FOTOGRAMETRÍA DIGITAL

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1 FOTOGRAMETRÍA DIGITAL FRANCISCO GARCIA CEPEDA E.U.I.T.TOPOGRÁFICA Página: 1 Generaciones en Fotogrametría analítica digital Invención del ordenador ª generación analógica Invención del aeroplano 1850 Invención de la fotografía Página: 2 1

2 Fotogrametría y Ordenadores Generaciones Hardware Software Disciplinas Fotogramétricas 1 era 2ª 3ª 4ª 5ª - tubos de vacío - transistores - memoria magnética - memoria IC - miniordenadores - almacenamiento en discos magnéticos - Microprocesadores, PC - VLSI - redes - procesamientos paralelos - arquitectura RISC - VHSIC - Almacenamiento en discos ópticos - Código máquina - lenguajes de alto nivel - (FORTRAN, COBOL) - tiempo compartido - sistemas operativos - memoria virtual - lenguajes nuevos - (PASCAL, MODULA) - IGS, DBMS - software basado en conocimiento - sistemas expertos - procesamiento en lenguaje natural fotogrametría analítica - triangulaci ón aérea - correlaci ón - restituidor analítico - fotogrametría asistida por ordenador fotogrametría digital - fotogrametría en tiempo real Página: 3 Estación Digital (Esquema) ADQUISICIÓN E S T A C I Ó N D I G I T A L CONVERSIÓN PROCESAMIENTO REPRESENTACIÓN ALMACENAMIENTO EDICIÓN GESTIÓN BBDD S.I.RADIOMÉTRICO Analog. I Analog. I I Analit. I Analiticos I I Analiticos I I I Esquema de la Instrumentación Fotogramétrica Página: 4 2

3 Esquema del entorno de la Fotogrametría digital fotografía Escáner Cámara digital Imagen digital monitor ordenador discos Interfaz de usuario Grabadora de película trazador ortofoto mapa Página: 5 CLASIFICACIÓN Y TAREAS DE LOS PROCESOS FOTOGRAMÉTRICOS CATEGORÍA Nivel Básico Nivel Bajo Nivel Medio Nivel Alto PROCESOS, ALGORITMOS Almacenamiento Acceso y presentación de imágenes Unión de imágenes Extracción características Agrupación Segmentación imágenes Comprensión de imágenes TAREAS Manipulación de las imágenes digitales Orientaciones, Ortos Digitales, MDT,A.T. Reconstrucción de superficies y características Reconocimiento e Interpretación de imágenes Página: 6 3

4 Procesamiento digital de imágenes Adquisición se ocupa de los diferentes caminos de obtención de imágenes; por ejemplo, utilizando cámaras digitales ó digitalizando fotografías analógicas. Almacenamiento y compresión tratan de las técnicas adecuadas para almacenar imágenes digitales que requieren grandes volúmenes de almacenamiento. Por ejemplo una fotografía digitalizada a un tamaño de pixel de 15 µm necesita 232 Mb. La compresión, almacenamiento y recuperación de las imágenes es de mucha importancia en un entorno de producción. Mejora y realce son técnicas que se usan para mejorar la apariencia visual de las imágenes ó para recuperar imágenes degradadas. Segmentación se ocupa del particionamiento de las imágenes en regiones ó áreas significativas. Visualización son técnicas que se utilizan para representar las imágenes en una variedad de medios, incluyendo monitores, impresoras y grabadoras de película. Página: 7 Instrumentación Fotogramétrica * Instrumentos Analógicos - Reconstrucción por via óptica y/o mecánica de la geometría del modelo estereoscópico. * Instrumentos Analíticos - Miden las coordenadas imagen sobre fotografías usando métodos electro-ópticos ó mecánicos y con la ayuda de la visión del operador - Utilizan modelos matemáticos para calcular coordenadas 3D Página: 8 4

5 Instrumentación Fotogramétrica * Instrumentos Digitales - Utilizan imágenes en formato digital - Usan técnicas matemáticas para encontrar puntos homólogos. En zonas difíciles la fusión tiene dificultades - La precisión es función de: El tamaño del pixel No ha sobrepasado aún la precisión de los métodos analíticos - Menor coste debido a la ausencia de elementos electro-mecánicos-ópticos. Página: 9 Requerimientos hardware en Estaciones Digitales Pantalla de alta resolución (>1280x1024 pixeles, frecuencia >60Hz y posibilidad de visión estereoscópica) Buffer de gran capacidad para movimientos rápidos de imagen o C.P.U. De gran potencia (>20 MIPS) o Sobreimpresión de datos vectoriales Archivos de datos para acceso directo y almacenamiento fijo Página: 10 5

6 Requerimientos Software de Estaciones Digitales Sistemas Operativos: UNIX ó Windows NT Interfaz de usuario: Xwindows con OSF/Motif ó WNT Lenguaje de programación: C, C++, Visual C ó Visual Basic Página: 11 Procesamiento de Imágenes en Fotogrametría Dig. Objetivo : Implementación de métodos de procesamiento digital de imágenes para la provisión de procedimientos automáticos, semi-automáticos e interactivos en estaciones fotogramétricas digitales. Página: 12 6

7 Procesamiento de Imágenes en Fotogrametría Dig. Ejemplos : Calibración de escáner y Cámaras CCD Preprocesamiento de Imágenes (eliminación ruidos,realce,contraste,compresión de datos, etc.) Visualización en diferentes intervalos de resolución Localización de marcas fiduciales y O.I. Automática Correcciones por remuestreo Medición automática de MDT Segmentación y Clasificación de imágenes Página: 13 Módulos de procesadores Los módulos convencionales están todavía suplementados por procesadores especiales (CPU de procesamiento de imágenes) para tratar las grandes cantidades de datos eficientemente. Cableado para operaciones aritméticas y booleanas Procesadores de señal de 5 a 10 veces más rápidos Procesadores de flujos de datos están programados en lenguaje especial Procesadores matriciales y transductores. Página: 14 7

8 Esquema de una Estación Fotogramétrica Digital ENTRADAS SISTEMA FOTOGRAMETRICO DIGITAL SALIDAS Imágenes Fotográficas Imágenes Digitales Imágenes Teledetección A D D A/D Escaner (Raster) D Estación Fot. Digital (DPW) D D D/A Plotter ó Filmadora A D Mapas Ortos Etc. CAD GIS, LIS OTROS Página: 15 Componentes hardware Emisor de Infrarrojos Monitor estéreo y consola Gafas Activas Ratón 3D CPU RAM Tarjeta Discos Duros Página: 16 8

9 Visión Estereoscópica Con dos pantallas y división de la imagen por espejos Por división en pantalla (p.e. DSP1, DVP) Por polarización activa ( Integraph, Zeiss SGI) Por polarización pasiva ( Tektronix, HAI 500, HAI 750) Página: 17 Visión estereoscópica por oculares y espejos Página: 18 9

10 Visión estereoscópica por pantalla polarizada Página: 19 Visión estereoscópica por gafas activas Página: 20 10

11 Propiedades de las EFD - No tienen componentes óptico-mecánicos de gran precisión - Los dispositivos de medición no se desgastan - No existe calibración instrumental - No hay tratamiento manual de la imagen (revelado, secado, ampliación...) - Las imágenes son estables, no existe deformación por el tiempo - Procesamiento de las imágenes automatizado en gran medida - Interactividad muy elevada - Adquisición de datos, proceso, edición, almacenamiento y gestión en un solo sistema - Integración natural en Sistemas de Información Geográficos Página: 21 Tendencias y Perspectivas HW más eficaz y barato > 1000 MIPS Procesadores de imágenes estandar en Estaciones dig. Sistemas operativos : UNIX ó Windows NT, XP Alto grado de automatización en:»o.interna,o. Relativa, Transferencia de puntos» Adquisición de datos y generación de MDT» Aerotriangulación y Generación de ortofotos Visión estereoscópica por polarización activa Integración de Estaciones digitales en S.I.G. Página: 22 11

12 Causas de aparición de los Instrumentos Digitales Gran disponibilidad de imágenes digitales Progreso continuo de la informática Alto grado de automatización en los procesos Abaratamiento de costes, nuevos mercados Desarrollo de sistemas de visión artificial Personal menos cualificado Página: 23 Tareas a realizar Extracción de la información contenida en las imágenes Sistema abierto a gran variedad de datos de entrada Importación de datos ya existentes: información vectorial Creación, uso y mantenimiento de bases de datos Página: 24 12

13 Elementos necesarios Escáner Conexión para entrada directa de imágenes Potente CPU con procesador en tiempo real que ejecute dos tareas:» Procesamiento de la imagen» Correlación automática de las imágenes del par Subsistema gráfico con:» Memoria de imagen en verdadero color» Unidad rápida de procesamiento Monitor estereoscópico de gran resolución en color Página: 25 Elementos necesarios (cont.) Buses rápidos Sistema de control para captura de datos, orientaciones Discos de gran capacidad, acceso a redes, backup Teclado, ratón, impresora Otros periféricos Configuración modular tanto en HW como en SW Página: 26 13

14 Requisitos del Software Manipular imágenes Mantener ciclo en tiempo real Procesamiento de coordenadas Uso de librerías gráficas Superposición estereoscópica de vectores Intercomunicación con SIG ó CAD Creación de MDT s Remuestreo de la imagen Página: 27 Funciones del procesador de imágenes Cargar las teselas de las imágenes dch. e izq. Controlar el obturador de cristal líquido para la presentación en pantalla Presentar en pantalla el modelo estereoscópico Mantener y recorrer por la pantalla la imagen estereoscópica a través del sistema de control Mover el índice en dirección Z Refrescar el índice Página: 28 14

15 Funciones del procesador de imágenes (cont.) Aplicar zoom a las imágenes Permitir la creación de una pantalla de gráficos y textos Tener conectores de pedales para registro de coordenadas y tentativos Controlar la sobreimpresión en color de los datos vectoriales y conseguir mov.simultáneo de ambos Establecer la correlación entre pixeles en los MDT s Remuestreo de las imágenes Página: 29 Funciones del ordenador Ofrecer al operador el control de la mayor parte de las operaciones del procesador de imágenes Recibir las coordenadas y almacenarlas para su posterior tratamiento Calcular el modelo estereoscópico Opción de soportar algún SIG Calcular Aerotriangulaciones Manipulación de archivos y datos Mostrar curvas de nivel, perspectivas, etc., en pantalla Página: 30 15

16 Modo de trabajo 1) Crear los ficheros necesarios para el funcionamiento de las aplicaciones: adquisición y carga de las imágenes, puntos de apoyo, cámara, modelos, bloque, etc. 2) Para la observación correcta del modelo estereoscópico y la realización de los cálculos necesarios para las distintas aplicaciones, es necesario hacer: i. Orientación interna por correlación de las marcas fiduciales. ii. Orientación relativa por correlación de puntos homólogos. iii. Aerotriangulación del bloque y iv. Orientación absoluta. Al final de este paso todos los modelos del bloque han sido calculados y almacenados Página: 31 Modo de trabajo (cont.) 3) Para la captura de datos el operador elegirá el modelo a restituir y el sistema presentará en pantalla de forma automática dicho modelo y cargará los ficheros relacionados con él. Se pueden generar ahora, a partir de las imágenes tridimensionales, los ficheros de puntos ó en conexión con un SIG hacer una captura de datos vectoriales en su base de datos gráfica. En paralelo se pueden superponer los datos vectoriales a la imagen tridimensional de la pantalla para controlar mejor la restitución. Página: 32 16

17 Instrumentación Fotogramétrica * Orientación Interna - Se necesita conocer la posición del punto principal en la imagen, especificado con relación a las marcas fiduciales. - La longitud focal de la cámara: f - La función de distorsión Página: 33 Instrumentación Fotogramétrica * Orientación Externa - Se necesita conocer la posición de los fotogramas en el sistema de referencia espacial elegido. - El proceso se lleva a cabo por medio de: La Orientación Relativa La Orientación Absoluta Página: 34 17

18 Instrumentación Fotogramétrica Sistemas de Coordenadas Coordenadas pixel Foto-coordenadas. - Origen en el centro de colimación. Sistema de coordenadas imagen. - Origen en el centro de Proyección Sistema de Referencia Terretre - Origen en función del sistema elegido Página: 35 Estación de Fotogrametría Digital DIGI3D Características principales: Movimiento de las imágenes suave El sistema mueve las imágenes manteniendo los índices centrados en la pantalla, y el movimiento de las imágenes es suave, permitiendo movernos por todo el modelo sin ninguna interrupción. La sensación del operador es la de estar sentado ante un restituidor analítico. Configuración de múltiples monitores La estación de Fotogrametría Digital Digi3D utiliza un ordenador con dos monitores. En uno de ellos se visualiza la información estereoscópica y en el otro se visualizan los menús, asistentes, vistas ortogonales y todo tipo de información. Página: 36 18

19 Estación de Fotogrametría Digital DIGI3D Características principales (cont.): Múltiples dispositivos de visualización 3D Estereóscopos de cualquier tipo Monitor ZScreen CristalEyes Eye3D SimulEyes etc Múltiples dispositivos de entrada Ratones Ratones 3D Manivelas de diferentes fabricantes (Rest2, Rest3, Rest4, TopoL, Diap, Altek, Sec-pc) JoySticks de fuerza etc Múltiples formatos de archivos gráficos TIFF con y sin tiles BMP JPG Mister SID, EZW Página: 37 Estación de Fotogrametría Digital DIGI3D Características principales (cont.): Creación de fichero de cámaras fotogramétricas con incorporación de los datos del certificado de calibración (focal, coordenadas de las marcas fiduciales, distorsiones radiales, esquema de medida de puntos de aerotriangulación...). Orientacion Interna (manual o automática por correlación). Con ajuste de la trasformación Afín por mínimos cuadrados. Obtención de los residuos del ajuste que se almacenan en fichero ASCII con todos los parámetros de la orientación. Página: 38 19

20 Estación de Fotogrametría Digital DIGI3D Características principales (cont.): Orientación Relativa (manual o automática por correlación). Cálculo de la orientación relativa mediante las ecuaciones de colinealidad dejando la cámara izquierda fija y obteniendo para la cámara derecha bz, by y los giros de κ, φy ω. El ajuste de las ecuaciones se realiza por mínimos cuadrados obteniéndose las paralajes residuales p y. En el sistema totalmente automático se emplean estimadores robustos para al detección de errores groseros. Todos los parámetros de la orientación relativa se presentan en un fichero ASCII con el nombre del modelo y extensión.rel Página: 39 Estación de Fotogrametría Digital DIGI3D Características principales (cont.): Orientación Absoluta (manual con ayudas por correlación). El programa almacena las fotocoordenadas de todos los puntos que se miden en cada foto así como una instantánea de la imagen de la foto. Cuando se vuelve a necesitar medir ese punto en otro modelo el programa fijará una foto en las fotocoordenadas almacenadas y presentará la instantánea para recordar donde se midió y buscará el punto en la otra foto por correlación. A partir del segundo punto, el programa busca todos los puntos de apoyo que entren en el modelo, llevándonos a ellos para medirlos. El método de cálculo que se emplea, es obtener los siete parámetros de la orientación absoluta mediante la matriz de Rodríguez. Esto s valores se toman como aproximados para introducirlos en la linealización de la matriz de Euler. Ajustándose el sistema de ecuaciones por mínimos cuadrados. Todos los resultados del ajuste se guardan en un fichero ASCII con el nombre del modelo y extensión.abs También se crea un fichero con la orientación externa de cada foto para poder calcular la ortofoto digital. Página: 40 20

21 Instrumentación Fotogramétrica * Digitalización Se refiere al proceso de convertir una imagen de tonos continuos de grises, en una representación digital, en la que hay un número discreto de niveles de gris. El tamaño del pixel es muy importante en la digitalización. Un método es usar un escáner para digitalizar una fotografía aérea. En algunos sensores la digitalización está implícita, como en satélites artificiales y cámaras digitales. Página: 41 Digitalización y La digitalización consiste en dos procesos: Muestreo y Cuantificación Dx x El Muestreo consiste en tomar una serie de valores de la intensidad de la imagen cada cierto intervalo x. Una vez obtenidos los valores se les asigna un valor discreto, normalmente entre 0 y 255 (cuantificación de 8 bits), por tanto: La Cuantificación es el número de bits por byte que tienen los pixeles de la imagen Página: 42 21

22 Digitalización El tamaño del pixel se puede referir a: i Las dimensiones de la cuadrícula de muestreo del escaner i El tamaño del elemento físico del sensor de la cámara i 7,5 µm, 15 µm, 25 µm, 40 µm son valores habituales de tamaño de pixel especialmente los dos intermedios. 600 dpi corresponde a cerca de 40 µm y corresponde a la resolución más alta para escáneres de sobremesa. Para escáneres fotogramétricos se necesitan resoluciones mayores. i La distancia en el terreno entre los puntos de muestreo i i 2 m para imágenes satelitales de alta resolución y 10 m para SPOT y 30 m para LANDSAT En realidad es imposible encontrar el valor de la intensidad exacto para el punto muestreado, es un valor obtenido a partir de una pequeña área de la imagen. Página: 43 Precisión El tamaño del pixel es decisivo a la hora de la precisión planimétrica. Habitualmente hay suficientes niveles de cuantificación por lo que el ruido puede ignorarse. Las fotocoordenadas de características bien definidas tales como líneas, señales ó marcas fiduciales se pueden obtener con valores planimétricos de 0,1 de pixel ó más Precisión altimétrica 0,1 a 0,2 de la altura de vuelo sigue siendo válida Para tama ños de pixel de 15 a 25 µm Los problemas aparecen en áreas de contraste ó textura pobre, como campos cultivados, carreteras, etc, no obstante se pueden atenuar con las facilidades de edición de las estaciones fotogramétricas digitales. Página: 44 22