Giáo trình Giáo trình Khớp ảnh dọc theo đường thẳng đứng trên cặp ảnh lập thể chuẩn hóa - Trần Trung Anh

Nội dung text: Giáo trình Giáo trình Khớp ảnh dọc theo đường thẳng đứng trên cặp ảnh lập thể chuẩn hóa - Trần Trung Anh

1. T¹p chÝ KHKT Má - §Þa chÊt, sè 48, 10/2014, (Chuyªn ®Ò §o ¶nh - ViÔn th¸m), tr.1-5 KHỚP ẢNH DỌC THEO ĐƯỜNG THẲNG ĐỨNG TRÊN CẶP ẢNH LẬP THỂ CHUẨN HÓA TRẦN TRUNG ANH, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tóm tắt: Bài báo trình bày cách xây dựng thuật toán khớp ảnh dọc theo đường thẳng đứng áp dụng trên cặp ảnh lập thể chuẩn hóa. Cơ sở của phương pháp là sự tìm kiếm điểm ảnh cùng tên dọc theo phương trình của đường thẳng đứng có vết trên cặp ảnh lập thể chuẩn hóa. Quyết định điểm cùng tên dựa trên giá trị lớn nhất của hệ số tương quan ZNCC được tính dọc theo vết đường thẳng đứng. Phương pháp này giúp hạn chế không gian tìm kiếm điểm ảnh cùng tên giúp tăng tốc tự động hóa đo ảnh. 1. Đặt vấn đề Một trong những bài toán tự động hóa trong thể đã được nắn chỉnh trên cơ sở đường đáy đo ảnh là giải quyết vấn đề tự động nhận dạng chụp ảnh theo nguyên lý hình học epipolar từ điểm ảnh cùng tên trên cặp ảnh lập thể. Đây là cặp ảnh lập thể gốc đã định hướng, đồng thời bài toán kết hợp nhiều yếu tố như: nhận dạng được hiệu chỉnh các sai số hệ thống của điểm ảnh, tương quan ảnh, hình học ảnh Bài báo ảnh (như sai số xê dịch vị trí điểm ảnh do méo trình bày mối quan hệ hình học của điểm ảnh hình kính vật, độ cong trái đất, chiết quang khí cùng tên trên cặp ảnh lập thể chuẩn hóa, từ đó quyển ). Đặc điểm của cặp ảnh lập thể chuẩn xây dựng công thức, thuật toán tìm kiếm điểm hóa là: tiêu cự chọn bằng tiêu cự gốc, tọa độ ảnh cùng tên theo đường thẳng đứng, giúp tăng điểm chính ảnh được quy “0”, tọa độ tâm chụp tốc độ tự động hóa đo ảnh. được giữ nguyên, góc quay của cả hai tấm ảnh 2. Cơ sở của phương pháp đều giống nhau, thị sai dọc được triệt tiêu (tung 2.1. Cặp ảnh lập thể chuẩn hóa độ của các điểm ảnh cùng tên có giá trị như Cặp ảnh lập thể chuẩn hóa là cặp ảnh lập nhau) [1, 3, 4, 5]. the S2 B S1 f p2 p1 f n ,n , n P2 n ,n , n P1 Zmax Z R S1 P R S2 Z Y R Zmin X, Y O X Hình 1. Cơ sở hình học của phương pháp với cặp ảnh lập thể chuẩn hóa 1
2. trong đó: OXYZ là hệ tọa độ trong không gian vật (hệ tọa độ đo vẽ); S1, S2 là tâm chụp ảnh trái và ảnh phải; P1, P2 là ảnh trái và ảnh phải của cặp ảnh lập thể chuẩn hóa; p1, p2 là cặp điểm ảnh cùng tên; n ,n ,n là các góc xoay chung của cặp ảnh lập thể chuẩn hóa; F là tiêu cự kiểm định của máy chụp ảnh; B là đường đáy chụp ảnh. Lấy cách tính tọa độ điểm địa vật P làm cơ sở (duy nhất), xuất phát từ tọa độ mặt phẳng ảnh của cặp điểm ảnh cùng tên p1 và p2 trên cặp ảnh chuẩn hóa, sử dụng công thức: R RS1 m 1 Ar 1 , tÝnh theo ¶nh tr¸i , (1) R RS2 m 2 Ar 2 , tÝnh theo ¶nh ph¶i trong đó: R X Y Z T là vector tọa độ điểm địa vật P trong hệ OXYZ; T T RS1 XS1 YS1 ZS1 và RS2 XS2 YS2 ZS2 là vector tọa độ tâm chụp trái S1 và tâm chụp phải S2 trong hệ OXYZ; T T r1 x1 y f và r2 x 2 y f là vector tọa độ cặp điểm ảnh cùng tên p1 và p2 trong hệ tọa độ không gian ảnh trái và phải của cặp ảnh lập thể chuẩn hóa (tung độ của điểm ảnh cùng tên có giá trị bằng nhau); m1,m2 là mẫu số tỷ lệ điểm ảnh trái và phải trên cặp ảnh lập thể chuẩn hóa; A là ma trận xoay của các cosin chỉ hướng chứa các góc xoay giống nhau trên cặp ảnh lập thể chuẩn hóa, cả ảnh trái và ảnh phải sau khi nắn đều sử dụng ma trận xoay này. a11 cos nn cos  a sin  sin  cos  cos  sin  12 n n n n n a13 sin n cos  n cos  n sin  n sin  n a11 a 12 a 13 a21  sin n A a a a trong ®ã a cos  cos  . 