la documentazione dei beni

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1 I L R I L I E V O F O T O G R A M M E T R I C O : la documentazione dei beni c u l t u r a l i a t t r a v e r s o l e i m m a g i n i DOCENTE laura taffurelli

2 PROGRAMMA DEL CORSO Geomatica e il rilievo dei beni culturali Il rilievo diretto Scale di rappresentazione e concetto di precisione nel rilievo e nel disegno Elementi di topografia e nozioni di geodesia Fotogrammetria e rilievo fotogrammetrico Basi di cartografia

3 INTRODUZIONE ALLA FOTOGRAMMETRIA La fotogrammetria è una tecnica di misura che utilizza le immagini Attraverso il processo fotogrammetrico di acquisizione, misura ed interpretazione del dato contenuto nelle immagini, si ottengono informazioni spaziali e geometriche di un oggetto fisico Il procedimento fotogrammetrico trasforma le immagini da semplice documento qualitativo a documento quantitativo (metrico)

4 FOTOGRAMMETRIA:GENERALITA L oggetto rappresentato è fissato in un preciso momento permettendo l analisi anche qualora questo non fosse più accessibile o fosse modificato nel tempo La costruzione di un modello che raccoglie tutti i dati e le informazioni spaziali di ogni punto dell oggetto senza apparente discontinuità permette di effettuare operazioni di misura sul modello stesso come se fossero eseguite sull oggetto reale Nei più recenti sviluppi ha molti punti di contatto con la computer graphic: image processing computer vision

5 CAMPI DI APPLICAZIONE Rilievo di piccoli oggetti o metrologia industriale Rilievo di edifici (monumentali) Controllo di strutture Restauro Diagnostica Rilievo archeologico Rilievo territorio Cartografia e pianificazione urbana Cartografia storica Controllo del rischio idro-geografico Pianificazione urbana Virtualizzazione e modellazione 3D

6 VANTAGGI DEL RILIEVO FOTOGRAMMETRICO Elevata accuratezza geometrica Elevato livello di dettaglio Automazione Fotorealismo Low cost Portabilità Flessibilità

7 Esistono diversi tipi di fotogrammetria: FOTOGRAMMETRIA:GENERALITA subacquea terrestre o da vicino, close range photogrammetry da drone aerea Telerilevamento o remote sensing

8 PROCESSO DI RILIEVO Progetto di rilievo Rilevamento fotogrammetrico Rilevamento topografico o misure dirette sull oggetto Orientamento fotogrammi Restituzione Editing grafico Cad Collaudo Modellazione solida Rendering

9 LA CAMERA FOTOGRAFICA MACCHINA FOTOGRAFICA (o fotocamera) Dispositivo capace di catturare la luce entrante attraverso un elemento dotato di meccanismi ottici (obiettivo) e di registrarla su un sensore fotosensibile: -pellicola fotografica (macchine fotografiche tradizionali) -sensore digitale (CCD o CMOS) (macchine fotografiche digitali) Una macchina fotografica può lavorare con lo spettro visibile della luce o con altre porzioni dello spettro elettromagnetico (infrarosso) Il diaframma controlla la quantità di luce che entra nella camera durante la ripresa, l otturatore controlla la lunghezza del tempo durante il quale la luce colpisce la superficie di registrazione

10 LA CAMERA FOTOGRAFICA DISTANZA FOCALE - c è la distanza tra il centro ottico dell obiettivo e il piano pellicola (o il sensore) alla quale viene messa a fuoco l'immagine di un punto posto all'infinito c c Il centro ottico, non sempre coincide con il centro dell'obiettivo Un obiettivo composto da più lenti si comporta come una sola lente la cui lunghezza focale può essere considerevolmente diversa dalla lunghezza fisica dell'obiettivo D C Dalla lunghezza focale e dalle dimensioni della superficie sensibile dipende l angolo di campo dell'obiettivo

11 LA CAMERA FOTOGRAFICA SENSORE CCD ASSE OTTICO SEZIONE CORPO MACCHINA NIKON D5

12 ANGOLO DI CAMPO, w L'ampiezza del soggetto (S) che può essere riprodotto da un'obiettivo (L) è determinata dall'angolo di campo (w) Questo a sua volta dipende dalla diagonale del formato della pellicola o del sensore e dalla distanza tra obiettivo e piano focale È considerato normale l'obiettivo che ha l'angolo di campo simile a quello dell'occhio umano, con un angolo di campo compreso tra 43 e 45. Per convenzione si considerano normali gli obiettivi con lunghezza focale vicina alla diagonale del fotogramma Per il formato fotografico Leica, il più comune, detto 35 MM, che ha il fotogramma ANALOGICO di 24x36mm, è considerato normale l'obiettivo da 50mm di lunghezza focale anche se quello che si avvicina di più sarebbe il 43mm. Nel formato 60x60mm il normale ha lunghezza focale di 80mm invece di 85mm calcolati

13 DIFFERENZE DI ANGOLI DI CAMPO NELLE CAMERE DIGITALI PELLICOLA ANALOGICA 24 X36 mm SENSORE CCD c D Il sensore di una fotocamera digitale ha generalmente dimensioni inferiori a quelle della pellicola 35 mm (24 x 36 mm) A causa di questa differenza l'angolo di campo dell'obiettivo cambia e varia quindi il ricoprimento dell obiettivo sull immagine Ad esempio, se montiamo un 50mm (normale) su una reflex digitale, otteniamo gli effetti di un obiettivo da 80mm (medio tele). In genere (ma dipende dalla grandezza del sensore) il fattore di conversione è 1.6 (Obiettivo Digitale) 1.6 = (Obiettivo Analogico) Attualmente esistono diverse camere digitali FULL FRAME, che hanno un sensore di dimensioni 24x36mm

14 L IMMAGINE DIGITALE L immagine viene messa a fuoco sul piano del sensore Il dispositivo CCD trasforma la luce che attraversa l obiettivo (l immagine) in una MATRICE DI NUMERI e la memorizza su un supporto elaborabile da un computer Il sensore è costituito da un GRIGLIATO, quadrato o rettangolare, di tante linee e colonne di PIXEL (picture element), in ognuno dei quali viene registrato attraverso un valore numerico il valore dell intensità luminosa che cade sugli elementi fotosensibili (0,0) j i (i,j) Pixel

15 L IMMAGINE DIGITALE Per convertire un dato continuo in una forma discreta o digitale è necessario : Campionamento Quantizzazione

16 RISOLUZIONE GEOMETRICA: CAMPIONAMENTO Minori sono i passi di campionamento (e quindi le dimensioni dei pixel), maggiore è la risoluzione del dispositivo di digitalizzazione (scanner o camera digitale) Le dimensioni del pixel di un immagine digitale sono generalmente indicate in termini di densità di campionamento (RISOLUZIONE) La risoluzione indicata dal numero di campioni per unità di lunghezze è convenzionalmente espressa in dpi (dots/inch) o punti per pollice

17 RISOLUZIONE GEOMETRICA: CAMPIONAMENTO

18 RISOLUZIONE RADIOMETRICA: QUANTIZZAZIONE La quantizzazione consiste nell assegnare a ciascun pixel un valore numerico intero che rappresenti l intensità luminosa dell oggetto fotografato Normalmente l intervallo dei valori varia da 0 a 255 (256 valori = 2 8 combinazioni) Nelle immagini B/N =256 valori di grigio (0 corrisponde al nero e 255 al bianco) Immagine B/N = 256 livelli = 8 bit Nelle immagini a colori si hanno tre matrici da 256 valori sovrapposte nei colori fondamentali RGB (rosso, verde e blu) Immagine Colori = 256*3 livelli = 8*3 bit =24 bit

19 L IMMAGINE DIGITALE

20 DIMENSIONE SENSORI A CONFRONTO

21 SENSORI A CONFRONTO

22 LA FOTOGRAFIA COME UNA PROSPETTIVA CENTRALE O O PROSPETTIVA DIRITTA PROSPETTIVA ROVESCIA DI UN OGGETTO PIANO

23 LA FOTOGRAFIA COME UNA PROSPETTIVA CENTRALE Una proiezione centrale è ottenuta proiettando i punti dell oggetto su un piano (detto piano o quadro di proiezione), da un punto esterno ad esso (detto centro di proiezione o di vista) Le rette congiungenti i punti dell oggetto con il centro di proiezione sono dette rette proiettanti I loro punti di intersezione con il piano di proiezione costituiscono le proiezioni od immagini dei punti dell oggetto. La proiezione del centro di proiezione O sul piano immagine prende il nome di punto principale (PP)

