ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Transkript

1 ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ BAKALÁŘSKÁ PRÁCE PRAHA 2014 Monika KUTIŠOVÁ

2 ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ STUDIJNÍ PROGRAM GEODÉZIE A KARTOGRAFIE STUDIJNÍ OBOR GEODÉZIE A KARTOGRAFIE BAKALÁŘSKÁ PRÁCE NOVÝ HRAD U KUNRATIC - TVORBA DETAILNÍHO 3D MODELU VYBRANÉ ČÁSTI Vedoucí práce: Ing. Jindřich Hodač, Ph.D. Katedra geomatiky červen 2014 Monika KUTIŠOVÁ

3

4 ABSTRAKT Tato bakalářská práce se zabývá tvorbou 3D modelu části zříceniny Nového hradu v Praze 4 metodou obrazové korelace. Seznamuje s postupem snímkování, geodetickým připojením i samotnou tvorbou modelu. Před tvorbou modelu byla velká pozornost věnována testování kalibrací a testování nastavení programu Agisoft PhotoScan. Tvorba modelu se skládala z několika základních částí: generování mračna bodů v programu Agisoft PhotoScan, tvorby sítě v programu Geomagic Studio a tvorby textury v Agisoft PhotoScan. Projekt byl uskutečněn ve spolupráci s odborem archeologie Národního památkového ústavu, územní odborné pracoviště v hlavním městě Praze. KLÍČOVÁ SLOVA Nový hrad, obrazová korelace, kalibrace komory, mračno bodů, nepravidelná trojúhelníková síť, model, PhotoModeler, Agisoft PhotoScan, Geomagic Studio ABSTRACT The bachelor thesis focuses on creating a 3D model of a ruin of The Nový Castle in Prague, Kunratice using the method of image correlation. The thesis informs about the process of imaging, geospatial connection and creating of the model. Big emphasis is put on testing of the camera calibration and testing of settings of Agisoft PhotoScan software. The creation of the model consisted of a these basic parts: generating a point cloud in Agisoft PhotoScan, generating network in Geomagic Studio and generating texture in Agisoft PhotoScan. The project was realized in cooperation with the Department of Archaeology of the National Heritage Institute, Regional Office in Prague. KEYWORDS Nový hrad, image correlation, camera calibration, point cloud, triangulated irregular network, model, PhotoModeler, Agisoft PhotoScan, Geomagic Studio

5 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že bakalářskou práci na téma Nový hrad u Kunratic - tvorba detailního 3D modelu vybrané části jsem vypracovala samostatně. Použitou literaturu a podkladové materiály uvádím v seznamu zdrojů. V Praze dne (podpis autora)

6 PODĚKOVÁNÍ Děkuji vedoucímu práce Ing. Jindřichu Hodačovi, Ph.D. za připomínky a trpělivost při zpracování této práce. Dále bych chtěla poděkovat Adéle Dykastové za pomoc při měřických pracích, Pavlu Kaválkovi a Alexandře Larině za výměny zkušeností při zpracování dat, Ing. Zdeňce Bílé za rady a technickou podporu při práci s programem Agisoft PhotoScan a Marii Tiché a Ing. Jaroslavu Šedinovi za rady při práci s programem Geomagic Studio. Děkuji také rodičům za jejich podporu během celého mého studia na VŠ.

7 Obsah Úvod 9 1 Popis objektu Historie Nového hradu Zadaná část objektu Obrazová korelace Princip obrazové korelace Úskalí obrazové korelace Práce v terénu Pořízení snímků Konfigurace snímků Zaměření vlícovacích bodů Volba vlícovacích bodů Připojení k systému JTSK, Bpv Práce v laboratoři Úprava snímků Výpočet souřadnic Kalibrace komory Kalibrace v PhotoModeleru Porovnání kalibrace pro různé konstanty komory Idealizace snímků v PhotoModeler Scanner Kalibrace v Agisoft Lens Tvorba porovnávaných modelů Testování nastavení software Agisoft PhotoScan Model z idealizovaných snímků Model bez předem zadané kalibrace Model při použití kalibrace z Agisoft Lens Porovnání modelů

8 5 Tvorba výsledného modelu Tvorba mračna bodů v Agisoft PhotoScan Další práce s mračny bodů v Agisoft PhotoScan Export mračen pro Geomagic Studio Tvorba modelu v Geomagic Studio Úpravy mračna bodů Úpravy trojúhelníkové sítě Tvorba textury v Agisoft PhotoScan Výstupní soubory s výsledky bakalářské práce Model s texturou Model bez textury D PDF Pohledy Zhodnocení přesnosti Geodetické připojení Kvalita snímků Výpočet polohy snímků Úpravy mračna a sítě Přesnost výsledného modelu Závěr 68 Použité zdroje 71 Seznam příloh 76 A Obsah DVD 77 A.1 DVD A.2 DVD A.3 DVD A.4 DVD A.5 DVD

9 B Geodetické údaje 81 C Seznam souřadnic vlícovacích bodů 82 D Grafy průběhů radiálních distorzí 85 D.0.1 Srovnání průběhů radiální distorze pro f = 32 mm a f = 35 mm, PhotoModeler D.0.2 Průběh radiální distorze, f = 32 mm, Agisoft Lens D.0.3 Průběh radiální distorze, f = 35 mm, Agisoft Lens E Porovnání modelů s různou kalibrací 87 E.0.4 Test A - rozdíly modelů PM Lens E.0.5 Test B - rozdíly modelů PM AUTO E.0.6 Test C - rozdíly modelů Lens AUTO F Obecný pohled na výsledný model 90

10 ÚVOD Úvod Tato bakalářská práce se zabývá tvorbou 3D modelu části zříceniny Nového hradu v Praze 4, Kunraticích. Požadavek na vyhotovení detailního modelu zříceniny vzešel od Národního památkového ústavu, územního odborného pracoviště v hlavním městě Praze. Objekt byl rozdělen do dvou částí, pro každou z nich byl model vyhotoven samostatně v rámci jiné bakalářské práce a jinou metodou. V této práci je model zadané části zříceniny vytvořen na základě dat získaných metodou obrazové korelace. Tato metoda byla zvolena za účelem bližšího seznámení se s ní, testování ideálního nastavení programu Agisoft PhotoScan pro zpracování objektů obdobné struktury a také za účelem zjistit možnosti využití obrazové korelace pro vyhodnocení takto členitých a rozsáhlých objektů. Výsledkem práce je 3D model zadané části. První kapitola práce seznamuje s okolím, stavem a rozlohou vyhodnocovaného objektu a jeho historií. Popisuje zadanou část objektu. Další kapitola stručně představuje metodu obrazové korelace. Ve třetí kapitole je popsán sběr dat a čtvrtá kapitola seznamuje s postupem jejich zpracování. Dále se věnuje provedení kalibrací a testování za účelem zjištění nejvhodnější kalibrace. Stěžejní částí čtvrté kapitoly je testování ideálního nastavení programu Agisoft PhotoScan pro získání modelu, který nejlépe odpovídá skutečnosti. Pátá kapitola seznamuje s tvorbou výsledného modelu. Obsahuje popis postupu od získání mračna bodů obrazovou korelací v programu Agisoft PhotoScan, přes úpravy mračna, generování sítě a úpravy sítě v programu Geomagic Studio a dále tvorbu textury v Agisoft PhotoScan až po tvorbu závěrečných výstupů této bakalářské práce. Šestá, poslední kapitola obsahuje hodnocení přesnosti. 9

