Maa-57.301 Fotogrammetrian yleiskurssi

Luento 12: Kuvien oikaisu

AIHEITA

• Oikaisu
• Projektiivinen oikaisu
• Esimerkkejä projektiivisen oikaisun sovelluksista
• Ortokuvaus
• Analyyttinen ortokuvaus
• Ortokuva ja stereo-ortokuva

Oikaisu

• Kuvan oikaisulla muunnetaan kuvan geometriaa. Oikaisu tehdään kuvan alkuperäistä projektiota muuttaen (perspektiivinen oikaisu) tai sitä muuttamatta (projektiivinen oikaisu).
• Perspektiivinen oikaisu edellyttää kuvan ulkoisen ja sisäisen orientoinnin sekä kohteen pintamallin tuntemista. Kuva oikaistaan paloittain joko kartan projektioon tai mallin pinnalle. Sovellusesimerkkinä on ortokuvaus.
• Projektiivinen oikaisu tehdään kuvittain tasolta tasolle. Tasot voivat olla alkuperäisiä kuvatasoja tai näiden kanssa samankeskisiksi kuviteltuja kuvatasoja. Yleinen sovellusesimerkki on ilmakuvan oikaisu nadirikuvaksi.
• Horisonttikamera
• Projektiivinen oikaisu voidaan tehdä myös kuvaorientointeja tuntematta. Esimerkiksi samankeskiset kuvat oikaistaan toisiinsa ja liitetään yhdeksi laajakulmaiseksi mosaiikiksi. Jos kuvat ovat erikeskiset, ne oikaistaan toistensa suhteen normaaliasentoiseksi stereokuvapariksi. Tällöin keskinäinen orientointi sisältyy oikaisutehtävään.
• Oikaisua käytetään yleisesti ns. yksikuvakartoituksessa.  Kun kohteen 3-D pintamalli tunnetaan, kyse on yksityiskohtien kartoittamisesta tällä pinnalla (ortokartoitus, texture mapping).
• Kun yksittäin oikaistuja kuvia käytetään 3-D pintamallin mittaamiseen, kartoitus tehdään 2-D poikkileikkauksina. Poikkileikkaukset valaistaan esimerkiksi tasolaserilla ja kuvataan vinosti sivulta päin. Kuvat oikaistaan kohtisuoriksi ja kolmas koordinaatti eli leikkaustasojen keskinäinen sijainti saadaan kuvauksen ohjaustiedoista.
• Ks. myös: Maa-57.301 Fotogrammetrian yleiskurssi, luento 2. http://foto.hut.fi/opetus/301/luennot/2/2.html#Yksikuvamittaus

Projektiivinen oikaisu

• Kahden samakeskisen kuvatason välillä vallitsee ns. projektiivinen vastaavuus. Kuvat oikaistaan tasolta toiselle 2-D projektiivisella muunnoksella.
• Muunnoksen ratkaiseminen edellyttää vähintäin neljän vastinpisteen havaitsemista kummallakin tasolla. Mitkään näistä pisteistä eivät saa olla kolmittain samalla suoralla.

Esimerkkejä projektiivisen oikaisun sovelluksista

Julkisivumittaus. Esimerkki kuvan projektiivisesta oikaisusta kohteesta havaittuun tasoon, tässä tapauksessa julkisivun tasoon.  Pisteiden 105, 125, 305 ja 325 koordinaatit tunnetaan kohteella ja niiden kuvakoordinaatit havaitaan. Oikaisun jälkeen lasketaan pisteen 120 kohdekoordinaatit seinätasossa.

Kohdekoordinaatisto.

Havaitut kuvakoordinaatit ja tunnetut kohdekoordinaatit. Koska oikaisu tehdään seinätasoon, muunnoskertoimien laskemiseen käytetään vain X- ja Y-koordinaatteja.

Oikaisukaavat.

Havaintoyhtälöt.

 Havaintoyhtälöiden kertoimet.

