بخشی از مقاله
چکیده
امروزه استفاده از سکوهای پهپاد به منظور اخذ دادهی مورد نیاز برای مهندسین ژئوماتیک، کاربرد گستردهای یافته است. داده های به دست آمده از پهپادها را برای کاربردهایی همچون بررسی و نظارت، نقشه برداری و مدلسازی های سه بعدی مورد استفاده قرار میدهند. همچنین توانایی نصب دوربینها و سنجندههای مختلف، از جمله دوربین های مرئی و حرارتی، بر روی این سکوها وجود دارد. از آنجایی که استفاده از هر دوربین مستلزم انجام کالیبراسیون دقیق برای آن است، تحقیق پیش رو به بررسی کالیبراسیون سیستم های تصویربرداری دوگانه مرئی و حرارتی در پهپادها می پردازد.
در این تحقیق پس از بیان مقدمه، پیشینه ی تحقیق در مورد کالیبراسیون هندسی دوربین های مرئی و حرارتی بیان شده است. با توجه به اینکه تفاوت اصلی در روشهای کالیبراسیون این دوربین ها استفاده از یک صفحه یا الگوی کالیبراسیون مناسب است؛ روش انجام این تحقیق با یک الگوی کالیبراسیون یکسان برای هر دو دسته از دوربین ها پیشنهاد شده است. در پایان نتایج پیاده سازی و انجام کالیبراسیون با این الگو برای دو دوربین مرئی و حرارتی بیان شده است.
-1 مقدمه
امروزه استفاده از سکوهای هوایی بدون سرنشین یا پهپادها، به عنوان جایگزین ارزان قیمت تری برای فتوگرامتری کلاسیک هوایی مطرح شده است. این سکوها منابع ارزشمندی از انواع داده را برای کاربردهای بررسی و نظارت، نقشه برداری و مدلسازی های سه بعدی به دست میدهند.
در علم ژئوماتیک از تصاویر استخراج شده از پهپادها و همچنین از دیگر محصولات به دست آمده از این تصاویر از طریق روشهای فتوگرامتری، مثل مدل رقومی سطح1 یا تصاویر اورتو2، به طور گسترده استفاده میشود. کاربردهای دیگر این داده ها را می توان در زمینه های کشاورزی، باستان شناسی، معماری، محیط زیست، مدیریت بحران و مواردی از این دست مشاهده کرد
در سال های اخیر به اخذ داده با استفاده از پهپادها توجه بسیار شده است. علاوه بر هزینه ی کمتر، توانایی کار در مناطق خارج از دسترس یا خطرناک و به همراه داشتن دستگاه های کنترل کننده که مجموع این عوامل باعث تولید سریع داده های رقومی می شوند[1]، توانایی نصب انواع سنجنده ها و دوربین ها روی این سکوها وجود دارد. بنابراین میتوان با یک بار برنامهریزی برای پرواز در یک منطقه، به انواع مختلف داده های مورد نیاز دست یافت. حدود 400 نوع از انواع ابزارهای تصویربرداری و فاصله یابی شامل سیستم های فعال و غیرفعال، سیستم های اپتیکی از محدودهی مرئی گرفته تا مادون قرمز نزدیک و حرارتی و سیستمهای مایکروویو، قابل نصب و استفاده بر روی این سکوها شناخته شدهاند
بکارگیری دوربین های مختلف در سکوهای بدون سرنشین، مستلزم انجام فرآیند کالیبراسیون برای آن ها می باشد. در واقع، کالیبراسیون دوربین یک پیش نیاز اساسی برای انجام هر نوع بازسازی سه بعدی به کمک تصاویر اخذ شده از طریق آن دوربین است.