11 1. POPIS OBJEKTU 1 Popis objektu Kapitola 1 a 1.1 čerpá z [1], [2], [3] a [4]. Nový hrad u Kunratic se nachází na území hlavního města Prahy ve správním obvodu Praha 4, katastrální území Kunratice. Zároveň je na území přírodní památky Údolí Kunratického potoka. Hrad byl postaven na počátku 15. století na ostrohu se strmými svahy, který ze tří stran obtéká potok. Obranyschopnost hradu byla dána nejen jeho umístěním, ale i hradním příkopem vylámaným do skály. Ten byl široký přibližně 20 m a hluboký víc než 6 m. Vstup do hradu byl od východu, hradní příkop překonával dřevěný most, který ústil do brány opevněného parkánu na severní straně hradu. U první hradební brány byla věž nepravidelného lichoběžníkového tvaru, měla silné zdivo a byla v západní části spojená s palácem. Z parkánu byl přístup skrz věžovitou druhou hradební bránu na vnitřní nádvoří. Hradní palác byl největší stavbou hradu, dodnes se z něj dochoval sklep délky 23 m a šířky 8, 5 m. Do paláce se vcházelo z vnitřního nádvoří po schodišti. Sklep měl valenou klenbu. Na východní straně paláce stála druhá hradní brána, kterou se vcházelo na hradní nádvoří. Přístup do brány umožňoval padací most. Jádro hradu obklopovaly nedochované provozní stavby. Prostorové uspořádání Nového hradu je zřejmé z obrázku 1.1. Na místě Nového hradu je nyní viditelné zdivo věže, paláce, druhé hradní brány a částí hradeb. Zdivo je zachováno do úrovně terénu. Vnitřek pozůstatků paláce a druhé hradní brány je vyčištěn do hloubky několika metrů, zdivo je tak z jedné strany odhaleno. Ve zdi jsou otvory, které zde zůstaly po lešení z doby stavby hradu. Hradní příkop je překonán novou lávkou. Hrad je přístupný po cestě od východu přes lávku, nebo po strmé cestě od západu. Okolí hradu je zalesněno, viz 1.2. Nový hrad u Kunratic je významnou kulturní památkou. 10

12 ČVUT v Praze 1. POPIS OBJEKTU A... hradní palác, zadaná část objektu B... parkán C... druhá hradební brána D... věž E... bývalý lom B D A C E [Pouze akademickă pouit] Obr. 1.1: Nový Hrad [5] Obr. 1.2: Hradní palác a jeho okolí [6] 11

13 1. POPIS OBJEKTU 1.1 Historie Nového hradu Hrad nechal postavit český král Václav IV. (* 1361, 1419). Stavba byla zahájena v roce 1411 a dokončena na podzim roku Stavební práce byly prováděny pod vedením mistra Kříže, který působil i při výstavbě Novoměstské radnice. Nejstarší název hradu pochází z němčiny a latiny Newenhus a Nowum Castrum a z nich vznikl český název Nový hrad. Král Václav IV. na Novém hradě často pobýval, dne zde zemřel. Jeho nástupcem se stal král Zikmund, kterému Nový hrad zůstal po prohrané bitvě o Vyšehrad jako jediný významný objekt v okolí Prahy. Na konci roku 1420 byl Nový hrad oblehnut vojskem Pražanů. Obléhatelé založili svůj tábor na vrcholu ostrohu před hradem. Odtud hrad odstřelovaly pomocí praků a dalších zbraní. Hrad byl během obléhání těžce poškozen. Po měsíci se jeho osádka vzdala. Hrad byl následně vyrabován a bylo zbořeno jeho opevnění. Od té doby zůstal hrad opuštěný a pustl. Majitel kunratického panství Jan Arnošt z Golče nechal roku 1736 vystavět na hradě kapli zasvěcenou sv. Janu Nepomuckému. Ta ale byla roku 1787 zrušena a později zbořena. V roce 1790 je v kunratické gruntovní knize záznam o těžbě břidlice. Tato těžba probíhala až do začátku 20. století a poškodila hrad na jižní straně. K dalšímu poškození došlo v roce 1881, když správa kunratického panství nechala zbořit zbytky paláce a přilehlých staveb. Zříceninu Nového hradu v roce 1923 získalo do vlastnictví hlavní město Praha. V letech zde proběhl archeologický průzkum, při kterém byla prokopána především druhá brána a částečně vytěžen sklep paláce. Výzkum však zůstal nedokončen. Další archeologický průzkum byl zahájen roku 1952, kdy byly prozkoumány pozůstatky obléhacího tábora Pražanů. Roku 2009 zahájil magistrát hlavního města Prahy přípravné práce na projektu stavební rehabilitace hradu a jeho okolí. V letech zde proběhla stavební obnova a konzervace nejohroženějších částí hradní zříceniny. Postavena byla dřevěná lávka přes hradní příkop, která usnadňuje přístup k hradu. 12

14 ČVUT v Praze POPIS OBJEKTU Zadaná část objektu Zadanou částí objektu jsou pozůstatky hradního paláce. Z této budovy zbyl do dnešní dnů obezděný a částečně zasypaný prostor. Ten je dlouhý 23 m, široký 8, 5 m a hluboký od 2, 5 m do 4, 5 m, protože dno je svažité. Obvodové zdivo je zajištěné a očištěné, koruny stěn jsou zajílované. Ve zdech jsou otvory, pozůstatky po lešení z doby výstavby hradu. Ve východní stěně je u země jeden větší otvor o rozměrech 0, 7 0, 7 m. Část severní zdi, 0, 5 m až 0, 7 m od jejího horního okraje, je odsazena oproti zbytku zdi, a tak zde vzniká hrana. Kameny, z kterých jsou zdi postaveny, nejsou hladce opracovány, mají různé tvary a velikosti, některé jsou vydrolené, hodně členité. Spáry mezi kameny jsou zvláště v horních částech zdí hodně hluboké. Obr. 1.3: Členitost zdí [autorka] 13

15 2. OBRAZOVÁ KORELACE 2 Obrazová korelace Pro vyhotovení modelu objektu bylo možné použít laserové skenování nebo metodu obrazové korelace. Obě tyto metody slouží k získání mračna bodů a jsou výhodné tím, že lze získat velké množství dat v krátké době. Protože je objekt velký, byl rozdělen na dvě části a každá byla zpracována v rámci jiné bakalářské práce. K získání mračna bodů pozůstatků druhé hradební brány bylo použito laserové skenování, naopak pro pozůstatky hradního paláce byla použita obrazové korelace. Důvodem nasazení obrazové korelace bylo vyzkoušet zpracování takto velkého a členitého objektu v programu Agisoft PhotoScan a zjistit zda a za jakých podmínek je program vhodný pro tvorbu požadovaných výstupů. Následující část kapitoly čerpá z [7] a [8]. Obrazová korelace je druh automatického zpracování digitálních obrazových dat. Při obrazové korelaci je bez zásahu operátora hledána poloha odpovídajících si bodů, kterým jsou následně zapsány snímkové souřadnice. Z nich lze vypočítat polohu bodu v prostoru. Obrazové korelace je metoda nevýběrová, neurčujeme, které body budou vyhodnoceny. Dojde tak k vyhodnocení všech nalezených bodů a vznikne mračno bodů. 2.1 Princip obrazové korelace Pokud máme snímek A a snímek B a na snímku A zvolíme bod, který chceme vyhledat na snímku B, najdeme velké množství bodů s hodnotou odpovídající bodu na snímku A. Je proto třeba uvažovat i okolí hledaného bodu. Okolí každého bodu považujeme za unikátní. Čím větší okolí bodu vyhodnocujeme, tím spíše nalezneme odpovídající bod správně. Při obrazové korelaci je vzorová část obrazu ze snímku A porovnávána s částmi obrazu ze snímku B. Podobnost obrazů je porovnávána nejčastěji pomocí koeficientu výběrové korelace nazývaného též korelační koeficient. Porovnávané části obrazu jsou ohraničeny obrazovou submaticí dále označovanou jako vzorové okénko. To je čtvercové a počet pixelů je lichý, aby byl jednoznačný střed vyhledávacího okénka, kde se nachází hledaný bod. Na snímku B je zvolena vyhledávací oblast, v které 14

