Введение
Фотограмметрия – это наука и технология получения достоверной информации о физических объектах и окружающей среде посредством записи, измерения и интерпретации фотографических изображений и паттернов электромагнитного излучения и других явлений. Хотя изобретение метода приписывается Айме Лауседату, термин «фотограмметрия» был введен прусским архитектором Альбрехтом Мейденбауэром в его статье «Die Photometrographie» 1867 года. Существует множество вариантов фотограмметрии. Один из примеров – извлечение трехмерных измерений из двухмерных данных (то есть изображений); например, расстояние между двумя точками, лежащими на плоскости, параллельной плоскости изображения, можно определить, измерив их расстояние на изображении, при условии, что известен масштаб изображения. Другой пример – извлечение точных цветовых диапазонов и значений, представляющих такие параметры, как альбедо, зеркальное отражение, металличность или окружающая окклюзия, из фотографий материалов для целей физически корректного рендеринга. Фотограмметрия ближнего действия подразумевает получение фотографий с меньшего расстояния, чем при традиционной аэрофотосъемке (или орбитальной фотограмметрии). Фотограмметрический анализ может применяться к одной фотографии или использовать высокоскоростную съемку и дистанционное зондирование для обнаружения, измерения и записи сложных 2D и 3D полей движения путем передачи измерений и анализа изображений в вычислительные модели с целью последовательной оценки, с возрастающей точностью, реальных трехмерных относительных движений. Начиная с использования стереоплоттеров для нанесения горизонталей на топографические карты, фотограмметрия теперь имеет очень широкий спектр применения, включая сонар, радар и лидар.
Photogrammetry is the science and technology of obtaining reliable information about physical objects and the environment through the process of recording, measuring and interpreting photographic images and patterns of electromagnetic radiant imagery and other phenomena. While the invention of the method is attributed to Aimé Laussedat, the term "photogrammetry" was coined by the Prussian architect Albrecht Meydenbauer, which appeared in his 1867 article "Die Photometrographie." There are many variants of photogrammetry. One example is the extraction of three dimensional measurements from two dimensional data (i. e. images); for example, the distance between two points that lie on a plane parallel to the photographic image plane can be determined by measuring their distance on the image, if the scale of the image is known. Another is the extraction of accurate color ranges and values representing such quantities as albedo, specular reflection, metallicity, or ambient occlusion from photographs of materials for the purposes of physically based rendering. Close range photogrammetry refers to the collection of photography from a lesser distance than traditional aerial (or orbital) photogrammetry. Photogrammetric analysis may be applied to one photograph, or may use high speed photography and remote sensing to detect, measure and record complex 2D and 3D motion fields by feeding measurements and imagery analysis into computational models in an attempt to successively estimate, with increasing accuracy, the actual, 3D relative motions. From its beginning with the stereoplotters used to plot contour lines on topographic maps, it now has a very wide range of uses such as sonar, radar, and lidar.
Методы
Фотограмметрия использует методы из многих дисциплин, включая оптику и проективную геометрию. Сбор цифровых изображений и фотограмметрическая обработка включает несколько чётко определённых этапов, позволяющих создавать 2D или 3D цифровые модели объекта как конечный продукт. Модель данных справа показывает, какая информация может поступать на вход и выходить из фотограмметрических методов. 3D-координаты определяют положение точек объекта в 3D-пространстве. Координаты изображения определяют положение изображений точек объекта на плёнке или электронном устройстве формирования изображения. Внешняя ориентация камеры определяет её положение в пространстве и направление взгляда. Внутренняя ориентация определяет геометрические параметры процесса формирования изображения. Это, прежде всего, фокусное расстояние объектива, но также может включать описание дисторсий объектива. Дополнительные наблюдения также играют важную роль: с помощью шкал, представляющих собой известное расстояние между двумя точками в пространстве, или известных опорных точек, устанавливается связь с базовыми единицами измерения. Каждая из четырёх основных переменных может быть как входными данными, так и результатом фотограмметрического метода. Алгоритмы фотограмметрии обычно стремятся минимизировать сумму квадратов ошибок по координатам и относительным смещениям опорных точек. Эта минимизация известна как уравнивание по пучку и часто выполняется с использованием алгоритма Левенберга — Марквардта.
Стереофотограмметрия
Специальный случай, называемый стереофотограмметрией, предполагает определение трехмерных координат точек на объекте на основе измерений, выполненных на двух или более фотографических изображениях, полученных с разных позиций (см. стереоскопия). На каждом изображении идентифицируются общие точки. От положения камеры к точке на объекте можно провести линию визирования (или луч). Пересечение этих лучей (триангуляция) определяет трехмерное положение точки. Более сложные алгоритмы могут использовать дополнительную информацию о сцене, известную заранее, например, симметрию, что в некоторых случаях позволяет восстанавливать 3D-координаты только по данным одной камеры. Стереофотограмметрия становится надежной бесконтактной методикой измерения для определения динамических характеристик и форм колебаний невращающихся и вращающихся конструкций. Сбор изображений для создания фотограмметрических моделей более корректно называть полиоскопией, в честь Пьера Сегена.
Интеграция
Фотограмметрические данные могут быть дополнены данными о дальности, полученными другими методами. Фотограмметрия обеспечивает более высокую точность в направлениях x и y, в то время как данные о дальности обычно более точны в направлении z. Эти данные о дальности могут быть получены с помощью таких методов, как LiDAR, лазерные сканеры (использующие время пролета, триангуляцию или интерферометрию), цифровые устройства с белым светом и любых других методов, сканирующих область и возвращающих координаты x, y, z для множества дискретных точек (обычно называемых "облаками точек"). Фотографии могут четко определять границы зданий там, где облако точек не обеспечивает достаточной детализации. Выгодно использовать преимущества обеих систем и интегрировать их для получения более качественного продукта. 3D-визуализация может быть создана путем геопривязки аэрофотоснимков и данных LiDAR к единой системе координат, орторектификации аэрофотоснимков, а затем наложения орторектифицированных изображений на сетку LiDAR. Также возможно создание цифровых моделей рельефа и, следовательно, 3D-визуализаций, используя пары (или несколько) аэрофотоснимков или спутниковых снимков (например, снимки со спутника SPOT). Для получения плотного массива соответствий применяются такие методы, как адаптивное стереосопоставление методом наименьших квадратов, которые преобразуются с помощью модели камеры в плотный массив данных x, y, z, используемых для создания цифровых моделей рельефа и ортофотопланов. Системы, использующие эти методы, например, система ITG, были разработаны в 1980-х и 1990-х годах, но впоследствии уступили место технологиям, основанным на LiDAR и радарах, хотя эти методы все еще могут быть полезны для получения моделей высот по старым аэрофотоснимкам или спутниковым изображениям.
Приложения
Фотограмметрия используется в таких областях, как топографическая съемка, архитектура, кинематограф, инженерия, производство, контроль качества, расследование полиции, сохранение культурного наследия и геология. Археологи применяют её для быстрого создания планов крупных или сложных объектов, а метеорологи – для определения скорости ветра в торнадо, когда получение объективных метеорологических данных невозможно. Также фотограмметрия используется для объединения реальных съемок с компьютерной графикой на этапе постпродакшна фильмов; "Матрица" – хороший пример применения фотограмметрии в кино (детали можно найти в дополнительных материалах к DVD). Фотограмметрия широко применялась для создания фотореалистичных игровых окружений в видеоиграх, таких как The Vanishing of Ethan Carter и Star Wars Battlefront от EA DICE. Главный персонаж игры Hellblade: Senua's Sacrifice был создан на основе фотограмметрических моделей захвата движений актрисы Мелины Юргенс. Фотограмметрия также часто используется в инженерном анализе столкновений, особенно с автомобилями. В случае судебного разбирательства по поводу ДТП, когда инженерам необходимо определить точную степень деформации транспортного средства, часто проходит несколько лет, и единственным доказательством, которое остаётся, – это фотографии с места происшествия, сделанные полицией. Фотограмметрия используется для определения величины деформации автомобиля, что связано с количеством энергии, необходимой для её возникновения. Эта энергия затем может быть использована для определения важной информации о столкновении (например, скорости в момент удара).
Картографирование
Фотокартографирование — это процесс создания карты с "картографическими улучшениями", полученными из фотомозаики, представляющей собой "композитное фотографическое изображение земной поверхности", или, точнее, контролируемую фотомозаику, где "отдельные фотографии подвергаются коррекции на наклон и приводятся к единому масштабу (по крайней мере, в определенных контрольных точках)". Коррекция изображений обычно достигается путем "подгонки спроецированных изображений каждой фотографии к набору из четырех контрольных точек, координаты которых определены на основе существующей карты или наземных измерений. Когда эти скорректированные и масштабированные фотографии позиционируются на сетке контрольных точек, между ними можно добиться хорошего соответствия благодаря умелой обрезке и подгонке, а также использованию областей вокруг главной точки, где рельефные искажения (которые невозможно устранить) минимальны". "Вполне логично предположить, что та или иная форма фотокарты станет стандартной общегеографической картой будущего". Далее утверждается, что "фотокартографирование представляется единственным способом рационального использования" будущих источников данных, таких как аэрофотосъемка с больших высот и спутниковые изображения.
Археология
Демонстрируя связь между ортофотосъемкой и археологией, исторические аэрофотоснимки были использованы для разработки реконструкции миссии Вентура, которая направляла раскопки стен сооружения. Аэрофотосъемка широко применяется для картографирования наземных остатков и обнажений при раскопках на археологических объектах. В качестве платформ для получения этих снимков предлагались: аэростаты времён Первой мировой войны; резиновые метеорологические зонды; воздушные змеи; деревянные платформы и металлические конструкции, возводимые над раскопными обнажениями; лестницы, как одиночные, так и соединенные столбами или досками; трехногие лестницы; одно- и многосекционные шесты; двуноги; штативы; треноги и автовышки ("cherry pickers"). Цифровые фотографии, сделанные с рук почти вертикально, использовались совместно с географическими информационными системами (ГИС) для документирования раскопных обнажений. Фотограмметрия всё чаще применяется в морской археологии благодаря относительной простоте картографирования объектов по сравнению с традиционными методами, что позволяет создавать трёхмерные карты, которые можно визуализировать в виртуальной реальности.
3D моделирование
Несколько похожее применение – сканирование объектов для автоматического создания 3D-моделей. Поскольку фотограмметрия основана на изображениях, существуют физические ограничения при работе с объектами, имеющими темные, блестящие или прозрачные поверхности. В таких случаях полученная модель часто содержит дефекты, поэтому дополнительная обработка в программах, таких как MeshLab, netfabb или MeshMixer, обычно все еще необходима. Альтернативным решением является покрытие таких объектов матовой краской, чтобы устранить прозрачность или блеск. Google Earth использует фотограмметрию для создания трехмерных изображений. Существует также проект Rekrei, который использует фотограмметрию для создания 3D-моделей утерянных, украденных или поврежденных артефактов, которые затем публикуются в сети.
Программное обеспечение
Существует множество программных пакетов для фотограмметрии; см. сравнение программного обеспечения для фотограмметрии. Компания Apple представила API для фотограмметрии под названием Object Capture для macOS Monterey на Всемирной конференции разработчиков Apple 2021 года. Для использования этого API требуется MacBook под управлением macOS Monterey и набор полученных цифровых изображений.