CC BY
105
применения путем его использования независимо от параметров фото-, видеокамеры, в которой изображение было получено, на основе информации, содержащейся в самом изображении.
Работа выполнена при поддержке фонда „Научный потенциал "(договор № 107,2007 г.).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Sing Bing Kang. Method for recovering radial distortion parameters from a single camera image. United States Patent 6101288: Publication Date: 2000-08-08.
2. R.Y. Tsai. A versatile camera calibration technique for high-accuracy 3D machine vision metrology using off-the-shelf TV cameras and lenses // IEEE Trans. Rob. Autom, RA-3(4). 1987. Р. 323—344.
3. Vark Reeves, Andrew J. Moore, Duncan P. Hand, Julian D.C. Jones. Dynamic shape measurement system for laser materials processing. Opt. Eng. 42(10). 2003. Р. 2923—2929.
4. Демидович Б. П., Марон И. А. Основы вычислительной математики. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1966.
Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию
вычислительной техники 01.09.07
УДК 681.3
В. Я. Панченко, А. В. Евсеев, В. С. Майоров, С. В. Камаев
Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН (ИПЛИТРАН)
г. Шатура Московской области
В. П. Савиных, А. П. Михайлов, М. В. Хорошев, В. М. Курков, А. Б. Вележев
Московский государственный университет геодезии и картографии (МИИГАиК)
СОЗДАНИЕ РЕЛЬЕФНЫХ КАРТ С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРНОЙ СТЕРЕОЛИТОГРАФИИ ПО ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКИМ ДАННЫМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ
Рельефные карты (трехмерные модели местности) являются весьма востребованными. В ряде случаев, когда необходимо быстро получить реальную картину, существует настоятельная необходимость весьма оперативного изготовления таких макетов. В настоящей статье описываются разработанные и апробированные методика и технология оперативного создания таких рельефных карт, созданных в кооперации ИПЛИТ РАН с МИИГАиК.
Часто единственной возможностью получить начальную объективную информацию является аэро- или космическая фотосъемка. Компьютерная фотограмметрическая обработка этих серий снимков позволяет создать трехмерную модель объекта. На основе полученных 3D-файлов методом лазерной стереолитографии создается реальный объемный макет выбранной области. Естественно, отдельные блоки этой схемы могут быть пространственно разнесены и независимы, необходимо только обеспечить обмен информацией между ними (например, через Интернет). Настоящая статья показывает эффективность соединения информационных и лазерных технологий для решения актуальных практических задач.
Особенности фотограмметрической обработки аэроснимков. Современное аэрофо-тогеодезическое производство характеризуется активным использованием цифровых технологий при создании и обновлении карт различного назначения по материалам аэрокосмической съемки. Эти технологии базируются на применении цифровых фотограмметрических систем.
Одним из важных фотограмметрических процессов, выполняемых при создании карт, является создание цифровых моделей рельефа местности. Для определения координат точек местности по стереопаре снимков методом прямой фотограмметрической засечки необходимо, чтобы были известны элементы внешнего ориентирования снимков. На практике в большинстве случаев их значения неизвестны. В этом случае определение координат точек местности по стереопаре снимков выполняют методом двойной обратной фотограмметрической засечки. Решение задачи по этому методу выполняется в нижеприведенной последовательности:
1. Определяют пять элементов взаимного ориентирования снимков, которые определяют взаимную угловую ориентацию стереопары снимков и базиса фотографирования, для чего необходимо измерить не менее пяти соответственных точек на стереопаре снимков.
2. Строят фотограмметрическую модель объекта по измеренным на стереопаре снимков координатам изображений соответственных точек и значениям элементов взаимного ориентирования снимков. Построенная модель подобна сфотографированному объекту, но имеет произвольный масштаб и произвольно расположена и ориентирована относительно системы координат объекта.
3. Определяют семь элементов внешнего ориентирования фотограмметрической модели по опорным точкам, определяющих масштаб модели, ее положение и ориентацию относительно системы координат объекта. Для этого достаточно трех опорных точек, не лежащих на одной прямой. По значениям элементов внешнего ориентирования фотограмметрической модели и элементов взаимного ориентирования можно определить элементы внешнего ориентирования стереопары снимков.
4. По координатам точек, определенных в системе координат модели, и элементам внешнего ориентирования модели находят координаты точек в системе координат объекта.
Фототриангуляция выполняется в целях определения элементов внешнего ориентирования снимков, координат и высот опорных точек в системе координат объекта путем построения и внешнего ориентирования фотограмметрической модели объекта (местности) по снимкам, принадлежащим одному или нескольким перекрывающимся маршрутам. Эти данные используются в качестве опорной и контрольной информации при выполнении процессов обработки стереопар или одиночных снимков на фотограмметрических приборах и системах.
Построение фотограмметрических моделей производится в два этапа. Сначала определяют элементы взаимного ориентирования снимков, а затем строят фотограмметрические модели и определяют элементы внешнего ориентирования каждой модели и координаты точек сети в системе координат объекта. При построении и уравнивании сетей маршрутной и блочной фототриангуляции в измеренные на снимках значения координат точек вводятся поправки, позволяющие исключить систематические ошибки снимков, вызываемые дисторсией объектива съемочной камеры, деформацией фотопленки, атмосферной рефракцией.
Наблюдение и измерение цифровых изображений. Цифровое изображение хранится в памяти компьютера в виде прямоугольной матрицы, элементы а^ которой несут информацию об оптических плотностях или цвете элементарных участков изображения, а номера г строки и ] столбца элемента ац показывают его положение в матрице. Координаты центров
пикселей в левой прямоугольной системе координат цифрового изображения Ос.Хс. Ус, началом которой является левый верхний угол цифрового изображения, определяются в пиксельных координатах. Для обеспечения возможности измерения координат точек цифрового изо-
бражения с подпиксельной точностью без увеличения исходного изображения разработан метод измерения цифровых изображений, в котором цифровое изображение снимка может смещаться относительно неподвижной измерительной марки с шагом, в n раз меньшим размера пикселя.
Существуют различные автоматизированные методы нахождения и отождествления соответственных точек на паре цифровых изображений, которые можно разделить на три группы:
1. Методы, основанные на анализе значений пикселей изображения в пределах некоторой области (ПМ — площадные методы);
2. Методы, основанные на выделении элементов изображения (ЭМ);
3. Методы, использующие связи между элементами изображения (СМ).
Формы представления цифровых моделей рельефа (ЦМР). Цифровая модель рельефа (ЦМР) представляет собой в общем случае трехмерную пространственную модель поверхности Земли, которая может содержать и отображать криволинейное пространство. ЦМР позволяет строить трехмерные визуализации и перспективные виды, а также служит основой для решения ряда задач.
ЦМР может представляться в виде как регулярной, так и нерегулярной сетки. В первом случае это может быть матрица высот или DEM. Матрица высот — это цифровое картографическое представление поверхности Земли в виде регулярной сетки значений высот. Высоты записываются в узлах матрицы, положение которых отсчитывается от некоторой начальной точки на местности через равные интервалы вдоль осей х и у. Интервалы между соседними узлами матрицы называются шагом. Как правило, для регулярной матрицы шаг вдоль осей х и у одинаков.
Во втором случае в виде нерегулярной сетки используется TIN (Triangulated Irregular Network) — способ цифрового представления рельефа местности с использованием нерегулярной сети треугольников и опционально встроенных структурных линий. Высоты нерегулярной матрицы записываются в узлах, имеющих координаты х, у, расстояние между которыми произвольно.
Преимуществом регулярной матрицы является то, что для ее записи требуется значительно меньший объем машинной памяти, чем для нерегулярной. Поэтому широкое распространение она получила на ранних стадиях развития компьютерной техники, когда память была дефицитом. Недостаток регулярной матрицы заключается в том, что она «слепо» описывает характер рельефа местности, не отражая ее индивидуальные особенности. Поэтому в настоящее время цифровую модель рельефа получают в основном в виде нерегулярной матрицы, узлы которой располагаются на характерных местах рельефа.
Другой способ представления ЦМР — представление в виде набора 3D точек (пикетов). Этот метод приводит к некоторому повышению производительности редактирования в связи с отсутствием треугольников. Создание ЦМР в виде пикетов происходит с использованием тех же алгоритмов, что и создание TIN. Отличием является то, что полученные пикеты не пе-ресчитываются в TIN с помощью триангуляции и хранятся просто как набор XYZ точек. Для уточнения модели рельефа к пикетам могут быть подгружены структурные линии.
Цифровая фотограмметрическая система „Фотомод". Цифровая фотограмметрическая станция „PHOTOMOD" предназначена для комплексной фотограмметрической обработки одиночных стереопар, маршрутов и блоков, кадровых аэрокосмических и наземных снимков, а также одиночных и стереопар сканерных снимков, полученных оптико-электрон-ными сканерными съемочными системами.
Система использует два вида окон для визуализации и редактирования модели рельефа и прочих видов объектов: 2D и 3D. 2D окно предназначено для визуализации и редактирования модели рельефа, векторов и горизонталей в моно/стереорежиме. 3D окно используется для просмотра модели рельефа под разными углами, ее растяжения и ориентирования в 3-мерном пространстве.
Основным видом модели рельефа в модуле PHOTOMOD DTM является нерегулярная пространственная сеть треугольников — TIN . Возможно создавать модель рельефа в виде произвольного набора трехмерных точек — пикетов. TIN может быть конвертирован в регулярную модель рельефа — матрицу высот. Для уточнения модели рельефа используются структурные линии.
