ES2606488T3 - Sistemas y procedimientos para capturar de forma detallada imágenes de gran área incluidas cámaras en cascada y/o funciones de calibración - Google Patents

Sistemas y procedimientos para capturar de forma detallada imágenes de gran área incluidas cámaras en cascada y/o funciones de calibración Download PDF

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Abstract

Un procedimiento para capturar imágenes de una o varias plataformas móviles (310) para fotogrametría de una gran área, que comprende: a. desplazar una o varias plataformas (310) en relación con la gran área a lo largo de un conjunto de ejes de imágenes sustancialmente paralelas (114, 130); y b. capturar una tira de imágenes generales (112) a lo largo de un eje de imágenes generales (114) donde las imágenes generales representan áreas generales dentro del área grande, áreas generales consecutivas a lo largo del eje de imágenes generales con una primera cantidad de superposición hacia delante, áreas generales adyacentes asociadas a ejes de imágenes generales adyacentes con superposición lateral; y c. capturar una tira de imágenes detalladas (122, 124, 126) a lo largo de un eje de imágenes detalladas (130) donde las imágenes detalladas representan áreas detalladas dentro del área grande, áreas detalladas consecutivas a lo largo del eje de imágenes detalladas con una segunda cantidad de superposición hacia delante, áreas detalladas adyacentes asociadas a ejes de imágenes detalladas adyacentes con superposición lateral; y: i. las áreas detalladas son subconjuntos de las áreas generales; ii. las imágenes detalladas tienen una resolución más alta que las partes correspondientes de las imágenes generales, y caracterizado por que: d. la segunda cantidad de superposición hacia delante es más pequeña que la primera cantidad de superposición hacia delante; y e. estimar, a través del ajuste de paquetes y empleando las ubicaciones de los puntos de imágenes identificados en la pluralidad de imágenes generales e imágenes detalladas, una orientación interior y exterior asociada a cada imagen detallada, y f. combinar la imágenes detalladas para producir un fotomapa detallado.

Description

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montar los sistemas en un contenedor de cámara externo, permitir el uso de sistemas de cámaras en aeronaves estándar sin modificaciones personalizadas, así como un menor peso y tamaño para el sistema de cámaras, lo que permite usarlo en una aeronave "pequeña" (p. ej., una aeronave de un solo motor de menor gasto, como Cessna 210 o Diamond DA42 Twin Star) y también en una aeronave UAV (Unmanned Airborne Vehicle, vehículo aéreo no
5 tripulado).
Los aspectos de las innovaciones del presente documento también se destinan a funciones de superposición existentes entre las cámaras, las imágenes o ambas, así como a la interrelación de varias de esas funciones de superposición. En un modo de realización, con respecto a las imágenes generales capturadas por el primer sistema, 10 se pueden configurar cámaras de ejemplo con lentes de gran ángulo y usarse para capturar fotografías con una gran cantidad de superposición. Las fotografías capturadas con estas cámaras cubren una gran área por fotografía. Esta gran cantidad de redundancia de superposición tiene como resultado puntos de tierra visibles en muchas más fotografías que en los sistemas de cámaras de la técnica anterior, lo que permite un posicionamiento preciso de la orientación interior y exterior aun sin el uso de una plataforma estabilizada. Por ejemplo, la superposición de estas 15 imágenes generales se puede caracterizar en un rango de 45-65/94-99 (superposición lateral del 45 %-65 % y superposición hacia delante del 94 %-99 % con respecto a un eje), o más estrecho. De manera específica, las imágenes generales capturadas pueden tener redundancia de superposición lateral de entre un 45 % y un 65 % con imágenes adyacentes lateralmente al primer eje, así como redundancia de superposición hacia delante entre un 94 % y un 99 % con imágenes que están adyacentes longitudinalmente al primer eje. Los rangos más estrechos 20 incluyen una superposición lateral de entre el 50 % y el 60 % y una superposición hacia delante de entre el 95 % y el 99 %, una superposición hacia delante de entre el 98 % y el 99 %, una superposición lateral de un 50 % y una superposición hacia delante del 99 %, entre otros aspectos conformes con los parámetros indicados en el presente documento. De acuerdo con otras expresiones de superposición conformes con las innovaciones del presente documento, las imágenes generales también se pueden capturar de forma que las imágenes tengan una
25 redundancia de superposición caracterizada por que se captura un mismo punto de imagen: en una cantidad de imágenes generales superior a 30 e inferior a 100, de media entre unas 40 y unas 60 imágenes, de media unas 50 imágenes, o como máximo unas 100 imágenes, en función de los sistemas y procesos utilizados. Otra expresión de superposición también puede incluir la caracterización de que un mismo punto de imagen se captura en una cantidad de unas 500 imágenes, tal y como se explica en relación con la FIG. 7A siguiente.
30 Otros aspectos de las innovaciones del presente documento también pueden incluir grupos de una o varias cámaras configuradas con lentes de mayor longitud focal que se usan para capturar imágenes detalladas a fin de generar los fotomapas detallados para la prospección. Las cantidades reducidas de superposición en estas cámaras pueden reducir al mínimo la redundancia y aumentar así al máximo el uso de imágenes de fotografías para la prospección
35 detallada, y pueden proporcionar otras ventajas como la reducción significativa de los costes generales y el tiempo necesarios para llevar a cabo una prospección. En este caso, por ejemplo, una medida de superposición de tales imágenes detalladas conformes con las innovaciones del presente documento se caracteriza por que la superposición de vista de fotografías entre los segundos dispositivos de captura de imágenes está entre un 0 % y un 10 %.
40 La FIG. 4 es un diagrama de un sistema de ejemplo que incluye grupos de cámaras generales y grupos de cámaras detalladas conformes con determinados aspectos relativos a las innovaciones del presente documento.
En relación con la FIG. 4, se divulga un módulo unitario 400 que incluye una pluralidad de cámaras generales 410, al
45 menos un almacén de datos 430/430A, un primer grupo de cámaras detalladas 420A, un segundo grupo de cámaras detalladas 420B, un tercer grupo de cámaras detalladas 420C, y un cuarto grupo de cámaras detalladas 420D, etc. Estos grupos de cámaras detalladas se pueden utilizar, por ejemplo, para obtener imágenes de las distintas vistas establecidas a continuación al mismo tiempo que se vuela en una sola prospección, como varias vistas oblicuas, vistas de nadir aéreas, etc. Las personas normalmente expertas en la materia apreciarán que las cantidades (p. ej.,
50 tanto de las cámaras como de los grupos) de cámaras detalladas se pueden ajustar de acuerdo con las especificaciones conocidas de un artesano común a fin de ofrecer los resultados de imágenes deseados. Las ventajas conformes con tales implementaciones incluyen la posibilidad de configurar y/o reconfigurar un módulo 400 destinado a varios requisitos de prospección, com fotomapas de nadir, fotomapas oblicuos, fotomapas de infrarrojos
o cualquier combinación de estos u otros requisitos que puedan surgir. Las innovaciones conformes con módulos
55 como los de la FIG. 4 ofrecen además estimaciones iniciales mejoradas del ángulo de visión para las cámaras detalladas relativas a las cámaras generales.
Las implementaciones conformes con la Fig. 4 permiten además el uso de cámaras COTS (Commercial Off The Shelf, disponibles en el mercado) de bajo coste, en lugar de necesitar una calidad industrial y sistemas de cámaras
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costosos como lo hacen numerosos sistemas existentes. De acuerdo con algunos aspectos relativos a las innovaciones del presente documento, los sistemas y procedimientos pueden incluir dispositivos de captura de imágenes que se montan de forma extraíble o modular en una plataforma de tal forma que los dispositivos de captura de imágenes individuales se pueden sustituir. Por ejemplo, el primer sistema, el segundo sistema o ambos 5 se pueden configurar/diseñar con sistemas de montaje extraíbles de forma que los dispositivos de captura de imágenes se pueden intercambiar con diferentes dispositivos de captura de imágenes. Los dispositivos de captura de imágenes de ejemplo en este caso pueden incluir cámaras COTS instaladas de forma que se pueden extraer de forma individual para su reparación, sustitución y/o actualización. Esto proporciona innovaciones particulares, como la posibilidad de aprovechar rápidamente nuevos avances en fotografía digital, como los rápidos desarrollos y el bajo
10 coste de las cámaras profesionales de última generación DSLR (una sola lente digital). El uso de tales cámaras presenta ventajas como la reducción total del coste del sistema de cámaras, y permite asimismo una actualización rápida e inmediata a medida que se lanzan nuevas cámaras D-SLR con mayor resolución, mayor rendimiento y/o menor coste.
15 Como se muestra en la FIG. 4, las plataformas o módulos 400 conformes con la invención también pueden incluir un almacén de datos 430 o una pluralidad de dichos componentes, asociados a cada cámara 430A. Respecto a la última solución, algunas de las innovaciones del presente documento incluyen funciones para comprimir y/o guardar imágenes asociadas a cada cámara, en lugar de necesitar fotografías capturadas para guardarse en un sistema de almacenamiento central, transmitirse, etc. Asimismo, las funciones destinadas a la compresión paralela y el
20 almacenamiento de fotografías en cada cámara aumentan la producción máxima y el almacenamiento del sistema de cámaras, que permite llevar a cabo las prospecciones de forma mucho más rápida, con el fin de poder guardar más datos y de aumentar el tiempo de vuelo.
Este almacenamiento y compresión paralela en cada cámara también aumenta la fiabilidad del almacenamiento, ya
25 que permite utilizar Compact Flash u otros medios de estado sólido en cada cámara. Los sistemas existentes guardan normalmente los datos sin procesar del sensor lineal como datos de 12 a 16 bits en un sistema de almacenamiento central. Por el contrario, al realizar la compresión en cada cámara en paralelo, las innovaciones del presente documento permiten convertir los datos a un espacio de color gamma como YCbCr. Esto permite guardar los datos en formato de 8 bits, puesto que la mayor profundidad de datos solo se necesita normalmente para los
30 datos lineales sin procesar y permite comprimir imágenes antes de guardarlas en el almacén de datos de cada cámara. La conversión a un espacio de color gamma y la compresión pueden proporcionar una reducción de los requisitos de espacio de almacenamiento de hasta diez veces. Por ejemplo, en un sistema con 14 cámaras, cada una con su propia tarjeta de memoria Compact Flash de 32 GB, el almacenamiento total de 448 GB puede ser equivalente a unos 4500 GB o 4,5 TB de almacenamiento de datos de fotografías sin procesar ni comprimir. Otras
35 ventajas se refieren a características de funcionamiento en paralelo y para evitar transmisiones de datos de imágenes u otras señales de las cámaras al sistema informático de control de vuelo, como una mayor tasa de captura para el sistema de cámaras, lo que reduce los requisitos posteriores al procesamiento y aumenta la resistencia reduciendo los requisitos de cableado y señalización, entre otros aspectos.
40 Los sistemas conformes con las implementaciones de ejemplo de las FIG. 1-4 se pueden utilizar para implementar metodologías de captura de imágenes conformes con determinados aspectos relativos a las innovaciones del presente documento. Estos sistemas pueden incluir los dispositivos de captura de imágenes a partir de los cuales se obtienen o capturan las imágenes descritas en el presente documento, así como otros elementos que procesan y guardan dichas imágenes. De acuerdo con algunos procesos llevados a cabo por estos sistemas, los procedimientos
45 de ejemplo pueden incluir el obtener o capturar imágenes generales, en las que estas representan primero áreas, así como el obtener o capturar imágenes detalladas caracterizadas por que se relacionan entre sí a lo largo de un eje de imágenes. En este caso, las imágenes generales se pueden obtener o capturar a través de un primer sistema o grupo que incluye dispositivos de captura de primeras imágenes. Las imágenes detalladas se pueden obtener o capturar además a través de un segundo sistema o grupo que incluye dispositivos de captura de segundas
50 imágenes. Además, las imágenes detalladas capturadas pueden representar segunda áreas que son subconjuntos de las primeras áreas; se pueden colocar en tiras paralelas al eje de imágenes, y/o pueden tener una mayor resolución que las partes correspondientes de las primeras imágenes.
Con respecto a las imágenes detalladas, algunos de los procesos de captura de imágenes descritos en el presente
55 documento están destinados a capturar imágenes detalladas a una resolución suficiente como para producir un fotomapa detallado. En relación con la captura de estas imágenes detalladas y/o con las propias imágenes detalladas, la determinación de la resolución suficiente, en este caso, es bien conocida por las personas expertas en la materia. Dichas determinaciones son conformes, por ejemplo, con las de las patentes estadounidenses 6,078,701, 6,694,064, 6,928,194, 7,127,348 y 7,215,364, y/o la publicación de las solicitudes de patentes números
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para la prospección en direcciones alternas para cada línea de vuelo, las dos vistas oblicuas alternan la dirección, lo que tiene como resultado un total de cuatro vistas oblicuas capturadas además de la vista detallada general. En realidad, la posibilidad de configurar el sistema de cámaras son arreglo a los requisitos específicos de la misión de prospección permite capturar simultáneamente fotomapas detallados desde diferentes ángulos de visión al mismo
5 tiempo. La FIG. 7A, por ejemplo, permite producir un fotomapa aéreo detallado y cuatro fotomapas oblicuos detallados a través de una combinación de varios grupos de cámaras en cascada y la utilización de líneas de vuelo alternas.
Al organizar las tiras de cámaras detalladas en conjuntos o grupos se proporciona al sistema de cámaras un elevado
10 recuento de megapíxeles virtual. Con respecto a un sistema de ejemplo conforme con la FIG. 7A, p. ej., un modo de realización usa 14 cámaras, cada una de ellas una cámara D-SLR de 21 megapíxeles y 35 mm, que proporciona una resolución eficaz del sistema de cámaras de varios gigapíxeles de tamaño. En este modo de realización de ejemplo, una cámara general 710 proporciona una vista aérea de nadir conectada a otra cámara general 720 para proporcionar una vista aérea oblicua. Un grupo en cascada de varias cámaras detalladas 730 puede ofrecer unas
15 imágenes de prospección detalladas de nadir referenciadas dentro de la primera cámara general 710. Otro grupo en cascada de varias cámaras detalladas 750 puede ofrecer a lo largo de la trayectoria imágenes de prospección detalladas oblicuas referenciadas dentro de la cámara general 720. Otro grupo en cascada de varias cámaras detalladas 740 puede ofrecer a través de la trayectoria imágenes de prospección detalladas oblicuas que se referencian usando un cuerpo de sistema de cámaras rígido y/o imágenes de cámara general de las líneas de vuelo
20 de prospección adyacentes como se muestra en la FIG. 7B
Las FIG. 8A-8B son diagramas que muestran representaciones de imágenes que presentan condiciones de superposición típicas de los sistemas existentes. Las FIG. 8A-8B muestran representaciones de una configuración existente grande de cámaras de gran formato, donde 810 es la cobertura total de fotografías del terreno para una
25 sola imagen y 820 representa la parte que es única de esta fotografía cuando se realiza una prospección con una superposición típica del 30 %/80 %. Se puede ver que la parte única de la fotografía es solo un pequeño porcentaje del área total de la fotografía, por lo que el área restante es redundante en términos de requisitos de fotomapa finales.
