В новой статье мы расскажем вам об особенностях работы камер с Rolling Shutter, рассмотрим отличие от покадрового (механического) затвора, а также на практических примерах покажем, как современное фотограмметрическое программное обеспечение Pix4Dmapper корректирует искажения, связанные с построчным затвором.
Topodrone DJI Mavic 2 Pro L1/L2 RTK/PPK
Рис. 1. Topodrone DJI Mavic 2 Pro L1/L2 RTK/PPK.
Все большую популярность у наших пользователей приобретает геодезический квадрокоптер Topodrone DJI Mavic 2 Pro L1/L2 RTK/PPK.
Данный дрон обладает рядом преимуществ по сравнению с другими геодезическими беспилотниками, а именно:
- На борту установлен высокоточный 186 канальный L1/L2/L5 мультисистемный ГНСС приемник, синхронизированный с 20 Mп камерой Hasselblad;
- Малый вес и компактность, это самый миниатюрный геодезический квадрокоптер на рынке;
- Великолепные полётные характеристики, наличие продвинутой системы предупреждения препятствий;
- Удобство использования, наличие широкого спектра программного обеспечения для планирования полетов.
Для того, чтобы развеять эти сомнения, мы расскажем вам об особенностях работы камер с Rolling Shutter, рассмотрим отличие от покадрового (механического) затвора, а также на практических примерах покажем, как современное фотограмметрическое программное обеспечение Pix4Dmapper корректирует искажения, связанные с построчным затвором.
Механический и скользящий затвор камер
Рассмотри работу двух основных типов затворов представленных на рисунке.
Рис. 2. Демонстрация работы механического и скользящего затворов.
Кадровый затвор камеры (слева) фиксирует весь кадр изображения практически в один и тот же момент времени. Такой тип затвора распространен среди камер с ПЗС (CCD) матрицей.
Камеры с построчным затвором (справа) в момент съемки построчно сверху вниз считывают кадр. Дисторсии построчного затвора возникают, когда положение объекта съемки относительно камеры меняется во время построчного считывания одного и того же кадра.
Рис. 3. Демонстрация съемки камерой с покадровым затвором и построчного считывания кадра скользящим затвором.
При использовании таких искаженных снимков в программном обеспечении для фотограмметрии смещение пикселей может вызвать проблемы при поиске связующих точек на фотоснимках и, таким образом, стать причиной неточного определения параметров внутреннего и внешнего ориентирования изображения.
Неточно вычисленные параметры камеры непременно приведут к снижению точности построения ортофотопланов и трехмерных моделей местности.
Компенсация искажений скользящего построчного затвора в ПО Pix4Dmapper
В профессиональном фотограмметрическом ПО Pix4Dmapper используется модель для устранения искажений построчного затвора, осуществляющая коррекцию смещения пикселей и, таким образом, точнее определяющая параметры внутреннего и внешнего ориентирования снимков.
Смещение пикселей можно посчитать воспользовавшись следующей формулой:
Δ ≈ V · T · f
P · h
где Δ - вертикальное смещение в пикселах,
V - скорость дрона (метры/сек),
T - время считывания изображения матрицей (секунды),
f - фокусное расстояние (миллиметры),
P (миллиметры/пиксель) - высота пикселя матрицы,
h (метры) - высота полета или расстояние от сенсора до объекта.
Следует отличать два понятия:
- Время считывания изображения матрицей (Readout time) – это время, которое необходимо для конвертации светового сигнала в аналоговый.
- Выдержка (Shutter Speed) – это время, за которое матрица освещается светом.
Большинство программ для фотограмметрии основаны на предположении, что во время считывания изображения камера не меняет своего положения. Модель коррекции построчного затвора в Pix4Dmapper учитывает изменение положения камеры.
Изменения положения камеры для каждого ряда аппроксимируются путем применения линейной интерполяции к двум положениям камеры (в начале и в конце считывания изображения). Было доказано, что такая линейная аппроксимация работает особенно хорошо с квадрокоптерами, на которых установлен подвес, стабилизирующий камеру в положении надир, а также когда используются высокоточные координаты центров фотографирования.
Коррекция построчного затвора в ПО Pix4Dmapper позволяет выполнять полеты на более высоких скоростях, не снижая конечную точность.
Фотограмметрическая обработка материалов аэрофотосъемки c Topodrone DJI Mavic 2 Pro L1/L2 RTK/PPK
Для практического тестирования коррекции искажений Rolling Shutter мы выполнили аэрофотосъемку местности с помощью Topodrone DJI Mavic 2 Pro L1/L2 RTK/PPK дополнительно оснащенным геодезическим ГНСС приемником, определяющим высокоточные координаты в момент фотографирования.
Полеты проходили на высотах 90 и 120 метров со скоростью 8 и 10 м/c соответственно с продольным и поперечным перекрытием 80% по технологии двойной грид (Double Grid).
Рис. 4. Уравнивание снимков в ПО Pix4Dmapper.
Фотограмметрическая обработка была выполнена в ПО Pix4Dmapper по высокоточным координатам снимков определенных в PPK (post processing kinematic) режиме с использованием программного обеспечения для автоматизированной постобработки ГНСС измерений и геокодирования изображений TOPOSETTER 2.0.
Для контроля точности результатов аэротриангуляции мы использовали опорные точки, равномерно распределенные по тестовому району работ.
Рис. 5. Расположение маршрута аэрофотосъемки и контрольных точек.
В таблицах №1 и №2 приведен отчет контроля точности построения блоков изображений полученных на высотах 90 и 120 метров соответственно по методике съемки Double Grid.
В таблице №3 представлены результаты контроля качества уравнивания одиночного маршрута аэрофотосъемки на высоте 120 метров.
Рис. 6. Таблица 1. Контроль точности фотограмметрической обработки по полету на высоте 90 метров.
Рис. 7. Таблица 2. Контроль точности фотограмметрической обработки по полету на высоте 120 метров.
Рис. 8. Таблица 3. Контроль точности фотограмметрической обработки по полету одиночным маршрутом на высоте 120 метров.
На схеме представленной ниже наглядно показаны вектора смещения матрицы в процессе фотографирования, а также расчетные значения скорости движения камеры, среднее значения смещения и времени считывания изображения матрицей.
Рис. 9. Схема расположения снимков и их смещения в процессе фотографирования.
Следует отметить, что при обработке данных по пролету в одном направлении на высоте 120 метров было выявлено увеличение ошибок на контрольных точках, расположенных за границей маршрута аэрофотосъемки, где наблюдается недостаточное количество перекрытий аэрофотоснимков.
Рис. 10. Расположение одиночного маршрута полета и контрольных точек.
Рис. 11. Расположение контрольных точек с неудовлетворительными результатами.
Результаты проекта
Как мы видим из результатов обработки точность построения модели по аэрофотосъемке выполненной по технологии двойная сетка (Double Grid) остается стабильной на всей площади покрытия аэрофотосъёмки. При планировании маршрутов аэрофотосъемки одиночным проходом для обеспечения стабильных точностных характеристик модели местности и ортофотоплана рекомендуется добавить один/два галса за границы района работ.
Как мы видим из приведенных выше таблиц, точностные характеристики модели местности в границах маршрутов полета полностью удовлетворяют требованиям масштаба 1:500 как в плане, так и по высоте.
Рис. 12-14. Детальное облако точек, отображающее здания и сооружения, столбы освещения, ограждения, дорожные знаки, растительность.
Детально ознакомиться с результатами проекта вы можете в режиме онлайн в Pix4D Cloud, либо скачайте полный набор данных и отчеты по фотограмметрической обработке по ссылке.
Выводы
Выполненные аэрофотосъёмочные работы доказали на практике высокую точность применяемых в ПО Pix4Dmapper алгоритмов по корректировки искажений скользящего затвора камер.
Высокая точность и детальность облака точек, построенного по материалам Topodrone DJI Mavic 2 Pro L1/L2 RTK/PPK позволяет выполнить значительную часть объемов работ по созданию топографических планов в камеральных условиях, что сокращает сроки и стоимость выполнения топографо-геодезических проектов.
В завершении следует отметить, что методика обработки аэрофотоснимков Topodrone DJI Mavic 2 Pro L1/L2 RTK/PPK была всесторонне протестирована специалистами фирмы Pix4D (Швейцария).
В ходе исследований подтвердились все точностные параметры, заявленные компанией TOPODRONE SA, а так же была выдана рекомендация обеспечить всех пользователей квадрокоптеров Topodrone DJI Mavic 2 Pro L1/L2 RTK/PPK данной методикой работ.
В статье использовались материалы публикации компании Pix4D.
