Что такое фотограмметрия кратко

Обновлено: 05.07.2024

Фотограмме́трия (от греч. φωτός — свет, γράμμα — запись, изображение и μετρέω — измеряю) — научно-техническая дисциплина, занимающаяся определением формы, размеров, положения и иных характеристик объектов по их фотоизображениям [1] .

Существует два основных направления в фотограмметрии: создание карт и планов Земли (и других космических объектов) по снимкам (фототопография), и решение прикладных задач в архитектуре, строительстве, медицине [2] , криминалистике и т. д. (наземная, прикладная фотограмметрия) [3] .

Фотограмметрия появилась в середине XIX века, практически одновременно с появлением самой фотографии. Применять фотографии для создания топографических карт впервые предложил французский геодезист Доминик Ф. Араго примерно в 1840 году.

В моих предыдущих статьях я всегда пропускал введение в фотограмметрию, потому что существует множество ознакомительных инструкций. Однако недавно я заметил, что большинство из них не рассматривает подробно, как нужно правильно снимать изображения. Поэтому я решил создать собственное руководство обо всём, что знаю в фотограмметрии.

Эта статья предназначена для следующих категорий пользователей:

Тех, кто никогда не использовал фотограмметрию или 3D-сканирование.
Тех, кто уже пользовался фотограмметрией, читал вводные инструкции и хочет улучшить качество сканирования.
Тех, кто уже всё это знает, но хочет проверить, не пропустил ли чего-нибудь.

Выражаю особую благодарность Югославу Пендичу (Jugoslav Pendić) за редактирование и дополнение этой статьи. Ещё я благодарю команду, занимающуюся 3D-сканированием, за ликвидацию пробелов в моих знаниях.

Что такое фотограмметрия?

Если вы читаете эту статью, то, надеюсь, вы уже знаете, что такое фотограмметрия. Если вкратце, то это процесс создания 3D-моделей из нескольких изображений одного объекта, сфотографированного с разных углов.

Хотя эта техника совсем не нова, она намного старее современного процесса, и она широко использовалась в картографии и геодезии. Она стала более популярной благодаря доступности из-за увеличения мощности компьютеров, что позволило ей распространиться в другие области, такие как видеоэффекты и разработка игр.

Если вы хотите быстро ознакомиться с началами фотограмметрии, рекомендую изучить следующие материалы:

, короткие видео Джеймса Кэнди (James Candy). , Бертран Бенуа (Bertrand Benoit). .

Программное обеспечение

Существует множество программ для фотограмметрии, которые можно использовать для обработки снятых изображений. Обычно все они дают достаточно хорошие результаты. Однако одни приложения могут иметь преимущества в некоторых областях. Но всё-таки стоит заметить, что хотя правила съёмки фотографий и одинаковы для всего ПО, существуют специфические для разных приложений рекомендации, потому что каждая программа обрабатывает данные по-своему. Эти рекомендации позволяют полностью использовать возможности ПО, и я советую потратить время на ознакомление с ними.

Например, из-за медленности вычислений в Agisoft вы можете стремиться записать в одно изображение как можно деталей. А Reality Capture стремится отфильтровывать эти фоновые детали, потому что они могут вносить шум. Однако Reality Capture быстрее, поэтому для неё можно просто сделать больше фотографий.

И ещё одно примечание: все описания основаны на моём личном опыте работы с этим ПО, который может отличаться от вашего. Рекомендую изучить эти варианты ПО (или другие) и самостоятельно сделать выбор.

Компьютер

Требования к компьютеру зависят от выбранного ПО, однако с помощью исследований и экспериментов я выяснил, что для большинства пакетов рекомендуемыми минимальными требованиями являются следующие:

Оборудование

При работе с фотограмметрией обычно используются следующие инструменты:

Объектив: используйте объектив с постоянным фокусным расстоянием, чем чётче, тем лучше. Если у камеры объектив с переменным фокусным расстоянием и вы хотите использовать его, то выберите верхний или нижний предел и сохраняйте его на протяжении всей съёмки.

В качестве высокоточного устройства позиционирования используется мобильное устройство DGPS (differential GPS) или тахеометр. Это в основном относится к использованию дронов для разметки рельефа и в геодезии. Три точки — это самый минимум, возможно, вам понадобится больше. Они располагаются таким образом, чтобы точки равномерно распределялись по всей документируемой области, а несколько находилось в центре. Этого очень сложно добиться на месте съёмки, и обычно такой подход используется в проектах с большим финансированием. Определение масштаба здесь не является проблемой, но позиционирование при геодезических работах означает, что из окончательного результата получаются планы, анализы или средства контроля. Т.е. обычно они будут использоваться в рабочем пространстве GIS.

Инструкции

В этом разделе содержатся общие советы по правильной съёмке изображения и о том, на что стоит обратить внимание.

Во-первых, прочитайте великолепную статью Искусство фотограмметрии: как делать снимки, в ней очень хорошо всё объяснено.

Во-вторых, вот общие советы, полученные с форумов по Reality Capture, от 3D Scanning User Group и из личного опыта.

Не меняйте точку обзора больше чем на 30 градусов.
Начните со съёмки всего объекта, двигайтесь вокруг него, а затем фокусируйтесь на деталях. Приближайтесь не резко, а постепенно.
Завершайте маршруты. При съёмке таких объектов как статуи, здания и подобных им нужно всегда двигаться вокург и заканчивать в том же месте, откуда начали.
Не останавливайтесь на одном обходе, сделайте несколько с различной высоты.
Поворачивайте камеру (горизонтальное и вертикальное перемещение обеспечивает лучшую калибровку).
Доверяйте своим инстинктам, экспериментируйте и не бойтесь нарушать правила, если это нужно.

В-четвёртых, всегда следует с самого начала определяться с целевых разрешением. На самом деле, вам может понадобиться не такое большое разрешение, как вы думаете, что сэкономит время обработки. Разрешение зависит от параметров обработки, разрешения изображений и количества фотографий. Всё это можно и нужно иметь в виду. При сканировании камней для игры, чтобы получить модели высокого разрешения может хватить 20 снимков, в особенности если поверх отсканированной тестуры наложить процедурную текстуру с деталями. Если вы сканируете замок, вам тоже может не понадобиться большое разрешение. Просто отсканируйте замок в низком разрешении, выберите ключевые повторяющиеся элементы и отсканируйте их в высоком разрешении. Затем сгенерируйте остальное. Может возникнуть и противоположная ситуация: потребуется 500 снимков для сканирования одного камешка.

Чаще всего вам не понадобится режим Ultra High Settings в Agisoft или High settings в Reality Capture.

Практика

Теперь, когда вы кое-что знаете о фотограмметрии, вот несколько интересных примеров, которые стоит попробовать:

Отсканируйте камень, это лёгкая мишень и хорошая задача для начала. Постарайтесь сделать как можно меньше снимков для реконструкции полной сетки, а потом начните добавлять изображения для увеличения разрешения деталей.
Отсканируйте статую: статуя похожа на камень с интересными вогнутыми формами, которые немного повысят сложность работы.
Отсканируйте ботинок. Не знаю, зачем все так делают. Возможно, это какой-то ритуал инициации, или что-то подобное.
Отсканируйте узкий тоннель или лестничные проёмы. Сложность здесь в том, что у вас не будет достаточно пространства для перемещения и съёмки с разных углов. Хитрость в том, чтобы пересечь туннель, делая один снимок того, что перед вами при каждом шаге вперёд.
Отсканируйте интерьер. У Valve есть интересный подход, который вы можете попробовать.
Отсканируйте здание или даже замок, попробуйте сделать это с дроном и без него. Можно вскарабкаться на здание или воспользоваться длинным шестом с камерой. Подсказка.
Отсканируйте отражающую поверхность. Изучите это видео студии ten24 по 3D-сканированию отражающих объектов с помощью фотограмметрии.
Отсканируйте голову одной камерой. Это сложно, постарайтесь не двигаться, или попробуйте использовать поворотный стол.
Отсканируйте насекомое. Есть хороший пример отсканированного 2cgvfx насекомого.
Отсканируйте рельеф. Изучите ещё один подход Valve, но я крайне рекомендую исследовать подход с пролётом дрона по надиру.

Другие способы сканирования

Следует знать, что фотограмметрия — не решение всех задач. Существуют другие способы сканирования, в некоторых случаях срабатывающие лучше.

Лидар — это геодезический способ измерения расстояния до цели подсветкой цели лазером. Лидар может быть быстрее в сборе 3D-данных, и он определённо эффективнее при сканировании растительности и полей, хотя этот способ и довольно дорогой. Лидар-сканнер тяжёлый, поэтому сложно будет прикрепить его к дрону, хотя некоторым компаниям удалось создать собственных дронов. Вот короткое видео, опубликованное Capturing Reality, в котором используется Reality Capture для комбинирования данных лазера с фотографиями для создания точной модели. Также в видео рассматриваются преимущества обоих способов.
David Laserscanner — это гораздо более дешёвая самодельная альтернатива, в которой для измерения и сканирования объекта тоже используется лазер. Её можно применять для сканирования мелких и средних объектов (например, катеров). Стоит заметить, что владельцем этого ПО недавно стала HP.
Сканер Artec — это ручной лазерный сканер, обеспечивающий хорошие результаты. Можно использовать для сканирования мелких предметов.
Microsoft Kinect тоже можно использовать для сканирования объектов и людей, но у него довольно низкое разрешение.
RTI — это вычислительный фотографический способ, снимающий форму поверхности объекта и позволяющий интерактивно изменять освещение объекта с любого направления. RTI также позволяет выполнять математическое усовершенствование формы поверхности объекта и цветовых атрибутов.

Заключение

Приступайте к работе, не сомневайтесь, постоянно практикуйтесь и пробуйте сканировать любым доступным оборудованием.

Если вы прочитали эту статью и все остальные, на которые я ссылался, и теперь не знаете, что ещё можно изучить, то прочитайте мою статью "Процесс создания готовых игровых текстур и ресурсов с помощью фотограмметрии". Также можно прочитать другие мои статьи на веб-сайте моей игры World Void на странице Devlog.

Если у вас есть вопросы, или вы считаете, что я что-то упустил, то свяжитесь со мной в Твиттере: @JosephRAzzam.

Читайте также: