مراحل اجرای فتوگرامتری
در این بخش، به معرفی مراحل کلی تصویرسنجی می‌پردازیم. این مراحل در تمام کاربردهای فتوگرامتری مشترک هستند. البته نحوه اجرا و تجهیزات مورد استفاده در آن‌ها می‌تواند متفاوت باشد.
مرحله اول تصویرسنجی: تصویربرداری
برای شروع فرآیند فتوگرامتری،، مجموعه‌ای از تصاویر (عکس یا فیلم) از سوژه مورد نظر تهیه می‌شود. این تصاویر باید با یکدیگر همپوشانی داشته باشند. حداقل وضوح مورد نیاز برای دستیابی به داده‌های قابل اطمینان، به عوامل متعددی بستگی دارد. به عنوان مثال، یک دوربین 8 مگاپیکسلی (مانند دوربین گوشی‌های هوشمند)، برای تهیه عکس‌های معمولی کفایت می‌کند. با این وجود، برای دستیابی به بهترین نتیجه، استفاده از دوربین‌های 18 مگاپیکسلی یا بالاتر پیشنهاد می‌شود.
هرچه زاویه دید دوربین بازتر بوده یا اصطلاحا لنز آن «واید» (Wide) باشد، نتیجه بهتری به دست می‌آید. تصاویر به دست آمده از دوربین‌های دارای لنز واید، از اعوجاج کمتری برخوردارند. از طرف دیگر، لنزهای چشم‌ماهی، برای به کارگیری در فتوگرامتری مناسب نیستند؛ مگر اینکه خروجی دوربین‌های مجهز به این لنزها، توسط نرم‌افزارهای مخصوص اصلاح شود.
تصویربرداری دایره‌ای به دور شی مورد نظر، بهترین خروجی را برای فتوگرامتری به همراه دارند. این نوع تصویربرداری، از سطح پایین با زاویه کمتر نسبت به سوژه شروع می‌شود و در ارتفاع بالاتر با زوایای بیشتر نسبت به سوژه ادامه می‌یابد. تصویر زیر، نمونه‌ای از یک سوژه فتوگرامتری و موقعیت‌های مناسب دوربین برای ثبت تصویر را نمایش می‌دهد.
بهتر است هر تصویر، حداقل 50 درصد با تصویر بعدی خود همپوشانی داشته باشید. البته همپوشانی ایده‌آل تصاویر برای کاربردهای فتوگرامتری، چیزی حدود 60 تا 80 درصد است. ثبت چند تصویر حاوی جزئیات سوژه نیز می‌تواند کار را تا حد زیادی بهبود بخشد. به منظور تصویربرداری توسط دوربین برای اجرای فتوگرامتری، نکات زیر را به خاطر داشته باشید:
- اگر شی یا محیط مورد نظر دارای سطح شفاف باشد، انعکاس نور به خوبی انجام نمی‌گیرید. در این شرایط، داده‌های به دست آمده برای فتوگرامتری مناسب نخواهند بود. بنابراین، سطح سوژه مورد نظر، باید مات باشد.
- برخی از نرم‌افزارهای فتوگرامتری، قادر به پردازش تصاویر ثبت شده از سطوح بی‌عارضه نیستند. از این‌رو، برای اشیا و زمین‌های مسطح، باید از نرم‌افزارهای مخصوص استفاده کرد.
- هرچه کنتراست بین رنگ سوژه مورد نظر و پس‌زمینه آن بیشتر باشد، نتیجه کار رضایت‌بخش‌تر خواهد بود.
- نورپردازی یکنواخت در تمام تصاویر، دستیابی به خروجی باکیفیت را به همراه دارد. از این‌رو، هوای ابری به دیگر شرایط آب و هوایی ترجیح داده می‌شود.
- برای یک سوژه کوچک، 40 تا 50 عکس کفایت می‌کند. هر چه ابعاد سوژه یا گستره محیط مورد نظر بیشتر شود، قطعا به عکس‌های بیشتری نیاز خواهد بود.
- سوژه و محدوده مورد نظر، باید بخش قابل‌توجهی از عکس‌ها را به خود اختصاص دهند.
- به هیچ وجه از سوژه‌های متحرک یا در حال تغییر تصویربرداری نشود.
- در هر تصویر از عمق میدان کم و فوکوس بر روی شی/محدوده استفاده شود.
- در فتوگرامتری زمینی، از تجهیزات مناسب برای کاهش لرزش دوربین و جلوگیری از تار شدن تصویر استفاده شود.
- هرچه سخت‌افزار کامپیوتر (مخصوصا رم و گرافیک) بالاتر باشد، الگوریتم فتوگرامتری با سرعت و دقت بیشتری اجرا می‌شود.
مرحله دوم تصویرسنجی: بارگذاری تصاویر
قدم دوم در فرآیند فتوگرامتری، بارگذاری تصاویر ثبت شده از شی یا محدوده مورد مطالعه در یک نرم‌افزار تخصصی است. در بخش بعدی، به معرفی این نرمافزارها خواهیم پرداخت.
