Photogrammetry là gì? Nguyên lý, ưu điểm và ứng dụng thực tế

Từ một hiện vật trong bảo tàng, một công trình kiến trúc cho đến toàn bộ khu vực địa lý, dữ liệu thực tế có thể được thu thập và tái tạo dưới dạng mô hình 3D. Một trong những công nghệ quan trọng hỗ trợ quá trình này là Photogrammetry.

Chỉ với hình ảnh được chụp từ các góc nhìn khác nhau, Photogrammetry có thể phân tích thông tin hình ảnh, xác định cấu trúc không gian và tái tạo đối tượng thành dữ liệu 3D.

Vậy Photogrammetry là gì? Công nghệ này hoạt động như thế nào, có những ưu điểm và hạn chế gì, được ứng dụng ra sao trong quá trình số hóa thế giới thực? Đọc ngay bài viết!

Photogrammetry là gì?

Photogrammetry (quang trắc ảnh) là phương pháp đo đạc và tái tạo không gian ba chiều dựa trên việc phân tích hàng loạt ảnh chụp cùng một đối tượng hoặc khu vực từ nhiều góc độ khác nhau. Thay vì đo trực tiếp bằng thiết bị laser như LiDAR, photogrammetry khai thác dữ liệu thị giác (màu sắc, kết cấu, hình dạng bề mặt) có trong ảnh để tính toán ngược lại tọa độ không gian của từng điểm.

Minh họa quy trình photogrammetry, nhiều ảnh chụp từ các góc khác nhau. Nguồn hình ảnh: VTgroup

Điểm khác biệt so với việc chụp ảnh 3D thông thường nằm ở chỗ: kết quả đầu ra của photogrammetry không chỉ là hình ảnh, mà là dữ liệu tọa độ có thể đo đạc, phân tích và sử dụng cho các mục đích kỹ thuật như lập bản đồ, giám sát công trình hay số hóa hiện vật.

Khi nào nên sử dụng Photogrammetry?

Photogrammetry phù hợp khi dự án cần:

• Tái tạo đối tượng/mô hình/hiện vật với độ chân thực cao, giữ được màu sắc và chi tiết bề mặt như ảnh chụp thực tế.
• Số hóa hiện vật có giá trị, nơi độ chân thực về màu sắc và kết cấu là yếu tố quan trọng.
• Khảo sát khu vực rộng bằng drone, ở những nơi thiết bị đo đạc mặt đất khó hoặc mất nhiều thời gian tiếp cận.
• Linh hoạt về phương pháp thu thập dữ liệu, có thể dùng smartphone, máy ảnh chuyên nghiệp hoặc drone tùy theo quy mô và ngân sách dự án

Nguyên lý hoạt động của Photogrammetry

Nguồn hình ảnh: Einstar

Photogrammetry hoạt động bằng cách chụp nhiều hình ảnh của cùng một đối tượng từ các góc khác nhau, sau đó sử dụng phần mềm để phân tích và tái tạo thành mô hình 3D.

Chụp ảnh có độ chồng lấp

Các khu vực quan trọng của đối tượng cần xuất hiện trong nhiều ảnh để phần mềm có đủ dữ liệu đối chiếu. Với vật thể nhỏ, có thể chụp từ nhiều góc xung quanh; với công trình hoặc khu vực rộng, có thể sử dụng máy ảnh hoặc Drone.

Trong quá trình chụp, đối tượng nên giữ ổn định. Các yếu tố như người di chuyển, nước, khói hoặc bề mặt phản chiếu có thể ảnh hưởng đến kết quả.

Tìm các điểm tương đồng

Phần mềm sẽ tìm kiếm những chi tiết giống nhau xuất hiện trong nhiều ảnh, chẳng hạn như góc cạnh, hoa văn, vết nứt hoặc các chi tiết trên bề mặt.

Những đối tượng có nhiều chi tiết như tượng, đá hoặc công trình thường dễ xử lý hơn các bề mặt trơn, bóng hoặc trong suốt.

Tái tạo mô hình 3D

Từ các điểm tương đồng, phần mềm xác định vị trí camera và tính toán cấu trúc không gian của đối tượng. Dữ liệu thường được tạo theo trình tự:

Hình ảnh → Điểm đặc trưng → Point Cloud → Mesh → Mô hình 3D

Sau đó, màu sắc và chi tiết từ ảnh gốc được phủ lên mô hình để tạo Texture, giúp mô hình 3D trở nên chân thực hơn.

Thêm tỷ lệ thực tế

Nếu mô hình cần phục vụ đo đạc, cần bổ sung dữ liệu về kích thước thực tế như thước đo, điểm mốc hoặc dữ liệu khảo sát để đảm bảo tỷ lệ chính xác.

