АННОТАЦИЯ 4
1 Обзор существующих фотограмметрических решений и литературы 7
1.1 Компьютерное зрение и фотограмметрия 7
1.2 Обзор рынка фотограмметрических систем 9
1.1.1 Фотограмметрическая система V-STARS 9
1.1.2 Agisoft Metashape 12
1.1.3 Фотограмметрическая система ФС-1 15
1.3 Аксессуары фотограмметрических систем 16
2 Теоретические основы и методика проведения исследований 18
2.1 Модель камеры в компьютерном зрении 18
2.2 Настройки камеры для проведения фотограмметрической сессии 20
2.3 Методика исследования 22
2.4 Задание контрольных точек в сцене 23
3 Экспериментальная часть 25
3.1 Используемые фотоаппараты 25
3.2 Описание сцены 26
3.3 Обработка снимков в Фотограмметрической системе ФС-1 27
3.4 Обработка снимков в Agisoft Metashape 30
3.5 Разработка программы просмотра дополнительной информации из
результатов сессии ФС-1 34
4 Результаты обработки экспериментов 36
4.1 Обработка сессии на Nikon D810 36
4.2 Обработка сессии на Nikon D3100 38
4.3 Обработка сессии на Canon PowerShot A3100 IS 39
4.4 Обработка сессии на Sony DSC-W610 41
4.5 Обработка сессии на Apple iPhone 7 43
4.6 Анализ данных 45
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 50
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 51
ПРИЛОЖЕНИЕ А 56
Текст программы App 56
Принцип измерения объектов с помощью метода фотограмметрии похож на принцип «работы» зрения человека. Человек видит объемные объекты и может оценивать их размеры и расстояния до них благодаря бинокулярному зрению. Изображение, видимое правым и левым глазом, преобразуется нами в объемную картинку. Также работает и фотограмметрическая система — она преобразует изображения одного и того же объекта, снятые с нескольких позиций, в трехмерный объект, а точнее — в облако точек. Человек, чтобы точно определить размеры объекта, сравнивает его с каким то эталоном, например, своей рукой или линейкой. В фотограмметрии также применяются откалиброванные масштабные линейки, позволяющие с высокой точностью определить размеры объекта [9].
Для многих задач, которые невозможно решить традиционными контактными методами, метод фотограмметрии подходит как нельзя лучше.
Если, например, сравнить фотограмметрическую информационную систему с лазерным трекером, то в первую очередь отпадает необходимость в поддержке стабильности, как окружающей среды, так и расположения самой системы относительно объекта. Фотограмметрическая система не боится вибраций, перемещений (если объект остается жёстким), солнца. При этом ни один из перечисленных факторов не влияет на точность измерений. Ещё одним плюсом фотограмметрической системы является цена - она значительно ниже, чем у сопоставимого лазера. Также фотограмметрическая информационная система отличается своей скоростной вычислительной способностью. К минусам можно отнести работу с маркерами [2][7]. Фотограмметрическая информационная система не умеет работать без них, в то время как лазер их не требует, но в свою очередь не гарантирует измерения одних и тех же точек.
Процесс измерений с помощью фотограмметрической системы полностью бесконтактный, что позволяет проводить измерения на изделии, расположенном в опасной среде (вакуум, повышенная радиоактивность), хорошо поддается автоматизации и в режиме реального времени отслеживать его изменения.
Однако точность фотограмметрического измерения может значительно варьироваться, поскольку точность зависит от нескольких взаимосвязанных факторов. Наиболее важными являются:
1. Разрешение (и качество оптики) используемой камеры;
2. Размер измеряемого объекта;
3. Количество фотографий;
4. Удаление камеры от сцены.
В своей работе мы решили проверить первый пункт и разобраться как влияет фотокамера на измерения системы, какая погрешность может быть в зависимости от качества снимка.
Целью работы будет являться исследование погрешности фотограмметрических систем в зависимости от используемых фотокамер.
Объектом исследования данной работы является фотограмметрическая система ФС-1, разрабатываемая кафедрой ИТЭ ЮУрГУ.
Предметом исследования является погрешность определения пространственных координат контрольных точек сцены.
Задачи работы:
1. Сделать обзор существующих программных продуктов на рынке.
2. Разработать методику проведения эксперимента.
3. Провести эксперимент по оценки погрешности систем в зависимости от используемых камер.
4. Написать программу, которая будет помогать проводить анализ готовой сессии ФС-1.
5. Оценить пригодность фотокамер для проведения измерений.
На основе проведенного исследования был выполнен большой объем работ, имеющих важное значение для разработки фотограмметрической системы в будущем.
Основа эффективной работы фотограмметрической информационной системы ФС-1 - успешное распознавание круговых мишеней. При этом круговые мишени должны выделяться на фоне, т.к. система использует световозвращающие покрытия и ожидает повышенную яркость мишени.
Ухудшение параметров камер ожидаемо приводит к падению к ухудшению качества распознавания и снижению точности системы. Неожиданно очень хорошие результаты были обнаружены у камеры телефонного класса - Apple iPhone 7, сравнимые с бытовым классом. Средняя относительная ошибка измерения, по сравнению с D810, для Apple iPhone 7 составляет 0,0494%.
Сапоп PowerShot A3100 IS не годится в качестве средства измерений из-за высокого среднеквадратического отклонения, Sony DSC-W610 показывает неплохие результаты, сравнимые с Apple iPhone 7. По результатам дополнительных экспериментов предложено для камер любительского класса использовать более мощную внешнюю вспышку/подсветку.
Погрешность измерений у Agisoft Metashape на сравнимом уровне с ФС-1 при использовании зеркальных цифровых фотоаппаратов, с Apple iPhone 7 - Agisoft Metashape имеет 2 раза меньшую погрешность.
Процедура выравнивания камер в ФС-1 стабильнее, чем в Agisoft Metashape, из-за применения кодовых марок. Включение режима использования кодированных мишеней в Agisoft Metashape для выравнивания камер не приводит к значительному улучшению точности. Также в Agisoft Metashape более совершенный детектор круговых мишеней, в частности, по отношению к плохим углам наблюдения и плохим условиям освещения (световозвращения). Для ФС-1 рекомендуется повысить чувствительность детектора. При этом мишени малого радиуса лучше распознаются на ФС-1 и Nikon D810.
Высокий порог фильтрации помех и ложных соответствий по умолчанию (3 изображения точки) в системе ФС-1 отсекает точки, которые потенциально могли бы быть идентифицированы. Так, Agisoft Metashape на Canon PowerShot A3100 IS смог детектировать 6мм точки, которые имели только 2 проекции, при этом ФС-1 также потенциально могла бы найти, но это требует тонкой настройки.
В результате проделанной работы были успешно решены поставленные задачи, а именно:
1. Изучена предметная область фотограмметрии.
2. Проведён обзор программных продуктов на рынке
фотограмметрических систем.
3. Проведён эксперимент по оценке погрешности систем в зависимости от используемых камер.
4. Написана программа, которая помогает провести анализ готовых сессий ФС-1.
5. Оценена пригодность фотокамер различных классов для проведения фотограмметрических измерений.
