Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)
Other Title (Parallel Title in Other Language of ETD)
Modeling of multi-head camera systems on unmanned aerial vehicle for 3D mapping and point clouds generation
Year (A.D.)
2021
Document Type
Thesis
First Advisor
ไพศาล สันติธรรมนนท์
Faculty/College
Faculty of Engineering (คณะวิศวกรรมศาสตร์)
Department (if any)
Department of Survey Engineering (ภาควิชาวิศวกรรมสำรวจ)
Degree Name
วิศวกรรมศาสตรมหาบัณฑิต
Degree Level
ปริญญาโท
Degree Discipline
วิศวกรรมสำรวจ
DOI
10.58837/CHULA.THE.2021.971
Abstract
ปัจจุบันมีการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีระบบกล้องหลายหัว (Multi-head camera systems) ที่ประกอบด้วยกล้องบันทึกภาพถ่ายดิ่งและบันทึกภาพถ่ายเฉียงในเวลาเดียวกันบนอากาศยานไร้คนขับเพื่อการทำแผนที่ซึ่งสอดคล้องกับทิศทางการพัฒนาการปฏิบัติงานสำรวจรังวัดด้วยภาพสมัยใหม่ การบันทึกภาพถ่ายเฉียงจะเปิดเผยให้เห็นข้อมูลในทิศทางการมองเห็นด้านข้างของสิ่งปลูกสร้างและพืชพรรณบนภูมิประเทศ การประมวลผลข้อมูลจะทำให้ภาพถ่ายที่บันทึกได้มีข้อมูลรายละเอียดเชิงเรขาคณิตครบถ้วนสมบูรณ์มากขึ้นอีกทั้งช่วยในการแปลตีความการจำแนกข้อมูลได้แม่นยำมากขึ้น การใช้ระบบกล้องหลายหัวทำแผนที่นอกจากสามารถบันทึกภาพถ่ายได้ครอบคลุมพื้นที่เป็นบริเวณกว้างแล้วในงานวิจัยนี้มีประเด็นพิจารณาความสามารถในการเพิ่มประสิทธิภาพในการปฏิบัติภารกิจการทำแผนที่ ตั้งแต่การออกแบบแผนการบิน ระยะเวลาที่ใช้ในการบินถ่ายภาพที่น้อยลง จำนวนภาพถ่ายที่ได้ในปริมาณที่มากขึ้นและได้ภาพสำหรับการรังวัดและผลผลิตพอยต์คลาวด์หลายมุมมอง ซึ่งส่งผลดีต่อการประมวลผลภาพถ่ายเนื่องจากมีภาพถ่ายที่จะใช้ผลิตจุดสำคัญที่ต้องนำไปใช้ในการจับคู่ภาพสำหรับผลิตแผนที่สามมิติและข้อมูลพอยต์คลาวด์ต่อไป การวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของระบบกล้องหลายหัวชื่อ “3DM V3” การวิจัยครอบคลุมการศึกษารูปแบบพารามิเตอร์ของอุปกรณ์จับยึดกล้อง ทำหน้าที่ยึดจับกล้องถ่ายภาพดิ่งจำนวน 1 กล้อง และกล้องถ่ายภาพเฉียงในทิศทางขวางแนวบินและตามแนวบินโดยทำมุมจากแนวดิ่งประมาณ 45 องศาจำนวน 4 กล้อง การวิจัยศึกษาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ประกอบด้วยเทคนิคเชิงเลขในการกำหนดพารามิเตอร์ว่าจะต้องบังคับ (constraint) หรือปล่อยอิสระ (free) พารามิเตอร์ใดบ้าง ผลลัพธ์ที่ได้จะคำนึงถึงเรขาคณิตของกล้องที่ควรจะสอดคล้องกับกายภาพของกล้องตามความเป็นจริง การวิจัยนี้ยังครอบคลุมการศึกษากระบวนการผลิตข้อมูลแผนที่สามมิติและพอยต์คลาวด์โดยพิจารณาประสิทธิภาพเชิงเรขาคณิตทั้งคุณภาพและปริมาณที่ผลิตได้เพิ่มขึ้นอย่างไร ผลการวิจัยมีการเปรียบเทียบความถูกต้องทางตำแหน่งทั้งทางราบและทางดิ่งด้วยค่าความคลาดเคลื่อนรากที่สองของค่าเฉลี่ย (RMSE) ระหว่างข้อมูลที่ผลิตจากการประมวลผลจากบล็อกภาพถ่ายดิ่งเท่านั้นและจากบล็อกภาพถ่ายดิ่งร่วมกับภาพถ่ายเฉียง ผลการวิจัยพบว่าการหาค่าพารามิเตอร์และแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของระบบกล้องหลายหัว “3DM V3” จำเป็นที่จะต้องทราบค่าพารามิเตอร์การเลื่อนสัมพัทธ์จากกล้องอ้างอิงที่เป็นกล้องดิ่งไปยังกล้องรองซึ่งเป็นกล้องเฉียงภายในระบบกล้องชื่อพารามิเตอร์ (Tx, Ty, Tz)reln โดยที่ n มีค่าตั้งแต่ 1 ถึง 4 จำเป็นต้องบังคับพารามิเตอร์ให้เป็นค่าเข้าใกล้ (constraint) สำหรับค่าพารามิเตอร์การหมุนสัมพัทธ์ของกล้องอ้างอิงเทียบกับกล้องรองชื่อพารามิเตอร์ (Rx, Ry, Rz)reln โดยที่ n มีค่าตั้งแต่ 1 ถึง 4 ต้องกำหนดให้เป็นค่าประมาณเริ่มต้นและปรับปรุงค่าได้อิสระ (free) ผ่านกระบวนการเชิงเลข จากผลลัพธ์ค่าพารามิเตอร์การจัดวางภายใน (f, xu, yu, R1, R2, R3, T1, T2) ของกล้องแต่ละตัวบนระบบกล้องหลายหัวที่เป็นอิสระและรูปแบบการประมวลผลเชิงเลขที่คำนวณได้ส่งผลให้เรขาคณิตในภาพรวมของข่ายสามเหลี่ยมทางอากาศมีความละเอียดถูกต้องสูง แบบจำลองและข่ายสามเหลี่ยมทางอากาศทั้งหมดเมื่อตรวจสอบในสนามวัดสอบที่มีจุดควบคุมภาคพื้นดิน 14 จุด ขนาดสนามประมาณ 0.8 ตารางกิโลเมตรพบว่าค่า RMSE ทางราบเท่ากับ 0.023 เมตร และค่า RMSE ทางดิ่งเท่ากับ 0.019 เมตร สำหรับผลลัพธ์ข้อมูลแผนที่ที่ผลิตขึ้นได้ในส่วนข้อมูลพอยต์คลาวด์เมื่อมีภาพถ่ายเฉียงช่วยเข้ามาช่วยในการผลิต ปริมาณพอยต์คลาวด์ที่ผลิตได้มีความหนาแน่นมากขึ้นและมีปริมาณมากขึ้นอย่างมีนัยสำคัญคิดเป็น 2.45 เท่าของปริมาณพอยต์คลาวด์ที่ประมวลผลจากบล็อกภาพถ่ายดิ่งอย่างเดียว ในส่วนของแผนที่สามมิติและภาพออร์โธผลิตจากการมีภาพถ่ายเฉียงเข้ามาประมวลผลทำให้ความละเอียดถูกต้องทางตำแหน่งแตกต่างจากรูปแบบการประมวลผลจากบล็อกภาพถ่ายดิ่งเท่านั้นโดยมีค่า RMSE ทางราบ 0.105 เมตร พิจารณาความถูกต้องเชิงตำแหน่งจากจุดตัวอย่างบริเวณพื้นที่เปิดภายในพื้นที่การศึกษาจำนวนรวม 30 จุด
