ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

PRAHA 2014

Miloslav PŮBAL

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ OBOR GEODÉZIE A KARTOGRAFIE

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Hrad Kost (okr. Jičín) – Tvorba fotoplánu pláště malé věže Vedoucí práce Ing. Jindřich HODAČ, Ph.D. Katedra geomatiky

červen 2014

Miloslav PŮBAL

ZDE VLOŽIT ZADÁNÍ

ABSTRAKT Cílem této bakalářské práce je vytvoření fotoplánu pláště malé věže na hradu Kost a také nalezení vhodného postupu rozvinutí snímků válcových, resp. kuželových objektů v softwaru Photo UnWrap. Práce se také bude věnovat případným problémům související s tímto softwarem. Dále bude popsán postup maskování a mozaikování dílčích rozvinutých rastrů v softwaru TopoL. Výsledný fotoplán by měl následně sloužit jako fotogrammetrická dokumentace v projektu NAKI (Ministerstvo kultury ČR), který se zabývá zkoumáním kvádrového zdiva složeného ze sedimentárních hornin.

KLÍČOVÁ SLOVA Fotoplán rozvinutí, kalibrace, distorze, software SIMphoto, software PhotoModeler, software Photo UnWrap, software TopoL, software MicroStation

ABSTRACT The aim of this work is to create a shell photomap of small tower in the castle Kost and find an appropriate procedure developed cylindrical frames, resp. conical objects in software Photo UnWrap. Work will also be focused on possible problems related to this software. It will describe how to camouflage a tessellation patterns in sub-developed software TopoL. The resulting photomap should then serve as a photogrammetric documentation of the project NAKI, which examines the walls composed of sedimentary rocks.

KEYWORDS Photomap, calibration, distortion, software SIMphoto, software PhotoModeler, software Photo UnWrap, software TopoL, software MicroStation

Čestné prohlášení

Prohlašuji, že jsem tuto bakalářskou práci vypracoval samostatně, pouze za odborného vedení vedoucího bakalářské práce Ing. Jindřicha Hodače, Ph.D. Dále prohlašuji, že veškeré podklady, ze kterých jsem čerpal, jsou uvedeny v seznamy použité literatury.

V Praze, dne . . . . . . . . . . . .

..................... Miloslav Půbal

PODĚKOVÁNÍ Rád bych poděkoval vedoucímu bakalářské práce za odborné vedení a pomoc při zpracování této práce. Dále bych chtěl poděkovat Ing. Štěpánovi Růžičkovi za odborné rady týkajících se softwaru Photo UnWrap, v neposlední řadě pak své rodině a přítelkyni za podporu při tvorbě bakalářské práce i během celého studia.

ČVUT v Praze, Fakulta stavební, Katedra geomatiky Bakalářská práce

Obsah ÚVOD ......................................................................................................................................... 8 1 Historie hradu Kost .................................................................................................................. 9 2 Program NAKI ....................................................................................................................... 12 3 O fotoplánu obecně ................................................................................................................. 13 4 Fotoplány válcových objektů .................................................................................................. 15 4.1 Technologie rozvinutí v softwaru Photo UnWrap ................................................................. 15 4.2 Komerčně dostupný software pro rozvinutí ........................................................................... 18 4.2.1 Fokus GmbH Leipzig ........................................................................................................ 18 4.2.2 Ad Hoc 3D Solutions ......................................................................................................... 19 4.2.3 Kubit GmbH ...................................................................................................................... 19 4.2.4 Interstudio .......................................................................................................................... 20 5 Sběr dat .................................................................................................................................. 22 5.1 Rekognoskace terénu ............................................................................................................... 22 5.2 Snímkování neměřickou komorou .......................................................................................... 23 5.2.1 Použitý fotoaparát ............................................................................................................. 24 5.2.2 Vnitřní nastavení fotoaparátu .......................................................................................... 26 5.3 Zaměření podrobných a vlícovacích bodů .............................................................................. 26 5.3.1 Použitá totální stanice ....................................................................................................... 28 6 Kalibrace neměřických komor ................................................................................................ 29 6.1 Kalibrace pomocí testovacího pole .......................................................................................... 30 6.1.1 Kalibrace s využitím 5 snímků ......................................................................................... 31 6.1.2 Kalibrace s využitím 12 snímků ....................................................................................... 33 7 Zpracování pořízených dat ..................................................................................................... 36 7.1 Úprava pořízených snímků ...................................................................................................... 36 7.2 Výpočet souřadnic zaměřených bodů ..................................................................................... 36 7.3 Odstranění distorze .................................................................................................................. 37

6

ČVUT v Praze, Fakulta stavební, Katedra geomatiky Bakalářská práce 8 Rozvinutí snímků v PUW ....................................................................................................... 39 8.1 Pracovní postup v PUW ........................................................................................................... 41 8.1.1 Seznámení s pracovním prostředím ................................................................................. 41 8.1.2 Načtení dat ......................................................................................................................... 42 8.1.3 Proložení bodů matematickým primitivem ..................................................................... 43 8.1.4 Výpočet prvků vnější orientace ........................................................................................ 44 8.1.5 Rozvinutí snímku ............................................................................................................... 45 8.1.6 Uložení fotoplánu ............................................................................................................... 46 8.2 Vzniklé problémy během práce v PUW .................................................................................. 46 8.2.1 Odstranění distorze ........................................................................................................... 46 8.2.3 Výpočet prvků vnější orientace ........................................................................................ 48 9 Tvorba fotoplánu v softwaru TopoL ....................................................................................... 52 9.1 Transformace a ořezání rastrů ................................................................................................ 52 9.2 Maskování a mozaikování ....................................................................................................... 54 10 Dokončení tvorby fotoplánu v softwaru MicroStation .......................................................... 58 11 Zhodnocení přesnosti výsledného fotoplánu .......................................................................... 59 Závěr ......................................................................................................................................... 60 Použitá literatura ...................................................................................................................... 61 Seznam obrázků ........................................................................................................................ 62 Seznam tabulek ......................................................................................................................... 64 Seznam příloh ........................................................................................................................... 65 A

Obsah DVD-ROM.............................................................................................................. 66

B

Náčrt s vyznačenými překryty snímků a se zaměřovanými body ...................................... 68

C

Příklad rozvinutí ................................................................................................................ 69

D

Souřadnice podrobných bodů v rovině fotoplánu ............................................................... 72

E

Mozaika po provedené retuši ............................................................................................. 73

F

Výsledný fotoplán .............................................................................................................. 74

G

Ověření vnitřní přesnosti výsledného fotoplánu ................................................................. 75

7


ÚVOD Jedním z hlavních cílů této bakalářské práce je vytvoření fotoplánu malé věže na hradě Kost, který se nachází v okrese Jičín. Práce navazuje na práci Ing. Ivy Pobořilové, která vytvořila fotoplány a 3D model celého hradu Kost v rámci své diplomové práce. Ve své práci se však z důvodu složitosti tvorby fotoplánů válcových objektů nevěnovala právě malé věži, která se nachází na jižní straně zkoumaného objektu. Jelikož hrad Kost je jedním ze zkoumaných objektů v rámci projektu NAKI, bude výsledný fotoplán věže sloužit jako jeden z mnoha fotogrammetrických podkladů tohoto projektu, jehož cílem je vytvoření komplexní metodiky pro průzkumy a opravy kvádrového lícového zdiva historických objektů tvořeného sedimentárními horninami. Dalším z hlavních cílů bakalářské práce je otestování a nalezení vhodného postupu práce v programu Photo UnWrap. Tento software vznikl na základě diplomové práce Ing. Štěpána Růžičky a zabývá se rozvinutím snímků válcových, ale i kuželových objektů. Problematice, týkající se rozvinutí těchto typů těles, se v současné době věnuje několik světových firem (Kubit GmbH, Ad Hoc 3D Solutions a další), které však software poskytují uživatelům prostřednictvím placené licence. V práci bude také okrajově zmíněná historie hradu a základní informace o projektu NAKI. Dále pak zde bude popsáno přístrojové vybavení, které sloužilo pro získání potřebných dat. Text práce je koncipován tak, aby byly popsány všechny důležité kroky od sběru dat, přes rozvinutí jednotlivých snímků do fotoplánu, až po jejich spojení ve výsledný fotoplán. V těchto krocích došlo k určitým problémům, které jsou zde také popsány i s jejich případným odstraněním.

8


1 Historie hradu Kost Pokud bychom se nejprve zaměřili na geografickou polohu tohoto objektu, tak zjistíme, že hrad je postaven na velice taktickém místě, co se obrany týče. Nachází se v údolí překrásné oblasti jménem Český ráj, kterou v dnešní době ocení hlavně návštěvníci hradu. Je obklopen několika močály i rybníky, což z něj ve středověku dělalo takřka nedobytnou pevnost. Se samotnou stavbou hradu je spojováno jméno šlechtice prastarého rodu Markvartů, Beneše z Vartemberka, který žil ve 14. století (okolo roku 1350). Sám si nechával říkat od svého panstva Benesius di Costi, z čehož je zřejmý název hradu „Kost“. Costi v překladu znamená „kamenný“ nebo „tvrdý“. Místo stavby určil na skalnatém, pískovcovém bloku. Stavebním materiálem byly kamenné kvádry, z nichž je postaven prakticky celý objekt. Zajímavostí u těchto kvádrů je důlek nacházející se v jeho středu. Důlek sloužil pro uchycení speciálních kleští, se kterými se opracované kvádry transportovaly na stavbu. Z počátku se stavba skládala jen ze sálu a jedné věže, jelikož Beneš z Vartemberka veškeré své jmění vložil do nedalekého soboteckého panství. Prvním dědicem hradu Kost byl Benešův syn, který ve svém životě mj. zastával funkci nejbližšího spolupracovníka Karla IV. Benešův syn údajně hrad přestavěl a z jeho úprav se toho hodně zachovalo až do současnosti. V období renesance se stal dalším majitelem Jan z Bibrštejna. Jeho jméno nese i jeden z paláců, jenž byl postaven okolo roku 1545. Neposledním majitelem skvostného středověkého objektu byl Kryštof Popel z Lobkovic patřící mezi jednoho z nejvýznamnějších příslušníků tachovské větve lobkovického rodu. Působil i na dvoře Rudolfa II. a zastával funkci nejvyššího hofmistra. Za jeho působení na hradě byl vystavěn pivovar, ale i další palác (Lobkovický palác).

9


Obr. 1: Schématický plán současného stavu hradu Kost [Zdroj: http://www.castles.cz/hrad-kost/galerie-obrazky-nakresy-historie.html]

Následně však přišlo „černé“ období hradu. V roce 1635 totiž došlo k tomu, že hrad vyhořel. Ohněm byl zasažen kompletně celý hrad, krom místního pivovaru a podhradí. Hradu nepomohlo ani vlastnictví rodem Černínů. Hrad stále více chátral a krátce se také využíval jako sýpka pro obilí. Zachránkyní hradu se stala Anna Maria Dal-Borgo Netolická, žena Norberta Kinského. Potomci jsou dnešními majiteli hradu Kost. Ve 20. století došlo k několika rekonstrukcím, jako například výměně střechy. V roce 1946 přišel další požár. Požár nebyl takového rozsahu, avšak zasáhl cenný archiv nacházející se v Bibrštejnském paláci. Za dob komunistů také došlo k zestátnění hradu a bylo zde zřízeno muzeum gotického a renesančního umění. Během restitucí byl objekt navrácen původním majitelům, tedy rodu Kinských.

10


V dnešní době je hrad přístupný veřejnosti. Správci hradu připravili i několik prohlídkových okruhů pro návštěvníky, samozřejmě za doprovodu průvodců.

Obr. 2: Hrad Kost [Zdroj: http://www.joutrip.com/cs/hrad-kost-p335]

V této kapitole bylo čerpáno z [1] a [3].

11


2 Program NAKI Program NAKI neboli program aplikovaného výzkumu a vývoje národní a kulturní identity, jehož financování zajišťuje ministerstvo kultury, se zabývá několika projekty. Mezi tyto projekty patří i projekt s názvem: „Komplexní metodika pro výběr a řemeslné opracování náhradního kamene pro opravy kvádrového zdiva historických objektů“. Mezi účastníky projektu patří České vysoké učení technické v Praze (Fakulta stavební), Národní technické muzeum a Ústav teoretické a aplikované mechaniky AV ČR. Na webových stránkách projektu je uvedeno: „Cílem projektu je vytvoření komplexní metodiky pro průzkumy a opravy kvádrového lícového zdiva historických objektů tvořeného sedimentárními horninami. Metodika přehledně shrnující technické, technologické a památkové požadavky bude zaměřena především na definování a praktické ověření souborných kritérií výběru nejvhodnějšího druhu nového kamene určeného pro stavební a restaurátorské zásahy při zpracování, s důrazem na respektování maximální autentičnosti a specifických charakteristik dané památky. S pomocí této metodiky bude možné provést adekvátní stavebněhistorické, technologicko-řemeslné a stavebně-technické průzkumy a následně navrhnout optimální postup při obnově konkrétního historického objektu.“ Zadavatelem této bakalářské práce je Mgr. Michal Panáček zastupující Národní technické muzeum v projektu NAKI, a proto budou její výsledky sloužit jako fotodokumentace kamenného zdiva na hradu Kost. Nejdůležitějším výstupem bakalářské práce je fotoplán malé věže, ze kterého bude dále možno určit jednotlivé etapy stavby, opravy, ale také i následky působení přírodních faktorů na kamenné kvádrové zdivo. Informace obsahující tato kapitola byly získány z [4].

12


3 O fotoplánu obecně Jeden z mnoha výsledků fotogrammetrie je fotoplán. Vytvoření samotného fotoplánu patří mezi výstupy jednosnímkové fotogrammetrie, ať už se jedná o pozemní či leteckou. Využívá se geometrického vztahu dvou rovin, kde jedna rovina je rovina snímku a druhá je rovina zájmového území nebo objektu. Tento geometrický vztah je podrobně popsán v [7] a nazývá se Pappova věta.

𝐴 1 𝐶1 𝐵1 𝐶1 𝐴1𝐷1 𝐵1 𝐷1

=

𝐴2 𝐶2 𝐵2 𝐶2 𝐴2 𝐷2 𝐵2 𝐷2

Obr. 3: Pappova věta [Zdroj: PAVELKA, Karel, Fotogrammetrie 1]

Znění Pappovy věty: „Dvojpoměr čtveřice bodové nebo paprskové zůstává v rovině mapy a snímku zachován.“ V ideální případě by obě roviny byly navzájem rovnoběžné a tudíž by byl rozdíl pouze v měřítku obrazu a stěny objektu. Ve skutečnosti se však setkáváme s případy, kdy obě roviny rovnoběžné nejsou a měřítko snímku se tedy mění v závislosti na poloze. Matematickým vyjádřením Pappovy věty je kolineární transformace, která vyjadřuje vztah mezi rovinou snímku mapy a terénu. Jedná se o transformaci ze 3D do 2D, jež je používána v jednosnímkové fotogrammetrii a dána vztahem:

𝑋= kde

´ ̂𝑦 ´ +𝑎 ̂𝑥 ̂3 𝑎 1 +𝑎 2 ´ ´ ̂𝑦 ̂ 𝑐̂𝑥 1 +𝑐 2 +𝑐 3

𝑌=

̂1 𝑥 ´ +𝑏 ̂2 𝑦 ´ +𝑏 ̂3 𝑏 ´ ´ ̂𝑦 ̂ 𝑐̂𝑥 1 +𝑐 2 +𝑐 3

X, Y jsou geodetické souřadnice, x, y jsou snímkové souřadnice. 13


Největším limitujícím faktorem, podstatně ovlivňující výslednou přesnost fotoplánu, je hloubková členitost zaměřovaného objektu. Z toho vyplývá, že použití jednosnímkové metody pro výrazně členité objekty není vhodné, jelikož se veškeré námi určené vlícovací body nenachází v jedné rovině. Zde tedy nastává největší „úskalí“ při tvorbě fotoplánu válcového objektu. Na obr. 4 je znázorněna maximální odlehlost, která je rovna poloměru válce. Výsledný obraz bodu P je zatížen radiálním posunem ∆r´´ . ∆𝑦 ∗ 𝑟 ′ ∆𝑟 = 𝑓∗𝑚 ′′

∆𝑦 =

𝑓 ∗ 𝑚 ∗ ∆𝑟 ′′ 𝑟′

f … ohnisková vzdálenost m … měřítkové číslo r´… max. snímková souřadnice ∆y … maximální odlehlost

Obr. 4: Plášť válce znázorňující hloubkovou členitost objektu [Zdroj: RŮŽIČKA, Štěpán, Diplomová práce]

Na rozdíl od pořízené fotografie (obrázku) je fotoplán vytvořen v požadovaném měřítku a je orientován, tudíž v něm lze měřit. Dnes se tvorba fotoplánu využívá převážně v pozemní fotogrammetrii například pro zaměření a dokumentaci fasád stavebních objektů. V této kapitole bylo čerpáno z [2] a [7].

14


4 Fotoplány válcových objektů V této kapitole bude stručně popsána technologie rozvinutí v softwaru Photo UnWrap, podrobněji pak v kap. 8. Dále zde budou okrajově zmíněny komerčně dostupné softwary a jejich principy vytvoření fotoplánu válcového či kuželového objektu.

4.1 Technologie rozvinutí v softwaru Photo UnWrap Tato bakalářská práce se zabývá vytvořením fotoplánu válcových objektů pomocí

rozvinutí snímku v softwaru Photo UnWrap, dále jen PUW, vytvořený Ing. Štěpánem Růžičkou. Schéma technologických úkonů v tomto softwaru je zřejmé z obr. 5. Princip rozvinutí spočívá v ortogonálním proložení námi zvoleného tělesa podrobnými body, které minimalizuje sumy čtverců nejkratších vzdáleností všech bodů od jejich průmětu na tělese. Pro prokládání tělesem je v PUW na výběr ze tří možnosti a to konkrétně válec, válec s daným poloměrem a kužel. Proložením získáme parametry samotného tělesa, které ho prostorově popisují a definují tak lokální soustavu, ve které budou probíhat další výpočty.

Načtení vstupních dat

Proložení matematickým primitivem (válec, kužel)

Výpočet prvků vnější orientace

Rozvinutí snímku + odstranění distorze

Obr. 5: Technologické kroky v PUW [Zdroj: Autor]

Po proložení tělesa naměřenými podrobnými body přichází další důležitá etapa, a to výpočet prvků vnější orientace ze zaměřených vlícovacích bodů. Prvky vnější orientace se myslí parametry definující polohu projekčního centra a směr osy záběru zpracovaných snímků. Na základě výpočetních knihoven, jenž jsou použity ve zmiňovaném softwaru, je minimální možný počet vlícovacích bodů pro výpočet prvků vnější orientace roven čtyřem. Tvůrce programu si však tuto podmínku uměle upravil na pět potřebných bodů s tím, že je optimální i tuto podmínku navýšit nejlépe o dvojnásobek bodů, pokud to situace dovoluje. Vyšší počet 15


vlícovacích bodů zajistí lepší možnost kontroly výpočtů a v neposlední řadě také zvýšení přesnosti. Závěrečnou etapou v programu PUW je rozvinutí ve fotoplán a případná oprava snímku o distorzi objektivu. Vznik fotoplánu je realizován pomocí několika transformací. Prázdný rastr, předpřipravený programem podle typu tělesa a velikosti pixelu, bude procházen po řádcích a každému pixelu bude přiřazována pozice na snímku, která fotoplánu v daném místě odpovídá. Provedou se celkem tři transformace a to konktrétně transformace soustavy fotoplánu do soustavy tělesa, poté ze soustavy tělesa do globální soustavy a na závěr z globální soustavy do soustavy snímku, postup je zobrazen na obr. 6. Z těchto transformací tedy získáme snímkové souřadnice, které jsou dále použity pro převzorkování obrazu pomocí tří nabízených typů interpolací (metoda nebližšího souseda, bilineární interpolace a bikubická interpolace).

Obr. 6: Transformační kroky - vznik fotoplánu [Zdroj: RŮŽICKA, Štěpán, Diplomová práce]

16


Obr. 7: Příklad zpracování v PUW (válec) [Zdroj: RŮŽICKA, Štěpán, Diplomová práce]

Obr. 8: Příklad zpracování v PUW (kužel) [Zdroj: RŮŽICKA, Štěpán, Diplomová práce]

17


4.2 Komerčně dostupný software pro rozvinutí

Problematikou rozvinutí válcových objektů ve fotoplán se zabývá i několik zahraničních společností, které si vyvíjí vlastní programy a případně je nabízejí zájemcům prostřednictvím placené licence. Na základě tohoto zjištění byl vytvořen Ing. Štěpánem Růžičkou software PUW, jenž je závislý „pouze“ na licenci výpočetního softwaru Matlab.

4.2.1 Fokus GmbH Leipzig

Tato německá společnost má několikaletou tradici. Pro zpracování fotoplánů zakřivených povrchů (věže, kupole, apsidy, klenby) využívají svůj software nazývaný metigo 3D, který nabízí vysokou geometrickou přesnost. Společnost zákazníkovi nabízí kompletní zpracování od geodetického měření, snímkování až po tvorbu samotného fotoplánu v měřítku. Tvorba fotoplánu probíhá pomocí projekcí jednotlivých snímků na válec, které jsou na závěr spojeny ve fotoplán.

Obr. 9: Pracovní prostředí softwaru metigo 3D [Zdroj: http://www.fokus-gmbh-leipzig.de/metigo_stereo.php?lang=sp]

18


4.2.2 Ad Hoc 3D Solutions

Prioritou italské společnosti Ad Hoc 3D Solutions je zpracování dat z laserového skenování, jejíž výstupem je 3D model. Společnost nabízí zákazníkům několik typů programů, mezi nimiž se nachází i software Ortofoto cilindrica. Zákazníci, kupující si software Ad Hoc, mohou požádat o vývoj nových funkcí podle jejich individuální potřeby.

Obr. 10: Pracovní prostředí softwaru Ortofoto cilindrica [Zdroj: http://www.adhoc3d.com/en/adhoc/]

4.2.3 Kubit GmbH

Další z předních německých, ale i světových firem, zabývající se dokumentací skutečného stavu stavebních objektů nabízí několik produktů, které si může zákazník zakoupit dle vlastní potřeby. Mezi nabízenými produkty se nachází také software PhotoPlan (dále pak verze Basic, Pro, Ultimate), pracující v prostředí AutoCAD. Jak již název napovídá, jedná se o program určený pro zpracování fotogrammetrických dat. Verze PhotoPlan Ultimate umožňuje promítání povrchů válcových objektů do roviny. 19


Obr. 11: Pracovní prostředí softwaru PhotoPlan [Zdroj: http://www.kubit-software.com/CAD/Products/PhoToPlan_Camera]

4.2.4 Interstudio Italská společnost Interstudio nabízí pro rozvinutí zakřivených ploch do roviny program DigiCAD 3D. Jedná se o fotogrammetrický software umožňující krom výpočtů i vektorizaci. Zájemci mohou využít možnosti poskytnutí časově omezené licence pro vyzkoušení tohoto softwaru.

20


Obr. 12: Pracovní prostředí softwaru DigiCAD 3D (Colosseum Rome) [Zdroj: http://www.interstudio.net/DigicadE.html]

V této kapitole bylo čerpáno z [2], [8], [9], [10] a [11].

21


5 Sběr dat Jelikož se bakalářská práce zabývá fotogrammetrickou dokumentací malé věže na hradu Kost, je tato kapitola zaměřena na sběr potřebných dat k vytvoření výsledného fotoplánu. Pod pojmem „sběr dat“ je zde myšleno pořízení několika snímků zájmového objektu a dále pak geodetické zaměření podrobných a vlícovacích bodů, které budou sloužit pro proložení matematickým primitivem (tj. zde válcem), resp. pro výpočet prvků vnější orientace. V této kapitole také budou ve zkratce popsány použité přístroje a postup měření.

5.1 Rekognoskace terénu

Za

doprovodu

Mgr.