Ví dụ, để tạo mô hình 3D của một bức tượng, người thực hiện có thể chụp hàng trăm hình ảnh xung quanh bức tượng. Mỗi bức ảnh ghi lại đối tượng từ một góc nhìn khác nhau. Sau đó, phần mềm Photogrammetry sẽ tìm kiếm các điểm tương đồng giữa những hình ảnh này, xác định vị trí tương đối trong không gian và tái tạo hình dạng ba chiều của đối tượng. Kết quả cuối cùng có thể là một mô hình 3D có hình dạng, màu sắc và bề mặt gần với đối tượng thực tế. 

Phân loại Photogrammetry

Phân loại theo nguồn gốc hình ảnh:

• Trắc địa ảnh mặt đất: Đây là những hình ảnh do máy ảnh đặt trên mặt đất thu thập, dùng để đo đạc những khu vực địa hình có diện tích vừa và nhỏ.
• Trắc địa ảnh từ vệ tinh: Sử dụng hình ảnh chụp từ vệ tinh, thường có độ phân giải cao và phạm vi bao quát lớn. 
• Trắc địa ảnh từ máy bay: Hình ảnh thu được từ máy bay, thường được sử dụng cho các dự án quy mô vừa và nhỏ, cho phép thu thập dữ liệu chi tiết hơn so với ảnh vệ tinh. 

Phân loại theo phương pháp xử lý:

- Trắc địa ảnh tĩnh: Xử lý hình ảnh mà không có sự chuyển động nào giữa các bức ảnh, thường được sử dụng trong các dự án có quy mô nhỏ.

- Trắc địa ảnh động: Sử dụng chuỗi hình ảnh chụp liên tiếp để xây dựng các mô hình 3D, thường được dùng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác và chi tiết cao.

Ứng dụng thực tế của Photogrammetry

Khảo sát địa hình, quy hoạch đô thị: Photogrammetry giúp tạo bản đồ địa hình, bản đồ địa chính với tốc độ nhanh hơn đáng kể so với đo đạc thủ công, hỗ trợ công tác quy hoạch và quản lý đất đai ở cấp địa phương.

Xây dựng và giám sát công trình: Mô hình 3D được cập nhật định kỳ trong quá trình thi công cho phép đối chiếu tiến độ thực tế với thiết kế, tính toán khối lượng đào đắp và phát hiện sớm sai lệch kết cấu.

Trên thực tế, độ tin cậy của phương pháp này đã được kiểm chứng: một nghiên cứu so sánh drone photogrammetry với máy quét laser mặt đất Trimble cho kết quả gần như trùng khớp,  khối lượng đo được là 466,52 m³ so với 466,76 m³, chênh lệch chỉ 0,24 m³, trong khi thời gian thực hiện giảm từ khoảng một ngày làm việc xuống còn khoảng một giờ. Với những dự án bỏ qua bước bố trí điểm khống chế mặt đất dày đặc, thời gian hiện trường có thể được rút ngắn thêm 2 đến 3 giờ mỗi lần khảo sát, cho phép đội thi công cập nhật tiến độ thường xuyên hơn mà không phát sinh nhiều chi phí nhân lực.

Số hóa di sản và bảo tàng: Với những công trình kiến trúc, hiện vật có giá trị lịch sử, photogrammetry cho phép lưu trữ dữ liệu không gian với độ chân thực cao về màu sắc và chi tiết bề mặt, nền tảng để xây dựng các trải nghiệm tham quan số, hỗ trợ số hoá bảo tàng, di sản, giúp người xem tiếp cận hiện vật hoặc không gian mà không bị giới hạn bởi khoảng cách địa lý hay điều kiện bảo tồn.

Du lịch thông minh: Không gian được số hóa qua photogrammetry trở thành dữ liệu nền cho các nền tảng tham quan trực tuyến, giúp du khách khám phá điểm đến trước khi quyết định di chuyển, đồng thời hỗ trợ đơn vị quản lý điểm đến trực quan hóa và quảng bá tài nguyên du lịch hiệu quả hơn.

Ưu điểm và giới hạn của Photogrammetry

Một trong những ưu điểm nổi bật nhất của photogrammetry là khả năng tái tạo bề mặt với độ chân thực cao nhờ sử dụng chính hình ảnh thực tế làm texture, từ màu sắc, hoa văn cho đến từng vết xước nhỏ trên bề mặt vật liệu, điều mà các phương pháp quét không dùng ảnh chụp khó tái hiện được một cách tự nhiên.