21 22 23 22 nn a a a a sin  cos  31 32 33 23 nn a31 sin nn cos  a32 cos nn sin  sin  cos nnsin  a33 cos n cos  n sin  n sin  n sin  n Tọa độ mặt phẳng ảnh trên ảnh trái hoặc ảnh phải của điểm địa vật theo công thức đồng phương: a11 X XS a 21 Y YS a 31 Z ZS x f a13 X XS a 23 Y YS a 33 Z ZS (2) a X X a Y Y a Z Z y f 12 S 22 S 32 S a13 X XS a 23 Y YS a 33 Z ZS 2.2. Xây dựng phương trình đường thẳng đứng Xuất phát từ điểm địa vật có tọa độ (X, Y), lần lượt thay Zmin, Zmax, và tọa độ tâm chụp XS, ZS, ZS của từng ảnh trái, ảnh phải vào công thức (2), nhận được giá trị tọa độ mặt phẳng ảnh gồm: (xmin, ymin), (xmax, ymax). Dùng công thức tính chuyển từ tọa độ mặt phẳng ảnh về tọa độ ảnh số nhận được 2
3. (umin, vmin), (umax, vmax), đây là tọa độ cột (u) và tọa độ hàng (v) của điểm ảnh số (pixel). Theo quy luật dựng hình của phép chiếu xuyên tâm: một đoạn thẳng trên thực địa sẽ dựng được một đoạn thẳng trên ảnh. Qua 2 điểm Min và Max xây dựng phương trình đoạn thẳng u a  v b trong đó a u max u min / vmax vmin , b u min vmax u max vmin / vmax vmin . Phương trình trên lập cho cả ảnh trái và ảnh phải. Vùng tìm kiếm sẽ di chuyển từ điểm Min tới điểm Max. Phương trình đường thẳng đứng (*) của ảnh trái và phương trình ( ) là của ảnh phải. u1 a1  v b1 (*) , (3) u 2 a 2  v b2 ( ) trong đó: tọa độ cột, hàng của pixel cùng tên có giá trị chạy trong khoảng: u1 u1min  u1max  u 2 u 2 min  u 2 max  . (4) v1 v2 v vmin  vmax  2.3. Khớp ảnh dựa trên tính toán hệ số tương quan Cửa sổ mục tiêu thuộc ảnh trái với tâm là vị trí u1 ;v , cửa sổ tìm kiếm thuộc ảnh phải với tâm là điểm cùng tên ở vị trí u2 ;v , tính hệ số tương quan (ZNCC) giữa 2 cửa sổ theo công thức tính nhanh [1,2] E A C/ N ZNCC  , (5) B A2 / N  D C2 / N trong đó: L ;L2 A;B u v u,v u,v   R ;R 2 C;D u v u,v u,v   L  R E u v u,v u,v L(u,v), R(u,v) là độ xám tương ứng của cửa sổ tìm kiếm trên ảnh trái và ảnh phải. Việc quyết định điểm cùng tên nhờ vào sự so sánh hệ số tương quan, nếu hệ số tương quan đạt giá trị lớn nhất trong vùng tìm kiếm trượt theo phương trình (3) thì đó chính là 2 điểm cùng tên với nhau. ZNCC ZNCC của điểm Z bề mặt ZNCC của điểm Zmax ZNCC của điểm Zmin (umin ,vmin) (u ,v) (umax ,vmax) vị trí pixel Hình 2. Quyết định điểm cùng tên dựa trên giá trị của hệ số tương quan lớn nhất 3
4. 3. Quy trình thực hiện khớp ảnh dọc theo đường thẳng đứng trên cặp ảnh lập thể chuẩn hóa Cặp ảnh lập thể chuẩn hóa Vùng khớp ảnh X, Y, Zmin, Zmax Tính (x, y) cho điểm ảnh có Zmin, Zmax Tính chuyển (u, v) cho điểm ảnh có Zmin, Zmax Đọc ma trận độ xám trên ảnh Lập phương trình u=a.v+b đi trái, ảnh phải qua 2 điểm ảnh có Zmin, Zmax Tính hệ số tương quan khớp ảnh ZNCC dọc theo phương trình đường thẳng, so sánh chọn ZNCC lớn nhất xác định điểm cùng tên Tính độ cao Z của điểm khớp ảnh cùng tên Chuyển điểm X,Y tiếp theo trong vùng khớp ảnh Hình 3. Sơ đồ quy trình khớp ảnh dọc theo đường thẳng đứng 4. Thực nghiệm (*) ( ) Ảnh trái Ảnh phải Hình 4. Điểm cùng tên trượt theo phương trình đường thẳng đứng 4
5. Tác giả tiến hành thực nghiệm với một cặp ảnh lập thể ở khu vực Hà Nội, với 3 phương thức tìm kiếm điểm ảnh cùng tên: phương pháp tìm kiếm theo tương quan 2 chiều (không gian tìm kiếm 2 chiều dựa vào vị trí phân bố chuẩn trên cặp ảnh lập thể gốc), phương pháp tương quan 1 chiều (vị trí phân bố chuẩn trên cặp ảnh lập thể chuẩn hóa), phương pháp tương quan dọc theo đường thẳng đứng trên cặp ảnh chuẩn hóa. Số liệu so sánh được trình bày trong bảng 1. Bảng 1. So sánh các phương pháp tìm kiếm điểm ảnh cùng tên Vùng tìm kiếm điểm ảnh cùng trên Số lượng hệ số TT Tư liệu tìm kiếm cho 1 điểm chi tiết tương quan Ảnh trái Ảnh phải ZNCC phải tính 1 Trên cặp ảnh lập thể 1000 hàng x 2000 cột gốc (phương pháp 1 pixel 2000000 (vị trí phân bố chuẩn) tương quan 2 chiều) 2 Trên cặp ảnh chuẩn hóa (phương pháp 1 pixel 1 hàng x 2000 cột 2000 tương quan 1 chiều) 3 Trên cặp ảnh chuẩn 30 pixel, dọc 30 pixel, dọc theo hóa (phương pháp theo phương 30 phương trình u2 ( ) đường thẳng đứng) trình u1 (*) 4. Kết luận số phổ thông vào lĩnh vực đo ảnh địa hình và Phương pháp tìm kiểm điểm ảnh cùng tên phi địa hình. Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Hà Nội. dựa trên kỹ thuật khớp ảnh dọc theo đường [2]. Trần Trung Anh, 2010. Lựa chọn hợp lý hàm thẳng đứng, được áp dụng trên cặp ảnh lập thể toán học và xây dựng thuật toán tìm kiếm nhanh chuẩn hóa cho thấy khả năng tìm kiếm nhanh, điểm ảnh cùng tên, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật giới hạn vùng tìm kiếm điểm cùng tên. Kỹ thuật Mỏ - Địa chất, số 29/01-2010, tr82-89, Hà Nội. này cho thấy khả năng vận dụng tối đa các quan [3]. Tran Trung Anh, 2009. Epipolar resampling hệ hình học của bài toán đo ảnh hiện đại với kỹ of stereo image base on airbase in the digital thuật của hàm tương quan số về độ xám của ảnh photogrammetry, The 7th FIG Regional số Kỹ thuật này có thể áp dụng để đo tự động Conference: Spatial Data Serving People, Land lưới ô vuông các điểm địa hình một cách nhanh Governance and the Environment-Building the chóng, là cơ sở để có thể xây dựng phần mềm Capacity, Hanoi, Vietnam. đo ảnh số của Việt Nam. [4]. Toni F. Schenck, 2009. Digital Photogrammetry, TerraScience Home, pp 247. [5]. Woosug Cho and Toni Schenk, 1992. TÀI LIỆU THAM KHẢO "Resampling Digital Imagery to Epipolar [1]. Trần Trung Anh, 2011. Nghiên cứu các Geometry", ISPRS Archives - Volume XXIX - biện pháp nâng cao hiệu quả ứng dụng máy ảnh Part B3 - Commission III, pp 404-408. SUMMARY Image matching using the vertical line locus (VLL) for the normalized stereo image pair Tran Trung Anh, Hanoi University of Mining and Geology This paper presented the effective image matching method for the normalized stereo image pair by using the Vertical Line Locus or VLL approach. The basis of the method is the matching points along the vertical line locus of traces on standardized stereo image pairs. In fact, the choosing conjugate points based on the maximum value of the correlation coefficient ZNCC (Zero-mean Normalized Cross Correlation). This approach can help to optimize the size of window search and improve processing speed in photogrammetry automatic technique. 5