Muunnoskertoimien ratkaisu ja uuden pisteen koordinaatit.

Oikaistu kuva.

Tasomaisen pinnan kartoitus. Tehtävänä on piirtää arkeologisen kaivauskohteen lattia ortogonaaliprojektiossa. Kohde on kuvattu ja siihen on merkitty ja mitattu sinisinä pisteinä näkyvä 2-D ruudukko. Kuvat oikaistaan ruudukon koordinaatistoon.

Oikaisun tulos. Kuva on lattian osalta projektiivisesti oikaistu ja voidaan piirtää. Kartan geometria on likimääräinen, koska lattia oletetaan tasomaiseksi. Mikäli lattian topografia  mitattaisiin, se tehtäisiin stereokartoituksena. Kuopan reunojen osalta "kartta" ei pidä lainkaan paikkaansa.

Samakeskisen kuvasekvenssin mosaikointi sulkeutuvaksi horisonttikuvaksi. Kuvat sisältyvät kuvasekvenssiin, joka on kuvattu videokameralla siten, että kameraa on kierretty jalustalla horisontin suuntaan 360 astetta. Kuvat liitetään toisiinsa oikaisemalla. Oikaisun muuttujat ratkaistaan kuvien yhteiseltä peittoalueelta tehdyillä havainnoilla. (Petteri Pöntinen, 1997).

Samakeskiset kuvat oikaistaan ensin yhteiselle kuvatasolle. Tässä oikaisutasona on keskimmäinen kuva. Oikaisu voidaan tehdä neljän pisteen menetelmän sijaan myös kuvien orientointitiedoilla.

Koska täyttä 360 asteen kuvasekvenssiä ei voi oikaista yhdelle tasolle, kuva projisioidaan lieriöpinnalle. Lieriö valitaan siten, että sen akseli kulkee kameran kuvanottopisteen kautta.

Sulkeutuva kuvasekvenssi. Kuva muodostaa horisontin suunnassa sulkeutuvan yhtenäisen kuvan. Alkuperäisen kuvan xy-koordinaatisto on samalla muunnettu vaaka- ja pystykulmiksi. (Petteri Pöntinen, 1997).

Ortokuvaus

• Ortokuvaus on valokuvan perspektiivin muuntamista keskusprojektiosta ortogonaaliprojektioon. Vaikka ortokuvat useimmiten mielletään oikaistuiksi ilmakuvakartoiksi, oikaistuja kuvia tuotetaan myös muista, yleensä tasomaisista pinnoista, esimerkkinä rakennusten julkisivut. Ortokuvan etuna karttaan verrattuna on sen tulkitsemattomuus ja alkuperäinen yksityiskohtaisuus.
• Ortokuvaus tehdään oikaisemalla joko ortoprojektorilla suoraan analogisilta kuvilta, siis filminegatiivilta, tai laskemalla digitoidulta kuvalta. Ortoprojektorien käyttö on syrjäytymässä digitaalisen oikaisun myötä.
• Muunnos tehdään mahdollisimman pienin kuva-alkioin (differentiaalioikaisu). Alkiot ovat ortokuvalla  karttakoordinaatistossa ja ovat joko neliöitä (= pikseleitä) tai erittäin kapeita suorakaiteita (= ortoprojektorin kaistaleita), jotka sijaitsevat tasavälein kummankin koordinaatin suunnassa.
• Alkioiden geometrinen vastaavuus lasketaan kartalta kohteen pinnalle ja siitä edelleen ilmakuvalle. Ortokuvan pisteiden karttakoordinaatteja vastaavat kuvan pikseleiden keskipisteet tai ortoprojektorin kaistaleiden päätepisteet.
• Digitoinnin pistekokona käytetään yleisesti 0.010 - 0.015 mm, mikä vastaa ilmakuvan erotuskykyä. Ortokuvan pistekoko riippuu sen mittakaavasta ja on yleensä joko 10 cm, 20 cm, 50 tai 1 m.
• Ortokuvaus edellyttää ilmakuvan ulkoisen orientoinnin ja maaston korkeusuhteiden eli korkeusmallin tuntemista.
• Ulkoinen orientointi ratkaistaan useimmiten kolmioimalla, koska silloin kuvat liittyvät ortokuvamosaiikissa hyvin toisiinsa.
• Korkeusmallina käytetään joko alueelta aiemmin mitattua korkeusmallia tai se tuotetaan samasta kuvauksesta stereokartoituksena.

