Technologie tvorby fotoplán a možnosti využití free software SIMphoto Jind ich Hoda Software SIMphoto byl vyvinut Ing. Davidem ížkem v rámci jeho diplomové práce na Fakult stavební VUT v Praze. Tvorba tohoto typu softwaru byla inspirována zkušenostmi autora p ísp vku s využitím jednosnímkové fotogrammetrie pro ú ely dokumentace v oblasti památkové pé e. Tato metoda je hojn využívána a její výstupy (tj. fotoplány) jsou nej ast jším fotogrammetrickým produktem, se kterým je možné se v dané oblasti setkat. Postupy, které se p i vytvá ení fotoplán používají, jsou však z hlediska fotogrammetra asto spíše pseudofotogrammetrické. Jedním z d vod , pro tomu tak je, je absence jednoduchého nástroje pro jejich tvorbu. Softwar , s jejichž pomocí je možné fotoplán vytvo it, je celá ada. V tšinou jsou však s ohledem na svoji cenu špatn dostupné a jejich funkcionalita je bu siln nadbyte ná, nebo naopak nedosta ující. Vyvinutý software je šit p ímo na míru pot ebám památkové pé e a byl vytvo en jako free software. Systém je tedy otev en dalšímu vývoji a je voln ši itelný. P ísp vek se soust edí na p edstavení základní funk nosti softwaru p i tvorb fotoplánu v rámci dokumentace objekt a zárove ukazuje obecné postupy, jak je možné kvalitní fotoplán vytvo it. Snímek – základ tvorby fotoplánu Snímek je ve fotogrammetrii základním zdrojem vstupních dat. Kvalita snímku tedy zásadn ur uje výslednou kvalitu výstupu. Snímek vzniká jako st edový pr m t zobrazeného objektu, kdežto plán (zde tedy fotoplán) je pr m tem pravoúhlým. Proces p evodu ze st edového na pravoúhlý pr m t je tedy to, co je hlavním tématem p ísp vku. Matematickou operací, která je vyjád ením tohoto p evodu, je geometrická transformace (zde transformace obrazových dat). Jednosnímková metoda je ze svého principu vhodná pro dokumentaci rovinných objekt a jejich ástí. Obecn mohou nastat dva p ípady vzájemné konfigurace snímku a objektu. V reálné situaci (obr. 1) je osa záb ru snímku orientována obecn k rovin objektu. To má za následek, že snímek vykazuje perspektivní zkreslení (obr. 2). V ideální
Obr. 2: Perspektivn zkreslený snímek.
Obr. 3: ideální konfigurace po ízení snímku situaci je osa záb ru na rovinu objektu kolmá (obr. 3). Perspektivní zkreslení pak snímek geometricky nedeformuje. Je však pom rn náro né po ídit v terénu snímek s touto konfigurací. Jakákoliv, by i malá, odchylka od ní má za následek deformaci obrazu. To má poté p ímé d sledky pro proces jeho zpracování. Dalším pom rn významným parametrem, který ovliv uje geometrickou kvalitu snímku, je zkreslení vlivem objektivu fotoaparátu – distorze. Obrázek 4 ukazuje p sobení distorze v krajích snímku. Je pot eba zd raznit, že u objektiv s prom nnou ohniskovou vzdáleností (zoomobjektivy) je také pr b h distorze prom nný (obr. 5). Snímek sám o sob má podle konfigurace použité p i snímkování bu m ítko prom nné, nebo konstantní, avšak nabývající obecné hodnoty.
Obr. 1: Reálná konfigurace po ízení snímku. D JINY STAVEB 2011
1
J. Hoda – Technologie tvorby fotoplán a možnosti využití free software SIMphoto
Obr. 4: Snímek ovlivn ný distorzí.
Obr. 6: Kalibrace v programu PhotoModeler.
Obr. 7: Snímkování testovacího pole. Obr. 5: zm ny distorze u zoom objektivu P i zpracování snímk bude tedy pot eba postupn vy ešit tyto úkoly – odstranit geometrické zkreslení obrazu vlivem objektivu, odstranit perspektivní zkreslení obrazu a nastavit správné m ítko výstupu. Poslední dva body se asto eší v rámci jednoho kroku. Zpracování snímk – distorze Pro odstran ní vlivu distorze je nutné získat další údaje o použitém fotoaparátu a jeho objektivu. Ve fotogrammetrické praxi se pro ur ení t chto parametr (tzv. prvky vnit ní orientace) používají r zné kalibra ní metody. S ohledem na požadovanou p esnost výstup pro památkovou pé i v tšinou dosta uje kalibrace pomocí rovinného kalibra ního pole malého rozsahu (cca formát A2 – A0). Snímky pole po ízené podle p edepsaného postupu se zpracují ve vhodném softwaru a výsledkem tohoto procesu jsou požadované parametry. Ukázka projektu kalibrace v softwaru PhotoModeler je na obrázku 6. Kalibraci zvládne po zacvi ení i neodborník a spolu s po ízením snímk trvá celý proces cca 30 min. U objektiv se zoomem je vhodné kalibrovat každou polohu objektivu, která bude p i snímkování použita (obr. 5). Je ovšem nutné, aby tyto vybrané polohy bylo možné na objektivu zp tn nastavit. Ur ené kalibra ní parametry platí p esn jen pro n .
2
Obr. 8: Odstran ní distorze ,,od ruky“ (SW ShiftN). Výsledný snímek prostý distorze vznikne poté ve vhodném softwaru zadáním jejích parametr (nap . software PhotoModeler,1 SIMphoto2 apod.). Odstran ní distorze lze provést i mén p esným, p esto však použitelným zp sobem – ,,od ruky“. Fotoaparátem je v tom p ípad pot eba frontáln nasnímkovat jednoduché testovací pole (sí linií) – obr. 7. Pak je možné v r zných
1 PhotoModeler2011 – webové stránky software [online] [vid. 201112-01]. Dostupné z: < http://photomodeler.com>. 2 SIMphoto 12.2010 – webové stránky software [online] [vid. 201112-01]. Dostupné z:
.
D JINY STAVEB 2011
J. Hoda – Technologie tvorby fotoplán a možnosti využití free software SIMphoto programech pro práci se snímky (nap . software ShiftN3) zkreslení odstranit od ruky nap . posunem jezdce pro odstran ní distorze (obr. 8). Hodnotu ur enou pro snímek testovacího pole použijeme následn pro snímek objektu o stejných parametrech (tj. ohnisková vzdálenost). Existují také databáze parametr pro jednotlivé objektivy (tzv. kalibra ní profily), které jsou využívány n kterými programy pro automatické odstran ní distorze (nap . plug-in PTLens4). Otázkou u tohoto zp sobu je, jak kvalitn jsou parametry ur eny, jak se na tento pln automatický proces dá spolehnout. Tém každý zoom-objektiv má polohu, v níž se vliv distorze uplat uje minimáln . Pokud se nám jí poda í najít a snímky budeme po izovat s tímto nastavením, pak není nutné distorzi v b žných projektech odstra ovat. V ostatních p ípadech je vždy pot ebné se odstran ním distorze zabývat a pro další zpracování p ipravit opravený snímek. Zpracování snímk – perspektiva Pro odstran ní vlivu perspektivního zkreslení obrazu je nezbytné získat další údaje m ením p ímo na objektu. Tyto m ené údaje také umožní nastavit vznikajícímu fotoplánu správné m ítko. V zásad jsou dv možnosti co a jak m it. První možností je geodetické zam ení sít dob e identifikovatelných bod (tzv. vlícovací body), obr. 9. Minimální po et zam ovaných bod je ty i, ovšem pro ú ely kontroly se bod vždy m í více. Body se volí v rozích zájmové oblasti objektu. Jistou slabinou této alternativy (z pohledu památká ské praxe) je nutnost mít k dispozici p íslušné m ické vybavení a výpo etní geodetický software.
Obr. 10: Sí m ených délek. k nastavení správného nato ení fotoplánu. Použití m ení sít délek je vhodné spíše pro objekty menšího rozsahu, a to pro možnost snadno m it délky pásmem. Pro korektní odstran ní perspektivního zkreslení a nastavení m ítka je pot ebné mít k dispozici vhodný software. Matematickým základem jednosnímkové metody je tzv. kolineární (projektivní) transformace. Využitý software by m l tento typ transformace podporovat. V tabulce 1 je p ehled n kolika vybraných softwar umož ujících tvorbu fotoplán .
Tab. 1: software pro tvorbu fotoplán Zpracování snímk – m ítko V p ípad , že snímek byl po ízen jako frontální, není nutné odstra ovat perspektivní zkreslení. Pro nastavení správného m ítka snímku zde sta í zm it na objektu jednu dostate n dlouhou délku. Je vhodné, aby tato délka byla zárove svislicí (realizace výty kou, nivela ní latí aj.). Tak je možné jejím prost ednictvím nastavit fotoplánu také správné nato ení. P íklad frontálního snímku se svislou délkou je na obrázku 11. Pro zpracování snímku se v tomto p ípad používá jiný typ transformace (tzv. podobnostní). Obr. 9: Sí m ených bod . Druhou možností je zam ení sít délek mezi ty mi rohy ty úhelníka (obr. 10). Tato alternativa je dostupná širšímu po tu zájemc . Body musí být op t dob e identifikovatelné a délky se m í nap . m ickým pásmem. Pro ú ely kontroly je vhodné zm it všechny délky (tj. šest – v etn obou úhlop í ek). P i této variant je také vhodné najít na objektu n jakou svislou hranu, nebo tuto linii um le vytvo it (olovnice, výty ka apod.). Tato svislá linie poslouží 3 ShiftN 3.6, 2010 – webové stránky software [online] [vid. 2011-1201]. Dostupné z: < http://www.marcus-hebel.de>. 4 PTLens 8.7.8, 2010 – webové stránky software [online] [vid. 201112-01]. Dostupné z: < http://epaperpress.com/ptlens>.
D JINY STAVEB 2011
Obr. 11: Jedna m ená délka. 3
J. Hoda – Technologie tvorby fotoplán a možnosti využití free software SIMphoto Obecn je nutno brát tuto možnost z fotogrammetrického hlediska pouze jako nouzovou. Po ízení p esn frontálního snímku m že být pom rn náro né, viz výše. Fotoplán – p esnost Otázky p esnosti jsou v technické praxi velmi podstatné a týká se to také fotogrammetrické dokumentace objekt . Proto je vhodné v novat v pr b hu celé dokumentace pozornost i tomuto tématu. Ve všech výše zmín ných krocích je možné p esnost vhodn zvoleným postupem výrazn ovlivnit. Vždy záleží na ú elu dokumentace a jejích základních parametrech (nap . na velikosti objektu). Podle toho je mj. také možné vybrat vhodnou metodu odstran ní distorze snímku a postup m ení na objektu. Samoz ejmostí by m la být nadbyte nost m ení (m ím/snímkuji více než musím) a pr b žná kontrola. Podrobn jší rozbor p esnosti již p esahuje rámec tohoto lánku a lze se s ním blíže seznámit v dostupné literatu e.5 Jak již bylo zmín no, jednosnímková metoda je vhodná pro objekty, které jsou rovinné nebo rovin blízké. Z principu metody plyne, že vše co leží za nebo p ed hlavní rovinou objektu bude zkreslené. Hlavní rovina je po zpracování pravoúhlým pr m tem a vše ostatní nikoliv (obr. 12). P i další práci s výslednými fotoplány je pot eba mít toto na pam ti. Pro tvorbu pravoúhlého pr m tu u nepravidelných objekt je možné využít metodu digitálního ortofota, která je však po všech sm rech náro n jší (software, znalosti, as apod.).
Funkce odstran ní perspektivního zkreslení je v sou asné dob celkem b žnou sou ástí softwar pro úpravu obrázk (nap . Gimp,6 Adobe Photoshop aj.), obr. 13. Tyto programy v tšinou také umož ují odstranit ze snímk distorzi. Existují také specializované softwary fotogrammerické/geodetické, které danou problematiku také eší (tab. 1). Pro tedy vznikla idea vytvo it další software? Pokud se podíváme podrobn ji na první možnost, tak zjistíme, že celý proces zpracování se d je bez možnosti n jaké exaktní kontroly (pr b žné i záv re né). Je možné konstatovat, že ,,to n jak jde“, ovšem o výstupu z hlediska p esnosti mnoho nevíme.
Obr. 13: Program GIMP – odstran ní perspektivy. Specializované programy obsahují krom kolineární transformace také mnoho dalších funkcí. Jejich funkcionalita je tedy z hlediska pot eb b žného uživatele v oblasti památkové pé e siln nadbyte ná. To zt žuje práci se softwarem (tj. je p íliš složitý) a odpovídá tomu i jeho cena (tj. je p íliš drahý – z hlediska pom ru pot eb uživatele/ceny). Proto vznikl v rámci bakalá ské a následn diplomové práce Davida ížka software SIMphoto. P i návrhu funkcionality tohoto softwaru jsem vycházel ze svých dlouhodobých zkušeností ze spolupráce s kolegy památká i. Software byl vytvá en na míru jejich/Vašim pot ebám. Samoz ejm je zde otázka, do jaké míry se to poda ilo. Tuto otázku nechávám na Vašem laskavém posouzení. Software byl vytvo en jako free software (svobodný software). Free software je software, ke kterému je k dispozici také zdrojový kód, spolu s právem tento software používat, modifikovat a distribuovat.7 Je tedy možné využívat tento software zdarma. Další výhodou programu je, že nevyžaduje instalaci.
Obr. 12: Fotoplán – místa se zkreslením. 6
SIMphoto 5
Nap . Hoda , J.: Pozemní fotogrammetrie. Ústí nad Labem 2011.
4
GIMP 2.7, 2011 – webové stránky software [online] [vid. 2011-1201]. Dostupné z: < http://www.gimp.org>. 7 Svobodný software – Wikipedie, otev ená encyklopedie [online] 2011 [vid. 2011-12-01]. Dostupné z: .
D JINY STAVEB 2011
J. Hoda – Technologie tvorby fotoplán a možnosti využití free software SIMphoto SIMphoto – transformace Jak již bylo zmín no v první ásti p ísp vku, lze využít pro nastavení správného m ítka a odstran ní perspektivního zkreslení dvou typ transformací. Výb r závisí na základní konfiguraci p i snímkování. V ideálním p ípad p esn frontálního snímku se používá transformace podobnostní. Správné m ítko se snímku vloží prost ednictvím jedné m ené délky. Obrázek 14 dokumentuje pr b h snímání bod a zadávání délky. P ímá kontrola není v tomto p ípad možná. Používá se pouze jedna m ená hodnota. Je však možné kontrolovat kvalitu výsledného fotoplánu prost ednictvím dalších m ených délek, viz funkce m ení dále.
Na obrázku 16 je zachycena práce s transforma ní tabulkou p i použití sít vlícovacích bod . P i nadbyte ném po tu bod (více jak ty i) jsou pro každý bod vypo teny odchylky a ty jsou uvedeny v rámci transforma ní tabulky. Uživatel má možnost body s velkými odchylkami vypnout a tak p esnost výsledného fotoplánu ovlivnit. Je možné zadat až dev t zam ených vlícovacích bod .
Obr. 16: Sí bod – práce s transforma ní tabulkou.
Obr. 14: Zadávání jedné m ené délky. V ostatních p ípadech se používá transformace kolineární. Její použití již skýtá možnosti pr b žné kontroly p esnosti a to v p ípad zadání nadbyte ných m ení. Jako vlícovací podklad je možné využít sí m ených délek a sí vlícovacích bod , viz výše. Obrázek 15 dokumentuje pr b h snímání a zadávání p i použití sít délek. Vzhledem k tomu, že jedna m ená délka je ve ty úhelníku nadbyte ná, vypo te software charakteristiku p esnosti tohoto vlícovacího podkladu. Od té se bude odvíjet celková p esnost fotoplánu. P ípadné nato ení transformovaného snímku do správné polohy eší další funkce, viz dále.
Pro každou výše uvedenou možnost je po výpo tu transformace uložen textový protokol (transforma ní tabulka). Tuto tabulku je možné pozd ji znovu na íst a k transformaci se tak vrátit (možnost editace, nové transformace aj.). Výsledkem provedené transformace je nový snímek. K tomuto snímku jsou uloženy do textového souboru jeho základní parametry (sou adnice roh a nastavená skute ná velikost pixelu). Na obrázku 17 jsou ukázány výše zmín né typy výstup z transformace.
Obr. 17: R zné typy výstup transformace.
Obr. 15: Zadávání sít m ených délek.
D JINY STAVEB 2011
SIMphoto – další funkce Jádrem funkcionality softwaru jsou výše popsané transformace snímk . Dále zmín né funkce slouží k vytvo ení kvalitních vstup a výstup . V rámci SIMphota byla vytvo ena funkce pro odstran ní distorze snímku na základ parametr zjišt ných kalibrací kamery v programu PhotoModeler. Zadávání parametr p i této funkci zachycuje obr. 18.
5
J. Hoda – Technologie tvorby fotoplán a možnosti využití free software SIMphoto Po provedené transformaci je možné nad vytvo eným fotoplánem m it délky. Tuto funkci lze využít nap . p i dalším posuzování p esnosti výstup , nebo p i zjiš ování délkových pom r objekt . V p ípad pot eby je také možné fotoplán nato it do požadované polohy prost ednictvím jedné definované linie (svislice).
Obr. 20: Tvorba tiskové kompozice.
Obr. 18: Zadávání parametr distorze. Do vytvo eného fotoplánu m že uživatel jednoduchým zp sobem vložit grafické m ítko. Parametry m ítka lze nastavit, jak dokumentuje obr. 19. Po potvrzení parametr se vytvá í nový snímek, jehož je m ítko nedílnou souástí (obr. 17). U v tšiny funkcí program umož uje vrátit se „o krok zp t“. Program umož uje p ímý tisk výstup v zadaném m ítku do formátu pdf. Tvorbu tiskové sestavy ukazuje obr. 20. Z obrázku je patrné, jaké typy textových údaj m že uživatel zadat. Pro ú ely tisku dochází k o ezu fotoplánu podle obdélníka definovaného uživatelem.
Jednosnímková metoda – záv rem Fotoplán jako produkt jednosnímkové fotogrammetrie je nejb žn ji používaným fotogrammetrickým výstupem v památkové pé i. Jednoduchost této technologie nabízí možnost, aby sami kolegové pracující v památkové pé i (tedy Vy) tento produkt vytvá eli. Pro dosažení kvalitních výstup je však vhodné mít alespo základní poznatky o dané technologii, o vlivech na p esnost a o její použitelnosti. V první ásti tohoto p ísp vku jsem se pokusil vymezit oblasti, kterými je pot eba se p i jejím využívání zabývat. Ve druhé ásti p ísp vku p edstavuji software SIMphoto, který byl vytvo en na míru pot ebám koleg památká tak, jak jsem je z pozice fotogrammetra stihl poznat a pochopit. Software eší základní úlohy spojené s tvorbou fotoplán a je vhodný pro tvorbu fotoplán menšího rozsahu. Pracuje vždy s jedním snímkem. Pro tvorbu fotoplán velkého rozsahu, které jsou složeny z více snímk , je pot eba použít software jiný (nap . software TopoL9). V takových složit jších p ípadech je z mého pohledu vhodné p enechat fotogrammetrickou dokumentaci na specialistech. V ím, že tento p ísp vek Vám bude nápomocen p i Vaší dokumenta ní innosti stejn jako vytvo ený a zde p edstavený nástroj software SIMphoto.
Obr. 19: Vkládání grafického m ítka. SIMphoto – web Software SIMphoto byl vytvo en v eské a anglické verzi. Aktuální verze je možné stáhnout z webových stránek projektu.8 Na uvedených stránkách jsou také další materiály, jež se programu týkají (manuály, videa apod.). 9
8
Citace v pozn. 2.
6
TopoL xT, 2011 – webové stránky software [online] [vid. 2011-1201]. Dostupné z: .
D JINY STAVEB 2011
J. Hoda – Technologie tvorby fotoplán a možnosti využití free software SIMphoto
Technology of photomap creation, possibilities of using of free software SIMphoto Jind ich Hoda Software SIMphoto was developed by David ížek within his thesis. Creation of this type of software was inspired by experience of the author of paper with use of single-image photogrammetry for documentation purposes in the area of Cultural Heritage. This method is widely used and its outputs (photomaps) are the most common photogrammetrical product used in this area. Technologies which are used for photomap creation, are however pseudo-photogrammetrical rather frequently, from photogrammetrician point of view. One of the reasons of this situation is an absence of simple tool for their creation. Numerous software for photomaps creation exist. Most of them are not so good available because of their high price. Their functionality is either highly redundant or insufficient. The developed software SIMphoto is tailor-made for needs of historian-architects and it was created as a free software. The system is therefore open to further development and is freely distributable. This paper is focused on presentation of the basic functionality of the software. The paper also shows a general procedures how is possible to create high-quality photomaps.
FIGURES Fig. 1: image acquisition – real configuration Fig. 2: perspectively distorted image Fig. 3: image acquisition – ideal configuration Fig. 4: influence of lens distortion to image Fig. 5: lens distortion variability - zoom lens Fig. 6: calibration – software PhotoModeler Fig. 7: image acquisition – test field Fig. 8: lens distortion removing ,,by hand” (software ShiftN) Fig. 9: mesh of measured control points Fig. 10: mesh of measured distances Fig. 11: one measured distance Fig. 12: photomap – distorted parts Fig. 13: software GIMP – perspective distortion removing Fig. 14: setting of one measured distance Fig. 15: setting of mesh of measured distances Fig. 16: mesh of measured points – work with transformation table Fig. 17: various types of results of transformation Fig. 18: setting of lens distortion parameters Fig. 19: setting of graphic scale Fig. 20: creation of print composition Tab. 1: software for photomap creation (Translation – J. Hoda )
D JINY STAVEB 2011
7
