fotogrametria_inzynieryjna_r2.pdf

2. Analogowe zdjęcia fotogrametryczne

Przyszłość fotogrametrii inżynieryjnej - o czym była już mowa - należy do fotogrametrii cyfrowej. Nie

oznacza to jednak odrzucenia konwencjonalnych (fotograficznych) metod rejestracji obrazów.

Zwłaszcza że dysponując wysokorozdzielczymi skanerami, można z powodzeniem stosować metody

fotogrametrii cyfrowej, opracowując zeskanowane zdjęcia wykonane kamerami metrycznymi.

W tym rozdziale zostaną podane wiadomości o wykonywaniu, pomiarze i opracowaniu analogowych

zdjęć pomiarowych, stanowiące uzupełnienie wiedzy wyniesionej z podstawowego kursu

fotogrametrii.

2.1. Kamery fotogrametryczne, zdjęcia pomiarowe i zasady wykonywania zdjęć

Do najczęściej używanych w Polsce analogowych kamer naziemnych należą zeissowskie: Photheo

19/1318 i UMK 10/1318. Ze względów dokładnościowych preferowane są długoogniskowe,

wielkoformatowe kamery metryczne, ale w uzasadnionych przypadkach stosuje się kamery

szerokokątne, stereometryczne, szeregowe, kamery z płytami „reseau”, oraz kamery niemetryczne

(cyfrowe, analogowe fotograficzne albo filmowe) . Kamery metryczne gwarantują stałość elementów

orientacji wewnętrznej a zdjęcie metryczne stanowi rzut środkowy fotografowanego przedmiotu.

Stopień powtarzalności elementów orientacji zależy od konstrukcji kamery. Głównymi czynnikami

naruszającymi metryczność są: niewystarczająca stałość odległości obrazowej, dystorsja obiektywu,

niepłaskość i niedociśnięcie materiału fotograficznego do ramki tłowej, oraz zniekształcenia obrazu

powstałe w trakcie obróbki fotolaboratoryjnej. Zostaną one omówione w następnych podrozdziałach.

Na poprawność określenia współrzędnych tłowych znacząco wpływa jakość fotograficzna i

poprawność fotogrametryczna wykonania oraz wywołania zdjęć. Należy więc:

- właściwie dobierać materiał negatywowy - najczęściej będą to niskoczułe, wysokorozdzielcze,

ortochromatyczne płyty fotograficzne,

- poprawnie naświetlać zdjęcia: używając światłomierza należy określić czas ekspozycji,

uwzględniając barwę obiektu i barwoczułość materiału światłoczułego, porę fotografowania, oraz kąt

między kierunkiem fotografowania a kierunkiem padania światła,

- prawidłowo wywoływać negatywy, unikając w szczególności wywoływania nadmiernie

kontrastowego i ciemnego (o nadmiernym zaczernieniu) - jako przyczyniających się do potęgowania

zjawiska „brzegowego” emulsji fotograficznej,

- umiejętnie dobierać stanowiska kamer, upewniając się przed ekspozycją, czy wszystkie punkty

kontrolne zostaną sfotografowane, zaś w przypadku zdjęć bez punktów kontrolnych - szczególnie

starannie poziomując libelle i nadając kamerze założoną orientację.

Niezbędną poprawność fotograficzną zdjęć można zapewnić, poprzedzając każdy większy cykl

zdjęciowy wykonaniem i analizą zdjęć próbnych. Wyciągnięcie właściwych wniosków z analizy

jakości fotograficznej zdjęcia ułatwi tabela 2.1 , ukazująca związki między zauważonymi cechami

negatywu (nadmierna gęstość optyczna, kontrastowość, widoczność szczegółów w cieniach) a ich

przyczynami (prześwietlenie, niedowołanie itp.)

