Xây dựng phần mềm đo cặp ảnh mô hình đơn

MỤC LỤC MỞ ĐẦU Ngày ảnh hàng không ảnh vệ tinh ngày ứng dụng rộng rãi lĩnh vực kinh tế, xã hội, nghiên cứu khoa học, đặc biệt công tác thiết kế thành lập đồ Với đời công nghệ kĩ thuật số, khái niệm đồ số trở nên quen thuộc, ảnh chụp kỹ thuật số dần thay cho ảnh phim truyền thống trở thành đầu vào trực tiếp cho quy trình thành lập đồ số Đó ảnh thu từ bay chụp hàng không vệ tinh Hiện giới có nhiều hãng phần mềm tiếng cung cấp phần mềm chuyên dụng phân tích, xử lý, đo vẽ ảnh hàng không, ảnh viễn thám, xây dựng sở liệu đồ số… ARCGIS (ESRI); Mapping Office, Microstation (INTERGRAPH); Envi (Research System Inc); Mapinfo, MapExtrem ( MapInfo), ImageStation™ Z/I Imaging, Match-T Match-AT Inpho, Phodis Zeiss Ở Việt Nam, phần mềm khai thác, sử dụng lĩnh vực thành lập đồ nói riêng lĩnh vực phát triển kinh tế, quân nói chung Tuy nhiên giá thành phần mềm tương đối đắt, việc sử dụng phần mềm đòi hỏi người dùng phải có kiến thức sâu chun ngành quy trình xử lý, việc trích chọn điểm đặc trưng nhằm phục vụ cho việc xác định điểm khống chế ảnh chụp từ vệ tinh hay ảnh hàng không, việc định hướng ảnh nắn, khớp ảnh quy trình sản xuất liệu đồ thực theo phương pháp thủ cơng nhiều cơng sức thời gian Đo ảnh phương pháp khoa học xác định kích thước hình học, tọa độ đối tượng gần bề mặt trái đất dựa cặp ảnh chụp từ không mặt đất Ứng dụng đo ảnh để xây dựng mô hình số địa hình đồ địa hình phương pháp hiệu kinh tế so với phương pháp đo đạc mặt đất Cùng với phương pháp viễn thám xem việc nghiên cứu khu vực mà người không tiếp cận Ngồi đo ảnh cịn ứng dụng qn để xác định vị trí đóng quân, hướng hành quân đối phương Vấn đề đặt cần phải xây dựng ứng dụng đo ảnh đảm bảo độ xác, tiết kiệm thời gian dễ dàng sử dụng Xuất phát từ ý tưởng chọn đề tài “ Xây dựng phần mềm đo cặp ảnh mơ hình đơn” Mục tiêu đề tài xây dựng thành công ứng dụng đo cặp ảnh mơ hình đơn Bố cục đề tài: - Chương I với tiêu đề Cơ sở lý thuyết đo ảnh đơn giới thiệu khái niệm đo ảnh - Chương II với tiêu đề Các phương pháp khớp ảnh số giới thiệu phương pháp trích chọn đặc trưng khớp ảnh số - Chương III với tiêu đề Xây dựng chương trình đo cặp ảnh mơ hình đơn trình bày cơng việc xây dựng chương trình -Kết luận kiến nghị Trong trình nghiên cứu đề tài, thân nhận hướng dẫn nhiệt tình thầy giáo mơn trắc địa đồ Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giúp đỡ tận tình Người thực CHƯƠNG I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐO ẢNH Bay chụp ảnh hàng không kết hợp đo vẽ ảnh giải pháp tối ưu cho tốn xây dựng đồ địa hình hay địa hình 3D tỷ lệ lớn diện rộng khu vực bề mặt cụ thể đó, đặc biệt nơi mà người khó tiếp cận như: đồi núi, biên giới, núi lửa hay bề mặt hành tinh khác Trước triển khai bay chụp công tác lập phương án kỹ thuật tiến hành dựa thông số kỹ thuật hệ thống bay chụp như: loại máy bay, loại máy ảnh – máy ảnh phim hay máy ảnh số, có tích hợp định vị quán tính(IMU) xác định tọa độ tâm ảnh hay khơng, khoảng cách tiêu cự, góc mở máy chụp ảnh, kích thước phim hay kích thước cảm biến thu ảnh số Các tham số địa hình như: Độ cao trung bình khu vực bay chụp, số điểm khống chế có sẵn thực địa ; Thơng số thời tiết; Tỷ lệ đồ cần thành lập Phương án kỹ thuật tính tốn cho chi phí sản xuất thấp mà thỏa mãn yêu cầu độ xác Các ảnh chụp bố trí thành khối theo dải Các ảnh có độ phủ chồng xếp để tạo hiệu ứng lập thể ảnh nối tiếp dải ảnh Sau bay chụp ảnh xử lý nội nghiệp trạm đo vẽ ảnh: Các máy tính chuyên dụng trang bị phần mềm xử lý đo vẽ ảnh số kết hợp điều khiển chuột chuyên dụng, kính nhìn lập thể 3D, hình phân cực 1.1 Các khái niệm • Khái niệm ảnh đo Các ảnh dùng vào mục đích đo đạc gọi ảnh đo Ảnh đo hình ảnh thu đối tượng đo theo nguyên lý phép chiếu xuyên tâm Ảnh đo nguồn gốc thông tin gốc đối tượng đo phục vụ cho trình đo đạc phương pháp đo ảnh Tuy nhiên khái niệm có ý nghĩa hình học đơn Trên thực tế, ảnh đo kết tổng hợp trình tạo hình quang học (qua hệ thống thấu kính chất lượng cao) trình quét ảnh điện-từ ghi nhận lại vật liệu ảnh (phim mềm phim cứng) theo nguyên lý phép chiếu xuyên tâm Vì ảnh đo mang tính chất sau: - Nội dung ảnh đo phản ánh trung thực chi tiết bề mặt đối tượng (như địa hình địa vật mặt đất) chưa thể đầy đủ theo yêu cầu nội dung đồ Trong khái niệm thông tin học, ảnh đo nguồn thông tin đối tượng đo thu nhận thời điểm chụp ảnh Chúng khai thác tùy theo mục đích khác trình xử lý sau - Mức độ chi tiết khả đo đạc ảnh đo phụ thuộc vào điều kiện phương thức chụp ảnh như: điều kiện khí tượng, thiết bị chụp ảnh,vật liệu ảnh, kỹ thuật chụp ảnh,… - Ảnh đo nguồn thông tin ban đầu nên trực tiếp sử dụng kết đo khác vì:  Quan hệ tọa độ điểm ảnh điểm tương ứng mặt đất quan hệ phối cảnh phép chiếu xuyên tâm, quan hệ chiếu thẳng đồ  Tỷ lệ hình ảnh ảnh khơng thống đồ, đặc điểm trình chụp ảnh (ảnh nghiêng địa hình lồi lõm)  Các hình ảnh ảnh khơng xác vị trí bị biến dạng nhiều nguyên nhân gây (quy luật chiếu hình, vị trí ảnh chụp, …) Vì vậy, muốn sử dụng ảnh đo cho mục đích đo đạc, trước hết cần nghiên cứu quy luật tạo hình hình học, quang học hóa học ca nh o nh chp P Mặt đất G Bản ®å E H1.1 Sự hình thành ảnh đo theo phép chiếu xun tâm • Các yếu tố hình học ảnh đo - Mặt phẳng E gọi mặt phẳng vật - Mặt P gọi mặt phẳng ảnh Trong trường hợp chung, mặt P có góc nghiêng ỏ mặt phẳng vật E góc ỏ gọi góc nghiêng ảnh - Điểm S gọi tâm chụp hay tâm chiếu Vị trí S mặt P xác định theo tiêu cự máy chụp ảnh cho thỏa mãn điều kiện : - Qua tâm chiếu S dựng mặt phẳng W thẳng góc với mặt E mặt P Mặt W gọi mặt đứng - Vết mặt phẳng W mặt phẳng ảnh P gọi đường dọc vv - Vết mặt phẳng W mặt phẳng E gọi đường hướng chụp VV - Giao tuyến mặt phẳng ảnh P với mặt phẳng vật E gọi đường nằm ngang hay gọi trục chụp TT - Từ tâm chụp S kẻ đường vng góc xuống mặt phẳng ảnh P giao điểm chúng gọi điểm ảnh o So gọi tia sáng - Từ tâm chụp S kẻ đường vng góc SN xuống mặt phẳng vật E giao điểm với mặt phẳng ảnh gọi điểm đáy ảnh n - Trong mặt phẳng W từ tâm chụp S kẻ đường phân giác góc oSn ( oSn=α), giao điểm với mặt P gọi điểm đẳng giác c - Trong mặt W từ tâm chụp S kẻ đường song song với mặt phẳng E, giao điểm với mặt P gọi điểm tụ I - Trong mặt phẳng ảnh P qua I kẻ đường song song với đường nằm ngang TT có đường chân trời - Trong mặt phẳng ảnh P qua điểm ảnh o kẻ đường song song với đường nằm ngang TT có đường nằm ngang - Cũng mặt phẳng ảnh P qua điểm đẳng giác c kẻ đường thẳng song song với trục chụp TT có đường đẳng tỷ lệ - Khoảng cách từ tâm chụp S đến mặt phẳng vật E theo đường dây dọi gọi độ cao chụp ảnh: SN=H hi ho hi ho v fk o ( α/2) c n V