درباره فتوگرامتری برد کوتاه ,

در این مقال صحبت کوتاهی در مورد فتوگرامتری و برد کوتاه (close-range or terrestrial photogrammetry) خواهیم داشت.
به علم و تکنیک تفسیر و اندازه گیری هندسی از روی تصاویر, فتوگرامتری گفته می‌شود .
این تصاویر از تاثیرات امواج الکترومغناطیس در محدوده طیفی گوناگون نشأت گرفته و اطلاعات ارزشمندی از نقاط و خطوط هندسی می‌دهند.
در زمانهای نه چندان دور که هنوز حسگرهای دیجیتال پا به عرصه تکنولوژی نگذاشته بودند, دوربینها با بهره گیری از صفحات منفی فیلم, حساس به نور, نقش ثبت تصاویر را ایفا می‌کردند.
بنابرفیزیکی بودن تصاویر اخذ شده توسط دوربینها, مختصات تک به تک نقاط روی عکس با کمک اندازه گیریهای دستی (استرئوسکوپ و پارالاکسبار) و انواع دسستگاههای نیم اتوماتیک و اتوماتیک مکانیکی انجام می‌گرفت.
به دلیل مکانیکی و فیزیکی بودن بخش اعظم کار, بدست آوردن مختصات هر عارضه بسیار زمانبر بود.
در عصر نو با روی کارآمدن دوربین های متریک و غیر متریک دیجیتال و نرم افزارهای تبدیل, تهیه تصاویر و خروجی گرفتن اطلاعات از عکسها بسیار سرعت یافته اما با این وجود شناخت خطاها توسط مهندسین امر سبب طراحی درست و بهینه می‌گردد.
بطور کلی خطاهای مهم و مشخص در فتوگرامتری عبارتند از:

1. خطاي تغيير بُعد فیلم : فیلم در اثر عوامل محيطي نظير دما، رطوبت، فشار و مواد مصرفي در موقع ظهور تغيير بُعد پیدا می‌کند. به جرأت میتوان گفت بواسطه دیجیتالی شدن پروسه حذف شده است.
2. خطاي ناشی از کرويت زمین
3. خطاي ناشي از ناهمواري زمین
4. خطاي ناشي از تيلت
5. خطاي انکسار اتمسفر
6. خطاي کشيدگي تصوير
7. خطاي عدم انطباق مرکز عکس
8. خطاي تغيير مقياس در اثر تغيير فاصله از سطح مورد نظر
9. خطاي اعوجاج عدسي

که همگی در زمره خطاهای سیستماتیک و فرمول پذیر می‌باشند .
فتوگرامتری از لحاظ فاصله از سوژه به سه نوع تقسیم می‌شود:
فتوگرامتری فضایی (Space born) : فاصله دوربین عکسبرداری نسبت به سوژه بیشتر از 100کیلومتر باشد.
فتوگرامتری هوایی (Air born): فاصله دوربین عکسبرداری نسبت به سوژه حدود 1000متر باشد.
فتوگرامتری برد کوتاه و زمینی (Close Range): فاصله دوربین عکسبرداری نسبت به سوژه کمتر از 100متر باشد.
اساس اندازه گیری در فتوگرامتری مثلثهایی هستند که بطور فرضی بین هر یک از نقاط روی سوژه و تصویر متناظر آن نقاط روی هر دو عکس متوالی تشکیل می‌شوند. و این یعنی همان چیزی که از آن بعنوان دید دو چشمی یا استرئوسکوپی یاد می‌شود.















بنابراین می‌توان به ازای هر نقطه چهار معادله نوشت↙
سه مجهول ( x,y,z ) برای هر نقطه زمینی وجود دارد ,همینطور به ازای تصاویر ثبت شده از آن نقطه زمینی در زوج عکس, یک x,y در عکس سمت راست و یک x,y در عکس سمت چپ موجود است.
پس برای هر نقطه با تعداد مجهول x,y,z _ چهار معادله توسط x, y های سمت راست و چپ ایجاد شده است .که فتوگرامتریست را به مختصات سه بعدی از نقاط می‌رساند.
دو شرط مهم در رسیدن به این مختصات سه بعدی :
* شرط هم خطی که بر همراستایی و درامتداد یک خط بودن ,نقطه ی روی سطح سوژه عکسبرداری شده و نقطه عکسی آن و مرکز عدسی دوربین تاکید دارد.

مهمترین عملی که در فتوگرامتری انجام می‌شود تناظریابی است .
X,Y,Z نقاط متناظر در عکس سمت چپ و راست .
m ماتریس های دوران سه محور x,y,z
Cفاصله کانونی
Δx و Δy اختلاف و فاصله بینX و Y در زوج عکس

* شرط هم صفحه ای که طبق آن می‌بایست بردارهای a,b,c در یک صفحه قرار داشته باشند.
بردار a همان امتداد نوری است که از نقطه A روی شی به دوربین رسیده است و بردار b همان امتداد نوری است که از نقطه B روی شی به دوربین رسیده و بردار c همان بازه بین دو ایستگاه عکسبرداری است.
بنابراین از نظر زبان ریاضیات هنگامی این سه بردار خط در یک صفحه خواهند بود که ضرب خارجی شان برابر با صفر باشد.

لازم است وضعیت تک تک عکسهای بدست آمده نسبت به هم و نسبت به سطح عکسبرداری شده, به همراه ساختار هندسی دوربین در لحظه عکسبرداری مجددا توسط توجیهات زیر شبیه سازی و بازآفرینی گردند تا در نهایت بتوان به مختصات و مدل سه بعدی سطوح عکسبرداری شده رسید.
انواع توجیهات :
توجیه داخلی : مشخص شدن فاصله کانونی, سایز و اندازه هر پیکسل, پارامترهای اعوجاج و به دنبال آن پالایش هر عکس از خطاهای سیستماتیک ,فتوگرامتریست را به ساختار و وضعیت دوربین در لحظه عکسبرداری می‌رساند. پارامترهای این توجیه در رابطه با دوربین های متریک بصورت کالیبره مشخص اند. اما در مورد دوربین های غیر متریک همچون دوربین های DSLR رایج در بازار و یا موبایل و ... پارامترهای توجیه داخلی می‌بایست با هر بار استفاده در طول یک پروژه, بطور تقریبی محاسبه گردند امروزه این محاسبات از طریق نرم افزارهایی چون Agisoft PhotoScanو Australisبسیار سریع و میسر شده است.

توجیه خارجی : مشخص شدن دوران ها و انتقال های دو عکس نسبت به سطح عکسبرداری شده

توجیه نسبی : مشخص شدن دوران ها و انتقال های دو عکس نسبت به هم

توجیه مطلق : مشخص شدن دوران ها و انتقال های مدلها نسبت به سطح عکسبرداری شده

چنانچه از توجیه خارجی استفاده شود دیگر نیازی به توجیه نسبی و مطلق نیست. و بصورت یکباره, توجیه نسبی و هم توجیه مطلق به شکل توجیه خارجی خلاصه می‌شود.
در روش دیگری با نام سلف کالیبراسیون کلیه فرمولهای توجیهات بالا در یک مرحله خلاصه می‌شوند.
*کاربردهای فراوانی را می‌توان به فتوگرامتری نسبت داد, یکی از کاربردهای اصلی برد کوتاه است.
از جمله تهیه انواع مدل سه بعدی سطوح پیچیده ای چون مجسمه ها, کتیبه ها و سایتهای باستانشناسی, بررسی و مهندسی معکوس قطعات صنعتی, بررسی انحنای ستون فقرات یا دور سر کودکان, جرم شناسی, گزارش گیری از سایتهای عمرانی و یا سایتهای معدنی ,...
دلایلی برای ترجیح آن مهیاست در زیر به چند نمونه اشاره می‌گردد.
در جاهایی مثل موزه ها که اشیا به دلیل مراقبتهای ویژه امکان لمس و اندازه گیری از نزدیک را نداشته باشند می‌توان از برد کوتاه بهره جست.
چنانچه شی بسیار کوچک باشد و نتوان آن را با اسکنرهای لیزری برداشت نمود ناگزیر از فتوگرامتری برد کوتاه بهره می‌بریم.
هر وقت سوژه یا شی مورد برداشت, متحرک و دارای لرزش باشد, کارا ترین روش فتوگرامتری برد کوتاست. بطوریکه در یک لحظه با تعداد زیادی دوربین از اطراف سوژه عکسبرداری شود.
چنانچه خواسته این باشد که با صرف کمترین وقت و سرمایه, گزارشی از محیط جمع آوری و بعدها در موقع نیاز از اطلاعات تفسیری و رقومی آن استفاده شود. مثلا گزارش گیری از مراحل و روند کار در یک پروژه راهسازی. یا تهیه گزارش از چاله ها و ناصافی های آسفالت و پیاده راههای محله ای یک شهر .
اگر خواسته بر این باشد که با کمترین درگیری در یک محل اطلاعاتی از سوژه اخذ گردد. مانند اندازه گیری تابلوی تبلیغاتی مغازه ها که بالاتر یا پایینتر و یا جلوتر از حد مجاز قانونی خود قرار گرفته اند.
بررسی و نظارت بر روند اجرای صحیح معماری نمای ساختمانها حتی از راه دور و آنلاین.
بررسی مکان های حساس که درک آنی و دقیق می‌طلبد. مانند بررسی شکافهای ایجاد شده در بدنه سدها یا خطوط لوله .
هر گاه نیاز به مشاهده تعداد زیادی نقطه از سطح سوژه باشد بطوریکه بازای هر مگاپیکسل امکان تولید هزاران تا نقطه حاوی اطلاعاتx,y,z از سطح جسم فراهم است.
تنظیماتی که برای دوربین نیاز است را برمیشماریم:
قاعدتا دوربینهای متریک از لحاظ استحکامات هندسی و تعریف دقیق پارامترهای توجیه داخلی ارجح می‌باشند
اما دسترسی به دقت های مطلوب میلیمتر و کمتر از آن با استفاده از دوربین های غیر متریک DSLR یا بدون آیینه و حتی compact و موبایل نیز وجود دارد.
لازم بذکر است که دوربین ها هرچه دارای اندازه سنسور بزرگتر و با ضخامت بیشتر و مگاپیکسل بالاتر باشند تصاویر متراکم تر اخذ شده که نهایتا در کار با انواع نرم افزارها بنابر اصول پردازش تصویر و سرشکنی خطا ها, خروجی مدلها دارای نقاط برداشتی دقبقتر و متراکم تری خواهند شد.

• در تنظیمات دوربین خود توجه داشته باشید که به هیچ وجه فوکوس را روی اتوماتیک قرار ندهید. برای هر پروژه عکسبرداری فوکوس بصورت دستی در بهترین فاصله از سوژه تنظیم گردد و تا پایان عملیات عکسبرداری تغییری در آن ایجاد نشود.
• روی سوژه عمل زوم زیاد نشود و با یک زوم کم و ثابت تصاویر اخذ گردند.
• بهترین لنز جهت عکسبرداری نوع معمولی آن است, به سبب آنکه برخی نرم افزارها از لنزهای wide و fisheye در برخی نرم افزارها پشتیبانی نشده و قابل محاسبه نیستند.
• تنظیمات روشنایی ISO مناسب باشد نه خیلی جسم تاریک و نه خیلی بیش از حد روش و درخشان دیده شود.بعنوان مثال در محلهای کم نور مانند موزه ها که ترجیح بر عدم استفاده از فلش باشد از ISO = 400 استفاده خواهد شد.
• سرعت شاتر آنقدر بالا و مناسب باشد که در اثر لرزش دست و یا حرکت سوژه در عکسبرداری آنی با تعداد زیاد دوربین, باصطلاح خطای کشیدگی تصویر ایجاد شود. بهترین سرعت شاتر از 1/1000 ثانیه به بالا است.

 
سه شیوه عکسبرداری در فتوگرامتری برد کوتاه وجود دارد.

عکسرداری قائم: بصورت قائم بر سطح انجام شده و برای اشیایی چون کتیبه ها و تهیه dem از یک منطقه یا سایت مناسب است. این شیوه شبیه همان عکسبرداری در فتوگرامتری هوائی است با این تفاوت که از فاصله کم و کوتاه انجام می‌شود.

عکسبرداری همگرا : بصورت دور تا دوری سطح یک شی انجام شده و برای اشیا و سوژه هایی مانند مجسمه ها و قطعات و تک ساختمانها مناسب است.

عکسبرداری واگرا: بصورتی که دوربین درون شی مورد عکسبرداری قرار بگیرد ,دورن سوژه ای مانند اتاق و یا لوله و یا مخزن .

در تمامی روش ها Overlap یا همپوشانی 80 تا نزدیک 100 درصد زوج عکسها مناسب و مطلوب است.
طراحی و استراتژی طوری باشد که با کمترین تعداد عکس بیشترین پوشش از سطح جسم ایجاد گردد. این موضوع در سرعت پردازش نقش بسزایی داشته و از طرفی تعداد بیش از حد زیاد و یا بیش از حد کم تصویر خود سبب یکسری ابهام و نویز در مدل شده که عمل ویرایش را با مشکل روبرو خواهد ساخت.
سطوح براق و منعکس کننده نور سبب خطا خواهند شد.
جهت برخورد با چنین سطوحی می‌بایست یا سطح را کدر و مات کرده مثلا با استفاده از پاشیدن کمی آرد روی قسمت براق.
سطوح شفاف به دلیل نداشتن بافت و رنگ در نهایت به مدل سه بعدی تبدیل نخواهند شد.
سطوح یکنواخت و یکدست یکرنگ به دلیل شباهت در قسمتهای مختلف سطح در نهایت به مدل سه بعدی تبدیل نخواهند شد.
جهت برخورد با چنین سطوحی می‌بایست از انواع تارگت و یا دیگر روشها مانند رنگ کردن و یا تاباندن نور اسلاید بر روی آن کمبود جبران گردد.
از تارگتها برای مقیاس دادن به مدل هم استفاده می‌شود. در پاره ای از مواقع که امکان چسباندن تارگت به جسم فراهم نباشد از خط کش یا scale bar استفاده می‌شود.
انواع مختلفی از تارگتها وجود دارند : تارگتهای معمولی منعکس کننده, تارگتهای پروژکتوری, تارگتهای میله ای, تارگتهای کد دار, تارگتهای فلزی .
اندازه تارگتها می‌بایست طوری باشند که از فاصله معین عکسبرداری شناخته و دیده شوند. بطور تجربی بازای هر متر فاصله اندازه تارگت می‌بایست با ضریب 2 اضافه گردد مثلا بازای فاصله 3 متری دوربین از سوژه, قطر تارگت mm 6 تعیین گردد.
نیز تارگتهایی می‌توانند نقش نقاط کنترل یا همان check point ها را ایفا می‌کنند, نقاطی که در منطقه عکسبرداری دارای مختصات معلوم هستند.این مختصاتها قبل از شروع عکسبرداری با کمک ابزاری مانند GPS دو فرکانسه و یا بشکل محلی دقیق معلوم شده اند. تعداد این نقاط تارگت بعنوان نقاط کنترل به اندازه ای باشند که حداقل مشاهدات مستقل برای حل مجهولات مدل ریاضی را تامین کنند.

نویسنده: ذکریا از وبسایت رایمون ورنا

عمق میدان در طول عملیات برداشت می‌بایست ثابت بماند. این موضوع از طریق تنظیم یکبار فوکوس در ابتدای عملیات تامین می‌شود.
توجه به این نکته مهم است که تصاویر پس از اخذ شدن نمی‌بایستی به هیچ وجه تغییری از لحاظ حجم و یا ابعاد و یا پسوند و فرمت بکنند, بنابراین از چنین تغییراتی پرهیز شود چرا که هر کدام از پیکسلها دارای مقادیری در هنگام ثبت تصویر هستند که کوچکترین تغییر هم از لحاظ ارزش رنگ در پیکسل و هم از لحاظ مختصات هر پیکسل, مشکل جدی در تناظر یابی نقاط متناظر دو عکس متوالی (زوج عکس) ایجاد می‌نماید.