Pomiary wielkogabarytowe - Fotogrametria

Co to jest obiekt wielkogabarytowy? Może to być jacht, samochód, dom, pociąg, samolot, rzeźba. Możliwość ich skanowania jest dowodem na to, że pomimo ograniczenia, jakim jest wielkość obiektu i związane z tym niedogodności w pomiarach, wszystko da się przekuć w nowe możliwości. Każda przeszkoda to motor napędowy do rozwoju. Podczas pomiarów przestrzennych dużych, często niemożliwych do poruszenia przedmiotów, możliwe jest zastosowanie nie tylko jednej metody, dostępnych jest kilka, a dodatkowo można je łączyć ze sobą, tak aby otrzymać jeszcze lepsze wyniki, precyzyjniejsze, dopasowane do produktu pomiary. Jedną z metod wykorzystywaną do takich pomiarów jest fotogrametria.

Czym jest fotogrametria? Jest to metoda, na podstawie której uzyskujemy informacje na temat geometrii obiektu na podstawie fotogramów (zdjęć). Stosowana jest jako uzupełnienie metody skanowania laserowego 3D lub samodzielnie jako jego alternatywa. Przykładem dziedziny zastosowania tej metody jest geodezja. Fotogrametria inżynieryjna to nietopograficzne zastosowanie fotogrametrii bliskiego zasięgu (do 300 metrów). Zaletą jest bezdotykowość metody oraz możliwość wykonywania pomiarów z dużej odległości. Fotogrametria daje możliwość oceny odległości oraz pomiarów dużych obszarów oraz wysokości dużych obiektów. Potrzeba opracowywania map trudnodostępnych obszarów natury była jednym z pierwszych zastosowań tej metody. Obecnie fotogrametria znajduje zastosowanie w dokumentacji zabytków, pomiarach budowli inżynieryjnych, maszyn oraz urządzeń przemysłowych, podczas badania ich odkształceń, a także w medycynie do badania kształtu ciała oraz jego części. Fotogrametria przemysłowa w zależności od tego czy mowa o zastosowaniu w Polsce, czy w krajach wysokorozwiniętych stosowana jest w różnych obszarach. Rozwiązania budowlano-inżynieryjne przeważają w Polsce natomiast na świecie w przeważającej części stosowana jest w przemyśle. Jest narzędziem w rękach budowniczych statków kosmicznych, rakiet, samolotów czy innych obiektów do kontroli wymiarów poszczególnych elementów przygotowywanych do montażu, ale również pomiaru kształtu i odkształceń gotowych obiektów.

Zdjęcia fotogrametryczne wykonuje się kamerami fotogrametrycznymi, które są wyposażone w specjalne obiektywy pozbawione aberracji (deformacja uzyskanego obrazu, pogorszenie jego ostrości oraz niepożądane zmiany chromatyczne. Wada wynika ze stosowania pojedynczej soczewki, układu optycznego, ale również zwierciadła niepłaskiego. Można ją zniwelować, stosując zespół soczewek wykonanych z różnych gatunków szkła). Można wyróżnić dwa rodzaje pomiarów w zależności od sposobu wykonywania zdjęć: terrafotogrametrię (fotogrametrię naziemną) oraz aerofotogrametrię (fotogrametrię lotniczą).

Jak każda z metod fotogrametria ma swoje wady i zalety. Na ich podstawie podejmuje się decyzje, którą z metod (fotogrametrię geodezyjną czy przemysłową) zostanie przeprowadzony pomiar. Do zalet tej metody należą:

• równoczesność fotograficznej rejestracji wszystkich szczegółów,

• skrócenie czasu prac polowych i możliwość przeniesienia pracy do laboratorium wpływa korzystnie na staranność pomiarów oraz zmniejsza koszty osobowe,

• pomiar nie jest obciążony błędami obserwatora,

• możliwość pomiaru obszarów/obiektów niedostępnych ze względu na warunki takie jak np. temperatura, wysokie napięcie itp.,

• możliwość modyfikacji punktów kontrolowanych, jeżeli wstępna obserwacja pozwoli zlokalizować odkształcenia,

• automatyzacja pomiaru – przyspieszenie uzyskania wyników oraz podwyższenie dokładności poprzez nadliczbowe obserwacje (fotogrametria cyfrowa),

• ułatwienie pomiarów w ruchu oraz pomiary deformacji (fotogrametria cyfrowa),

• uniknięcie kosztów związanych z materiałami światłoczułymi i ich obróbka laboratoryjną (fotogrametria cyfrowa),

• szerokie możliwości przetwarzania obrazu, również w czasie rzeczywistym (fotogrametria cyfrowa),

• możliwość nadzorowania i sterowania procesami produkcyjnymi (fotogrametria cyfrowa).

Źródłami wad, jakie występują podczas pomiarów metodą fotogrametrii są:

• rozmieszczenie punktów kontrolnych wpływa na opłacalność pomiaru,

• wysoka dokładność jest możliwa do uzyskania przy użyciu precyzyjnych sprzętów geodezyjnych,

• opracowania fotogrametryczne są bardziej złożone od geodezyjnych.

Rejestracja obrazu cyfrowego

Fotogrametria jest metodą, w której informacje o obiekcie fizycznym oraz jego otoczeniu pozyskiwane są poprzez rejestrację, pomiar i interpretację obrazów i zdjęć. Postać analogowa to nic innego jak zdjęcie, obraz namalowany pędzlem, rysunek wykonany na kartce papieru itp. Obraz dzieli się na regularną siatkę kwadratów – najmniejsza jednostka takiej siatki, czyli kwadrat, to jeden piksel obrazu cyfrowego. Uśredniona jasność obrazu cyfrowego czarno-białego w obrębie piksela jest zapisywana jako liczba (rzeczywista, aby zmniejszyć ilość potrzebnej pamięci, a także przyspieszyć przetwarzanie obrazu). Jakość cyfrowego obrazu warunkuje się dwoma parametrami: rozdzielczością geometryczną oraz rozdzielczością radiometryczną.

Obraz kolorowy można zapisywać dwojako. Pierwszym sposobem jest tzw. „kolor indeksowy” – każdy kolor ma swój numer, który jest zapisywany w pamięci komputera. W zależności od tego czy zapisujemy za pomocą ośmiu czy czterech bitów, mamy możliwość przedstawienia 256 lub 16 kolorów. Drugi sposób zapisu wykorzystuje rozbicie obrazu na kilka obrazów kolorach podstawowych. Wybór systemu zapisu zależy od przyjętego zestawu kolorów podstawowych, może to być np. CMYK, RGB, HSB, ERGB.

Skanowanie

Obraz rejestrowany jest przez kamerę prawie w tym samym momencie – fragment po fragmencie. Promienie przechodzą przez układ optyczny, a obraz, jaki powstaje, rejestrowany jest przez specjalne detektory umieszczone w płaszczyźnie tłowej, które wytwarzają sygnał elektryczny pod wpływem promieniowania eloktromagnetycznego. Skaner elektrooptyczny zawiera gęsto upakowane detektory, ułożone wzdłuż linii prostej, w płaszczyźnie tłowej. Linia obrazu rejestrowana jest prawie w tej samej chwili – sczytywanie sygnału z detektorów. Kolejno detektory przesuwają się w kierunku poprzecznym i następuje rejestracja kolejnej linii obrazu.

Podczas przeprowadzania pomiaru należy pamiętać o kilku zasadach, aby wygenerowany model spełniał oczekiwania i cały proces przebiegł pomyślnie, należy pamiętać, że efekt końcowy zależy od jakości wykonanego zdjęcia. Nie każdy obiekt można sfotografować. Metoda skanowania 3D, jaką jest fotogrametria, ma ograniczenia, które dotyczą, jak w wielu innych metodach, obiektów transparentnych, lśniących, czasem problemem mogą być przedmioty o skomplikowanym kształcie z wieloma deformacjami.

Jednym z obecnych rozwiązań są fotobudki z setkami kamer rozmieszczonymi regularnie na obwodzie „pomieszczenia” – fotobudka ma kształt sferyczny, aby uchwycić znajdujący się w środku przedmiot z każdej strony. W centrum fotobudki znajduje się obrotowy stół, który obraca się podczas pomiaru razem z obiektem znajdującym się na nim. Oprócz kamer i stołu obrotowego wewnątrz znajdują się lampy. Jest to jednak bardzo drogie rozwiązanie. Najczęściej stosowanym sposobem skanowania 3D z wykorzystaniem aparatu jest jego przestawianie o konkretną liczbę stopni – od 5 do 50 stopni. Każdy obszar obiektu powinien być widoczny na co najmniej 2-3 zdjęciach, aby można było go zrekonstruować. Obiekty należy fotografować tak, aby zdjęcie obejmowało cały obiekt (bez otoczenia) lub robić zdjęcia w powiększeniu – podzielić go, pamiętając, aby kadry zawierały elementy wspólne. Przykładem może być skanowanie rzeźby Pluton i Prozerpina – rzeźbę można podzielić na dwie, trzy lub więcej części w pionie. Odpowiednio uzyskamy wtedy zdjęcia dla dwóch, trzech czy więcej obwodów, jednak zdjęcia z sąsiadujących ze sobą obwodów muszą zawierać częściowo te same elementy, aby można było z nich odtworzyć obiekt. Przyjmuje się, że elementy powielające się powinny zajmować 40% kadru. Popularną obecnie metodą skanowania obiektów zajmujących duży obszar jest wykonywanie pomiarów z pomocą drona. Pomiar może odbywać się z wykorzystaniem jednego nieruchomego aparatu i ruchomego stołu – technika ta jednak znajduje zastosowanie dla niewielkich obiektów.

Dokonując pomiarów, należy pamiętać o minimalnej ilości zdjęć. Za dolną granicę przyjmuje się 20 klatek, jednak w rzeczywistości podczas pomiaru wykonuje się ich od 60 do 100. Kadry muszą pokazywać cały obiekt i jak najmniej tła/otoczenia. Oświetlenie powinno rzucać jak najmniej cienia, a w tle nie powinny znajdować się poruszające się przedmioty. Jakość zdjęć zależy od wykorzystywanego aparatu. Przedmioty, które odbijają światło, błyszczą się najlepiej pokryć specjalnym preparatem.

Oprogramowanie

Aparat to nie wszystko, aby odtworzyć obiekt ze zdjęć potrzebne jest odpowiednie oprogramowanie. Na rynku dostępnych jest wiele programów, nie tylko płatnych, spełniających konkretne wymagania, odpowiednie dla przemysłu, inżynierów, ale również darmowych. Do czołówki programów w rankingu na marzec 2019, opublikowanego przez ALL3DP należą: Bentley ContextCapture, IMAGINE Photogrammetry, iWitnessPRO, DroneDeploy, sa to programy płatne. Do rankingu 16 najlepszych programów zaliczają się również rozwiązania darmowe, jednak nie znajdują się w ścisłej czołówce, przykładem są: COLMAP, Meshroom, MisMac, Regard3D, VisualSFM.

Schemat działania programów jest taki sam. Punkty z obrazów są automatycznie sczytywane i dopasowywane do siebie, gdzie następnie obliczana jest odległość między nimi w przestrzeni 3D. Wynikiem tych działań jest chmura punktów, którą można zmeszować. Programy zaawansowane umożliwiają również usuwanie zbędnych punktów z chmury, aby poprawić jakość pliku i zmniejszyć jego wielkość, co przełoży się na przyspieszenie działania oprogramowania podczas dalszych operacji.

Zastosowanie inżynieryjno-przemysłowe

Do zastosowań fotogrametrii inżynieryjnej zaliczyć można pomiary: ugięć elementów nośnych hal, mostów i wiaduktów, odkształceń wysokich budowli takich jak kominy, wieże czy maszty, kształtów obiektów wielkogabarytowych np. zbiorników, statków czy innych przemysłowych obiektów. Najczęstszym zastosowaniem metody jest badanie stanu obiektu – stanowi ono podstawę do diagnozy technicznej, pozwala określić dopuszczalność do eksploatacji lub warunki, w jakie przedłużą jej możliwość. Pomiary mogą być jednorazowe, ale również wielokrotne. Wykonywane są pomiary powykonawcze, poprzedzają one oddanie obiektu do eksploatacji, ich celem jest sprawdzenie odchyłek projektowych. Czynnikiem decydującym o wybranej metodzie (fotogrametrii geodezyjnej, analogowej, cyfrowej) jest pożądana dokładność wyników. Fotogrametria geodezyjna pozwala na przeprowadzenie wysokiej dokładności pomiarów, w przypadku pomiarów jednorazowych sprawdza się najlepiej. Inne metody fotogrametryczne sprawdzają się w przypadku pomiarów cyklicznych. Różnica pomiędzy metodą analogową i cyfrową zauważyć można w stosowanych kamerach (w metodzie cyfrowej brak jest kamer umożliwiających osiągnięcie rozdzielczości osiąganych kamerami w metodzie analogowej, wysokorozdzielcze kamery cyfrowe są drogie).

Do instrumentarium fotogrametrii inżynieryjnej zalicza się cyfrowe stacje fotogrametryczne (CFS) łącznie ze specjalistycznym oprogramowaniem (autokorekcja, DLT, samokalibracja), kamery analogowe, kamery cyfrowe o wysokiej rozdzielczości, autograf analityczny, stereokomparator precyzyjny. Obecnie fotogrametria cyfrowa wypiera fotogrametrie analogową, często spotykane są też pomiary analogowo-cyfrowe.

Medycyna

Pomiar całego ciała dokonywany jest za pomocą dwóch kamer ustawionych po obu stronach ciała. Aby zminimalizować/zapobiec ruchom podczas badania, człowieka ustawia się w specjalnym statywie, który posiada dodatkowo system punktów umożliwiających odtwarzanie orientacji zewnętrznej zdjęć. Zdjęcia uzyskane podczas pomiarów umożliwiają wykonanie graficznej prezentacji, na podstawie której dokonywana jest ocena postawy – analizowane są skrzywienia kręgosłupa – wykonywane są kontrolne pomiary podczas rehabilitacji. Badania mogą dotyczyć głowy – analiza pod kątem operacji plastycznych – kształtu zębów – badania przedoperacyjne oraz przed wykonaniem protezy czy aparatów ortodontycznych. Wykonywane są badania oka – jego zewnętrznej oraz wewnętrznej części, aby przeprowadzić analizę zmiany kształtu soczewki oraz tarczy nerwu wzrokowego na dnie oka – taki zabieg przeprowadzany jest specjalną kamerą okulistyczną. Pomiary znajdują zastosowanie także w produkcji szkieł kontaktowych, a pomiary całego ciała w produkcji protez.

Inne zastosowania

Fotogrametria wykorzystywana jest bardzo często w architekturze. Na podstawie zdjęć fotogrametrycznych możliwe jest opracowanie przekrojów oraz rzutów, a także rysunków elewacji budynków i innych obiektów trudnodostępnych, będących w ruinie. Obszarami działania fotogrametrii są m.in. widzenie przez roboty, archeologia, zadania związane z obsługa budowli, motoryzacja, druk 3D – replikacja przedmiotów

Literatura:

FOTOGRAMETRIA INŻYNIERSKA, J. Bernasik, S. Mikrut, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Stasica w Krakowie Wydział Geodezji Hutniczej i Inżynierii Środowiska, Kraków 2007, s. 5-7
Replikowanie przedmiotów przy pomocy fotogrametrii i drukarki 3d, https://majsterkowo.pl/replikowanie-przedmiotow-przy-pomocy-fotogrametrii-i-drukarki-3d/ [dostęp na dzień: 27.03.2019]

Übel M., Affordable and Easy 3D Scanning 16 Best Photogrammetry Software Tools in 2019 (6 are Free), https://all3dp.com/1/best-photogrammetry-software/  [dostęp na dzień: 27.03.2019]

Wróbel A., Zarys Fotogrametrii,Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Stasica w Krakowie

autorem tekstu jest Monika Reszka