Michala

Panáčka, jako zadavatele, byl zjištěn aktuální stav v blízkém okolí malé věže a také byl dohodnut rozsah a parametry požadovaného výstupu. Na základě domluvy se stanovilo, že výsledný

fotoplán

válcové

věže

bude

vyhotoven pomocí technologie rozvinutí jednotlivých snímků v programu PUW a jejich

spojením

Geodetické

v

zaměření

softwaru bude

TopoL.

realizováno

pomocí polární metody. Jedním

z

důležitých

úkolů

rekognoskace bylo určení stanovisek pro pořízení měřických snímků a stanovisek pro geodetické měření. Obr. 13: Jižní strana malé věže na hradu Kost [Zdroj: Autor]

22


5.2 Snímkování neměřickou komorou Dle [2] je doporučeno snímkování celého válce minimálně z osmi směrů. V tomto případě by tedy postačilo pouze šest stanovisek, jelikož věž je „připojena“ k další části hradu a nemůžeme tedy pořídit snímky kompletně celého válce. Je však žádoucí pořídit několik snímků navíc, protože rozvinuté snímky nebude možné využít až do krajů kvůli velkému zkreslení. Z tohoto důvodu bylo zvoleno o jedno snímkovací stanovisko navíc, abychom docílili dostatečného překrytu sousedních snímků a dosáhli jsme lepšího výsledku při vyhotovování fotoplánu. Během snímkování se také pořídily tři snímky celé věže, které dále sloužily pro vyhotovení náčrtů. Tyto náčrty dále sloužili ke správné identifikaci podrobných, resp. vlícovacích bodů na objektů při geodetickém měření a také se do nich přibližně vyznačily zájmové oblasti jednotlivých snímků, aby byl zřejmý jejich vzájemný překryt. Použitý fotoaparát a jeho nastavení bude popsán v kap. 6.2.1 a kap. 6.2.2. Schématické rozmístění stanovisek pro snímkování je znázorněno na obr. 14 a počet pořízených snímků na jednotlivých stanoviscích v tab. 1. Příklad jednoho vyhotoveného náčrtu je k nalezení v Příloze A, dále jsou veškeré náčrty k dispozici na přiloženém DVD (složka GEODEZIE).

Obr. 14: Rozmístění stanovisek pro snímkování [Zdroj: Autor]

23


Stanovisko 1 2 3 4 5 6 7

Počet snímků 4 4 3 3 2 4 3

Orientace snímků

Na šířku

Tab. 1: Počet pořízených snímků na stanoviscích [Zdroj: Autor]

5.2.1 Použitý fotoaparát

Na snímkování malé věže byla použita digitální zrcadlovka Canon EOS 5D Mark II. Tento fotoaparát disponuje rozlišením Full Frame a nabízí také velmi vysokou citlivost ISO až 25 600. Ke zpracování obrazu využívá obrazový procesor DIGIC 4 s velmi kvalitní reprodukcí barev a jemnými přechody tónů. Parametry zrcadlovky 

Rozměr pixelu 6,4 μm,



21,1 MPx senzor CMOS Full Frame  velikost čipu 35,9424 mm x 23,9616 mm,



Procesor DIGIC 4,



Záznam filmů v rozlišení Full HD (1080, 30 snímků/s),



3,0´´ displej VGA LCD s vysokým rozlišením a režimem Live View,



Snímání JPEG rychlostí až 3,9 snímku/s až do naplnění kapacity karty,



9 bodový AF + 6 pomocných bodů AF,



ukládání snímků do ve formátu .CR2, ale i JPEG.

24


Obr. 15: Canon EOS 5D Mark II [Zdroj: http://www.canon.cz/For_Home/Product_Finder/Cameras/Digital_SLR/EOS_5D_Mark_II/]

S tímto fotoaparátem byl použit objektiv Canon EF 50mm f/1.8 II. Objektiv zaujme svojí kompaktností a také poskytnutím velmi kvalitního ostrého obrazu s vynikajícím vyvážením barev. Je vybaven vestavěným motorem automatického zaostřování, navíc obsahuje elektromagnetickou clonu, která zajišťuje dosažení správné polohy mechanické clony. Parametry objektivu 

Horizontální zorný úhel 40˚,



Vertikální zorný úhel 27˚,



Diagonální zorný úhel 46˚,



Světelnost 1,8,



Maximální clonové číslo 22,



Minimální zaostřovací vzdálenost 45 cm.

25


Obr. 16: Objektiv Canon EF 50mm f/1.8 II [Zdroj: http://www.canon.cz/For_Home/Product_Finder/Cameras/EF_Lenses /EF_50mm_f1.8_II]

V této podkapitole čerpáno z [5].

5.2.2 Vnitřní nastavení fotoaparátu Použitý fotoaparát a objektiv je popsán v kap. 5.2.1. Před samotným snímkováním bylo ještě potřeba nastavit několik parametrů, a to tak: rozlišení 5616 x 3744 pixelů (full frame), citlivost ISO nastavena na 320, režim expozice na manuál. Ohnisková vzdálenost se zvolila f = 50 mm, což odpovídá maximu použitého objektivu. Blesk byl během snímání vypnut. Expoziční časy se pohybovaly od 1/30s do 1/125s. Závěrka clony vycházela na hodnotu f/11. Celkem bylo pořízeno 34 snímků. Fotografie se ukládaly do formátu .CR2. Tento RAW formát používá výhradně výrobce fotoaparátů značky Canon.

5.3 Zaměření podrobných a vlícovacích bodů Po pořízení snímků malé věže následovalo geodetické zaměření podrobných a vlícovacích bodů. Stanoviska měřické sítě se určila během rekognoskace. Rozmístění stanovisek je znázorněno na obr. 17. Vzhledem k budoucím výsledkům této práce se stanovilo, že není nutné souřadnicové připojení do systému S-JTSK. Výškové připojení proběhlo na bod měřické sítě Ing. Ivy Pobořilové, která prováděla zaměření fasád hradu v rámci své diplomové práce, podrobně popsáno v [1]. Pro usnadnění dalšího zpracování byly voleny vlícovací body 26


přímo na povrchu věže, aby se daly využít jako podrobné body určené k proložení matematickým primitivem. Dále je proto používán jednotný název „podrobné body“. Dle dohodnutého zadání se zadavatelem bylo realizováno geodetické měření polární metodou. Měření v síti probíhalo v obou polohách dalekohledu s využitím odrazného hranolu jako cíle umístěného centricky nad stanoviskem. Z každého stanoviska byly zároveň měřeny podrobné body v jedné poloze dalekohledu s využitím bezhranolového měření pomocí laseru z důvodu příliš strmých záměr. Použití laseru sebou nese určité riziko a to takové, že během slunečného počasí je laserová stopa na stavebním objektu takřka neviditelná. Z tohoto důvodu se provedlo geodetické měření téměř za soumraku, avšak bez následného kontrolního měření vybraných bodů. Přibližná kontrola proběhla, v rámci zpracování, pomocí průsekové metody v softwaru PhotoModeler Scanner 6, která napomohla vyloučit velice špatně zaměřené body. Tento způsob kontroly bude popsán v podkapitole 8.2.3. Veškeré naměřené hodnoty byly ukládány do paměti přístroje. Naměřenými hodnotami jsou myšleny výšky a čísla stanovisek, vodorovné úhly, zenitové úhly, šikmé délky, výšky a čísla cílů. Stanoviska měřické sítě se očíslovaly číselnou řadou od 4001 do 4004 a podrobné body číselnou řadou s počátečním bodem č. 1. Při měření nejvyšší části věže se číslování bodů změnilo na číselnou řadu s počátečním bodem č. 401, protože tato část tvořila válec s větším poloměrem a musela být tedy brána jako samostatný celek. Číslování podrobných bodů je shodné s čísly bodů v náčrtech.

Obr. 17: Rozmístění stanovisek pro geodetické měření [Zdroj: Autor]

27


5.3.1 Použitá totální stanice Použitou totální stanicí pro geodetické zaměření podrobných bodů byl přístroj s označením Trimble 3600 DR, zobrazen na obr. 18. Výrobcem této totální stanice, jak již samotný název napovídá, je světoznámá firma Trimble. Přístroj umožňuje měření délek za pomocí odrazného hranolu, ale i bezhranolově s využitím červeného laseru, který má vlnovou délku 660 nm. Přesnost dálkoměru výrobce uvádí hodnotou 3 mm + 2 ppm, přičemž maximální dosah měření délek laserem je 120 m. Přesnost měření úhlů se váže na normu DIN 18723. Totální stanice umožňuje elektronické ukládání dat a následný export do PC pomocí USB kabelu.

Obr. 18: Trimble 3600 DR [Zdroj: http://www.geosurvey.co.uk/Product.aspx?ProductID=127]

V této podkapitole čerpáno z [6].

28


6 Kalibrace neměřických komor Mezi neměřické komory patří téměř veškeré běžně dostupné digitální fotoaparáty, které nejsou primárně určeny pro použití v oblasti fotogrammetrie. Pod pojmem „neměřická komora“ je tedy myšlen takový fotoaparát, u kterého nám nejsou známy jeho vlastnosti a to zejména prvky vnitřní orientace, znázorněny na obr. 19. Prvky vnitřní orientace se rozumí: 

konstanta komory f,



poloha hlavního snímkového bodu H‘,



radiálně-symetrické zkreslení,



tangenciální a asymetrické zkreslení,



afinita a nekolmost os souřadnicového systému.

Obr. 19: Prvky vnitřní orientace [Zdroj: lfgm.fsv.cvut.cz]

V rámci fotogrammetrie rozlišujeme tři základní typy kalibračních metod, kterými je možné určit prvky vnitřní orientace: 

laboratorní kalibrace,



simultánní kalibrace,



kalibrace s použitím testovacího pole - nejběžnější metoda.

V této kapitole čerpáno z [7]. 29


6.1 Kalibrace pomocí testovacího pole Princip spočívá v nasnímání rovinného či prostorového pole z několika vhodně konfigurovaných geometrických stanovisek tak, aby pořízené snímky zaujímaly maximální možnou plochu testovacího pole a osy záběru jednotlivých snímků byly konvergentní. Pole může být přenosné i pevně připevněné a obsahuje body se známými souřadnicemi či vzdálenostmi mezi nimi. Pro tuto metodu kalibrace se využívá čtyř až dvanácti snímků, které jsou vzájemně pootočené. V rámci bakalářské práce byla využita kalibrace s dvěma typy kalibračních polí, pro které se pořizovalo pět, resp. dvanáct snímků. Porovnat jednotlivá kalibrační pole je možné na obr. 20 a obr. 21. Druhé zmiňované testovací pole je dodáváno se softwarem PhotoModeler Scanner 6, dále jen PMS.

Obr. 21: Kalibrační pole pro 12 snímků

Obr. 20: Kalibrační pole pro 5 snímků [Zdroj: Autor]

[Zdroj: Autor]

Důvodem použití dvou typů polí byl ne zcela korektní výpočet všech prvků vnitřní orientace v softwaru PMS. Tento problém nastal během výpočtů s kombinací pěti kalibračních snímků a popsán bude v závěru následující podkapitoly.

30


6.1.1 Kalibrace s využitím 5 snímků V této podkapitole je přibližně shrnut postup kalibrace pomocí testovacího pole s pěti pořízenými snímky. Před snímáním kalibračního pole se fotoaparát nastaví tak, aby vnitřní nastavení bylo pokud možno totožné s vnitřním nastavení při snímání malé věže na hradu Kost. Zvolí se manuální ostření, nastaví se clona, čas a ohnisková vzdálenost na maximální hodnotu f = 50 mm. Po nastavení fotoaparátu následuje pořízení čtyř snímků ve směru úhlopříček pod úhlem 45˚ a na závěr jeden snímek přibližně rovnoběžný s kalibračním polem. Stanoviska snímkování

a

pozici

znázorňuje obr. 22.

kalibračního

pole

Samotná kalibrace

probíhala v již výše zmiňovaném softwaru PMS. Obr. 22: Znázornění 5 stanovisek snímkování v 3D Vieweru [Zdroj: Autor]

V prvním kroku se založí projekt pomocí funkce Points-based project, do kterého se dále načte pět kalibračních snímků a nastaví se přibližné hodnoty ohniskové vzdálenosti, rozměrů snímku a polohy hlavního bodu. Po tomto nastavení je zahájena vlastní kalibrace. Pro každý snímek se provede automatické označení bodů pomocí funkce Automatic Target Marking, která se nachází ve složce Marking. V této funkci je však ještě důležité nastavit její parametry, především zatrhnutí položky Perform Sub-pixel marking a zvolení LSM (tj. metoda nejmenších čtverců). Poté pomocí tlačítka Pick Region… se vybere oblast, která obsahuje veškeré body na snímku. Během automatického označování bodů na kalibračním poli může také dojít k tomu, že se označí i některé nežádoucí objekty, které se však dají jednoduše smazat.