برخی از نرم‌افزارهای فتوگرامتری، امکان انتخاب دوربین را فراهم می‌کنند. برخی دیگر نیز فقط با دوربین‌های مخصوص سازگاری دارند. این ویژگی، به منظور مقایسه تصاویر با دیتابیس نرم‌افزار و بهینه‌سازی نتایج بر اساس پارامترهایی نظیر فاصله کانونی، نقطه اصلی و فرمت سنسور تصویر مورد استفاده قرار می‌گیرد.
پس از واردن کردن تصاویر به درون نرم‌افزار، مناسب بودن آن‌ها برای فرآیند فتوگرامتری بررسی می‌شود. نرم‌افزار عکس‌های مناسب را با علامت سبز و عکس‌های نامناسب را با علامت قرمز مشخص می‌کند. در صورت نامناسب بودن شرایط تصویربرداری، احتمال رد شدن تعداد زیادی از عکس‌ها وجود دارد (مخصوصا اگر نور پس‌زمینه بسیار روشن باشد). در این حالت، می‌توان استفاده از نرم‌افزارهایی نظیر فتوشاپ، نور تصاویر را تعدیل کرد. البته این ترفند ممکن است برای تمام تصاویر جوابگو نباشد. به طور کلی، هرچه کنتراست بین المان‌های موجود در عکس‌ها بالاتر باشد، خروجی فتوگرامتری از کیفیت و دقت بالاتری برخوردار خواهد بود.
مرحله سوم تصویرسنجی: پردازش تصاویر و ساخت مدل سه بعدی
اغلب فرآیندهای محاسباتی فتوگرامتری به طور خودکار و توسط نرم‌افزارهای تخصصی انجام می‌گیرند. در این بخش، به معرفی برخی از قابلیت‌های مهم نرم‌افزارهای فتوگرامتری برای تبدیل عکس‌های دوبعدی به مدل‌های سه‌بعدی می‌پردازیم.
تناظریابی تصویر در فتوگرامتری
اغلب نرم‌افزارهای فتوگرامتری، مجموعه عکس‌های ورودی را به طور کاملا خودکار به مش‌های سه‌بعدی تبدیل می‌کنند. با این وجود، برخی دیگر از نرمافزارها، از کاربر می‌خواهند تا صحت داده‌های ورودی را مورد تایید قرار دهند. این کار طی فرآیند مجزایی به نام «تناظریابی تصویر» (Image Matching) صورت می‌گیرد. این قابلیت، امکان اعمال تغییر بر روی مجموعه تصاویر ورودی، پیش از شروع پردازش‌های کامپیوتری، فراهم می‌شود.
در تناظریابی تصویر، نرم‌افزار، تصاویر مناسب برای پردازش را تعیین کرده و نواحی همپوشانی در چندین تصویر را پیدا می‌کند. این فرآیند به کنار هم قرار دادن قطعات یک پازل سه‌بعدی شباهت دارد. نرم‌افزار به کمک تناظریابی تصویر، روش حل پازل (ساخت مدل سه‌بعدی از روی عکس‌های دوبعدی) را فرا می‌گیرد.
استخراج عوارض در فتوگرامتری
«استخراج عوارض» (Feature Extraction)، یکی از فرآیندهای اصلی فتوگرامتری است که به شناسایی عوارض شی یا محیط مورد نظر می‌پردازد. این فرآیند، به منظور تشخیص عارضه‌های مشابه در دو یا چند تصویر و مطابقت آن‌ها با یکدیگر مورد استفاده قرار می‌گیرد. برخی از نرم‌افزارهای فتوگرامتری، استخراج عوارض را به طور خودکار انجام می‌دهند. برخی دیگر از نرمافزارها نیز امکان اعمال تنظیمات دلخواه را پیش از شروع این فرآیند فراهم می‌کنند.
در این مرحله، نرم‌افزار، به دنبال عوارض منحصر به فردی می‌گردد که در چندین تصویر تکرار شده باشند. ابزارها و الگوریتم‌های مورد استفاده برای این کار، به قدری دقیق هستند که امکان شناسایی سطح‌های براق، شفاف و بدون عارضه را فراهم می‌کنند. یکی از پرکاربردترین الگوریتم‌های استخراج عوارض در فتوگرامتری، «ساختار به وسیله حرکت» (Structure from Motion) یا به اختصار «SFM» است. این الگوریتم، به منظور شناسایی بافت‌های متراکم سطوح مورد استفاده قرار می‌گیرد.
SFM، تشخیص المان‌های مهم نظیر نقاط گوشه و خطوط را انجام می‌دهد. برای تشخیص مشخصه‌های دقیق‌تر مانند نوع نورپردازی و سایه، تکنیک پیشرفته‌ای به نام «سایه‌زنی از روی شکل» (Shape from Shape) به کار برده می‌شود.
پس از شناسایی تمام عوارض، احتمال وجود خطا در آن‌ها مورد بررسی قرار می‌گیرد. به این فرآیند، «اعتبارسنجی هندسی» (Geometric Verification) می‌گویند. به منظور اطمینان از قرارگیری عوارض شناسایی شده در یک نقطه مشترک، SFM، یک معادله برای تشخیص نقاط معرف عوارض در تصاویر مختلف ایجاد می‌کند. این معادله، مجموعه‌ای از الگوریتم‌های پیچیده بر مبنای اصول هندسه تصویری است.
برخی از نرم‌افزارهای فتوگرامتری نظیر «COLMAP» به کاربر اجازه مشاهده فرآیند ایجاد عوارض سه‌بعدی را می‌دهند. در نرم‌افزار «Meshroom»، کاربر می‌تواند این فرآیند را در حین اجرا متوقف کند.
مثلث بندی در فتوگرامتری
در سال 1480 میلادی (سال 859 شمسی)، لئوناردو داوینچی روشی را برای تعیین موقعیت نقاش از روی نقاشی معرفی کرد. این روش با عنوان «مثلث‌بندی» (Triangulation) شناخته می‌شود. در این روش، نقاط معرف عوارض به صورت شبکه‌ای از مثلث‌های بهم‌پیوسته درمی‌آیند. به این ترتیب، با دانستن اندازه ضلع یکی از مثلث‌ها و زاویه همان مثلث، امکان تعیین موقعیت نقاط دیگر فراهم می‌شود. فرآیند پردازش تصویر در نرم‌افزارهای فتوگرامتری نیز به همین شکل است. موقعیت سه‌بعدی نقاط سطحی، بر اساس خروجی مراحل قبلی تخمین زده می‌شوند.
به منظور مثلث‌بندی، خط دید دوربین تا سوژه در هر عکس، توسط نرم‌افزار بازسازی می‌شود. تقاطع خطوط دید به دست آمده از عکس‌های مختلف، مختصات سه‌بعدی المان‌های موجود در تصاویر را مشخص می‌کند. پس از تعیین ساختار هندسی، نرم‌افزار فتوگرامتری برای عمق بخشیدن به مدل سه‌بعدی، بافت و نورپردازی المان‌ها را مورد تحلیل قرار می‌دهد. سپس، نتایج حاصل از فرآیندهای تعیین مختصات نقاط و ویژگی‌های عمقی آن‌ها با یکدیگر ترکیب می‌شوند. خروجی کار، یک مش سه‌بعدی با فرمت‌هایی نظیر OBJ ،FBX ،PLY و STL است.
مثلث‌بندی در نرم‌افزارهای فتوگرامتری به طور خودکار انجام می‌شود. با این وجود، کاربران می‌توانند دقت محاسبات را با تغییر تنظیمات افزایش دهند. برخی از نرمافزارها، حتی امکان مشخص کردن تعداد مثلث‌های موجود در مش سه‌بعدی را فراهم می‌کنند. این قابلیت، بر روی اندازه فایل خروجی و سهولت اجرای پردازش ثانویه مدل تاثیر می‌گذارد. زمان پردازش تصاویر، به تنظیمات نرم‌افزار بستگی دارد. بنابراین، توجه داشته باشید که تنظیم اشتباه پارامترها می‌تواند مدت زمان گرفتن خروجی را چند برابر کند.
برخی از نرم‌افزارهای حرفه‌ای فتوگرامتری، از الگوریتم‌های یادگیری ماشین برای شناسایی مفهومی المان‌های درون تصویر نظیر ساختمان‌ها، خودروها، انسان‌ها و غیره بهره می‌گیرند. این الگوریتم‌ها، امکان حذف اشیای متحرک نظیر پرندگان و عابران پیاده را فراهم می‌کنند. الگوریتم‌هایی نظیر «برازش منحنی زنجیری» (Catenary Curve Fitting) نیز برای شناسایی شکل‌های نازک نظیر اسکلت‌های فولادی، خطوط انتقال برق و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرند.
مرحله چهارم تصویرسنجی: پردازش ثانویه
پردازش تصاویر، محاسبات پیچیده‌ای دارد. با این وجود، کاربران با بارگذاری تصاویر و انتخاب گزینه‌های مورد نظر خود می‌توانند به یک خروجی سه‌بعدی دست پیدا کنند. دشوارترین مرحله در فرآیندهای فتوگرامتری، پردازش ثانویه یا پس‌پردازش است. مدل‌های سه‌بعدی حاصل از پردازش تصاویر، معمولا عیب و نقص‌های مختلفی دارند. بنابراین، کاربر باید این عیب و نقص‌ها را پیدا و رفع کند. در اغلب موارد، جهت‌گیری و مقیاس خروجی نیز تنظیم می‌شود.
برخی از نرم‌افزارهای فتوگرامتری، از ابزارهای پردازش ثانویه بهره می‌برند. پس از اتمام این مرحله، امکان گرفتن خروجی STL از مدل نهایی و گرفتن پرینت سه‌بعدی یا وارد کردن آن در نرم‌افزارهای دیگر نظیر اتوکد فراهم می‌شود.