مقدمه
همانطور که می دانیم هدف اصلی در رشته مهندسی نقشه برداری تهیه نقشه از عوارض موجود بر روی زمین است. با توجه به ابعاد عارضه و شرایط پروژه از روش های مختلفی برای تهیه نقشه و مدلسازی عوارض استفاده می شود. از روش های مرسوم می توان به نقشه برداری زمینی که زیر شاخه علم ژئودزی است، تهیه نقشه با استفاده از تصاویر ماهواره ای که زیر شاخه علم سنجش از دور است، تهیه نقشه با استفاده از رادارها و اکوساندرها که زیرشاخه علم هیدروگرافی است و همچنین تهیه نقشه با استفاده از تصاویر هوایی و یا بردکوتاه که زیر مجموعه علم فتوگرامتری است، اشاره نمود. در همین راستا با توجه به هدف اصلی سایت و زمینه کاری بنده، قصد دارم شما را با یکی از کاربردی‌ترین روش های تهیه نقشه آشنا کنم و این روش چیزی نیست جز فتوگرامتری برد کوتاه. برای شروع بهتر است با تعریف فتوگرامتری آشنا شوید. فتوگرامتری، علم، فن و هنر اندازه‌گیری و تفسیر از روی تصاویری است که از یک جسم یا منطقه اخذ شده است. بعبارتی دیگر می‌توان بیان کرد که فتوگرامتری راهی است برای تهیه نقشه و یا مدل سه بعدی با استفاده از تصاویر دیجیتال یا آنالوگ. بنا به فاصله دوربین تصویربرداری تا جسم، می توان فتوگرامتری را به شاخه های فتوگرامتری فضایی، هوایی، زمینی (بردکوتاه) و همچنین برد ریز تقسیم بندی نمود.
فتوگرامتری
فتوگرامتری را علم، فن و هنر تعیین موقعیت و اندازه گیری شکل شیء با استفاده از آنالیز تصاویر دیجیتال و یا آنالوگ بیان می کنند. در این تعریف به صورت کاملا واضح به بسیاری از مجهولات در رابطه با فتوگرامتری پاسخ داده می شود. همانطور که مشاهده کردید، در فتوگرامتری با تصویر سر و کار داریم. به بیانی دیگر، اندازه گیری ها و یا به زبان ساده تر برداشت را با استفاده از آنالیز تصاویری انجام می دهیم که از جسم مورد نظر اخذ نموده ایم. پس با هر نوع تصویر اعم از تصاویر فضایی، هوایی و یا برد کوتاه می توان عمل اندازه گیری و برداشت را در حالت های مختلف انجام داد. با همین رویکرد، فتوگرامتری را در یک تقسیم بندی به سه بخش فتوگرامتری فضایی، فتوگرامتری هوایی و فتوگرامتری زمینی (بردکوتاه) تقسیم بندی می‌کنند. در فتوگرامتری فضایی با تصاویر ماهواره ای سر و کار داریم و از این روش برای تهیه نقشه از مناطق وسیع نظیر یک شهرستان و یا یک استان استفاده می شود. در فتوگرامتری هوایی از آنجایی که تصاویر توسط هواپیما اخذ می شود ارتفاع پرواز کمتر شده، و از این روش می توان برای تهیه نقشه از مناطقی به وسعت یک شهر و یا قسمتی از آن استفاده نمود. اما در آخرین حالت اگر – در یک نوع دسته بندی- فاصله دوربین تا جسم کمتر از ۳۰۰ متر باشد، مراحل تهیه نقشه در زمره فتوگرامتری زمینی و یا فتوگرامتری برد کوتاه قرار می گیرد که مبحث اصلی این یادداشت نیز می باشد. توجه شود که استفاده از علم فتوگرامتری در تمام شاخه های آن جهت تهیه نقشه های مختلف در ایران از سال ها پیش بصورت محدود رایج بوده است اما با ورود تکنولوژی ها نوین، استفاده از این دانش به تدریج در میان متخصصین این رشته فراگیر شده است. ذکر این نکته ضروری است که با توجه به ظرفیت های موجود در دانشگاه های داخلی، تنها دو دانشگاه تهران و خواجه نصیرالدین طوسی آن هم در مقاطع کارشناسی ارشد و دکترا پذیرش هایی در این رشته دارند. همین امر باعث شده است که تعداد متخصصین این رشته به خصوص در شاخه فتوگرامتری برد کوتاه محدود بوده و اندک شماری از متخصصین فتوگرامتری بر روی مستندنگاری آثار تاریخی با استفاده از تکنیک برد کوتاه تحقیقاتی را انجام داده اند. انشاءالله برآنیم که با توجه به ظرفیت‌های موجود، استفاده از این تکنیک را گسترش دهیم تا مختصصین حوزه های دیگر علوم هم بتوانند از این روش به سهولت در پژوهش های خود استفاده نمایند.
تصویربرداری فتوگرامتری برد کوتاه
فتوگرامتری برد کوتاه شاخه ای از علم فتوگرامتری است که با استفاده از آنالیز تصاویر اخذ شده از فاصله نزدیک، به اندازه‌گیری، برداشت و مدلسازی اجسام و محوطه ها می پردازد. بدین معنی که مدلسازی سه بعدی تنها با استفاده از تصاویری که از جسم اخذ شده است بدست می آید. با توجه به پیشرفت های اخیر در زمینه تولید دوربین های دیجیتال و برکنار شدن دوربین های آنالوگ، علم فتوگرامتری نیز پیشرفت های چشمگیری بخصوص در سال های اخیر داشته است. اگر بخواهیم نیم نگاهی به گذشته نرم افزارهای موجود در فتوگرامتری برد کوتاه داشته باشیم، شاهد سیر تکاملی آنها از نرم افزارهای تارگت مبنا مثل Australis تا نرم افزارهای نیمه اتوماتیک مانند Photomodeler و در نهایت نرم افزارهای اتوماتیک بدون تارگت مانند PhotoScan خواهیم بود. با پیشرفت تکنولوژی ساخت دوربین های دیجیتال و بالا رفتن کیفیت تصویربرداری آنها، نرم افزارها نیز ارتقا پیدا کرده و از حالت دستی به حالت اتوماتیک توسعه یافته اند. البته لازم به ذکر است که هر کدام از این نرم افزارها و روش ها، کاربردهای خاص خود را دارند اما آنچه که تحولی عظیم در زمینه مستندنگاری آثار بوجود آورد، روی کارآمدن الگوریتم ها و نرم افزارهای اتوماتیک پردازش تصاویر بود که علاوه بر سرعت بالا و هزینه پایین نسبت به دیگر روش ها، ماحصل کار از کیفیت بسیار بالایی برخوردار می باشد. علاوه بر موارد فوق امکان استفاده از دوربین های غیرمتریک به جای دوربین های متریک گران قیمت نیز باعث گردید که استفاده از این تکنیک بیش از پیش همه گیر شده و به تعداد کاربران آن افزوده شود.
طبق تعریف اگر فاصله دوربین شما تا جسم کمتر از ۳۰۰ متر باشد، راهکارهای تهیه نقشه از آن تصاویر در زمره فتوگرامتری برد کوتاه قرار می گیرد. بعبارتی دیگر اگر تصاویر توسط دوربینی که در دست یک شخص است و از روی زمین (و یا نزدیک به زمین) و نزدیک به جسم تصویربرداری می کند اخذ شوند، می توان با استفاده از الگوریتم‌های فتوگرامتری برد کوتاه برای تهیه نقشه و مدلسازی آن منطقه یا جسم اقدام نمود.
تفاوت عمده فتوگرامتری برد کوتاه و فتوگرامتری هوایی
تفاوت اصلی بین فتوگرامتری هوایی و برد کوتاه در نحوه تصویربرداری است که این خود باعث می شود که نتوان از الگوریتم‌های فتوگرامتری هوایی برای برد کوتاه نیز استفاده نمود. در تصویربرداری هوایی با استفاده از هواپیماهای سرنشین دار یا بدون سرنشین، سعی می شود که تصاویر اخذ شده نزدیک به قائم باشند و تصاویر کمترین دورانها را در سه محور داشته باشد. علاوه بر این فاصله بین مراکز تصاویر تا حد زیادی با یکدیگر برابر است. این فرضیات باعث می شود که الگوریتم های مورد استفاده در پردازش تصاویر هوایی کمی ساده تر شده و راحت تر عملیات تبدیل تصویر به نقشه انجام شود. اما در فتوگرامتری برد کوتاه چنین فرضیاتی وجود ندارد. اگر توجه داشته باشید در تصویربرداری برد کوتاه، شخص با استفاده از دوربین از زوایای مختلف و بصورت “همگرا” تصویربرداری می‌کند و این باعث می‌شود که زاویه تصاویر نسبت به جسم بصورت قائم نبوده و همچنین فاصله مراکز تصاویر با یکدیگرتفاوت داشته باشد. به همین دلیل دیگر نمی‌توان از الگوریتم های فتوگرامتری هوایی استفاده نمود. همین موارد باعث می‌شودکه الگوریتم های فتوگرامتری کمی تغییر کرده و در نتیجه باعث بوجود آمدن شاخه ای به نام فتوگرامتری برد کوتاه می‌شود.
بطور کلی تشابهات: استفاده از عکس، روال کلی پردازش و استفاده از مبانی یکسان و تفاوتها: ابعاد، فاطه و فضای کار، کاربردها می‌باشد.
محصولات فتوگرامتری برد کوتاه
با پیشرفت روش ها و نرم افزارهای فتوگرامتری، محصولات این تکنیک نیز از رشد قابل توجهی برخوردار بوده است. در ابتدا با وجود نرم افزارهای ساده برد کوتاه تنها مختصات سه بعدی تارگت های چسبانده شده بر روی جسم که نماینده سطح جسم بودند بدست می آمد. پس از آن علاوه بر محاسبه مختصات های سه بعدی تعداد اندکی از نقاط، عمل مدلسازی بصورت Wire Frame نیز صورت می گرفت که لازمه این امر برخورداری از شکلی تقریبا منظم از جسم بود که به ندرت از یک اثر، بنا و یا محوطه یافت می شود.
اما امروزه با وجود نرم افزارهای قدرتمند، علاوه بر افزایش سرعت کار، محصولات نهایی، متنوع و با کیفیتی بدست می آیند که به هیچ عنوان قابل مقایسه با محصولات قدیمی نیستند. گزیده ای از این محصولات بصورت زیر می باشند که در ادامه به شرح هر یک پرداخته خواهد شد.
- ابر نقاط سه بعدی رنگی
- مدل سه بعدی یکپارچه با بافت واقعی
- تصویر قائم از تمامی نماهای مورد نیاز
فتوگرامتری برد کوتاه مزایا، معایب و کاربردهای آن:
با استفاده از روش فتوگرامتری می توانیم بوسیله اخذ، پردازش و آنالیز بر روی تصاویر، اندازه گیری های مورد نیاز را جهت تهیه نقشه و یا مدلسازی انجام دهیم. گاهی تهیه نقشه از یک منطقه وسیع است که از فتوگرامتری هوایی استفاده می شود و گاه تهیه نقشه و مدل از یک جسم کوچک است که از فتوگرامتری برد کوتاه استفاده می شود. در بحث فتوگرامتری برد کوتاه هدف تهیه نقشه، مدلسازی و اندازه گیری اجسام کوچک تر از یک منطقه وسیع است. برای مثال تهیه حجم یک گودال خاکبرداری شده و یا مدلسازی یک قطعه صنعتی، یک بنای تاریخی یا یک شیء باستانی و .پس با استفاده از فتوگرامتری برد کوتاه و الگوریتم های آن می توانیم از هر آنچه که در نزدیکی ماست و اندازه آن به نحوی است که یک شخص بتواند از آن تصاویری را اخذ نماید، نقشه و یا مدل تهیه نماییم. با توجه به توضیحات ارائه شده می توان کاربردهای وسیعی را برای تکنیک فتوگرامتری برد کوتاه متصور شد. با در نظر گرفتن سرعت و دقت بالا، هزینه پایین نسبت به دیگر روش ها و سادگی اجرا، می توان به استفاده از این تکنیک در صنعت، میراث فرهنگی، طرح های عمرانی، کاربردهای پزشکی، هنرهای تجسمی و غیره اشاره نمود.