Đi kèm với độ chân thực về hình ảnh là độ chính xác về mặt đo đạc: trong điều kiện bay và xử lý dữ liệu tốt, độ cao bay thấp, độ chồng phủ ảnh cao, kết hợp định vị RTK/PPK hoặc điểm khống chế mặt đất, drone photogrammetry có thể đạt sai số vị trí ngang khoảng 1-3 cm và sai số cao khoảng 2-5 cm, đủ đáp ứng yêu cầu của nhiều dự án khảo sát chuyên nghiệp chứ không chỉ dừng lại ở mục đích trực quan hóa.

Bên cạnh độ chính xác, photogrammetry còn linh hoạt về mặt thiết bị: từ smartphone, máy ảnh chuyên nghiệp cho đến drone đều có thể được sử dụng tùy theo quy mô và mục tiêu dự án, tạo điều kiện cho nhiều đối tượng, từ cá nhân, doanh nghiệp nhỏ đến các đơn vị khảo sát chuyên nghiệp, đều có thể tiếp cận công nghệ này.

Chính sự linh hoạt đó giúp photogrammetry mở rộng được quy mô ứng dụng: với drone, một khu vực rộng như đô thị, khu du lịch hay công trình công nghiệp có thể được số hóa chỉ trong vài chuyến bay ngắn, chẳng hạn một mái nhà phục vụ khảo sát lắp đặt điện mặt trời có thể được chụp hơn 500 ảnh độ phân giải cao từ mọi góc độ chỉ trong khoảng 10 phút, thay vì mất nhiều ngày đo đạc thủ công như trước đây. Nhờ vậy, chi phí triển khai cũng trở nên linh hoạt hơn, có thể điều chỉnh theo thiết bị, quy mô, số lượng dữ liệu và độ chính xác mong muốn của từng dự án.

Tuy vậy, photogrammetry cũng có những giới hạn nhất định

Chất lượng mô hình phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện ánh sáng và thời tiết khi chụp, bóng đổ mạnh, ánh sáng thay đổi liên tục hay gió lớn đều có thể ảnh hưởng đến độ chính xác và tính đồng nhất của texture. Những bề mặt phản chiếu, trong suốt hoặc quá đồng màu (như kính, mặt nước, tường trắng trơn) cũng gây khó khăn cho thuật toán trong việc nhận diện điểm đặc trưng để ghép nối ảnh. Ngoài ra, khối lượng ảnh lớn đồng nghĩa với thời gian xử lý và yêu cầu cấu hình máy tính cao hơn, đặc biệt với các dự án quy mô lớn hoặc yêu cầu độ chi tiết cao. Vì vậy, để đạt được kết quả tối ưu, việc lập kế hoạch bay, kiểm soát điều kiện chụp và xử lý dữ liệu bài bản vẫn là yếu tố không thể bỏ qua.

Sự phát triển của Photogrammetry kỹ thuật số

Sự phát triển của công nghệ đã tạo ra bước thay đổi lớn đối với Photogrammetry. Các yếu tố như máy ảnh kỹ thuật số, camera độ phân giải cao, drone, computer vision, điện toán đám mây, AI… đã giúp quá trình thu thập và xử lý dữ liệu trở nên nhanh chóng hơn.

Nếu trước đây Photogrammetry chủ yếu phục vụ các lĩnh vực chuyên ngành như đo đạc và bản đồ, thì ngày nay công nghệ này đã xuất hiện trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Một doanh nghiệp có thể sử dụng Photogrammetry để số hóa sản phẩm. Một bảo tàng có thể tái tạo hiện vật thành mô hình 3D. Một đơn vị xây dựng có thể sử dụng hình ảnh từ Drone để khảo sát hiện trạng công trình.

Đồng thời, dữ liệu từ Photogrammetry cũng có thể được đưa vào các môi trường số như: Website 3D, Virtual Tour, VR, AR, Digital Twin… 

Trong bối cảnh nhu cầu số hóa ngày càng tăng, Photogrammetry không chỉ là một công nghệ tái tạo mô hình 3D từ hình ảnh, mà còn là một phương pháp giúp doanh nghiệp và tổ chức đưa các đối tượng, không gian và dữ liệu của thế giới thực vào môi trường số một cách trực quan hơn. Hy vọng với các thông tin VR360 chia sẻ đã giúp bạn hiểu rõ công nghệ này là gì, cách thức hoạt động cùng những ưu điểm và hạn chế của Photogrammetry.

Nguồn tham khảo:
https://www.einstar.com/blogs/einstar-academy/what-is-photogrammetry 
https://viet-thanh.vn/photogrammetry-la-gi/