izrada fotorealisticnog 3d modela objekta upotrebom stvarnih tekstura

Upload: ddratkovic

Post on 14-Jul-2015

898 views

Category:

Documents


6 download

TRANSCRIPT

Z A F O T O G R AME T R IJ U D E P A R T M E N T O F P H O T OG R A M M E T R YHR 10000 ZAGREB , FR A ANDRIJE KAI A MIOI A 26

SVEUILITE U ZAGREBU GEODETSKI FAKULTET UNIVERSITY OF ZAGREB FACULTY OF GEODESY

Z AVO D

Usmjerenje: Fotogrametrija i kartografija

DIPLOMSKI RAD

Izrada fotorealistinog 3D modela objekta uporabom stvarnih tekstura

Izradio: Hrvoje Klepac Kolarova 7 Zagreb [email protected]

Mentor: prof. dr. sc. Teodor Fiedler, dipl. in. geodezije

Zagreb, lipanj 2005.

2

Zahvaljujem svom mentoru prof .dr. sc. Teodoru Fiedleru na pruenoj pomoi i savjetima pri pisanju ovog diplomskog rada. Posebnu zahvalu dugujem asistentima dr. sc. Dubravku Gajskom na voenju kroz pojedine faze izrade rada te asistentu mr. sc. Tomislavu Ciceliju na ustupljenim materijalima. Zahvaljujem svojim roditeljima na razumijevanju i podrci tokom studiranja.

3

I. Autor Ime i prezime: Hrvoje Klepac Datum i mjesto roenja: 21.07.1976., Zagreb, Hrvatska

II. Diplomski rad Predmet: Blizupredmetna fotogrametrija Naslov: Izrada fotorealistinog 3D modela objekta uporabom stvarnih tekstura Mentor: prof. dr. sc. Teodor Fiedler, dipl. in. geodezije Voditelj: dr. sc. Dubravko Gajski, dipl. in. geodezije

III. Ocjena i obrana

Datum zadavanja zadatka: Oujak 2005. Datum obrane: 01.07.2005. Sastav povjerenstva pred kojim je branjen diplomski rad: 1. 2. 3. prof. dr. sc. Teodor Fiedler, dipl. in. geodezije dr. sc. Dubravko Gajski, dipl. in. geodezije mr. sc. Tomislav Ciceli, dipl. in. geodezije

4

Izrada fotorealistinog 3D modela objekta uporabom stvarnih teksturaHrvoje Klepac

Saetak:U ovom diplomskom radu prikazan je postupak izrade 3D modela sa teksturama u VRML formatu Crkve Roenja Blaene Djevice Marije u mjestu Buni. Uz to je dan kratak pregled prednosti digitalnih tehnologija nad analognima. Pri izradi su koriteni CAD alat AutoCAD te fotogrametrijski programski paket ORPHEUS.

Kljune rijei:fotogrametrija, ORPHEUS digitalna, terestrika, VRML, kalibracija, tekstura,

Creation of a photorealistic 3D object model by the means of a real texture Abstract:This paper reviews the creation procedure of a texture mapped 3D object model in the VRML format, applied on The Church of the Blessed Virgin Marys Birth in Buni. Additionally, there is given a short account of the advantages of the digital technologies used in photogrammetry over the analogue ones. The AutoCAD and the photogrammetric programme package ORPHEUS were the tools used for this purpose.

Keywords:photogrammetry, ORPHEUS digital, terrestrial, VRML, calibration, texture,

5

Izrada fotorealistinog 3D modela objekta uporabom stvarnih teksturaHrvoje Klepac

K A Z A L O1. 2. UVOD.............................................................................................................. 7 FOTOGRAMETRIJA....................................................................................... 8 2.1. PROJEKCIJSKA SREDITA, DEFORMACIJA SNIMKE I UNUTARNJA ORIJENTACIJA 10 2.2. ELEMENTI SNIMKE ..................................................................................... 12 2.2.1. Elementi unutarnje orijentacije ........................................................ 12 2.2.2. Elementi vanjske orijentacije........................................................... 13 2.2.3. Elementi relativne orijentacije ......................................................... 17 2.2.4. Odreivanje elemenata snimke....................................................... 19 2.3. TERESTRIKA FOTOGRAMETRIJA ................................................................ 19 2.3.1. Oprema za terestriko fotogrametrijsko snimanje ........................... 20 2.3.2. Terestrike mjerne kamere ............................................................. 20 2.3.3. Ne mjerne kamere .......................................................................... 21 2.4. DIGITALNA FOTOGRAMETRIJA..................................................................... 22 3. DOBIVANJE DIGITALNE SNIMKE .............................................................. 23 3.1. 3.2. 4. 5. DIGITALNA KAMERA ................................................................................... 23 DIGITALIZIRANJE FOTOGRAMETRIJSKIH SNIMAKA .......................................... 25

DIGITALNA FOTOGRAMETRIJSKA SNIMKA ............................................ 26 KALIBRACIJA KAMERE ............................................................................. 28 5.1. 5.2. 5.3. KALIBRACIJA NA RADNOM ZADATKU (ENGL. ON-THE-JOB CALIBRATION).......... 28 IZJEDNAENJE METODOM ZRAKOVNOG SNOPA............................................. 28 SAMOKALIBRACIJA KAMERE ENGI. SELF -CALIBRATION ................................. 30 REDRESIRANJE DIGITALNIH SNIMKI ............................................................. 31 DIGITALNI ORTOFOTO ................................................................................ 31

6.

ORTOFOTOGRAFIJA .................................................................................. 31 6.1. 6.2.

7.

PRAKTINI DIO ........................................................................................... 34 7.1. PRIPREMA PODATAKA ............................................................................... 34 7.1.1. Terenski rad .................................................................................... 34 7.1.2. Izrada 3D modela upotrebom programa AutoCAD 2005. ............... 36 7.2. ORPHEUS ............................................................................................. 36 7.3. RAD U ORPHEUS-U ................................................................................ 38 7.3.1. Inicijalizacija sustava i unos podataka ............................................ 38 7.3.2. Unutarnja orijentacija ...................................................................... 41 7.3.3. Vanjska orijentacija ......................................................................... 41 7.3.4. Unos 3D modela iz dxf datoteke. .................................................... 46 7.3.5. Dodavanje tekstura 3D modelu....................................................... 46

6 7.3.6. 8. Eksport VRML datoteke .................................................................. 47 ZAKLJUAK ................................................................................................ 49

LITERATURA ...................................................................................................... 50 POPIS SLIKA....................................................................................................... 51 POPIS TABELA................................................................................................... 52 PRILOZI ............................................................................................................... 53 PRILOG 1. PRIMJERI VIZUALIZACIJA ....................................................................... 53 PRILOG 2. SADRAJ PRILOENOG MEDIJA (CD-A)................................................... 55 IVOTOPIS .......................................................................................................... 56

7

1. UvodPrimjena fotogrametrije u ouvanju kulturnog dobra i zatiti objekata visoke vrijednosti ima dugu tradiciju. Za takve zadatke koristila se klasina fotogrametrija, meutim moe se smatrati kao spora i skupa tehnika za izradu tehnike dokumentacije. Sa primjenom suvremenih metoda digitalne fotogrametrije javljaju se nove mogunosti primjene uvoenjem brih, jeftinijih i kompleksnijih postupaka, baziranih na digitalnoj tehnici. Osim tehnikih aspekata, velika prednost je i ta to informatika tehnologija omoguava 3D vizualizaciju, virtualne modele, distribuciju podataka Internetom itd. Prije svega, pojavile su se nove tehnike za pridobivanje snimaka. Uz klasine metode terestrikog fotogrametrijskog snimanja analognim mjernim kamerama iji se snimci mogu koristiti nakon prevoenja u digitalni oblik, skeniranjem na visokokvalitetnim skenerima, danas se koriste kvalitetne mjerne digitalne kamere. No sve ea je uporaba ne-mjernih kvalitetnih digitalnih kamera, jer se sve sistematske pogreke mogu ispraviti kalibracijom kamere i digitalnim ponovnim uzorkovanjem (engl. resampling). Izrada i arhiviranje izvornih materijala je takoer pojednostavljeno jer nije potrebna klasina fotografska obrada, ne dolazi do gubitka kvalitete snimki s vremenom, Jednostavnije se izrauju potrebni analogni proizvodi (kopije i sl.), zauzima manje prostora, te ne zahtijeva specijalne uvijete pohranjivanja. Uz klasini vektorski format uporaba digitalnih snimki je otvorila nove mogunosti izrade izlaznih proizvoda kao to je npr. digitalni ortofoto, relativno jeftin i danas iroko dostupan proizvod. Osim to se koristi u aerofotogrametriji gdje je danas gotovo jedan od osnovnih proizvoda digitalni ortofoto naao je svoju primjenu i u terestrikoj fotogrametriji. U zajednici s klasinim vektorskim prikazom prua korisnicima bogat i kvalitetan izvor podataka o snimljenom objektu. Prilikom izradbe digitalnog ortofota iz terestrikih snimki znaajna uteda se moe postii pojednostavljenjem digitalnog modela. To znai da za jednostavne fasade digitalni model moe biti zamijenjen vertikalnom ravninom itd. Osim izradbe digitalnog ortofota za pojedine fasade koritenjem originalnih 3-D podataka iz stereorestitucije mogua je izrada 3-D modela objekta u svrhu kvalitetne vizualizacije. U ovom diplomskom radu prikazan je postupak izrade 3D modela sa teksturama u VRML formatu (engl. Virtual Reality Modeling Language = jezik za modeliranje virtualne stvarnosti). Objekt iji je model napravljen je Crkva Roenja Blaene Djevice Marije u mjestu Buni. Prema preporuci Hrvatskog vijee za kulturna dobra 2003 g. ula je ova crkva u program zatite nepokretnih spomenika kulture. To je jedina lika crkva sagraena s elementima gotskog stila. Dao ju je sagraditi Austrijski feldmaral i vitez reda Marije Tereze, Ernst Gideon Freiherr von Laudon (1717 - 1790) u vrijeme kad je sluio kao major u likoj regimenti. Osim to je dao izgraditi crkvu, dao je zasaditi hrastovu umu koja se danas zove njegovim imenom Laudonov gaj, koji je od 1965. godine rezervat umske vegetacije. Crkva je devastirana 1943. godine za vrijeme drugog svjetskog rata. U planu je graevinska sanacija i u tu svrhu je izraena dokumentacija za koju je izmjera obavljena u Zavodu za fotogrametriju Geodetskog fakulteta.

8

2. FotogrametrijaFotogrametrija je znanost i tehnologija pridobivanja podataka o poloaju, veliini i obliku objekata uporabom jedne ili vie snimki u analognom ili digitalnom obliku. To je metoda rada kojom se terenski rad svodi na minimum i kojom se dobivaju karte i planovi potrebne tonosti i pravilne generalizacije. Primjena metoda analitike i digitalne fotogrametrije predstavlja osnovu za brzo i masovno prikupljanje prostornih podataka. Na taj nain se skupi terestriki premjer zamjenjuje jeftinijim, brim i jednako kvalitetnim fotogrametrijskim premjerom. Jedan od primarnih zadataka fotogrametrije je mjerenje pojedinanih toaka odnosno odreivanje poloaja toaka u tro-dimenzionalnom prostornom sustavu uporabom analognih ili digitalnih snimaka. Izmjera pojedinanih toaka moe biti vrlo tona i rezultati su jednaki ili ak i bolji od rezultata dobivenih drugim metodama mjerenja. Rezultati fotogrametrijske izmjere mogu biti koordinate pojedinih toaka, planovi i drugi grafiki prikazi te redresirane fotografije i iz njih izvedene fotokarte, fotomozaici i panoramski snimci. Kako aerosnimka openito nije strogo vertikalna, to e uslijed centralne projekcije i kod horizontalnog zemljita preslikana povrina biti deformirana. Prevoenje takve deformirane slike u geometrijski ispravljenu sliku, koja e odgovarati ortogonalnoj projekciji zemljita naziva se redresiranje. Kada je preslikani objekt ili povrina visinski (dubinski) razvedena nije mogue redresiranje cjele snimke vee se za takve zadatke koristi poseban nain redresiranja tzv. diferencijalno redresiranje. Proizvod diferencijalnog redresiranja se naziva ortofoto. Ako se koriste digitalne snimke i njih prevodi u ortogonalnu projekciju dobiva se digitalni ortofoto. Diferencijalnim redresiranjem mogue je dobiti sliku transformiranu ne samo u ortogonalnu, ve i u bilo koju drugu projekciju. S obzirom na poloaj kamere u prostoru razlikujemo aero, terestriku, orbitalnu i extra-terestriku fotogrametriju. Upotrebu snimaka snimljenih iz zraka ili svemira raznim tehnikama snimanja i mjerenja (fotografske, termalne, radarske snimke, radiometrijska mjerenja) bez fizikog dodira sa snimljenim objektom naziva se daljinskim istraivanjem. Prilikom snimanja iz zraka snimke mogu biti izvedene vertikalnom, priblino vertikalnom ili kosom osi snimanja, a u terestrikoj fotogrametriji blago nagnutom ili horizontalnom osi snimanja (Slika 1).

