VÚGTK 48 212

[EuroSDR: Digital Camera Calibration and Validation]

/ Michael Cramer - In: Geoinform. - ISSN 1387-0858. - Roč.8, č.2 (2005), s.16-19 : 4 obr. - Res. angl. - Lit. (www stránky) 1+2 v textu.

Přeložil G. Karský (zkráceno)
Zdiby : VÚGTK, 2005. - 6 s.

Klíčová slova: EuroSDR, digitální komora, kalibrace, testování

Abstrakt:

Význam, principy a technologie kalibrace a testování digitálních komor popisované na základě dosavadních výsledků příslušného projektu organizace EuroSDR (European Spatial Data Research, dříve OEEPE). Pod pojmem „kalibrace“ se obecně míní geometrická kalibrace, stanovení rozlišení a kalibrace radiometrická. Článek popisuje některá firemní kalibrační zařízení (Zeiss, Leica), celkový stav řešení problematiky, experimentální práce a projekt EuroSDR v této oblasti

Poznámka:V dalším textu uvádí překladatel kurzívou své poznámky, komentáře a souhrny některých pasáží textu.

Od posledního kongresu ISPRS, kdy se na trhu objevily první komerční digitální velkoformátové letecké senzory, jako ADS40 (Leica Geosystems) lineární skener a DMC (ZI-Imaging, nyní Intergraph) měřická komora, je v posledních čtyřech letech patrný nárůst nabídky nových digitálních leteckých senzorů, a tento nástup se jeví jako stále pokračující a velmi životaschopný proces!

Systémy středního a velkého formátu

Fotogrammetrie se zajímá o systémy středního a velkého formátu. Střední formáty jsou typicky reprezentovány analogovými komorami s digitálními CCD senzory (4k x 4knebo více). V této části článku je uvedena řada takových komor několika výrobců. Některé se nabízejí pro společné využití v leteckém průzkumu spolu s laserovými skenery. Gordon Petrie podal podrobný přehled digitálních měřických senzorů pro letecké aplikace v Geoinformatics, October/November volume 7/2003.

V současné době lze pozorovat následující hlavní trendy:

Svět digitálního leteckého snímkování je velmi rozmanitý, zvláště srovnáváme-li různé návrhy nových digitálních systémů s klasickými leteckými filmovými komorami. Nadto jsou mnohé digitální zobrazovací senzory užívány jako součásti multisenzorových systémů, zahrnujících další komponenty, např. GPS/inerciální (dále zkracuji „IN“) čidla, nebo laserové skenery. To určitým způsobem práci s nimi komplikuje.

Mnohé digitální letecké systémy prošly experimentálním obdobím a jsou nyní široce využívány ve světové praxi. V budoucnu lze očekávat rostoucí zavádění nových systémů a širší pole jejich cenných aplikací, tj. kromě klasického fotogrammetrického mapování též monitorování využívání půdy, sledování katastrof a hodnocení rizik, posuzování nemovitostí atd. Využijí se při tom potenciální možnosti digitálního zobrazování.

Přednosti velkoformátových obrazových záznamů, založených na luxusních a vysoce výkonných digitálních senzorech, jsou dobře známy. Nicméně, projekty na malých územích, s omezenými finančními zdroji nebo rizikové, jsou určitě oblastmi pro flexibilní a levné použití komor středních a malých. Z tohoto hlediska je samozřejmou nutností přinést základní znalosti o digitálních senzorových systémech a vlastním jejich použití rostoucí komunitě uživatelů, z nichž mnozí nejsou dobře obeznámeni s technologiemi digitálních leteckých systémů a vůbec s leteckým snímkováním. Pokud jde o rekonstrukci objektů, hlavní pozornost je třeba zaměřit na kalibraci komor a systémů jako celku, neboť jde o podstatnou složku procesu zpracování nasnímaných dat. Jelikož konstrukce nových digitálních senzorů je dosti odlišná od analogových komor, také klasické kalibrační metody musí být doplněny a modifikovány. Je třeba dát tyto nové metodologie k dispozici uživatelům systémů, spolu s doporučeními pro kalibraci a ověřování rozličných uspořádání. To bylo důvodem pro vznik sítě expertů na kalibrace digitálních komor - více než 31 institucí z průmyslu, výzkumu a národních kartografických služeb se připojilo k tomuto projektu. Po začátku koncem roku 2003 projekt nyní vstoupil do své druhé fáze - analyzování experimentálních dat za účelem stanovení optimálních přístupů k celkové kalibraci a testování systémů. To je, po stručném popisu organizace EuroSDR a první fáze prací, obsahem další části článku.