30 Las características asociadas a reducir al mínimo la superposición entre fotografías capturadas por cámaras detalladas presentan ventajas como el optimizar el uso de las imágenes en los fotomapas resultantes.
De esta forma se pueden realizar las prospecciones a mayores alturas y en menos tiempo. Realizar las prospecciones a mayor altura reduce el impacto en el control del tráfico aéreo en las áreas urbanas pobladas, y por
35 lo general proporciona unas condiciones de vuelo más suaves y una menor carga de trabajo del piloto u operario. Realizar las prospecciones en menos tiempo reduce los costes de explotación de la prospección y permite llevar a cabo la prospección tan pronto como amaina, en lugar de tener que esperar largos periodos de tiempo con buen tiempo. En consecuencia, las innovaciones conformes con lo anterior también pueden aumentar en gran medida la probabilidad de capturar una prospección a pesar de las inclemencias del tiempo.
40 Además, aspectos relativos a las innovaciones del presente documento que proporcionan una gran cantidad de superposición entre las fotografías capturadas por cámaras generales permiten realizar una "calibración automática"
o un modelado preciso de la lente de orientación interior y características de sensor usando las técnicas de calibración automática existentes de ajuste de paquetes. Por ejemplo, puesto que las imágenes que se capturan por
45 las cámaras detalladas en cascada se asignan a su vez a las fotografías generales, dicho modelado de calibración automática se puede llevar a cabo tanto para las cámaras detalladas como para las cámaras generales. Puesto que las innovaciones del presente documento permiten realizar una calibración automática precisa, se pueden usar lentes profesionales COTS de bajo coste en el sistemas de cámaras, en lugar de necesitar el uso de lentes industriales mucho más costosas.
50 Aspectos relativos a las innovaciones del presente documento permiten también usar IMU, D-GPS, plataformas estabilizadas u otros sistemas antiguos complejos o costosos, lo que reduce los costes de capital y de explotación para el sistema de cámaras y puede reducir la complejidad general. Otras ventajas de las innovaciones del presente documento permiten aumentar la precisión de la posición y la colocación calculadas de la cámara sin necesidad de
55 utilizar costosos subsistemas antiguos de D-GPS, estabilización o IMU.
Como se puede apreciar en relación con la tira de imágenes detalladas 610 en la FIG. 6A, las innovaciones del presente documento también se refieren al concepto del campo de visión de un grupo de cámaras detalladas muy amplias pero muy estrechas. Si la plataforma del sensor de la cámara se monta lo suficientemente rápido en
11
dirección del aspecto estrecho del campo de visión, es posible que se omitan vistas detalladas del terreno. Aunque el riesgo de que esto ocurra se mitiga porque los sistemas y procedimientos descritos se pueden practicar a alturas más elevadas (y, normalmente, mucho más suaves), las innovaciones también pueden incluir la utilización de acelerómetros MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems, Sistemas Micro Electro Mecánicos) de bajo coste para 5 detectar los cambios rápidos de cabeceo. Los acelerómetros MEMS son muy baratos (se usan en los airbags), aunque no son adecuados para numerosas mediciones de IMU porque varían con el tiempo. No obstante, los modos de realización de MEMS con aceleración de aeronave o plataforma, cabeceo rápido, etc. y los dispositivos de captura de imágenes relacionados ofrecen ventajas particulares a los sistemas y procedimientos descritos en el presente documento. Las innovaciones del presente documento implican la utilización de acelerómetros MEMS para
10 medir los cambios de cabeceo rápido a corto plazo, el giro o el balanceo, y la utilización de esta información para aumentar el número de fotografías y eventos de obturación durante estos momentos de cambios rápido para garantizar que las cámaras detalladas con campos de visión estrechos sigan cubriendo todo el área de terreno necesaria incluso durante los cambios rápidos de la posición de la plataforma del sensor.