24 DALLO SPAZIO OGGETTO ALLO SPAZIO IMMAGINE

25 DALLO SPAZIO OGGETTO ALLO SPAZIO IMMAGINE

26 DALLO SPAZIO OGGETTO ALLO SPAZIO IMMAGINE

27 DALLO SPAZIO OGGETTO ALLO SPAZIO IMMAGINE Ad ogni punto sulla fotografia corrispondono infiniti punti (tutti quelli sulla congiungente punto sulla foto centro ottico dell obiettivo) Esiste una relazione biunivoca tra punti dell oggetto ripreso e punti impressionati sulla fotografia

28 DA IMMAGINE 2D SI PUO RICOSTRUIRE LO SPAZIO OGGETTO 3D? Mentre dallo spazio oggetto si genera lo spazio immagine, da un solo spazio immagine (1 fotogramma) NON è possibile risalire allo spazio oggetto che lo ha generato. Tutti i punti che giacciono sulla retta che passa per il punto O (centro di prospettiva) e per il punto A hanno come immagine sul fotogramma il punto A

29 IMMAGINE FOTOGRAFICA E SPAZIO TRIDIMENSIONALE DA DUE FOTOGRAMMI è POSSIBILE RICOSTRUIRE L OGGETTO 3D La determinazione univoca spaziale del punto tridimensionale si ottiene dall intersezione di raggi omologhi, cioè riferiti allo stesso punto oggetto, provenienti da differenti fotogrammi

30 PRINCIPI DELLA FOTOGRAMMETRIA: OGGETTI 3D Fotogrammetria: ricostruzione di oggetti tridimensionali (3D) a partire da due o più immagini Fondamento: collinearità fra punto immagine, punto di presa e punto oggetto. Metodo: noti posizioni ed assetto dei fotogrammi, intersecando i raggi omologhi si ottiene la posizione del punto oggetto È quindi necessario che ogni punto risulti visibile in almeno due immagini

31 RELAZIONI ANALITICHE TRA COORDINATE IMMAGINE E COORDINATE OGGETTO CONDIZIONE di COLLINEARITA : allineamento del centro di proiezione (O), del punto immagine (P ) e del punto oggetto (P)

32 EQUAZIONI DI COLLINEARITA x = x c c m m (X - X (X - X 0 0 ) + m ) + m (Y - Y0 ) + m (Y - Y ) + m (Z - Z (Z - Z 0 0 ) ) y = y c c m m (X - X (X - X 0 0 ) + m ) + m (Y - Y0 (Y - Y 0 ) + m ) + m (Z - Z (Z - Z 0 0 ) ) Esprimono l allineamento tra il punto p(x,y) immagine punto P(X,Y,Z) oggetto centro di prospettiva O usando 9 parametri: 3 di orientamento interno (xc,yc,c coordinate del punto principale e distanza principale, nel sistema riferimento immagine) 6 di orientamento esterno (w, f, k, X0, Y0, Z0 - coordinate del centro di proiezione e 3 parametri di rotazione, nel sistema rif. oggetto)

33 EQUAZIONI DI COLLINEARITA

34 PRINCIPI DELLA FOTOGRAMMETRIA: OGGETTI 2D = = y c x c b y b x b Y y c x c a y a x a X Per OGGETTI PIANI, le equazioni di collinearità si semplificano: I coefficienti incogniti sono 8 e dipendono dalle otto coordinate piane di quattro punti noti tra il fotogramma e l oggetto esiste una corrispondenza biunivoca punto per punto, detta omografia

35 PRINCIPI DELLA FOTOGRAMMETRIA: OGGETTI 2D La trasformazione proiettiva è una trasformazione lineare Per effetto della prospettiva il rettangolo si trasforma in un trapezoide E una trasformazione lineare = le rette si trasformano in rette E possibile ricostruire il rettangolo dal trapezoide ATTRAVERSO IL RADDRIZZAMENTO DI UNA SINGOLA IMMAGINE POSSO RESTITUIRE UN OGGETTO PIANO! FOTOPIANO

36 PIPELINE FOTOGRAMMETRICA Fase di presa fotogrammetrica : dallo spazio oggetto 3D allo spazio immagine 2D attraverso la proiezione centrale Fase di orientamento: ricostruzione della posizione delle camere al momento della presa Fase della restituzione fotogrammetrica: ricostruzione della geometria 3D a partire dalle immagini 2D

