بخشی از مقاله
چکیده
مدلسازي سهبعدي اجسام و واقعگرایی مجازي مناظر محیطی یک موضوع مهم تحقیقاتی میباشد که امروزه کاربردهاي بسیاري در موزههاي مجازي، بازي و سرگرمی، ترمیم آثار باستانی، مهندسی، صنعتی، پزشکی و توریستی دارد. در حال حاضر پیشرفتهاي زیادي در تکنولوژي لیزراسکنر صورت گرفته است. لیزراسکنر زمینی این توانایی را دارد که حجم زیادي از نقاط - ابر نقطه - را در یک زمان کوتاه ارائه دهد.
از ابر نقاط بدست آمده جهت مدلسازي استفاده میشود. در مواجه با اشیاء پیچیده براي مدلکردن کامل شئ نیاز به چندین استقرار دستگاه میباشد. از آنجاییکه نقاط اندازهگیري شده از هر ایستگاه سیستم مختصات محلی مربوط به خود را دارد، جهت استفادهي همزمان از ابرنقاط تمام ایستگاهها نیاز به یکی شدن تمام سیستم مختصاتهاي محلی میباشد. به تعیین پارامترهاي انتقال سیستمهاي محلی به یک سیستم مرجع، هم- مرجعکردن اطلاق میشود. امروزه سیستم لیزر اسکنر زمینی به دوربین رقومی مجهز شده است. در این مقاله از تصاویر اخذ شده از دوربین رقومی در انجام هممرجعکردن استفاده میشود.
در این فرآیند به پارامترهاي کالیبراسیون داخلی و خارجی دوربین نیاز میباشد که از طریق ایجاد میدان آزمون تعیین میشود. بعد از تعیین پارامترهاي کالیبراسیون لیزر اسکنر در یک محیط آزمایشگاهی، لیزر اسکنر بهراه دوربین رقومی نصب شده روي آن در دو ایستگاه مستقر میشود و بعد از برداشت ابر نقاط یک تصویر از هر ایستگاه اخذ میشود.
سپس با تعیین پارامترهاي توجیه نسبی بین تصاویر اخذ شده از هر ایستگاه توجیه بین تصاویر ایجاد میگردد. توجیه بین تصاویر از طریق پارامترهاي کالیبراسیون خارجی به ابر نقاط هر ایستگاه انتقال داده میشود. به این صورت در یک مرحله بدون نیاز به تعیین نقاط مشترك و حتی بدون لزوم همپوشانی ابر نقاط حاصل از ایستگاههاي مختلف، ابرنقاط بصورت مستقیم هممرجع میشوند. نتایج آزمونهاي انجام شده بیانگر کارایی روش هممرجعسازي مبتنی بر تصویر در مقایسه با روش مبتنی بر تارگت میباشد.
-1 مقدمه
براي حل مسایل عملی در بسیاري از حیطههاي فعالیتهاي بشري، نیاز به انجام اندازهگیريهایی براي ساخت مدل می- باشد. با آنالیز این مدلها این امکان بوجود میآید تا اطلاعات جدیدي از اشیاء اندازهگیري شده بدست آید. اطلاعات موضوعی و هندسی بدست آمده در فرآیند مدل کردن، بستري را براي تصمیمسازي1 فراهم میسازد. از اینرو نیاز به ابزار و یا تکنیکی احساس میشود که بتواند محیط و یا شئ مورد نظر را با تعداد زیادي نقطه بیان کند و درعین حال دقت نقاط و نیز زمان جمعآوري آنها از اهمیت بسزایی برخوردار است.
روشهاي نقشهبرداري سنتی ژئودتیک، براي مثال نقشهبرداري با توتال استیشن یا اندازهگیري از طریق GPS2 براي این مقصود مناسب نیستند. زیرا این روشها تنها اندازهگیري نقاط مجزا را اجازه داده و نسبتا کند هستند. روشهاي فتوگرامتري رقومی این امکان را میسر میسازند که تعداد بیشتري از نقاط را نسبت به روشهاي نقشهبرداري سنتی مهیا کنند. اما هنوز کمبودهایی در روشهاي فتوگرامتري وجود دارد.
اولا - قبل از مدل کردن تصویر نیاز به پردازشهاي نسبتا زمانبر و سنگین روي تصویر میباشد. دوما - انجام تکنیک فتوگرامتري براي محیطهایی با شرایط بیرونی نامناسب - نور ناکافی، گرد و خاك و غیره - ، با شکست مواجه میشود. سوما - همانطور که می- دانیم فتوگرامتري قادر است با انجام پردازشهایی خاص به نقاط سهبعدي برسد اما تعداد نقاط سه بعدي بدست آمده حتی در صورت استفاده از فرآیند تناظریابی اتوماتیک3، بطور عادي پایین است. بنابراین لازم است تا تکنیک دیگري به کار رود تا اندازهگیري سه بعدي مستقیم از هندسهي شئ با صحت بالا را امکان پذیر سازد. تکنیک مورد نظر در اواخر 1990 و اوایل 2000 وارد حیطهي نقشهبرداري شد و لیزر اسکنر زمینی - TLS - 4 نامیده شد.