31


Po automatickém označování se provede ruční výběr osmi totožných bodů na jednom snímku a referencování na zbývajících čtyřech snímcích pomocí funkce Referencing Mode v záložce Referencing. Po dokončení referencování je zahájen první předběžný výpočet, který se spustí funkcí Process v záložce Project a nastaví se jeho parametry v Options, kde se zaškrtne Orient All Photos. Poté je nutné zkontrolovat chyby na referencovaných bodech v záložce Point table, sloupec Largest Residual. Touto kontrolou se eliminují hrubé chyby. Následně se doreferencují všechny zbývající body na kalibračním poli pomocí funkce Automatic Refencing a stiskem tlačítka Execute Refencing. Nemusí však dojít k přiřazení všech bodů, proto je nutné chybějící body nareferencovat ručně. Na závěr se provede druhý výpočet se stejným nastavením, jako ve výpočtu prvním. Výsledkem je grafické znázornění hodnoty parametru tzv. Total Error, jenž je iterativně počítán a jeho hodnota by se měla blížit nule. Pokud tomu tak není, je potřeba zkontrolovat chyby na jednotlivých bodech v záložce Point Table a případně vypnout body s největší hodnotou Largest Residual. Poté je však důležité znovu spustit výpočet. Během

tohoto

způsobu kalibrace však došlo k problémům při výpočtu. Výpočet nebyl dokončen, a proto se museli

výpočtu

z

vypustit

některé

parametry

určené

k

výpočtu.

Výběr

parametrů, které se mají vypočítat,

se

nastaví

Obr. 23: Nastavení parametrů pro výpočet [Zdroj: Autor]

v záložce Options 

Prefences  Self and Field Calibration. Použité nastavení znázorňuje obr. 23. Z důvodu nedokončeného výpočtu všech parametrů byla provedena kalibrace pomocí testovacího pole dodávaného se softwarem PMS, u něhož se pořizuje dvanáct kalibračních snímků.

32


6.1.2 Kalibrace s využitím 12 snímků Jak již bylo zmíněno, kalibrační pole je nutno nasnímat 12 krát podle návodu, který zveřejňuje na svých internetových stránkách výrobce softwaru, viz [12]. Pole se nasnímá ze všech čtyř stran a zároveň ve třech pozicích, a to konkrétně v normální poloze přibližně pod úhlem 45˚, v poloze otočené kamery o 90˚ doleva a v poloze otočené kamery o 90˚ doprava. Vznikne tedy dvanáct snímků, se kterými se provede výpočet kalibrace. Postup výpočtu kalibrace začíná založením nového Camera Calibration project a načtením dvanácti pořízených snímků. V záložce Project, položka Cameras se nastaví výchozí parametry komory (ohnisková vzdálenost, poloha hlavního bodu, rozměry čipu). Nastavení výchozích parametrů je zřejmé z obr. 24. Po tomto nastavení se provede přibližný výpočet kalibračních parametrů.

Obr. 24: Nastavení výchozích parametrů komory [Zdroj: Autor]

33


Software PMS provádí výpočet kalibračních parametrů ve dvou fázích (tzv. Stage), které je třeba ručně nastavit. Toto nastavení, zobrazeno na obr. 25 a obr. 26, je k nalezení v záložce Project, položka Camera Calibration, tlačítko Options. Nastavení Stage 1: → automatické označování → automatické referencování → výpočet ohniskové vzdálenosti → výpočet polohy hlavního bodu → výpočet parametru distorze K1

Obr. 25: Nastavení parametrů – Stage 1 [Zdroj: Autor]

Nastavení Stage 2: → automatické označování → automatické referencování → výpočet ohniskové vzdálenosti → výpočet polohy hlavního bodu → výpočet veškerých parametrů distorze Obr. 26: Nastavení parametrů - Stage 2 [Zdroj: Autor]

34


Samotný výpočet se spouští tlačítkem Execute Calibration. Ve většině případů však software nedokáže zcela správně označit a referencovat veškeré body, proto je nutné tyto chyby ručně opravit pomocí funkce Sub-pixel Target Mode a Referencing Mode. Po této korekci se musí opět nastavit kalibrační parametry na výchozí hodnoty. Dále se také musí znova nastavit obě fáze pro výpočet kalibračních parametrů a to tak, že se vypne automatické označení bodů a automatické referencování. Zbývající nastavení zůstává stejné jako v předchozím případu. Výsledné hodnoty prvků vnitřní orientace jsou patrné z obr. 27 a jsou dále využity, na rozdíl od předchozího typu kalibrace, pro odstranění distorze objektivu na pořízených snímcích. Výsledky kalibrace a vstupující snímky jsou k dispozici na přiloženém DVD (složka FOTOGRAMMETRIE).

Obr. 27: Výsledné hodnoty prvků vnitřní orientace [Zdroj: Autor]

35


7 Zpracování pořízených dat V této kapitole bude popsán postup při zpracování pořízených dat na hradu Kost, které se dále použijí jako vstupní data do softwaru PUW.

7.1 Úprava pořízených snímků V podkapitole 5.2.2 pojednávající o vnitřním nastavení fotoaparátu bylo zmíněno, že se snímky ukládají do RAW formátu. Jedná se o surová, minimálně zpracovaná data pořízená snímačem. Z tohoto důvodu musí být proveden postprocessing obrazových dat v některém programu podporující výše uvedený formát, jako je např. Adobe Photoshop CS5. Mezi úpravy pořízených snímků patřily korekce jasu, kontrastu, ostrosti. Na závěr byly snímky uloženy ve formátu JPEG. Porovnání původní a upravené fotografie je možné na obr. 28 a obr. 29. Snímky se dále roztřídily, z důvodu přehlednosti, dle jednotlivých stanovisek. Snímky ve formátu RAW i ve formátu JPEG jsou k dispozici na přiloženém DVD.

Obr. 28: Původní snímek

Obr. 29: Upravený snímek

[Zdroj: Autor]

[Zdroj: Autor]

7.2 Výpočet souřadnic zaměřených bodů Výpočet souřadnic byl proveden v softwaru Groma. Před výpočtem se nejprve definoval místní souřadnicový systém, u něhož se osa X vložila do spojnice bodů 4002-4001 měřické sítě, situace je zobrazena na obr. 17. 36


Pro bod 4002 byly tedy voleny souřadnice X = -5000,000 m a Y = -1000,000 m. Výška bodu 4002 byla převzata z měření Ing. Pobořilové, viz [1] bod měřické sítě č. 4013, a je rovna Z = 290,067 m. Z tohoto bodu se tedy vypočetly zbývající tři stanoviska a poté se v softwaru Groma využila funkce Polární metoda pro výpočet podrobných bodů. Souřadnice všech stanovisek jsou znázorněna v tab. 2. Po výpočtu souřadnic všech podrobných bodů bylo zjištěno, že totální stanice nezaregistrovala do své paměti měření na body č. 43 až č. 50 a tudíž souřadnice těchto bodů v seznamu chybí. Seznam souřadnic a jednotlivé protokoly ze softwaru Groma jsou k dispozici na přiloženém DVD (složka GEODEZIE). ID

Y [m]

X [m]

Z [m]

4001 -1000,000 -5022,237 291,445 4002 -1000,000 -5000,000 290,067 4003 -1036,623 -4998,978 295,855 4004 -1016,607 -5007,691 295,738 Tab. 2: Souřadnice stanovisek měřické sítě [Zdroj: Autor]

7.3 Odstranění distorze Jelikož optická soustava objektivu není nikdy zcela ideálně vybroušená a vzájemně centricky usazená, dochází k tomu, že pořízený snímek přesně neodpovídá středovému promítání. Snímek je tedy zatížen zkreslením, které se odstraní či částečně redukuje pomocí hodnot prvků vnitřní orientace zjištěných předem provedenou kalibrací. Na tuto idealizaci snímků existuje v dnešní době již velké množství softwarů, které jsou buď volně dostupné, nebo opatřeny placenou licencí. Mezi freewarové softwary je možné zařadit i program SIMPhoto, jehož tvůrcem je Ing. David Čížek. Software vznikl v rámci bakalářské práce a byl k němu také vyhotoven podrobný manuál, viz [13]. SIMPhoto nedisponuje pouze funkcí pro odstranění distorze snímku, avšak další funkce se v průběhu zpracování fotoplánu válcové věže nemusely využít.

37


Pokud se zpracovává fotoplán válcového či kuželového objektu v softwaru PUW není potřeba předem odstraňovat distorzi v jiném softwaru. V průběhů prací byl však zjištěn problém, týkající se právě této eliminace, a proto byly snímky předem idealizovány v programu SIMPhoto. Daný problém bude podrobněji popsán a graficky doplněn v kapitole 8. Práce v softwaru SIMPhoto je velice jednoduchá. Snímek se načte pomocí položky Načíst snímek v záložce Snímek. Po načtení snímku se zvolí v záložce Funkce položka Eliminace distorze. V dalším kroku se musí nastavit parametry komory podle kalibračního protokolu znázorněného na obr. 27. Poté stačí stisknout tlačítko Transformovat a na daném snímku se odstraní distorze použitého objektivu. Pracovní prostředí týkající se eliminace distorze je zobrazeno na obr. 30.

Obr. 30: Pracovní prostředí v SIMPhoto [Zdroj: Autor]

Při práci s velkým množstvím snímků se však ukáže jedna velká nevýhoda tohoto programu. Zmiňovanou nevýhodou je nutnost zadávat vždy znovu parametry komory pro každý zpracovávaný snímek.

38


8 Rozvinutí snímků v PUW Software PUW byl testován tvůrcem na obou typech těles, které software podporuje. Dosažené výsledky jsou k vidění na obr. 7 a obr. 8. Software byl také testován s použitím testovacího pole znázorňující vlícovací body na válcovém objektu a to konkrétně na betonovém sloupu v Národní technické knihovně. Tento objekt je avšak oproti věži na hradě Kost rozměrově velmi malý. Situaci zobrazuje obr. 31 a obr. 32. Autor následně zhodnotil přesnost výsledného rozvinutí na základě měřených délek mezi jednotlivými vlícovacími body. Porovnání původních délek a délek po rozvinutí je uvedené v tab. 3 a přehledka s vyznačením oměrných délek na obr. 33. Bližší informace k tomuto testování jsou k nalezení v [2].

Obr. 31: Původní snímek - betonový sloup

Obr. 32: Rozvinutý snímek - betonový sloup

[Zdroj: RŮŽIČKA, Štěpán, Diplomová práce]

[Zdroj: RŮŽIČKA, Štěpán, Diplomová práce]

39


Obr. 33: Přehledka oměrných délek [Zdroj: RŮŽIČKA, Štěpán, Diplomová práce]

Mezi body 6, 8 6, 60 60, 62 62, 8 6, 62 8, 60 24, 25 24, 23 33, 34 25, 34 24, 34 25, 33

Skutečná délka [mm] Délka na fotoplánu [mm] Rozdíl [mm] 400,0 400,5 -0,50 1198,0 1201,5 -3,50 399,5 402,6 -3,10 1198,0 1201,5 -3,50 1263,0 1265,6 -2,60 1263,0 1268,0 -5,00 199,5 201,8 -2,30 200,0 200,4 -0,40 195,5 202,0 -2,50 200,0 200,5 -0,50 283,0 283,7 -0,70 283,0 285,5 -2,50 Tab. 3: Porovnání délek na plášti válce [Zdroj: RŮŽIČKA, Štěpán, Diplomová práce]

Autor programu však z časových důvodů nemohl otestovat svůj software na větším množství pořízených dat, týkajících se jednoho objektu a proto je PUW testován, v rámci této 40


práce, na datech pořízených na hradu Kost. Nasnímáno bylo celkem 23 snímků ze sedmi stanovisek celé viditelné části věže a geodeticky zaměřeno 160 podrobných bodů reprezentující její povrch. Celé zpracování bylo rozděleno na dvě části z důvodu rozdílnosti poloměrů mezi nejvyšší částí věže a její zbývající částí. Tudíž byly odděleny a uloženy do zvláštního txt souboru body s číselnou řadou počínající na bodu č. 401.

