Jak to możliwe, że szybkie i łatwe pomiary wykonywane za pomocą GS18 I są tak dokładne?

Leica GS18 I to wszechstronny i łatwy w użyciu odbiornik GNSS, który wykorzystuje Technologię Wizualnego Pozycjonowania do zdalnego pomiaru punktów na obrazach. System integruje sensor GNSS z jednostką IMU i kamerą. Dzięki precyzyjnej integracji tych sensorów możliwe jest natychmiastowe mierzenie w terenie niedostępnych punktów na obrazach. W materiale Pytania i odpowiedzi na temat wizualnego Pozycjonowania Leica GS18 I wyjaśniliśmy, w jaki sposób GS18 I rejestruje i przetwarza obrazy. Postarajmy się teraz zgłębić naszą wiedzę i pójdźmy o krok dalej. Opiszę tu niektóre podstawy fotogrametrii i przyjrzę się bliżej procesowi automatycznego dopasowywania, który umożliwia pomiar punktów z geodezyjną dokładnością na obrazach w Leica Captivate.

Jak to jest możliwe, że wystarczy wskazać punkt na tylko jednym obrazie, aby uzyskać jego współrzędne?

Natychmiast po przechwyceniu grupy obrazów Captivate przetwarza dane z GS18 I i oblicza położenie i orientację każdego obrazu. Dlatego użytkownik może wybrać tylko jeden obraz, kliknąć na nim jeden punkt, nacisnąć Mierz i „Voilà!” – otrzymujemy współrzędne 3D punktu, obliczone w lokalnym układzie współrzędnych. Jak widać, proces mierzenia punktów na obrazach jest prosty i łatwy. Jest to możliwe dzięki wysoce precyzyjnemu i niezawodnemu algorytmowi dopasowywania punktów działającemu w Captivate (często określanym jako śledzenie AR /Augmented Reality - rozszerzona rzeczywistość/).

Wydaje się, że jest to stosunkowo proste. Ale czy kiedykolwiek zadałeś sobie pytanie, jak dokładnie dobierane są punkty? Aby odpowiedzieć na to pytanie, najpierw przypomnijmy sobie niektóre podstawy fotogrametrii.

Fotogrametria to nauka o pomiarach na podstawie obrazów. Położenie jednego punktu można zrekonstruować z obrazów, które są spozycjonowane i zorientowane w lokalnym układzie współrzędnych. Położenie jednego punktu obiektu można określić przecinając wiązki promieni rzutujących z obrazów, jak na Rysunku 1.

Rysunek 1: Przecinające się wiązki promieni rzutujących obrazów

Ujmując to dokładniej, promień rzutujący obrazu zaczyna się w środku rzutu kamery, przechodzi przez zaznaczony punkt obrazu i biegnie w nieskończoność, tak jak na Rysunku 2.

Rysunek 2: Środek rzutu i promień rzutujący

Punkt obiektu, który chcemy zmierzyć, może znajdować się w dowolnym punkcie na promieniu rzutującym. Aby obliczyć dokładne położenie tego punktu, potrzebne są co najmniej dwa przestrzennie oddzielone promienie rzutujące, które przecinają się w jednym punkcie. Te dwa promienie muszą być zdefiniowane przez dwa różne obrazy. Dzięki zwiększeniu liczby promieni rzutujących wykorzystywanych do rekonstrukcji, poprawi się dokładność uzyskiwanych współrzędnych punktu.

Aby zdefiniować kierunek promieni rzutujących, użytkownicy zazwyczaj muszą ręcznie zaznaczyć punkt na każdym obrazie. Nie jest to jednak potrzebne w przypadku korzystania z obrazów przechwyconych za pomocą GS18 I. Poniższy film dokładnie przedstawia każdy krok algorytmu dopasowywania punktów, pokazując, w jaki sposób automatycznie dopasowuje on zaznaczony punkt na innych przechwyconych obrazach.

Jak pokazano na animacji, zaznaczając jeden punkt na wybranym obrazie, zostanie obliczony odpowiedni promień rzutujący. Aby zdefiniować kierunek kolejnego promienia rzutującego, ten sam punkt musi być zaznaczony na drugim obrazie. Algorytm dopasowywania punktów robi to automatycznie, łącząc oba środki rzutu za pomocą linii bazowej. Teraz, używając zarówno linii bazowej, jak i pierwszego promienia rzutującego, można stworzyć płaszczyznę. Płaszczyzna ta jest tak zwaną płaszczyzną epipolarną i przecina drugi obraz wzdłuż czerwonej linii zwanej linią epipolarną.

Linia epipolarna jest kluczowa dla algorytmu dopasowywania punktów, ponieważ punkt wybrany na pierwszym obrazie, znajduje się gdzieś wzdłuż tej właśnie linii epipolarnej na drugim obrazie. Dlatego algorytm szuka najlepszego dopasowania tylko wzdłuż tej linii. W pierwszej kolejności, Captivate definiuje matrycę szablonu, czyli matrycę w skali szarości 19 x 19 pikseli, które otaczają zaznaczony na pierwszym obrazie punkt. W animacji matryca szablonu jest zaznaczona zieloną obwiednią. Na drugim obrazie algorytm wykrywa, w którym segmencie linii epipolarnej znajduje się punkt, wykonując skan matrycy tylko wzdłuż tego segmentu. W ten sposób znacznie skraca się czas przetwarzania. Podczas skanowania algorytm wyodrębnia macierz 19 x 19 pikseli dla każdego punktu wzdłuż wybranego segmentu linii epipolarnej.

W kolejnym kroku algorytm wyszukuje najlepsze dopasowanie matrycy szablonu. Dlatego każda z matryc wyodrębnionych z drugiego obrazu jest porównywana z matrycą szablonu pierwszego obrazu. Odbywa się to poprzez obliczenie korelacji między matrycami. Wyekstrahowana matryca o najwyższej korelacji z szablonem jest uznawana za najlepsze dopasowanie. Następnie Captivate wykorzystuje otaczające piksele tej matrycy, aby znaleźć dokładną lokalizację punktu z dokładnością do subpikseli. Captivate wizualizuje ten dopasowany punkt za pomocą niebieskiego symbolu, który pojawia się na wszystkich obrazach, na których ten punkt został dopasowany.

Jak bardzo inteligentny jest algorytm dopasowywania punktów?

Podczas opracowywania algorytmu dopasowywania punktów celem było stworzenie algorytmu, który będzie tak dobry w dopasowywaniu jak ludzki zmysł wzroku. Jasne jest jednak, że sztuczna i ludzka inteligencja nie mogą działać dokładnie w ten sam sposób. Tak więc w wielu przypadkach algorytm dopasowywania punktów łatwo poradzi sobie z dopasowaniem punktu, który nie będzie jednoznacznie rozpoznawalny dla użytkownika. Spójrzmy na przykład z Rysunku 3.

Rysunek 3: Punkt zaznaczony na jednym zdjęciu (po lewej) i dopasowany na innym zdjęciu (po prawej)

Na lewym ekranie Rysunku 3 na obrazie zaznaczony jest jeden punkt rurociągu. Na prawym ekranie ten sam punkt został automatycznie dopasowany na innym obrazie z grupy obrazów. Jeden z użytkowników GS18 I zadał doskonałe pytanie: „Jak można automatycznie dopasować zaznaczony punkt na innych obrazach? Każdy punkt wzdłuż tego rurociągu wygląda dla mnie dokładnie tak samo i nie widzę jednego unikalnego punktu na tym rurociągu, który mógłbym ręcznie dopasować na dwóch obrazach. Jak więc algorytm może to zrobić, jeśli ja nie mogę?”

Odpowiedź jest dość prosta. Jak wyjaśniłam wcześniej, kiedy punkt jest zaznaczony na jednym obrazie, algorytm dopasowujący najpierw tworzy linię epipolarną dla każdego obrazu. Następnie algorytm szuka najlepszego dopasowania punktu wzdłuż linii epipolarnej. Jak pokazano na Rysunku 4, linia epipolarna przecina czerwoną linię na rurociągu i w tym punkcie przecięcia znajduje się najlepsze dopasowanie. W ten sposób algorytmowi łatwo jest dopasować punkt na dwóch obrazach, których ludzkie oko nie było w stanie rozróżnić.

Rysunek 4: Linia epipolarna

Integracja sensorów, fotogrametria i rozwój interdyscyplinarny w celu rozwiązywania problemów geodetów

Technologia Wizualnego Pozycjonowania wykorzystuje zasady fotogrametrii do zdalnego pomiaru punktów. Ponadto fuzja sensorów daje GS18 I możliwość łączenia danych GNSS i IMU z przechwyconymi obrazami. Unikalne połączenie fotogrametrii i fuzji sensorów upraszcza tradycyjny proces fotogrametryczny. Co więcej, algorytm dopasowywania punktów przyspiesza proces pomiaru, a nawet pomaga użytkownikom mierzyć punkty, których nie można ręcznie dopasować na obrazach. W ten sposób użytkownicy mogą łatwo mierzyć punkty na obrazach z geodezyjną dokładnością. Mapowanie ze zdjęć jest możliwe nie tylko bezpośrednio w terenie, ale ten sam przepływ pracy jest również kontynuowany w biurze dzięki Leica Infinity.

W naszym zespole GNSS nieustannie przekraczamy granice, aby opracowywać nowe rozwiązania, które pomagają przezwyciężać problemy geodetów. Opracowując sensory, które oferują proste rozwiązania do pomiaru trudno dostępnych punktów, chcemy rozszerzyć możliwości, jakie mają geodeci podczas pomiarów za pomocą odbiorników GNSS. Dzięki GS18 I bez wątpienia udowodniliśmy, że nawet największe wyzwania można pokonać dzięki synergicznej pracy zespołowej. Zrobiliśmy to, aby nasi użytkownicy mieli możliwość dokładnego i niezawodnego wykonywania zdalnych pomiarów z geodezyjną dokładnością podczas korzystania z odbiornika GNSS.

 

Aby dowiedzieć się więcej o Leica GS18 I, odwiedź: leica-geosystems.com/GS18I