16 2. OBRAZOVÁ KORELACE se vyhledávací okénko posouvá po jednom pixelu viz obr Pro každou polohu okénka je proveden výpočet korelačního koeficientu. Korelační koeficient ρ(a, B) se vypočte z kovariance cov(a, B) a směrodatných odchylek σ(a) a σ(b) následovně: ρ(a, B) = cov(a, B) σ(a) σ(b). (2.1) Při výpočtu korelace dvou obrazů používáme hodnoty pixelů p(a) i,j a p(b) i,j a rozměr n čtvercové vyhledávací oblasti v pixelech. cov(a, B) = 1 n n n 2 1 (p(a) i,j p(a) (p(b) i,j p(b)) (2.2) i=1 j=1 σ(a) = 1 n n n 2 1 (p(a) i,j p(a)) 2 (2.3) i=1 j=1 p(a) = 1 n n n (p(a) 2 i,j ) (2.4) i=1 j=1 Hodnoty σ(b) a p(b) se vypočtou z hodnot pixelů na snímku B dle 2.3 a 2.4. Korelační koeficient může nabývat hodnot od 1 do +1. Hodnota +1 vyjadřuje shodu. Z vyhodnocených částí snímku B je za odpovídající vzorovému obrazu na snímku A považována ta část, která vykazuje největší hodnotu korelačního koeficientu. y vzorové okénko x y x vyhledávací okénko výpočet korelačního koeficientu r(x, y ) vyhledávací oblast obraz Obr. 2.1: Korelace obrazových okének [7] 15

17 2. OBRAZOVÁ KORELACE 2.2 Úskalí obrazové korelace Jelikož při obrazové korelaci dochází k vyhledávání bodů na základě unikátnosti jejich okolí, je zřejmé, že obrazová korelace bude dávat špatné výsledky v případě homogenních ploch, kde okolí bodů nejsou dostatečně jedinečná. To může nastat například u zasněžených ploch, vodní hladiny nebo v tmavých zákoutích. Nevhodné výsledky obrazovou korelací mohou být získány také při snímkování homogenně osvětlené zdi obložené jednotným obkladem. Naopak jako různé mohou být vyhodnoceny tytéž oblasti v případě, že jsou na snímcích zobrazeny z velmi rozdílných úhlů. Vyhodnotit takové snímky je možné pouze v případě, že máme k dispozici další snímky, které zobrazují požadovanou oblast i ze stanovisek, mezi těmato dvěma. Další obtíže může při vyhledávání totožných bodů způsobit osvětlení objektu při snímkování. Pokud se toto během snímkování měnilo, mohou být při vyhodnocení získány horší výsledky, více v [9]. Obrazovou korelací také nelze získat informace, které v sobě snímky nenesou, tj. je třeba uvažovat velikost reálné plochy zaznamenané na jednom pixelu. S rostoucí vzdáleností snímkování od objektu se bude reálná plocha na jednom pixelu zvětšovat a podrobnost dat bude nižší. Nelze získat mračno bodů s větší podrobností, nežli je podrobnost snímků. Z toho plyne, že lepší výsledky při vyhodnocení téhož objektu se stejným fotoaparátem získáme při jeho snímkování zblízka. Na přesnost výsledků získaných obrazovou korelací má vliv nejen obsah snímků, ale i jejich kvalita. Nepřesnosti vznikají například při použití neostrých snímků, nebo snímků podexponovaných a přeexponovaných. 16

18 2. OBRAZOVÁ KORELACE Obr. 2.2: Kvalitní a nekvalitní snímek (snímky nebyly upraveny) [autorka] 17

19 3. PRÁCE V TERÉNU 3 Práce v terénu Práce v terénu zahrnovaly vyhledání informací o bodovém poli, prohlídku objektu, pořízení snímků zadané části objektu a zaměření vlícovacích bodů. Snímkování a zaměření vlícovacích bodů bylo provedeno odděleně ve dvou různých dnech. 3.1 Pořízení snímků Všechny snímky byly pořízeny mezi a hodin. Během snímkování bylo převážně jasno. V závěru snímkování slunce nízko nad obzorem nevhodně osvětlovalo východní stěnu a vznikaly ostré stíny. Snímkování bylo prováděno fotoaparátem Canon EOS 5D MarkII (obr. 3.1) s objektivem Canon EF 16-35mm f/2.8l II USM. Při snímkování byl použit režim priorita clony, clonové číslo bylo nastaveno na f/11, citlivost ISO na 400. Snímky byly ukládány do formátu raw. Celkem bylo pořízeno 191 snímků. Snímkování proběhlo bez stativu z ruky. Původně bylo zamýšleno všechny snímky pořídit v krajní poloze objektivu, tedy s konstantou komory f = 35 mm. Nedopatřením ale byly snímky pořízeny se čtyřmi různými konstantami komory: f = 32 mm, f = 33 mm, f = 34 mm a f = 35 mm. Obr. 3.1: Canon EOS 5D Mark II [10] 18

20 3. PRÁCE V TERÉNU Konfigurace snímků Na základě doporučení výrobce programu Agisoft PhotoScan [11], v kterém bude provedena obrazové korelace, byly zdi zachyceny dvěma řadami snímků se snahou o rovnoběžné osy záběrů. Třemi snímky s rovnoběžnou osou záběru byly snímkovány rohy objektu. Každá řada snímků byla pořízena z jiné výškové úrovně, jedna ze dna objektu, druhá z horního okraje. Při snímkování ze dna objektu byla vzdálenost ke zdem od 3 do 8 m v závislosti na výšce zdi. Horní řada snímků byla pořízena z protějších zdí a tedy větší vzdálenosti, přibližně 9 až 10 m. Snímky byly pořizovány tak, aby na nich objekt zaujímal co největší plochu. V případě, že objekt nezaujímal celou plochu snímku, bylo upřednostněno, aby na snímku bylo zachyceno dno objektu a ne jeho vnější okolí. Vzdálenost vedlejších stanovisek (fotogrammetrická základna) byla rovna jedné desetině vzdálenosti od objektu. Tuto vzdálenost z důvodu zajištění ideálního překrytu sousedních snímků doporučuje výrobce software Agisoft PhotoScan [11]. Rozmístění stanovisek při snímkování je zřejmé z náčrtu obr Na tomto náčrtu nejsou znázorněny všechny snímky, ale jen některé a to tak, aby bylo zřejmé, jaká byla jejich konfigurace.... snímky v dolní řadě... snímky v horní řadě Obr. 3.2: Náčrt rozmístění stanovisek při snímkování [5], [autorka] 19

21 3. PRÁCE V TERÉNU 3.2 Zaměření vlícovacích bodů Aby bylo možné zadat výslednému modelu rozměr, polohu a orientaci, byly na objektu zvoleny vlícovací body. Umístění modelu do souřadnicového systému zároveň umožní spojit dílčí části modelu do jednoho celku. Vlícovací body byly polohově připojeny do systému Jednotné trigonometrické sítě katastrální (S-JTSK) a výškově do systému Balt po vyrovnání (Bpv). Zaměření proběhlo a byla použita totální stanice Trimble 3603 DR (obr. 3.3), výrobní číslo A. Obr. 3.3: Trimble 3603 DR [12] Volba vlícovacích bodů Vlícovací body byly voleny na pracovních snímcích v rozích všech zdí a u jižní a severní zdi také ve středové části horního a dolního okraje. Vlícovací body tak byly rozmístěny rovnoměrně. V každé této oblasti byly vybrány tři vlícovací body blízko sebe. Větší množství vlícovacích bodů bylo zvoleno pro možnost výběru těch vlícovacích bodů, které budou dobře identifikovatelné nejen na snímcích, ale i v terénu. Celkem bylo zvoleno šedesát vlícovacích bodů. Vlícovací body byly přirozeně signalizované rohy kamenů a byly označeny v náčrtech viz obr. 3.4, všechny náčrty jsou na přiloženém DVD2. 20

22 ČVUT v Praze 3. PRÁCE V TERÉNU Obr. 3.4: Náčrt polohy vlícovacích bodů [autorka] Připojení k systému JTSK, Bpv V blízkosti Nového hradu se nachází tři body Podrobného polohového bodového pole. Všechny tři body jsou v dobrém stavu, roku 2010 byly rekonstruovány geodetickou firmou. S ohledem na nerovný a zalesněný terén a konfiguraci bodů, byly použity pouze body číslo a Souřadnice obou bodů a nadmořská výška bodu 725 byly dodány zadavatelem. Polohové souřadnice byly ověřeny dle geodetických údajů obsažených v příloze B [13]. Nadmořská výška bodu 725 byla převzata bez ověření, nadmořská výška bodu 723 není známa. Souřadnice známých bodů jsou uvedeny v tabulce 3.1 a na přiloženém DVD2. Při zaměření bylo zvoleno stanovisko 4001 a z něho měřeny směry, zenitové úhly a vzdálenosti na známé body 723 a 725. Ze stanoviska 4001 byly na hranol zaměřeny dva zvolené rajóny 5001 a 5002 uvnitř objektu. Rajóny byly dočasně stabilizovány hřebíky. Z těchto rajónů byly polární metodou s určením výšek zaměřeny vlícovací body. Při zaměření vlícovacích bodů byl použit režim měření pomocí laseru bez odrazného hranolu. Vlícovací body č a č byly zaměřeny z obou rajónů. Náčrt měřické sítě je na obrázku 3.5. Zápisník měření je na přiloženém DVD2. 21

