Приводится описание алгоритмов цифровой технологии обработки данных наземной фо- тосъемки, лежащие в основе создания цифровых моделей поверхностей и текстурных покрытий. Для автоматизации построения цифровых моделей зданий предлагается оригинальный подход, связанный с понятием семантической модели объекта. Представлены примеры реализации алгоритмов и резуль- таты обработки данных, полученные в цифровой фотограмметрической системе Z_Proxima 1.0.
Введение. В настоящее время развитие цифровых геоинформационных технологий с одной стороны, а с другой — графические возможности современных компьютеров определяют очень высокие требования к качеству продукции, такой как видеореалистичные модели местности, модели городов и даже модели интерьеров отдельных внутренних помещений. Понятие «качество» в данном случае включает в себя две составляющие: метрическую точность предлагаемых моделей архитектурных cооружений и фотографическое качество их текстур. Ни то, ни другое невозможно получить на основе данных аэрофотосъемки, а тем более спутниковой съемки. Очевидно, при плановой надирной съемке фасады практически не видны, но даже наклонная аэрофотосъемка не обеспечивает детальности проработки цифровой модели, необходимой в ряде практических приложений, например, таких как мониторинг состояния архитектурных памятников.
Несмотря на то, что исторически первой возникла наземная фотограмметрия, последующее широкомасштабное использование авиационной, а затем и космической съемки привело к тому, что цифровые методы обработки данных и цифровые фотограмметрические системы, которые создавались в 80–90-х гг. ХХ в., были ориентированы главным образом на данные, полученные в результате плановой съемки. Основным назначением этих систем является создание и обновление карт земной поверхности различного масштаба и, наконец, создание цифровых карт. К этому же времени формируется и становится все более востребованным другой вид географической видеопродукции: трехмерные цифровые модели местности (ЦММ), включающие в себя цифровую модель рельефа (ЦМР) и модель объектного состава (ЦМОС), которая в свою очередь представляет здания, технические объекты, деревья и т.п. Основные области применения таких моделей — виртуальные авиатренажеры и компьютерные игры. Как детальность геометрических моделей воспроизводимых трехмерных поверхностей, так и детальность текстур, создающих визуальный эффект реалистичности объектов и сцен, определяются, безусловно, возможностями современной вычислительной техники и в первую очередь ее графическими возможностями. С одной стороны, это необходимость хранения и эффективной работы с огромными массивами данных, с другой — обновление изображений сцены на экране монитора высокого разрешения в реальном времени. Поэтому можно утверждать, что цифровые технологии формирования трехмерных сцен были почти целиком разработаны в 80–90-х гг. ХХ в., но о «трехмерных картах», об их повсеместном использовании всюду, включая автомобильные навигационные системы, заговорили уже в ХХI в.
Этим объясняется возросшая актуальность разработки специальных алгоритмов и цифровых фотограмметрических систем для обработки данных наземной съемки. Наземная фотографическая съемка обладает рядом особенностей, вследствие которых использовать процесс обработки данных, принятый для аэрофотосъемки весьма затруднительно, а скорее всего, невозможно.
Особенности обработки данных наземной съемки. Фундаментальное различие технологий обработки данных аэро (космической) и наземной фотосъемки определяется не только способом получения снимков, но и различием топологии тех объектов, для моделирования которых та и другая применяется. Необходимо подчеркнуть, что в контексте данной работы не рассматривается, с одной стороны, задача построения поверхности Земли, а с другой — задача построения плана отдельной стены типового здания [1]. Речь идет о моделировании ограниченных участков земной поверхности, на которых расположен ряд объектов искус- ственного происхождения, другими словами, о создании цифровых моделей местности.
Пространство аэрофотосъемки. Здесь предметом съемки является часть земной поверхности, которая топологически совпадает с частью плоскости. Это свойство можно сформулировать иначе, а именно: восстановленный из координатной плоскости перпендикуляр пересечет поверхность в одной и только одной точке (рис.1). Практически это означает, что: для полного фотоизображения поверхности достаточно провести плановую съемку с базисом приблизительно параллельным поверхности земли;возможно представление цифровой модели рельефа в декартовой прямоугольной системе координат в явном виде z=f(x, y).
Пространство наземной съемки. В данном случае предметом съемки является вся поверхность замкнутого объекта — здания, топологически эквивалентного сфере (в более сложных случаях — тору). Или иначе: можно построить такую сферу, что объект полностью находится внутри данной сферы и любой радиус пересечет поверхность объекта в одной и только одной точке (рис. 2). Это значит, что: невозможно произвести съемку такого объекта с одного базиса и даже с нескольких компланарных базисов; представление цифровой модели поверхности (ЦМП) в декартовой прямоугольной системе координат возможно только в неявном виде F(x, y, z)=0.