H1.2 Các yếu tố hình học ảnh đo O C N H v V • Thuộc tính hình học ảnh số Kích thước hình dạng phần tử ảnh thuộc tính hình học ảnh số Kích thước pixel (hoặc độ phân giải) nhân tố ảnh hưởng đến độ xác phép đo Trước hết, để đốn nhận đối tượng ảnh, đối tượng phải bao trùm lên 2-3 pixel Để có nhìn tổng quan xem cần độ chi tiết đến mức để đoán nhận ảnh, khoảng cách lấy mẫu theo thực địa (ground sample distance - gsd) tính tốn Chính kích thước mặt đất pixel tính cách nhân kích thước pixel với tỷ lệ ảnh Những thí nghiệm cho thấy độ xác khoảng 1/2 - 1/3 pixel đạt với phép đo tay Phép đo tự động điểm khống chế đánh dấu thực địa 1/5 pixel Trong ứng dụng gần nhất, độ xác đạt tới 1/1000 pixel nhắc đến, phụ thuộc vào mục đích kỹ thuật áp dụng Hình dạng pixel tham số khác đóng vai trị phép tính tốn với ảnh số Hình vng dạng thường sử dụng cho lưới ảnh Pixel hình chữ nhật biến tấu từ pixel hình vng việc mơ tả tỷ lệ cạnh - tỷ lệ chiều rộng pixel chiều dài pixel Các sensor với mắt lưới lục giác tồn không dùng máy chụp ảnh hàng không máy quét phục vụ đo ảnh Kích thước pixel với độ phân giải hình học định số lượng liệu chứa đựng ảnh Ảnh lớn làm chậm lại q trình xử lý 1.2 Định hướng Trong ảnh đo tham số định hướng (tọa độ điểm ảnh, tiêu cự méo hình kính vật), tham số định hướng (tọa độ mặt đất điểm tâm ảnh góc xoay ảnh) phải tính tốn trước sử dụng ảnh cho việc đo vẽ đồ tạo ảnh trực giao 1.2.1 Hệ tọa độ pixel hệ tọa độ ảnh Hệ tọa độ pixel (Op xpyp) hệ tọa độ vng góc gốc hệ đặt góc trái ảnh đơn vị pixel Hệ tọa độ ảnh (Oxy) hệ tọa độ vng góc mà thơng thường có gốc điểm ảnh đơn vị mm µm Mối quan hệ hệ tọa độ pixel hệ tọa độ ảnh biểu diễn theo hình sau: H1.4 Quan hệ tọa độ ảnh tọa độ pixel • Chuyển đổi hệ tọa độ pixel sang hệ tọa độ ảnh ngược lại Trên ma trận ảnh số, loại toạ độ đo toạ độ hệ pixel, hay gọi tắt toạ độ pixel Hệ toạ độ có điểm gốc nằm góc trái ảnh, đơn vị pixel Hệ toạ độ sử dụng toán chuyển đổi sang hệ toạ độ mặt đất, cần phải chuyển hệ toạ độ mm có gốc nằm điểm ảnh, lý lịch máy ảnh điểm PPA (Principle Point of Auto Collimation) H1.5 Hệ tọa độ pixel hệ tọa độ ảnh (máy ảnh RC-30) - Bài toán chuyển hệ tọa độ ảnh sang hệ tọa độ pixel 3.4.2 Giới thiệu chương trình Chương trình viết ngôn ngữ C++ MFC cấu trúc Doc/View Visual Studio 2008 - Chương trình tích hợp thư viện libtiff - Thanh cơng cụ: mở ảnh,mở dự án,phóng to, thu nhỏ, pan - Chức năng: lọc gauss, tháp ảnh, tìm đặc trưng, khớp ảnh, đo ảnh… - Tất hàm chương trình tơi tự viết khơng sử dụng thư viện hỗ trợ H3.8 Giao diện chương trình H3.9 Thanh cơng cụ H3.10 Menu chương trình 3.4.3 Hình ảnh kết chương trình đạt H3.11 Tháp Gauss bậc H3.12 Haris H3.15 Xác định tâm ảnh H3.14 Chức khớp bán tự động H3.15 Đặc trưng quay hồi từ tháp H3.16 Cặp đặc trưng tương quan chéo (NCC) H3.17 Cặp tên Projective H3.18 Chức quan sát cặp điểm tên H3.19 So sánh cặp đặc trưng NCC Projective H3.20a Ultracam 32-31 H3.20b Ultracam 31-30 H3.20c Ultracam 30-29 H3.21a Ultracam SK 433-434 H3.21b Ultracam SK 434-435 H3.21c Ultracam SK 435-436 H3.22a RC30 CPC 462-463 H3.22b RC30 CPC 463-464 H3.23a.UV 157-156 H3.22c RC30 CPC 464-465 H3.23b.UV 156-155 H3.24 Xác định mấu ảnh H3.25 Sử dụng khớp bình phương nhỏ KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong trình nghiên cứu đề tài đạt số kết