Organizace EuroSDR

Organizace EuroSDR (European Spatial Data Research, přibližně přeloženo „Evropská organizace pro průzkum prostorových dat“, viz www.eurosdr.org) je evropská uživatelsky zaměřená organizace, založená již roku 1953 (dříve OEEPE). Oficiálními členy organizace je 18 evropských zemí, reprezentovaných vždy dvojicí delegátů: jedním od národní kartografic­ké agentury a jedním z výzkumné instituce. Organizace má dvojí poslání:

1. Vyvíjet a zdokonalovat metody, systémy a standardy pro získávání, zpracovávání, tvorbu, údržbu a šíření stěžejní geoprostorové informace, a podpora využívání všech takových dat, se zvláštním důrazem na další vývoj leteckých a satelitních metod získávání dat.

2. Stimulovat interakce mezi výzkumnými organizacemi a veřejným a soukromým sektorem v zájmu výměny idejí k důležitým výzkumným projektům, a také pro přenášenívýsledků výzkumu do organizací, realizujících tvorbu geoinformací.

Od počátku byly výzkumné aktivity organizace zaměřeny též na empirické testování postupů v Evropě. Pro pozdější praktické využívání se to v novější době týkalo např. analytického blokového vyrovnání svazků, aerotriangulace s podporou GPS, nebo přímého georeferencování využitím IN a GPS systémů. Nyní je aktuální projekt kalibrace digitálních komor.

Kalibrace digitálních komor - projekt EuroSDR

První fáze projektu, v trvání asi jednoho roku, zhrnovala především vytvoření skupiny („sítě“) expertů, všeobecné zdokumentování rozličných přístupů k problému kalibrace senzorů,a také metod kalibrace digitálních komor, užívaných výrobci. Zpráva o tom, založená na publikovaných vědeckých článcích, doplněných přímými informacemi od výrobců (např. protokoly kalibrací), je dostupná na webovské stránce projektu http://www.ifp.uni-stuttgart.de/eurosdr/index.html . Je tam také obsáhlá bibliografie, včetně základních děl k tématu, přičemž řada prací je dostupná v digitálním formátu PDF.

Stav kalibrací digitálních komor

Kalibrace komor obecně zahrnuje tři aspekty: geometrickou kalibraci, stanovení rozlišení (rozlišovací schopnosti) a kalibraci radiometrickou. Kalibrace klasických leteckých komor se zaměřuje na geometrickou část a na určení rozlišení, radiometrické aspekty se neuvažují. Tato situace se mění s dostupností digitálních senzorů, kde barva hraje podstatou úlohu. V tomto článku se však věnujeme jen standardním geometrickým aspektům problematiky.

Tradiční kalibrace se provádí v laboratoři pomocí komplexu mechanických zařízení, jako jsou soustavy kolimátorů a goniometrů, a to na základě porovnání naměřených souřadnic nebo úhlů v obrazovém prostoru s jejich a priori známými hodnotami. Tak se stanoví vnitřní geometrie komory, tj. ohnisková vzdálenost, poloha hlavního bodu a parametry distorse objektivu. Výsledky takové kalibrace („kalibrace komponent“) se udávají v certifikátech pro konkrétní komoru s jejím objektivem. Jiná možnost je kalibrace v kompletní sestavě („in-situ“), konkrétně samokalibrace, kalibrace na testovacím poli nebo simultánní kalibrace. Zde se kalibrační parametry určují při procesu rekonstrukce objektu kompaktním vyrovnáním paprskových svazků. Tato metodologie, pocházející z blízké fotogrammetrie, nabývá většího významu v leteckých aplikacích, zejména pro kalibrace komplexních systémů, např. s více než jedním optickým modulem a dalšími senzory, jako je GPS nebo IN orientace. In-situ kalibrace se má používat pro kompletní systémy v jejich skutečném fyzickém prostředí, což je zřetelně odlišné od kalibrace jednotlivých komponent v laboratoři.

Je patrné, že kalibrace soudobých digitálních leteckých komor se typicky skládá z laboratorních kalibrací a metod in-situ. Laboratorní část geometrické kalibrace např. komor DMC a ADS40 stále spoléhá na použití tradičních goniometrů (pohyblivých kolimátorů), užívaných pro kalibraci standardních analogových komor (obr. 1 a 2). Jiný způsob laboratorní kalibrace používá pevný kolimátor, zatímco komora je upevněna v systému, umožňujícím měřitelné natáčení kolem dvou os (obr. 3).

Obr. 1. Kalibrace optické hlavice komory DMC na goniometru u firmy Zeiss (©Zeiss)

Obr. 2. Goniometrická kalibrace komory ADS40 u firmy Leica (© Leica)

V každém případě, všechny tyto laboratorní techniky dávají informaci jen o zobrazovacích komponentách senzorů, což je nedostačující pro komplexni digitální systémy. Tak např DMC má 8 inidividuálních hlavic (asi jde o výměnné bloky) nebo lineární skenovací systémy mohou být integrovány se senzory IN/GPS - jejich prostorové vztahy vzhledem k zobrazovací částí je též nutné zjistit. To je možné pouze metodologií in-situ kalibrace. Proto jsou ve všech případech potřebné doplňkové kalibrační lety.

Obr. 3. Kalibrace inženýrského modelu ADS40 pomocí kolimátoru v DLR Berlín (© DLR)

Pro ADS40 se takové lety konaly již jako součást kalibrací individuálních systémů a výsledky se vyznačovaly v kalibračních dokumentech, pro další systémy se prostorové vztahy budou muset určit z individuálních uživatelských dat.

Přístup ke kalibracím některých jiných digitálních snímačů, jako např. UltracamD a DSS, je úplně odlišný. Jejich kalibrace je zcela založena na in-situ technice, přičemž laboratorní část nepoužívá goniometry. Ty jsou nahrazeny trojrozměrným (3D) „terestrickým“ kalibračním polem.

Obr. 4. Prostorové (3D) laboratorní kalibrační pole (popisek G.K. - v originále není)

V případě UltracamD, velkoformátového vícehlavicového senzoru, se ze tří „stanic“ natáčenými a nakláněnými kamerovými pohledy zobrazuje 3D kalibrační pole, mající velký počet vyznačených a prostorově určených bodů (obr. 4). I v těchto případech se konají kalibrační lety.

Kalibrační lety se konají nad signalizovanými testovacími plochami a pro některé senzorové systémy (např. DiMAC) jsou jedinou cestou in-situ kalibrací.

Z přehledu dnešního stavu kalibrace digitálních senzorů lze odvodit následující hlavní závěry:

Zřetelný pokles podílu užití standardních laboratorních kalibrací pomocí kolimátorů a naopak rostoucí význam in-situ kalibrací kompletních systémů.

In-situ samokalibrace na základě speciálních kalibračních letů by měli uživatelé konat pravidelně pro ověřování a zpřesňování výrobci udávaných kalibračních parametrů.

Jelikož některé tyto techniky nejsou běžné v tradiční letecké fotogrammetrii je v současnosti na straně uživatelů patrný nedostatek povědomí o možnostech a přednostech letové kalibrace systémů.

Empirické výzkumy in-situ kalibrace

Uvedená konstatování jsou hlavní motivací pro druhou, experimentálně orientovanou fázi projektu. Reálná data testovacích letů s digitálními systémy byla předána členům sítě expertů ke zpracování jejich softwary a podle jejich představ. Měli též k dispozici některé soubory dat ze systémů DMC, Ultracam a ADS40 od národních kartografických agentur a soukromých společností. Zvláště nadějná byla data od TerraTec/Norway z letů nad speciálním fotogrammetrickým testovacím polem Fredriksdad, provedených v různých výškách se všemi systémy a s registrací dat GPS/IN. Mimo to byla k dispozici i analogová referenční data ze standardních leteckých komor.

Zpočátku se empirické analýzy zaměřovaly na geometrii, později byly pokryty i radiome­trické aspekty, barvy a všeobecné aspekty kvality obrazů. Dlouhodobá aktivita sítě expertů se zaměřuje na vývoj optimálních kalibračních postupů, vhodných pro individuální řešení sys­témů. Přitom nejde hlavně o jejich srovnávání, ale o možnost uplatnění všech nových poznat­ků o kalibracích na všechny digitální komory srovnatelné architektury. Tato činnost již vedla k užitečné spolupráci s výrobci a uživateli systémů, v zájmu tvorby optimálních kalibračních procesů pro jejich nové digitální zobrazovací systémy. A jelikož o kalibrace je celosvětový zájem, má EuroSDR vazby i na jiné obdobné aktivity, zejména v USA.

Závěry

Kalibrace a testování nových digitálních obrazových senzorů je velice komplexní proces, navíc rozdílný pro různě řešené systémy. Vzrůstá zájem uživatelů přinejmenším o testovací postupy, takže je žádoucí šířit informace o teorii a praxi kalibrace. To je hlavním smyslem EuroSDR iniciativy. Každý, kdo se zajímá o analýzu dat digitálních senzorů, je srdečně zván k účasti na 2. fázi projektu. Má-li někdo přístup k letovým datům jiných digitálních zobrazovacích senzorů - i ta mohou být využita v empirické testovací fázi. Ještě jednou: neostýchejte se kontaktovat přímo autora!

Dr. Michael Cramer(michael.cramer@ifp.uni-stuttgart.de) je vedoucí projektu EuroSDR „Digital Camera Calibration“ na Institut für Photogrammetrie (ifp), Universität Stuttgart, Německo.

Pro další informace: www.ifp.uni-stuttgart.de/eurosdr.