Пример построения цифровых моделей рельефа местности по стереопарам аэрофотоснимков на ЦФС „Фотомод". Обрабатываемый блок состоит из 2 маршрутов, по 3 снимка (2 стереопары) в каждом. Снимки цветные, полученные камерой WILD Aviophot RC20: фокусное расстояние — 153.406 мм, масштаб снимков — 1:5000. Высота фотографирования -900 м. Среднее превышение местности над уровнем моря 150 м. Снимки сканировались с разрешением 20 мкм на фотограмметрическом сканере. Перед обработкой разрешение снимков было уменьшено в 2 раза и составило 40 мкм. В проекте использовались 7 планово-высотных опорных точек. На рис. 1 показаны горизонтали, построенные по общему TIN.
Рис. 1
Модуль PHOTOMOD Mosaic использовался для создания ортофотоплана с разрешением 0.5 м на блок исходных изображений. В качестве ЦМР для учета ошибок рельефа местности была использована матрица высот, построенная на предыдущем этапе обработки. Фотоплан показан на рис. 2.
Рис. 2
Изготовление рельефной карты местности с помощью лазерной стереолитографии.
Лазерная стереолитография, являясь одним из бурно развивающихся направлений оперативного изготовления прототипов, макетов и даже функциональных объектов по их трехмерным компьютерным моделям, реализует принцип прямого формообразования трехмерных объектов путем последовательного наращивания материала. Основой стереолитографии является локальное изменение фазового состояния однородной среды (переход жидкость — твердое тело) в результате фотоинициированной в заданном объеме полимеризации. Следствием полимеризации является изменение фазового состояния среды — в облученной области образуется твердый полимер. Так как активные центры появляются только в облученной области, то и полимеризация протекает преимущественно в этой области, т.е. достигается пространственная селективность фотоинициированной полимеризации. Активные центры образуются при взаимодействии фотополимеризующейся композиции (ФПК) с излучением из определенного спектрального диапазона. Эта спектральная селективность позволяет, в частности, проводить полимеризацию в условиях естественного освещения.
Лазерная стереолитография включает в себя создание трехмерной компьютерной модели объекта в STL формате, ее разбиение на тонкие слои, расчет траектории движения лазерного луча, заполняющего каждое сечение, и последовательное воспроизведение соответствующих поперечных сечений на поверхности жидкой ФПК сфокусированным пучком инициирующего полимеризацию лазерного излучения. В облученной области образуется пленка твердого полимера.
Схема установки лазерной стереолитографии приведена на рис. 3. На этом рисунке 1 — лазер, 2 — двухкоординатный сканатор, 3 — платформа, 4 — емкость с ФПК, 5 — выравнивающее устройство. Излучение лазера воспроизводит на поверхности жидкой фотополимери-зующейся композиции внешний контур и внутреннюю штриховку соответствующих поперечных сечений модели. Коэффициент поглощения излучения достаточно велик, так что оно практически полностью поглощается в тонком (0,1-0,2 мм) слое ФПК. В облученной области образуется пленка твердого полимера. Управляется лазерный луч двухкоординатным скана-тором. Данная технология получила название „метод прямого лазерного рисования" в отличие от других способов воспроизведения сечений на поверхности ФПК, о которых будет упомянуто ниже. Переход от одного слоя к другому осуществляется путем погружения платформы, на которой выращивается деталь, в емкость с жидкой ФПК на глубину, равную толщине следующего слоя. Выравнивающее устройство обеспечивает равномерную толщину
Рис. 3
слоя по всей площади платформы. При полимеризации последующего слоя он приклеивается к предыдущему, что обеспечивает жесткость всего изделия. По завершении процесса модель отмывают от остатков исходного вещества, удаляют технологические подпорки. Затем изделие подвергается дополнительной полимеризации УФ излучением в специальной камере.
Рис. 4
Этапы создания рельефной карты показаны на рис. 4. Исходными данными для формирования трехмерной компьютерной модели участка местности был набор горизонталей, полученный в результате преобразования фотограмметрических данных. Горизонтали, проведенные через 2 м, были представлены в виде DXF-файлов. Каждая горизонталь представляла собой замкнутую или разомкнутую полилинию (рис. 4, а). На начальном этапе каждая горизонталь была обработана в целях устранения дефектов (разрывов и петель), появившихся из-за неадекватного преобразования. Файлы экспортировались в 3D CAD SolidWorks, использо-
ванный для создания трехмерной компьютерной модели. Горизонтали были размещены на наборе вспомогательных плоскостей, каждой горизонтали была придана толщина.
Полученная трехмерная модель представляла собой набор плоских слоев толщиной, равной расстоянию между горизонталями (рис. 4, б).
3D модель была экспортирована в STL формат и на установке ЛС-400Э из ФПК ИПЛИТ-3 была изготовлена пластиковая рельефная карта (рис. 4, в). Для лучшего отображения особенностей рельефа масштаб по вертикали был увеличен в два раза по сравнению с горизонтальным.
Горизонтали были преобразованы в растровый формат (PCX), являющийся исходным для SW. Полученная трехмерная компьютерная модель и фотография соответствующей пластиковой рельефной карты, изготовленной на стереолитографической установке ЛС-400Э, представлены на рис. 4, г и рис. 4, д соответственно.
Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию
вычислительной техники 20.08.07