Tabela 2.1. Rozpoznawanie przyczyn fotograficznych niedostatków obrazu; znaki „+” i „-” oznaczają

odpowiednio „nadmierna” lub „niedostateczna” (gęstość, kontrastowość)

Gęstość czerni

- +

Kontrastowość

- +

Szczegóły w cieniach

nie tak

Przyczyna błędu

Niedoświetlenie

x Niedowołanie

x x

Przewołanie

x x

Prześwietlenie

Prześwietlony negatyw można poprawić stosując osłabiacz równomierny, negatyw przewołany -

stosując (z dużą ostrożnością) osłabiacz nierównomierny. Warto również wiedzieć, że zadymienie

całego negatywu (łącznie z marginesami) może świadczyć o przeterminowaniu materiału

negatywowego. Dwubarwne zabarwienie zazwyczaj świadczy o zanieczyszczeniu chemikaliów.

Realizacja fotogrametrycznego wcięcia w przód - jak wiadomo - zakłada rekonstrukcję każdej wiązki

promieni (co jest możliwe dzięki znajomości elementów orientacji wewnętrznej) i odtworzenie

przestrzennego położenia każdej wiązki (co umożliwia znajomość orientacji elementów orientacji

zewnętrznej kamery).

Zasady wykonywania zdjęć dla opracowań inżynieryjnych często różnią się od typowych zdjęć

stereofotogrametrycznych - wysokie wymagania dokładnościowe zmuszają do stosowania

wielostanowiskowych zdjęć zbieżnych. Zazwyczaj (choć nie zawsze) zdjęcia są uzbrojone w punkty

kontrolne. Liczba i rozmieszczenie punktów kontrolnych zależy od zastosowanej metody

analitycznego opracowania zdjęć a więc od liczby wyznaczanych (lub korygowanych) elementów

orientacji wiązki promieni. Największa liczba punktów kontrolnych jest niezbędna w przypadku

opracowania opartego o przestrzenną transformację DLT; nie potrzeba jednak wtedy wyznaczać

współrzędnych stanowisk. Najmniej punktów kontrolnych wymaga metoda samokalibracji.

Niezależnie jednak od metody obliczeń, należy dążyć do tego, aby w każdym przypadku móc

korzystać z obserwacji nadliczbowych, umożliwiających przeprowadzenie procesu wyrównania i

oszacowanie błędów wyznaczenia niewiadomych.

Kątowe elementy orientacji zewnętrznej kamery znamy w chwili jej orientacji na stanowisku

pomiarowym, lub możemy je poznać póżniej (dzięki punktom kontrolnym), natomiast elementy

orientacji wewnętrznej (stałą kamery i współrzędne punktu głównego), oraz rozmiary błędów

zniekształcających odwzorowanie, określa się – jak wiadomo - w procesie znanym jako kalibracja

kamery. Będzie o tym mowa w kolejnych rozdziałach.

2.2. Błędy odwzorowania

2.2.1. Dystorsja obiektywu

Dystorsja obiektywu powoduje, że wiązka promieni skupiona w przedmiotowym punkcie węzłowym

obiektywu O p nie jest identyczna z wiązką wychodzącą z obrazowego punktu węzłowego obiektywu

O t (rys. 2.1). Pozbawione dystorsji są obiektywy symetryczne, ale projektanci obiektywów odstępują

od tego założenia, dążąc do optymalnego ograniczenia wszystkich rodzajów zniekształceń obrazu

(aberracji). W praktyce nie spotyka się więc obiektywów całkowicie pozbawionych dystorsji, a

jedynie układy o dystorsji ograniczonej do pewnego minimum. Dystorsja obiektywów współczesnych

kamer fotogrametrycznych nie przekracza kilku mikrometrów.

H H’

O p O t α ’

α oś

opt.