23 3. PRÁCE V TERÉNU Tab. 3.1: Známé souřadnice bodů Číslo bodu y [m] x [m] z [m] , , , ,58 291,95 Obr. 3.5: Měřická síť [5], [autorka] 22

24 4. PRÁCE V LABORATOŘI 4 Práce v laboratoři Práce v laboratoři zahrnovala úpravu snímků, výpočet souřadnic bodů a porovnání dvakrát určených souřadnic bodů, kalibraci komory, testování nastavení programu Agisoft PhotoScan a samotnou tvorbu modelu. 4.1 Úprava snímků Pro další práce bylo nutné snímky vyvolat, tj. provést postprocesing. Účelem bylo zlepšení čitelnosti snímků a jejich konverze z formátu raw do formátu TIF. Vyvolání digitálních snímků bylo provedeno v programu Digital Photo Profesional Postup úpravy jednotlivých snímků byl následující. Snímek byl ve formátu raw otevřen v programu Digital Photo Profesional. Prvním krokem byla úprava histogramu. Histogram snímku byl posunut na nulu. Nevyužité části rozsahu histogramu byly oříznuty. Dále následovala funkce vyrovnání bílé. Z přednastavených možností byla vždy vybrána taková, při jejímž použití snímek nejvíce odpovídal skutečnosti. V případě některých voleb vyrovnání bílé došlo k opětovnému rozšíření histogramu o nevyužité části. Pokud tato situace nastala, byly nevyužité části rozsahu histogramu znovu oříznuty. Následovaly další úpravy snímků jako prosvětlení stínů, ztlumení světel, změna kontrastu a sytosti. Po těchto úpravách byly snímky doostřeny. Upravené snímky byly konvertovány do formátu TIF v 8bitovém kódování. Následně byly vybrány snímky vhodné pro další zpracování a byly roztříděny podle toho, kterou zeď objektu zobrazují. Rohové snímky byly k dalšímu zpracování zahrnuty k více zdem, aby při tvorbě mračen nevznikla nevyhodnocená místa. Celkem zůstalo 126 jedinečných snímků. Upravené, zatříděné a při dalším zpracování použité snímky jsou přiloženy na DVD1 a DVD Výpočet souřadnic Výpočet souřadnic bodů byl proveden v programu Groma Před výpočty byla nastavena funkce Křovák, která zavádí do dalších výpočtů opravu z nadmořské výšky a z kartografického zkreslení. Koeficient pro výpočet oprav byl vypočten ze 23

25 4. PRÁCE V LABORATOŘI souřadnic bodu 725. Hodnota koeficientu je 0, Souřadnice y a x stanoviska 4001 byly vypočteny vetknutým polygonovým pořadem s polohovou odchylkou 28 mm. Nadmořská výška stanoviska byla vypočtena z nadmořské výšky bodu 725. Ze stanoviska 4001 byly polární prostorovou metodou vypočteny souřadnice rajónů 5001 a Souřadnice známých bodů jsou uvedeny v tabulce 3.1, vypočtené souřadnice stanovisek v tabulce 4.1 a na přiloženém DVD2. Tab. 4.1: Vypočtené souřadnice stanovisek Číslo bodu y [m] x [m] z [m] , , , , , , , , ,203 Souřadnice vlícovacích bodů byly vypočteny prostorovou polární metodou. Souřadnice všech dvanácti dvakrát určených bodů byly porovnány. Ze všech souřadnicových rozdílů pouze dva překročily hodnotu 1 cm. Největší rozdíly v souřadnicích jsou uvedeny v tabulce 4.2. Výsledné souřadnice dvakrát určených bodů byly vypočítány jako průměr. Seznam souřadnic všech vlícovacích bodů je v příloze C a na přiloženém DVD2. Protokol o všech výpočtech je též na DVD2. Tab. 4.2: Maximální rozdíly dvakrát určených souřadnic VB Číslo bodu Δy [mm] Δx [mm] Δz [mm]

26 4. PRÁCE V LABORATOŘI 4.3 Kalibrace komory Před tvorbou modelu obrazovou korelací byla provedena kalibrace komory. Kalibrace komory slouží k určení prvků vnitřní orientace. Prvky vnitřní orientace jsou konstanta komory f, poloha hlavního snímkového bodu H a parametry radiální distorze Δr. Konstanta komory je vzdálenost středu vstupní pupily od hlavního snímkového bodu. Přibližně odpovídá ohniskové vzdálenosti. Hlavní snímkový bod je průsečík roviny snímku s paprskem, který prochází středem protínání v obrazovém prostoru a je kolmý na rovinu snímku. Zároveň je počátkem systému snímkových souřadnic. Zkreslení objektivu je způsobeno nepřesnostmi při výrobě objektivu. Její hlavní složkou je radiální distorze. Jde o odchylku bodu od jeho ideální polohy dané středovým promítáním. [7] Program Agisoft PhotoScan umožňuje automatický výpočet kalibrace během tvorby modelu obrazovou korelací, nebo provedení kalibrace v programu Agisoft Lens a import jejích výsledků do Agisoft PhotoScan před výpočtem modelu buď jako fixní, dále neměnnou, nebo jako přibližnou. Další možností je použít pro výpočet modelu idealizované snímky, tj. snímky s odstraněnou distorzí, a při výpočtu modelu zadat určenou konstantu komory a rozměr čipu a hodnoty distorze jako nulové a celý výpočet provést jako z předem kalibrovaných fixních hodnot. Kvalita výpočtu kalibrace v programu Agisoft PhotoScan a Agisoft Lens mi nebyla známa. Naopak s kalibrací v programu PhotoModeler bylo dosahováno dobrých výsledků. Z tohoto důvodu bylo rozhodnuto, že před tvorbou modelu objektu budou nejdříve vytvořeny tři modely jeho části (západní zeď) s použitím různých kalibrací a tyto modely budou porovnány. Na základě výsledku porovnání, bude rozhodnuto, která kalibrace bude použita pro tvorbu výsledného modelu. Vzhledem k tomu, že snímky mají různou konstantu komory, byly kalibrace v programu Agisoft Lens i PhotoModeler provedeny pro více konstant komory. Snímkování kalibračních polí bylo provedeno v krajní poloze objektivu při f = 35 mm a při f = 32 mm. Konstantu komory 32 mm nebylo možné zcela přesně nastavit. Kalibrace komory pro výše uvedené konstanty komory budou porovnány a na základě jejich velikostí a průběhu bude rozhodnuto, zda je nutné provést kalibraci komory 25

27 4. PRÁCE V LABORATOŘI zvlášť pro každou použitou konstantu komory, nebo jestli si jsou hodnoty kalibrace tak blízké, že lze použít jednu z kalibrací pro všechny konstanty komory. Porovnání kalibrací komory pro f = 35 mm a při f = 32 mm je popsáno v Tab. 4.3: Porovnávané kalibrace Kalibraze z programu Kalibrace na vstupu Snímky Agisoft PhotoScan žádná neupravené Agisoft Lens Photomodeler všechny parametry kalibrace používané v programu Agisoft konstanta komory, rozměr čipu, nulové hodnoty distorzí neupravené idealizované Kalibrace v PhotoModeleru Ke kalibraci komory se využívá rovinné nebo prostorové kalibrační pole. V této práci byla provedena kalibrace komory z pěti snímků rovinného kalibračního pole. Nejdříve bylo pořízeno pět snímků rovinného kalibračního pole. Jeden snímek s osou záběru kolmou k testovacímu poli, další snímky zachycovaly pole úhlopříčně přibližně pod úhlem 45 stupňů a každý další snímek byl pořízen s komorou otáčenou o 90 stupňů proti předchozí poloze, aby bylo možné dobře určit polohu hlavního bodu H. V programu PhotoModeler verze Pro 4.0 byl založen projekt a do něj načteny snímky kalibračního pole s konstantou komory 35 mm. Při zakládání projektu byla zadána velikost snímače W = 36 mm a H = 24 mm zjištěná z návodu k použití komory Canon 5D Mark II [14]. Zadány byly také souřadnice hlavního bodu H jako polovina rozměru čipu. Na všech snímcích byly funkcí Marking Automatic Target Marking automaticky označeny body kalibračního pole. Ručně bylo referencováno osm bodů a byl proveden první předběžný výpočet modelu. Následovalo automatické referencování 26

