Введение

Метод 3D-реконструкции из движущихся объектов Структура из движения (SfM) - это техника фотограмметрического диапазона изображений для оценки трехмерных структур из двухмерных последовательностей изображений, которые могут быть соединены с локальными сигналами движения. Он изучается в области компьютерного зрения и визуального восприятия.

Принцип

Люди воспринимают большое количество информации о трехмерной структуре в своей среде, двигаясь вокруг нее. Когда наблюдатель движется, объекты вокруг него движутся в разных количествах в зависимости от их расстояния от наблюдателя. Это называется параллакс движения, и из этой глубинной информации можно создать точное трехмерное представление окружающего мира. Поиск структуры из движения представляет собой аналогичную проблему, как и поиск структуры из стерео зрения. В обоих случаях необходимо найти соответствие между изображениями и реконструкцией 3D-объекта. Чтобы найти соответствие между изображениями, такие особенности, как угловые точки (краины с градиентами в нескольких направлениях), отслеживаются от одного изображения к другому. Одним из наиболее широко используемых детекторов признаков является масштабно-инвариантная трансформация признаков (SIFT). В качестве характеристик используются максимумы от разности гауссианской пирамиды (DOG). Первый шаг в SIFT - найти доминирующее направление градиента. Чтобы сделать его инвариантом вращения, дескриптор вращается, чтобы соответствовать этой ориентации. Еще одним общим детектором особенностей является SURF (ускоренные надежные функции). В SURF DOG заменяется детектором на основе гессонской матрицы. Кроме того, вместо оценки гистограмм градиента, SURF вычисляет суммы компонентов градиента и суммы их абсолютных значений. Использование интегральных изображений позволяет обнаруживать особенности чрезвычайно быстро с высокой скоростью обнаружения. Поэтому, по сравнению с SIFT, SURF является более быстрым детектором признаков с недостатком меньшей точности в позициях признаков. полезны, когда точечные характеристики недостаточны, распространены в средах, созданных человеком. После этого будут сопоставлены черты, обнаруженные на всех изображениях. Одним из алгоритмов сопоставления, отслеживающих особенности от одного изображения к другому, является трекер LucasKanade. Иногда некоторые из совпадающих признаков неправильно совпадают. Поэтому и матчи должны быть отфильтрованы. RANSAC (консенсус случайной выборки) - это алгоритм, который обычно используется для удаления отклонений. В статье Фишлера и Боллеса RANSAC используется для решения проблемы определения местоположения (LDP), где цель состоит в определении точек в пространстве, которые проецируются на изображение в набор ориентиров с известными местоположениями. Затем траектории движения с течением времени используются для реконструкции их трехмерных позиций и движения камеры. Альтернатива дается так называемыми прямыми подходами, где геометрическая информация (3D структура и движение камеры) оценивается непосредственно из изображений без промежуточной абстракции к особенностям или углам. Существует несколько подходов к структуре из движения. В инкрементальной SfM, позы камеры решаются и добавляются одна за другой в коллекцию. В глобальном SfM, позы всех камер решаются одновременно. В некоторой степени промежуточный подход выходит из основного SfM, где рассчитывается несколько частичных реконструкций, которые затем интегрируются в глобальное решение.

Геологические науки

Структура из фотограмметрии движения с многообразным стерео-видом обеспечивает гипермасштабные модели рельефа с использованием изображений, полученных из ряда цифровых камер, и, по желанию, сети наземных точек управления. Техника не ограничена временной частотой и может предоставлять данные о облаке точек, сравнимые по плотности и точности с данными, полученными при наземном и воздушном лазерном сканировании, при этом стоимость этих данных ниже. Структура из движения также полезна в удаленных или неровных средах, где наземное лазерное сканирование ограничено переносимостью оборудования, а воздушное лазерное сканирование ограничено неровностью местности, вызывающей потерю данных и сокращение изображения. Эта техника применяется во многих местах, таких как реки, пустыни, песчаные береговые линии, зоны разломов, оползни и коралловые рифы. SfM также успешно применяется для оценки объема накопления большой древесины и пористости в речных системах, а также для характеристики горных масс путем определения некоторых свойств, таких как ориентация, стойкость и т. д. Непрерывности. Можно использовать полный спектр цифровых камер, включая цифровые зеркальные камеры, компактные цифровые камеры и даже смартфоны. Однако, как правило, более точные данные будут получены с помощью более дорогих камер, которые включают линзы более высокого оптического качества. Таким образом, технология предлагает интересные возможности для характеристики топографии поверхности с беспрецедентной детализацией и, с помощью многовременных данных, для обнаружения изменений высоты, положения и объема, которые являются симптомами процессов на поверхности Земли. Структура из движения может быть помещена в контекст других методов цифрового измерительного обследования.

Культурное наследие

Культурное наследие присутствует повсюду. Его структурный контроль, документирование и сохранение являются одной из основных обязанностей человечества (ЮНЕСКО). С этой точки зрения, SfM используется для правильной оценки ситуации, а также планирования и усилий по техническому обслуживанию и затрат, контроля и восстановления. Поскольку часто существуют серьезные ограничения, связанные с доступностью участка и невозможностью установки инвазивных измерительных столбов, которые не позволяли использовать традиционные методы измерительных работ (например, общие станции), SfM обеспечивает неинвазивный подход к структуре без прямого взаимодействия между структурой и любым оператором. Использование является точным, поскольку необходимы только качественные соображения. Это достаточно быстро, чтобы ответить на немедленные потребности в управлении памятником. Первый оперативный этап - это точная подготовка фотограмметрического обследования, где устанавливается связь между наилучшим расстоянием от объекта, фокусным расстоянием, расстоянием отбора образцов на земле (GSD) и разрешением датчика. С помощью этой информации запрограммированные фотосъемки должны производиться с использованием вертикального перекрытия не менее 60% (рисунок 02). Кроме того, структура из фотограмметрии движения представляет собой неинвазивную, высоко гибкую и недорогую методологию оцифровки исторических документов.