Przegląd programów 2D oraz 3D do fotogrametrii na przykładzie PC- Rect oraz PhotoModeler

Transkrypt

1 SOMMER Sławomir 1 Przegląd programów 2D oraz 3D do fotogrametrii na przykładzie PC- Rect oraz PhotoModeler WSTĘP Fotogrametria zaliczana jest do dziedzin nauk technicznych. Jej głównym zadaniem jest pozyskiwanie ze zdjęć trójwymiarowych informacji znaczeniowych, spektralnych oraz geometrycznych. Fotogrametria umożliwia odtworzenie zaistniałego zdarzenia w oryginalnych proporcjach wg dokładnie określonych zależności [1]. W wyniku badania, interpretacji, a także wykonania odpowiednich czynności pomiarowych na odpowiednich obrazach fotograficznych możliwe jest wykonanie modelu 3D analizowanego obiektu. W związku z powyższym możliwe jest dokładne odtworzenie zaistniałego zdarzenia. Istotą stosowania fotogrametrii jest jej uniwersalność. Zależności matematyczne pomiędzy zauważalnymi śladami pozyskuje się z obrazów fotograficznych. Dane 3D, które są kompletną informacją geometryczną umożliwiają wykonać pełnej analizy przestrzennej. Odwzorowanie trójwymiarowe poprzez eliminację błędów, które wynikają z miar ukośnych jest znacznie dokładniejsze [2]. Programy używane do fotogrametrii umożliwiają tworzenie płaskich (2D), a także przestrzennych (3D) przekształceń fotogrametrycznych. W aplikacjach typu 2D (PC- Rect, HawkEye) przekształcana jest płaszczyzna odwzorowana w perspektywie na jej rzut równoległy. W związku z tym istnieje możliwość przetworzenia, np. uchwyconej na zdjęciu sylwetki wykonanej w widoku, np. na widok z góry. Wykonana modyfikacja ma zachowane proporcje wymiarów wzdłużnych oraz poprzecznych. Programy, które posiadają możliwość przekształceń 3D (PhotoModeler) umożliwiają tworzenie modeli przestrzennych na podstawie wykonanych z różnych perspektyw zdjęć obiektu [1, 3-6]. 1 OPIS PROGRAMÓW DO FOTOGRAMETRII Poniżej przedstawiono programy do płaskich przestrzennych przekształceń fotogrametrycznych. 1.1 PC- Rect (DSD Dr. SteffanDatentechnik, Austria) Aplikacja PC- Rect umożliwia fotogrametryczne zmiany płaszczyzny w rzucie prostokątnym oraz środkowym na jej rzut równoległy, czyli widoczną na fotografii część jezdni wraz ze śladami hamowania oraz rozrzuconymi elementami pojazdu, rozbitego szkła, itp. Używa się jej głównie do odtwarzania usytuowania śladów na podstawie fotografii z miejsca zdarzenia. W programie mogą być wykorzystywane dwie metody transformacji. Pierwsza z nich dotyczy przekształcenia, w którym używane są odcinki referencyjne. Ich naturalne wymiary zostały zmierzone w terenie oraz są widoczne na zdjęciu. Druga metoda związana jest z restytucją koła głębokości. Koncepcja metody pierwszej została zobrazowana na Rys. 1. W oknie głównym przedstawiono 2 widoki. Po lewej stronie znajduje się zdjęcie z miejsca zdarzenia. Widać na nim łatę wzorcową o długości czterech metrów ułożoną w postaci krzyża. W związku z tym, że wymiary łaty były znane z łatwością określono długości odcinków referencyjnych oznaczonych na fotografii kolorem czerwonym. W wyniku tego, że zdjęcie wykonane zostało z perspektywy powstały kwadrat widoczny jest jako czworokąt nieforemny. Program wyposażony jest w możliwość wyznaczenia współczynnika równania dzięki, któremu możliwe jest uzyskanie nowego obrazu z kwadratem posiadającym prawidłowe wymiary. Prawa strona Rys. 1 pokazuje rzut prostokątny jezdni. W aplikacji przewidziano możliwość uwzględnienia różnej ilości odcinków referencyjnych. Algorytmy optymalizacyjne wyznaczają 1 Mgr inż. Sławomir Sommer, Politechnika Gdańska, Wydział Mechaniczny 14753

2 współczynniki równania transformacji. Ważne jest to, żeby błąd pomiędzy zaznaczonymi na obrazku długościami referencyjnymi, a rzeczywistymi odcinkami był jak najmniejszy [6]. Rys.1. Okno główne programu PC- Rect [4] Podczas wykonywania zdjęć potrzebnych do przeprowadzenia transformacji w aplikacji PC- Rect należy pamiętać o tym, że konieczne jest uchwycenie przynajmniej czterech punktów, które nie są współliniowe. Punkty te muszą znajdować się na transformowanej powierzchni. Wymagane jest żeby przekształcona powierzchnia była płaszczyzną. Program umożliwia zdefiniowanie długości co najwyżej dziesięciu odcinków, które są pokazane na zdjęciach. W celu zminimalizowania błędu transformacji należy dążyć do tego aby kąty pomiędzy odcinkami referencyjnymi przyjmowały wartości zbliżone do kąta prostego. Jeżeli natomiast są mniejsze od 90 zaleca się wykonanie pomiaru kilku pomocniczych odcinków, które zostały uwiecznione na zdjęciu. Powyższym wymogom można w łatwy sposób sprostać kładąc łatę wzorcową na jezdni lub poprzez narysowanie czterech krzyży, dzięki którym możliwe jest wyznaczenie rogów prostokąta albo kwadratu, których długości przekątnych oraz boków są znane. Precyzja wykonanej transformacji wzrasta proporcjonalnie do wymiarów odcinków wzorcowych. Uzyskanie największej dokładności transformacji fotogrametrycznej możliwe jest wtedy, gdy wzorzec znajduje się na pierwszym planie wykonanej fotografii (Rys. 2.). Zdjęcie, które wybrane zostało do transformacji powinno zostać zeskanowane za pomocą skanera podłączonego do komputera lub wczytane z przenośnej pamięci danych. Następnie należy zapisać fotografię w jednym z poniższych formatów rastrowych: bmp, eps, jpg, tif, pcx, gif. Jeżeli istnieje taka koniczność, to możliwe jest wykonanie modyfikacji związanych ze zmianą: jasności, kontrastu, a także nasycenia kolorów przy pomocy wbudowanych narzędzi programy PC- Rect. Transformacja całej fotografii lub jej części może być wykonana za pomocą metody czworokąta. W tym celu potrzebne jest zaznaczenie czterech rogów o określonych rzeczywistych długościach boków. Przekształcenie będzie tym dokładniejsze, im czworokąt będzie bardziej podobny do kwadratu. W miejscu powstałej kolizji czworokąt może być zdefiniowany za pomocą łaty wzorcowej, osadzonej na pierwszym planie lub za pomocą dowolnych punktów o znanych odległościach. Punktami tymi mogą być np.: znak drogowy lub sygnalizator świetlny. Na etapie przygotowywania do przekształcenia można określić poniższe parametry: wysokość kamery, kąt kamery, 14754

3 rzeczywistą odległość między ustalonymi punktami czworokąta oraz innych odcinków referencyjnych, ogniskową, rozdzielczość, kąt obrotu kamery. Aplikacja PC- Rect przed transformacją oraz w czasie trwania obliczeń usprawnia powstałe relacje pomiędzy faktycznymi i oznakowanymi na obrazie odcinkami referencyjnymi. Przeprowadzenie obliczeń ma na celu wyznaczenie wektora płaszczyzny w perspektywie na płaszczyznę, która jest odwzorowana w rzucie równoległym. Podczas wykonywania obliczeń cały czas wskazywana jest wartość całkowitego błędu ważonego, a także wartość błędu względnego pojedynczych odcinków. Przekształcony obraz może zostać zapisany w postaci osobnego pliku na dysku lub przesłany do programu symulacyjnego PC- Crash [7, 8]. Rys.2. Krzyż wzorcowy znajdujący się na jezdni [8] 1.2 PhotoModeler (Eos Systems Imc., Kanada) Program PhotoModeler używany jest do trójwymiarowego przekształcenia fotogrametrycznego obrazu przestrzeni z wykonanej fotografii. Analogicznie jak w aplikacji PC- Rect można wykonać transformację z rzutu środkowego do rzutu prostokątnego umiejscowienia śladów znajdujących się na wykonanych zdjęciach. Program PhotoModeler umożliwia wykonanie trójwymiarowych modeli obiektów, które są odkształcone. Do wykonania modeli 3D pojazdów niezbędne jest posiadanie co najmniej trzech zdjęć pojazdu. Fotografie muszą być wykonane z różnych ujęć oraz posiadać identyczne punkty odniesienia. Rys. 3. przedstawia dwie spośród trzech fotografii uszkodzonego pojazdu, które zostały wykonane z różnych ujęć. Każde ze zdjęć posiada zaznaczone te same punkty, które wykorzystuje się do wykonania modelu trójwymiarowego uszkodzonego nadwozia [4]