28 4. PRÁCE V LABORATOŘI zbývajících bodů kalibračního pole. Byl proveden druhý výpočet modelu. Při kontrole jeho kvality byly čtyři body s největšími odchylkami vyřazeny z výpočtu a výpočet modelu byl proveden ještě jednou. Projekt byl uložen a byl proveden výpočet kalibrace. Tentýž postup byl opakován při kalibraci snímků s konstantou komory 32 mm. Snímky použité při kalibracích a soubory s provedenou kalibrací ve formátu pmr jsou na přiloženém DVD2. Tab. 4.4: Výsledky kalibrací v programu PhotoModeler Kalibrovaná hodnota f = 32 mm f = 35 mm konstanta komory [mm] f 31, , 8840 rozměr čipu [mm] W 36, , 0063 H 24, , 0000 poloha hlavního bodu H [mm] x 18, , 0811 y 11, , 7104 K 1 1, , parametry distorze K 2 1, , (K radiální, P tangenciální) P 1 2, , P 2 2, , Porovnání kalibrace pro různé konstanty komory Jak již bylo uvedeno na konci podkapitoly 4.3, bylo třeba rozhodnout, zda určit kalibraci pro každou použitou konstantu komory, nebo použít globální kalibraci. Z hodnot určených kalibrací komory v kapitole byly vypočteny hodnoty radiálních distorzí v různých vzdálenostech od středu snímku a byly porovnány, tabulka 4.5. Průběhy radiálních distorzí pro obě konstanty komory byly zobrazeny do grafu (příloha D.0.1). 27

29 4. PRÁCE V LABORATOŘI Tab. 4.5: Porovnání kalibrací pro různou konstantu komory Radiální vzdálenost Radiální distorze Δr [μm] Rozdíl distorzí r [mm] f = 32 mm f = 35 mm [μm] 0,00 0,00 0,00 0,00 5,00 0,36 0,09 +0,27 10,00 0,40-0,48 +0,88 15,00 2,98-4,16 +1,17 20,00 14,97-15,06 +0,09 21,64 21,93-21,12 0,81 Hodnoty distorzí pro jednotlivé konstanty komory si byly velmi blízké, bylo proto rozhodnuto, že snímky s konstantou komory 32 mm a 33 mm budou dále zpracovávány dle výsledků kalibrace pro konstantu komory 32 mm a snímky s konstantou komory 34 mm a 35 mm budou dále zpracovávány dle výsledků kalibrace pro konstantu komory 35 mm. Není tedy nutné dělat kalibraci komory i pro snímky s konstantou komory 33 mm a 34 mm Idealizace snímků v PhotoModeler Scanner Idealizace snímků je proces, při kterém dojde k odstranění dříve určeného vlivu distorze. Zde byla provedena pro účely testování rozdílů modelů s různě určenou a zavedenou kalibrací. Testování proběhlo na západní zdi. Pro tvorbu testovacích modelů bylo vybráno dvacet dva snímků této zdi. Šestnáct snímků má konstantu komory f = 33 mm a šest z nich má konstantu komory f = 35 mm. V programu PhotoModeler Scanner byl založen projekt a do něho načteny snímky se stejnou konstantou komory a výsledky příslušné kalibrace. Byla spuštěna funkce Project Idealize Project, která provedla idealizaci snímků. Postup byl proveden stejně pro obě skupiny snímků. Idealizované snímky jsou přiloženy na DVD3. 28

30 4. PRÁCE V LABORATOŘI Kalibrace v Agisoft Lens Agisfot Lens je program příslušící k programu Agisoft PhotoScan. Je bezplatný a volně stažitelný. Slouží k výpočtu kalibrace komory. Jako kalibrační pole slouží šachovnice zobrazená na monitoru. Tu je nutné snímkovat z různých poloh a to tak, aby na snímcích byla zachycena jen šachovnice a ne i okraj monitoru a jeho okolí. Minimální počet snímků pro výpočet kalibrace je tři. Vždy lze určovat kalibraci pouze ze snímků se stejnou konstantou komory. Při zpracování této bakalářské práce byl použit Agisoft Lens, verze Snímkování kalibračního pole Agisoft Lens bylo provedeno zároveň se snímkováním kalibračního pole pro kalibraci v software PhotoModeler. To proto, aby snímky byly pořízeny na jedno zapnutí fotoaparátu a nedošlo ke změně konstanty komory. Snímky šachovnice na monitoru byly pořízeny z různých úhlů, zpředu, ze stran i zespoda a shora. Při snímkování kalibračního pole na monitoru je obtížné získat kvalitní snímky, nejtěžší je získat snímky, které budou celé ostré. Ze snímků bylo vybráno pro každou konstantu komory patnáct nejkvalitnějších snímků. Při menším počtu snímků byly kalibrační parametry určeny s menší přesností. Pro výpočet kalibrace z menšího počtu snímků byly vybrány vždy snímky nejostřejší a zároveň zachycující kalibrační pole z různých směrů. Snímky byly načteny do programu Agisoft Lens a byla spouštěna funkce Tools Calibrate, která vypočetla kalibraci. Výsledky jsou rozměr obrazu v pixelech, konstanty komory, poloha hlavního bodu a parametry radiální a tangenciální distorze a grafy průběhu obou distorzí. Projekt byl uložen ve formátu lnz. Vypočtené hodnoty byly exportovány do souboru ve formátu xml. Soubory lnz uchovávají výsledky kalibrace včetně přesnosti a grafů. Soubory xml uchovávají pouze hodnoty kalibrace, ale lze je načítat do programu Agisoft PhotoScan. Výsledky kalibrací pro různý počet snímků jsou uvedeny v tabulkách 4.6 a 4.7, grafy průběhů radiálních distorzí jsou v přílohách D.0.2 a D.0.3, použité snímky při kalibracích a soubory lnz a xml jsou na přiloženém DVD2. 29

31 4. PRÁCE V LABORATOŘI Tab. 4.6: Výsledky kalibrací v Agisoft Lens pro různý počet snímků při f = 32 mm Parametr 5 snímků 10 snímků 15 snímků hodnota σ hodnota σ hodnota σ f x [pix] 4857, 99 3, , 49 2, , 55 2, 03 f y [pix] 4858, 95 2, , 75 2, , 19 1, 96 h x [pix] 2821, 88 1, , 43 0, , 56 0, 72 h y [pix] 1829, 91 1, , 24 1, , 47 0, 84 K1 0, , , , , , 0025 K2 0, , , , , , 0213 K3 0, , , , , , 0727 K4 0, , , , , , 0072 P 1 0, , , , , , P 2 0, , , , , , Tvorba porovnávaných modelů Porovnávané modely byly vytvořeny v programu Agisoft PhotoScan. Jedná se o ruský komerční software určený primárně k tvorbě 3D modelů. V současné době je nabízen ve verzi Standart edition a Professional edition, která je proti verzi Standart rozšířena o další funkce. Program je možné stáhnout také v demoverzi, která má nejen omezené množství funkcí, ale také neumožňuje ukládání a export dat. Tato bakalářská práce byla zpracovávána v Agisoft PhotoScan Professional, verze Výpočet obrazové korelace je náročný na hardware počítače. Minimální požadované vybavení pro Agisfot PhotoScan 1.0.4, zahrnuje dvoujádrový procesor a 2 GB operační paměti, výrobce ale doporučuje čtyřjádrový procesor a 12 GB operační paměti. Počítač v laboratoři fotogrammetrie je vybaven 4 GB RAM a při pokusech o zpracování bakalářské práce selhával v důsledku nedostatku operační paměti. Práci jsem proto zpracovávala na jiném počítači s 16 GB RAM, což pro splnění zadání postačovalo. 30

32 4. PRÁCE V LABORATOŘI Tab. 4.7: Výsledky kalibrací v Agisoft Lens pro různý počet snímků při f = 35 mm Parametr 5 snímků 10 snímků 15 snímků hodnota σ hodnota σ hodnota σ f x [pix] 5209, 05 5, , 62 1, , 53 1, 42 f y [pix] 5211, 29 5, , 44 1, , 30 1, 34 h x [pix] 2823, 79 1, , 4 0, , 51 0, 70 h y [pix] 5211, 29 5, , 80 0, , 63 0, 61 K1 0, , , , , , 0026 K2 0, , , , , , 0262 K3 0, , , , , , 1027 K4 0, , , , , , 0190 P 1 0, , , , , , P 2 0, , , , , , Testování nastavení software Agisoft PhotoScan Cílem práce v Agisoft PhotoScan je vytvoření 3D modelu. Zpracování snímků a tvorba 3D modelu se skládá ze čtyř hlavních etap. Tato kapitola dále čerpá z [15]. V první fázi program vyhledá společné body na snímcích a určí pozici komory, tj. prvky vnější orientace pro každý snímek a zpřesní parametry kalibrace. Výsledkem této fáze je řídké mračno bodů, pozice komory, směrodatné odchylky vlícovacích bodů a jejich vypočtené souřadnice (pokud byly vlícovací body použity). Řídké mračno není přímo využito při další tvorbě 3D modelu, naopak pozice komory jsou pro další tvorbu 3D modelu nutné. V dalším kroku je na základě pozic komory a snímků vytvořeno husté mračno bodů. Vzniklé mračno je před dalším využitím možné editovat. Následuje tvorba sítě. Vytvořená polygonová síť vychází z hustého mračna, ale je možné nechat vygenerovat síť i z řídkého mračna. PhotoScan umožňuje vytvořenou síť upravit. Síť může být zjednodušena, odstraněny volné části a uzavřeny 31

33 4. PRÁCE V LABORATOŘI otvory v síti. Pro složitější úpravy je nutné síť exportovat, upravit v jiném software a následně síť importovat zpět. Poslední krok následuje po vytvoření sítě, kdy může být k modelu vytvořena textura. Pro získání kvalitního modelu bylo nutné nejdříve vyzkoušet, jaká nastavení při jeho tvorbě v programu Agisoft PhotoScan použít, pro dosažení dobrých výsledků. Nastavení bylo testováno na tvorbě modelu západní zdi. Úkony před výpočtem modelu Program Agisoft PhotoScan po spuštění nabízí v levé části prostředí panel, u kterého volíme mezi zobrazením výčtu námi používaných dat (snímky, body, mračna, sítě, textury, masky, bloky snímků) volbou Workspace a zobrazením informací o souřadnicích a přesnosti dat volbou Ground Control. Pracovní prostředí Agisoft PhotoScan při práci s modelem a zobrazeným panelem Ground Control je na obrázku 4.1. Obr. 4.1: Pracovní prostředí Agisoft PhotoScan [autorka] 32

34 4. PRÁCE V LABORATOŘI Po spuštění programu je třeba v pracovním prostředí zvolit Workspace a založit nový blok pomocí Add Chunk. Do bloku je potřeba pomocí Add Photos vložit vyhodnocované snímky. Počet snímků se vypíše vedle názvu bloku a načtené snímky se zobrazí v okně Photos. Snímky je možné před zpracováním nejdříve maskovat. Po otevření snímku lze vybrat oblast na snímku funkcemi Rectangle Selection a Intelligent Scissors. Maskování snímků bylo provedeno tak, aby byly vyhodnocovány jen zdi a dno hradního paláce. Před výpočtem modelu lze také nastavit výpočet kalibrace. V menu Tools Camera Calibration se otevře okno pro nastavení kalibrace. V případě, že snímky mají různou konstantu komory, program je automaticky podle ní roztřídí do skupin. Nastavení kalibrace je nutné provést pro každou skupinu snímků zvlášť. V mém případě bylo požadováno připojení modelu do souřadnicového systému. Model je možné připojit do souřadnicového systému pomocí souřadnic měřených vlícovacích bodů. Vlícovací body je vhodné označit již před výpočtem modelu na snímcích. Nové body Markers se vkládají do snímku kliknutím pravého tlačítka myši a volbou Create marker. Označení již jednou vloženého bodu do nového snímku se provádí obdobně, ale volbou Place marker. Již umístěné body lze snadno přesouvat tahem myši. Seznam vložených bodů se zobrazuje v pracovním prostředí Ground Control. Zde se také u bodů zobrazují dle volby buď vstupní souřadnice View Source, nebo přesnost View Errors, nebo vypočtené souřadnice View Estimated. Vloženým bodům lze zadat vstupní souřadnice, buď ruční editací bodů nebo načtením z textového souboru. Textový soubor musí obsahovat čísla bodů a jejich souřadnice uspořádané do sloupců. Pořadí sloupců je libovolné. Seznam souřadnic vložíme v prostředí Ground Control volbou Import. Zobrazí se dialogové okno, kde je možnost volby načtení sloupců textového souboru do jednotlivých souřadnic, nastavení oddělovače sloupců a prvního načítaného řádku vstupního souboru. Po potvrzení jsou souřadnice načteny k bodům, které mají stejný název jak v PhotoScanu, tak v textovém souboru. 33

35 4. PRÁCE V LABORATOŘI Program Agisoft PhotoScan pracuje s pravotočivým souřadnicovým systémem. Z tohoto důvodu jsem při načítání souřadnic změnila jejich pořadí a znaménka viz tabulka 4.8. Při testování nastavení výpočtů byly vždy používány pouze vlícovací body, tj. body se známými souřadnicemi, nikdy však spojovací body bez známých souřadnic. Další nastavení před výpočtem modelu je možné provést v Settings, kde v Ground Control Settings lze nastavit různé parametry výpočtu. Zde jsem při testování i následné tvorbě modelů volila lokální souřadnicový systém a přesnost vložených bodů Marker accuracy rovnu 0, 000 m. Považování měřených bodů za bezchybné doporučuje výrobce programu. Tab. 4.8: Změna souřadnicových os při načítání souřadnic do Agisoft PhotoScan +X Agisoft [m] +Y Agisoft [m] +Z Agisoft [m] Y JT SK [m] +Z Bpv [m] +X JT SK [m] Výpočet modelu Po přípravných krocích následuje první výpočet modelu. V menu Workflow Aling Photos lze nastavit a spustit výpočet modelu. První volbou nastavení je přesnost Accuracy, která nabízí možnosti vysoká High, střední Medium a nízká Low. Vyšší nastavení přesnosti slouží k získání přesnějších odhadů polohy komory. Při veškerém zpracování této bakalářské práce byla volena přesnost High. Druhou volbou je předurčení dvojic Pair preselection, při kterém je voleno, které snímky mají být použity při výpočtu modelu. Zde byly vždy voleny všechny snímky a to volbou Ground Control, která vedla k použití všech snímků, protože v prostředí Ground Control nebyly předem žádné snímky vybrány. Třetí volba je počet bodů Point limit. Zde je volen maximální počet bodů, které budou v tomto kroku vyhledány na každém snímku. Poslední volba je, zda při výpočtu modelu použít nebo nepoužít maskování. Při tvorbě modelů v této práci bylo 34

36 4. PRÁCE V LABORATOŘI vždy používáno maskování pro urychlení výpočtu a pro předejití zbytečného šumu v okolí vyhodnocovaného objektu. Po výpočtu Agisof PhotoScan v menu Ground Control pro každý zadaný bod zobrazí směrodatnou odchylku v každé souřadnici, kvadratický součet odchylek pro každý bod a kvadratický průměr odchylek všech bodů pro každou souřadnici zvlášť a pro výše uvedený kvadratický součet. Tyto hodnoty lze exportovat do souboru ve formátu txt. Osvědčilo se po výpočtu řídkého mračna zkontrolovat velikost směrodatných odchylek bodů a v případě, že některý bod vykazuje velkou odchylku, zkontrolovat jeho označení na snímku a případně jeho polohu upravit. Po úpravě polohy bodů je nutné provést znovu výpočet modelu pomocí Align Photos. Při zpracování byl následně z každé skupiny tří vlícovacích bodů v těsné blízkosti vybrán bod s nejmenším kvadratickým součtem směrodatných odchylek. Řídké mračno a polohy komory byly vypočteny potřetí pouze z takto vybraných vlícovacích bodů. Výpočet hustého mračna Následuje výpočet hustého mračna, který je přístupný z menu Workflow Build Dense Cloud. Tento krok je velmi důležitý pro získání kvalitního modelu a obsahuje dvě možnosti nastavení, obě zcela zásadní. První možností je volba kvality, druhou je hloubka filtrování. Kvalitu lze nastavit velmi vysokou Ultra High, vysokou High, střední Medium, nízkou Low a velmi nízkou Lowest. Čím vyšší kvalita, tím detailnější husté mračno získáme, ale zároveň se prodlouží doba výpočtu a nároky na hardware. Při testování funkce Build Dense Cloud nebylo nikdy při použití střední a nižší kvality dosaženo uspokojivě přesného modelu. Výpočet hustého mračna s velmi vysokou kvalitou byl velmi náročný na hardware. Po jedné hodině od spouštění výpočtu hustého mračna západní zdi z dvaceti dvou snímků nebylo vytvořeno ani jedno procento mračna, proto bylo od dalších pokusů o tvorbu modelu s nastavením velmi vysoké přesnosti upuštěno. Z výše uvedených důvodů byly všechny modely vyhodnocovány s přesností High. Při nastavení hloubky filtrování je vybíráno z možností mírná Mild, střední Moderate a agresivní Aggressive. Filtrování slouží k odstranění odlehlých bodů. Pro předměty s drobnými detaily výrobce doporučuje použít mírný filtr. Bylo provedeno 35

37 4. PRÁCE V LABORATOŘI testování, jak kvalitní model zdi lze získat s nastavením filtru Mild a Aggressive. Při nastavení filtrování na Mild byl výsledný model detailnější a bylo možné rozeznat i drobné kameny, naopak při nastavení Aggressive byl povrch více vyhlazen a drobné kameny často splývaly. Na obrázku 4.2 je tatáž část zaplochovaného modelu zdi, vytvořeného se shodným nastavením vyjma hloubky filtrování. (a) Snímek (b) Aggressive (c) Mild Obr. 4.2: Porovnání snímku a modelů s různou hloubkou filtrování [autorka] Tvorba sítě Tvorba sítě se nachází v menu Workflow Build Mesh. Při tvorbě sítě jsou nastavovány čtyři základní parametry. Jde o druh povrchu Surface type, vstupní data Source data, počet polygonů Polygon count a interpolaci Interpolation. Surface type nabízí možnost libovolný povrch Arbitrary a výškové pole Hight field. Výškové pole výrobce doporučuje pro tvorbu terénu nebo zdí. Přesto s volbou Hight field nebylo dosahováno uspokojivých výsledků, protože takto vytvořená síť připomínala množství hranolů, rovné plochy zpředu byly hrbolaté, zboků naopak zcela rovné, což neodpovídalo skutečnosti viz 4.3. Pro další zpracování se osvědčila volba Arbitrary, určená pro jakýkoli povrch. 36

38 4. PRÁCE V LABORATOŘI Druhou volbou jsou vstupní data. Zde bylo voleno husté mračno Dense cloud. Následuje volba počtu polygonů ze čtyř možností s různou kvalitou výsledného modelu. Ke každé z prvních tří voleb vysoká High, střední Medium a nízká Low je automaticky uveden počet generovaných trojúhelníků. Avšak ani s nejvyšším nabízeným počtem bodů nebyla vygenerována dostatečně kvalitní trojúhelníková síť. Byla proto využívána čtvrtá možnost Custom, kde lze zadat libovolný počet generovaných ploch. Síť byla generována s různým počtem trojúhelníků, dokud nebyla natolik kvalitní, aby vystihovala skutečnost. Kvalita sítě se od určitého počtu vytvořených trojúhelníků již viditelně nezlepšuje. Pro tvorbu modelů západní zdi bylo nakonec používáno nastavení trojúhelníků. Vzhled sítě pro různý počet trojúhelníků je zřejmý z 4.4. (a) Snímek (b) Hight field (c) Arbitrary Obr. 4.3: Porovnání snímku a modelů s různým typem povrchu [autorka] Čtvrtou a poslední volbou při tvorbě sítě je, zda chceme nebo nechceme povolit interpolaci sítě. Pokud interpolaci sítě povolíme, vytvoří PhotoScan plochy všude v okruhu o určitém poloměru kolem hustého mračna. Jak je zřejmé z 4.5 vede tato možnost ke vzniku různých neskutečných ploch a tvarů, které je třeba z modelu následně odstraňovat, a proto byla využívána volba Disabled nepoužívající interpolaci. 37

39 ČVUT v Praze (a) Snímek 4. PRÁCE V LABORATOŘI (b) High (c) Obr. 4.4: Porovnání snímku a modelů s různým počtem trojúhelníků [autorka] (a) Snímek (b) S interpolací (c) Bez interpolace Obr. 4.5: Porovnání snímku a modelů povolenou a nepovolenou interpolací [autorka] Tvorba textury Tvorba textury je opět v menu Workflow Build Texture. I tvorba textury nabízí několik položek volby. První je režim mapování Mapping mode, který nabízí mož- nosti generický Generic, ortofoto Orthophoto, adaptivní ortofoto Adaptive Orthopohoto a jeden snímek Single camera. Volba Generic má složit pro tvorbu textury libovolného povrchu. Z neznámých důvodů tato volba vždy vytvořila texturu celou 38

40 ČVUT v Praze 4. PRÁCE V LABORATOŘI černou. Volba Orthophoto tvoří kompaktní texturu na čelních stranách objektu, ale na úkor kvality textury z boků. Vyhodnocení i částí objektů, které nebyly při snímkování přímo proti komoře, řeší volba Adaptive Orthophoto. Single camera umožňuje tvorbu textury z jednoho vybraného snímku. Pro první tři volby nabídky Mapping mode lze dále volit režim prolnutí Blending mode informací ze snímků. Program nabízí možnosti mozaikování Mosaic, průměr Average, maximální intensita Max Intensity a minimální intensita Min Intensity. Při tvorbě textury byly nejlepší výsledky získány při kombinaci parametrů Adaptive Orthophoto a Mosaic, viz obrázek 4.6. (a) Snímek (b) Adaptive Ortophoto - (c) Adaptive Ortophoto - Mosaic Max Intensity Obr. 4.6: Porovnání snímku a modelů s různou texturou [autorka] Při tvorbě textury je možné také nastavit její velikost Texture size/count. První položka označuje šířku a výšku textury v pixelech, druhé číslo počet částí, do kterých bude textura exportována. Export do více částí umožňuje lepší rozlišení výsledné textury. Při exportu textury s velkým rozlišením do jedné části hrozí dle [15] selhání operace v důsledku nedostatečné paměti. Pro velké objekty je tedy vhodné rozdělit texturu do více částí. Toto rozdělení je však možné pouze pro volbu Mapping mode nastavenou na Generic. 39

