بخشی از مقاله
فتوگرامتری با استفاده از دوربینهای ویدیوئی، روشی برای اندازه گیری حرکت سازهها
چکیده
فتوگرامتری روشی است که امکان جمع آوری داده های دقیق و صحیح را برای ساخت مدل سه بعدی پدیده ها و اشیاء را
فراهم میکند. منبع اصلی ری داده ها در روش فتوگرامتری ،تصاویر و عکس هایی میباشد که از سنسورها و دوربین های مختافی بدست می آیند، با استفاده از این داده ها می توان مدل Virtual Reality - VR
پدیده های مختلف را تشکیل داد. هدف از این مقاله ارائه قابلیت های فتوگرامتری برد کوتاه در تعیین جابجایی سازه ها می باشد. بدین منظور بنای منارجنبان اصفهان با خصوصیات ارتعاشی که دارد به عنوان سازه مورد نظر انتخاب شده و از مناره ها به وسیله سه دوربین ویدیوئی تصویر برداری شد و مسیر حرکتی نقاط مختلف مناره از لحظه شروع حرکت مناره تا پایان حرکت آن با استفاده از محاسبات باندل اجستمنت و کالیبراسیون همزمان با متوسط دقت 7.5 میلیمتر تعیین شد. جابجایی ها به عنوان داده های اولیه دقیق برای تشکیل مدل سه بعدی حرکتی مناره می تواند مورد استفاده قرار گیرد. بدین ترتیب در صورت تهیه مدل سه بعدی، آن مدل می تواند جهت بررسی و تحقیق اثر زلزله و سایر نیروهای وارد بر سازه ها و قطعات صنعتی و کاهش اثرات آنها مورد استفاده قرار گیرد.
واژه های کلیدی : فتوگرامتری، اندازه گیری دقیق، دوربین ویدیوئی، جابجائی سازه ها، Virtual Reality
۱. مقدمه
تعاریف مختلفی توسط متخصصین در مورد کاربرد فتوگرامتری و فتوگرامتری برد کوتاه ارائه شده است. اما بسیاری از این تعاریف نمی تواند دامنه وسیع کاربردهای فتوگرامتری و خصوصا فتوگرامتری برد کوتاه را بیان کند. یکی از تعاریفی که به نظر می رسد به بهترین نحو، کلیه موارد کاربردی فتوگرامتری برد کوتاه را در بر می گیرد، تعريف فتوگرامتری به عنوان یک روش جهت جمع آوری داده ها برای تشکیل مدل های NVRمی باشد.
VR قابلیتی است که با استفاده از آن می توان پدیده های موجود در جهان واقعی را با تمام خصوصیات و جزئیاتش در داخل رایانه تشکیل داد. در صورتیکه داده های اولیه مورد استفاده برای تشکیل مدل VR دقیق و قابل اطمینان باشند، دسترسی و کار با یک مدل VR دقیق و صحیح، امکان پذیر خواهد بود. بنابراین داده های اولیه جمع آوری شده برای تشکیل مدل VR نقش بسیار مهمی را ایفا می کنند و قابلیت اطمینان یک VR ارتباط زیادی با دقت داده های جمع آوری شده دارد.
در جریان تولید مدل های VR و جمع آوری داده های اولیه، فتوگرامتری می تواند بعنوان منبع جمع آوری داده های اولیه دقیق باشد. فتوگرامتری تکنیک جمع آوری داده ها از تصاویر می باشد که می تواند داده های دقیق و صحیح را از فضای سه بعدی پیچیده اشیاء تهیه کند. شکل ۱ نموداری از جریان تشکیل یک مدل VR با استفاده از داده های جمع آوری شده به روش فتوگرامتری را ارائه کرده است. (2000 , Homainejad , Sattari )
با توجه به اینکه روش فتوگرامتری اطلاعات و داده های اولیه را با دقت و قابلیت اطمینان بالا تهیه می کند، مدل VR تشکیل شده براساس این اطلاعات می تواند جهت مطالعات و تحقیقات مورد استفاده قرار گیرد. در حقیقت دنیای واقعی، یک فضای سه بعدی است که بر روی یک صفحه، تبدیل به فضای دو بعدی می شود و با کمک تکنیک های گرافیکی و هندسی می توان امکان نمایش سه بعدی از صفحه دو بعدی را ایجاد کرد. این تکینک ها، روش دقیقی را برای اندازه گیری و آنالیزهای سه بعدی ارائه نمی کنند. در حالیکه فتوگرامتری قادر است که یک دنیای سه بعدی واقعی از تصاویر دو بعدی فراهم کند و به استفاده کننده امکان حرکت در فضای سه بعدی را می دهد. هدف اصلی از این مقاله ارائه قابلیتهای فتوگرامتری جهت تهیه داده های لازم برای تشکیل مدل VR حرکتی سازه ها با استفاده از دوربین های ویدیوئی می باشد.
در بخش متدولوژی مقاله، روش مورد استفاده جهت جمع آوری داده های دقیق با استفاده از روش فتوگرامتری ارائه شده است و در نهایت نتایج بدست آمده از انجام پروژه و پیشنهادات جهت استفاده از این روش در سایر موارد ارائه شده است.
|
۲. متدولوژی
جهت انجام پروژه نیاز به سازه ای بود که بتوان نیروهایی شبیه به نیروهای اعمال شده در هنگام وقوع زلزله را به آن وارد کرد و نحوه رفتار آن را در مقابل نیروی اعمال شده و چگونگی حرکت نقاط مختلف سازه را مورد بررسی قرار داد. با توجه به این هدف، بنای منارجنبان با خصوصیات ارتعاشی که دارد، بعنوان سازه موردنظر، انتخاب شد (شکل ۲). سیستم مورد نظر جهت جمع آوری داده ها نیز دوربین ویدیوئی مجهز به Panasonic M9000 ، CCD انتخاب شد. در این پروژه اندازه گیری جابجائی ها و محاسبات بصورت OFF - LINE انجام گرفت.
٣. کالیبراسیون دوربین
قبل از کار با دوربین ها نیاز به تعیین یکسری از مشخصات و پارامترهای آنها از جمله قدرت تفکیک و پارامترهای کالیبراسیون می باشد تا بتوان طراحی محل ایستگاههای دوربین را انجام داده و بدنبال آن محل و ابعاد تارگت ها را تعیین کرد. از طرفی با انجام یک پیش کالیبراسیون می توان دوربین ها را از قبل کالیبره کرد و در پروژه های مختلف مورد استفاده قرار داد و همچنین پایداری پارامترهای کالیبراسیون این دوربین ها، را می توان مشخص نمود. بدین منظور قبل از کار با دوربین ها یک مرحله کالیبراسیون انجام شد.
به منظور کالیبراسیون دوربین های فیلمبرداری از یک گرید با ابعاد استفاده گردید. این گرید بصورت Contact بر روی صفحه فیلم چاپ شد که در اثر انجام این عمل یک صفحه سیاه با خطوط سفید تشکیل گردید. (شکل 3)
فرم های تهیه شده از گرید مربوطه (ذخیره شده بر روی نوارهای نیز با استفاده از فریم گرابر به کامپیوتر انتقال داده شده و اندازه گیری ها بر روی فریم های بدست آمده با استفاده از نرم افزار photoshop و با دقت subpixel انجام گرفت. مقادير مختصات اندازه گیری شده برای سه دوربین به برنامه کالیبراسیون وارد شد و پارامترهای کالیبراسیون دوربین های ویدیوئی بدست آمد. در جدول ۱ مشخصات پارامترهای کالیبراسیون (شامل پارامترهای میزان افست نقطه اصلی فاصله أصلى (c) و ضرائب اعوجاج شعاعی و مماسی و توجیه خارجی (شامل سه دوران حول سه محور omega - phi - kapa و سه انتقال در امتداد سه محور x0 y0 Z0 جهت انتقال از سیستم مختصات تصویر به سیستم مختصات موضوع) بدست آمده برای سه دوربین ویدیوئی، ارائه شده است.
با انجام این کالیبراسیون علاوه بر پارامترهای فوق قدرت تفکیک CCD مورد استفاده در دوربین های فیلمبرداری Panasonic M9000 و ضریب مقیاس فرم گرابر مورد استفاده نیز بدست آمد. بر این اساس این دوربین ها، دارای CCD با ابعاد می باشند، که با توجه به تعداد پیکسلهای آن که برابر می باشد، ابعاد پیکسلهای است. ضریب مقیاس تقریبی فرم گرابر هم برابر ۱۲ می باشد.
۴، تصویربرداری و اخذ دادهها
با توجه به هندسه مناره و محدودیتهای مربوط به فضای کار، زوایای برخورد اشعه ها و هزینه، تعداد سه دوربین ویدیوئی برای انجام پروژه، انتخاب شد. از طرفی با توجه به استحکام هندسی بالاتر، یکنواختی دقت در سه امتداد همچنین به دلیل خطای عمق کمتر ترکیب های همگرا نسبت به ترکیب های استرئو، تصویر برداری به صورت همگرا در نظر گرفته شد. موانع موجود در فضای کار و هندسه جسم (بدلیل نیاز به تصاویر با بیشترین پوشش) باعث محدودیت در زاویه همگرایی می شود و بدین ترتیب تنها امکان استفاده از سه دوربین ویدیوئی با حداکثر زوایای همگرایی ۴۰ درجه وجود داشت. دقت مورد نظر جهت دستیابی برابر cm 1 در نظر گرفته شد. بر این اساس با توجه به ابعاد پیکسل CCD و مقیاس فریم گرابر وابعاد موضوع (مناره)، مقیاس تصویربرداری 1/80در نظرگرفته شد. شکل ۴ نحوه قرارگرفتن سه دوربین ویدیوئی را نسبت به موضوع نشان میدهد.
با توجه به مقیاس 1/80 و مشخصات لنز دوربین ویدیوئی عمق میدانی برابر ۱ متر برای دوربین ها بدست آمده که با توجه به ابعاد مناره با فوکوس کردن دوربین در وسط مناره تصویر واضحی از کلیه نقاط واقع بر مناره بدست آمد.
شکل ۵ طرح تارگتهای مورد استفاده در پروژه را با توجه به مقیاس تصویربرداری و قدرت تفکیک دوربین ها نشان میدهد. همانطور که در سمت چپ شکل ۶ مشخص است طرح تارگتهای نقاط را همراه با علامت باضافه جهت اندازه گیری مختصات نقاط کنترل با استفاده از تقاطع نقشه برداری در نظر گرفته شد.
تعداد ۳۵نقطه کنترل مجهول بر روی بدنه مناره جهت تعیین میزان جابجائی آنها و نحوه حرکت آنها انتخاب شد.
جهت طراحی محل نقاط کنترل هم از یک شبکه چوبی که از انحناء بدنه مناره تبعیت میکند استفاده شد و بدین ترتیب تعداد ۴۷ نقطه کنترل با توزیع مناسب بر روی شبکه چوبی پیاده شد بطوریکه حداقل تعداد ۲۰ . نقطه کنترل معلوم در فرم های بدست آمده از هر ایستگاه تصویر شد. شکل ۶ نحوه توزیع نقاط کنترل در تصاویر بدست آمده از ایستگاه اول دوم و سوم را نشان میدهد.
در تعیین جابجائی نقاط روی مناره لازم بود که نقاط کنترل ثابتی داشته باشیم. بدین منظور شبکه چوبی ایجاد شده یک شبکه مستحکم و خارج از سیستم حرکتی مناره ایجاد شد.