37 PIPELINE FOTOGRAMMETRICA Fase di presa: Scelta della scala nominale Progetto di rilievo fotogrammetrico: strumentazione (camera, scelta degli obiettivi e determinazione della focale) scala fotogrammi Individuazione dei punti di presa (basi), della distanza dall oggetto e degli schemi di presa (ad assi paralleli multipli o ad assi convergenti) Rilievo topografico di «appoggio» al rilievo fotogrammetrico: sono necessarie alcune informazioni esterne per orientare e scalare il modello ottico, informazioni costituite da coordinate di punti (X,Y,Z) ottenute per mezzo di misure topografiche sull oggetto Restituzione ed elaborati finali : Ortofoto (immagini di oggetti 3D) o fotopiani (immagini di oggetti 2D) Modello mesh tridimensionale dell oggetto Creazione di texture per modelli tridimensionali

38 LE PROPRIETA GEOMETRICHE DELLE IMMAGINI SCALA DEL FOTOGRAMMA 1 = c n D Scala fotogramma 1/n Formato del fotogramma o del sensore =s Angolo di copertura = a Distanza principale = c copertura del fotogramma L=tangα * D Distanza di presa = D angolo di copertura tanα=s/c Copertura = L

39 GROUND SAMPLING DISTANCE (GSD) LE PROPRIETA GEOMETRICHE DELLE IMMAGINI Il modo più corretto per valutare la risoluzione di un immagine digitale è quello di prendere in considerazione l area di superficie reale la cui immagine, proiettata sul piano focale e quindi sul sensore, copre la superficie di un pixel GSD = dimensione del pixel al suolo = D * (Δx/ C) Δx= DIMENSIONE PIXEL Angolo di copertura = a Distanza principale = c La risoluzione di un immagine digitale è legata alla distanza dall oggetto, alla lunghezza focale e alla dimensione sensibile del pixel Distanza di presa = D Un immagine digitale a buona risoluzione avrà un GSD ½ e.g. alla scala di restituzione GSD

40 PROGETTO DI PRESA FOTOGRAMMETRICA Per un eseguire un corretto progetto di presa bisogna considerare diversi parametri che derivano dalla semplificazione geometrica della fotografia a una prospettiva centrale. c D L S : L T = c : D = 1 : n L S = parte sensibile del sensore L S L T L T = ricoprimento a terra (o sull oggetto) D = distanza di presa c = distanza principale (lunghezza focale) 1/n = scala del fotogramma A seconda delle informazioni in possesso, è possibile calcolare i vari fattori in modo da stabilire le fasi di acquisizione e i risultati che si vogliono ottenere

41 PROGETTO DI PRESA FOTOGRAMMETRICA Conoscendo i parametri dell orientamento interno (distanza principale, posizione del punto principale, distorsioni dell obiettivo) derivanti dal processo di calibrazione della camera fotografica, e le dimensioni del sensore, è possibile calcolare: il ricoprimento delle prese sull oggetto a una data distanza la scala di restituzione e la scala del fotogramma Il GSD (ground sample distance), la risoluzione del pixel sull oggetto Il numero di prese e la base tra di esse

42 PROGETTO DI PRESA FOTOGRAMMETRICA Noti i parametri della camera al variare della distanza variano la scala del fotogramma (e di restituzione) e il ricoprimento sull oggetto L S : L T = c : D = 1 : n Se si stabilisce una scala di restituzione viene posto un vincolo che permette la determinazione degli altri fattori ORIENTAMENTO INTERNO E DIMENSIONI CCD NOTI D

43 GEOMETRIA DI PRESA E STEREOSCOPIA La visione binoculare e il senso stereoscopico Ricostruzione di un oggetto 3D: I punti sull oggetto devono essere visti da due o più fotogrammi Aree di sovrapposizione tra le immagini

44 PRESA AD ASSI PARALLELI Strisciata di fotogrammi nel rilievo Aereo Close range Tratto da:l. de Luca, La fotomodellazione architettonica

45 LA STRISCIATA DI FOTOGRAMMI Il fattore di ricoprimento longitudinale S si esprime in % rispetto all abbracciamento L di ciascun fotogramma e generalmente viene stabilito pari ad un minimo del 60 % Eseguendo una serie di fotogrammi si realizza la cosiddetta STRISCIATA La distanza b fra due fotogrammi successivi, detta BASE DI PRESA, è pari al 40% dell abbracciamento L del fotogramma

46 IL RICOPRIMENTO TRA IMMAGINI PER RISPETTARE LA STEREOSCOPIA Ricoprimento longitudinale 60% ricoprimento trasversale 20% La b o ra t o rio d i Pro g e t t a z io n e 2- Co rs o in t e g ra t o TRA FOTOGRAMMI TRA STRISCIATE d i To p o g ra fia e ril e v a me n t o A. A. 2017/ 18

47 Ricoprimento TRA FOTOGRAMMI tra % PRESA AD ASSI CONVERGENTI Tratto da:l. de Luca, La fotomodellazione architettonica

48 PRESA AD ASSI CONVERGENTI Tratto da:l. de Luca, La fotomodellazione architettonica

49 PRESA AD ASSI CONVERGENTI Tratto da:l. de Luca, La fotomodellazione architettonica

50 PRESA AD ASSI CONVERGENTI Tratto da:l. de Luca, La fotomodellazione architettonica

51 L ORIENTAMENTO DEI FOTOGRAMMI Obiettivo della fase di orientamento è : ricollocare le immagini nella loro posizione iniziale e per farlo devo: Conoscere la camera utilizzata ORIENTAMENTO INTERNO, ricostruzione delle stelle proiettive di ogni immagine spesso sono tutte uguali (stessa camera, stesse impostazioni) Conoscere la posizione di presa di ogni fotogrammma ORIENTAMENTO ESTERNO

52 ORIENTAMENTO INTERNO L Orientamento interno determina la ricostruzione dei fasci proiettivi per ogni immagine I parametri che definiscono l O.I. sono: posizione del punto principale N (centro di proiezione) nel piano immagine distanza principale, c distorsioni proprie del sistema obiettivo usato

53 ORIENTAMENTO INTERNO Rispetto al modello matematico-geometrico teorico (proiezione centrale) è necessario tenere conto che: il centro di proiezione non è un punto: l obbiettivo è un sistema di lenti il quadro di proiezione non è un piano: deformazioni di pellicola o sensore le rette proiettanti non sono rette: a causa della distorsione indotta dagli obiettivi Se il modello geometrico fosse rispettato rigorosamente, tutte le rette proiettive formerebbero un angolo esterno uguale all angolo interno

54 ORIENTAMENTO INTERNO: LE ABERRAZIONI O DISTORSIONI Nei sistemi ottici reali le immagini presentano sempre dei difetti, indicati come aberrazioni Cromatico Geometrico Aberrazione cromatica : E dovuta al fatto che l indice rifrazione dipende dalla lunghezza d onda: luci di differente colore vengono rifratte diversamente dal sistema ottico reale (dispersione dell'immagine sul piano focale) Aberrazioni geometriche effetti dell atmosfera e delle lenti dell obiettivo, non esatta conoscenza della posizione del CCD o della pellicola relativamente alla camera, decentramento delle lenti rispetto all asse ottico, ecc Una volta eliminate sarà possibile ricampionare direttamente l immagine originale ottenendone una versione indistorta, con una variazione del punto principale

55 Normalmente l angolo esterno è diverso da quello interno a causa delle lenti degli obiettivi La distanza P -P* è detta distorsione DISTORSIONE Si può definire la distorsione come il campo dei vettori costituiti dalla differenza tra punto immagine reale (P*) e punto corrispondente nell immagine ideale (P )

56 DISTORSIONE L effetto della distorsione varia al variare della distanza principale: si assume come valore di distanza principale quello che minimizza la distorsione in tutto il campo dell immagine

57 DISTORSIONE Della distorsione si distinguono una componente radiale prevalente e una tangenziale generalmente trascurata.