8.1 Pracovní postup v PUW V této podkapitole budou podrobně popsány jednotlivé kroky, které vedou k rozvinutí snímků válcového objektu. Během zpracování došlo k určitým problémům. Charakteristika problémů a jejich případná eliminace bude popsána v další podkapitole z důvodu přehlednosti.

8.1.1 Seznámení s pracovním prostředím Software PUW je naprogramován ve skriptovacím programovacím jazyce softwaru Matlab s využitím výpočetních knihoven, které vznikly na Fakultě stavební ČVUT v rámci grantového projektu. Celý program je spustitelný přímo v prostředí Matlab jako m-file a nebo pomocí exe souboru, kde je však nutné mít nainstalován i Matlab Compiler. Veškeré rozvinutí snímků týkajících se této bakalářské práce probíhalo výhradně kompilací m-file souboru PUW. Pracovní prostředí je zobrazeno na obr. 34. Mezi kroky, které jsou důležité pro rozvinutí v PUW, patří: 

načtení potřebných dat – souřadnice, parametry použité komory, jeden snímek,



výpočet tělesa – proložení podrobnými body (válec, kužel),



výpočet prvků vnější orientace – označení vlícovacích bodů,



rozvinutí snímku ve fotoplán – zvolení jednoho typu interpolace (nebližší soused, bikubická interpolace, bilineární interpolace), zvolení vnitřní či vnější strany pláště, určení velikosti pixelu výsledného fotoplánu,



uložení výsledku.

41


Úvodní obrazovka se v podstatě skládá z části popisové, grafické a výpisové. Popisová část slouží uživateli k celkovému nastavení parametrů jednotlivých etap výpočtů či výběru bodů ze seznamu. Grafická část je rozdělena na dvě další části, kde v dolní části je znázorněn celkový pohled na načtený snímek s aktuální polohou lupy. Samotný detail lupy se zobrazuje v horní části, ve které také probíhá označování vlícovacích bodů určených pro výpočet vnější orientace. Výpisová část je k nalezení ve spodní části pracovního prostředí. Zde se vypisují do protokolu veškeré informace o průběhu načtení dat a dále výsledky s přesnostmi jednotlivých etap výpočtů. Tento protokol může být uživatelem vymazán, aniž by byly jakkoliv ovlivněny výpočty.

Obr. 34: Pracovní prostředí PUW s načtenými daty [Zdroj: Autor]

8.1.2 Načtení dat Načtení vstupních dat probíhá pomocí záložky Soubor a dále pak podle jejich typu buď Nacist body, Nacist kameru nebo Nacist snimek.

42


Pokud načítáme body, je důležité, aby byly v pravotočivé matematické soustavě a jejich uspořádání v txt souboru bylo následující: číslo bodu | X [m] | Y [m] | Z [m]. Jejich počet není nějak omezen. Je však doporučeno případně odlišit číselnou řadou podrobné body od vlícovacích bodů, jelikož oba typy bodů musejí být načteny z jednoho txt souboru. Další důležitá data, která se musí načíst, jsou prvky vnitřní orientace použitého fotoaparátu. Opět se jedná o txt soubor, který obsahuje zmiňované parametry v následujícím pořadí: 

f – ohnisková vzdálenost [mm],



x0 – souřadnice hlavního bodu [mm],



y0 – souřadnice hlavního bodu [mm],



k1 – koeficient radiální distorze,









Wc – šířka čipu [mm],



Hc – výška čipu [mm],



Ws – šířka snímku [px],



Hs – výška snímku [px].

Získání těchto parametrů bylo popsáno v kap. 6. Na závěr se načítá jeden snímek, který je určen k rozvinutí. Software podporuje obvyklou škálu formátů pořízených snímků, mezi nimiž se například nachází formát JPEG, TIF či PNG. Během načítání snímků je uživatel dotázán na to, zda je snímek již idealizován nebo je snímek potřeba teprve opravit o distorzi. Tato oprava probíhá až na závěr při konečné transformaci snímku.

8.1.3 Proložení bodů matematickým primitivem Tento krok se v programu spouští pomocí záložky Zpracovani, položka Vypocet telesa. V popisové části je důležité zvolit si typ tělesa, kterým chceme body proložit. Software nabízí dvě možnosti, a to kužel nebo válec. U válce je dále možnost zafixovat jeho poloměr na předem 43


známou hodnotu. Dále je nutné určit body, které budou použity pro proložení. To se provádí v sloupci Pouzit pro vypocet telesa, kde se daný bod vypne nebo případně opět zapne. Použity musí být jen ty body, které reprezentují povrch tělesa. Minimální počet bodů pro proložení stanovil autor na pět, avšak je žádoucí použít několikanásobně vyšší počet. Bližší informace jsou k nalezení v [2]. Po nastavení a určení bodů stačí pouze spustit výpočet pomocí tlačítka SPUSTIT VÝPOČET TĚLESA. Ve výpisové části jsou poté k nahlédnutí jednotlivé charakteristiky proložení. Konkrétně je to vypočtený poloměr válce, dále pak souřadnice bodu na ose daného tělesa a nakonec stočení lokální soustavy kolem osy X a Y. U každého parametru je také uváděna střední chyba s ním související. V rámci bakalářské práce byl použit válec se známým poloměrem, jelikož u některých snímků došlo k problémům, kde si program chybně určil viditelnou oblast tělesa na snímku, a závěrečné rozvinutí nebylo provedeno. Poloměr válce je možné určit pomocí některého CAD softwaru, do kterého se naimportují souřadnice podrobných bodů a následně se proloží kružnicí. Tento problém se celkem týkal 8 snímků a bude podrobněji popsán v podkapitole 8.2.2.

8.1.4 Výpočet prvků vnější orientace V programu se výpočet spouští pomocí záložky Zpracovani, položka Vypocet prvku vnejsi orientace. Poté je nutné na snímku identifikovat minimální nutný počet vlícovacích bodů, jež je zmiňován v kap. 4. Snímání jednotlivých bodů se provádí zadáním čísla bodu a stisknutím tlačítka Urcit vlicovaci bod. V grafickém okně se kurzor myši změní na nitkový kříž a pomocí prostředního tlačítka myši se určí požadovaná poloha bodu. V popisové části se zobrazuje seznam s označenými body a také jejich geodetické souřadnice spolu se souřadnicemi snímkovými. Po označení všech zvolených vlícovacích bodů se přejde k samotnému výpočtu, který se spouští přes tlačítko VYPOCET VNEJSI ORIENTACE. V tuto chvíli se v popisové části zobrazí rezidua dx a dy. Na základě tohoto výpočtu je možné polohu bodu pozměnit či bod úplně vyřadit a případně nahradit jiným. Ve výpisové části se zobrazí vypočtené souřadnice hlavního bodu. Pod pojmem hlavní bod je myšleno stanovisko snímání daného snímku.

44


Pracovní prostředí této fáze výpočtů s označením minimálního počtu vlícovacích bodů a optimálním rozložením je zobrazeno na obr. 35. Pro výpočet prvků vnější orientace se v bakalářské práci využily veškeré body na daném snímku a případně poté byly některé vyškrtnuty na základě jejich reziduí. Avšak bylo zjištěno, že se vypočtené souřadnice hlavního bodu pro různé kombinace vlícovacích bodů značně liší, v některých případech i v řádu metrů. Problém bude popsán v podkapitole 8.2.3.

Obr. 35: Pracovní prostředí při výpočtu PVO [Zdroj: Autor]

8.1.5 Rozvinutí snímku Rozvinutí snímku je v PUW závěrečný krok. Tento krok se spouští v záložce Zpracovani, položka Rozvinout snimek ve fotoplan. Poté je nutné zvolit si dle potřeby způsob interpolace, dále pak zvolit zda je těleso nasnímáno z vnější či vnitřní strany a na závěr zadat případně požadovanou velikost pixelu výsledného fotoplánu. Po nastavení těchto nutných parametrů rozvinutí stačí již pouze stisknout tlačítko ROZVINOUT SNIMEK. 45


Pro veškeré snímky malé věže, na základě testování jednotlivých typů interpolací, se použila bilineární interpolace. Obrazová kvalita reprezentována tímto způsobem interpolace se jevila jako nejlepší varianta, avšak je také charakterizována větší časovou náročností na výpočty v porovnání s ostatními typy. Testování obrazové kvality také bylo prováděno pomocí experimentování s velikostí pixelu. Jednotlivé testy byly konzultovány s vedoucím bakalářské práce, s nímž bylo dohodnuto, že pro každý snímek se bude volit velikost pixelu rovna 2 mm.

8.1.6 Uložení fotoplánu Po provedeném rozvinutí je uživatel vyzván k uložení výsledků. Fotoplán je možné uložit v téměř libovolném formátu a to například ve formátu JPEG, TIF či PNG. Matlab však také nabízí uložení do RAW formátu typu .J2C, který se dá následně vyvolat v některém softwaru určených pro úpravu fotografií. S uložením rozvinutého snímku se také automaticky ukládá txt soubor s veškerými výsledky, které byly získány v průběhů výpočtů. Příklad rozvinutého snímku a protokolu je zobrazen v Příloze B. Všechny rozvinuté snímky jsou dále pak k dispozici na přiloženém DVD (složka FOTOGRAMMETRIE).

8.2 Vzniklé problémy během práce v PUW 8.2.1 Odstranění distorze Software PUW provádí odstranění distorze až v závěrečné etapě pomocí metody zpětného mapování, kdy se postupuje od výsledného rastru k naměřeným datům. Zde však došlo problémům zobrazující obr. 37. Jedná o „hladkou část“, která je viditelně oddělena od zbývajícího fotoplánu. Problém se vyřešil pomocí softwaru SIMPhoto, ve kterém se všechny snímky před samotným zpracování v softwaru PUW idealizovaly. Na daný problém byl také upozorněn autor programu. Porovnání rozvinutého snímku opraveného o distorzi v PUW s rozvinutým snímkem již předem idealizovaným je možné na obr. 37 a obr. 38. Tento problém

46


nemá uživatel možnost předem ovlivnit, protože se projeví a zobrazí až v samotném závěru celého rozvinutí.

Obr. 36: Rozvinutý snímek – eliminace distorze v PUW

Obr. 37: Rozvinutý snímek – eliminace distorze v SIMPhoto

[Zdroj: Autor]

[Zdroj: Autor]

8.2.2 Proložení tělesa

Při zpracování více než jednoho snímku je žádoucí provádět proložení stejnými body, aby proložení bylo určeno se stejnou přesností a nenastaly poté případně komplikace při dalším spojení a maskování v jeden fotoplán. Proložení stejnými body se však v programu PUW nedá zaručit, jelikož v některých případech se může stát, že program nahlásí chybu, která je znázorněna na obr. 38. Po konzultaci s autorem bylo zjištěno, že program si chybně určí viditelnou část tělesa na daném snímku a tudíž výpočet v tomto bodě „ztroskotá“. Tento problém byl řešen fixací poloměru válce a použitím pouze těch bodů, které se nachází na daném snímku. U ostatních snímků se použily pro proložení všechny dostupné body. Pokud není známý poloměr válce, je možné si naimportovat souřadnice do některého CAD softwaru a v něm určit hledaný poloměr. Pro odstranění problému spjatého s proložením tělesa se nabízí ještě jedna varianta a to taková, že se opět zafixuje poloměr válce a poté se najde společná kombinace bodů pro všechny snímky, kterými proběhne rozvinutí bez problémů. Tento způsob se jeví jako nejlepší, jelikož by byla zachována stejná přesnost proložení pro všechny snímky. Ovšem při větším množství zaměřených bodů existuje mnoho kombinací a proto, dle mého názoru, je tato varianta nereálná a časově náročná. 47


Obr. 38: Chyba ve zdrojovém kódu PUW [Zdroj: Autor]

8.2.3 Výpočet prvků vnější orientace Jak již bylo zmíněno v podkapitole 8.1.4 program PUW během výpočtů prvků vnější orientace z různých kombinací vlícovacích bodů vypočetl odlišné souřadnice hlavního bodu. S faktem, že tyto výpočty probíhaly pro jeden a ten samý snímek, bylo usouzeno, že je nutné ověřit celý proces rozvinutí pomocí PUW na nezávislých datech. Z tohoto důvodu byl vybrán jiný testovací objekt, konkrétně Rotunda sv. Martina na Vyšehradě. Pro tento objekt se pořídilo 6 snímků, které se použily pro tvorbu modelu v softwaru PMS, a dále pak 2 měřické snímky určené k rozvinutí v softwaru PUW. Snímky byly pořízeny s dostatečným překrytem, a zaujímaly přibližně jednu osminu celé rotundy. Veškeré snímky se dále upravily v softwaru Adobe PhotoShop CS5 tak, jak je popsáno v podkapitole 7.1. Následně se vyhotovil bodový 3D model průsekovou metodou v softwaru PMS. Tvorba modelu probíhala pomocí výběru bodů na jednom snímku funkcí Mark points a referencováním bodů na ostatních snímcích pomocí funkce Referencing Mode. Po označení bodů na všech snímcích se provedl výpočet přes funkci Process a případně se odstranily body s nejhorší hodnotou Largest residual v tabulce Point table. Na závěr bylo nutné určit rozměr výsledného modelu. To se zajistilo pomocí jedné známé délky a funkcí Scale/Rotate v záložce Project. Vytvořený bodový model i se stanovisky snímání je možné vidět na obr. 39.

48


Obr. 39: Bodový model - Rotunda sv. Martina [Zdroj: Autor]

Souřadnice jednotlivých bodů modelu byly exportovány do txt souboru a dále sloužily jako vstupní soubor pro rozvinutí. Rozvinutí dvou měřických snímků v PUW proběhlo dle postupu zmiňovaném v podkapitole 8.1. Porovnání původního snímku a rozvinutého snímku je možné na obr. 40 a obr. 41. Samotné rozvinutí je zřejmé především v oblasti okna či kovového pásu objímající celou rotundu. Tak bylo ověřeno, že software PUW pracuje za ideální situace zcela korektně. Na základě tohoto zjištění byl následně pomocí průsekové metody vyhotoven model malé věže z pracovních snímků, které pořídil v průběhu prací v terénu Ing. Jindřich Hodač fotoaparátem Nikon D90. Snímky znázorňují pouze část věže, avšak pro toto testování jsou dostačující. Bodový model věže se vyhotovil stejným postupem jako v případě rotundy, ale při určování rozměru modelu byly použity vypočtené souřadnice vlícovacích bodů.

49


Obr. 40: Rotunda - původní snímek

Obr. 41: Rotunda - rozvinutý snímek

[Zdroj: Autor]

[Zdroj: Autor]

Pro určení rozměru modelu pomocí vlícovacích bodů bylo nejprve nutné body do softwaru naimportovat přes záložku File, položka Imports. Poté se provedlo ztotožnění několika bodů z importovaného souboru s body, které tvoří model věže. Výsledek je zobrazen na obr. 38. Po určení rozměru modelu byly souřadnice exportovány do txt souboru a porovnány s původními souřadnicemi. Tímto porovnáním se alespoň částečně ověřila přesnost geodetického měření a projevila se hrubá chyba na bodu č. 37 (viz. tab. 4), jenž byl následně při výpočtu vnější orientace v softwaru PUW vynechán a rozvinutí již proběhlo pro všechny snímky zcela korektně. Porovnání souřadnic určených geodeticky a souřadnic ze softwaru PMS je uvedeno v tab. 4. Tabulka obsahuje pouze vybrané body na jedné části věže a je z ní patrné, že maximální hodnota rezidua na bodu v ose X činí 0,8 cm, v ose Y 2,5 cm a v ose Z 2,9 cm, s výjimkou hrubé chyby na již zmiňovaném bodu č. 37. Veškeré testování, které bylo zmiňováno v této podkapitole, je k dispozici na přiloženém DVD (složka FOTOGRAMMETRIE). 50


Obr. 42: Určení rozměru v PMS [Zdroj: Autor]

ID

Geodet. měření X [m]

Y [m]

PhotoModeler Z [m]

X [m]

Y [m]

Residua Z [m]

dX [m] dY [m] dZ [m]

1 -5016,791 -1007,320 295,510 -5016,791 -1007,295 295,524 0,000

0,025

0,014

3 -5015,800 -1005,113 295,550 -5015,803 -1005,127 295,549 -0,003 -0,014 -0,001 6 -5016,239 -1005,649 296,550 -5016,232 -1005,650 296,574 0,007 -0,001 0,024 10 -5016,125 -1005,509 297,970 -5016,130 -1005,529 297,995 -0,005 -0,020 0,025 13 -5014,963 -1004,623 299,660 -5014,959 -1004,620 299,647 0,004 0,003 -0,013 15 -5016,725 -1006,781 299,560 -5016,719 -1006,757 299,540 0,006 0,024 -0,020 17 -5016,013 -1005,354 300,490 -5016,013 -1005,355 300,465 0,000 -0,001 -0,025 21 -5015,261 -1004,740 302,420 -5015,260 -1004,745 302,393 0,001 -0,005 -0,027 22 -5016,258 -1005,638 302,180 -5016,265 -1005,646 302,154 -0,007 -0,008 -0,026 23 -5016,776 -1007,088 301,990 -5016,775 -1007,100 302,014 0,001 -0,012 0,024 27 -5015,029 -1004,621 304,640 -5015,032 -1004,619 304,633 -0,003 0,002 -0,007 28 -5016,498 -1006,015 304,430 -5016,497 -1006,020 304,409 0,001 -0,005 -0,021 30 -5016,766 -1006,899 305,160 -5016,760 -1006,895 305,139 0,006 0,004 -0,021 34 -5015,512 -1004,882 307,520 -5015,514 -1004,875 307,534 -0,002 0,007 0,014 35 -5016,528 -1006,070 307,560 -5016,536 -1006,074 307,589 -0,008 -0,004 0,029 36 -5016,771 -1007,397 307,280 -5016,770 -1007,401 307,309 0,001 -0,004 0,029 37 -5014,912 -1004,520 295,500 -5014,717 -1004,553 295,524 0,195 -0,033 0,024 Tab. 4: Porovnání souřadnic [Zdroj: Autor]

51


9 Tvorba fotoplánu v softwaru TopoL V softwaru TopoL probíhalo posunutí (transformování), ořezání, maskování a mozaikování jednotlivých dílčích rastrů, které byly vytvořeny v softwaru PUW. Mezi vstupní data, potřebná k započetí prací, patří jednotlivé rozvinuté rastry, skutečné rozměry rastrů a transformované souřadnice v rovině fotoplánu. Skutečný rozměr rastru se spočítá

jednoduchým

vynásobením

jeho šířky a výšky v pixelech s velikostí pixelu ve skutečnosti, která byla zadávána před rozvinutím v PUW. Transformované souřadnice v rovině fotoplánu software PUW nevypisuje do žádného txt souboru. Avšak při znalosti třech bodů, které tvoří kruhovou výseč,

Obr. 43: Kružnicový oblouk

je možné ručně dopočítat středový úhel θ

[Zdroj: Autor]

pomocí kosinové věty a následně pak přes délku oblouku L dopočítat námi hledané souřadnice. Délka oblouku se spočítá ze vzorce L = θ*r, kde r je poloměr daného válce. Poloměr lze zjistit z uloženého protokolu vytvořený softwarem PUW. Soubor txt obsahující souřadnice v rovině fotoplánu je dispozici v Příloze C. Tvar souřadnic je následující: č.b.

X [m]

Y [m]

1

-100,00

-Z1

i

X1 + L1,i

-Zi

Tab. 5: Podoba souřadnic v rovině fotoplánu [Zdroj: Autor]

9.1 Transformace a ořezání rastrů Tato činnost se provedla v softwaru TopoL. Po spuštění softwaru bylo nejprve důležité jeho nastavení. V rámci zmiňovaného nastavení se určil souřadnicový systém S-JTSK a založil se blk soubor, do kterého se následně naimportovaly souřadnice v rovině fotoplánu. Toto se 52


provedlo pomocí záložky Předmět, položka Import  Vstup bodů. Poté se načetl první rastr přes záložku Rastr, položka Geometrické operace  Umístění rastru. Umístění rastru se zvolilo dle 1 identického bodu a dále se zadaly přibližné souřadnice pravého horního rohu snímku spolu s jeho skutečnou šířkou. Umístění rastru je znázorněno na obr. 44.

Obr. 44: TopoL – přibližné umístění rastru [Zdroj: Autor]

Po přibližném umístění rastru následovalo jeho přesné umístění, které bylo provedeno stejným postupem, avšak už za pomoci naimportovaných souřadnic (shodnostní transformace). Dále se učinil výřez daného rastru, který obsahoval pouze zájmovou oblast. Oříznutí rastru je dostupné ze záložky Rastr, položka Geometrické operace  Výřez rastru. Podle výše zmíněného postupu bylo celkem umístěno a ořezáno 23 rozvinutých snímků vyhotovených v PUW, ze kterých se následně vybralo 18 snímků určených pro maskování. Během této práce se kladl důraz na návaznost jednotlivých snímků a to z důvodu dalšího zpracování, jenž bylo právě maskování a mozaikování. Výsledné uspořádání po vykonání těchto operací je znázorněno na obr. 45. 53


Obr. 45: TopoL - výsledek transformace všech rastrů [Zdroj: Autor]

9.2 Maskování a mozaikování Maskování a mozaikování se uskutečnilo opět v softwaru TopoL xT 9.0. Do tohoto softwaru se načetly všechny ořezané rastry, které se dále daly dle potřeby jednoduše vypnout. Maskování bylo prováděno vždy pro dvojici snímků, jenž se dostatečně překrývaly. Pro každý snímek z příslušné dvojice se vytvořilo vlastní mapové okno, aby byla možná kontrola při tvorbě masky. Vytvoření samostatných oken pro každý snímek je možné pomocí záložky Mapové okno, položka Duplikáty mapového okna. Před samotným maskováním bylo dále nutné založit tzv. blok, do kterého se vytvořila databázová tabulka pro linie a plochy dané masky. Po založení bloku se mohla spustit editace linie řezu pomocí ikony Vytvoření nové linie. Jakmile byla vytvořena celá linie, uzavřela se pomocí klávesy Z a následně uložila klávesou Space. Poté následovalo vytvoření plochy v uzavřeném polygonu, jenž tvoří linie. Plocha se vytvoří pomocí ikony Vytvoření nové plochy. Příklad vytvořené linie a plochy je znázorněn na obr. 46, resp. obr. 47. 54


Obr. 46: TopoL - vytvoření linie [Zdroj: Autor]

Obr. 47: TopoL- vytvoření plochy [Zdroj: Autor]

55


Po vytvoření masky se provedlo samotné maskování rastru pomocí záložky Rastr, položka Geometrické operace  Maskování rastru. Zde se poté musí nastavit rastr určený k ořezání a plocha, která se má oříznout. Na závěr se uloží nový rastr s adekvátním pojmenováním. Maskování je zřejmé z obr. 48. Tento rastr se dále ještě případně barevně upravil podle sousedního rastru pomocí funkce nacházející se v záložce Rastr, položka Zpracování obrazu  Změna barev rastru podle vzoru. Tímto postupem se postupovalo pro další sousední dvojice až do tvaru, který je znázorněn na obr. 49. Na obrázku je zobrazen celý výsledek maskování dílčích rastrů.

Obr. 48: TopoL - maskování [Zdroj: Autor]

Maskování tohoto rozsahu nebylo vůbec jednoduchou záležitostí, jelikož každý snímek měl minimálně dva sousední snímky a tudíž docházelo k tomu, že maskovaný rastr byl dále maskován jinou maskou.

56


Obr. 49: TopoL - výsledek maskování [Zdroj: Autor]

Po dokončení maskování byla provedena závěrečná etapa v softwaru TopoL. Touto etapou je myšleno vytvoření mozaiky, která se spouští pomocí záložky Rastr, položka Geometrické operace  Mozaika. Pomocí linie se vybere zájmová část fotoplánu spolu s malou překrytovou částí, která zaručí jednoznačnou identifikovatelnost krajů fotoplánu. Na výsledné mozaice byly na několika místech okem rozeznatelné přechody mezi sousedními snímky. Tyto přechody se odstranily pomocí retuše v softwaru Gimp. Dále bylo s vedoucím bakalářské práce dohodnuto odříznutí jednoho z oken nacházející ve vrchní části věže. Na tomto okně bylo evidentní, že snímek je již zatížen zkreslením. Výsledná mozaika po provedené retuši je zobrazena v Příloze D.

57


10 Dokončení tvorby fotoplánu v softwaru MicroStation Upravená mozaika byla do softwaru MicroStation naimportována pomocí záložky Soubor, položka Raster Manager. Pro dokončení celého fotoplánu mi byla poskytnuta vedoucím práce vzorová šablona, která již obsahovala požadované vrstvy zajišťující přehlednost pro další editaci. Rozdělení vrstev je následující: 

fotoplan – připravená vrstva pro import rastru,



koty_vyskove – liniová vrstva s rozdělením po dvou metrech a textovým označením,



meritko_graficke – liniová vrstva, jenž umožňuje měření délek ve vytištěném fotoplánu,



popiska+situace – liniová vrstva spolu s popisem znázorňující půdorys daného objektu, severku a tabulku obsahující důležité informace o projektu,



ram – liniová vrstva sloužící pro určení oblasti tisku,



sit_krizku – liniová vrstva obsahující síť křížků s dělením 2 m x 2 m.

Vytvořený fotoplán byl vytištěn pomocí Bentley ovladače markup_pdf, který umožňuje vytištění fotoplánu do textového formátu PDF i vytvořenými vrstvami. Avšak je důležité tento ovladač nejprve správně nastavit. Nastavení se provede pomocí funkce Editovat ovladač tisku, kde se zvolí PDF verze Acrobat 8 (PDF 1.7) a povolí se položka Volitelný obsah. Po tomto nastavení je možné vytisknout daný fotoplán v požadovaném měřítku. Fotoplán malé věže byl tisknut v měřítku 1 : 50 na papír velikosti A2 a je k této bakalářské práci volně přiložen, jako Příloha E. Dále jsou k dispozici na přiloženém DVD veškeré data k použitá při zpracování v softwaru TopoL a Microstation.

58


11 Zhodnocení přesnosti výsledného fotoplánu Zhodnocení přesnosti výsledného fotoplánu bylo provedeno v softwaru MicroStation, do kterého se naimportoval fotoplán spolu se souřadnicemi podrobných bodů v jeho rovině. Pomocí úseček se vyjádřila rezidua na jednotlivých bodech a jejich délky byly zapsány do přehledné tabulky. Do této tabulky je možné nahlédnout v Příloze G. Z tabulky je patrné, že některé body byly špatně zaměřeny (např. bod 11, 37, 74, …) a proto se nezapočetly do průměru, jenž je označován jako výsledná vnitřní přesnost daného fotoplánu. Hodnota průměru reziduí činí 2,5 cm, což lze považovat za uspokojivý výsledek. Absolutní přesnost fotoplánu může být horší s ohledem na přesnost geodetického měření. Do výsledné přesnosti také však nebyla započítána vrchní část věže a to z toho důvodu, že se ani nepodařilo tuto část korektně rozvinout v softwaru PUW, neboť za použití vlícovacích bodů ležící ve zmiňované oblasti se dosáhlo pouze takových výsledků, které zobrazuje obr. 50. Špatné rozvinutí bylo zřejmě způsobeno příliš strmými záměrami v rámci geodetického zaměření podrobných bodů, které bylo v tomto případě velice obtížné. Dalo by se říci až na hraně proveditelnosti. Na základě těchto výsledků byly tedy využity rozvinuté snímky určené pouze výpočtem z vlícovacích bodů, které se nenacházely na vrchní části malé věže. Následkem toho však bylo velké zkreslení ve zmiňované části, a proto se musely některé oblasti fotoplánu úplně oříznout. Oříznutí je patrné na obr. 49 či v Příloze E.

Obr. 50: Chybné rozvinutí v PUW - vrchní část věže [Zdroj: Autor]

59


Závěr Hlavním cílem bakalářské práce bylo vytvoření fotoplánu malé věže na hradě Kost a otestování softwaru Photo UnWrap. Pro tvorbu fotoplánu bylo důležité provést geodetické měření a nasnímkování daného objektu. Z geodetického měření polární metodou se určily souřadnice podrobných a vlícovacích bodů, které se dále použily spolu s pořízenými snímky jako vstupní data do softwaru Photo UnWrap. Jelikož snímky byly pořízeny neměřickou komorou, konkrétně fotoaparátem Canon EOS 5D Mark II, musela se tedy provést její kalibrace. Parametry určené kalibrací, tj. prvky vnitřní orientace, byly použity pro eliminaci distorze jednotlivých snímků. Rozvinuté snímky se následně transformovaly a ořezaly v softwaru TopoL 4.5 a v novější verzi softwaru xT 9.0 se vzájemně omaskovaly. Na závěr se vyhotovila mozaika, jenž byla dále naimportována do softwaru MicroStation a opatřena grafickým měřítkem, výškovými kótami a sítí křížků. V rámci práce v softwaru MicroStation se také ověřila vnitřní přesnost fotoplánu, jež je dána hodnotou průměru reziduí a činí 2,5 cm. Výsledný fotoplán bude dále použit v rámci grantového projektu NAKI, kde například poslouží jako fotogrammetrický dokument pro zkoumání kvádrového zdiva tvořeného sedimentárními horninami. Celou práci považuji za zdařilou, avšak vyhotovený fotoplán je v nejvyšší části věže nepřesný či nedokončený, jelikož rozvinutí proběhlo pouze pomocí vlícovacích bodů, které se nenacházejí na této části a tudíž zde dochází ke zkreslení. Pro dokončení fotoplánu kompletně celého objektu se stejnou přesností by musela býti provedena nová měření a to hlavně nové snímkování s použitím jiného objektivu s vhodnou ohniskovou vzdáleností. V průběhu práce v softwaru Photo UnWrap bylo zjištěno několik úskalí, které mohou ovlivnit celou práci, ať už z časového hlediska či výsledné kvality jednotlivých fotoplánů. Snahou bylo na všechny zjištěné problémy najít adekvátní způsob jejich vyřešení či alespoň minimalizování. Všechny tyto problémy byly konzultovány s tvůrcem softwaru.

60


Použitá literatura [1] POBOŘILOVÁ, Iva. Fotogrammetrická dokumentace vybrané části hradu Kost. Praha, 2012. Diplomová práce. ČVUT. Vedoucí práce Ing. Jindřich Hodač, Ph.D. [2] RŮŽIČKA, Štěpán. Možnosti tvorby fotoplánu válcového objektu. Praha, 2013. Diplomová práce. ČVUT. Vedoucí práce Prof. Dr. Ing. Karel Pavelka. [3] Stavební historie hradu Kost. [online]. [cit. 2014-02-10]. Dostupné z: http://www.hradkost.cz/stavebni-historie.php [4] Program NAKI. [online]. [cit. 2014-02-11]. Dostupné z: http://departments.fsv.cvut.cz/k135/naki/naki.html [5] Oficiální stránky CANON. [online]. [cit. 2014-02-11]. Dostupné z: http://www.canon.cz/ [6] Trimble 3600 DR. [online]. [cit. 2014-02-12]. Dostupné z: http://trl.trimble.com/docushare/dsweb/Get/Document10325/12414E_3600wTCU_DS_0409_ LR.pdf. [7] PAVELKA, Karel. Fotogrammetrie 1. Praha: Česká technika – nakladatelství ČVUT, 2009. 200 s. ISBN 978-80-01-04249-6 [8] Fokus GmbH Leipzig. [online]. [cit. 2014-04-12]. Dostupné z: http://www.fokus-gmbhleipzig.de/ [9] Ad Hoc 3D Solutions. [online]. [cit. 2014-04-12]. Dostupné z: http://www.adhoc3d.com/ [10] Kubit GmbH. [online]. [cit. 2014-04-12]. Dostupné z: http://www.kubit-software.com/ [11] Interstudio. [online]. [cit. 2014-04-12]. Dostupné z: http://www.kubit-software.com/ [12] PhotoModeler.com. [online]. [cit. 2014-05-01]. Dostupné z: http://www.photomodeler.com/tutorial-vids/online-tutorials.htm#cals1 [13] Manuál SIMPhoto. [online]. [cit. 2014-05-02]. Dostupné z: http://lfgm.fsv.cvut.cz/~hodac/simphoto/data/manual.pdf

61


Seznam obrázků Obr. 1: Schématický plán současného stavu hradu Kost .................................................................... 10 Obr. 2: Hrad Kost ................................................................................................................................. 11 Obr. 3: Pappova věta ........................................................................................................................... 13 Obr. 4: Plášť válce znázorňující hloubkovou členitost objektu ........................................................... 14 Obr. 5: Technologické kroky v PUW .................................................................................................... 15 Obr. 6: Transformační kroky - vznik fotoplánu ................................................................................... 16 Obr. 7: Příklad zpracování v PUW (válec) ............................................................................................ 17 Obr. 8: Příklad zpracování v PUW (kužel)............................................................................................ 17 Obr. 9: Pracovní prostředí softwaru metigo 3D .................................................................................. 18 Obr. 10: Pracovní prostředí softwaru Ortofoto cilindrica ................................................................... 19 Obr. 11: Pracovní prostředí softwaru PhotoPlan ................................................................................ 20 Obr. 12: Pracovní prostředí softwaru DigiCAD 3D (Colosseum Rome) ............................................... 21 Obr. 13: Jižní strana malé věže na hradu Kost .................................................................................... 22 Obr. 14: Rozmístění stanovisek pro snímkování ................................................................................. 23 Obr. 15: Canon EOS 5D Mark II............................................................................................................ 25 Obr. 16: Objektiv Canon EF 50mm f/1.8 II .......................................................................................... 26 Obr. 17: Rozmístění stanovisek pro geodetické měření ..................................................................... 27 Obr. 18: Trimble 3600 DR .................................................................................................................... 28 Obr. 19: Prvky vnitřní orientace .......................................................................................................... 29 Obr. 20: Kalibrační pole pro 5 snímků ................................................................................................. 30 Obr. 21: Kalibrační pole pro 12 snímků ............................................................................................... 30 Obr. 22: Znázornění 5 stanovisek snímkování v 3D Vieweru .............................................................. 31 Obr. 23: Nastavení parametrů pro výpočet ........................................................................................ 32 Obr. 24: Nastavení výchozích parametrů komory .............................................................................. 33 Obr. 25: Nastavení parametrů – Stage 1 ............................................................................................. 34 Obr. 26: Nastavení parametrů - Stage 2 .............................................................................................. 34 Obr. 27: Výsledné hodnoty prvků vnitřní orientace ........................................................................... 35 Obr. 28: Původní snímek ..................................................................................................................... 36 Obr. 29: Upravený snímek ................................................................................................................... 36 Obr. 30: Pracovní prostředí v SIMPhoto ............................................................................................. 38 Obr. 32: Rozvinutý snímek - betonový sloup ...................................................................................... 39 Obr. 31: Původní snímek - betonový sloup ......................................................................................... 39 Obr. 33: Přehledka oměrných délek.................................................................................................... 40 Obr. 34: Pracovní prostředí PUW s načtenými daty ........................................................................... 42 Obr. 35: Pracovní prostředí při výpočtu PVO ...................................................................................... 45 Obr. 36: Rozvinutý snímek – eliminace distorze v PUW ..................................................................... 47 Obr. 37: Rozvinutý snímek – eliminace distorze v SIMPhoto ............................................................. 47 Obr. 38: Chyba ve zdrojovém kódu PUW ............................................................................................ 48 Obr. 39: Bodový model - Rotunda sv. Martina ................................................................................... 49 Obr. 40: Rotunda - původní snímek .................................................................................................... 50 Obr. 41: Rotunda - rozvinutý snímek .................................................................................................. 50 Obr. 42: Určení rozměru v PMS ........................................................................................................... 51 62

ČVUT v Praze, Fakulta stavební, Katedra geomatiky Bakalářská práce Obr. 43: Kružnicový oblouk ................................................................................................................. 52 Obr. 44: TopoL – přibližné umístění rastru.......................................................................................... 53 Obr. 45: TopoL - výsledek transformace všech rastrů......................................................................... 54 Obr. 46: TopoL - vytvoření linie ........................................................................................................... 55 Obr. 47: TopoL- vytvoření plochy ........................................................................................................ 55 Obr. 48: TopoL - maskování................................................................................................................. 56 Obr. 49: TopoL - výsledek maskování.................................................................................................. 57 Obr. 50: Chybné rozvinutí v PUW - vrchní část věže ........................................................................... 59 Obr. A: Stromová struktura přiloženého DVD .................................................................................... 67 Obr. B: Příklad vyhotoveného náčrtu .................................................................................................. 68 Obr. C.1: Rozvinutý snímek ................................................................................................................. 70 Obr. E: Výsledná mozaika .................................................................................................................... 73

63


Seznam tabulek Tab. 1: Počet pořízených snímků na stanoviscích ............................................................................... 24 Tab. 2: Souřadnice stanovisek měřické sítě ........................................................................................ 37 Tab. 3: Porovnání délek na plášti válce ............................................................................................... 40 Tab. 4: Porovnání souřadnic ................................................................................................................ 51 Tab. 5: Podoba souřadnic v rovině fotoplánu ..................................................................................... 52

64


Seznam příloh A

Obsah DVD-ROM

66

B

Náčrt s vyznačenými překryty snímků a se zaměřovanými body

68

C

Příklad rozvinutí

69

D

Souřadnice podrobných bodů v rovině fotoplánu

72

E

Mozaika po provedené retuši

73

F

Výsledný fotoplán

74

G

Ověřené vnitřní přesnosti výsledného fotoplánu

75

65


A

Obsah DVD-ROM Na přiloženém DVD se nachází dvě hlavní složky a to konkrétně složka

FOTOGRAMMETRIE a složka GEODEZIE. Ve složce FOTOGRAMMETRIE jsou k nalezení tři podsložky s názvy „Hrad Kost“, „Rotunda sv. Martina“ a „Kalibrace Canon EOS 5D Mark II(50.0mm)“. Podsložka „Hrad Kost“ obsahuje veškerá surová data (tj. snímky) pořízená během měření v terénu, dále pak vytvořený model průsekovou metodou, výsledky rozvinutí v PUW a na závěr vyhotovení výsledného fotoplánu v softwaru TopoL a MicroStation. Podsložka „Rotunda sv. Martina“ obsahuje víceméně to samé jako v předchozím případu s výjimkou zpracování v softwaru TopoL a MicroStation. Podsložka „Kalibrace Canon EOS 5D Mark II(50.0mm)“ obsahuje kompletní zpracování kalibrací s využitím pěti kalibračních snímků, resp. dvanácti snímků. V druhé hlavní složce s názvem GEODEZIE se nachází veškeré vyhotovené náčrty (konkrétně čtyři), zápisník měření exportovaný z totální stanice Trimble (formát JOB) a na závěr vypočtené souřadnice s výpočetními protokoly ze softwaru Groma. Stromová struktura přiloženého DVD je zřejmá z obr. A.

66


Obr. A: Stromová struktura přiloženého DVD [Zdroj: Autor]

67


B

Náčrt s vyznačenými překryty snímků a se zaměřovanými body

Obr. B: Příklad vyhotoveného náčrtu [Zdroj: Autor]

68


C

Příklad rozvinutí

Tato část přílohy obsahuje: 

rozvinutý snímek



protokol o rozvinutí

69


Obr. C.1: Rozvinutý snímek [Zdroj: Autor]

70

ČVUT v Praze, Fakulta stavební, Katedra geomatiky Bakalářská práce Zaznam vypoctu programu Photo UnWrap, 2014/04/26 15:25:09 ----------------------------------------------------------1. Prolozeni telesa: Valec ----------------------------------------------------------Body pouzite pro prolození: c.b X[m] Y[m] Z[m] 1 -1007.320 -5016.791 295.510 2 -1006.264 -5016.549 295.270 3 -1005.118 -5015.800 295.550 4 -1004.815 -5015.289 295.270 5 -1004.617 -5014.912 296.050 6 -1005.649 -5016.239 296.550 7 -1007.306 -5016.774 296.660 8 -1005.509 -5016.124 297.270 9 -1004.590 -5014.877 297.940 10 -1005.509 -5016.125 297.970 ⋮ ⋮ ⋮ ⋮ 120 -1009.034 -5011.059 307.200 121 -1007.672 -5010.628 306.820 122 -1008.036 -5010.675 307.490 123 -1009.664 -5011.541 307.470 124 -1010.323 -5012.615 307.510 125 -1010.532 -5013.708 307.650 126 -1010.504 -5013.692 296.440 Polomer valce 3.0854 m, stredni chyba 6.1724e-06 Bod na ose valce X -1007.45 m, stredni chyba 0.0024364 m Bod na ose valce Y -5013.73 m, stredni chyba 0.002556 m Bod na ose valce Z 301.851 m, stredni chyba 0.00059729 m Stoceni kolem osy X 199.8413 gon, stredni chyba 42.3368 mgon Stoceni kolem osy Y -0.25808 gon, stredni chyba 40.543 mgon 2. Prvky vnejsi orientace ----------------------------------------------------------Body pouzite pro vypocet klice: c.b X[m] Y[m] Z[m] x[px] y[px] dx[px] dy[px] 71 -1005.042 -5011.835 300.340 2276.0 226.0 -0.2 70 -1006.113 -5010.966 300.070 3075.0 141.0 0.1 69 -1008.252 -5010.763 300.670 4102.0 79.0 0.4 81 -1008.488 -5010.833 305.860 3921.0 1908.0 0.1 83 -1006.183 -5010.915 307.350 3064.0 2718.0 -0.0 86 -1004.712 -5012.276 306.700 2210.0 2434.0 -0.1 77 -1006.217 -5010.918 303.000 3111.0 1378.0 -1.3 75 -1007.098 -5010.671 301.630 3591.0 742.0 0.5 82 -1007.696 -5010.646 307.070 3660.0 2438.0 -0.8 72 -1004.458 -5012.950 300.960 1709.0 304.0 1.4 79 -1004.754 -5012.222 304.440 2174.0 1776.0 -0.4 85 -1005.837 -5011.103 306.280 2897.0 2445.0 -1.0 120 -1009.034 -5011.059 307.200 3988.0 2126.0 1.3

-0.7 -0.3 0.3 -0.5 0.6 -1.7 -0.0 1.0 -0.0 -1.1 -0.2 0.4 0.8

Hlavni bod: X[m] Y[m] Z[m] -999.493 -5001.505 291.720 r11 r12 r13 r21 r22 r23 r31 r32 r33 0.54563 -0.83798 0.0088672 -0.61587 -0.40814 -0.67389 0.56833 0.36223 -0.73878 Aposteriorni smerodatna odchylka souradnicova sqrt([vv]/pocet_nadbytecnych_souradnic = 0.91 3. Rozvinuti snimku ----------------------------------------------------------Fotoplan vytvoren ze snimku "_MG_8628_opravane.jpg". Radialni distorze: Idealizovano. Rozmer vysledneho rastru: 8806x4846 px Velikost pixelu 0.002 m Zvoleny zpusob interpolace: Bilinearni interpolace

C.2: Protokol o rozvinutí [Zdroj: Autor]

71


D

Souřadnice podrobných bodů v rovině fotoplánu ID

X[m]

Y[m]

ID

X[m]

Y[m]

ID

X[m]

Y[m]

1

-100.00

-295.51

44

-103.40

-301.40

88

-111.23

-296.42

2

-101.10

-295.27

45

-104.55

-302.87

89

-113.07

-296.63

3

-102.48

-295.55

46

-104.10

-304.00

90

-113.85

-297.39

4

-103.07

-295.27

48

-104.60

-305.81

91

-112.34

-297.35

5

-103.50

-296.05

49

-103.24

-305.85

92

-111.73

-297.44

6

-101.79

-296.55

50

-103.85

-306.51

93

-110.50

-297.59

7

-100.01

-296.66

52

-103.16

-307.35

94

-110.10

-298.16

8

-101.97

-297.27

53

-104.92

-307.60

95

-111.74

-298.53

9

-103.54

-297.94

54

-105.22

-307.33

96

-112.37

-298.73

10

-101.97

-297.97

55

-105.16

-306.12

97

-114.13

-298.62

11

-99.99

-298.20

56

-106.24

-295.16

98

-109.44

-299.30

12

-101.53

-298.76

57

-107.61

-295.38

99

-111.42

-299.32

13

-103.45

-299.66

58

-109.76

-295.81

100

-114.44

-299.85

14

-102.21

-299.69

59

-108.63

-295.78

101

-113.59

-300.29

15

-100.55

-299.56

60

-106.23

-296.62

102

-111.00

-300.69

16

-99.82

-300.41

61

-107.86

-296.60

103

-109.86

-300.84

17

-102.16

-300.49

62

-109.13

-296.96

104

-114.53

-301.60

18

-103.28

-300.61

63

-110.56

-298.18

105

-113.31

-301.90

19

-100.29

-301.16

64

-108.59

-298.11

106

-111.96

-301.83

20

-102.77

-301.58

65

-107.29

-297.88

107

-109.89

-302.20

21

-103.13

-302.42

66

-106.27

-298.22

108

-114.53

-303.30

22

-101.79

-302.18

67

-107.15

-298.99

109

-113.40

-303.36

23

-100.23

-301.99

68

-108.99

-299.08

110

-112.44

-303.25

24

-100.77

-302.92

69

-110.42

-300.67

111

-110.61

-303.60

25

-101.71

-303.25

70

-108.20

-300.07

112

-109.26

-303.94

26

-103.31

-303.61

71

-106.80

-300.34

113

-109.76

-305.08

27

-103.39

-304.64

72

-105.52

-300.96

114

-111.36

-305.05

28

-101.34

-304.43

73

-105.40

-302.20

115

-112.40

-304.76

29

-99.88

-304.38

74

-107.05

-301.75

116

-113.94

-304.88

30

-100.42

-305.16

75

-109.25

-301.63

117

-114.03

-306.13

31

-103.26

-305.89

76

-110.51

-302.96

118

-113.16

-306.27

32

-100.50

-306.25

77

-108.32

-303.00

119

-112.34

-306.74

33

-102.59

-306.26

78

-105.64

-303.54

120

-111.25

-307.20

34

-102.84

-307.52

79

-106.31

-304.44

121

-109.82

-306.82

35

-101.28

-307.56

80

-108.58

-304.43

122

-110.19

-307.49

36

-99.92

-307.28

81

-110.66

-305.86

123

-112.04

-307.47

37

-103.80

-295.50

82

-109.85

-307.07

124

-113.30

-307.51

38

-103.60

-296.40

83

-108.29

-307.35

125

-114.41

-307.65

40

-103.36

-298.60

84

-107.39

-307.10

126

-114.40

-296.44

41

-104.38

-299.95

85

-107.89

-306.28

42 43

-103.20 -104.20

-299.92 -301.21

86 87

-106.24 -105.27

-306.70 -305.87

D: Souřadnice podrobných bodů v rovině fotoplánu [Zdroj: Autor]

72


E

Mozaika po provedené retuši

Obr. E: Výsledná mozaika [Zdroj: Autor]

73


F

Výsledný fotoplán

Tato příloha je volně přiložená, protože fotoplán v požadovaném měřítku 1:50 je formátu A2.

74


G

Ověření vnitřní přesnosti výsledného fotoplánu ID rezidua[m] ID rezidua[m]

ID

rezidua[m]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37

0,006 0,022 0,017 0,014 0,021 0,018 0,023 0,017 0,012 0,011 0,123 0,009 0,023 0,023 0,009 0,019 0,038 0,012 0,013 0,035 0,010 0,043 0,016 0,023 0,024 0,010 0,021 0,028 0,034 0,013 0,030 0,006 0,024 0,014 0,018 0,088 0,157

42 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86

0,030 0,018 0,029 0,017 0,021 0,026 0,065 0,012 0,036 0,019 0,044 0,012 0,012 0,032 0,022 0,042 0,014 0,034 0,034 0,022 0,012 0,027 0,019 0,018 0,128 0,042 0,036 0,042 0,028 0,021 0,044 0,035 0,035 0,081 0,067 0,040 0,035

90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126

0,025 0,019 0,025 0,033 0,025 0,044 0,016 0,036 0,021 0,036 0,019 0,017 0,025 0,057 0,042 0,033 0,010 0,027 0,037 0,039 0,053 0,030 0,033 0,041 0,014 0,006 0,000 0,013 0,057 0,027 0,034 0,041 0,050 0,017 0,036 0,035 0,018

38 40 41

0,040 0,015 0,027

87 88 89

0,025 0,009 0,011

průměr = 0,025 cm

G: Rezidua na jednotlivých podrobných bodech [Zdroj: Autor]

75

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Recommend Documents