DOI: https://doi.org/10.5194/isprs-archives-xlviii-2-w12-2026-479-2026
تاريخ النشر: 2026-02-12
المؤلف: Antonio M. G. Tommaselli وآخرون
الموضوع الرئيسي: المسح ثلاثي الأبعاد والتراث الثقافي
نظرة عامة
تقيّم الورقة دقة المعايرة وإعادة البناء ثلاثي الأبعاد لكاميرا Ricoh Theta Z1، وهي كاميرا مزدوجة العدسة بزاوية 360°، في سياق نمذجة معلومات المباني التراثية (HBIM). تتناول التحديات المتعلقة بمسح المساحات الضيقة بدقة باستخدام سير العمل الفوتوغرامتري، مشددة على ضرورة معالجة البيانات بدقة، بما في ذلك معايرة الكاميرا واستخدام نماذج الإسقاط المناسبة للعدسات الكروية. تقارن الدراسة بشكل خاص بين نماذج الإسقاط المتساوي البعد ونموذج الزاوية المتساوية المطبق في Agisoft Metashape، حيث وجدت أن نموذج الزاوية المتساوية يوفر دقة أفضل لكل من صور مجال الرؤية 180° وصور الكروية.
تشير النتائج إلى أن الدقة المحققة تتماشى مع متطلبات HBIM، والتي تتراوح عادة من ±5 مم إلى ±20 مم. تشير النتائج إلى أن نموذج الزاوية المتساوية أكثر فعالية في معالجة الصور الكروية، مما يسهل دقة أعلى في معايرة الكاميرا ونمذجة ثلاثية الأبعاد مقارنة بالنموذج المتساوي البعد. تسلط الدراسة الضوء على إمكانيات الكاميرات الشاملة منخفضة التكلفة في سير العمل عالي الدقة Scan-to-HBIM وتحدد مجالات البحث المستقبلية، بما في ذلك تقنيات المعايرة المثلى وتطوير استراتيجيات الوزن للملاحظات في شبكات الصور الكروية.
مقدمة
تؤكد مقدمة الورقة البحثية على أهمية إنشاء سجلات رقمية غير ذاتية للمعالم الثقافية لأغراض الحفظ، مشددة على التحديات التي تطرحها نقص الطرق القياسية والبروتوكولات الموثوقة لتقييم جودة البيانات. بدأت التطورات الأخيرة في نمذجة معلومات المباني التراثية (HBIM) في معالجة هذه القضايا من خلال دمج البيانات الهندسية، والوثائق التاريخية، والبيانات الوصفية في إطار رقمي متماسك. جانب حاسم من سير عمل HBIM يتضمن مسوحات ثلاثية الأبعاد مفصلة، والتي تُعرف عادةً باسم Scan-to-BIM، والتي تستخدم تقنيات المسح ثلاثي الأبعاد لتوليد سحب نقطية تعمل كقواعد بيانات هندسية دقيقة لتطوير النماذج.
تناقش الورقة قيود طرق المسح التقليدية، خاصة في البيئات المعمارية المعقدة، حيث تعقد المساحات الضيقة والتصاميم المعقدة عملية جمع البيانات. للتغلب على هذه التحديات، اكتسب استخدام العدسات الكروية زخماً، حيث يسمح بالتقاط مناطق واسعة بعدد أقل من الصور، مما يسهل توثيق المواقع الثقافية التي يصعب الوصول إليها. لقد عزز إدخال الكاميرات التجارية ذات العدسات المزدوجة الكروية هذه القدرة، مما يتيح التقاط صور كاملة للكرة الأرضية بدقة محسنة. ومع ذلك، يشير المؤلفون إلى أن تحقيق دقة دون السنتيمتر في نماذج HBIM يتطلب معالجة بيانات دقيقة ومعايرة الكاميرا، والتي غالباً ما يتم تجاهلها في سير العمل الآلي. تهدف الدراسة إلى تقييم معايرة كاميرا مزدوجة العدسة (Ricoh Theta Z1) وتقييم دقة إعادة البناء ثلاثية الأبعاد باستخدام نماذج الإسقاط الكروية الجديدة المطبقة في Agisoft Metashape، مع افتراض أن هذه التطورات يمكن أن تعزز بشكل كبير فعالية الكاميرات منخفضة التكلفة في تطبيقات HBIM.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى وجود تباينات كبيرة في تقديرات المعلمات بناءً على نموذج الإسقاط المستخدم. على وجه التحديد، تختلف أطوال البؤر المقدرة للكاميرا بحوالي 8 بكسلات بين النماذج المتساوية البعد والمتساوية الزاوية، مع اختلافات ملحوظة في إحداثيات النقطة الرئيسية، خاصة في مكون $c_y$ خلال التجارب التجريبية المنفصلة. بالنسبة للصور المقتطعة بزاوية رؤية 180°، كانت الفروقات طفيفة؛ ومع ذلك، أظهر نموذج الزاوية المتساوية تحسينات ملحوظة لصور نصف الكرة (HH).