به طور کلی کالیبراسیون دوربین در دو نوع کالیبراسیون هندسی1 و کالیبراسیون رادیومتریکی2 انجام میگیرد؛ که کالیبراسیون هندسی به بازسازی هندسهی داخلی دوربین، تخمین پارامترهای مربوط به انتقال مختصات از فضای سه بعدی شئ به فضای دو بعدی دوربین و تعیین ارتباط موجود بین این دو فضا اطلاق می شود. این نوع از کالیبراسیون به دو سری پارامتر داخلی و خارجی بستگی دارد. با به دست آوردن این پارامترها، دوربین به حالت استاندارد خود نزدیک شده و دقت تصویربرداری بالا میرود.
تحقیق پیش رو به بررسی کالیبراسیون دوربین های مرئی و حرارتی مستقر در سکوهای هوایی بدون سرنشین می پردازد. ابتدا تحقیقات قبلی در این زمینه در بخش پیشینهی تحقیق بررسی شدهاند؛ سپس روش انجام تحقیق و مبانی ریاضی آن بیان میشود. در نهایت این روش در هر دو نوع از دوربین ها پیاده سازی شده و نتایج آن بررسی شده است. بخش آخر نیز به بیان نتیجهگیری میپردازد.
-2 پیشینهی تحقیق
تاکنون کالیبراسیون دوربینهای مرئی در تحقیقات بسیاری مورد توجه قرار گرفته و روشهای بسیاری برای به دست آوردن دقیق پارامترهای داخلی3 یک دوربین مرئی معرفی شده اند . به طور کلی، روش های موجود برای کالیبراسیون این دوربین ها در دو دسته ی روش های سنتی و سلف کالیبراسیون4 قرار می گیرد. روش های سنتی کالیبراسیون در واقع روش های بهینه سازی بر مبنای استفاده از یک صفحهی کالیبراسیون5 یا الگوی کالیبراسیون دقیق هستند. برای مثال، الگوهای کالیبراسیون مورد استفاده در دوربینهای مرئی می تواند صفحه ی شطرنج[3] یا الگوی کالیبراسیون دایره ای[4] باشد.
بسیاری از روش های سنتی، روش هایی دو مرحلهای هستند؛ برای مثال روشی دو مرحله ای برای کالیبراسیون دوربین ها ارائه شده که برمبنای مشاهده ی یک الگوی صفحه ای کالیبراسیون از موقعیت های مختلف است. در این روش ماتریس هوموگرافی با تصویرکردن نقاط عکسی به نقاط سه بعدی متناظر آن ها در الگوی کالیبراسیون محاسبه می شود؛ سپس معادلات خطی برای به دست آوردن مقادیر اولیه تشکیل می شوند.
از روش بهینه سازی غیرخطی نیز برای به دست آوردن مقادیر نهایی استفاده میشود.[5] به دلیل زمانبر بودن این فرآیند، روشهای سه و چهار مرحله ای نیز پیشنهاد شده اند. برای مثال روشی سه مرحلهای برای محاسبهی مقادیر اولیهی پارامترهای داخلی دوربین، ماتریس دورانی و بردار انتقال به ترتیب با انجام سه بار بهینهسازی ارائه شده است.همچنین در یک روش چهار مرحلهای، جبران اثر اعوجاجها هم درنظر گرفته میشود که شامل اعوجاج مماسی نیز میباشد.
روشهای مورد استفاده جهت کالیبراسیون هندسی دوربین های حرارتی شباهت بسیاری به روشهای کالیبراسیون دوربینهای مرئی دارند. تفاوت موجود بین این روش ها، الگوی کالیبراسیون مورد استفاده می باشد. این الگوها از آن جهت مورد استفاده قرار میگیرند که بتوان از عوارض موجود بر روی آنها به عنوان نقاط کنترل جهت برقراری ارتباط بین فضای شیء و فضای دوربین استفاده نمود.
آنها میباید از منظر بعد، شکل، الگو و نوع عارضه، متناسب با نوع دوربین طراحی شوند. این طراحی در کالیبراسیون دوربینهای حرارتی به علت ثبت حرارت توسط این دوربینها اهمیت بیشتری مییابد. برای دوربینهای حرارتی الگوی کالیبراسیون باید به گونهای انتخاب شود که توسط این دوربین قابل اخذ باشد و تصاویر حاصل از آن واضح باشند؛ چرا که دوربین حرارتی تنها قادر به ثبت اطلاعات حرارتی است. به این منظور، می توان در ساخت الگوی صفحه ی شطرنجی از مواد مختلف با تشعشع های حرارتی مختلف استفاده کرد. برای مثال میتوان به جای مربع های سفید در صفحه ی شطرنجی، فویل آلومینیومی قرار داد
همچنین می توان با قرار دادن صفحه ی شطرنج روی یک پشتی سرامیکی، امکان نگه داری گرمای ایجاد شده از طریق منبع گرمایش را در آن بیشتر کرد. انواع دیگری از الگوها نیز برای کالیبراسیون دوربین های حرارتی در تحقیقات پیشین به کار رفته است. از جمله ی آن ها می توان به الگوهای کالیبراسیونی اشاره کرد که به صورت شبکهی منظمی از تارگت های دایره ای یا مربعی ساخته شده اند. برای مثال می توان بر روی یک صفحه مقوای نازک، شبکهای از مربع های توخالی ایجاد کرد و این الگو را در مقابل یک منبع نور مثل صفحه ی مانیتور روشن قرار داد.
شبکه ی منظمی از دایره های توخالی نیز در تحقیقات پیشین بکار رفته است. برای مثال می توان چنین الگویی را با یک صفحهی پلاستیکی ساخت و آن را بین دوربین حرارتی و یک صفحهی فلزی گرم یا سرد شده قرار داد. به این ترتیب حرارت آن صفحه از دایرههای توخالی عبور کرده و در دوربین حرارتی شکلهای دایرهای ثبت میشوند. از این روش در تحقیقی به منظور تشخیص بدن انسان به کمک تصویربرداری حرارتی با سکوهای بدون سرنشین هوایی استفاده شده است
همچنین در تحقیق دیگری در زمینه ی کاربرد دوربینهای حرارتی روی سکوهای کوچک و بدون سرنشین هوایی از همین تارگت استفاده شده است. الگوی مورد استفاده در این تحقیق صفحهای دارای ضخامت 2 میلیمتر و حفرههای تو خالی است. این صفحه تا صفر درجهی سانتیگراد سرد شده و سپس در دمای اتاق از آن عکس گرفته میشود.
چنان که بیان شد، دو دسته از الگوهای پر استفاده در تحقیقات پیشین الگوی صفحه ی شطرنجی و الگوی شبکه ای منظم از دایره ها یا مربع های تو خالی بوده است. هیچ یک از این دو دسته الگو زمان و هزینهی زیادی را برای ساخت لازم ندارند. از منظر روش گرمایش، الگوهای شبکه ای از آنجا که دارای دایره ها یا مربع های توخالی هستند، می توانند بر روی منابع گرمایشی مختلف قرار داده شوند تا گرما از داخل آنها عبور کند و تصاویر واضحی در دوربین حرارتی به ثبت برسد؛ که این منبع گرمایش برای مثال میتواند یک مانیتور روشن باشد.
گرم کردن یک صفحه ی شطرنج پرینت شده و نگه داری گرما در آن، کار سختتری بوده و معمولا به منبع گرمایشی مثل لامپ نیاز دارد بنابراین الگوی شبکه ای گرما را برای مدت بیشتری در خود نگه می دارد. از منظر پیاده سازی نیز، الگوریتم های موجود برای کشف و استخراج عوارض در شبکه های منظم، معمولا الگوریتم های کشف نقطه، برازش بیضی و مانند این ها میباشند؛ در حالیکه استفاده از الگوی صفحه شطرنج معمولا نیازمند روشهای پیش پردازشی و بالا بردن کیفیت تصویر است.
