I.Преглед на фотограметричните методи за архивиране на паметници на културата и архитектурата

При тези методи се използва цифрова форма на изображенията или така наречените разстерни данни. Те представят изображението като цифрова матрица в която всеки елемент се нарича пиксел и съдържа информация за цвят, яркост и т. н. Достъпът до всеки пиксел от изображението се осъществява чрез указване на номера на реда (i_x) и номера на стълба (i_y)

                                  

                                               фиг. I.3.1

            Цифровите изображения могат да бъдат получени по два начина:

чрез сканиране на аналогови изображения, като се използват барабанни или планшетни фотограметрични скенери;

чрез използване на цифрови камери.

            Фотограметричните скенери се характеризират с високо геометрично разрешение и точност и с възможности за определяне големината на грешката от неколкократни сканирания. На тях се сканират както черно-бели (полутонови) така и цветни изображения.

            По-важните характеристики на фотограметричните скенери са дадени в Таблица I.3.2.

            Важен технологичен етап е еталонирането на скенера. То се извършва като се фотографира квадратна мрежа с известни с точност до 1-2 микрона координати на върховете на мрежата. На полученото изображение се измерват координатите (i_x,i_y) на кръстовете от мрежата. По разликите между измерените и известните координати се построява модел на деформациите, който се използва за въвеждане на корекции към сканираното изображение.                                                                                                                     Съвременните цифрови камери се отличават с високо геометрично разрешение. За целите на архитектурната фотограметрия могат да се използват както цифрови камери при които всички пиксели от изображението се формират в един и същи момент, така и камери с друг закон на формираното изображение. При първите важат законите на централната перспектива, а при другите  трябва да се отчита закона по който е формирано изображението ( изображения с линейна развивка или формирани с използване на CCD елемент).

            Всяко формирано цифрово изображение се характеризира с геометрични и радиометрични характеристики. Геометричното разрешение определя размера на пиксела. То се свързва още с качеството на изображението. Радиометричните характеристики се свързват с яркост, контраст и представляват възприетият начин на кодиране за пиксела, който е получен в зависимост от промяната в отразяването на електромагнитния спектър при формиране на изображението. При бинарни изображения се използват нива на квантоване в диапазона на белия и черния цвят (максимално от 0 до 255 нива). Цветните изображения се получават от смесването в определени съотношения на основните цветове R (Red), G(Green), B(Blue). Размера на необходимата памет за запис на цифровото изображение в зависимост от формата на кадъра (), геометричното () и радиометрично разрешение може да се определи по формулата:

                                                                                                                        (I.3.3)

R са байтовете, необходими за запис на радиометричните характеристики;

Характерно за цифровите изображения е възможността техните геометрични и радиометрични характеристики да бъдат променяни. Тези промени се наричат “фотометрични корекции”. Ако приемем следните означения:

 

            При повечето системи за цифрова фотограметрия са създадени  условия за изменения на яркостта по пътя на поелементно линейно преобразуване на  яркостта, контраста и гама- корекция (y - ъгъл на наклона от графиката на яркостта спрямо хоризонталната ос) за всички пиксели от изображението, като се използва панел от вида, показан на (фиг. I.3.6).

                                              

                                                           фиг. I.3.6

            Яркостта и контраста се дават в проценти, а гама- корекцията в стойности за tan y.

            Възможни са следните промени в радиометричните характеристики:

общо изменение на яркостта. Постига се с промяна на параметъра b от (I.3.4). Изменението съответства на промяна в графиката на яркостта от положение 1 в положение 2 , за което съответстват точки A и A^II (фиг. I.3.7);

                                                          

                                                                       фиг. I.3.7

            изменение на контраста. Изпълнява се за да се подчертаят границите в изображението. При тези изменения яркостта на елементите, по-големи от средните се увеличава, а на тези по-малки от средните се намалява. Това довежда до подчертаване на границите между областите. Същевременно се завърта  линията от графиката на яркостта около точка k(k е свързана със средните нива) от положение 2 в положение 3, на които съответстват точки A и A^III от (I.3.7);

            гама- корекция. Извършва се с цел да се увеличи или намали детайлността в изображението. Постига се чрез промяна на ъгъла y от кривата на яркостта (фиг.3.8) от положение 1 в положение 4;

                                                          

                                                                       фиг. I.3.8

            Неправилно използване на гама- корекцията може да доведе до намаляване на полутоновете и до постигане на еднакви тонове в изображението;

            промени в хистограмата на яркостта. Хистограмата представлява графика, получена като по едната ос са нанесени стойностите за яркостта, а по другата броят на пикселите със съответни стойности за яркост. От една страна хистограмата служи за контролиране на детайлността, а от друга страна позволява да се контролира плътността на разпределение и вида на поелементното нелинейно преобразувание.