واژهي لیزر مخفف عبارت Light amplified by simulated Emission of Radiation است. این سیستم فاصله از یک نقطه روي سطح شئ تا سنسور را با دقت بالا توسط اندازهگیري زمان سپري شده بین خروج یک سیگنال لیزر و شناسایی جزء بازگشتی آن از سطح شئ تعیین میکند - . - TOF5 شئ در هر دو جهت افقی و عمودي با یک اسکنر نوري مکانیکی با سرعت چندین هزار نقطه در ثانیه اسکن میشود و این بستگی به روش فاصلهیابی استفاده شده دارد. خروجی این فرآیند یک تصویر سه بعدي از شئ، شامل میلیونها نقطه میباشد که در فاصلهي بسیار کم از هم قرار گرفتهاند و به آنها اصطلاحا " ابر نقطه" 6 اطلاق میگردد . - Mills and Barber, 2003 - . - Ingensand, 2003 -
این سیستم اگرچه قابلیت بالایی در جمعآوري نقاط سهبعدي از شئ دارد اما با محدودیتهایی مواجه است و بواسطهي محدودیتهاي ناشی از کوچک بودن FOV و نیز در مواجه با اشیاء پیچیده و بزرگ امکان بازسازي کامل شئ از یک ایستگاه غیر ممکن است. به همین دلیل یک روش، استقرار دستگاه در چندین ایستگاه و برداشت داده بصورت مجزا از هر ایستگاه میباشد. ابر نقطه برداشت شده از هر ایستگاه سیستم مختصات محلی مربوط به خود را دارند. براي استفاده همزمان از ابرهاي نقطه برداشت شده نیاز به یک سیستم مختصات مشترك میباشد. بطوریکه تمام ابرهاي نقطه به یک سیستم مختصات رفرنس انتقال یابند. این فرآیند را هم مرجعکردن7 میگویند.
روشهاي متفاوتی براي هممرجعکردن ابر نقاط سهبعدي مطرح شده است که میتوان آنها را به سه گروه کلی مبتنی بر تناظریابی سطح، مبتنی بر تارگت و مبتنی بر تصویر تقسیمبندي نمود. هممرجعسازي مبتنی بر سطح خود با روشهاي متعددي پیادهسازي شده است که روش ICP یکی از مهمترین آنها میباشد . - Besl and Mckay, 1992 - ضعف عمومی این روشها محاسبات سنگین، وجود خطاها در مشاهدات، وابستگی دقت نتایج به مورفولوژي سطح و غیرآنی بودن آنها میباشد.
هم مرجعسازي مبتنی بر تارگت، روشی بسیار شناخته شده در نقشهبرداري میباشد اما این روش ضعفهایی مانند قابلیت اطمینان کم و لزوم انجام تارگتگذاري دارد. از آنجاکه امروزه لیزر اسکنرها به دوربین رقومی مجهز میشوند، در این تحقیق از روشی مبتنی بر تصویر براي هممرجعکردن ابر نقاط استفاده شده است. قبل از انجام فرآیند هم مرجع کردن نیاز به تعیین پارامترهاي کالیبراسیون بین دو سیستم دوربین و لیزراسکنر میباشد. در این تحقیق از روش فتوگرامتري براي تعیین پارامترهاي کالیبراسیون داخلی و خارجی استفاده میشود. سپس با معلوم بودن کالیبراسیون داخلی و خارجی دوربین و تعیین پارامترهاي توجیه نسبی بین تصاویر، هممرجعکردن ابر نقاط از طریق روابط توضیح داده شده، انجام میشود.
-2 تشریح مراحل کالیبراسیون و هممرجعسازي
همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، دوربین رقومی 6 - Nikon D200 مگا پیکسل - با فاصلهي کانونی 28 میلیمتر روي یک لیزر اسکنر زمینی LMS-Z420i نصب شده است. اگر ارتباط بین سیستم مختصات دوربین - - x, y, z و سیستم مختصات لیزر اسکنر - X, Y, Z - معلوم باشد، با تعیین پارامترهاي توجیه نسبی بین تصاویر پوششدار، پارامترهاي هممرجعکردن دو ابر نقطهي لیزر اسکنر بدست میآید. لازم به یادآوري است که تصاویر از دوربین رقومی نصب شده در بالاي لیزر اسکنر اخذ میشوند که به همراه چرخش لیزراسکنر، دوران مییابد.
فرآیند هممرجعکردن مبتنی بر تصویر شامل گامهاي زیر میباشد: گام اول - کالیبراسیون داخلی دوربین گام دوم - کالیبراسیون خارجی گام سوم - تعیین پارامترهاي توجیه نسبی بین تصاویر اخذ شده مربوط به ایستگاههاي مختلف. گام چهارم - ابر نقطهي جمعآوري شده از چندین ایستگاه هممرجع میشوند. لیزر اسکنر بطور پیوسته دادههاي برد1 لیزر کل منطقهي مشاهداتی را جمعآوري میکند، در حالیکه تنها یک تصویر از هر ایستگاه نیاز است.
بطوریکه تصویر اخذ شده از ایستگاه اول حاوي پوشش مناسب با تصویر اخذ شده از ایستگاه دوم باشد. در این فرآیند ابتدا توجیه نسبی تحلیلی بین تصاویر محاسبه میشود. سپس با معلوم بودن پارامترهاي توجیه خارجی هر تصویر نسبت به ایستگاه مربوطه، توجیه ایجاد شده به ابر نقاط هر ایستگاه انتقال مییابد. به این صورت هممرجعکردن ابر نقاط بصورت یک مرحلهاي انجام میشود. در ادامه مدلهاي ریاضی مطرح در فرآیند تشریح میگردد. همچنین نتایج آزمونهاي انجام شده ارائه گشته و در انتها از لحاظ صحت مورد بررسی قرار میگیرد.