Ilmakuva ja ortokuva.

Digitaalisen ortokuvan näytteenotto. Ortokuva tuotetaan pisteittäin karttaprojektioon XY ja kunkin pisteen sävyarvot kerätään ilmakuvalta. Koska ilmakuva esittää maastoa keskusprojektiossa, pisteen korkeus Z on ensin laskettava maastomallilta. Tämän jälkeen lasketaan pisteen kuvakoordinaatit xy kuvan orientointitietojen mukaan.

Ilmakuva digitoidaan kuvakoordinaatistossa eivätkä digitointipisteet sellaisenaan vastaa ortokuvan pisteitä. Ortokuvan sävyarvoksi voidaan ottaa lähimmän pikselin sävyarvo, mutta yleensä se lasketaan interpoloimalla useammista lähipisteistä. Bilineaarisessa interpoloinnissa sävyarvo lasketaan neljän pisteen naapurustosta. Menetelmä hieman pehmentää kuvaa. Muitakin interpolointimenetelmiä on olemassa.

Analyyttinen ortokuvaus

• Optinen oikaisu tehdään ortoprojektorilla, jossa kuva vedostetaan negatiivilta valottamalla.
• Analyyttisessä ortokuvauksessa ilmakuva projisioidaan ortokuvaksi samankokoisina, kapeina ja yhdensuuntaisina suorakaiteina eli kaistaleina.
• Kaistaleiden päätepisteiden kohdekoordinaatit X ja Y määritetään tuloskuvan kaistalekoon mukaan tasavälein, Z interpoloidaan maastomallilta.
• Koska kukin kaistale oikaistaan erikseen, on sen päätepisteiden sijainti alkuperäisellä kuvalla laskettava, samoin kaistaleen projisionnin suurennussuhde ja maanpinnan kaltevuudesta aiheutuva tarve kiertää kaistaletta tuloskuvan suhteen.
• Ohjaustiedot lasketaan kaistaleen päätepisteiden kohdekoordinaateista, kun kuvan ulkoinen ja sisäinen orientointi tunnetaan.

Ortokuva ja stereo-ortokuva

• Ortokuva on yhdensuuntaisprojektio ilmakuvasta, ja stereo-ortokuva edellisen stereopuolisko. Tämä tehdään kuvaparin toisesta kuvasta siirtämällä kaikkia kuvapisteitä kannan suuntaisesti korkeuseroa vastaavan parallaksin verran. Kuvia voidaan käyttää yksityiskohtien kolmiulotteiseen tulkintaan ja kartoittamiseen ortokuvalta ilman stereokojetta, ja lopputulos on silti karttakoordinaatistossa.
• Stereo-ortokuva voidaan tehdä kuvaparista myös maaston topografiaa lisäämättä. Tällöin maanpinta näkyy tasona, mutta oikaisemattomat yksityiskohdat (puut, rakennukset, jne.) näkyvät kolmiulotteisina. Näin valmistettua ortokuvaparia voidaan käyttää myös korkeusmallin virheiden havaitsemiseen, koska ne paljastuvat maanpinnan epätasomaisuuksina.
• Mikäli stereo-ortokuvaparin valmistamiseen käytetään vain yhtä kuvaa, kolmiulotteinen stereovaikutelma on luonnoton, koska puut ja rakennukset eivät erotu maanpinnasta.