Rys.2.1. Obiektyw i jego elementy: oś optyczna, płaszczyzny główne (H, H’), punkty węzłowe (O p ,

O t ), oraz przebieg promienia głównego

W przypadku obiektywu bezbłędnie zcentrowanego, przy ścisłej prostopadłości płaszczyzny

tłowej do osi optycznej obiektywu, mamy do czynienia z dystorsją radialną - symetryczną względem

punktu głównego O’. Oznacza to, że wszystkie punkty odwzorowane w takiej samej odległości (r ) od

O’ są przesunięte radialnie o taką samą wielkość - ∆ r (rys. 2.2) . Kątowa wartość dystorsji radialnej

∆α, będąca różnicą między kątem α - odchylenia promienia wchodzącego do obiektywu od osi

optycznej i kątem α ‘ - odchylenia promienia wychodzącego, jest wielkością stałą dla danego

obiektywu i danego kąta α (rys.2.2a). W płaszczyźnie tłowej można zaobserwować liniową wielkość

dystorsji ∆ r (rys. 2.2b) .

a) b)

α O’ O’

α ’ r

∆ r ∆ r

Rys. 2.2. Błąd odwzorowania punktu ( ∆ r) spowodowany dystorsją radialną obiektywu: a) w

płaszczyźnie osi kamery, b) w płaszczyźnie obrazu

W praktyce - z powodu niecentrycznego usytuowania soczewek i nieprostopadłości

płaszczyzny tłowej względem osi optycznej – kierunek wektora dystorsji nie przechodzi przez O ’

(rys.2.3). Błąd dystorsji określają wtedy dwie składowe: radialna ( ∆ r ) - w kierunku radialnym i

tangencjalna ( ∆ t) - w kierunku prostopadłym do radialnego. Wobec zaburzenia symetrii dystorsji,

punkt główny O’ przestaje być punktem centralnym (radialnym). Do szczegółowych analiz przyjmuje

się wtedy punkt najlepszej symetrii dystorsji S’ - względem którego symetria składników dystorsji jest

najlepsza. We współczesnych obiektywach fotogrametrycznych odległość O’S’ jest mniejsza od 0,01

mm, a wielkość składnika tangencjalnego nie przekracza 3 µm.

z P”

∆ t

∆ r

P’

S’ x

O’

Rys. 2.3. Rozkład wektora dystorsji na składowe: radialną ( ∆ r ) i tangencjalną ( ∆ t )

2.2.2. Metody korekcji błędu dystorsji

Poprawienie współrzędnych tłowych punktu na zdjęciu ze względu na błąd dystorsji można

przeprowadzić różnymi sposobami:

- metodą interpolacyjną,

- metodą tabelaryczną,

- metodą wielomianową.

Metoda interpolacyjna jest często stosowana do korygowania dystorsji radialnej. Tworzy się tabelę

wartości promieni radialnych i odpowiadających im wartości dystorsji. Dla danej wielkości promienia

radialnego (r) wartość dystorsji ∆ r jest interpolowana z dwóch pól tabeli, pomiędzy którymi mieści się

wartość r .

Metoda tabelaryczna zakłada, że w pewnych elementarnych fragmentach obrazu (np. w kwadratach o

wymiarach 5x5 mm) wartość dystorsji jest stała. Poprawienie współrzędnych punktu o błąd dystorsji

( radialnej i tangencjalnej ) polega na odszukaniu odpowiedniego pola tabeli (stosownie do

współrzędnych tłowych punktu) i znalezieniu właściwych poprawek (radialnej i tangencjalnej) do

współrzędnych tłowych.

Metoda wielomianowa jest najdokładniejsza. Z różnych postaci, które może przyjmować wielomian

przybliżający rozkład dystorsji, najpopularniejsza jest postać wielomianu:

∆ x =  { (k 1 r 3 + k 2 r 5 + k 3 r 7 + .....) + [(r 2 + 2x 2 ) p 1 + 2xzp 2 ] (1 + p 3 r 2 + ...)}

/2.1/

∆ z = { (k

1 r 3 + k 2 r 5 + k 3 r 7 + ....) + [ 2xzp 1 + ( r 2 + 2z 2 ) p 2 ] (1 + p 3 r 2 + ...)}

gdzie : ∆ x, ∆ z - poprawki do współrzędnych tłowych x, z ze względu na dystorsję obiektywu,

r +

= - promień radialny mierzony od punktu głównego O’,

k 1 , k 2 , k 3 - współczynniki składnika radialnego dystorsji symetrycznej,

p 1 , p 2 , p 3 - współczynniki składnika tangencjalnego dystorsji wraz z asymetrią dystorsji

radialnej.