9c

a b d

Slika 1. Vertikalne, priblino vertikalne, kose i horizontalne snimke. Prema nainu koritenja snimke dijelimo na pojedinane snimke i parove snimki.

o

Slika 2. Pojedinana snimka objekta kojem sve toke lee u ravnini. Za rekonstrukciju, a prema tome i za izmjeru dvodimenzionalnog objekta dovoljna je samo jedna fotografija. Ona e predstavljati preslikani snop zraka s vrhom u projekcijskom sreditu objektiva. Svakoj toki objekta odgovara jedna zraka. Budui da kod ravninskog (dvodimenzionalnog) objekta sve toke lee u jednoj ravnini, mogua je rekonstrukcija tog objekta iz samo jedne snimke (Slika 2). Taj se zadatak sastoji u preslikavanju ravnine preslikanog objekta u ravninu snimke, a u fotogrametriji se naziva redresiranjem snimke, tj. njezinim prevoenjem iz perspektive pribline u perspektivu strogo vertikalne snimke. Za rekonstrukciju trodimenzionalnog objekta nije dovoljna samo jedna snimka, ve su potrebne dvije snimke snimljene sa dva razliita stajalita. Na taj nain se rjeenje tog zadatka svodi na direktno prostorno presijecanje naprijed (Slika 3). Tako snimljeni objekt moemo stereoskopski promatrati, a to promatranje iskoristiti za izmjeru rekonstruiranog modela. Takav nain koritenja nazivamo stereofotogrametrijom.

10

A

BSlika 3. Par snimki trodimenzionalnog modela. Prema vrsti snimki koje koristimo za izmjeru dijelimo fotogrametriju na analognu i digitalnu a prema kameri koju koristimo za snimanje na mjerne i ne-mjerne snimke. 2.1. Projekcijska sredita, deformacija snimke i unutarnja orijentacija Rezultat optikog preslikavanja moemo aproksimirati centralnom projekcijom. Kod centralne projekcije toke predmeta preslikavaju se pomou zraka (pravaca), koje sve prolaze kroz centar projekcije C (Slika 4). Snop zraka izmeu objektiva i objekta nazivamo vanjskim snopom, a snop zraka izmeu objektiva i slike nazivamo unutarnjim snopom.

1 C 2

3' 2' 1'

3Slika 4. Centar projekcije.

Pri optikom preslikavanju, meutim, postoje dva centra projekcije. Centar projekcije vanjskog snopa nalazi se u ulaznoj pupili (UP), a centar projekcije unutarnjeg snopa nalazi se u izlaznoj pupili (IP) (Slika 5).

IP

UP

Slika 5. Ulazna i izlazna pupila.

11 Kao centar projekcije u fotogrametriji se openito uzima sredite ulazne pupile odnosno vrh vanjskog snopa zraka. Meutim, ako se predmet nalazu u optikoj beskonanosti, kao to je to redovito sluaj u fotogrametriji, moe se taj razmak zanemariti. To se primjenjuje kod tzv. mehanikog rjeenja stereoinstrumenata, gdje se zrake zamjenjuju tapom, a umjesto objektiva je zglob ili kardan koji predstavlja toku projekcije. Takvo rjeenje moe se bez daljnjega primijeniti samo ako ne postoji deformacija snimke. U protivnom sluaju moraju se primijeniti posebni korekcijski ureaji, kao to su npr. kompenzacijske ploe. Kod primjene optikog rjeenja deformacija se teorijski moe kompenzirati Porro-Koppeovim principom. Taj se princip sastoji u tome da se pri rekonstrukciji upotrijebi objektiv istih optikih svojstava kao to ih je imao i objektiv kamere za snimanje. Pod deformacijom snimke ovdje se podrazumijeva deformacija izazvane pogrekama objektiva, a ne deformacija negativa odnosno dijapozitiva koja je nastala zbog fotografske obrade (npr. nepravilan usuh). U prostornoj fotogrametriji nije bitno da snimka bude nedeformirana (da vanjski i unutarnji snop zraka bude kongruentan), ve je bitno da vanjski snop prigodom projiciranja bude kongruentan vanjskom snopu pri snimanju (Slika 6).

Slika 6. Vanjski snop pri snimanju i projiciranju. U tom e sluaju dva relativno (meusobno) orijentirana snopa zraka presjekom ekvivalentnih zraka formirati nedeformirani model, iji oblik treba biti potpuno slian obliku stereoskopski snimljenog objekta. Kongruentnost vanjskog snopa zraka postie se tzv. unutarnjom orijentacijom. Ona se sastoji u relativnoj orijentaciji snimke prema projekcijskom sreditu. Odreena je s dva elementa: udaljenou projekcijskog centra od ravnine snimke, i centriranjem snimke, tj. poloajem tzv. glavne toke snimke u njezinoj ravnini (Slika 7).

c O c H' O

P' r' H'

Slika 7. Odnos projekcijskog centra, glavne toke snimke i konstante kamere. t objektni kut r' radijalna udaljenost toke na snimci

12 H' glavna toka snimke c konstanta kamere Unutarnja orijentacija openito je analitiki izraena radijalnom distorzijom koja se analitiki predstavlja odnosom: r' = c F (t) Pri nedeformiranom preslikavanju, i kad se predmet nalazi u optikoj beskonanosti, taj izraz poprima vrijednost: r' = f tg t f arina daljina objektiva kamere. 2.2. Elementi snimke Elemente snimke moemo razdijeliti na dvije grupe: 2.2.1. elemente unutarnje orijentacije elemente vanjske orijentacije Elementi unutarnje orijentacije

Optika os o.o. centriranog objektiva je pravac na kojem se nalaze sredita zakrivljenosti svih lea. Projekcijsko sredite O jest sredite ulazne pupile objektiva. Os snimanja o.s. jest zraka koja prolazi projekcijskim sreditem okomito na ravnu snimke. Ta zraka probada snimku u njezinoj glavnoj toki H'. Kod dobro rektificiranih kamera os snimanja se poklapa s optikom osi, a sredite snimke M', koje je definirano rubnim markama, pada u glavnu toku snimke H' (Slika 8).

M'=H'o .s .

O

t

Slika 8. Os snimanja.

Objektni kut t za neku toku P je kut to ga u prostoru objekta zatvara glavna zraka s osi snimanja (Slika 9).

13

P O o.s. H' r' P'

Slika 9. Objektni kut.

Objektnom kutu t odgovara na snimci toka P', koja je od glavne toke H' udaljena za radijalnu udaljenost r'. Konstanta kamere c ujedno je i faktor mjerila snimke, koji povezuje veliine t i r' u odnosu: r' = c F (t). Slikovna daljina b jest udaljenost slike od stranje vorne toke objektiva. Pri optiki neizmjerno dalekom objektu ta je daljina slike jednaka arinoj daljini f. Mjerna snimka je svaka snimka kod koje je poznata unutarnja orijentacija Unutarnja orijentacija sastoji se u relativnoj orijentaciji snimke prema projekcijskom sreditu objektiva. Elementi unutarnje orijentacije jesu elementi kamere i nemaju nikakve veze s orijentacijom kamere pri snimanju. Njih u pravilu odreuje proizvoa kamere. Rubne markice, a redovito i konstanta kamere, preslikavaju se na slikovnom okviru snimke. 2.2.2. Elementi vanjske orijentacije

Pod vanjskom orijentacijom pojedinane snimke podrazumijevamo njezinu orijentaciju prema Zemljinom koordinatnom sustavu. Vanjski elementi su elementi snimanja. Snimalite O jest poloaj sredita ulazne pupile objektiva u momentu ekspozicije. Horizont snimke W'.W'. jest presjenica izmeu ravnine snimke i horizontalne ravnine poloene kroz sredite ulazne pupile objektiva (Slika 10)

14v' N' w' F' H' v' O

w'

H F

N

Slika 10. Horizont snimke.

Kod horizontalne terestrike snimke horizont prolazi kroz glavnu toku snimke H' (Slika 11), a kod strogo vertikalne snimke presjek je u beskonanosti pa je i njezin azimut neodreen (Slika 12).

O

H'H'

OSlika 11. Horizont prolazi kroz glavnu toku. Slika 12. Azimut snimke je neodreen.

Glavna vertikala (ili glavna padnica) V'V' jest pravac na snimci poloen kroz glavnu toku snimke okomito na horizont. Ona je takoer presjek ravnine snimke s ravninom poloenom kroz os snimanja i kroz teinicu sputenu iz projekcijskog centra (objektiva). Prema tome, glavna e toka H' uvijek leati na glavnoj vertikali (glavnoj padnici). Nadirna toka snimke N' je probodite snimke s teinicom, sputenom iz projekcijskog centra (objektiva), a nadirna toka terena N je probodite te teinice s terenom (Slika 10). Kod vertikalne snimke nadirna toka snimke koincidira s glavnom tokom. U tom sluaju u nadirnoj toki snimke je konformno preslikavanje, bez obzira na visinske razlike zemljita. Nadirni otklon snimke n jest kut to ga zatvara teinica s osi snimanja (Slika 10). Fokalna toka F jest toka u kojoj simetrala nadirnog otklona probada zemljite, a fokalna toka snimke F' je toka u kojoj simetrala nadirnog otklona

15 probada snimku (Slika 10 i Slika 13). Karakteristika je fokalne toke da u sluaju horizontalnog zemljita u njoj je konformno preslikavanje, bez obzira na veliinu nadirnog otklona. To nalazi primjenu u tzv. radijalnoj triangulacijiN' H' v' F' f v'

O hm=f NSlika 13. Fokalna toka.

F

H

Skup paralelnih pravaca preslikava se na snimci pravcima koji se sijeku u jednoj toki nedogledu te familije. Tako je nadirna toka snimke N' nedogled familije vertikalnih pravaca (Slika 14). Horizont snimke je pak geometrijsko mjesto nedogleda svih skupova horizontalnih paralelnih pravaca (Slika 15 i Slika 16)

H' N'w' w'Slika 14. Nadirna toka snimke. Slika 15. Veza horizonta snimke i nedogleda.

16

w'

w'

Slika 16. Veza horizonta snimke i nedogleda.

Mjerilo snimke MS povezuje unutarnji i vanjski element orijentacije. Ono je jednako odnosu c : d, gdje je c konstanta kamere, a d udaljenost toke od objektiva projicirana u os snimanja (Slika 17)

P c d O P'

Slika 17. Odnos konstante kamere "c" i udaljenosti toke od objektiva "d" projicirana u os snimanja .

Kod terestrikih snimki mjerilo snimke se mijenja u irokim granicama (Slika 18). Kod kosih snimki ono je za horizontalno zemljite konstantno u smjeru paralelnom sa horizontom snimke, a njegova se maksimalna promjena zapaa u smjeru paralelnom s glavnom padnicom. (Slika 19).

d1

d2 d3

d1 d2

Slika 18. Mjerilo kod terestrikih snimki.

d3

Slika 19. Mjerilo kod kosih snimki.

Kod strogo vertikalnih snimki za horizontalno zemljite mjerilo je jedinstveno za itavu snimku i iznosi MS = f / h U tom sluaju, konstanta kamere c jednaka je arinoj daljini objektiva kamere za snimanje (jer se objekt nalazi u optikoj beskonanosti), a h je relativna visina snimanja. U prostornom koordinatnom sustavu koji se koristi u aerofotogrametriji to je koordinata z (Slika 20)f

Z

h

Slika 20. Mjerilo kod vertikalnih snimki.

Baza snimanja b jest razmak izmeu snimalita jednog stereopara (Slika 21).

OL

b

Stereopolje

ODSlika 21. Baza snimanja.

2.2.3.

Elementi relativne orijentacije

Pod relativnom orijentacijom razumijevamo meusobnu orijentaciju dviju snimki jednog stereopara koja je odreena poloajem kamere u momentima ekspozicije. Kako se koordinatni sustavi u terestrikoj i aerofotogrametriji razlikuju, to su i elementi relativne orijentacije razliiti. Kod terestrike fotogrametrije ima elemenata vanjske orijentacije koji su ujedno i elementi relativne (meusobne) orijentacije. To su slijedei elementi:

18 Zakretaj snimke je kut izmeu horizonta snimke i x'x' osi snimke (Slika 22). Kako je on nepoeljan, prije snimanja se otklanja pomou odgovarajue libele na fototeodolitu. Time se ujedno horizont snimke dovodi u paralelan poloaj s x' osi snimke.

Z' W' X' HL ' (HD')L

X'

W'

Z'Slika 22. Zakretaj snimke.

Nagib snimke je nagib osi snimanja prema horizontalnoj ravnini (Slika 23). Ako nije poeljan, uklanja se prije snimanja pomou odgovarajue libele na fototeodolitu. Time se ujedno i glavna toka dovodi u horizont snimke.

Slika 23. Nagib snimke.

Azimutalni zakretaj snimke je kut to ga u horizontalnoj ravnini zatvara okomica na bazu snimanja (Slika 24). Ako nije poeljan u svrhu postizanja konvergentnih snimki, uklanja se prije snimanja pomou orijentacijskog ureaja fototeodolita.

L

D

OL

b

OD

Slika 24. Azimutalni zakretaj snimke.

19 2.2.4. Odreivanje elemenata snimke

Elemente unutarnje orijentacije u pravilu odreuje proizvoa kamere. On odreuje ravninu snimke pomou slikovnog okvira, definira glavnu toku snimke pomou rubnih markica i daje numeriku vrijednost za konstantu kamere (na stotinku mm). Meutim elementi unutarnje orijentacije mogu se odrediti i kalibracijom kamere uz uporabu odreenog broja prostorno poznatih toaka (test polja). Elemente vanjske orijentacije odreuje korisnik jednim od ovih postupaka: raunskim, grafikim, optikim, posrednim optiko-raunskim, geodetskim odreivanjem elemenata pri snimanju i registriranjem elemenata pomou posebnih sprava, odnosno relativnom i apsolutnom orijentacijom.2.3. Terestrika fotogrametrija

Terestriko fotogrametrijsko snimanje tla primjenjuje se za manja podruja, koja su po svojoj konfiguraciji i po nezaraslosti prikladna za takav nain snimanja, kao to su kanjoni rijeka, strme padine, i povrinski rudokopi (Kraus 1993). Kod takvih povrina aerosnimanje ne dolazi u obzir, ili iz perspektivnih razloga, ili zbog financijskih razloga, budui da je stanoviti dio trokova neovisan o veliini snimanog podruja. Aerosnimanje ima veliku perspektivnu prednost pred terestrikim snimanjem zbog mrtvih kutova, koji nastaju uslijed objekata, uzvisina i vegetacije. Prema tome terestriko snimanje pretpostavlja takvo zemljite gdje nema puno zaklanjanja i gdje se mogu nai povoljna snimalita, s kojih se prua dobar uvid u teren. U geodeziji se najvie primjenjuje za snimanje strmih stjenovitih predjela, kanjona, kada je potrebno izraditi precizne planove krupnog mjerila u svrhu projektiranja pregradnih brana ili izgradnje mostova. Terestrika se fotogrametrija primjenjuje i na podruju inenjerske geodezije, za ispitivanje deformacija. Osim u geodeziji terestrika fotogrametrija veliku je primjenu nala na polju snimanja i izrade nacrta raznih graditeljskih objekata, zgrada, mostova, spomenika kulture kao to je sluaj u ovom diplomskom radu (Slika 25) itd.

Slika 25. Crkva Roenja blaene djevice Marije u mjestu Buni.

20 2.3.1. Oprema za terestriko fotogrametrijsko snimanje

U opremu za terestriko fotogrametrijsko snimanje ubraja se fotografska mjerna kamera i orijentacijski ureaj, pribor koji ide uz kameru te geodetski instrumentarij i pribor za potrebna geodetska mjerenja. U novije vrijeme koriste se i ne mjerne kamere kojima se kalibracijom odreuju elementi unutarnje orijentacije i na taj nain snimljene snimke mogu koristiti kao mjerne snimke. Takav je i sluaj i u ovom diplomskom radu. Koritena je digitalna kamera Fuji FinePix S2Pro. Kamera ima funkciju da registrira stanje objekta koji se snima. Poto se ovako dobivena snimka koristi kao osnova za izmjeru, potrebno je odrediti elemente unutarnje orijentacije. Uz postupak fotografiranja takoer je potrebno ureajem za orijentaciju odrediti elemente vanjske orijentacije, kako bi se rekonstruirani zrakovni snop na instrumentu orijentirao u odnosu na referentni sustav. Kombinacija kamere i orijentacionog ureaja naziva se fototeodolit. 2.3.2. Terestrike mjerne kamere

Terestrike mjerne kamere se u pravilu koriste za snimanje sa snimalita na zemlji. Elementi vanjske orijentacije se odreuju orijentacijskim ureajem kamere. Ukoliko se prilikom snimanja ne koristi fototeodolit rabi se metodologija slino kao kod izmjere aerosnimki, neophodni elementi vanjske orijentacije odreuju se posredno relativnom i apsolutnom orijentacijom ili se raunaju u postupku izjednaenja bloka zrakovnih snopova (engl. bundle block adjustment). Kada se snimani objekt nalazi na udaljenostima kraim od hiperfokalne udaljenosti kaemo da se radi o blizupredmetnoj fotogrametriji (engl. close range photogrammetry). Najvanije primjene blizupredmetne fotogrametrije su (Ciceli 2004):

Arhitektura i graditeljstvo (izmjera starih i novih graevina, fotodokumentiranje objekata i oteenja na njima, premjeravanje interijera itd.). Konzervacija spomenike batine (fotografsko dokumentiranje kulturnog nasljea, iz kojeg se moe bilo kada rekonstruirati objekt za potrebe restauracije). Arheologija (dokumentiranje i premjeravanje iskopina). Biofotogrametrija (mjerenje ivih bia). Sudska fotogrametrija (dokumentiranje i rekonstrukcija detalja prometnih nesrea ili krvnih delikata). Industrijska fotogrametrija (automobilski dizajn, kontrola proizvodnje, razna testiranja itd.).

Kako bi mogli odrediti elemente vanjske orijentacije, provjeriti veliinu snimki i odrediti koordinate orijentacijskih toaka, prilikom snimanja treba zadovoljiti slijedee uvjete (Kraus 1993):

Da kamera koristi isti pribor za prisilno centriranje kao i teodolit koji se koristi. Da se horizontalno zakree, pri emu se zakretanje moe registrirati na horizontalnom limbu ili pak postoji i mogunost zakretanja za konstantne

21 kutove zakretanja. Za viziranje toaka izvan horizontalne ravnine potrebno je moi nagibati vizuru u vertikalnom smislu.

Da se vertikalno moe nagibati, ili kontinuirano sa oitavanjem na vertikalnom limbu, ili diskontinuirano sa konstantnim razmacima, po mogunosti sa takvim intervalima da se unutarnji prostori mogu snimiti bez praznina. Da se moe okrenuti oko osi snimanja, ukoliko se recimo eli dobiti visoki ili iroki format ili ako treba da se optimalno iskoristi asimetrian raspored snimaka. Da je opremljena trailom, mutnim staklom ili oznakama kuta zahvaanja kamere na njezinim vanjskim stranama.

Za odreivanje elemenata unutarnje orijentacije pri dnevnom i nonom snimanju na svakom snimku moraju biti preslikane:

Rubne markice. Konstanta kamere. Korekcija za konstantu kamere u sluaju promjene konstante kamere. Broj kamere za identifikaciju ispravnog protokola o kalibraciji.

Osim toga, na fototeodolite se takoer odnose svi opi uvjeti koji se postavljaju i geodetskim terenskim instrumentima kao to je pogodnost za transportiranje, postojanost na vremenske neprilike itd. 2.3.3. Ne mjerne kamere

Ne mjerne kamere su kvalitetne profesionalne kamere koje nisu namijenjene za fotogrametrijske svrhe. Koritenje ne mjernih kamera u fotogrametrijske svrhe ima svoje prednosti i mane. Prednosti:

Sveopa dostupnost. iroki asortiman izmjenjivih objektiva sa razliitim arinim udaljenostima. Gotovo sve imaju ureaj za automatsko premotavanje, to omoguava bre fotografiranje. Lagane, manjih dimenzija i praktine za svakodnevno snimanje. Velika koliina snimljenog materijala. Cijena je znatno manja nego za mjerne kamere.

Mane:

Objektivi manje moi razluivanja. Relativno velika distorzija objektiva. Potrebno je odrediti unutarnju orijentaciju. Nepostojanost unutarnje orijentacije.

22

Nedostatak rubnih markica. Odsutnost orijentacijskih ureaja onemoguava odreivanje elemenata vanjske orijentacije.

Meunarodno Udruenje za Fotogrametriju i Daljinska Istraivanja dalo je rezultate o brojnim redukcijama podataka te na taj nain pribliila ne-mjerne fotografije mjernima. Ove redukcije bazirane su na matematikim modelima kombiniranima u veini sluajeva s kalibracijom i razvojnim fazama. Koritenjem ovih tehnika mogue je smanjiti ili potpuno eliminirati efekte uzrokovane manama ne-mjernih kamera.2.4. Digitalna fotogrametrija

Dvije injenice razlikuju digitalnu fotogrametriju od svih ostalih faza razvoja fotogrametrije. Prva, koja dolazi od samog naziva digitalna, a oituje se u injenici da izvor podataka, snimka, ne nastaje fotografskim putem, ve fotoelektrinim efektom u digitalnom formatu. Druga razlika je ta da je razvoj tehnologija doveo do situacije da fotogrametrija prestaje biti rezervirana samo za odabrane visokospecijalizirane kadrove. Preduvjeti koji su doveli do toga su (Ciceli 2004):

Pojava monih i jeftinih osobnih raunala koja bez veih napora obrauju velike koliine rasterskih i drugih podataka (do tada su takvi podaci obraivani velikim raunalima na fakultetima, institutima, velikim kompanijama i sl.). Pojava jeftinih programerskih paketa za fotogrametriju kao npr. PhotoModeler (www.photomodeler.com) tvrtke EOS Systems, Kanada, Archimedes3D (www.archimedes3D.com) tvrtke FPK Ingenieurgesellschaft mbH iz Berlina ili pak METIGO programskog paketa (www.fokus-gmbh-leipzig.de) tvrtke FOKUS gmbh iz Leipziga. Jeftine ali kvalitetne amaterske digitalne kamere i do deseterostruko jeftinije od profesionalnih fotogrametrijskih digitalnih kamera.

Primjena digitalne tehnologije u fotogrametriji moe se razvrstati u tri osnovne grupe (Albertzz, Wiedemann 1996):

Prva, i najjednostavnija za postignuti, je poboljanje kvalitete slike (npr. podeavanje kontrasta, tehnike filtriranja) sa ciljem da operator za digitalnom stanicom ima bolju sliku, pa se moe rei da se dobro poznati procesi za obradu digitalnih slika primjenjuju u fotogrametriji. Druga zadaa se svodi na oslobaanje operatera od zamornog i monotonog posla prepoznavanja slinih i identinih uzoraka na parovima snimki. Trea, najzahtjevnija zadaa svodi se na automatsko prepoznavanje i interpretaciju digitalnih snimki. Ova je zadaa jo uvijek u fazi istraivanja.

23

3. Dobivanje digitalne snimkeAko je potrebno postii jednaku tonost kao u analitikoj fotogrametriji, tada kvaliteta digitalne slike mora odgovarati kvaliteti analogne slike. Kako je za kvalitetu digitalne slike primarna veliina slikovnog elementa isti mora odgovarati razluivosti analogne slike koja iznosi u prosjeku 70 parova linija /mm. Navedenoj moi razluivanja odgovara veliina slikovnog elementa od 7 m. Ako tonost nije primarna potreba, nego se cilja na neku od drugih prednosti digitalne fotogrametrije, zadovoljavaju i slikovni elementi znatno vee veliine. Ako je vrijeme izmeu snimanja i konanih rezultata ekstremno kratko, digitalna fotogrametrija je nuna. Ova tzv. fotogrametrija u realnom vremenu, sa velikom koliinom piksela, ogromnim koliinom podataka i intenzivnom obradom istih, je danas itekako mogua. Zavisno o poslu koji se treba obaviti, mogua su dva naina dobivanja digitalne snimke.3.1. Digitalna kamera

Prikupljanje slikovnih informacija o objektu interesa predstavlja osnovni proces u fotogrametriji. Slikovna informacija je kroz povijest nastajala na razliite naine. U analognoj fotogrametriji koriste se staklene ploe i filmovi. Informacije nastale klasinim postupkom fotografiranja, zbog osjetljivosti samog filma ili ploe nalaze se u valnom podruju vidljivog i infracrvenog podruja. Nedostaci takvih nosioca su: vremenski odmak od trenutka ekspozicije do trenutka kada je gotova fotografija, podlonost utjecaju vremena (deformacije kao posljedice atmosferskih utjecaja), nepraktinost (potreba za skladitenjem snimljenih materijala) i dr. Pojava digitalnih kamera na tritu koje svojim osobinama mogu zamijeniti postojeu analognu tehnologiju znaila je veliku promjenu za fotogrametriju. Potreba za fotolaboratorijima se uvoenjem digitalne kamere smanjuje, ili je gotovo i nema. Arhiviranje i prikladno odravanje filmova i osjetljivih staklenih ploa danas postaje dio povijesti. Jedan cijeli dio fotogrametrijskog tijeka izvedbe zadatka nestaje. Snimci se direktno unose u raunalo, te tede vrijeme potrebno za klasinu laboratorijsku fotoobradu, to znai da nema potrebe za filmovima i kemikalijama koritenim u procesu izrade i razvijanje negativa, pozitiva i kontaktnih kopija. S druge strane, mnogi proizvoai su prekinuli proizvodnju specijaliziranih materijala tako da je danas na tritu teko ili nemogue nabaviti odreene materijale. Medij za pohranu digitalnih snimki u samim kamerama je puno manjeg formata nego klasian 35 mm film. Na tritu su dostupne kartice sa preko 2 GB podataka. Tako npr. jedna snimka napravljena sa Fuji FinePix S2Pro digitalnom kamerom u TIFF formatu rezolucije 4256 x 2848 (12 MP) zauzima cca 36 MB, te na karticu od 2 GB stane cca 56 snimki. Nakon prebacivanja podataka na raunalo, te trajnog pohranjivanja na odgovarajue medije (CD ili DVD) snimci zauzimaju (u usporedbi sa klasinim filmom ili staklenim ploama) manje mjesta te manipuliranje istim postaje olakano (Ciceli 2004). Digitalne kamere rade jako slino puno poznatijim 35 mm kamerama. Obje imaju objektiv, blendu i zatvara. Objektiv prenosi svijetlo sa objekta koji snimamo u unutranjost kamere gdje se registrira na senzoru. Blenda je u stvari otvor koji

24 moemo regulirati da bude vei ili manji. Pomou nje odreujemo koliinu svijetla koja dopire do senzora. Zatvara je mehanizam koji otvara i zatvara ulaz svijetlu u kameru i time odreuje duinu osvjetljavanja senzora. Ono u emu se razlikuju klasina i digitalna kamera je nain stvaranja snimaka. Kod digitalne kamere se umjesto filma koristi elektroniki senzor (CCD). Na povrini tih senzora se nalazi na milijune malih fotoosjetljivih dioda koje zovemo pixel. Krajnja slika se sastoji iz milijuna takvih tokica koje spojene u cjelinu daju sliku snimanog objekta. U trenutku kada se pritisne na polugu okidaa digitalne kamere, sistem za mjerenje svijetla izmjeri koliinu svijetla koje prolazi kroz objektiv i podeava otvor blende i brzinu zatvaranja na vrijednosti koje e rezultirati ispravno eksponiranim snimkom. Kada se zatvara otvori i propusti svijetlo na senzor svaki pixel registrira koliinu svijetla koja je pala na njega i pretvara ga u elektrini naboj. Vie svijetla na pixelu daje i vei naboj dok sjene daju pixele sa manjim nabojem. Kada se zatvara zatvori i svijetlo vie ne dolazi na senzor, naboj koji je zabiljeen na pixelima kamera pretvara u digitalni oblik broj. Ti brojevi se poslije koriste kako bi se rekonstruirao sadraj svakog pixela na senzoru, to na kraju daje sliku snimljenog objekta. Obzirom da je svijetlo sastavljeno od crvene, zelene i plave boje postavljanjem crvenog, zelenog i plavog filtra iznad pojedinih pixela, senzor e proizvesti kolor sliku ba kao i Maxwell 1860 godine. U najpopularnijoj Bayer-ovoj matrici, koja se koristi u veini senzora, ima dvostruko vie zelenih filtra nego crvenih i plavih. Razlog tome je vea osjetljivost ljudskog oka na zelenu boju. Postavljanjem filtara, svaki pixel mjeri samo koliinu svijetla koja prolazi kroz njegov filtar i odgovara boji filtra iznad njega. Npr. pixel sa crvenim filtrom moe mjeriti samo intenzitet crvene boje koja prolazi kroz njega. Da bi izraunali koje je stvarne boje svaki pixel koristimo se procesom zvanim interpolacija. On koristi boje susjednih pixela kako bi izraunao stvarnu boju pixela. Kombiniranjem dviju susjednih boja i one koja je izmjerena na pixelu, dobiva se stvarna boja tog pixela. Npr. crveni pixel ima oko sebe plavi i zeleni pixel istog intenziteta - program za interpolaciju izraunava da je taj pixel u stvari bijele boje. To je zahtjevan procesorski posao jer treba komparirati svih osam okolnih pixela. Svaki puta kada se napravi snimak, kamera mora napraviti milijune kalkulacija u samo nekoliko trenutaka. Ovim se kalkulacijama slika pregledava prije nego se snimi, snima se na senzor, komprimira, filtrira, sprema, prebacuje i konano prikazuje na ekranu. Te sve kalkulacije izvodi jedan mikroprocesor koji je jako slian procesoru u uredskim kompjuterima. Prema tome digitalna kamera je u svojim glavnim dijelovima gotovo identina analognoj kameri. Jedina prava razlika je u senzoru, koji po svojoj izvedbi moe biti engl. Charge Coupled Device (CCD) ili engl. Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS), te pohranjivanje snimke na magnetske medije razliitih memorijskih kapaciteta. U fotogrametrijskoj primjeni digitalne kamere dijelimo na mjerne i ne-mjerne. Da bi se ne-mjerna kamera mogla koristiti u mjerne svrhe, potrebno je izvriti kalibraciju kamere.

253.2. Digitaliziranje fotogrametrijskih snimaka

Ako zadatak zahtijeva visoku preciznost a komponenta realnog vremena nije vana, digitalna fotogrametrija moe takoer zapoeti sa normalnim fotogrametrijskim snimkama. Proces digitalizacije slijedi nakon razvijanja snimaka. Da se osigura da ne doe do gubitka informacija sa snimki, interval digitalizacije mora biti prilagoen rezoluciji snimke. Rezolucija R u klasinoj fotografiji se iskazuje u parovima linijama po milimetru (lp/mm ili l/mm). Tada imamo prema teoriji skeniranja interval digitaliziranja D [mm] < 1 / ( 2 R ) U praksi se uzima vrijednost 0,7 za brojnik, tj. D [mm] < 0,7 / ( 2 R ) Interval za digitalizaciju se ne smije zamijeniti sa veliinom elementa senzora. U idealnom procesu, vrijednosti intervala digitaliziranja i veliine elementa senzora se jednake. Samo tada postiemo idealne uvijete kao na slici (Slika 26). Kod nekih skanera vrijednost intervala digitaliziranja je puno manja od veliine elementa senzora pa dolazi do preklapanja piksela tj. do razmazivanja informacija sa snimaka. U takvim sluajevima rezultati se mogu u velikoj mjeri popraviti filtriranjem. Visoka rezolucija i toan poloaj svakog pojedinog slikovnog elementa potreban za precizne fotogrametrijske zadae postiu se samo na preciznim fotogrametrijskim skanerima. Postoje tri razliita principa dizajna, tj. Raspodjele detektora ili svjetlosno osjetljivih senzora:

Jedan senzor, koji skenira u linijama obino rotirajui uzdu snimke Red senzora, koji skenira u trakama preko snimka. Kvadratna matrica senzora, koji skeniraju snimku dio po dio. Ti dijelovi se spajaju numeriki tako da kompletiraju snimku.

Koliina podataka dobivenih skeniranjem snimki velikih formata je vrlo velika. Npr. za standardni format aero snimke, 23cm x 23 cm, i veliinu piksela od 7,5 m x 7,5 m, datoteka je oko 940 MB podataka tj. (230000/7,5)2.

26

4. Digitalna fotogrametrijska snimkaDigitalna slika je dvodimenzionalna matrica G iji se elementi gij nazivaju slikovni elementi, pikseli (engl. pixel, izvedenica od picture element). Budui da svaki element predstavlja odreenu povrinu, nazivamo ih slikovnim elementima ili pikselima, a ne slikovnim tokama. Dimenzije takovih piksela su i . Pikseli gij su nosioci informacije. Vrijednost piksela ovisi o tipu registrirajueg instrumenta i o koritenom raunalu. Najrasprostranjenije podruje koritenih tonskih vrijednosti je od 0 do 255, to uvelike nadmauje mogunosti razlikovanja tonskih vrijednosti za ljudsko oko. Informacija prikazana pomou 256 razliitih vrijednosti Moe biti pohranjena u osam bitova (28 kombinacija), a grupa od osam bitova se koristi kao jedna jedinica, bajt. Za crno-bijele slike, vrijednost piksela predstavlja sivu vrijednost (uobiajeno se uzima vrijednost 0 za crnu i 255 za bijelu boju). Za slike u boji postoje tri slikovne matrice iste veliine, tj. govorimo o bloku sa tri nivoa, a svaki prikazuje tonske vrijednosti od 0 do 255 u jednoj od boja, ovisno o sustavu prikaza. Najei je sustav prikaza RGB, kod kojeg jedna matrica prikazuje tonske vrijednosti crvene boje, druga zelene, a trea plave, no koriste se i drugi sustavi, npr. IHS sustav kod kojeg se takoer koriste tri slikovne matrice od kojih jedna prikazuje ukupnu svjetlou (engl. Intensity), druga ton boje (engl. Hue), odnosno dominantnu valnu duljinu, a trea razliite udjele zasienja (engl. Saturation). Multispektralne slike sa vie od tri nivoa igraju vanu ulogu u daljinskim istraivanjima. Za upotrebu digitalne snimke u fotogrametrijske svrhe, potrebna je relacija izmeu pozicije piksela i -koordinatnog sustava. Uobiajeno je da slikovni koordinatni sustav ima ishodite na udaljenosti od pola piksela od gornjeg lijevog ugla digitalne slike zvan slikovna matrica i rotiran je za 90 stupnjeva u odnosu na standardni slikovni koordinatni sustav analognih snimaka. (Slika 26)0

1 g ij i

0

PP

I 1 j J

Slika 26. Definicija digitalne fotogrametrijske snimke (Kraus 1992).

27 Ako pomnoimo indekse piksela gij, i sa i j sa , dobit emo slikovne koordinate i centra toga piksela. Tradicionalno je mjerenje slikovnih koordinata dakle zamijenjeno u digitalnoj fotogrametriji sa identifikacijom piksela. Fotogrametrijska restitucija takoer oito zahtijeva poznavanje unutarnje orijentacije, tj. poziciju glavne toke (PP) u -koordinatnom sustavu. Ako su pikseli prikladno mali, dovoljno je poznavanje koji piksel sadri glavnu toku. To nas vodi do zakljuka da glavnu toku moemo izraziti preko indeksa i i j preko kojih se moe doi do vrijednosti slikovnih koordinata i . Slikovna daljina takoer se da izraziti u jedinicama (=) (Kraus 1992).

28

5. Kalibracija kamereGeometriju snopa zraka koji prolazi kroz sustave lea u kamerama se definira postupkom kalibracije. Kao rezultat se dobivaju elementi unutarnje orijentacije, neophodni za daljnje fotogrametrijske postupke. Ono to razlikuje mjerne i amaterske kamere je injenica da su kod mjernih kamera poznati elementi unutarnje orijentacije a kod amaterskih iste trebamo odrediti. U tu svrhu je potrebno i za njih definirati parametre unutarnje orijentacije, tj. kameru je potrebno kalibrirati (Ciceli 2004).5.1. Kalibracija na radnom zadatku (engl. On-the-job calibration)

Ovakav oblik kalibracije podrazumijeva kalibraciju u toku radnog zadatka. Predstavlja oblik aerotriangulacije metodom zrakovnog snopa sa raunanjem dodatnih parametara kojima se odreuju i podaci o distorziji objektiva, konstanta kamere, poloaj glavne toke i sl. Potrebna je jedna "potpuna" toka (X,Y,Z) za svaka dva nepoznata parametra koja se odreuju putem kalibracije. Pogodan je nain kalibriranja za amaterske kamere zbog injenice da se dobivena rjeenja unutarnje orijentacije nalaze u istom sustavu kao i elementi vanjske orijentacije, te se samim time izbjegava efekt nestabilnosti elemenata unutarnje orijentacije. Kod ovakvih kalibracija, u idealnom sluaju, objekt snimanja je okruen poljem kontrolnih toaka, ije su prostorne koordinate poznate. S obzirom na meusobni odnos objekta i test-polja mogua su tri pristupa:

Test polje se postavlja na mjesto snimanja tako da okruuje objekt snimanja. objekt snimanja (ako je dovoljno malen) se postavlja u podruje ili mjesto gdje se nalazi test polje. koristimo postojee orijentacijske toke, te ih dodatno proguujemo za potrebe kalibracije.

Za kalibraciju se obino koristi vie snimki uz uvjet da su snimke napravljene sa razliitih snimalita i u razliitim smjerovima. Tijekom snimanja ne smiju se mijenjati pojedini elementi unutarnje orijentacije, npr. konstanta kamere, te se ne smije mijenjati relativan odnos objekta prema test polju (Ciceli 2004).5.2. Izjednaenje metodom zrakovnog snopa

Osnovna geometrijska jedinica u fotogrametriji openito je zraka svjetlosti (pravac) koja povezuje toku objekta, projekcijsko sredite i preslikanu toku na snimci. Prema tome svaka pojedinana snimka moe se predstaviti snopom zraka svjetlosti ili zrakovnim snopom s vrhom u projekcijskom sreditu kojem nije poznat prostorni poloaj (koordinate) niti orijentacija snopa u prostoru. U postupku izjednaenja metodom zrakovnih snopova povezuju se pojedinani snopovi (snimke) u cjelinu, putem zajednikih, veznih toaka, te se ujedno odreuje prostorni poloaj svakog snopa (snimke) u odnosu na referentni sustav na osnovi odreenog broja prostorno poznatih toaka. Direktno se rauna veza izmeu slikovnih i zemljinih koordinata, bez uvoenja modelnih koordinata kao

29 meukoraka. Snopovi svih pripadajuih snimaka se izjednauju zajedno. tako da se zrake svjetlosti sijeku, a mjesto presjeka predstavlja poloaj vezne ili osnovne zadane toke bloka toke u prostoru. Svaka pojedina toka odreena je presjekom zraka svih snimaka na kojima je dotina toka preslikana. Proces je iterativan, no zahtijeva pribline polazne veliine (Fiedler, 2003). Brojna proirenja osnovnog modela izjednaenja znaajno poveavaju tonost i njenu upotrebljivost. Uvoenjem samokalibracije mogue je dodatno korigirati eventualne sistematske pogreke unutarnje orijentacije i na taj nain znaajno poveati openitu tonost izjednaenja. Slikovni koordinatni sustav odreen je preslikanim rubnim markicama sa slikovnog okvira kamere na svaku snimku (analogna fotogrametrija) ili dimenzijom snimka u pikselima (digitalna fotogrametrija). Ulazne veliine u izjednaenju, koje se bazira na metodi najmanjih kvadrata, su izmjerene slikovne koordinate svih veznih i kontrolnih toaka, te priblini elementi kamere, a osnovna jedinica je snimka. Numerikim modelom potrebno je odrediti meusobne odnose snimaka i objekta snimanja. Nepoznanice koje treba odrediti su koordinate svih veznih i kontrolnih toaka, elementi vanjske orijentacije svake pojedinane snimke, te elementi unutarnje orijentacije ukoliko koristimo metodu samokalibracije. Procesom kalibracije kamere odreuju se konstanta kamere, poloaj glavne toke, te parametri distorzije objektiva (tangencijalna i radijalna komponenta). Za sva raunanja u analitikim rjeenjima kao ishodite slikovnog koordinatnog sustava se uzima poloaj kalibrirane glavne toke (engl. principal point of best, symmetry, PPC). Tokom kalibracije odreuje se i poloaj glavne toke autokolimacijom objektiva, te je na taj nain odreeno ishodite slikovnog koordinatnog sustava (engl. principal point of autocolimation, PPA) (Ciceli 2004).(X 0 0',Z 0 ',Y ') O (X ,Y ,Z ) C P'( , ) FC0 0

Z' Z

Z0 ' Y' Y

P Z'

(X',Y',Z') (X,Y,Z)

Y0 ' X0 ' X' X

Slika 27. Prikaz odnosa snimke i referentnog koordinatnog sustava. (Kraus 1997)

305.3. Samokalibracija kamere engI. Self -calibration

Samokalibracija predstavlja postupak kalibracije kamere koji se izvodi na osnovu podataka snimanja objekta s kontrolnim tokama. Tipino je za snimke dobivene ne-mjernim kamerama da je projekcijski centar pomaknut od teorijskog poloaja zbog distorzija lee. Ti utjecaji se mogu uzeti u obzir kod izjednaenja metodom zrakovnog snopa tako da uvedemo dodatne parametre koji sadravaju izraze za radijalnu i decentrirajuu ili asimetrinu distorziju. Ova tehnika se ne koristi samo kod ne-mjernih kamera, nego sve vie kod snimaka dobivenih mjernim kamerama. Dodatni parametri omoguavaju monu metodu za kompenzaciju sistematskih pogreaka. Nije vano da li su te sistematske pogreke rezultat lea ili deformacije filma ili su rezultat anomalija u refrakciji (Kraus 1992). Za kalibraciju na radnom zadatku moemo rei da predstavlja poseban oblik samokalibracije koja se odvija u okviru samog zadatka.

31

6. OrtofotografijaPrimjena digitalne kamere se posebno dobro moe uporabiti u blizupredmetnoj fotogrametriji a posebno prilikom radova na podruju prikupljanja podataka za potrebe rekonstrukcija i restauracija objekata na podruju zatite graditeljskog nasljea. Osim klasinih vektorskih prikaza uporaba digitalnih snimki omoguava i izradu rasterskih izlaznih produkata, kao to je digitalni ortofoto ili jednostavnija foto-karta6.1. Redresiranje digitalnih snimki

Redresiranje, kao neophodan postupak prevoenja snimka iz kose ili priblino vertikalne, u perspektivu strogo vertikalne snimke ima za cilj dobivanje popravljene poloajne predodbe u traenom mjerilu. Tim nainom uklanjaju se deformacije snimke uzrokovane neparalelnou ravnine snimke s ravninom objekta snimanja (Braum 1969). Prednost uporabe digitalnih snimki je ta da se snimci direktno unose u raunalo, te se mogu koristiti uporabom odgovarajuih CAD alata (npr. Bentley Microstation i Autodesk AutoCAD, odnosno njihovih modula za obradu rastera). Odabirom odgovarajue transformacije u ravnini (projektivna, polinomna,...) otklanjaju se deformacije mjerila karakteristine za neparalelnost ravnine snimke i ravnine objekta snimanja. Ovakav tip uporabe digitalnih snimki preporuljiv je za ravninske objekte ili dijelove objekata. Rezultat redresiranja predstavlja fotoplan pogodnog mjerila. Naroito je pogodno kod jednostavnih objekata kada dominiraju ravne plohe. Redresiranje moe biti vrlo jednostavno, na osnovu minimalno etiri poznatih toaka na objektu. Jedna od primjena navedenih metoda je sigurno kod izrade dokumentacije za potrebe zatite spomenike batine, takoer kod restauracije umjetnikih djela, prvenstveno likovnih. Tada imamo idealnu situaciju, jer se radi samo o jednoj slikovnoj ravnini (Ciceli 2004).6.2. Digitalni ortofoto

Digitalni ortofoto plan est produkt u aerofotogrametriji, svoje mjesto pronalazi sve ee i u terestrikoj fotogrametriji. Po definiciji predstavlja ispravljenu snimku iz centralne projekcije u ortogonalnu projekciju (Kraus 1993) (Slika 28).

Slika 28. Primjer razlika u prikazu, lijevo originalna snimka, desno ortofotografija (Wiedemann i dr. 1999)

32r2 Objekt y r1 P1 P2 y1 y2 r

Projekcijski centar ck Ravnina slike r'1 r'2

Slika 29. Odstupanja nastala kao posljedica centralne projekcije i razlike u visini.

Radijalno odstupanje r toaka P1 i P2, zavisi od konstante kamere ck i razlici y izmeu udaljenosti objekata y1 i y2 (Slika 29) te je moemo pisati sljedeom formulom:r = r '2 y ck

Ukoliko je maksimalna udaljenost U ravnini slike r'max te imamo unaprijed definirano maksimalno radijalno odstupanje rmax, tada maksimalna udaljenost izmeu objekata je:y max = ck rmax r ' max

U tablici su navedena maksimalna dozvoljena radijalna odstupanja u kutovima ortofoto plana za razliite tipove objektiva (Tabela 1). Mjerilo ortofota1 : 50 1 : 100 1 : 250

Mjerilo snimanja1 : 200 1 : 400 1 : 400 1 : 800 1 : 1000 1 : 2000

f = 4,5 cm3 5 5 10 13 25

f = 10 cm6 11 11 23 28 57

f = 20 cm12 cm 24 cm 24 cm 48 cm 59 cm 119 cm

Tabela 1. Dozvoljena odstupanja od referentne ravnine preslikavanja uz prihvatljivo odstupanje od 1 mm u mjerilu u kutovima ortofota za format 50 x 50 cm (Kraus 1993)

33

Slika 30. Tipian tijek izvedbe ortofota (Hemmleb, Wiedemann 1997).

Za otkloniti tako nastale deformacije koristimo digitalne modele terena (Slika 30). Kada govorimo o terestrikoj fotogrametriji koristimo i izraz digitalni model zgrada. Oni nastaju (u kontekstu terestrike fotogrametrije) klasinom stereo restitucijom ili laserskim skeniranjem. Ono to digitalnu kameru ini pogodnom za priliku je injenica da je snimka izvorno u digitalnom obliku. Do sada su takovi proizvodi dobivani skeniranjem (uporabom fotogrametrijskih skenera) analognih nosioca (film ili ploa) koji su bili koriteni za produkciju digitalnog ortofota (Ciceli 2004).

34

7. Praktini dio7.1. Priprema podataka

7.1.1.

Terenski rad

Prostorne koordinate kontrolnih i detaljnih toaka odreene su tahimetrijski. U svrhu geodetske osnove razvijen je lokalni poligonski vlak od 10 toaka (Slika 31) Sa tih toaka su mjerene kontrolne i detaljne toke na objektu. Geodetska mjerenja izvrena su uporabom totalne stanice TCR 705 (Leica) koja ima mogunost laserskog mjerenja duljina bez potrebe za prizmom. Pojavom takvih totalnih stanica odreivanje kontrolnih toaka je znatno unaprijeeno u smislu efikasnosti i pouzdanosti. Posebno korisnim se pokazalo na nepristupanim detaljnim tokama kod kojih vie nema potrebe da se odreuju presjekom pravaca tj. nije potrebno da su vidljive sa dva stajalita ime se smanjuje broj poligonskih toaka u vlaku. Tonost izmjere koritenog instrumenta iznosi, uz pretpostavku da je dobro rektificiran, za horizontalne i vertikalne kutove 5'' a za duljine mjerene laserskim daljinomjerom 3mm+2ppm/3s (+1s/10m preko 30m). Raunanje koordinata toaka izvreno je pomou programa Excel (Microsoft).

Slika 31. Poloajna skica.

Fotogrametrijsko snimanje obavljeno je fotogrametrijskim mjernim kamerama UMK 10/1318 (Zeiss) i MK70 (Hasselblad) te digitalnom kamerom Fuji FinePix S2PRO (Slika 32). Digitalna kamera Fuji FinePix S2PRO predstavlja zrcalno refleksnu kameru japanskog proizvoaa kamera i dodatne opreme za fotografiju FUJIFILM. Napravljena je na osnovi Nikon N80 (F80) tijela, te prihvaa objektive Nikon F serije. Spada u profesionalne fotografske kamere. Senzor ugraen u kameru spada u CCD senzore punog formata. Predstavlja originalni FUJI proizvod tree generacije, SuperCCD senzor. Koristi Bayer uzorak za dobivanje boja. Nije klasinog pravokutnog oblika, nego osmerokutnog, to za posljedicu ima potrebu konverzije u pravokutni oblik. Kako bi se maksimalno iskoristio format senzora omjer interpolacije nije 1:1 nego cca 1:1,4. Posljedica toga je ta da je broj registriranih piksela vei nego broj aktivnih senzora. Maksimalna rezolucija koju

35 kamera moe isporuiti je 12,1 milijuna piksela (12,1 MP). Veliina foto osjetljivog elementa, piksela, kod ovog modela je cca 7,6 m x 7,6 m. Zbog specifinog osmerokutnog oblika nije mogue tono odrediti njegove dimenzije. Dimenzije CCD senzora su 23,0 x 15,5 mm. Koritena rezolucija je 4256 x 2848 (12,1 MP)

Slika 32. Digitalna kamera Fuji FinePix S2PRO s objektivom SIGMA DG RF 20 mm. (Ciceli 2004)

Na kameri se nalazi irokokutni objektiv Sigma DG RF 20 mm F1.8 (Tabela 2). To je irokokutni objektiv fiksne arine duljine proizvoaa fotoopreme Sigma. Bazira se na asferinm leama u prednjem, kao i stranjem dijelu, kako bi se smanjile pogreke kao to su distorzija, sferina aberacija i astigmatizam. Lee posjeduju ne vinjetirajuu konstrukciju poeljnu kod objektiva namijenjenih digitalnim kamerama (Ciceli 2004).SIGMA 20mm F1,8 Aspherical DG DF RF Konstrukcija lea: Broj grupa Broj elemenata Kut gledanja: Dijagonala Minimalan otvor blende: F Minimalna udaljenost: cm Poveanje: x Dimenzije: mm x mm Teina: g 11 13 94,5 22 20 1:4 88,5 x 87 520

Tabela 2. Tehnike karakteristike objektiva SIGMA F1,8 (www.sigma-photo.com).

Sama restitucija objekta napravljena je iz analognih snimki u Zavodu za fotogrametriju Geodetskog fakulteta. Restitucija je izvrena na analitikom stereoinstrumentu AVIOLYT (BC 3) (Leica). Ti su podaci preuzeti kao polazni za izradu 3D modela.

36 7.1.2. Izrada 3D modela upotrebom programa AutoCAD 2005.

Iako programski paket ORPHEUS omoguava kreiranje 3D modela radi jednostavnosti i pristupanosti CAD programa to je uinjeno u programu AutoCAD 2005 (Autodesk) AutoCAD je softverski proizvod firme Autodesk. Spada u grupu CAD programa (engl. Computer Aided Design = dizajniranje pomou raunala), koji danas predstavljaju vrlo jake alate u procesu razvoja konstrukcije. AutoCAD je prvenstveno namijenjen za crtanje tehnikih crtea, ali ga je mogue koristiti i za 3D modeliranje. U svrhu olakanja rada mogue je izvriti prilagodbe AutoCAD-a dodavanjem gotovih modula (za arhitekte, konstruktore, geodete) ili pisanjem vlastitih programa u AutoLISP-u ili C-u. Osnovni i najei oblik 3D modela je ploni model (engl. Surface). Plohe slue za stvaranje 3D modela koji nemaju karakteristike mase, teita i sl. Plohe lako moemo uiniti neprozirnima, i na taj nain olakati vizualizaciju 3D modela. Pogodne su za vizualizaciju i stoga to svakoj plohi moemo dodijeliti razliiti materijal i teksturu u kasnijem postupku vizualizacije u samom AutoCAD-u ili u nekom drugom programu za vizualizaciju. Njihova glavna karakteristika je, da se sastoje od manjih podobjekata, lica (engl. Face). Te podobjekte moemo najlake predoiti, kao prostorno rasporeene trokute, koji se takoer sastoje od manjih podobjekata, a to su vrhovi trokuta (engl. vertices = mnoina od vertex) i bridovi koji spajaju vrhove (engl. edges) (Slika 33). Lice nastaje tako da izmeu tri spomenuta brida razapnemo plohu, te tako dobijemo glavnu karakteristiku svih 3D objekata, a to je neprovidnost. Ta neprovidnost nam omoguava da stvaramo kompleksnije objekte, dodavanjem i spajanjem lica u jednu veu cjelinu.

edge face vertexSlika 33. Podobjekti plonih (engl. surface) 3D objekata.

Fotogrametrijski dio obrade digitalnih snimaka i dodavanje tekstura izvren je u programu ORPHEUS.7.2. ORPHEUS

ORPHEUS (ORIENT - Photogrammetric Engineering Utilities System). ORPHEUS je razvijen na Institutu za fotogrametriju i daljinska istraivanja Sveuilita u Beu. U osnovi, prua grafiko korisniko suelje za fotogrametrijski sustav ORIENT (specijalizirani alat za hibridna fotogrametrijska izjednaenja). Koristi se za interaktivno mjerenje toaka i linija na digitalnim snimkama u svrhu odreivanja unutarnje i vanjske orijentacije. Posebno je razvijen za potrebe

37 aerotriangulacije, izrade digitalnog ortofotoa, terestrike fototriangulacije sa samokalibracijom, te generiranje 3D teksturiranih modela objekata. Mogunosti ORPHEUS-a (ORPHEUS User Manual 2002): Unos podataka:

Unos podataka iz ASCII dokumenata (naroito unos kontrolnih toaka). Unos slika u TIFF formatu. Definiranje zamiljenih opaanja. Unos Podataka o kalibraciji kamere. Fotografijama, modelima, kontrolnim tokama, zamiljenim opaanjima. Simultani prikaz neogranienog broja digitalnih snimki proizvoljnih veliina. Brzi prikaz zbog slikovnih piramida. Simultani prikaz mjerenih toaka, linija i lica objekata. Prozor za poveanje mogu je za svaku digitalnu snimku. Bilinearni razmjetaj za prikaz uveanih dijelova snimaka. Poboljanje lokalnih dijelova snimke. Statistika snimaka: analiza boja, raunanje histograma (RGB, IHS). Poboljanje kontrasta: normalizacija i izjednaavanje histograma. Razni filtri. Poboljanja mogu biti primijenjena lokalno u prozoru za uveanje. Korekcija pada intenziteta prema rubovima snimaka. Interaktivno mjerenje toaka i linija na digitalnim snimkama. Interaktivno odreivanje zamiljenih mjerenja. Mjerenje na proizvoljnom broju snimaka koji se mogu istovremeno prikazivati. Interaktivno definiranje lica za modeliranje objekata graninim prikazom. Pridavanje lica digitalnim snimkama. Eksportiranje modela objekta u VRML formatu sa ili bez tekstura. Pridruivanje teksture sadrava korekciju deformacije. Interaktivno odreivanje

Upravljanje opaanjima: Grafiki prikaz:

Obrada digitalnih snimaka:

Interaktivno mjerenje:

Stvaranje 3D modela:

Odreivanje priblinih izraunavanja:

38

Automatsko odreivanje: Parametri vanjske orijentacije mogu se odrediti iz najmanje etiri kontrolne toke presjekom natrag ORPHEUS nudi grafiko suelje za veinu ORIENT-ovih mogunosti izjednaavanja Jednostavni 3D-DXF i VRML eksport Suelje za eksport orijentacijskih parametara u DOF

Izjednaenje:

Eksportiranje podataka:

Ortofoto:

ORPHEUS zahtjeva Windows Operativni sistem i grafiku rezoluciju od minimalno 1024x768 piksela (preporuena 1280x1024 ili vea). Preporua se 256 boja ili vie za snimke u sivoj skali i 55536 boja ili vie za RGB snimke.7.3. Rad u ORPHEUS-u

7.3.1.

Inicijalizacija sustava i unos podataka

Nakon pokretanja ORPHEUS-a, potrebno je inicijalizirati projekt, tj. definirati mu ime, korisnika i radni direktorij (Slika 34). Nakon inicijalizacije postaju nam dostupne funkcije za rad u ORPHEUS-u (Slika 35).

Slika 34. Suelje za inicijalizaciju.

Slika 35. Suelje sa funkcijama.

Na poetku se unose polazni podaci kao to su to parametri kamere i koordinate kontrolnih toaka za orijentaciju snimaka. Ti se podaci unose pomou ASCII dokumenata. Podaci o kameri definirani su nizom kljunih rijei i odgovarajuim alfanumerikim vrijednostima. Kljune rijei sastoje se od tri slova i nalaze se na poetku linije.

39 Numeriki ili tekstualni parametri smjetaju se u slijedeoj liniji i odvajaju razmaknicom. Definiranje podataka o kameri obavezno zapoinje sa kljunom rijei ID# i zavrava sa END.

ID# predstavlja parametar.

broj

koritene

kamere.

Sadri

brojani

cjelobrojni

IOR oznaava slikovne koordinate glavne toke (x0,y0) i konstantu kamere f ADP predstavlja parametre distorzije objektiva. COM predstavlja komentar koji smije sadravati do 80 znakova po liniji. DMY predstavlja datum kalibracije kamere u obliku ddmmyy. ddmmyy je cjelobrojna vrijednost FID predstavlja koordinate mjernih markica PPS predstavlja slikovne koordinate toke najbolje simetrije (x0,y0) END oznaava kraj definiranja kamere

Obavezne kljune rijei za definiciju kamere su ID#, IOR i END. Sve druge kljune rijei koristimo u sluaju da imamo dostupne podatke koje one predstavljaju.ID# 999022 IOR 2136.659 -1450.597 3790.275 ADP -1 1 0 1000 1 0.3375 2 0.0732 3 -6.9062 4 0.4417 COM Fuji FinePix s2 PRO END

Primjer dokumenta sa podacima o kameri.

ASCII dokument sa podacima o kontrolnim tokama mora u svojoj listi koordinata sadravati tzv. glavu i rep. U glavi je specificiran identifikator skupa podataka (room) u kojoj se nalazi popis koordinata i upisuje se u poetnu liniju liste. Rep se oznaava sa -99 ukazujui na kraj liste. U listi toaka svaka toka mora sadravati est koordinata nnn x y z sx sy sz

nnn: identifikator toke ili sobe x, y, z,: modalne / objektne koordinate sx, sy, sz: standardna odstupanja od x, y, z koordinata.

408888 1 2 3 4 5 34 35 36 37 38 -99 0.000 0.000 120.2632367 120.447868 122.2270992 120.0878228 118.3901732 0.000 0.000 52.80073451 52.68856773 53.79765997 54.02808031 56.30518048 0.000 0.000 101.9287466 100.6078803 100.6357825 103.0090767 101.401596

0.008 0.015 0.015 0.015 0.008

0.008 0.015 0.015 0.015 0.008

0.008 0.015 0.015 0.015 0.008

114.1748116 106.6967495 116.320373 116.8406301 99.21454942 0 0

61.41229651 60.77714456 60.45816317 60.5511687 51.58330796 0 0

101.9000051 109.4288256 102.0303698 101.1175892 101.945118 0 0

0.008 0.015 0.008 0.015 0.015

0.008 0.015 0.008 0.015 0.015

0.008 0.015 0.008 0.015 0.015

Primjer dokumenta sa podacima o kontrolnim tokama.

Kod unosa digitalnih snimki potrebno je definirati tip snimke (aero ili terestrika), koritenu kameru, mjernu jedinicu (metrika ili pikseli), priblinu udaljenost snimanja i apriori pogreku grafikog definiranja toaka (u odabranim mjernim jedinicama) (Slika 36).

Slika 36. Suelje za unos slika.

41 Definiranjem da se radi o terestrikom snimku u biti smo odredili da se rotacijska matrica sastoji od kutova Alfa, Zeta i Kappa gdje su:

(Alfa) primarna rotacija, oko Zosi objektnog koordinatnog sustava (azimut snimka). (Zeta) sekundarna rotacija, oko (rotirane) Y-osi (zenitni kut). (Kappa) tercijarna rotacija, oko (rotirane) Z-osi (orijentacija kamere: horizontalna/vertikalna)

U svrhu ubrzavanja grafikog prikaza digitalnih snimki, preporua se koritenje slikovnih piramida. Slikovna piramida omoguuje prikaz digitalnog snimka u razliitim rezolucijama, tako da program za sluaj openitog pregleda projekta moe odabrati prikladnu rezoluciju za prikaz. Sve rezolucijske nivoe iz slikovne piramide ORPHEUS sprema u zasebne dokumente. Preporuka je za slike dobivene digitalnom kamerom, od oko 18 MB, tri ili etiri nivoa, dok je za skenirane aerosnimke, od oko 256 MB, potrebno pet ili est nivoa. 7.3.2. Unutarnja orijentacija

Nakon unosa kamere, slika i kontrolnih toaka, zapoinje se sa orijentacijom snimaka. Ukoliko se radi o skeniranim snimcima snimljenim fotogrametrijskim mjernim kamerama to se radi mjerenjem rubnih markica. Kod snimaka dobivenih digitalnim kamerama (kao u sluaju ovog rada) to nije potrebno jer je poznat poloaj glavne toke snimke i slikovna udaljenost. Unutarnja orijentacija je dakle odmah poznata za restituciju. 7.3.3. Vanjska orijentacija

Poslije izvrene unutarnje orijentacije, zapoinje se sa mjerenjem orijentacijskih i detaljnih toaka na snimkama (Slika 37). Parametri vanjske orijentacije odreuju se izjednaenjem zrakovnih snopova po teoriji najmanjih kvadrata koritenjem programskog paketa ORIENT. Za izjednaenje su potrebne pribline vrijednosti orijentacijskih parametara zbog linearizacije. ORPHEUS sam presjekom natrag rauna pribline prostorne koordinate projekcijskih sredita i kutove rotacije snimke (engl. Approximations) (Slika 38).

42

Slika 37. Suelje za odreivanje slikovnih koordinata.

Slika 38 Pribline vrijednosti vanjske orijentacije.

43 Kad ORPHEUS izrauna pribline poloaje projekcijskih sredita, korisno je pokrenuti suelje referentnog sustava (engl. Reference System) u kojemu vidimo prikazani raspored kontrolnih toaka i projekcijskih sredita u objektnom koordinatnom sustavu. Taj nam je prikaz koristan za kontrolu, da vidimo dali su sredita i toke smjeteni otprilike kao i na terenu (Slika 39).

Slika 39. Raspored toaka i projekcijskih sredita.

Nakon rauna priblinih vrijednosti zapoinje se sa izjednaenjem (engl. Adjustment) (Slika 40). Korisnik je na suelju slobodan izabrati koje podatke eli koristiti za izjednaenje i koje nepoznanice eli izraunati. Preporua se izjednaenje u etiri koraka: 1. Samo odreivanje translacije. 2. odreivanje translacije i rotacije. 3. odreivanje translacije, rotacije i mjerila/arine duljine. 4. odreivanje svih parametara, ukljuujui parametara distorzije.

44

Slika 40. Suelje za izjednaavanje.

Parametri koji ulaze u izjednaenje (engleski nazivi iz suelja za izjednaavanje, Slika 40):

OBJ: Objektne koordinate svih mjerenih toaka. ERP: Objektne koordinate projekcijskih sredita. ROT: Kutovi rotacije, treba napomenuti da se ne moe izjednaavati jedan kut ve moraju biti sva tri kuta rotacije u izjednaenju. SCA: Skale. IOR: Elementi unutarnje orijentacije (koordinate glavne toke i fokalna duina). ADP: Dodatni parametri (parametri distorzije objektiva). all: Iskljuuje ili ukljuuje kuice u svim redovima i stupcima ROB: Odreivanje grubih pogreaka.

Parametri koji kontroliraju tok izjednaavanja.

Iterations: Maksimalni broj iteracija koji e se obaviti u izjednaenju. Show Stat: Ovaj parametar kontrolira izlazne veliine kod detaljne statistike izjednaenja, samo odstupanja vea od zadanog u polju Show Stat e biti prikazana. s0_apr: Srednja pogreka zadana prije izjednaenja.

45

Max. Singul.: Maksimalni dozvoljeni broj nepoznanica koje se ne mogu odrediti. Ako je prekoraen, izjednaenje se prekida. Omit:: Slui za preskakanje mjerenja sa velikim pogrekama kod izjednaenja. Qxx: Raunanje ocjene standardnog odstupanja nepoznanica. Qvv: Rauna normalizirane ostatke nakon izjednaenja. Halfweight: Halfweight je vrijednost koja se koristi u ORIENT-u. Predstavlja srednju vrijednost odstupanja. Tijekom odreivanja grube pogreke, preporua se da vrijednost halfweight bude izmeu dva najvea normalizirana odstupanja prikazana u tekst prozoru The Worst Discrepancies. Prije poetka izjednaenja preporua se da zadana vrijednost bude velika cca. 10000 Mark Observations: Oznaena opaanja s grubim pogrekama. Markwidth: Ovo polje bit e otvoreno samo ako je polje Mark Observations ukljueno. Predstavlja izolirane toke funkcije teine sa grubim pogrekama. Negativne vrijednosti u polju Markwidth znae da je markwidth identian sa halfweight. Pozitivne vrijednosti ne smiju biti manje od vrijednosti halfweight.

Izjednaenje zapoinjemo pritiskom na ikonu Adjust, rezultate izjednaenja dobijemo pritiskom na ikonu Details, a pritiskom na ikonu Protocol omogueno nam je snimanje rezultata u file. Ako je izjednaenje provedeno uspjeno, popunit e se polja koja prikazuju statistike parametre izjednaenja:

PLL: Suma kvadrata pogreaka prije izjednaenja. PVV: Suma kvadrata pogreaka poslije izjednaenja. Observations: Broj opaanja koji ulazi u izjednaenje. Unknowns: Broj nepoznanica odreenih izjednaenjem. Redundancy: Razlika izmeu opaanih veliina i nepoznanica. Sigma0: Referentna srednja pogreka nakon izjednaenja. Marked: Broj opaanja sa grubim pogrekama. Ta opaanja nisu ulazila u izjednaenje. Singularities: nepoznanice koje se ne mogu odrediti, ako je njihov broj vei od parametra u polju Max. Singul., izjednaenje propada.

U prozoru The Worst a priori Normalized Discrepancies prikazano je deset najveih apriori odstupanja. Prozor Histogram of a priori normalized discrepancies prikazuje histogram apriori normaliziranih odstupanja. Izgled histograma ovisi o sadraju polja Halfweight. Histogram je izraunat za deset klasa normaliziranog odstupanja, i irina razreda biti e Halfweight/5. U sluaju da naiemo na nepoznanice koje ne moemo odrediti kod izjednaenja, one nam se izlistaju u prozoru List of Singular Unknowns.

46 7.3.4. Unos 3D modela iz dxf datoteke.

ORPHEUS omoguava unos objektnih toaka, linija i ploha iz dxf dokumenta. Pri tome je potrebno definirati izvornu datoteku i poetni ID broj za numeraciju toaka. Ako je ukljuena opcija Projection to Images, sve toke pronaene u dxf dokumentu e biti projicirane na sve snimke unutar kojih se nalaze. Ako je ukljuena opcija Create Solid kreira se 3D model objekta prikazom njegovih graninih elemenata.

Slika 41 Unos objektnih elemenata iz DXF dokumenta

7.3.5.

Dodavanje tekstura 3D modelu

Budui da je geometrija tj. ploni model uitan iz AutoCAD-a preostalo se samo dodati teksture plohama. Za pridodavanje teksture potrebno je otvoriti snimku koja sadri teksturu za odabranu plohu i u prozoru za kreiranje 3D modela objekta odabrati nain selektiranja ploha (select face). Na snimci se odabere ploha te se u polje Photo ID unese broj odabranog snimka (Slika 42)

Slika 42. Suelje za kreiranje 3D modela.

Plohe 3D modela su poloene u sve otvorene prozore ureivaa snimaka u polutransparentnom nainu (Slika 43).

47

Slika 43. Ureiva snimke za vrijeme kreiranja 3D modela.

Boje lica imaju slijedea znaenja:

Crvena: Trenutno lice u fotografiji koja je njegov izvor teksture. Cijan (mrkomodra): Trenutno lice u fotografijama koje nisu njegov izvor teksture. Purpurna: Bilo koje lice u fotografiji koja je njegov izvor teksture, izuzev trenutnog lica (prikazanog crveno, vidi iznad). Zelena: Bilo koje lice u fotografijama koje nisu njegov izvor, izuzev trenutnog lica (prikazanog cijanom)

Naredba Revert Shell slui za promjenu orijentacije 3D ploha (prednja stranja strana). Ovo je posebno vano u sluajevima kada je definicija lica uvezena iz DXF-a, zato to je orijentacija od 3DFACE entiteta nepredvidljiva, ali po orijentaciji graninih poligona lica, VRML preglednici odluuju koja strana lica je u objektu a koja je vani pa se moe desiti da se u VRML pregledniku plohe vide sa krive strane. Pridruivanje teksture na ovaj nain u prednosti je pred drugim metodama jer sadrava korekciju deformacije uzrokovanu centralnom projekcijom i pogreaka preslikavanja objektiva. 7.3.6. Eksport VRML datoteke

Nakon kreiranja 3D modela podaci se eksportiraju ili u dxf ili u VRML format. dxf format ne podrava eksport tekstura tako da je u sluaju kreiranja modela sa teksturama potrebno eksportirati u VRML format.

48 VRML je kratica za engl. "Virtual reality modeling language" (jezik za modeliranje virtualne stvarnosti). To je u biti jezik kojim se opisuju trodimenzionalni objekti za prikaz na mrei (world wide web-u). VRML je neovisan o platformi i u sutini je obina tekstualna datoteka (ASCII format) koja sadri opise objekata i operacija koje se izvode na njima. VRML datoteka se na odreenoj platformi i operativnom sustavu prikazuje pomou posebnog programa za prikazivanje (engl. browser). (http://vrml.zesoi.fer.hr/report/VRML.html) U VRML je mogue eksportirati ili toke (sa ili bez simbola) ili linije ili plohe, ali ne sve ove elemente odjednom. Ako se odabere eksport linija, dobit emo iani model objekta. Ako se odabere eksport ploha, eksportirat e se sve plohe, s time da e se dodirujue plohe koje se sijeku pod manjim kutom od kuta nabora (Crease Angle) spojiti u jednu plohu. Potrebno je definirati nain eksportiranja ploha:

Mono (bez tekstura, bijele boje). Colour (bez tekstura, boja ovisi o broju snimka sa kojeg bi trebala doi tekstura i broj snimke je ispisan na plohi ovaj mod je koristan za pronalazak greaka u geometrijskom modelu i za provjeru izvora tekstura). Teksture (projiciraju se teksture na plohe, plohe bez teksture biti e bijele boje). ORPHEUS napravi po jednu JPEG datoteku za svaki izvorni snimak. Za te JPEG datoteke potrebno je odrediti veliinu piksela u jedinicama objektnog koordinatnog sustava (Texel Size) i kvalitetu kompresije (Quality) koja moe biti izmeu 10 (loa kvaliteta, velika kompresija) i 100 (najbolja kvaliteta, mala kompresija). Veliina 0 oznaava standardnu kvalitetu po IJG (Independent JPEG Group) JPEG standardu, to odgovara relativno dobroj kvaliteti.

49

8. ZakljuakU dananje vrijeme su amaterske digitalne kamere postale toliko kvalitetne i pristupane da bi se u sluaju unitenja nekog spomenika kulture vjerojatno bez problema pronaao veliki izvor dovoljno kvalitetnih snimaka za restituciju objekta. Upotrebom raunalnih fotogrametrijskih programskih alata kao to je ORPHEUS mogu se te snimke iskoristiti za fotogrametrijsku izmjeru te se relativno brzo i jeftino dobiti zadovoljavajui rezultati. Na osnovu izloenih prednosti digitalnih tehnologija u fotogrametriji i napravljenog 3D modela moe se zakljuiti slijedee:

Kod fotogrametrijskog snimanja prednost digitalne kamere je ta to odmah na terenu moemo pregledati snimke i tako vidjeti da li nam je objekt dobro pokriven snimcima. Snimanje postaje bre i fleksibilnije jer se, pored normalnih stereoparova, moe obaviti "iz ruku" sa kompletno proizvoljnih pozicija. Nadalje, iz histograma vidimo da li su snimci zadovoljavajueg kontrasta i otrine to se kod analognih kamera moglo provjeriti tek nakon razvijanja snimaka. Upotrebom stvarnih tekstura umjesto klasinog kartiranja detalja postupak izrade postaje puno bri, jednostavniji i jeftiniji a objekt izgleda vjernije originalu tj. sadri veu razinu detalja. Prednost VRML dokumenta naprema klasinim ortogonalnim projekcijama je ta to se objekt nalazi u trodimenzionalnom prostoru i interaktivnim pomicanjem i rotiranjem po tom prostoru moemo se pribliiti nekom detalju sa raznih strana te ga bolje prouiti. Sam VRML je predvien za koritenje na Internetu te su na taj nain podaci dostupni veem broju korisnika.

Tipina situacija kod zatite nepokretnih dobra kulture je fotogrametrijska restitucija prije obnove, kad su objekti u najgorem stanju. Na taj nain se u biti potroi vie vremena i novaca da se dobiju kvalitetni podaci nego da se projekti planiraju dugorono unaprijed i da se objekti snime dok su u relativno ouvanom stanju.

50

LiteraturaCiceli, T. (2004): Primjena digitalne kamere u terestrikoj fotogrametriji, Magistarski rad, Geodetski fakultet Sveuilita u Zagrebu. Kager, H., Rottensteiner, F., Kerschner, M., Stadler, P. (2002): ORPHEUS 3.2.1 User Manual, Institute of Photogrammetry and Remote Sensing, Vienna University of Tecnology, Be, Austria Kasser, M., Egels, Y. (2002): Digital Photogrammetry, Taylor & Francis, London, Engleska. Kraus, K. (2000): Photogrammetry, Volume 1, Fundamentals and standard processes, Dmmlers Verlage, Bonn, Njemaka Kukolja, D., Mihajlovic, D., Nedeljkovic, I. (2004): Experiences and procedures on making technical documentation for the objects of historical and cultural heritage, Mapsoft Ltd & Faculty of Civil Engineering, University of Belgrade, Beograd, Srbija i Crna Gora. Leica Geosystems; Tehnika dokumentacija: LEICA TPS700 Performance Series, Leica, Heerbrugg, vicarska. Panian, . (2005): Informatiki enciklopedijski rjenik, Europapress holding d.o.o., Zagreb Tadin, T. (2003): Kalibracija digitalne kamere FinePix S2 PRO, Diplomski rad, Geodetski fakultet Sveuilita u Zagrebu. Uremovi, B. (2005): AutoCAD 2005 II 3D prostor, Prirunik za polaznike, Algebra, Zagreb

Popis slikaSlika 1. Vertikalne, priblino vertikalne, kose i horizontalne snimke. ................................................. 9 Slika 2. Pojedinana snimka objekta kojem sve toke lee u ravnini. ............................................... 9 Slika 3. Par snimki trodimenzionalnog modela. ............................................................................... 10 Slika 4. Centar projekcije.................................................................................................................. 10 Slika 5. Ulazna i izlazna pupila......................................................................................................... 10 Slika 6. Vanjski snop pri snimanju i projiciranju. .............................................................................. 11 Slika 7. Odnos projekcijskog centra, glavne toke snimke i konstante kamere............................... 11 Slika 8. Os snimanja......................................................................................................................... 12 Slika 9. Objektni kut.......................................................................................................................... 13 Slika 10. Horizont snimke................................................................................................................. 14 Slika 11. Horizont prolazi kroz glavnu toku. ................................................................................... 14 Slika 12. Azimut snimke je neodreen. ............................................................................................ 14 Slika 13. Fokalna toka. ................................................................................................................... 15 Slika 14. Nadirna toka snimke. ....................................................................................................... 15 Slika 15. Veza horizonta snimke i nedogleda. ................................................................................. 15 Slika 16. Veza horizonta snimke i nedogleda. ................................................................................. 16 Slika 17. Odnos konstante kamere "c" i udaljenosti toke od objektiva "d" projicirana u os snimanja . ................................................................................................................................................ 16 Slika 18. Mjerilo kod terestrikih snimki. .......................................................................................... 16 Slika 19. Mjerilo kod kosih snimki..................................................................................................... 16 Slika 20. Mjerilo kod vertikalnih snimki............................................................................................. 17 Slika 21. Baza snimanja. .................................................................................................................. 17 Slika 22. Zakretaj snimke. ................................................................................................................ 18 Slika 23. Nagib snimke..................................................................................................................... 18 Slika 24. Azimutalni zakretaj snimke................................................................................................ 18 Slika 25. Crkva Roenja blaene djevice Marije u mjestu Buni. ................................................... 19 Slika 26. Definicija digitalne fotogrametrijske snimke (Kraus 1992). ............................................... 26 Slika 27. Prikaz odnosa snimke i referentnog koordinatnog sustava. (Kraus 1997)........................ 29

52Slika 28. Primjer razlika u prikazu, lijevo originalna snimka, desno ortofotografija (Wiedemann i dr. 1999)........................................................................................................................................ 31 Slika 29. Odstupanja nastala kao posljedica centralne projekcije i razlike u visini. ......................... 32 Slika 30. Tipian tijek izvedbe ortofota (Hemmleb, Wiedemann 1997)............................................ 33 Slika 31. Poloajna skica.................................................................................................................. 34 Slika 32. Digitalna kamera Fuji FinePix S2PRO s objektivom SIGMA DG RF 20 mm. (Ciceli 2004) ................................................................................................................................................. 35 Slika 33. Podobjekti plonih (engl. surface) 3D objekata................................................................. 36 Slika 34. Suelje za inicijalizaciju. .................................................................................................... 38 Slika 35. Suelje sa funkcijama........................................................................................................ 38 Slika 36. Suelje za unos slika. ........................................................................................................ 40 Slika 37. Suelje za odreivanje slikovnih koordinata. .................................................................... 42 Slika 38 Pribline vrijednosti vanjske orijentacije. ............................................................................ 42 Slika 39. Raspored toaka i projekcijskih sredita. .......................................................................... 43 Slika 40. Suelje za izjednaavanje. ................................................................................................ 44 Slika 41 Unos objektnih elemenata iz DXF dokumenta ................................................................... 46 Slika 42. Suelje za kreiranje 3D modela......................................................................................... 46 Slika 43. Ureiva snimke za vrijeme kreiranja 3D modela. ............................................................ 47

Popis tabelaTabela 1. Dozvoljena odstupanja od referentne ravnine preslikavanja uz prihvatljivo odstupanje od 1 mm u mjerilu u kutovima ortofota za format 50 x 50 cm (Kraus 1993)................................. 32 Tabela 2. Tehnike karakteristike objektiva SIGMA F1,8 (www.sigma-photo.com). ....................... 35 Tabela 3. Sadraj priloenog medija................................................................................................ 55

53

PriloziPrilog 1. Primjeri vizualizacija

Primjer 1. Rezultat fotogrametrijskog kartiranja na analitikom stereoinstrumentu AVIOLYT BC3

Primjer 2. Fotorealistini 3D model sa koritenim stvarnim teksturama

54

Primjer 3. Originalan snimak

Primjer 4.Jednobojni model

Primjer 5. Model u boji

Primjer 6. Teksturirani model

55Prilog 2. Sadraj priloenog medija (CD-a)

Na priloenom mediju pohranjeni su podaci koriteni pri izradi diplomskog rada i svi postignuti rezultati. Logiki su organizirani prema smislu. RB. Mapa/ Datoteka 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Diplomski.pdf VRML\BDM.WRL VRML\*.jpg BDM \Photos Geometrija\geodezija Sadraj Tekst diplomskog rada VRML datoteka Crkve Blaene Djevice Marije u mjestu Buni Datoteke sa teksturama za BDM.WRL Datoteke projekta kreiranog u programskom paketu ORPHEUS-u Mapa sa digitalnim snimkama koritenima za teksture Rezultati geodetskih mjerenja (skice, raspored toaka, raunanja)

Geometrija\originali\*.dwg Rezultat fotogrametrijskog kartiranja na analitikom stereoinstrumentu AVIOLYT BC3 Geometrija\plohe\*.dwg Orpheus manual Datoteke sa 3D plonim modelom napravljene u AutoCAD-u Prijevod poglavlja kreiranje 3D modela iz Orpheus manual-a. Preglednik pdf dokumenata VRML preglednikTabela 3. Sadraj priloenog medija.

10. Adobe Acrobat 11. Cortona VRML

56

ivotopisEUROPEAN CURRICULUM VITAE FORMAT

OSOBNE OBAVIJESTIIme Adresa Telefon Faks E-pota Dravljanstvo Datum roenja

HRVOJE KLEPAC KOLAROVA 7, 10000 Zagreb, Hrvatska 098806969 [email protected] 21.07.1976.

RADNO ISKUSTVO Datum (od do) Naziv i sjedite tvrtke zaposlenja Vrsta posla ili podruje Zanimanje i poloaj koji obnaa Osnovne aktivnosti i odgovornosti 2004 Algebra, uilite, Zagreb, Maksimirska 58 a Predava Predava Voenje seminara AutoCAD I (crtanje u ravnini) i AutoCAD II (3D prostor)

KOLOVANJE I IZOBRAZBA Datum (od do) Naziv i vrsta obrazovne ustanove Osnovni predmet /zanimanje Naslov postignut obrazovanjem Stupanj nacionalne kvalifikacije (ako postoji) 1991 - 1995 Tehnika kola Ruera Bokovia Elektrotehnika Tehniar za radiokomunikacije SSS

Datum (od do) Naziv i vrsta obrazovne ustanove Osnovni predmet /zanimanje Naslov postignut obrazovanjem Stupanj nacionalne kvalifikacije (ako postoji)

1983 - 1991 Osnovna kola Frana Krste Frankopana

57

Steene radom/ivotom, karijerom, a koje nisu potkrijepljene potvrdama i diplomama.

OSOBNE VJETINE I SPOSOBNOSTI

MATERINSKI JEZIK DRUGI JEZICI sposobnost itanja sposobnost pisanja sposobnost usmenog izraavanja

HRVATSKI

ENGLESKI Izvrsno Izvrsno IzvrsnoRAD NA RAUNALU, INSTALACIJE, ODRAVANJE, PROGRAMI MICROSOFT OFFICE-A, AUTOCAD (POLOEN AutoCAD 2005 Product Support Exam),OCAD, GEOMEDIA, PROGRAMIRANJE U QBASIC-U, RPN-U

TEHNIKE VJETINE ISPOSOBNOSTIS raunalima, posebnim vrstama opreme, strojeva, itd.

VOZAKA DOZVOLA

B kategorija