je tedy rozdělena na dvě části podle bodů a) a b). V každé části je provedeno testování pro oba fotoaparáty. První je vždy testován fotoaparát Canon EOS 450D s objektivem nastaveným na ohniskovou vzdálenost f = 18 mm. Jako druhý je testován fotoaparát Canon EOS 5D Mark II s objektivem nastaveným na ohniskovou vzdálenost f = 16 mm. Oba objektivy jsou tedy nastaveny do krajních poloh. 39

ČVUT v Praze 6. TESTOVÁNÍ 6.1 Porovnání souřadnic vlícovacích bodů Testování bylo provedeno za účelem zjištění s jakým postupem kalibrace vychází největší chyby v souřadnicích vlícovacích bodů. Byly tedy porovnány souřadnice referenční (geodeticky zaměřené) se souřadnicemi vypočtenými z modelu. Dále byla pozorována systematičnost chyb. Zda-li je většina největších chyb v jedné souřadnici (X, Y nebo Z), nebo je-li chyba rozložena do všech souřadnic stejnoměrně. Model s nejmenšími chybami v souřadnicích vlícovacích bodů byl poté zvolen za model referenční k porovnávání v softwaru CloudCompare. 6.1.1 Postup testování Nejprve se vytvořily modely pro všechny kalibrační postupy podle postupu uvedeného v kapitole 5.2. Pro první postup byl model nazván auto, pro druhý lensfix, pro třetí lensnefix, pro čtvrtý pmfix, pro pátý pmnefix a pro šestý ideal. Z vypočtených modelů se poté získaly rozdíly souřadnic vlícovacích bodů a referenčních souřadnic vlícovacích bodů, které jsou uvedeny v tabulkách níže. Veškeré projekty a modely pro testování v této práci jsou v DVD příloze [F]. 40

ČVUT v Praze 6. TESTOVÁNÍ 6.1.2 Zhodnocení pro fotoaparát Canon EOS 450D, f = 18 mm Pro model auto je tabulka chyb souřadnic následující: Číslo bodu ΔY [m] ΔX [m] ΔZ [m] Prostorová odchylka bodu [m] 1 0.028 0.023-0.023 0.043 2 0.011-0.002-0.016 0.020 3 0.014-0.012-0.013 0.023 4 0.003-0.004 0.000 0.005 5 0.000 0.003 0.002 0.003 6 0.014-0.003 0.010 0.018 7 0.003 0.008 0.017 0.019 8-0.009-0.005 0.009 0.014 9-0.016-0.002 0.005 0.017 10-0.017 0.004 0.013 0.021 11-0.015 0.006 0.015 0.022 12-0.003-0.001 0.013 0.013 13 0.004-0.008 0.010 0.013 14-0.004-0.003 0.009 0.010 15-0.017 0.006 0.011 0.021 16-0.003 0.010 0.002 0.011 17 0.000 0.001 0.000 0.001 18 0.018-0.001 0.005 0.019 19 0.040-0.025-0.004 0.048 20 0.013-0.004-0.014 0.020 21 0.013 0.011-0.017 0.024 Celková chyba 0.015 0.009 0.012 0.021 Tab. 6.1.2a: Rozdíly souřadnic pro model auto Z tabulky pro model auto je vidět, že jistá systematičnost postupu chyb je v souřadnici Y, což je souřadnice hloubková. Od chyb krajních bodů které jsou s plusovým znaménkem přecházejí do záporných hodnot uprostřed modelu a poté na druhém kraji opět směřují do kladných hodnot. Tento fakt ukazuje na prohnutí modelu, kde kraje modelu jsou prohnuté směrem do zdi a naopak střed modelu lehce vystupuje. 41

ČVUT v Praze 6. TESTOVÁNÍ Pro model lensfix je tabulka chyb souřadnic následující: Číslo bodu ΔY [m] ΔX [m] ΔZ [m] Prostorová odchylka bodu [m] 1-0.044 0.010-0.002 0.045 2-0.037-0.005 0.000 0.037 3-0.041-0.010 0.002 0.042 4 0.003-0.006-0.001 0.006 5 0.004-0.003 0.001 0.005 6-0.002-0.016 0.011 0.020 7 0.024-0.001 0.005 0.024 8 0.029-0.009-0.003 0.031 9 0.018-0.004-0.004 0.019 10 0.031 0.001-0.001 0.031 11 0.034 0.004-0.001 0.034 12 0.032-0.004-0.005 0.032 13 0.019-0.004-0.005 0.020 14 0.033-0.002-0.004 0.033 15 0.019 0.004 0.002 0.019 16-0.005 0.009 0.005 0.011 17-0.003 0.005-0.001 0.006 18-0.002 0.009-0.001 0.009 19-0.048-0.006 0.009 0.050 20-0.053 0.004 0.004 0.053 21-0.051 0.011 0.007 0.053 Celková chyba 0.030 0.007 0.005 0.032 Tab. 6.1.2b: Rozdíly souřadnic pro model lensfix Z tabulky pro model lensfix je vidět, že systematičnost postupu chyb je opět v souřadnici Y. Je zde však opačný postup, než v případě modelu auto. Od chyb krajních bodů které jsou se záporným znaménkem přecházejí do kladných hodnot uprostřed modelu a poté na druhém kraji opět směřují do záporných hodnot. Tento fakt ukazuje na prohnutí modelu, kde kraje modelu vystupují směrem ven ze zdi a střed naopak vstupuje do zdi. Chyby souřadnice Y jsou u většiny bodů o řád větší než u souřadnic X a Z. 42

ČVUT v Praze 6. TESTOVÁNÍ Pro model lensnefix je tabulka chyb souřadnic následující: Číslo bodu ΔY [m] ΔX [m] ΔZ [m] Prostorová odchylka bodu [m] 1 0.020 0.013-0.007 0.025 2 0.012 0.001-0.003 0.012 3 0.014 0.002-0.002 0.014 4 0.006 0.003-0.002 0.007 5 0.003 0.002 0.003 0.004 6 0.009-0.013 0.010 0.019 7 0.000 0.000 0.007 0.007 8-0.004-0.006 0.001 0.007 9-0.008 0.000-0.004 0.009 10-0.007 0.002 0.001 0.008 11-0.010 0.004 0.004 0.012 12-0.005-0.002-0.001 0.006 13-0.001-0.003-0.002 0.004 14 0.000-0.004 0.000 0.004 15-0.008 0.000 0.002 0.009 16-0.001 0.001 0.002 0.003 17-0.001 0.001 0.000 0.001 18 0.009 0.009 0.000 0.012 19 0.021-0.008 0.005 0.023 20 0.005-0.002-0.000 0.006 21 0.009 0.001-0.001 0.009 Celková chyba 0.009 0.005 0.004 0.011 Tab. 6.1.2c: Rozdíly souřadnic pro model lensnefix Z tabulky pro model lensnefix je vidět, že systematičnost postupu chyb je opět v souřadnici Y. Od chyb krajních bodů které jsou s kladným znaménkem přecházejí do záporných hodnot uprostřed modelu a poté na druhém kraji opět směřují do kladných hodnot. Kraje modelu jsou tedy prohnuté do zdi, střed modelu ze zdi vystupuje. I když je celková chyba souřadnice Y větší než u X a Z, tak je rozdíl prakticky zanedbatelný. Po srovnání chyb souřadnic bodů z lensfix a lensnefix bylo zjištěno nejen snížení chyb díky vyrovnání kalibračních koeficientů, ale také otočení průhybu modelu na opačnou stranu ve směru osy Y. 43