sau: - Về mặt lý thuyết: Nghiên cứu chất trình chụp ảnh kĩ thuật số, trình chụp ảnh hàng khơng với phép chiếu xun tâm; tìm hiểu thuật tốn trích chọn đặc trưng khớp ảnh, đánh giá ưu, nhược điểm thuật tốn trên, từ hiểu chất q trình định hướng cặp ảnh hàng khơng - Xây dựng modul phần mềm thực thi khớp ảnh, đo cặp ảnh mơ hình đơn - Chạy thử nghiệm chương trình số ảnh định dạng TIFF, tìm điểm đặc trưng theo thuật nêu hiển thị chúng, khớp cặp ảnh đo cặp ảnh mơ hình đơn Về hướng phát triển đề tài: - Tiếp tục hồn thiện tối ưu thuật tốn, xây dựng chương trình để chạy cho kết ổn định xác - Tối ưu thuật tốn liệu nâng cao tốc độ - Nghiên cứu xử lý đa luồng xử lý card đồ họa chương trình nhằm nâng cao tính tốn cho chương trình - Phát triển xây dựng mơ hình lập thể tương tác với thiết bị ngoại vi kính nhìn lập thể để quan sát lập thể - Phát triển chương trình để đo lập thể TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trương Anh Kiệt Trắc địa ảnh, phần “Cơ sở đo ảnh” NXB Giao thông Vận tải, Hà Nội, 2001 [2] Trương Anh Kiệt Trắc địa ảnh, phần “Phương pháp đo ảnh đơn” NXB Giao thông Vận tải, Hà Nội, 2003 [3] An Introduction to 3D computer vision techniques and algorithms [4] The Harris Corner Detector - Konstantinos G Derpanis [5] A Fast Operator for Detection and Precise Location of Distinct Points, Points, Corners and Centres of Circular Features by W.Forstner and E Golch [6] A Non-Maxima Suppression Method for Edge Detection with Sub-Pixel Accuracy - Fre ´de ´ric Devernay [7] Multi-Image Matching using Invariant Features by Matthew Alun Brown [8] Improving the SIFT descriptor with smooth derivative filters - Plinio Morenoa, Alexandre Bernardinoa, Jos´ e Santos-Victor [9] Distinctive Image Features from Scale-Invariant Keypoints - David G Lowe [10] Interst operators for feature-based matching in close range photogrammetry [11] Novel Approach to Epipolar Resampling of HRSI and Satellite Stereo Imagery-based Georeferencing of Aerial Images - Jaehong Oh, M.S., B.S.(The Ohio State University) [12] Matching Approach Based on Cross-Correlation and Affine Transformation - Yue ZHAO, Xiaohong SHANG, Hongqiang DING (Institute of Mathematics and Statistics, Yunnan University, Kunming 650091, China) [13] 2-D and 3-D image Registration (Wiley) [14] Marketa Potuckova (2004), Image matching and its applications in photogrammetry, Aalborg University, Denmark [15] Edward M Mikhail, James S Bethel, J Chris McGlone (2001), Introduction to modern photogrammetry, Purdue University & Carnegie Mellon University, John Wiley & Sons, Inc [16] Image Station® Automatic Triangulation (ISAT) User’s Guide (2003), Z/I Corporation, Huntsville, USA ... chọn đề tài “ Xây dựng phần mềm đo cặp ảnh mơ hình đơn? ?? Mục tiêu đề tài xây dựng thành cơng ứng dụng đo cặp ảnh mơ hình đơn Bố cục đề tài: - Chương I với tiêu đề Cơ sở lý thuyết đo ảnh đơn giới thiệu... (1.11) 1.4 Quy trình đo cặp ảnh mơ hình đơn H1.8 Quy trình đo cặp ảnh mơ hình đơn 1.4.1 Đo mấu ảnh Cơng việc cần tiến hành quy trình đo cặp ảnh mơ hình đơn đo mấu ảnh Để giải vấn đề có phương pháp... bị phần mềm xử lý đo vẽ ảnh số kết hợp điều khiển chuột chuyên dụng, kính nhìn lập thể 3D, hình phân cực 1.1 Các khái niệm • Khái niệm ảnh đo Các ảnh dùng vào mục đích đo đạc gọi ảnh đo Ảnh đo