Są to wielomiany o nieskończonej liczbie wyrazów, ale w praktyce wystarcza ograniczenie do k 3 i do

p 2 .

Dystorsji obiektywu kamery pomiarowej nie można rozpatrywać w oderwaniu od wielkości

stałej kamery; obie wielkości są wzajemnie powiązane funkcyjnie, dlatego też wartość c k i poprawki

dystorsji wyznacza się w procesie kalibracji kamery równocześnie:

∆ r = r - c k tg α /2.2/

gdzie : r - promień radialny,

c k - stała kamery,

α - kąt objaśniony na rysunku 2.2.

Kalibrowana odległość obrazowa czyli najwłaściwsza odległość obrazowa, jest obliczana jako

odległość obrazowa minimalizująca poprawki dystorsji dla całego pola obrazu.

Względność dystorsji wiąże się także z zależnością współczynnika załamania światła od

długości fali światła rejestrowanego przez emulsję światłoczułą; mamy więc do czynienia z

odpowiadającą jej dystorsją i odległością obrazową. I tak na przykład dystorsję i c k określone dla

światła żółtozielonego (reprezentującego środek zakresu promieniowania widzialnego) trzeba

skorygować w przypadku fotografowania w zakresie podczerwieni. Zatem dla konkretnego obiektywu

(danej kamery) możemy mieć różne elementy orientacji wewnętrznej (i dystorsję) w zależności od

typu emulsji i składu spektralnego światła.

2.2.3. Niepłaskość i nieprzyleganie materiału światłoczułego do ramki tłowej

Błędy niepłaskości materiału negatywowego mogą być przyczyną trudnych do określenia i eliminacji

błędów opracowania. Zależą one od jakości i grubości szkła (lub wypłaszczenia błony), równego

rozprowadzenia emulsji, deformującego wpływu sprężyn kaset i działania urządzenia dociskającego

materiał do ramki tłowej.

Stosowane najczęściej (w Polsce) klisze TO 1 (Agfa) są wykonane ze szkła „maszynowego” o

grubości 1,6 mm a ich nierówności dochodzą do 40 µm. Są to nierówności niedopuszczalne przy

dokładnych opracowaniach, ale płyty fotograficzne o niepłaskościach rzędu kilku mikrometrów

(wykonane na szlifowanym, grubszym szkle) są trudnodostępne i drogie.

Należy pamiętać, że szczególnie wysokie wymagania płaskości materiału i jego dociśnięcia do ramki

tłowej stawiają kamery szerokokątne. Wpływ odchylenia powierzchni emulsji od płaszczyzny tłowej

∆ s (bez względu który z dwóch wymienionych czynników je spowodował) wynosi:

x z

∆ x =  ∆ s , ∆ z =  ∆ s /2.3/

c k c k

Wpływ niedociśnięcia kliszy eliminuje się częściowo w trakcie korekcji błędów orientacji zewnętrznej

(na podstawie punktów kontrolnych). Podobny rezultat można uzyskać na drodze rzutowego

przekształcenia „płaszczyzny punktów” pomierzonych na zdjęciu w oparciu o co najmniej 4 znane

punkty ramki tłowej (na zdjęciu i na etalonie); poza znaczkami tłowymi można wykorzystywać

dodatkowe punkty (np. nacięte na ramce tłowej). Etalon (wzorzec) naświetla się na płycie

fotograficznej o wysokiej płaskości położonej na poziomej ramce tłowej.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: