Doc. Ing. Lačezar Ličev, CSc
Katedra informatiky
VŠB - Technická univerzita Ostrava
tř. 17. Listopadu
708 33 Ostrava - Poruba
E - mail: lacezar.licev@vsb.cz
The paper describes application of digital photogrammetry in FOTOM system. The FOTOM was developed in order to enable measurement objects located on a picture and monitoring of their buckling. The paper describes the FOTOM system and focuses on evaluation of pictures of vertical mining holes, magnetic resonance, supersound and X-ray.
Příspěvek se zaměřuje na digitální fotogrammetrii. Pomocí znalostí těchto oborů byl vytvořen informační systém FOTOM, který slouží k proměřování objektů na snímků, monitorování jejích deformaci a jiné. V tomto článku je tento systém popsán spolu se svými funkcemi a je brána zřetel na použiti systému při vyhodnocení snímků svislých důlních jam ale i snímků magnetické rezonance (dále MR), ultrazvuku a RTG.
Příspěvek se zabývá popisem systému FOTOM, který lze použít jíž nejenom na diagnostiku deformací výztuže a výstroje svislých jam vybavených těžním zařízením ale i v medicíně při hodnocení snímku magnetické rezonance, ultrazvuku a rentgenu. V první část příspěvku je popsán systém FOTOM s jeho možnostmi a v druhé je popsáno jeho použiti v důlní fotogrammetrii a medicíně na konkrétních příkladech.
Je navrženo šest druhů zájmových objektů: samostatný bod, hrana, vrchol, kružnice, elipsa a polygon. Tyto objekty se definují v režimu editace bodů označením určitého počtu zájmových bodů a vyvoláním příkazu pro vytvoření objektu. Společným parametrem všech zájmových objektů je pozice jejich středu v rámci snímku. Při práci s měřickým snímkem lze nejčastěji využívat ty objekty, které mají vnitřní plochu (kružnice, elipsa a polygon). Tyto objekty jsou určeny světelnou stopou na snímku, mají svůj obsah, a proto je lze použít k výpočtu objemu apod.
Pokud je jáma zdeformována ohybem a my se na ní díváme z boku, můžeme dojít k různým výsledkům. V takovémto případě záleží, z jakého úhlu se díváme, proto bylo v systému realizováno tzv. relativní natočení objektů a tim i možnost volby úhlu pohledu, ze kterého se na daný zájmový objekt díváme.
Dalšími významnými ukazateli pro zjištění deformací důlního díla jsou vzdálenosti mezi středy zájmových objektů v jednotlivých profilech. Ty přinášejí další údaje o celkovém stavu důlního díla. Parametry jednotlivých zájmových objektů poskytují informace o změně geometrických vlastností samotných objektů, rovinné vzdálenosti mezi různými objekty poukazují na změnu vzájemné pozice (středů) těchto objektů v rovině profilu.
K zobrazení trojrozměrné scény (3D) na monitoru počítače v počítačové grafice se užívá promítání. Promítáním rozumíme zobrazení vektoru (x',y',z') -> (x,y). Nejznámější druhy promítání jsou středové promítání, rovnoběžné promítání a kosoúhlé promítání, (Žára J., 1992).
Podobně jako objektiv fotoaparátu dokáže zachytit jen určitý výřez okolního prostoru, také zde je realizována možnost výběru úseku trojrozměrného prostoru, ve kterém leží promítané objekty (Žára, 1992). Při rovnoběžném promítání definujeme tzv. zorný hranol, který obklopí potřebnou prostorovou oblast a při středového promítání se provádí pomocí zorného jehlanu.
Hlavním úkolem je pomocí animace prezentovat naměřené údaje, a to zcela jiným způsobem, než jsou výsledky měření zobrazovány v grafech.
Jedná se o zobrazování nebo animaci zájmových objektů na nějakém pozadí, kterým je často samotný zdigitalizovaný měřický snímek. Takto můžeme názorně analyzovat či prezentovat měření sledováním polohy nebo geometrických vlastností zájmových objektů, prozrazující deformace a jiné.
Pod pojmem animace snímků rozumíme zobrazování nebo animaci měřických snímků, ať už jsou transformovány, či nikoli. Pro větší názornost lze zobrazovat více zájmových objektů z různých profilů současně.
Vedle přímých hodnot parametrů zájmových objektů nás zajímají také i odchylky těchto hodnot od pevně stanoveného zvoleného průměru nebo projektových hodnot.
Při výpočtu odchylek je důležité určit správně průměrnou hodnotu, ke které se odchylka vztahuje, nebo označit soubor charakterizující dané měření jako projektový soubor a za průměrnou hodnotu použít hodnotu parametru z tohoto souboru.
Odchylky od vypočteného aritmetického průměru
Aritmetický průměr získáme dělením součtu hodnot parametrů v celé sérii snímků počtem snímků v sérii. Tyto odchylky nabývají vždy jak kladných, tak i záporných hodnot.
Odchylky od projektovaných hodnot
V tomto případě je místo průměrné hodnoty pro výpočet odchylek brána hodnota parametrů ze souboru charakterizujícího projektovaný stav.
Porovnání obou přístupů k měření odchylek
Chybou aritmetického průměru je skutečnost, že se jeho velikost pro různá měření může měnit a dále vypovídá pouze o aktuálním stavu jámy, nezjistíme z něj, kde se parametry v poslední době nejvíce změnily, což nás často zajímá.
Jestliže potřebujeme zjistit aktuální stav měřeného objektu použijeme projektované hodnoty, a tím získáme přesný obraz aktuálního stavu a to pro celý měření interval.
V některých případech nám ovšem ani odchylky od průměrných nebo projektových hodnot nestačí. Jestliže například potřebujeme zjistit změny hodnot parametrů zájmových objektů, které nastaly od minulého měření, a to v každém bodě měřícího intervalu. V tomto případě je vhodnější zobrazit parametry z aktuálního měření do jednoho grafu spolu s parametry z měření dřívějšího, oproti kterému chceme zjistit změny.
Všechny funkce modulu jsou zachovány, navíc byla přidána možnost výběru zájmového bodu pomocí označení oblasti, ve které se hledaný bod nachází. Systém po analýze dané oblasti, kde pomocí segmentace obrazu zjistí světelné stopy, sám potom vybere jeden z bodů na světelné stopě.
U důlní fotogrammetrie je při každém měření nafoceno velké množství snímků, cca 100 a více. Proto bylo snahou vyřešit pomocí automatického zpracování naskenovaných snímků definování zájmových bodů a objektů. To je úloha, kterou řeší modul FOTOM7.
Celý proces je rozdělen do několika částí:
a) zkoumání světelných stop - pomocí prahování a eroze se určí oblast, která patří do popředí, a pak se určí bod, který je nejbližší výchozímu bodu.
b) pomocí neuronové sítě - modul řeší určení hraniční křivky gradientní metodou s využitím první derivace. Následně se určí průběh křivosti této hranice a nakonec je pomocí Fourierovy transformace určena samotná hraniční křivka. Ta je vstupem do neuronové sítě. Výsledkem pak je zájmový bod, který leží na této křivce.
Systém FOTOM vznikl na katedře informatiky FEI VŠB TU Ostrava. Architektura systému je modulární a má následující strukturu:
Systém FOTOM je možno využit s úspěchem v následujících oblastech:
Jednou z oblastí, kde systém FOTOM lze použit k měření a pořizování dokumentace fotogrammetrickou metodou, je hornictví a důlní průmysl. Jedná se zde především o zaměřování profilů svislých důlních děl a monitorování deformací výztuže a výstroje svislých jam vybavených těžním zařízením.
Systémem lze proměřovat a dokumentovat skuteční stav těchto zařízení, viz (Ličev, 1998, 1999, 2001 a 2002).
Systém FOTOM lze také využit i v medicíně při vyhodnocování snímků ultrazvuku nebo RTG a magnetické rezonance. Příklady použiti systému FOTOM při vyhodnocení snímku ultrazvuku - společná a vnitřní karotická artérie z podélního řezu a řada dalších snímků pořízené ultrazvukem, např. sekvence příčných průřezů aterosklerotických plátů v oblasti karotické bifurkace a další.
V 1. měření je cca 7 úhlopříčných průřezů karotické bifurkace a plátů v této oblasti, viz obr. č. 1, dále jsou přiloženy i 4 snímky v podélném řezu s měřítkem 10 mm, viz obr. č. 2.
Obr. č. 1
Obr. č. 2
Ve 2. měřením je opět 10 snímků karotické bifurkace (rozdvojení karotické společné tepny na vnitřní a zevní karotickou tepnu) v příčném průřezu, viz obr. č. 3. Jednotlivé příčné řezy jsou vzdáleny od sebe cca 1 mm.
Obr. č. 3
Vyhodnocení snímku RTG - rentgen plic při onemocnění TBC
Obr. č. 4
Vyhodnocení snímku MR - ložisek, např. při roztroušené skleróze
Obr. č. 5
Příspěvek se zabývá moderními metodami použitými při zpracování snímku v rámci měření objektů na nich.
V příspěvku je popsáno doplnění systému FOTOM umožňující 2D a 3D modelování procesu měření, řešení 2D počítačové animace procesu měření a rozpoznávání zájmových bodů a objektů na snímků.
Dále bylo popsáno použití systému nejen v geovědách (v důlní fotogrammetrii při měření profilu a monitorování deformace svislích důlních jam), ale i v oblasti medicíny. Využití v oblasti medicíny je zdokumentováno vyhodnocením snímků ultrazvuku, snímků RTG a magnetické rezonance
Systém FOTOM vystupuje jako rozsáhlí systém řešící jednosnímkovou fotogrammetrii na kvalitativně vysoké úrovní.
Obr. 1 Průřezů karotické bifurkace a plátů
Obr. 2 Podélný řezy plátů
Obr. 3 Příčné průřezy karotické bifurkace
Obr. 4 Rentgen plic při onemocnění TBC
Obr. 5 Snímek MR - RS ložisek