Other Abstract (Other language abstract of ETD)
Using multi-head camera systems simultaneously with the nadir and oblique photographs from UAVs is being standardized in modern photogrammetry. Oblique photographs reveal side views of buildings and vegetation fields on the terrain. Thus, it induces more geometric detail information and also leads to precise interpretation and classification processes, compared with the view from nadir photographs as commonly practiced in traditional photogrammetry. From this research, multi-head camera systems increase the mapping coverage area significantly. The systems also provide efficient mapping missions, including flight plan designing, time-saving flight missions processing, and yielding a higher number of photos for multi-view geometry and point clouds. These advantages will further improve key point generating, which is crucial for processing photogrammetric computer vision software. The research objectives are to determine the camera rig parameters and numerical modeling of the “3DM V3” multi-head camera system. The multi-head camera system consists of one nadir camera and four 45-degree oblique cameras. All cameras are rigged up in an enclosure. The study also covers the improvement of the processing of 3D mapping data and point clouds from multi-view photographs. The final geometric model of the camera system should be consistent with the actual camera geometry in order to confirm the correctness of the model. The results of 3D mapping data and point clouds show the comparison of RMSE results between the nadir photos block and the five-camera combination block. The conclusion of parameterization and numerical modeling of “3DM-V3” multi-head camera systems are as follows. All 4 sets of relative translation parameters are called (Tx, Ty, Tz)reln when n has a value from 1 to 4, all offset values from four oblique cameras have to be constrained. The other 4 sets of relative rotation parameters at the reference camera referred to the other four oblique cameras (Rx, Ry, Rz)reln when n has a value from 1 to 4, the offset values must be set as an initial estimation and set “free” during numerical processing. Other conventional parameters that represent the value from all 5 internal camera models (f, xu, yu, R1, R2, R3, T1, T2) as “free” and will finally be numerical adjusted. The result of the final camera model from computation adjustment for triangulation affirms the precise geometry and the consistent rig parameters with the physical characteristics of the multi-head camera systems. This research triangulation block is tied-up with constraints and check points from 14 GCPs in the test field size 0.8 square kilometers. The results from final fit parameters for GCPs are RMSE 0.023 meters in horizontal and RMSE 0.019 meters for the vertical component. For point clouds production, in the case of combined oblique photos block, the amount of point clouds increases significantly 2.45 times for both density and volume, compared to the nadir photo block case. The positioning accuracy in 3D mapping and orthophoto from oblique photos block processing gives RMSE at 0.105 meters, which are considered from 30 sample points in the open field within the study area.
Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-No Derivative Works 4.0 International License.
Recommended Citation
บรรณกุลพิพัฒน์, ถิรวัฒน์, "การพัฒนาแบบจำลองระบบกล้องหลายหัวบนอากาศยานไร้คนขับสำหรับการผลิตแผนที่สามมิติและพอยต์คลาวด์" (2021). Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD). 5513.
https://digital.car.chula.ac.th/chulaetd/5513