Maa-57.301 Fotogrammetrian yleiskurssi

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
• Muunnokset informaatiokanavassa
• Kuvakoordinaatteja tuottavat laitteet
• Komparaattorimittaus
• Mitattavat pisteet
• Komparaattorin mittanormaalit
• Stereokomparaattorit ja ylivientikojeet

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.

Muunnokset informaatiokanavassa

• Geometriset muunnokset
1. Perspektiivinen muunnos
   
• 3-D kohde muunnetaan 2-D kuviksi
• optinen muunnos
• muunnos tehdään optisena keskusprojektiokuvauksena joka leikataan kuvatasolla
2. 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
3. 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
• ../../../300/luennot/8/8.html#Koordinaatisto ja signalointi
• Kuvien väliset liitospisteet
• ../../../300/luennot/12/12.html#Ilmakolmiointi

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
• sähkömagneettisesti
• 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.