(P. Rönnholm / H.
Haggrén, 14.9.2005)
Luento 2: Kuvakoordinaattien mittaus
Mitä pitäisi oppia?
- Muunnokset informaatiokanavassa (osin kertausta)
- Erotella kuvaan ja kohteeseen liittyvät pisteet,
termistö
- Eri menetelmät kuvakoordianaattien mittaamiseksi
AIHEITA
Muodon mittaaminen etäisyyshavainnoin
- Kohteen muoto voidaan määrittää pelkin
etäisyyshavainnoin.
Etäisyyshavaintojen vähimmäismäärä
riippuu
kohteen esitysavaruuden ulottuvuuksien
määrästä.Yksinkertaisimman
3-D kohteen eli 4 sivuisen pyramidin esittämiseen tarvitaan
vähintään kuusi
etäisyyshavaintoa.
- Kohteen muoto esitetään yleensä suorakulmaisessa
kolmiulotteisessa
koordinaatistossa. Tällöin muodon ilmaisemiseen
käytetään
etäisyyshavaintojen sijaan 3-D koordinaatteja. Koordinaatiston
avulla
voidaan esittää myös erillisten kohteiden
sijaintia
toistensa suhteen.
- Muoto voidaan mitata kuvilta 2-D etäisyyksinä. Fotogrammetriassa
komparaattorimittauksella ymmärretään etäisyyksien
mittaamista kuvilta. Yhden kuvan etäisyyshavainnot
ilmaistaan 2-D
kuvakoordinaatteina. Myös kuvakoordinaatistossa voidaan
esittää
erillisten kohteiden sijaintia toistensa suhteen.
Muodon mittaaminen etäisyyshavainnoin
Muotoa määrittävien
pisteiden lukumäärä
|
Muodon dimensio
|
Havaittavien
etäisyyksien lukumäärä
|
Yhden lisäpisteen edellyttämä
havaintojen
lukumäärä
|
1
|
1-D
|
0
|
1
|
2
|
1-D
|
1
|
2
|
3
|
2-D
|
3
|
3
|
4
|
3-D
|
6
|
4
|
5
|
3-D
|
10
|
4
|
...
|
3-D
|
...
|
4
|
n
|
3-D
|
2 + (n-3) x 4
|
4
|

Muodon määritys pelkin etäisyyshavainnoin.
Muunnokset informaatiokanavassa
- Geometriset muunnokset
- Perspektiivinen muunnos
- 3-D kohde muunnetaan 2-D kuviksi
- optinen muunnos
- muunnos tehdään optisena
keskusprojektiokuvauksena joka
leikataan
kuvatasolla
- Projektiivinen muunnos
- 2-D kuva muutetaan toiseksi 2-D kuvaksi
- elektroninen muunnos
- latentti (piilevä) valokuva muunnetaan
näkyväksi kuvaksi
- analogiakuva muunnetaan digitaaliseksi tai päinvastoin
- muunnos tehdään joko valokuvalta tai videokuvalta
digitoiden
- Rekonstuoiva muunnos (uudelleen muodostava)
- 2-D digitaaliset kuvat muunnetaan 3-D digitaaliseksi
kohdemalliksi
- matemaattinen muunnos
- kuvat tulkitaan ja kohde mitataan kuvakoordinatteina
- kuvapisteet muunnetaan pisteiksi kohdekoordinaatistossa
- kohde kuvataan rautalankamallina tai pintamallina
- Radiometriset muunnokset
- Muunnoksen yhteydessä voidaan käsitellä
myös
kohteen
värejä. Kun pintamalliin liitetään
värisävyt,
puhutaan fotorealistisesta 3-D kohdemallista.
- Aiheesta lisää: Maa-57.300 Fotogrammetrian perusteet, luento
4.
Mitattavat pisteet
- Kameraan liittyvät pisteet
- kameraan merkittyjä kamerakoordinaatiston pisteitä:
reunamerkit
- filmille kuvautuvia 2-D pisteitä: réseau-pisteet
- Kohteen mittauspisteet
- esityskoordinaatiston osoittamiseen (orientointi)
- kohdekoordinaatiston signaloidut kiintopisteet ja
luonnolliset tukipisteet,
joita käytetään ilmakolmioinnin ja pistetihennyksen
lähtöpisteet
- suunnittelukoordinaatiston nimellispisteet
- kohteen mittaamiseen liittyvät pisteet
- signaloidut pisteet, muodonmuutosten mittauspisteet, jne.
- kuvilta tulkittavat kohdepisteet (nurkat, risteykset, jne.)
- Kuvaustavasta johtuvat pisteet
- kuvaparin orientointipisteet ja kuvablokissa kuvien
väliset
liitospisteet
- liitospisteinä tulevat kyseeseen joko signaloidut tai
yliviedyt
pisteet
- Stereomalleilta tulkitut ja mitatut kohdepinnan 3-D pisteet
poikkeavat
em. pisteistä sikäli, että ne ovat kohdepinnan
havaintoja,
eikä samoja pisteitä juuri pyritä mittaamaan muilta
malleilta
uudestaan.
Digitaalikameran pikselit.
Digitaalikameran kuvakoordinaatisto määrittyy
kuva-anturin asennuksen myötä. Koska kuvakoordinaatisto
säilyy
kuvasta toiseen samana, reunamerkkejä ei tarvita.
Kuvakoordinaatisto
toimii myös mittauskoordinaatistona. Tässä kuvassa
laatikon
nurkkaa lähinnä olevan pikselin kuvakoordinaatit ovat 871 ja
484 (../../../300/luennot/6/6.html#Kuvakoordinaatisto).

Kuvakoordinaatisto. Tyypillisesti
kuvankäsittelyohjelmat asettavat origon vasempaan ylänurkkaan
ja akselit kasvavat oikealle ja alas. Mitään estettä
kuitenkaan ei ole sille, että origon sijainti tai akselien
kasvusuunnat valittaisiin jotenkin toisin.
Jos havainnoissa huomioidaan nurkkaa
osoittavat pikselit laajalla
alueella,
mittauspisteen koordinaatit lasketaan näistä ja ne saadaan
osapikselien
tarkkuudella. Kuvakoordinaatit muunnetaan kamerakoordinaateiksi origon
siirrolla ja koordinaatiston muuttamisella
oikeakätiseksi .
(../../../300/luennot/6/6.html#Kamerakoordinaatisto)

Kamerakoordinaatisto kuvatasolla
tarkasteltuna. x- ja y-akselien leikkauspiste kuvatasolla osuu kuvan
pääpisteeseen. Pääpiste on yleensä
lähellä kuvan keskipistettä, mutta oikea
pääpisteen sijainti kuvalla saadaan vain kalibroimalla
kamera.

Todellinen kamerakoordinaatisto
sijaitsee siten, että origo (O) on kameran projektiokeskuksessa.
Projektiokeskuksen kohtisuoraa etäisyyttä kuvatasosta
kutsutaan kameravakioksi. x- ja y-akselien suunnat asetetaan kuvan
sivujen suuntaisiksi. Positiivikuvan ja oikeakätisen
koordinaatiston tapauksessa z-akseli kasvaa kuvatasosta
ylöspäin.

Analogiakameran reunamerkit. Mittakamerassa kamerakoordinaatisto
näkyy
kuvalla reunamerkeissä (kehysmerkit). Reunamerkit
sijaitsevat
kiinteästi kameran rungossa kuvaportin reunalla. Joissakin
mittakameroissa
on kuvaporttiin kiinnitetty lasilevy, johon on kaiverrettu
tasavälinen
ja tarkka réseau-ristikko. Réseau-ristien
kamerakoordinaatit
määritetään kalibroimalla ja ne toimivat
reunamerkkien
tavoin tasaisesti yli koko kuva-alan. Kuva mitataan mittalaitteen
koordinaatistossa
ja muunnos tästä kamerakoordinaatistoon lasketaan
reunamerkkien
havainnoista. Muunnos on kuvakohtainen ja se pitää
määrittää
uudestaan samallekin kuvalle, mikäli kuva välillä
poistetaan
mittalaitteesta. Koordinaatistomuunnoksen muuttujia ovat origon siirto,
koordinaatiston kierto ja mittakaava sekä kuvan affiinisuus.
Réseau-ristejä
käytetään filmin muodonmuutosten korjaamiseen. Oikealla
Rolleiflex 6006 metric ja kameran kuvaporttiin asennettu
réseau-levy.

Rolleiflex 6006 metric, kuva ja siinä kuvautuvat
réseau-ristit.

Kohdekoordinaatisto tunnetaan tukipisteinä, joita
käytetään
kolmioinnin ja pistetihennyksen lähtöpisteinä.
Koordinaatiston
tukipiste voi olla kiintopiste (control point) tai luonnollinen piste
(natural
control point). Kiintopisteiden koordinaatit tunnetaan ja pisteet
signaloidaan
ennen kuvausta. Tässä tukipisteenä
käytetään
mittauskuvalta (alin kuva) valittua kohteen yksityiskohtaa.
Yksityiskohdan
identifioimiseksi tukipiste kuvattiin myös zoomattuna (ylempi kuva
oikealla). Tukipisteen koordinaatit mitattiin kuvauksen jälkeen
takymetrillä
ja tarkka mittauskohta tallennettiin kuvaamalla (ylempi kuva
vasemmalla).
- Kiintopisteet
- Kuvien väliset liitospisteet
Kuvakoordinaatteja tuottavat laitteet
- Kuvia mittaavat laitteet
- Komparaattorit
- pisteen osoitus mittamerkillä kohdistaen
- kuvakannatinta siirtämällä (kuva liikkuu ja
mittamerkki pysyy paikallaan)
- mittamerkkiä siirtämällä.(kuva pysyy
paikallaan)
- kuvakoordinaattien mittaus liikettä rekisteröiden
(komparaattori rekisteröi mittausten aiheuttamat liikkeet)
- x-liikkeen ja y-liikkeen havaitsemiseen
perustuva
- etäisyyshavainnot mitataan koordinaattiakseleiden
suunnassa
- x _|_ y
- kaarileikkaukseen perustuva
- etäisyyshavainnot mitataan kahdesta
kiinteästä
pisteestä
- kuvakoordinaatit lasketaan ympyräkaarien
leikkauspisteestä
- Analyyttiset stereomittauskojeet
- komparaattoreita, joissa mittamerkki kohdistetaan
epäsuorasti
käsipyörillä
ohjaten (mallikoordinaatistossa X,Y,Z)
- käsipyörien kiertoliikkeet
rekisteröidään
rotaatioantureilla
ja muunnetaan matemaattisella mallilla kuvakannattimen x- ja y-liikkeiksi
=> servomoottorit siirtävät kuvia niin, että
stereotarkastelu on mahdollista
- kuvakannattimen liikkeet rekisteröidään,
jolloin voidaan kontrolloida kuvaliikeiden toteutuminen tarkasti
(=suljettu takaisinkytkentä)
- Digitointitabletit
- Kuvia lukevat laitteet eli skannerit, jotka tuottavat
diskreettejä x-
ja y-koordinaatteja
- lukupäänä liikkuvat CCD-anturit
- puolijohteeseen sähköisesti varattu valokennosto
- kennoston hilajärjestys sisältää
koordinaattitiedon
(rivi _|_ sarake)
- voi olla rakenteeltaan rivi- tai kuva-anturi
- kuvakannattimena
- pyörivä rumpu
- x- ja y-liikkeet rummun
pyörimissuunnassa
ja tätä
vastaan kohtisuorassa lukupään siirtämisen suunnassa (rumpuskannerit)
- taso
- lukupään x- ja y-liikkeet
tuotetaan
askelmoottoreilla
ja välitetään
- hammaspyörillä hihnoille, jotka
siirtävät
lukupäätä
(desktop-skannerit)
- komparaattorin liikkeiksi (fotogrammetriset skannerit)
- Digitaaliset kamerat
- lukupäänä kiinteät CCD-anturit kuvatasolla
- kuvien rekisteröinti
- digitaalisena
- kuvakorteille
- videosignaalina
- analogisena
- videosignaalina, joka digitodaan uudestaan
videodigitointikorteilla
Skannerien toimintaperiaate ja rakennevaihtoehtoja. Rumpuskannerissa
lukupää muodostuu yhdestä pistemäisestä
ilmaisimesta.
Kuvaliikkeet saadaan aikaan kiertämällä rumpua ja
siirtämällä
lukupäätä rummun akselin suuntaan. Tasoskannerissa
lukupää
voi muodostua ilmaisinrivistä tai ilmaisinmatriisista.
Riviskannerissa
kuvaa luetaan riveinä ja kohtisuora liike saadaan aikaan
siirtämällä
riviä kuvan yli. Matriisiskannerissa kuva luetaan
siirtämällä
matriisia kuvan yli kahdessa toisiaan vastaan kohtisuorassa suunnassa.
Matriisin sisällä koordinaatisto muodostuu ilmaisimen omasta
rivi- ja sarakekoordinaatistosta.

Vexcel VX 4000 Scanner.

Komparaattorin johteet muodostavat suorakulmaisen koordinaatiston.
Kuvakoordinaatit
x
ja y
rekisteröidään mittamerkin liikkeinä johteiden
suuntaan.

Monokomparaattori Zeiss PK 1.
Komparaattorimittaus
- Periaatteessa kaikki fotogrammetriset mittaukset ovat
komparaattorimittauksia,
ja niissä mitataan kohteen muotoa kuvalla. Muoto mitataan 2-D
koordinaatteina.
- Komparaattorimittaus on yksin pistein mittaamista.
- Koska stereomallia ei ole orientoitu. Komparaattorilla ei voi
tehdä
malli- eikä kohdekoordinaatein ohjattua jatkuvaa mittausta.
- Stereokomparaattorissa mittamerkin kohdistus pisteelle voidaan
tehdä
stereotulkintaa käyttäen, mutta kyse ei ole jatkuvasta
stereomittauksesta,
koska jokaiseen mittaukseen liittyy kohdistus sekä x- että
y-parallaksin
suunnassa.
- Havainnot ovat komparaattorikoordinaatteja ja
stereokomparaattorissa
myös
parallakseja.
- Havainnoista voidaan laskea
- kuvien sisäinen orientointi
- kuvien ulkoinen orientointi
- kuvien keskinäinen orientointi
- pisteiden malli- ja kohdekoordinaatit.
- Perinteisesti komparaattorimittaus on liitetty tarkkoihin
fotogrammetrisiin
mittauksiin eli ilmakolmiointiin tai teollisuusmittauksiin, joissa
kummassakin
mittauspisteet pyritään signaloimaan etukäteen, ja
havainnot
tehdään joka tapauksessa yksin pistein.
- Analyyttinen
stereomittauskoje koostuu periaattessa kahdesta komparaattorista.
Tässä
roolissa se toimiikin, kun kuvapari orientoidaan stereomalliksi. Vaikka
orientoinnin jälkeen stereotulkintaa ohjataan
pelkästään
3-D koordinaatein, komparaattorihavaintoja käytetään
koko
ajan kojeen 3-D ohjauksen sisäiseen tarkistamiseen (suljettu
takaisinkytkentä).
Kuva laatikosta.

Nurkat
2D-kuvakoordinaatistossa ja kuvakoordinaatit.
Kuvakoordinaatisto ja kuvakoordinaatit.

Monokomparaattorin periaate (Kuvan ilmakuva: Lentokuva Vallas Oy).

Digitointitabletti (Kuvan ilmakuvat: Lentokuva Vallas Oy).
Komparaattorien mittanormaalit
- Komparaattorimittaus on vertausmittausta: Pisteen 2-D paikka
mitataan
kuvalla
jonkun vertauskoordinaatiston suhteen.
- Mittanormaali on kalibrointimittauksissa
käytettävä
vertausmittauslaite.
Kuvakoordinaatteja tuottavassa komparaattorissa mittaussuureena on joko
pituus (esim. lineaarianturi) tai aika (esim. pikselikello).
- Vertauskoordinaatisto voi muodostua:
- komparaattorin kuvakannattimen liikkeistä, jolloin
liikettä
mitataan
johteen suuntaan esim. askelmoottorein, rotaatioanturein tai
lineaarianturein
- komparaattorin kuvakannattimeen kaiverretuista suorista, jotka
toimivat
johteina, jolloin mitattava liike on johdesuuntaan nähden
poikittaista,
ja sitä mitataan esim. lineaarianturein.
- kuvan päälle kuvatusta vertausruudukosta
(réseau,
grid),
joka on asennettu kiinteästi kameran kuvaporttiin, ja
välittää
kamerakoordinaatiston koko kuva-alalle.
- komparaattorin kuvakannattimelle asetetusta vertausruudukosta
(réseau,
grid, gitteri), joka muodostaa komparaattorikoordinaatiston
- kuvaskannerin liikkeistä, jolloin kuvakoordinaatisto
tallentuu
kuva-alkioiden
(pikselien) järjestysluvuiksi
- videokameran ilmaisinten järjestysluvuista (rivi, sarake)
ja
videodigitointikortin
kellosignaalista, joka on tahdistettu kameran kellon kanssa ja pilkkoo
kamerasta tulevan videosignaalin jälleen riveiksi ja sarakkeiksi
- digitointitabletin sähkömagneettisesta
kentästä
(digitoidut
pisteet)
- komparaattorikoordinaatistosta pitää yleensä
tehdä laskennallinen muunnos kamerakoordinaatistoon
Komparaattorin kuvakannatin johteineen ja lineaariasteikoineen.

Komparaattorin koordinaattianturin lukupää.

Koordinaatin lukeminen.

Komparaattori voidaan rakentaa myös yhdellä johteella, joka
kiertyy kiinteän pisteen ympäri. Mittaushavaintona on pisteen
etäisyys r
tästä kiertopisteestä. Kuvan pisteet mitataan kahdessa
vaiheessa
ja mittausten välillä kuvaa kierretään 90 astetta.
Kuvakoordinaatit x
ja y
lasketaan kaarileikkauksena.

Kaarileikkaus.
Stereokomparaattorit ja ylivientikojeet
Stereokomparaattorin periaate.

Stereokomparaattori Zeiss PSK 2.

Stereokomparaattorin Zeiss PSK 2 mittaustoiminnot.

Monokomparaattori ja ylivientikoje Kern CPM1.

Monokomparaattorin Kern CPM1 kuvakannattimet.

Ylivientipiste merkattuna kuvalle.

Ylivientikoje Zeiss PM1.
Maa-57.301
Fotogrammetrian yleiskurssi