Pix4Dmapper

Некоторые компании выпускают программное обеспечение для решения конкретных задач, но есть проекты, подходящие сразу для нескольких сфер деятельности. Одним из таких производителей является швейцарская компания Pix4D, которая с 2011 года разрабатывает различные решения в сфере фотограмметрии. Начиная в качестве ответвления (а точнее — лаборатории компьютерного зрения) крупнейшего политехнического вуза Европы EPFL, сегодня Pix4D стала одной из самых быстроразвивающихся компанией в мире. 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.

Как работает

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. Говоря простым языком, принцип работы программы очень похож на принцип работы человеческого зрения. Наши глаза видят один и тот же объект под разным углом, а мозг, на основе этой разницы, преобразует эти изображения в объемную картинку.

Для начала от пользователя требуется выбрать один из доступных типов управления. 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.

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

После взлета квадрокоптер в автоматическом режиме пролетает над снимаемой областью, делает необходимое количество кадров. 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 завершения съемки полученные данные необходимо импортировать в программу Pix4D или отправить в облачное хранилище для обработки. 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. Чем больше найдено соответствий, тем точнее выстраивается модель. 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.

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

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

По завершению работы программы вы получаете трехмерную модель необходимой вам области. 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.

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.

Потенциал применения программного обеспечения от Pix4D в промышленных сферах огромен. В первую очередь, конечно, ПО используют в геодезии, картографии, аэрофотограмметрии, для построения точных 3D-карт. Для решения задач из этой области подходит Pix4Dmapper. Это инструмент с богатым функционалом. С его помощью можно преобразовать аэрофотоснимки местности в трехмерное изображение. Сам процесс обработки происходит либо на компьютере, либо в облачном хранилище Pix4D, куда необходимо отправить все собранные данные для преобразования. В программе присутствует возможность измерения размеров, площадей и объемов объектов, полученных на 3D-модели. Это помогает проводить инспекции участков дистанционно. 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). 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. С помощью Pix4Dmapper получают ортомозаику высокого разрешения, цифровую модель местности и рельефа, карту изолиний рельефа и отражательной способности, а также карты с температурными значениями.

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

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

Pix4Dbim — мощная программа для строительных компаний. 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. 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

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

Также в автоматическом режиме есть ограничения по площади аэрофотосъемки за один полет. 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. 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. Это обусловлено временем работы БПЛА от одного аккумулятора. Однако, никто не мешает заменить батарею и продолжить выполнение миссии с того места, где была закончена предыдущая съемка. Современные приложения для планирования маршрута позволяют сделать это. Да и технологии не стоят на месте, и каждая новая модель коптера может продержаться в воздухе все дольше и дольше. Не стоит забывать, что Pix4D регулярно поддерживает и развивает свой продукт, что сказывается на возможностях всей линейки.

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