KAHO St-Lieven GENT Thomas More MECHELEN 3D PHOTOGRAMMETRY FOR SURVEYING ENGINEERING IWT TETRA project
Aandachtspunten voor terrestrische foto-opname bij bouwkundig en archeologisch erfgoed Inhoud 1. Keuze van camera, lens en platform 1.1 Camera 1.2 Lens 1.3 Platform
2. Voorbereiding 2.1 Weersomstandigheden 2.2 Cameraposities 2.3 Tijd 3. Camera-instellingen voor een goede belichting en scherpte 3.1 Resolutie 3.2 focus 3.3 diafragma 3.4 sluitertijd 3.5 iso-waarde 3.6 witbalans 3.7 flits 3.8 timer-functie 3.9 image-stabilization 3.10 brandpuntsafstand 3.11 overzichtschema’s 4. Andere aandachtspunten 4.1 materialiteit 4.2 informatie op de foto 4.3 Nabewerking van foto’s 4.4 schaal Appendix I. Enkele voorbeelden van cameraposities
IWT-TETRAproject
3D4SURE
1·15
0. Inleiding Bij het fotogrammetrisch documenteren van een gebouw, gevel of opgravingssite komt er meer bij kijken dan gewoon maar wat foto’s trekken. De kwaliteit en precisie van het resultaat zijn zeer afhankelijk van de methodologie die men toepast bij de foto-opname. Daarom sommen we de belangrijkste factoren op samen met een woordje uitleg om de fotogrammetrist met kennis het veld in te sturen.
1. Keuze van camera, lens en platform 1.1 camera Bij de camerakeuze spelen 3 factoren een belangrijke rol naar de kwaliteit van de foto’s toe, sensor, resolutie, en de flexibiliteit van de instellingen. -sensor: Professionele camera’s bezitten meestal een full-frame sensor, dit wil zeggen een sensor met afmetingen 36mm x 24mm, het digitale equivalent van de 35mm film. Compacte digitale fototoestellen hebben kleinere sensoren en ze worden soms ook aangeduid met hun vergrotingsfactor (of cropfactor). Deze factor geeft aan hoeveel kleiner de diagonaal van het sensoroppervlak is ten opzichte van een full frame sensor. Algemeen geldt dat full-frame sensoren beter zijn dan de kleinere formaten.
Sensorafmetingen en hun cropfactor (http://en.wikipedia.org)
-flexibele instellingen: Hoe meer instellingen manueel kunnen aangepast worden, hoe beter. Het is belangrijk om belichting van een foto te kunnen manipuleren en om de foto’s zo scherp mogelijk te krijgen aan de hand van de camera-instellingen. Deze instellingen worden in het 2de hoofdstuk besproken.
IWT-TETRAproject
3D4SURE
2·15
Scherm met manuele instellingen (www.digitalcameraworld.com)
-resolutie: De te verwerken foto's moeten voldoende resolutie bevatten. Een minimum van 3 megapixel wordt gevraagd als basis, maar betere nauwkeurigheden kunnen bekomen worden vanuit nog hogere resolutiebeelden. De resolutie is voor de huidige digitale toestellen dus meestal geen probleem.
1.2 lens Het is wenselijk om verwisselbare lenzen te hebben bij een camera omdat dit meer flexibiliteit geeft en deze lenzen meestal van een betere kwaliteit zijn dan de ingebouwde bij standaard digitale camera’s. Foto's genomen met groothoeklenzen (kleine brandpuntsafstand) tonen op een “korte” afstand toch een grote oppervlakte van het object wat zeer handig kan zijn indien men niet ver van een object af kan staan. Telelenzen (grote brandpuntsafstand) tonen daarentegen een kleinere oppervlakte zoals onderstaande afbeelding laat zien. Hoe groter de brandpuntsafstand, hoe kleiner de waar te nemen oppervlakte of beeldhoek (angle of view). Van de lenskeuze hangt dus ook sterk af hoeveel foto’s nodig zullen zijn om het hele object te omvatten, indien de afstand tot het object gelijk blijft. Anderzijds bepaalt de lenskeuze ook de pixeldichtheid voor eenzelfde oppervlak van het object, met telelenzen kan je dus grotere pixeldichtheden realiseren. Een logisch gevolg aangezien de sensorafmetingen en dus de resolutie in de camera dezelfde blijven.
IWT-TETRAproject
3D4SURE
3·15
Beeldhoeken (http://milosduma.blogspot.be)
Om een voorbeeld te geven, stel dat we een gevel willen fotograferen voor een fotogrammetrische verwerking op toe te passen en deze bevindt zich in een smal steegje van 4 meter breed. We gaan in dit geval uit van een camera met full frame sensor. Willen we nu een ground sampling distance van 2 mm/pixel bekomen met een lens van 24 mm, dan moeten we volgens onze berekeningen (zie hoofdstuk 2.2) 3,5 meter van de gevel af gaan staan en vervolgens om de 2 meter een foto nemen. Indien we een lens van 50mm zouden kiezen en we 3,5 meter van de muur af gaan staan, dan moeten we om de 1 meter een foto nemen, we zouden dus dubbel zoveel foto’s moeten nemen indien we één horizontale reeks foto’s nodig hebben en vier keer zoveel foto’s moeten nemen indien we meerdere horizontale reeksen boven elkaar nodig hebben (in dit geval als de gevel hoger zou zijn dan 2,5 meter. Bijkomend gevolg is natuurlijk wel dat we met de 50mm lens ook een grotere pixeldichtheid krijgen. Indien de gevel nu niet in een smal steegje lag maar bijvoorbeeld aan een park, dan hadden we wel de 50mm lens kunnen gebruiken op een afstand van 7 meter van de gevel af en zouden we vervolgens om de 2 meter een foto nemen. Ook nog interessant om te weten is dat de lichtsterkte van een lens is een maat voor de hoeveelheid licht die het opvangt en nuttig gebruikt om een beeld te vormen. Deze waarde wordt uitgedrukt in de grootst mogelijke diafragma-opening van de lens. Groothoeklenzen zijn vaak lichtsterker dan telelenzen.
1.3 platform handheld, statief, maststatief of UAV? Het gekozen verwerkingspakket kan maar modelleren wat effectief zichtbaar is op de genomen foto's. Daarom is het belangrijk vooraf te bedenken welke informatie duidelijk naar voor moet komen in het finale product, na de verwerking. Hier hangt namelijk sterk van af via welk platform de foto's zullen worden verworven. Bijvoorbeeld voor de meetstaat van een gebouw: Indien enkel de voorgevel gevraagd wordt, kunnen de nodige foto's “handheld” vanop de grond worden genomen en eventueel aangevuld worden met foto’s vanaf een maststatief. Indien daarentegen ook een dakenplan wordt gevraagd, voldoet terrestrische fotogrammetrie niet en kan een “Unmanned Aerial Vehicle” van pas komen om goede foto's vanuit de lucht te nemen. Handheld: Gewoon foto’s trekken vanuit de hand is de snelste methode om objecten en gebouwen te fotograferen. IWT-TETRAproject
3D4SURE
4·15
Statief: Indien men met sluitertijden van langer dan 1/60sec wil werken, dan kan men door een statief te gebruiken nog steeds scherpe foto’s garanderen. Vaak is het ook aan te raden om een statief te gebruiken in combinatie met een zelfontspanner (bvb 2sec) om zoveel mogelijk trillingen te vermijden.
Maststatief: Dit zijn statieven die grotere hoogtes kunnen bereiken. In tegenstelling tot een gewoon statief zijn ze niet bedoeld om de camera trillingsvrij te houden. Ervaring leert dat deze statieven makkelijk hanteerbaar zijn tot 6 a 7 meter, en beperkt hanteerbaar tot 9 a 10 meter.
UAV: Deze zijn zeer handig voor plaatsen die onbereikbaar zijn met de andere platformen. Ook kunnen ze geautomatiseerd rondgestuurd worden om terreinen te fotograferen wat de arbeidsduur aanzienlijk vermindert in geval van grote oppervlaktes.
IWT-TETRAproject
3D4SURE
5·15
2. Voorbereiding Het is belangrijk om op voorhand al een aantal dingen te plannen, zoals waar je de camera kan positioneren, hoeveel tijd je hebt en hoe het zit met de weersomstandigheden. Een kort overzicht:
2.1 weersomstandigheden De weersomstandigheden bepalen sterk de lichtinval op de genomen foto's. Scherp zonlicht zorgt voor een veranderend schaduwspel en hoge lichtcontrasten op het object. Een volledig bewolkte hemel zorgt voor diffuus licht en een gelijkmatige belichting van het object. Mist en regen daarentegen verlagen drastisch de kwaliteit van de foto's. Indien je zelf de dag van de foto-opname kan kiezen, doe je dit dus best op een bewolkte dag. Hiervoor kan je meteorologische websites raadplegen zoals www.meteo.be en www.buienradar.be .
2.2 Cameraposities -Bereikbaarheid: Een eerste factor is hier de bereikbaarheid van ons object. Indien er beperkingen zijn qua bereikbaarheid zoals smalle steegjes of waterpartijen rondom het object, dan moeten we hiermee rekening houden. Een goede lenskeuze kan oplossing bieden (zie hoofdstuk 1.2). -GSD: Daarnaast is het belangrijk om de afstand tot een object en de onderlinge afstand tussen de opeenvolgende foto’s te bepalen. Dit gebeurt aan de hand van het kiezen van de GSD (ground sampling distance of pixeldichtheid) en de foto-overlap. De GSD is een handige eenheid die aangeeft met hoeveel millimeter een pixel op de foto zal overkomen.
-Overlap: Om een goede verwerking van de beelden te kunnen verwezenlijken, is het belangrijk om voldoende overlap te hebben tussen de verschillende foto’s, een punt kan pas in 3D bepaald worden als het op minimum 2 foto’s staat, die vanuit verschillende hoeken zijn genomen. -Overzichtsfoto’s, zijdelingse foto’s en detailfoto’s: IWT-TETRAproject
3D4SURE
6·15
Indien je vele foto’s moet maken van telkens een klein stukje van je onderwerp, kan het handig zijn om eens iets verderaf te gaan staan en te proberen om het hele onderwerp te kadreren, dit bevordert een goede oriëntatie van de cameraposities. Ook kan je voor elke foto loodrecht naar het onderwerp gericht, een foto naar links en rechts trekken om een goede oriëntatie te bevorderen. En indien sommige detailleringen een grotere resolutie vereisen of indien sommige vlakken dieper liggen, kunnen er nog altijd foto’s van dichterbij genomen worden. -Calculator: In geval men een geveloppervlak wil fotograferen, kan men gebruik maken van een berekeningstabel (zie de camerapositiecalculator) waarbij men een aantal cameragegevens moet ingeven en de GSD en foto-overlap percentages moet ingeven. Hieruit volgt dan een afstand tot object en onderlinge camerapositie afstand. Cameragegevens zoals sensorafmetingen kan je vinden op gespecialiseerde websites zoals http://www.dpreview.com/reviews/specs.asp -Base-height ratio Een laatste belangrijk concept is de base-height ratio. Dit is de verhouding tussen de onderling afstand van een fotopaar (base) en de afstand tot het object (height). Een onderlinge fotopaarafstand van 2 meter en een afstant tot object van 10 meter geeft een base-height ratio van 0,2. Algemeen geldt dat tussen de 0,2 en 1 een goede ratio is. Feitelijk heeft dit rechtstreeks te maken met de hoek van de zichtassen van 2 verschillende foto’s. Hoe kleiner de base-height ratio, hoe kleiner de hoek en dit geeft meer kans op fouten in een triangulatie.
2.3 tijd Tijd zal altijd een belangrijke rol spelen bij het plannen van een foto-opname, voor grote gebouwen kan dit namelijk lang duren. De factoren die het meeste tijd kunnen besparen zijn het kiezen van een kleinere GSD waardoor er minder foto’s nodig zullen zijn, en handheld foto’s nemen i.p.v. met een statief.
3. Camera-instellingen voor een goede belichting en scherpte De juiste camera-instellingen zoeken heeft voornamelijk twee doelstellingen. Een foto bekomen die zowel goed belicht als scherp is. Er zijn echter een aantal instellingen die deze twee eigenschappen beïnvloeden. We zullen per camera-instelling bondig uitleggen wat de beste keuze is en hoe sommige instellingen elkaar onderling beïnvloeden. -belichting Zorg ervoor dat als je de belichting instelt via diafragma en sluitertijd, dat het voorwerp zelf goed belicht is. Als je bijvoorbeeld een foto neemt waar ook veel heldere lucht op staat, dan zal je die foto moeten overbelichten om het voorwerp goed belicht te krijgen.
IWT-TETRAproject
3D4SURE
7·15
http://gavtrain.blogspot.be
In sommige gevallen kan het ook interessant zijn om de functie ‘Exposure bracketing’ toe te passen. Dit neemt telkens 3 foto’s, bij gewone belichting volgens de instellingen, onderbelicht en overbelicht. -scherpte De fotogrammetriesoftware maakt zijn berekeningen door het kunnen herkennen van punten op foto’s onderling. Het spreekt voor zich dat wazige foto’s de nauwkeurigheid serieus kunnen ondermijnen.
http://somersjolien.wordpress.com
3.1 resolutie De resolutie zet men standaard best op de hoogst mogelijke waarde. Hoe meer pixels per foto, hoe minder foto’s men moet trekken.
http://electronics.howstuffworks.com
IWT-TETRAproject
3D4SURE
8·15
3.2 focus Bij een verwisselbare lens bestaat meestal de mogelijkheid om te kiezen tussen autofocus en manual focus. Het beste is om deze op ‘manual focus’ te zetten en de focuswaarde op oneindig te zetten. Zorg dat bij het nemen van een fotosequentie de lensring van het objectief niet verdraait want dit zorgt voor veranderende distortieparameters. Je kan de lensring eventueel vastplakken met plakband om dit te voorkomen. Het lijkt misschien vreemd om de focuswaarde op oneindig te zetten maar samen met een grote scherptediepte kunnen objecten zowel kortbij als veraf scherp gefotografeerd worden. De scherptediepte kan beïnvloedt worden door de diafragmawaarde aan te passen, dit wordt in het hierop volgende subhoofdstuk uitgelegd.
http://www.etsy.com
3.3 diafragmawaarde Een grotere diafragmawaarde wil zeggen een kleinere diafragmaopening dus hoe groter de diafragmawaarde, hoe minder licht er op de sensor kan vallen.
Diafragma-openingen (http://en.wikipedia.org)
De diafragmawaarde heeft ook rechtstreeks invloed op scherptediepte (depth of field). Dit wil zeggen de afstand tussen het dichtsbijzijnde punt en het verste punt dat nog scherp wordt afgebeeld op de foto. Hoe groter de diafragmawaarde (hoe kleiner de diafragma-opening), hoe IWT-TETRAproject
3D4SURE
9·15
groter de scherptediepte wordt. Voor architectuurtoepassingen geldt meestal dat vanaf een diafragmawaarde van 11 de scherptediepte voldoende zal zijn. Al is de scherptediepte ook nog afhankelijk van de brandpuntsafstand, ze is namelijk omgekeerd evenredig met het kwadraat van de brandpuntafstand. Dus hoe kleiner de brandpuntsafstand, hoe groter de scherptediepte. Je kan op internet websites terugvinden waarop je de precieze relatie tussen diafragma en scherptediepte kan berekenen voor bepaalde camera’s of lenzen, bijvoorbeeld op http://www.dofmaster.com/dofjs.html .
3.4 sluitertijd Hoe langer de sluitertijd, hoe meer licht op de sensor kan vallen.
Relatie tussen sluitertijd en belichting (http://en.wikipedia.org)
Indien men gebruik maakt van een statief om trillingen te voorkomen, laat men de sluitertijd best afhangen van de gekozen diafragmawaarde. Bij een standaard digitaal toestel kan je dit via de modus ‘AV’ doen, in dit geval kan je een vaste diafragmawaarde instellen en zal het fototoestel zelf de sluitertijd kiezen die een goede belichting voor de totale foto bekomt. Doe deze handeling terwijl je het fototoestel op het voorwerp richt. Daarna kan je weer terug in manuele modus ‘M’ gaan om beide waarden vast te zetten. Bij professionele spiegelreflexcamera’s kan men dit ook rechtstreeks in manuele modus ‘M’ doen door de belichting (exposure level) na te kijken op het schermpje. Indien de foto’s handheld genomen worden of op een andere manier waarbij de camera niet perfect stil staat, dan neemt men de sluitertijd best 1/60s of korter, anders krijgt men bewegingsonscherpte. Indien bij een korte sluitertijd de foto dan onderbelicht wordt, zal men dan het diafragma of de iso-waarde moeten aanpassen. De relatie tussen sluitertijd en diafragmawaarde is overigens evenredig, hoe groter het diafragmagetal, hoe langer men de sluitertijd zal moeten zetten (bij eenzelfde iso-waarde).
3.5 Iso-waarde Standaard moet men de iso-waarde zo laag mogelijk proberen te zetten. Hoe hoger de isowaarde, hoe meer ‘korrelig’ de foto gaat worden en dus kwaliteitsverlies gaat lijden. Indien men echter handheld foto’s gaat maken en men bij een sluitertijd van 1/60 en een diafragmawaarde van 11 nog steeds een onderbelichte foto krijgt, dan kan men in dit geval best de iso-waarde hoger nemen.
Iso gevoeligheid (www.exposureguide.com)
IWT-TETRAproject
3D4SURE
10·15
3.6 witbalans De witbalans heeft betrekking op de kleurtemperatuur van De kleur van bvb een helderwit papier is afhankelijk van het omgevingslicht. Bij kunstlicht zal dit anders zijn dan bij daglicht. Ons oog corrigeert deze schijnkleuren maar bij een digitaal fototoestel moet dit worden ingesteld. De huidige toestellen kunnen dit echter zeer goed automatisch berekenen dus vandaar dat deze instelling op AWB (automatic white balance) mag gezet worden. Je kan het ook doen via een aantal voorgeprogrammeerde keuzes, bvb zonnig, bewolkt, TL-licht, enzovoort en bij geavanceerde toestellen kan je zelfs manueel de kleurtemperatuurwaarde instellen met behulp van een neutrale kaart (wit of 18% grijs).
http://berkelphoto.com
3.7 flits De flits wordt best uitgeschakeld. Het voorwerp zal er namelijk op iedere foto anders gaan uitzien indien vanuit elke camerapositie een lichtflits gestuurd wordt. Dit geeft telkens andere belichte vlakken en schaduwzones.
3.8 Timer-functie Indien men foto’s met statief maakt, kan men de timer op enkele seconden zetten. Op deze manier is men zeker dat trillingen zo veel mogelijk geëlimineerd worden tijdens het trekken van de foto.
IWT-TETRAproject
3D4SURE
11·15
3.9 brandpuntsafstand De brandpuntsafstand van een lens verwijst naar de afstand tussen de sensor en het punt in de lens waar alle lichtstralen kruisen. De brandpuntsafstand kan men best continu houden bij het maken van een fotosequentie. Dit is eenvoudiger naar kalibratie van de lensdistorties toe. Bij eenvoudige digitale camera’s kan je de zoomlens dus best volledig uitzoomen en dan niet meer veranderen.
3.10 Image stabilization Deze functie kan best worden uitgeschakeld. Image stabilization verandert lichtjes het principiële punt van een foto en daardoor kan er door de meeste fotogrammetriesoftware geen goede kalibratie bekomen worden.
3.11 Overzichtschema’s Onderstaande schema’s laten de onderlinge verhoudingen van de instellingen zien voor zowel handheld foto’s als met het statief gemaakte foto’s.
Foto’s met statief
IWT-TETRAproject
3D4SURE
12·15
Foto’s handheld
04. Andere aandachtspunten 4.1 materialiteit Voor een goede verwerking is het belangrijk dat er voldoende textuur aanwezig is op het te fotograferen object. De automatische verwerkingsstadia binnen sommige software pakketten hebben het moeilijk met: -reflecterende en glanzende oppervlakken -transparante oppervlakken -homogene of kenmerkloze oppervlakken Voor de eerste 2 problemen zijn er geen makkelijke oplossingen behalve dan dat men de oppervlakken afdekt. Voor homogene oppervlakken is er de eenvoudige oplossing om gekleurde vlakken aan het oppervlak te bevestigen, bijvoorbeeld targets. Ook kan men er een patroon op projecteren met een beamer.
4.2 Informatie op de foto Indien het om voorwerpen van beperkte omvang gaat, let er dan op dat je dit goed kadreert en dat er geen onnodige informatie op de foto staat. Indien mogelijk is het best om zoveel mogelijk bewegende onderdelen te vermijden op de foto’s, bijvoorbeeld auto’s. Indien er occlusie is van een bepaald stuk van het oppervlak, probeer dan minstens 2 foto’s te trekken waarop het stuk achter de occlusie opstaat. Controleer ook altijd de kwaliteit van de foto in situ zodat je ze nog kan hermaken indien nodig. Let hierbij vooral op belichting en scherpte. IWT-TETRAproject
3D4SURE
13·15
4.3 Nabewerking van foto’s Indien je een foto gaat nabewerken in bijvoorbeeld adobe photoshop en opnieuw opslaan, dan verlies je soms de EXIF-data waar de meeste fotogrammetrische softwarepakketten gebruik van maken. Je kan wel een aantal bewerkingen uitvoeren die geen invloed hebben hierop, zoals de belichting aanpassen, maar zaken zoals croppen leiden sowieso tot verlies van de EXIF-data. Indien je dus niet zeker bent, test het dan even op een gekopieerde foto en ga na of de EXIFdata nog aanwezig is.
4.4 Schaal Vergeet de schaal niet, indien je met een totaalstation enkele punten opmeet, kan je deze achteraf gebruiken in de fotogrammetrische software om het 3D-model te schalen.
IWT-TETRAproject
3D4SURE
14·15
APPENDIX I: Enkele voorbeelden
(zie manual Photoscan pro p.5)
IWT-TETRAproject
3D4SURE
15·15