کالیبراسیون آزمایشگاهی دوربین های تصویر برداری غیرمتریک
با پیشرفت تکنولوژی در زمینه ساخت و تولید دوربین های دیجیتال ارزان قیمت حرفه ای و نیمه حرفه ای، و همچنین توسعه نرم افزارهای پردازش تصاویر فتوگرامتری، امکان بکارگیری دوربین های غیرمتریک روز به روز افزایش یافته و همین امر باعث رشد چشمگیر استفاده از تکنیک فتوگرامتری برد کوتاه گردیده است. از آنجایی که استفاده از هر نوع دوربین اعم از متریک و غیرمتریک، مستلزم دانستن هندسه داخلی دوربین و میزان استحکام آن است و همچنین سنجش قابلیت دوربین جهت رسیدن به دقت های مورد نظر در پروژه های فتوگرامتری امری اجتناب ناپذیر است، انجام یک کالیبراسیون دقیق به منظور شناخت مسیر نور در داخل سیستم نوری دوربین، ضروری است.
با توجه به هدف کالیبراسیون و نوع امکاناتی که در دسترس داریم، روش های مختلفی را می توان در پیش گرفت که معمولا روش های دقیق تر پیچیدگی های بیشتری دارند. به طور کلی سرشکنی و کالیبراسیون دوربین ها مبتنی بر دو دیدگاه است:
دیدگاه اول:پیش کالیبراسیون (Pre-Calibration)
در این حالت عمل کالیبراسیون قبل از انجام پروژه تصویربرداری و در محل آزمایشگاه انجام می شود. برای انجام این کار ابتدا یک تست فیلد از قبل طراحی و ساخته شده و سپس تصویربرداری از این تست فیلد انجام می شود. پس از پردازش تصاویر، پارامترهای کالیبراسیون محاسبه شده و از این پارامترها در تهیه مدل سه بعدی استفاده می‌گردد.
از روش پیش کالیبراسیون در مواردی استفاده می‌گردد که فاصله کانونی دوربین در تمامی موارد ثابت بوده و در پروژه های مختلف تغییر نمی کند. این امر باعث می شود که پس از یک بار کالیبراسیون، پارامترها ثابت بوده و تغییری در آنها ایجاد نشود. توصیه می شود در پروژه های تصویربرداری هوایی با استفاده از پرنده های بدون سرنشین و همچنین پروژه های تارگت مبنایی که در آنها تعداد تارگت ها کم است، از این روش استفاده گردد.
دیدگاه دوم :کالیبراسیون ضمنی (Self-Calibration)
کالیبراسیون ضمنی روشی است ویژه که پارامترهای دوربین پس از تصویربرداری پروژه، همزمان با سایر مجهولات محاسبه می شود. در روش های تارگت مبنا جهت استفاده از این روش (سلف کالیبراسیون)، می بایست تعداد و پراکندگی تارگت ها را افزایش داد تا پارامترها با دقت و قابلیت اعتماد بالایی محاسبه شوند. در نرم افزارها و روش‌های مدلسازی اتوماتیک (بدون تارگت) عموما از این تکنیک استفاده می‌شود. برای مثال نرم افزار PhotoScan از روش سلف کالیبراسیون جهت مدلسازی استفاده می کند.
نکته ای که در رابطه با روش سلف کالیبراسیون وجود دارد این است که اگر ساختار هندسی دوربین مورد نظر مستحکم نباشد، این روش نتیجه درخور توجهی را به کاربر نمی دهد. یکی از مواردی که باید در هنگام تهیه دوربین مد نظر داشت، انتخاب لنز مناسب است. با استفاده از یک لنز با کیفیت که دارای حداقل اعوجاجات باشد، می توان از روش سلف کالیبراسیون انتظار نتیجه ای مناسب را داشت. اما در غیر این صورت بهتر است از روش پیش کالیبراسیون استفاده نمود. برای مثال در پروژه های پهپاد فتوگرامتری اگر از دوربین های غیرحرفه ای استفاده می‌شود، بهتر است از این روش جهت کالیبره کردن دوربین و مدلسازی همزمان استفاده نگردد. این در حالی است که توصیه می شود از دوربین‌های غیرحرفه ای در پروژه های فتوگرامتری به هیچ عنوان استفاده نشود.
تجهیزات مورد نیاز جهت کالیبراسیون دوربین
جهت کالیبراسیون هندسی دوربین تصویربرداری از نرم افزار های مختلفی استفاده می شود. بسته به نوع نرم افزار می بایست تست فیلدهای مختلفی را تهیه نمود. یکی از بهترین نرم افزارها جهت انجام کالیبراسیون دوربین، نرم‌افزار Australis است که موارد مورد نیاز جهت ساخت تست فیلد ویژه این نرم افزار در ادامه بیان می شود. بطور کلی پارامترهای کالیبراسیون یک دوربین شامل توجیه داخلی، پارامترهای اعوجاج شعاعی , پارامترهای اعوجاج مماسی و پارامترهای افاین می باشند.
برای ساخت تست فیلد مورد استفاده در این نرم افزار می بایست تارگت هایی با خاصیت بازتابندگی به قطر ۵ میلیمتر تهیه کرد و با فواصل مختلفی آنها را در کنار یکدیگر قرار داد. هر چه تعداد تارگت ها بیشتر باشد قابلیت اعتمادپذیری به پارامترهای کالیبراسیون بدست آمده بیشتر است. یکی از نکات مهم در ساخت تست فیلد این است که تمامی تارگت ها در یک سطح نبوده و جهت افزایش دقت ارتفاعی، آنها را در سطوح ارتفاعی مختلف قرار داد.
پس از ساخت تست فیلد نیاز است که از جهات و زوایای مختلف عملیات تصویربرداری صورت گیرد. سپس تصاویر بدست آمده پردازش شده و پارامترهای کالیبراسیون بدست می آیند. از این پارامترهای بدست آمده می توان به عنوان مقادیر اولیه و یا مقادیر ثابت پارامترهای کالیبراسیون درپروژه های فتوگرامتری نظیر مدلسازی سه بعدی، جابه جایی سنجی و … استفاده نمود.
جمع بندی کالیبراسیون آزمایشگاهی
به طور کلی می توان بیان کرد که دقت کالیبراسیون دوربین، تابعی از پارامترهای مختلف از قبیل تعداد تصاویر، تعداد ایستگاه‌های تصویربرداری، نوع تارگت ها، تعداد و پراکندگی شاخص های مقیاسی و فاصله ایستگاه تا تست فیلد است. برای انجام یک کالیبراسیون بهینه لازم است پارامترهای ذکر شده را با درنظر گرفتن زمان و هزینه ها، بصورت همزمان بهینه نمود. در انتها می توان خاطرنشان شد که لازمه استفاده از تکنیک فتوگرامتری برد کوتاه جهت تهیه نقشه، مدلسازی و دیگر کاربردها، انجام یک کالیبراسیون دقیق و حرفه ای است.
فتوگرامتری برد کوتاه و دوربین های متریک، نیمه متریک و غیر متریک
شاخه ای جذاب از علم فتوگرامتری که شما را در اندازه گیری های دقیق خود یاری می کند. از کاربردهای آن می‌توان در صنعت، انیمیشن، پزشکی، باستان شناسی، کارهای عمرانی و … یاد کرد.
امروزه فتوگرامتری برد کوتاه بر اساس دوربین غیر متریک پایه گذاری شده است. این دوربین ها که به طور گسترده در اختیار مصرف کنندگان قرار دارند، به دلیل ارزان بودن و کم بودن هزینه نگهداری، به صورت روزافزون در کاربردهای مختلف در زمینه فتوگرامتری برد کوتاه مورداستفاده قرار می‌گیرند. پروژه هایی همانند مستندسازی اماکن تاریخی، شبیه سازی معماری ساختمانها، مدلسازی قطعات صنعتی و… از جمله مواردی هستند که در آن ها می توان از دوربین های غیر متریک استفاده کرد.
تهیه کننده و نویسنده : نگار قدیمی
ثبت ديدگاه