4 Rys.3. Okno główne programu PhotoModeler [4] WNIOSKI Intensywny rozwój techniki komputerowej, metod numerycznych oraz optyczno- elektronicznych sensorów obrazowania spowodowały aktualny zakres oraz precyzję fotogrametrycznych metod pomiaru trójwymiarowego w pobliskim zasięgu [2]. W związku z powyższym najnowsze w pełni zautomatyzowane wizyjne systemy pomiarowe opierają się na technice cyfrowej. Wyniki pomiarów charakteryzuje wysoka precyzja, powtarzalność oraz wiarygodność. Wysokie parametry zestawów komputerowych umożliwiają wykonywanie skomplikowanych operacji na fotografiach. Aktualnie na rynku oferowanych jest wiele aplikacji do fotogrametrii, które z powodzeniem mogą być używane do rekonstrukcji zdarzeń drogowych. Należy pamiętać o tym, że do wykonania każdego badania konieczne jest pozyskanie fotografii, np. poprzez wykonanie zdjęcia za pomocą aparatu cyfrowego lub zeskanowanie papierowej wersji. Streszczenie W pracy został podjęty temat przeglądu programów do fotogrametrii. Stwierdzono, że lawinowy rozwój informatyki sprawił, że eksperci zajmujący się zawodowo tematem zdarzeń drogowych pozyskali dostęp do specjalistycznego oprogramowania wspomagającego rekonstrukcję wypadków komunikacyjnych. Różnorodność problematyki rekonstruowania zdarzeń drogowych narzuciła konieczność stworzenia eksperckiego oprogramowania specjalnej grupy aplikacji. Zaobserwowano, że obecnie na rynku oferowanych jest wiele programów wspomagających analizowanie wypadków drogowych. W artykule opisano dwa programy: PC- Rect oraz PhotoModeler, które używane są do dwu oraz trójwymiarowego przekształcenia płaszczyzny. Obie aplikacje mają możliwość wykonania transformacji śladów znajdujących się na wykonanych fotografiach z rzutu środkowego do rzutu prostokątnego. Overview of programs for 2D and 3D photogrammetry on the example of PC-Rect and PhotoModeler Abstract In the paper was undertaken the review of programs for photogrammetry. It was found that the exponential growth of information technology has made experts on the topic of road accidents professionally have acquired access to specialized software to support the reconstruction of traffic accidents. The variety of issues reconstructing road accidents necessitated the creation of a special group of expert software applications. It was observed that currently on the market its wide range of programs supporting analyze traffic accidents. The article describes two programs: PC-Rect and PhotoModeler, which are used for two and three-dimensional transformation of the plane. Both applications have the ability to transform the traces located on the 14756

5 photographs from the middle projection to rectangular projection. BIBLIOGRAFIA 1. Linsenbarth A., Fotogrametria naziemna i specjalna. PPWK, Warszawa Sikora A., Żelazek Z., Problemy Kryminalistyki Zeszyt 3, s Prochowski L., Unarski J., Wach W., Wicher J. Podstawy rekonstrukcji wypadków drogowych. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2008, s.s Owczarzak W., Sommer S., Badanie możliwości programów komputerowych do rekonstrukcji wypadków drogowych oraz analiza statystyczna zdarzeń drogowych w latach Praca dyplomowa stopnia magisterskiego realizowana pod kierunkiem dr hab. inż. Stanisława Tarymy, Politechnika Gdańska Kończykowski W., Odtwarzanie i analiza przebiegu wypadku drogowego. SRTSiRD, Paryż- Warszawa