توضح الشكل 4 المتبقيات في إحداثيات الصورة لجهازين استشعار عبر التجارب، كاشفة عن نمط متسق في أحجام المتبقيات يتماشى مع الانحرافات المعيارية المقدرة لإحداثيات النقاط الثلاثية الأبعاد. قدم نموذج الزاوية المتساوية نتائج متفوقة باستمرار لكل من صور 180° وHH، كما يتضح من انخفاض أخطاء إعادة الإسقاط الكلية وتقليل الجذر التربيعي لمتوسط الأخطاء (RMSE) للمتبقيات لكل من المستشعرين. يحدد الجدول 4 هذه النتائج، موضحًا أن الأخطاء الكلية في المسافات الضابطة والتحقق تم تقليلها عند استخدام النموذج المتساوي الزاوية، بينما أدى النموذج المتساوي البعد إلى أخطاء كلية أكبر بكثير عبر جميع المقاييس التي تم تقييمها.
المناقشة
تقيّم قسم المناقشة في الورقة نماذج الإسقاط الكروية المختلفة، مع التركيز بشكل خاص على تطبيقها في المعالجة الفوتوغرامترية باستخدام Agisoft Metashape. يُعتبر الإسقاط العمودي مناسبًا فقط للعدسات الكروية نصف الكرة بزاوية رؤية (FoV) أقل من 180°، بينما يُستخدم النموذج الاستيريوغرافي بشكل أقل شيوعًا. يتم تحديد نموذج الإسقاط المتساوي البعد كالأكثر شيوعًا بسبب قوته وأهميته العملية، حيث تم اعتماده من قبل البرمجيات التجارية. ومع ذلك، تشير الدراسات إلى وجود قيود في النماذج العامة، خاصة النموذج المتساوي البعد عند تطبيقه على العدسات الكروية نصف الكرة (HH)، مما يؤدي إلى استبعاد النقاط التي تتجاوز زاوية الرؤية 180° خلال عمليات المعايرة وإعادة البناء ثلاثية الأبعاد لتحسين الدقة.
تسلط الورقة الضوء على النتائج من Castanheiro et al. (2021)، التي تُظهر أن نموذج الزاوية المتساوية يحقق نتائج متفوقة في معايرة الكاميرا لعدسة كروية بزاوية رؤية 190°، محققًا جذر متوسط مربع الخطأ (RMSE) قدره 0.27 بكسل عند استبعاد نقاط HH. أدت إضافة نقاط HH إلى تحسين تقدير معلمات الاتجاه النسبي في أنظمة الكاميرات المزدوجة الكروية، ولكن فقط مع نموذج الزاوية المتساوية. يناقش المؤلفون أيضًا تأثير تشويه العدسة على إحداثيات الصورة، مشددين على استخدام نموذج تشويه كونرادي-براون في Agisoft Metashape. تكشف التجارب التي أجريت مع إطارات مزدوجة العدسة الكروية أن نموذج الزاوية المتساوية أكثر فعالية للصور الكروية، حيث يلبي متطلبات الدقة لتطبيقات scan-to-HBIM. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية تحسين معلمات الاتجاه الداخلي واستكشاف استراتيجيات الوزن للملاحظات في شبكات الصور الكروية.
DOI: https://doi.org/10.5194/isprs-archives-xlviii-2-w12-2026-479-2026
Publication Date: 2026-02-12
Author(s): Antonio M. G. Tommaselli et al.
Primary Topic: 3D Surveying and Cultural Heritage
Overview
The paper evaluates the calibration and 3D reconstruction accuracy of the Ricoh Theta Z1, a 360° dual-fisheye camera, within the context of Heritage Building Information Modelling (HBIM). It addresses the challenges of accurately surveying narrow spaces using photogrammetric workflows, emphasizing the necessity of rigorous data processing, including camera calibration and the use of appropriate projection models for hyperhemispherical lenses. The study specifically compares the equidistant and equisolid-angle projection models implemented in Agisoft Metashape, finding that the equisolid-angle model provides superior accuracy for both 180° field of view (FoV) images and hyperhemispherical images.
The results indicate that the accuracy achieved aligns with HBIM requirements, typically ranging from ±5 mm to ±20 mm. The findings suggest that the equisolid-angle model is more effective for processing hyperhemispherical imagery, facilitating higher precision in camera calibration and 3D modelling compared to the equidistant model. The study highlights the potential of low-cost omnidirectional cameras in high-precision Scan-to-HBIM workflows and identifies areas for future research, including optimal calibration techniques and the development of weighting strategies for observations in fisheye image networks.
Introduction
The introduction of the research paper emphasizes the importance of creating non-subjective digital records of cultural monuments for preservation purposes, highlighting the challenges posed by the lack of standardized methods and reliable protocols for data quality assessment. Recent advancements in Heritage Building Information Modelling (HBIM) have begun to address these issues by integrating geometric data, historical documentation, and metadata into a cohesive digital framework. A critical aspect of the HBIM workflow involves detailed three-dimensional surveys, commonly referred to as Scan-to-BIM, which utilize 3D survey techniques to generate point clouds that serve as accurate geometric databases for model development.
The paper discusses the limitations of traditional surveying methods, particularly in complex architectural environments, where narrow spaces and intricate designs complicate data acquisition. To overcome these challenges, the use of fisheye lenses has gained traction, as they allow for the capture of extensive areas with fewer images, thus facilitating the documentation of hard-to-reach cultural heritage sites. The introduction of commercial cameras with dual-fisheye lenses has further enhanced this capability, enabling the capture of full-hemisphere images with improved resolution and accuracy. However, the authors note that achieving sub-centimetric precision in HBIM models requires meticulous data processing and camera calibration, which are often overlooked in automated workflows. The study aims to evaluate the calibration of a dual-fisheye camera (Ricoh Theta Z1) and assess the accuracy of 3D reconstructions using newly implemented fisheye projection models in Agisoft Metashape, positing that these advancements could significantly enhance the effectiveness of low-cost cameras in HBIM applications.
Results
The results of the study indicate significant variations in parameter estimates based on the projection model employed. Specifically, the estimated camera focal lengths differ by approximately 8 pixels between the equidistant and equisolid models, with notable discrepancies in the principal point coordinates, particularly in the $c_y$ component during separate experimental runs. For images cropped with a 180° field of view (FoV), differences were minimal; however, the equisolid-angle model demonstrated marked improvements for hemispherical (HH) images.
Figure 4 illustrates the residuals in image coordinates for two sensors across the experiments, revealing a consistent pattern in residual magnitudes that aligns with the estimated standard deviations of the 3D tie point coordinates. The equisolid-angle model consistently yielded superior results for both 180° FoV and HH images, as evidenced by lower total reprojection errors and reduced root mean square errors (RMSE) of residuals for both sensors. Table 4 quantifies these findings, showing that total errors in control and check distances were minimized when utilizing the equisolid model, while the equidistant model resulted in significantly larger total errors across all metrics assessed.
Discussion
The discussion section of the paper evaluates various fisheye projection models, specifically focusing on their application in photogrammetric processing using Agisoft Metashape. The orthogonal projection is deemed suitable only for hemispherical fisheye lenses with a field of view (FoV) less than 180°, while the stereographic model is less commonly used. The equidistant projection model is identified as the most prevalent due to its robustness and practical relevance, having been adopted by commercial software. However, studies indicate limitations in generic models, particularly the equidistant model when applied to hyperhemispherical (HH) fisheye lenses, leading to the exclusion of points beyond 180° FoV during calibration and 3D reconstruction processes to improve accuracy.
The paper highlights findings from Castanheiro et al. (2021), which demonstrate that the equisolid-angle model yields superior results in camera calibration for a 190° FoV fisheye lens, achieving a root mean square error (RMSE) of 0.27 pixels when excluding HH points. The inclusion of HH points improved relative orientation parameter estimation in dual-fisheye camera systems, but only with the equisolid-angle model. The authors also discuss the impact of lens distortion on image coordinates, emphasizing the use of the Conrady-Brown distortion model in Agisoft Metashape. The experiments conducted with dual-fisheye frames reveal that the equisolid-angle model is more effective for hyperhemispherical images, meeting the accuracy requirements for scan-to-HBIM applications. Future research directions include optimizing interior orientation parameters and exploring weighting strategies for observations in fisheye image networks.