                                  

                                                           фиг. I.3.9

            Промяна на геометричните характеристики на изображенията се извършва при трансформиране на изображението от една проекция в друга като се съхранява геометрията и яркостта на изходното изображение. Тези промени довеждат до преопределяне на яркостта на пикселите в съответствие с новата геометрия на трансформираното изображение. Новото изображение има ново разрешение и ново разположение на направляващите координатни оси (фиг. I.3.10).

            Формирането на трансформираното изображение става попикселно. Обратната трансформация на изображението се нарича ретрансформация. Проблем при тези геометрични трансформации е въпроса с преопределяне яркостта на пикселите. За тази цел се използват няколко подхода:

            метод на най-близкия съсед. Предполага се че яркостта на пиксел от изходното изображение е като на тази за пиксела, който е най-близък до ретрансформираните координати;

 

                       

                                                                       фиг. I.3.10

метод на билинейната интерполация (фиг. I.3.11).

                                                          

                                                                       фиг. I.3.11

            При този метод се разглеждат четирите най-близки то точката k пиксели и се извършва линейна интерполация за яркостта по линията ab. Използват се формули (I.3.12).

            метод на бикубичната интерполация. Предполага използването на близките 16 пиксела, като се използва интерполационен полином от трета степен.

            При използване на цифрови изображения са възможни способи за стерео наблюдение подобно на аналоговите технологии.             По-важните от тях са:

            оптически метод. Предполага двете изображения (ляво и дясно) да се разполагат като съседни на екрана на монитора. Наблюдението се осъществява със стереоскоп, прикрепен на специална приставка към монитора (фиг. I.3.12);

                                              

                                                                      

                                  

 

                                                           фиг. I.3.12

            анаглифен метод. Може да се реализира по два начина (фиг. I.3.13)

           

                                                           фиг. I.3.13

            фиг. I.3.13в.Стереоизибражение, получено по анаглифен метод

            При първия начин се използват анаглифни изображения, получени чрез отнемане на един от основните цветове. При наблюдението се използват филтри, които са оцветени с отнетите цветове (фиг. I.3.13а).

            При втория метод (фиг.I.3.13б) двете изображения се проектират върху екран E в допълнителни цветове и се наблюдават с анаглифни очила. При този метод се образува стерео модел, независим от наблюдателя (b на фиг.I.3.13б). Наблюдението му зависи от позицията на наблюдателя. В първият случай наблюдателят наблюдава разредено изображение, защото за лявото се използват четните а за дясното нечетните редове от изображението, оцветени в допълнителни цветове. При втория яркостта на пиксела се получава от наслагване на яркостите от съответните пиксели на лявото и дясното изображение.

            Метод с поляризиращи очила. При този метод се използват поляризиращи очила. Двете изображения се проектират върху монитора, но само при определена честота става отключване на съответното стъкло от очилата, така че от него да се наблюдава само съответния образ. Тоест двете изображения са дефазирани и пропускането на очилата зависи от фазата.

            Покадрови. При него последователно се въвеждат редове от левия и десния образ които се синхронизират с пропускателната способност на очилата. При този метод се изисква поддържаната честота на монитора да е 120MHz.

            Интерлейсен режим. Предполага разделяне на кадъра на два полукадъра (по четни и нечетни редове). Осъществена е синхронизация с вертикалната развивка на монитора. Недостатък на метода е снижението на разрешението и използването на полукадри.

            Измерванията в цифровите снимки могат да се извършват монокулярно или стереоскопично. Монокулярния метод се използва при измерване на марките за определяне елементите на вътрешното ориентиране.

            Ако означим с (x_p,y_p) физическите координатите на елемент от изображението, а с (i_x,i_y) разстерните координати, то  ако единиците на тяхното измерване са елементи на геометричното разрешение на изображението връзките между тях се дават с формулите (I.2.36).

            Стереоскопичното измерване се извършва чрез метода на изкуствена марка. Съществено предимство на цифровите технологии е възможността при измерването да се реализира автоматизирано откриване на образи на точки в полето на изображението. Метода се разглежда като статистическа задача за разпознаване на образи при наличия на деформации и се решава въз основа  на оптико- електронни и програмни блокове, наречени корелатори. В основата на тази теория лежи понятието за образ като произволна форма от изображението, съдържаща цялата необходима информация. От математическа гледна точка образа представлява многомерен вектор  като съвкупност от елементи от изображението (пиксели) всеки от които се характеризира със своята яркост . Определяйки левият образ на точка от изображението намирането на десния  се свежда до търсене на образа ^' от дясната снимка, съответстващ на , така че разстоянието между тях да е минимално.

                                                                                                                         (I.3.14)

            Практически за автоматичното разпознаване на образите на точки е необходимо:

            Да изберем на лявата снимка образ на  във вид на област с размер (nxn) пиксела, в центъра на която се намира търсената точка и да определим характеристиката на еталона по който се изпълнява проверката на условието

( фиг. I.3.15) ;

                       

                                                           фиг. I.3.15

            Определяне в дясната снимка на зоната за търсене с размери (mxm) пиксела (m>>n) като вероятна зона за търсене на десния образ на точката с координати на центъра ();

            Последователно преместване на областта с размери (nxn) в границите на зоната за търсене на един пиксел в началото по ос x, а след това по оста y и създаване в дясната снимка на серия от образи ^', както и определяне на характеристиката за всеки от тях.

            Съпоставяне на характеристика за всеки ^' с характеристиката на еталонния вектор  за който да е изпълнено условието (I.3.14).

Установяването на степента на съответствие за векторите  и ^' представлява основната трудност и може да бъде изпълнено по различни начини. Най-разпространен е този с изчисляване коефициента на корелация между яркостта на  и всеки от образите на ^' при използване на формулите:

                                                                           (I.3.16)

P₀ и P₀^' средните яркости на елементите от зоните съответстващи на  от лявата и ^' от дясната снимка.

            Коефициентите, пресметнати за съчетание на със всеки от образите на ^' образуват корелационна матрица. Максималното значение на нейните елементи съответства на най-тясна връзка между сравняваните участъци от лявата и дясната снимки. По този начин търсената точка лежи в центъра на ^' с максимален коефициент на корелация. Някой методи за търсене предполагат използване на максимална корелационна функция, съставена на основа на анализа на елементите на корелационната матрица с коефициенти на корелация, определени по (3.16), съответстващи на търсения вектор ^'. Разгледания алгоритъм позволява да се определи положението на точката в дясната снимка с точност до един пиксел. За точни фотограметрични измервания тази точност е недостатъчна. За подобряване на точността се извършва второ търсене с k- пъти намаляване на размера на пиксела и областта.

            Използваните методи за автоматично откриване на точки се основават на строг анализ на яркостта и геометричното положение на елементите от изображението като тяхната надеждност се определя от сложността и геометричните свойства на изображението. Деформациите, предизвикани от ъгъла на наклона на снимката и релефа на местността довеждат до деформиране на разстера и променят рисунъка на изображението, което се отразява на качеството на идентификацията.

            Понеже препокриващите части от изображенията са перспективни проекции на една и съща територия от различни центрове на проектиране за преобразуването на техните координати се използват формули за перспективна трансформация:

            Във формули (I.3.17) се съдържат осем неизвестни параметри на трансформация, които могат да бъдат определени от четири двойки съответни точки от двете изображения.

            Разработени са и други методи за автоматизирана идентификация на точки. По-важните от тях са:

• използване на базисни епиполярни линии;
• метод на пирамидите (HRC);
• метод на вертикалните линии (ULL);
• метод на динамичното програмиране и метод на структурната корелация.

            Точността на монокулярното измерване е един пиксел и  зависи от геометричното разрешение. При стерео наблюдение може да бъде постигната подпикселна точност.

            Отделните технологични процеси при системите за цифрова фотограметрия включват:

            Вътрешно ориентиране. Изпълнява се с цел да се установи съответствие между координатните системи на разстера Ox_pz_p и снимката Oxz. Математическия модел на вътрешното ориентиране при цифровото изображение е аналогичен на този, който се използва при аналитичната фототриангулация и предполага определяне на параметрите на ортогонално, афинно и проективно преобразувание по МНМК (метод на най-малките квадрати). Най- често се използва афинно преобразуване по формулите:

            За преобразуване на координатите от система Oxz в Ox_pz_p се получава съгласно (фиг. I.3.19) по формули (I.3.20).

            P,P^-1 са права и обратна матрица на афинното преобразуване.

            Последователността от действия на оператора в системите за цифрово трансформиране при вътрешното ориентиране се състои в следното:

изпълнява се идентификация на първите две рамкови марки, като се регистрират техните координати в системата Ox_pz_p;

местоположението на следващите марки се определя от системата за цифрова фотограметрия, която отива на очакваното положение на марката, а оператора извършва точното позициониране и регистриране на техните координати.

указва се възприетия модел на трансформация и се определят параметрите на трансформация. При разлики по-големи от 8-10 микрона оператора може да повтори операциите.

вътрешното ориентиране за останалите снимки се извършва в автоматичен режим, като оператора определя размер на правоъгълна област за търсене на рамковите марки, допустим коефициент на корелация и големина на разликите между паспортно зададените и изчислени координати за рамковите марки. Снимки за които вътрешното ориентиране в автоматичен режим е не достатъчно точно се ориентират в ръчен режим.

            Избор на точки и построяване на фотограметричния модел. На този етап се извършва:

нанасяне върху снимката на опорните точки с известни координати X, Y, Z в координатната система на местността;

ако са известни елементите на външното ориентиране () те се въвеждат;

избор на свързващи точки в зоната на напречното и тройното надлъжно застъпване за връзка между моделите;

            Опорните точки се отбелязват на една от снимките, а на другите се пренасят в автоматичен или полуавтоматичен режим с помощта на корелатора. За да се облекчи стерео наблюдението е възможно да се получат и използват епиполарни изображения. Настройката на параметрите за корелатора се явява една от най-важните задачи в системите за цифрова фотограметрия. Необходимо е да се посочи размера на корелационната матрица (образа) в пиксели, възможност за автоматична промяна при малко контури и геометрична корекция в положението на търсената точка в случай на релефна местност. Контрола върху работата на корелатора в стерео режим се явява необходима част от фотограметричната обработка на цифровите снимки.

            Разстерните координати (i_x,i_z) на избраните точки се преобразуват във физически координати (x_p,y_p) съгласно (I.3.20). След това използвайки параметрите за афинното преобразуване по (I.3.18) в системата от координати на  камерата Oxz. Към тях се въвеждат поправки:

• заради атмосферната рефракция;
• дисторзията на обектива;
• грешки от сканирането.

            След избора на точки се изпълнява “взаимно ориентиране” по строги методи с изравнение по МНМК. Критерий за качеството на ориентиране е остатъчния вертикален паралакс, който не трябва да е по-голям от 10 микрона. По-големи стойности говорят за грешки в опознаване на точките. За повишаване на точността на взаимното ориентиране се препоръчва избора на опорните точки да е в зоната на тройното напречно застъпване.

            Фототриангулация. Построяването се извършва в автоматичен режим. Задачата на оператора е да посочи метода за изравнение и критерии за достигане на решението. За критерии се използва получената разликата между дадените и изчислени координати от фототриангулацията. Препоръчителни разлики са:

за опорни точки , използвани при фототриангулацията 0.2мм в мащаба за планово положение и 0.15мм в мащаба от сечението на релефа;

за контролни точки- 0.3мм в мащаба по положение и 1/4 до 1/5  сечението на релефа;

за свързващи точки между ивици -0.5мм в мащаба на плана.

            По-известни специализирани модули за фототриангулация са ORIMA, PHOTOCOM.