15 Por último, los modelos de elevación digital (Digital Elevation Models, DEM) son un producto derivado común del proceso de ajuste de paquetes fotogramétrico. Los DEM resultan útiles en sí mismos para aplicaciones como el modelado de incendios e inundaciones, y también son necesarios para producir fotomapas ortorectificados usando los procedimientos usuales de la técnica anterior tal y como están presentes en aplicaciones como ER Mapper (Nixon, Earth Resource Mapping, www.ermapper.com). La precisión general de los DEM es normalmente mucho
20 más importante que la densidad de las mediciones para el propio DEM. La ortorectificación usa normalmente DEM con una resolución de 1/10º o menos que las imágenes de fotografías que se rectifican. Aspectos de las innovaciones del presente documento ofrecen un alto nivel de superposición entre imágenes capturadas por cámaras generales. Un solo punto de tierra se puede observar normalmente en varios órdenes de magnitud con más fotografías que lo que sería posible en los sistemas de cámaras existentes. Como tal, la redundancia de las
25 observaciones de puntos de tierra proporcionada por las innovaciones del presente documento también permiten producir DEM resistentes y precisos.
En la presente descripción, los términos componente, módulo y unidad funcional pueden hacer referencia a cualquier tipo de bloques o procesos lógicos o funcionales que se pueden usar en una gran variedad de formas. Por 30 ejemplo, las funciones de varios bloques se pueden combinar entre sí para formar cualquier otra cantidad de módulos. Cada módulo se puede implementar como un programa de software guardado en una memoria tangible (p. ej., memoria de acceso aleatorio, memoria de solo lectura, memoria en CD-ROM, unidad de disco duro) para ser leída por una unidad de procesamiento con el fin de implementar las funciones de las innovaciones del presente documento. O bien, los módulos pueden comprender instrucciones de programación que se transmiten a un
35 ordenador de uso general o a hardware de procesamiento de gráficos a través de una onda portadora de transmisión. Los módulos también se pueden implementar como circuitos lógicos de hardware con las funciones que abarcan las innovaciones del presente documento. Por último, los módulos se pueden implementar usando instrucciones con fines específicos (instrucciones SIMD), conjuntos de lógica programable en el terreno o cualquier combinación de los anteriores para ofrecer el nivel deseado de rendimiento y coste.
40 Como se divulga en el presente documento, los modos de realización y características de la invención se pueden implementar a través de hardware informático, software y/o firmware. Por ejemplo, los sistemas y procedimientos divulgados en el presente documento se pueden realizar de varias formas, incluido, por ejemplo, un procesador de datos, como un ordenador que puede incluir también una base de datos, circuitos electrónicos digitales, medios
45 legibles por ordenador, firmware, software o combinaciones de estos elementos.
Además, aunque algunas de las implementaciones divulgadas describen componentes como software, los sistemas y procedimientos conformes con las innovaciones del presente documento se pueden implementar con cualquier combinación de hardware, software y/o firmware. Además, las características indicadas anteriormente y otros 50 aspectos y principios de las innovaciones del presente documento se pueden implementar en varios entornos. Dichos entornos y aplicaciones relacionadas se pueden construir especialmente para llevar a cabo los distintos procesos y operaciones de conformidad con la invención o bien pueden incluir un ordenador de uso general o plataforma informática activados o reconfigurados de forma selectiva mediante código para proporcionar la funcionalidad necesaria. Los procesos divulgados en el presente documento no están relacionados inherentemente
55 con ningún ordenador, red, arquitectura, entorno ni otros aparatos en particular, y se pueden implementar mediante una combinación adecuada de hardware, software y/o firmware. Por ejemplo, se pueden usar varias máquinas de uso general con programas escritos de conformidad con aprendizajes de la invención, o bien puede ser más cómodo construir un aparato o sistema especializado para llevar a cabo las técnicas y procedimientos necesarios.
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    imagen3
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US12/101,167 US8675068B2 (en) 2008-04-11 2008-04-11 Systems and methods of capturing large area images in detail including cascaded cameras and/or calibration features
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