58 DISTORSIONE RADIALE distorsioni proprie del sistema obiettivo usato: effetto della distorsione radiale Obiettivo Obiettivocon Obiettivocon ortoscopico distorsionenegativa distorsione positiva

59 CERTIFICATO DI CALIBRAZIONE Per le camere fotografiche metriche o semi- metriche: Il valore della distorsione residua è fornito dalle case costruttrici o è determinato con procedure di taratura ed è riportato nel certificato di calibrazione. Può essere tabulato per valori discreti (in funzione della distanza radiale dal centro dell immagine) oppure possono essere forniti i coefficienti del polinomio che la descrive: Oltre alle curve di distorsione vengono forniti: Distanza principale C Posizione del punto principale

60 CAMERE CALIBRATE METRICHE O SEMIMETRICHE Camere METRICA Leica RC30 fotogrammetria aerea Camere SEMIMETRICA Rollei DB44 fotogrammetria terrestre

61 CALIBRAZIONE INTERNA DELLA CAMERA FOTOGRAFICA Per tutte le camere non metriche, amatoriali o professionali, l operazione rigorosa di CALIBRAZIONE di una camera è il metodo più raffinato che consente di conoscere con precisione : la dimensione della parte sensibile del CCD (ogni dimensione del sensore sarà differente seppur di poco a parità di modello) determinare i parametri di orientamento interno: Xp,Yp,c assorbire le deformazioni dell immagine, genericamente le violazioni del principio di collinearità (per cui punto immagine, centro di proiezione e punto oggetto si trovano allineati lungo una retta)

62 CALIBRAZIONE ANALITICA O IN LABORATORIO Idealmente, scopo della calibrazione è modellare cosa è avvenuto nel processo di formazione dell immagine per una data camera, in particolare per ciò che riguarda il percorso dei raggi nello spazio immagine. Queste informazioni vengono utilizzate per poter intersecare più correttamente i raggi omologhi e quindi restituire coordinate oggetto dei punti più accurate. E possibile affrontare il problema in due modi: in laboratorio: con strumentazione specifica (banco ottico) che mi consentono la determinazione (misura) diretta di parametri di OI e/o distorsione; analiticamente: scrivendo le equazioni di collinearità estese con una serie di parametri incogniti in più (parametri di OI, parametri di distorsione, ecc) e stimando queste in una compensazione in blocco di fotogrammi Bundle adjustment compensazione a stelle proiettive

63 METODO DI STIMA DELL ORIENTAMENTO INTERNO Si riprende un blocco di fotogrammi e lo si compensa, analizzando i risultati. Si applica cioè una compensazione a stelle proiettive per ottenere contemporaneamente la stima dei parametri dell orientamento interno ed esterno (quindi considerando come incognite i sei parametri di orientamento esterno delle immagini e i sei parametri di calibrazione della camera (c, xp, yp, K1, K2, K3), più altri parametri di modellizzazione di fenomeni di disturbo) Note le coordinate oggetto e immagine di un certo numero di punti è possibile risolvere il calcolo di bundle-adjustment. Bundle adjustment compensazione a stelle proiettive

64 CALIBRAZIONE INTERNA DELLA CAMERA FOTOGRAFICA La calibrazione di una camera utilizzata a fini fotogrammetrici dovrebbe essere eseguita periodicamente, e questo a maggior ragione per le camere amatoriali che non hanno un sistema di fissaggio del focamento e che possono facilmente essere soggette a colpi L instabilità nell orientamento interno delle comuni camere digitali è tale da consigliare la ripetizione delle calibrazione ogni qual volta ci si appresti ad un nuovo rilievo fotogrammetrico e l acquisizione delle immagini del reticolo di calibrazione dovrebbe essere eseguita contemporaneamente al rilievo, evitando di spegnere la camera e variarne l assetto ottico

65 CALIBRAZIONE TRAMITE RETICOLO PIANO L approccio scelto per la calibrazione è il Bundle Adjustment generale con Self Calibration, cioè senza alcuna informazione riguardo lo spazio oggetto, utilizzando le immagini di un reticolo piano di calibrazione la calibrazione avviene in modalità totalmente automatica, in quanto il software effettua, sulla base di algoritmi di image matching, la collimazione automatica di tutti i punti del reticolo su tutte le immagini disponibili e in seguito l elaborazione dei dati Pattern per self-calibration con Photomodeler Geometria di acquisizione immagini del reticolo Acquisizione immagini del reticolo

66 FIELD CALIBRATION CALIBRAZIONE IN FASE DI RILIEVO Calibrazione della camera sulla base delle immagini di un oggetto di interesse utilizzate anche per la restituzione dello stesso punti di appoggio identificati con target e rilevati topograficamente Elementi che determinino la scala del fotogramma e dell oggetto

67 Obbiettivo di un progetto fotogrammetrico è la ricostruzione della geometria (3D) dell oggetto fotografato Lo schema di riferimento è l intersezione dei raggi omologhi tra coppie di fotogrammi ORIENTAMENTO ESTERNO, ricostruzione delle posizioni e dell assetto della camera per ogni posizione di presa Si tratta di ricostruire la scena iniziale L ORIENTAMENTO ESTERNO DEI FOTOGRAMMI

68 L ORIENTAMENTO ESTERNO DEI FOTOGRAMMI Come faccio a descrivere la posizione di una camera nello spazio 3d? 3 traslazioni + 3 rotazioni per ogni fotogramma = 6 parametri incogniti per ogni fotogramma Per calcolare l orientamento esterno ho bisogno di: Misura nota (distanza) Modello in scala ma NON GEOREFERENZIATO Punti di coordinate note in X,Y,Z (ground control points) Modello in scala e GEOREFERENZIATO

69 DIVERSI TIPI DI ORIENTAMENTO ESTERNO ORIENTAMENTO IN DUE FASI DEI 2 FOTOGRAMMI ORIENTAMENTO RELATIVO (formazione modello) Simmetrico Asimmentrico ORIENTAMENTO ASSOLUTO (trasformazione conforme nello spazio determinazione di coordinate assolute) ORIENTAMENTO SIMULTANEO DEI 2 FOTOGRAMMI risolvo per i parametri di orientamento esterno e per i punti incogniti ORIENTAMENTO INDIPENDENTE DI CIASCUN FOTOGRAMMA problema del vertice di piramide

70 ORIENTAMENTO RELATIVO + ASSOLUTO Orientamento RELATIVO Nella prima fase, si crea un modello stereoscopico a partire dai due fotogrammi, in un sistema x,y,z arbitrario (sistema modello o modello fotogrammetrico) Orientamento ASSOLUTO Nella seconda fase si orienta e scala questo modello nel sistema X,Y,Z

71 ORIENTAMENTO SIMULTANEO DI DUE FOTOGRAMMI Per calcolare l orientamento esterno simultaneo di 2 immagini, creare il modello fotogrammetrico e riferire quest ultimo al sistema di coordinate generali dell oggetto sono necessari: Punti di appoggio (almeno 3 coppie stereoscopiche) Coordinare oggetto e coordinate immagine note Punti di legame Coordinate immagine note, ma coordinate oggetto incognite

72 BUNDLE ADJUSTMENT STELLE PROIETTIVE Questa procedura di orientamento è la più precisa in senso assoluto e richiede un solo passaggio di calcolo Si ottengono come risultato: i parametri di orientamento di tutti i fotogrammi le coordinate XYZ di punti singoli (determinazione fotogrammetrica di punti) stima delle precisioni Questo approccio sta alla base della compensazione a stelle proiettive della triangolazione fotogrammetrica (BUNDLE ADJUSTMENT) Pochi punti di appoggio (misurati e ben distribuiti) e più punti di legame collimati sulle immagini

73 ORIENTAMENTO INDIPENDENTE DI 1 FOTOGRAMMA Per questa procedura sono necessari almeno 3 punti di appoggio in ciascun fotogramma

74 RESTITUZIONE Ottenuto l orientamento dei fotogrammi, tramite le equazioni di collinearità, posso estrarre le coordinate di punti 3D dalle immagini, da cui successivamente restituire: DISEGNI 2D (vettoriali)

75 RESTITUZIONE Ottenuto l orientamento dei fotogrammi, tramite le equazioni di collinearità, posso estrarre le coordinate di punti 3D dalle immagini, da cui successivamente restituire: MODELLI 3D DELLA SUPERFICIE, DTM o DSM: Grid (maglia quadrangolare) Mesh (triangolari o poligonali)

76 RESTITUZIONE Ottenuto l orientamento dei fotogrammi, tramite le equazioni di collinearità, posso estrarre le coordinate di punti 3D dalle immagini, da cui successivamente restituire: modelli 3D SOLIDI

77 RESTITUZIONE Ottenuto l orientamento dei fotogrammi, tramite le equazioni di collinearità, posso estrarre le coordinate di punti dalle immagini, da cui successivamente restituire: FOTOPIANI (oggetti 2D)

78 RESTITUZIONE Ottenuto l orientamento dei fotogrammi, tramite le equazioni di collinearità, posso estrarre le coordinate di punti 3D dalle immagini, da cui successivamente restituire: ORTOFOTO (oggetti 3D)

