Хабрахабр

Pix4D — от фотографий к измерениям

Очень сложно переоценить возможности дронов в руках фотографов и видеооператоров, но полностью реализовать потенциал этих устройств можно именно в области промышленности и геодезии. Квадрокоптеры и различные БПЛА постепенно становятся привычными инструментами во многих сферах профессиональной деятельности. В особенности, если коптер работает под управлением специализированного ПО, а материалы аэросъемки проходят компьютерную обработку и используются для анализа различных данных.

Одним из таких производителей является швейцарская компания Pix4D, которая с 2011 года разрабатывает различные решения в сфере фотограмметрии. Некоторые компании выпускают программное обеспечение для решения конкретных задач, но есть проекты, подходящие сразу для нескольких сфер деятельности. Опираясь на свой богатый опыт в создании ПО для преобразования мультиспектральных изображений в 3D-модели и трехмерные карты, компания разработала целую линейку программных продуктов, полезных в области строительства и кадастра, земледелия, аэрофотограмметрии и недвижимости. Начиная в качестве ответвления (а точнее — лаборатории компьютерного зрения) крупнейшего политехнического вуза Европы EPFL, сегодня Pix4D стала одной из самых быстроразвивающихся компанией в мире.

Как работает

Говоря простым языком, принцип работы программы очень похож на принцип работы человеческого зрения. Продукты Pix4D позволяют в автоматическом режиме снимать на камеру квадрокоптера сотни фотографий с разных ракурсов, которые с помощью специального алгоритма обрабатываются и объединяются в одну топографическую карту или 3D-модель. Наши глаза видят один и тот же объект под разным углом, а мозг, на основе этой разницы, преобразует эти изображения в объемную картинку.

Есть возможность выбрать режим свободного полета (Freeflight mission), в котором за движения коптера отвечает оператор, а камера делает новый кадр после изменения положения дрона на заданное значение по горизонтали и вертикали. Для начала от пользователя требуется выбрать один из доступных типов управления.

Взлет и посадка осуществляются в автоматическом режиме, но пилот должен иметь навыки управления БПЛА, если возникнут непредвиденные трудности или препятствия на пути дрона. В автоматических режимах для построения цифровой модели рельефа (ЦМР) требуется задать в приложении границы снимаемого объекта, высоту полета, угол наклона камеры и другие параметры.

Также программа записывает информацию о каждой фотографии в отдельный EXIF-файл, в котором указываются данные долготы и широты, высота полета и угол наклона камеры. После взлета квадрокоптер в автоматическом режиме пролетает над снимаемой областью, делает необходимое количество кадров. С помощью технологии распознавания образов начнется поиск общих или «связующих» точек на фотографиях: ищутся уникальные похожие сочетания пикселей по цвету и геометрическому расположению на разных фотографиях, в результате чего это совпадение становится ключевой точкой. После завершения съемки полученные данные необходимо импортировать в программу Pix4D или отправить в облачное хранилище для обработки. Для построения точки этой модели в пространстве необходимо совпадение минимум на трех фотографиях, но лучше на большем количестве, а это возможно если перекрытие фотографий составляет не менее 60% в поперечном и 75% в продольном направлениях. Чем больше найдено соответствий, тем точнее выстраивается модель.

У изображения берется центральная область, с которой происходила фотосъемка, и от нее проводится линия зрения до каждой ключевой точки, найденной на снимке. Далее происходит вычисление пространственных координат каждой ключевой точки методом триангуляции и извлечения данных из EXIF-файла. Кроме того, для минимизирования суммы квадратов множества ошибок применяется алгоритм Левенберга — Марквардта или метод связок. Результат пересечения этих линий и дает искомое значение пространственных координат.

И последний этап — вычисление размера пикселей и определение соответствия пикселей на фотографии сгенерированному мешу. На основе всех этих вычислений программа выстраивает расширенное облако точек для генерации снимаемой поверхности, составленной из полигонов или мешей.

Вы можете изменить масштаб, настроить контраст и яркость, тепловой баланс, импортировать полученные данные в ГИС и САПР программы, измерить объем земляных работ, воспользоваться редактором ортофотоплана для выбора нужного фрагмента из набора снимков, и другими возможностями. По завершению работы программы вы получаете трехмерную модель необходимой вам области.

Сферы применения

В программную линейку от Pix4D входят такие продукты, как Pix4Dmapper, Pix4Dfields, Pix4Dmodel, Pix4Dbim, а также бесплатное приложение Pix4Dcapture для построения маршрутов полета коптера.

В первую очередь, конечно, ПО используют в геодезии, картографии, аэрофотограмметрии, для построения точных 3D-карт. Потенциал применения программного обеспечения от Pix4D в промышленных сферах огромен. Это инструмент с богатым функционалом. Для решения задач из этой области подходит Pix4Dmapper. Сам процесс обработки происходит либо на компьютере, либо в облачном хранилище Pix4D, куда необходимо отправить все собранные данные для преобразования. С его помощью можно преобразовать аэрофотоснимки местности в трехмерное изображение. Это помогает проводить инспекции участков дистанционно. В программе присутствует возможность измерения размеров, площадей и объемов объектов, полученных на 3D-модели. Также предусмотрена возможность классификации облака точек: необходимые элементы модели и поверхности (земля, асфальт, высокая растительность, здания, объекты, созданные человеком) выделяются цветами для точного анализа и последующей корректировки проекта. Точность съемки составляет от 1 до 2 см/пиксель в плоскостях X и Y, а также от 1 до 3 см/пиксель в плоскости Z (в зависимости от перепада высот снимаемой площади). С помощью Pix4Dmapper получают ортомозаику высокого разрешения, цифровую модель местности и рельефа, карту изолиний рельефа и отражательной способности, а также карты с температурными значениями.

С его помощью производят оцифровку исторических памятников, всемирного наследия ЮНЕСКО, архитектурных сооружений. Представители социокультурной сферы и недвижимости заинтересует другой инструмент под названием Pix4Dmodel. Доступен экспорт полученной модели в различных популярных форматах (.bj, .fbx, .dxf, .ply) для использования в программах моделирования и 3D-печати. Полученные модели могут быть использованы как интерактивные объекты в программах для VR-гарнитур или для создания видеороликов полета и последующей публикации на популярных видеохостингах.

Pix4Dfields позволяет рассчитывать и сравнивать спектральные индексы и индексы растительности, строить геозоны и ортомозаики. Для сельскохозяйственной отрасли разработан свой инструмент.

С его помощью пользователь получает полное представление о своем проекте благодаря автоматическому построению топографических и контурных карт местности, двумерной или трехмерной проекций, хронологической шкалы, на которой отображаются все этапы строительных работ. Pix4Dbim — мощная программа для строительных компаний. В Pix4Dbim очень легко оценить прогресс строительства: просто экспортируйте изображения CAD-чертежей и сверяйте их с полученными BIM-данными простым наложением.

И, конечно, полученные во всех инструментах данные и модели можно выгрузить в облако Pix4D, оставить комментарий, предписание и поделиться с заказчиком или своей командой.

Ограничения

Программа распознает любые отражающие поверхности как элемент конструкции и в автоматическом режиме обрабатывает их для создания модели. Есть у продукта от Pix4D небольшие недостатки. Такие баги легко устраняются встроенным инструментарием, но для оцифровки морской поверхности или озер Pix4D пока не подходит.

Чем больше высота (хуже разрешение) и меньше степень перекрытия (меньше ключевых точек и хуже точность воссоздания модели), тем большую территорию можно покрыть за один раз. Также в автоматическом режиме есть ограничения по площади аэрофотосъемки за один полет. Это обусловлено временем работы БПЛА от одного аккумулятора. Например, модель квадрокоптера Phantom 4 Pro при высоте съемки 200 метров (5,5 см/пиксель) и минимальном перекрытии (75% продольное и 60% поперечное) сможет отснять 100 га местности. Современные приложения для планирования маршрута позволяют сделать это. Однако, никто не мешает заменить батарею и продолжить выполнение миссии с того места, где была закончена предыдущая съемка. Не стоит забывать, что Pix4D регулярно поддерживает и развивает свой продукт, что сказывается на возможностях всей линейки. Да и технологии не стоят на месте, и каждая новая модель коптера может продержаться в воздухе все дольше и дольше.

Промышленным компаниям больше не нужно терпеть убытки, нанимая для инспекций вертолет. Программное обеспечение от Pix4D поддерживает работу с большинством современных дронов, ускоряет и упрощает процесс фотограмметрии, оцифровки и построения 3D-моделей. Еще несколько лет назад многие предприятия могли только мечтать о подобном. Pix4D позволяет провести быструю и точную разведку местности, а также соберет и обработает в автоматическом режиме необходимую для пользователя информацию. Но благодаря развитию технологий и производства БПЛА возможность создания точных 3D-карт становится доступной даже для небольших фирм.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть