فتوگرامتری

نویسنده / نویسندگان :	احمد هداوند
مترجم :
کلید واژه :	فتوگرامتری ـ تلویزیون ـ دوربین ـ تصویربرداری ـ سه بعدی ـ زاویه تقارب ـ هندسه ـ عینک
چکیده :	تولید و عرضه انواع تلویزیون‌ها، نمایشگرها و دوربین‌های تصویربرداری سه‌بعدی باعث افزایش تولید فیلم‌ها و بازی‌های سه‌بعدی شده و مجموعه این عوامل باعث به وجود آمدن تب سه‌بعدی در بین طرفداران فیلم و بازی شده است.
منابع :

تولید و عرضه انواع تلویزیون‌ها، نمایشگرها و دوربین‌های تصویربرداری سه‌بعدی باعث افزایش تولید فیلم‌ها و بازی‌های سه‌بعدی شده و مجموعه این عوامل باعث به وجود آمدن تب سه‌بعدی در بین طرفداران فیلم و بازی شده است.

علاوه بر این در سایر علومی‌ که به نحوی با تولید و نمایش داده‌ها سر و کار دارند، تمایل به تولید و نمایش سه‌بعدی و استفاده از قابلیت‌های جدید و منحصر به فرد این فناوری، روبه افزایش است. در این نوشتار قصد داریم به اجمال روش تولید و نمایش تصاویر سه‌بعدی را مورد بررسی قرار دهیم. اگر شما هم علاقه دارید با نحوه عملکرد این سیستم‌ها آشنا شوید با ما همراه باشید.  
طبیعت و پدیده‌های آفریده شده توسط مهندس بزرگ آفرینش همواره منبع الهام محققان و پژوهشگران علوم مختلف بوده است. در مورد تصاویر و مدل‌های سه‌بعدی اولین منبعی که توجهات را به خود معطوف می‌کند، سیستم بینایی در موجودات زنده و به خصوص انسان است. سیستم بینایی انسان متشکل از چشم‌ها و مغز، در عین سادگی، یکی از پیچیده‌ترین سیستم‌های پردازش داده‌های تصویری شناخته شده است. به جرات می‌توان بیان کرد که هیچ سیستم تصویربرداری و پردازش تصویر توسعه داده شده توسط انسان، قدرت و قابلیت بازسازی این سیستم را ندارد.

برای شبیه‌سازی این سیستم می‌توان چشم‌ها را به صورت دوربین‌های تصویربرداری در نظر گرفت که وظیفه تولید اطلاعات تصویری را بر عهده دارند و مغز را به صورت سیستم پردازش تصاویر اخذشده توسط دوربین‌ها به منظور تولید مدل سه‌بعدی و درک آن در نظر گرفت. به این ترتیب به منظور بازسازی این سیستم و تولید تصاویر سه‌بعدی در قدم اول نیاز به سیستمی‌ داریم که بیش از یک تصویر از منطقه یا اشیای مورد نظر ثبت کند و در گام بعد باید سیستم پردازشی مناسب به منظور دست‌یابی‌ به اطلاعات سه‌بعدی با کیفیت طراحی کرد. این مسائل در رشته‌های فتوگرامتری و بینایی ماشین مورد بررسی قرار می‌گیرند و راه‌حل‌های مختلفی به منظور شبیه‌سازی این سیستم‌ها توسط محققان این رشته‌ها پیشنهاد شده است.
از نظر فیزیکی درک عمق توسط این سیستم با تغییر زاویه تقارب شعاع‌های نوری رسیده به چشم‌ها توسط یک شیء مشخص صورت می‌گیرد. به این ترتیب همان‌طور که در شکل مشخص است، اشیای نزدیک‌تر به چشم دارای زاویه تقارب کوچک‌تر هستند.

اما از نظر ریاضی مسئله درک عمق و تولید تصویر و مدل سه‌بعدی دارای پیچیدگی‌های بیشتری است. همان‌طور که می‌دانیم در تصویربرداری فضای سه‌بعدی پیرامون به فضای دوبعدی عکس تبدیل می‌شود. به این ترتیب در عکس‌برداری یک بعد از فضا از بین می‌رود. بنابراین در بازسازی مدل سه‌بعدی باید به طریقی این نقص را جبران کرد. مدل سه‌بعدی در سیستم مختصات سه‌بعدی با سه عدد مختصات بیان می‌شود. مختصات نقاط در عکس دوبعدی شامل دو عدد مختصات است. در بازسازی مدل سه‌بعدی باید رابطه بین فضای دوبعدی عکس و فضای سه‌بعدی به صورت ریاضی برقرار شود. در مدل‌سازی سه‌بعدی سه مختصات مجهول باید برآورد شوند. از نظر ریاضی برآورد سه مجهول با معلوم بودن دو مولفه مختصات تصویری امکان‌پذیر نیست. بنابراین به طریقی باید به حل این مشکل کمک کرد. راه‌حل ساده‌ و خلاقانه‌ای که به این منظور در سیستم بینایی موجودات مورد استفاده قرار گرفته، استفاده از دو دسته مختصات تصویری به کمک چشم دوم است. بنابراین می‌توان عنوان کرد که دلیل آفرینش چشم دوم برای موجودات، مجهز کردن آنها به دید سه‌بعدی و تشخیص عمق است.

استفاده از دو تصویر دوبعدی به معنی داشتن معلومات بیشتر از شیء مورد نظر و اضافه شدن دو معلوم دیگر در حل معادلات است. به این ترتیب با داشتن چهار معلوم و سه مجهول مسئله به سادگی حل می‌شود و اطلاعات سه‌بعدی از اشیا به دست می‌آید. استفاده از این راه حل در دو دسته کلی کاربردها رایج است.

 دسته اول کاربردهای نمایشی است و دسته دوم تولید مدل‌های سه‌بعدی واقعی از اشیای مختلف است. علی‌رغم استفاده هر دوی این کاربردها از اصول مشترک، تفاوت‌هایی در عمل به منظور اجرای آنها وجود دارد. در ادامه این دو کاربرد را با جزئیات بیشتر مورد بررسی قرار می‌دهیم.

همان‌طور که اشاره شد یکی از کاربردهای فناوری فتوگرامتری و بینایی ماشین کاربردهای نمایشی و تولید فیلم‌ها و بازی‌های سه‌بعدی است. در زمینه نمایش سه‌بعدی دو چالش اساسی تولید تصاویر با هندسه نزدیک به هندسه تصویربرداری چشم انسان و رساندن این تصاویر به چشم، به نحوی مناسب است که درک سه‌بعدی را حاصل کند. تولید تصاویر مناسب به منظور نمایش سه‌بعدی صحنه مورد تصویربرداری با استفاده از انواع دوربین‌های سه‌بعدی تولید شده به این منظور به سادگی قابل انجام است. در این دوربین‌ها مشابه سیستم بینایی انسان دو تصویر همزمان و با هندسه مشابه چشم انسان از منطقه تولید می‌شود.

در مرحله نمایش، به منظور ایجاد درک سه‌بعدی نیاز است که مشابه سیستم بینایی، هر یک از تصاویر اخذ شده توسط لنزهای چپ و راست دوربین، به ترتیب به سمت چشم‌های سمت چپ و راست هدایت شوند. به این ترتیب با پردازش این داده‌ها در مغز براساس اصول ریاضی عنوان شده درک سه‌بعدی ایجاد می‌شود. این عمل که توسط انواع عینک‌های دید سه‌بعدی انجام می‌شود با استفاده از فناوری‌های مختلفی انجام می‌شود.

قدیمی‌ترین روش مورد استفاده به این منظور استفاده از سیستم آناگلیف است. در این سیستم دو تصویر موجود از یک منطقه با استفاده از دو رنگ مکمل که معمولا قرمز و آبی‌ هستند به روی هم چاپ یا تصویر می‌شوند. استفاده از فیلترهای رنگی مشابه در عینک مورد استفاده باعث می‌شود تنها نورهای تصویر نمایش داده شده با استفاده از هر یک از رنگ‌های قرمز یا آبی ‌به هر یک از چشم‌ها برسد و به این ترتیب دید سه‌بعدی حاصل می‌شود. کیفیت پایین تصویر مشاهده شده توسط این عینک‌ها در کنار محدودیت این فناوری در نمایش تصویر سه‌بعدی رنگی باعث شده در عمل از سایر روش‌های جدیدتر نمایش سه‌بعدی استفاده شود. 

استفاده از عینک‌های پلاریزه و شاترگلس از جمله روش‌های جدیدتر و پرکاربردتر به این منظور هستند. اصل اساسی عینک‌هایی که از این فناوری استفاده می‌کنند فرستادن تصویر متناظر هر چشم در فواصل کوتاه زمانی به آن چشم است. این عینک‌ها با فرکانس بالا و به شکلی که اختلالی در بینایی ایجاد نشود به ترتیب در حالی که شیشه مقابل یک چشم خاموش است، تصویر متناظر با چشم مقابل را به آن چشم منتقل می‌کنند و به این ترتیب هر یک از تصاویر متناظر با چشم چپ و راست به سمت چشم‌ها هدایت می‌شوند و درک بصری برای تصاویر تک رنگ یا رنگی حاصل می‌شود.

در کنار روش‌هایی که از عینک‌های ساخته‌شده توسط فناوری‌های مختلف به منظور ایجاد دید سه‌بعدی استفاده می‌کنند، تلاش‌هایی نیز به منظور ساخت نمایشگرهای سه‌بعدی بدون نیاز به عینک انجام شده است. در این نمایشگرها سعی می‌شود با روش‌هایی از جمله استفاده از عدسی‌ها یا منشورهای فوق‌العاده کوچک روی پیکسل‌های نمایشگر شعاع‌های نوری که باید به هر یک از چشم‌های چپ و راست برسند را از هم تفکیک کنند و بدون نیاز به عینک این شعاع‌ها را به چشم بیننده برسانند. این فناوری علی‌رغم تلاش‌های صورت گرفته نقایص زیادی دارد و در عمل استفاده از عینک‌ها رایج‌تر است و تصاویر سه‌بعدی با کیفیت بهتری حاصل می‌کند.

گرچه فناوری تولید و ساخت فیلم و بازی‌های سه‌بعدی تاثیر شگرفی بر صنایع مرتبط با سینما و ساخت کنسول‌های بازی گذاشته، اما این مسئله هدف نهایی محققین فتوگرامتری و ماشین بینایی نبوده است. در علم فتوگرامتری هدف اصلی به دست آوردن اطلاعات سه‌بعدی از اشیای مختلف بدون دسترسی و اندازه‌گیری مستقیم است. 

فتوگرامتری در زمینه تولید نقشه و اطلاعات مکانی از سطح زمین از طریق تصویربرداری هوایی و ماهواره‌ای نیازهای سازمان‌ها و ارگان‌های مختلف را پوشش می‌دهد. در این حالت شبیه‌سازی هندسه تصویربرداری چشم انسان با استفاده از ایده حرکت هواپیما یا ماهواره‌ای که سنجنده تصویربرداری بر روی آن نصب شده در مقیاسی بزرگ‌تر انجام می‌شود. در تصویربرداری هوایی و ماهواره‌ای اخذ تصاویر مورد نیاز در یک لحظه ممکن نیست و تصاویر با اختلاف زمانی اندک مورد استفاده قرار می‌گیرند.

همچنین از مدل‌های سه‌بعدی تهیه شده به روش فتوگرامتری در مهندسی معکوس (ساخت یک قطعه مکانیکی بدون استفاده از طراحی و تنها با استفاده از یک نمونه ساخته شده)، تولید مدل سه‌بعدی از اشیای باستانی و تولید مدل سه‌بعدی از چهره انسان در کاربردهای مختلف از جمله ساخت انیمیشن و کاربردهای پزشکی می توان استفاده کرد.

تفاوت اصلی روش‌های تولید مدل سه‌بعدی در فتوگرامتری با روش‌های نمایش تصاویر سه‌بعدی نیاز به طراحی سیستم پردازشی مناسب و قوی در تهیه مدل‌های سه‌‌بعدی است. در نمایش سه‌بعدی همان‌طور که عنوان شد پردازش‌های لازم به منظور درک سه‌بعدی در مغز انجام می‌گیرد. اما در تهیه مدل سه‌بعدی باید این پردازش‌ها به صورت ریاضی و دقیق توسط سیستم رایانه‌ای انجام شود. به این منظور برای نقاط اساسی شیء که چارچوب حجمی‌ مدل سه‌بعدی آن را تشکیل می‌دهند باید در تصاویر اخذ شده اندازه‌گیری مختصات دوبعدی انجام شود و مختصات سه‌بعدی با استفاده از روش‌های ریاضی تعریف شده در سیستم برآورد شود. با در کنار هم قرار گرفتن نقاط سه‌بعدی به دست‌آمده در یک فضای مناسب، مدل سه‌بعدی تولید شده نمایش داده می‌شود.

آخرین کاربرد مورد بررسی که با الهام از سیستم بینایی انسان و شبیه‌سازی آن در این نوشتار معرفی می‌شود سیستم بینایی روبات‌ها است. روبات‌های متحرک به منظور تعیین مسیر مناسب و جلوگیری صدمات ناشی از برخورد با اشیا و همچنین شناسایی اشیای خاص و ردگیری اهداف نیاز به یک سیستم بینایی قابل اعتماد دارند.

 این سیستم معمولا توسط دو وب‌کم و یک سیستم پردازشی منطبق بر روش‌های فتوگرامتری تولید می‌شود. علاوه بر این در اتوماسیون خطوط تولید گاهی نیاز به شناسایی موقعیت‌های خاصی از عوارض به منظور انجام فرآیندهای مکانیکی می‌باشد. این روند نیز با استفاده از فتوگرامتری قابل انجام است.

روش فتوگرامتری به عنوان یکی از موفق‌ترین روش‌های تولید داده‌های سه‌بعدی مبتنی بر عملکرد چشم انسان تنها روش مورد استفاده در این زمینه نیست. استفاده از روش‌های دیگر از جمله امواج لیزری به منظور به دست آوردن اطلاعات عمق از اشیا از دیگر روش‌های جدید به این منظور هستند. در قسمت‌های بعدی به سایر سیستم‌های تولید اطلاعات سه‌بعدی و روش‌هایی که ازتلفیق فتوگرامتری و سایر روش‌ها استفاده می‌کنند معرفی خواهد شد.

منبع: مجله دانشمند شماره 615 دی 1393

مجله دانشمند 615 فتوگرامتری تصاویر سه بعدی