79 GENERAZIONE DELL ORTOFOTO Noto il DSM della superficie e gli orientamenti esterni delle prese utilizzate, è possibile ricostruire/ricalcolare un immagine rettificata mediante le equazioni di collinearità: 1. Si parte da un punto P sulla superficie del DSM; 2. Si ricostruisce il percorso del raggio ottico della presa con centro di proiezione O planimetricamente più vicino ed ortogonale al punto P e si risale al punto immagine P 3. Al punto P sull ortofoto, con coordinate Xp e Yp dal modello 3D, viene fornito il valore radiometrico RGB di P O ortofoto P P P

80 DIFFERENZA TRA FOTOPIANO ED ORTOFOTO FOTOPIANO DELLA CITTA DI VENEZIA - ESTRATTO CAMPANILE VISTA SCORCIATA DA PRESA AEREA NON VIENE CORRETTA

81 DIFFERENZA TRA FOTOPIANO ED ORTOFOTO ORTOFOTO DELLA CITTA DI MANTOVA- ESTRATTO

82 DIFFERENZA TRA FOTOPIANO ED ORTOFOTO ORTOFOTO DELLA CITTA DI MANTOVA- ESTRATTO TORRE DELLA GABBIA VISTA SCORCIATA DA PRESA AEREA VIENE CORRETTA

83 DENSE IMAGE MATCHING Procedura fotogrammetrica multi-immagine Approccio automatico dei processi di orientamento e generazione del modello Si ottengono Dense Point Cloud dalle immagini orientate Mesh delle superfici Modelli mesh testurizzati Ortofoto digitali

84 Basilica di San Marco a Venezia acquisizione e dense cloud DENSE IMAGE MATCHING

85 DENSE IMAGE MATCHING Basilica di San Marco a Venezia Dense cloud

86 DENSE IMAGE MATCHING Basilica di San Marco a Venezia acquisizione, dense cloud e modello 3D mesh

87 DENSE IMAGE MATCHING Software: Photosynth, Photoscan, Arc3d, Apero/micmac, Bundler, 123d Catch, Photomodeler scanner Buoni risultati in termini di precisione Acquisizione molto rapida Si può usare qualsiasi camera Effettua, solitamente, calibrazione in automatico e correzione delle distorsioni In alcuni casi approccio totalmente automatico Il modello è composto da milioni di punti E necessario calibrare la camera per ottenere i migliori risultati Il modello in genere è realizzato fuoriscala, necessita di misure o appoggio topografico per la scalatura e per verifica precisione.

88 APPOGGIO TOPOGRAFICO PER IL RILIEVO DI GROUD CONTROL POINTS Rete topografica di inquadramento Acquisizione di target sull oggetto Target codificati riconosciuti automaticamente dal software fotogrammetrico (molto più preciso) Punti architettonici Orientamento/ georeferenziazione del modello fotogrammetrico per stelle proiettive/bundle adjustment Calcolo degli errori residui sui ground control points e tie points

89 APPOGGIO TOPOGRAFICO PER IL RILIEVO DI GROUD CONTROL POINTS Rete topografica di inquadramento e acquisizione di dettaglio: Piazza Filippini

90 Stazioni APPOGGIO TOPOGRAFICO PER IL RILIEVO DI GROUD CONTROL POINTS

91 Osservazioni APPOGGIO TOPOGRAFICO PER IL RILIEVO DI GROUD CONTROL POINTS

92 APPOGGIO TOPOGRAFICO PER IL RILIEVO DI GROUD CONTROL POINTS Compensazione ai minimi quadrati delle osservazioni software Starnet

93 APPOGGIO TOPOGRAFICO PER IL RILIEVO DI GROUD CONTROL POINTS Dxf con rete topografica e punti collimati Ellissi d errore di stima della posizione del punto

94 BIBLIOGRAFIA R. Brumana, C Achille, L Fregonese, Lezioni di Fotogrammetria R. Galetto, Camere digitali per riprese aeree e terrestri, Asita, 2004 L. de Luca, La fotomodellazione architettonica, Dario Flaccovio Editore, 2011 Bonora, Tucci, Lezioni di Fotogrammetria, A. Adami, Lezioni di Fotogrammetria, Politecnico di Milano, 2016