Не останавливаясь здесь на проблемах съемки и ориентирования снимков (см., например, [1–3]), рассмотрим задачи построения ЦМП искусственных наземных объектов и их текстурного покрытия. Представленные в работе примеры реализации алгоритмов и результаты обработки данных были получены в цифровой фотограмметрической системе Z_Proxima 1.0. Система предназначена для создания моделей зданий и других объектов искусственного и естественного происхождения на основе сети снимков и дополнительных геодезических данных.
Рисунок 1 – Цифровая модель рельефа
Рисунок 2 – Цифровая модель поверхности
Построение цифровой модели поверхности объекта. Процесс создания ЦМП объекта включает в себя следующие этапы: построение характерных контуров объекта; формирование семантической пространственной модели объекта на основе контуров; построение TIN (Triangulated Irregular Network) поверхности объекта.
Завершающим этапом создания ЦМП является триангуляция поверхности, потому что именно такая форма представления необходима, с одной стороны, для решения ряда прикладных задач, с другой – для экспорта полученных моделей в универсальные распространенные форматы типа 3ds.
Необходимо вначале хотя бы вкратце описать данные, на основе которых строится ЦМП.
Исходные данные для построения ЦМП съемка объекта. В качестве объекта в данной работе представлено отдельно стоящее двухэтажное здание с простыми плоскими прямоугольными стенами. Была произведена съемка объекта со всех сторон с помощью откалиброванной любительской камеры SONY. На рис. 3 приведены образцы снимков, общее число снимков на весь объект составляет 21. Измерение опорных точек и опорных отрезков не производилось. В качестве дополнительных условий процедуры фотограмметрического уравнивания были использованы направления местных вертикалей здания.
Ориентирование снимков. По результатам проведенных измерений на снимках была построена ориентированная и масштабированная геометрическая модель, то есть набор стереомоделей, ориентированных в единой системе координат. Схема сети снимков, соответствующая вычисленным параметрам ориентирования, представлена графически на рис.4.
Процесс ориентирования сети снимков является завершающим этапом формирования исходных данных для создания ЦМП и последующего формирования текстур.
Построение характерных контуров объекта. На этом этапе по полученным стереомоделям выполняется съемка основных ограничивающих контуров здания, из которых составляется его геометрическая модель (рис. 5). В рассматриваемом проекте были построены контуры четырех стен, а также дверных и оконных проемов, на основе этих векторных элементов строится пространственная модель здания.
Рисунок 3 - Снимки одной стены
Рисунок 4 – Геометрическая модель снимков
Рисунок 5 – Геометрическая модель объекта
Формирование семантической пространственной модели объекта. Принципиально наиболее сложной частью задачи является построение TIN полной поверхности здания. Проблема заключается в том, что для поверхности, топологически эквивалентной плоскости, триангуляция строится по алгоритму Делоне или любому из аналогичных алгоритмов [4], но для поверхности, топологически эквивалентной сфере, не известен аналогичный универсальный и эффективный алгоритм [5, 6].
Задача еще более усложняется, если речь идет о триангуляции невыпуклого множества, какими и являются многие искусственные объекты. Однако можно попытаться построить эффективное решение задачи на основе некоторого дополнительного описания структуры поверхности, которое используется затем при построении алгоритмов триангуляции.
Заключение. Разработанные алгоритмы формирования цифровой модели поверхности и текстурного покрытия были реализованы в цифровой фотограмметрической системе Z_Proxima 1.0. Система предназначена для создания моделей зданий и других объектов искусственного и естественного происхождения на основе сети снимков и дополнительных геодезических данных. Требования, предъявляемые к системе, включают в себя достаточно высокую точность получаемой геометрической модели объекта в сочетании с видеореалистичностью текстурного покрытия. Для того чтобы рассматриваемая технология обеспечивала эффективную обработку исходных данных, потребовалось разработать ряд алгоритмов, которые не использовались ранее в системах обработки аэрофотоснимков и космических снимков. Рассмотренные алгоритмы показали высокую эффективность и качество получаемых результатов.
Литература
1. Лобанов А.Н. Фотограмметрия. –М.: Недра, 1984. –552 с.
2. Лобанов А.Н. Фототопография, наземная фотограмметрическая съемка. –М.: Недра, 1968. –267 с.
3. Блохин Н.А. Стереофотограмметрическая наземная
съемка. –М.-Л.: ОНТИ НКТП, 1937. –382 с.
4. Скворцов А.В. Триангуляция Делоне и ее применения. -Томск: Изд-во Том. Ун-та, 2002. –128 с.
5. Препарата Ф., Шеймос М. Вычислительная геометрия.
–М.: Мир, 1989. –478 с.
6. Handbook of Discrete and Computational Geometry ed. by
Jacob E.Goodman, Jozeph O’Rourke, CRC Press, Boca Raton,
New York, 1997, 955 p.
7. Блохинов Ю.Б., Веркеенко М.С. Алгоритмы формирования видеореалистичных текстур по данным наземной фотосъемки // Изв. вузов. «Геодезия и аэрофотосъемка», № 5, 2010. –C. 44–49.