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.
Structure from motion (SfM) is a photogrammetric range imaging technique for estimating three dimensional structures from two dimensional image sequences that may be coupled with local motion signals. It is studied in the fields of computer vision and visual perception.
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.