41 4. PRÁCE V LABORATOŘI Pro případ, že se nedaří získat kvalitní texturu, nabízí Agisoft PhotoScan při její tvorbě povolení barevných korekcí Enable color correction. Tato funkce je doporučována zvláště v případech, kdy na snímcích dochází k výraznému kolísání jasu. Při zkoušení této funkce nebyl pozorován viditelný rozdíl výsledné textury. Export dat Pokud je požadován export celého modelu nebo mračna bodů je třeba použít v menu File volbu Export Model nebo Export Points. Pokud je požadován export samotné textury Export Texture, poloh kamer Export Cameras, masek snímků Export Masks nebo idealizovaných snímků Undistort Photos, je třeba použít menu Tools Export. Výsledky kalibrace je možné exportovat v Tools Camera Calibration. Při zpracování této bakalářské práce bylo třeba exportovat mračno bodů a celý model. Při exportu mračna bodů volíme souřadnicový systém, redukci souřadnic, exportované mračno (řídké nebo husté), zachování normál, některé formáty umožňují zachovat i barvy. Agisoft PhotoScan podporuje export mračna do formátů obj, ply, txt, u3d a pdf. Export modelu obsahuje obdobné volby. Model je možné exportovat do formátů obj, 3ds, wrlm, ply, fbx, dxf, u3d a pdf. V různých částech zpracování této práce bylo třeba použít různé formáty pro export. Při exportu modelu z Agisoft PhotoScan pro další práci v programu Cloud- Compare byl vyhovující formát obj. Při exportu mračna bodů z Agisoft PhotoScan pro další zpracování v programu Geomagic Studio nebylo možné formát obj využít. Agisoft PhotoScan sice umožňuje export bodů do formátu obj, ten je ale původně určen pro pro polygonové sítě. Geomagic Studio proto není schopno formát obj obsahující body správně načíst. Pro převod bodů mezi programy PhotoScan a Geomagic Studio musel být používán formát ply. Výhodou tohoto formátu je, že si body nesou informaci o barvě a zobrazí se v Geomagic Studiu barevně, což usnadňuje orientaci. Souhrn Při tvorbě modelů západní zdi s různou kalibrací byl dodržen postup uvedený v této kapitole a použito nastavení obsažené v tabulce 4.9. Tvorba těchto tří modelů se lišila 40

42 4. PRÁCE V LABORATOŘI pouze v nastavení kalibrace a vybranými vlícovacími body v kroku Aligment Photos, jak je popsáno v 4.4.2, 4.4.3, Tab. 4.9: Ideální nastavení programu při tvorbě modelu jedné zdi Align Photos Accuracy High Pair preselection Ground Control Point limit Ano Constrain features by mask Build Dense Cloud Quality High Depth filtering Mild Build Mesh Surface type Arbitrary Source data Dense cloud Polygon count Interpolation Disabled Build Texture Mapping mode Adaptive Orthophoto Blending mode Mosaic Texture size/count 8192 pix Yes Enable color correction Model z idealizovaných snímků Idealizované snímky byly načteny do nového projektu v Agisoft PhotoScan. Všechny snímky byly maskovány. Před výpočtem modelu byly nastaveny parametry kalibrace v menu Tools Camera Calibration. Pro skupinu snímků s konstantou komory f = 33 mm byla nastavena konstanta komory určená při kalibraci v PhotoModeler pro konstantu komory f = 32 mm, rozměr pixelu v mm byl vypočten z rozměru 41

43 4. PRÁCE V LABORATOŘI čipu v mm a počtu pixelů v čipu. Bylo zadáno, že jde o data určená z předkalibrace a všechny parametry distorze byly nastaveny na 0, kalibrace byla označena jako fixní, viz 4.7. Obdobně byly nastaveny parametry kalibrace pro snímky s f = 35 mm. Při výpočtu řídkého mračna byly z trojic blízkých vlícovacích bodů vybrány ty, které měly nejmenší kvadratický součet směrodatných odchylek. Vybrané vlícovací body byly 13, 18, 21, 24, 27, 28, 38 a 40. Obr. 4.7: Nastavení kalibrace - model z idealizovaných snímků [autorka] Model bez předem zadané kalibrace Neupravené snímky byly načteny do nového projektu v Agisoft PhotoScan. Všechny snímky byly maskovány. Před výpočtem nebyly nastaveny parametry kalibrace, jejich určení bylo ponecháno zcela na programu PhotoScan, viz 4.8. Při výpočtu řídkého mračna byly z trojic blízkých vlícovacích bodů vybrány ty, které měly nejmenší kvadratický součet směrodatných odchylek. Vybrané vlícovací body byly 14, 18, 20, 24, 26, 28, 38 a Model při použití kalibrace z Agisoft Lens Projekt z byl zkopírován. V této kopii byly před výpočtem nastaveny parametry kalibrace načtením souboru xml s výsledky kalibrace z Agisfot Lens. Kalibrace nebyla označena jako fixní, v důsledku čehož PhotoScan během výpočtu modelu kalibraci zpřesní, viz 4.9. Protože tento model vznikl z kopie souboru předchozího modelu, byla v obou modelech zcela shodná poloha vlícovacích bodů. Přesto po výpočtu modelu ze všech 42

44 4. PRÁCE V LABORATOŘI vlícovacích bodů měly modely odlišné směrodatné odchylky. To bylo způsobeno rozdílnou kalibrací. Při výpočtu tohoto modelu byly vybrané body s nejmenším kvadratickým součtem směrodatných odchylek 14, 18, 20, 23, 26, 28, 38 a 42. Obr. 4.8: Nastavení kalibrace - model s automatickou kalibrací [autorka] Obr. 4.9: Nastavení kalibrace - model s předkalibrací z Agisoft Lens [autorka] Porovnání modelů Porovnávané modely jsou na přiloženém DVD2 a DVD3. Při porovnání modelů byl porovnán každý model s každým. Jednotlivá porovnání byla označena písmeny, viz následující seznam. První uvedený model byl referenční. Test A - modely z idealizovaných snímků s automatickou kalibrací Test B - z idealizovaných snímků s předkalibrací z Lens Test C - s předkalibrací z Lens s automatickou kalibrací 43

45 4. PRÁCE V LABORATOŘI Při porovnání modelů bylo čerpáno z [9]. Modely byly exportovány do formátu obj a v něm načteny do programu CloudCompare Obr. 4.10: Pracovní prostředí Cloud Compare [autorka] Model vytvořený z idealizovaných snímků byl referenční, zbylé dva modely k němu byly registrovány. V programu se nejdříve provádí hrubá registrace. Tento krok byl při zpracování této práce vynechán, protože jsou modely v souřadnicovém systému, a tak byly automaticky umístěny shodně a překrývají se. Všechny tři modely najednou byly ořezány tak, aby na nich byla pouze svislá stěna západní zdi. Následovala první přesná registrace modelů, byla prováděna do dosažení kritéria 10 10, změna měřítka modelu nebyla povolena. Po první přesné registraci byla provedena druhá přesná registrace do dosažení kritéria 10 20, změna měřítka opět nebyla povolena. Po těchto krocích už mohlo být přistoupeno k výpočtu vzdálenostních rastrů. Maximální zobrazovaná vzdálenost byla zvolena 2, 0 cm. Maximální zobrazovanou vzdálenost je možné po výpočtu dále snižovat. Střední vzdálenosti a jejich směrodatné odchylky si byly pro dvojice modelů A a B blízké viz tabulka Byly proto výše 44

46 4. PRÁCE V LABORATOŘI uvedeným postupem vypočteny vzdálenosti mezi modelem vytvořeným s předkalibrací v Agisoft Lens a modelu vytvořeného s automatickou kalibrací. Protože střední vzdálenost je určena se směrodatnou odchylkou větší, než samotná vzdálenost, bylo třeba zvolit i jinou více vypovídající hodnotu. Tou se stalo procento bodů obsažených v intervalu ( 1, +1) cm, též v tabulce Ve všech třech dvojicích modelů se většina bodů lišila o méně, než 1 cm. Soubory pro CloudCompare ve formátu bin, obsahující srovnání A, B, C jsou na přiloženém DVD3. Tab. 4.10: Porovnání testů Test Střední vzdálenost Směrodatná odchylka Počet bodů v ( 1, +1) [mm] [mm] [%] A 0, 56 4, 84 95, 5 B 0, 53 4, 78 95, 7 C 0, 04 1, 79 99, 6 Program CloudCompare zároveň vygeneroval vzdálenostní rastr, v kterém jsou vzdálenosti modelů reprezentovány pomocí barevné škály. Z rastru je zřejmé, že většina bodů mimo interval ( 1, +1) cm se nachází na horní hraně, menší část v rozích modelů, ve spárách mezi kameny a v dírách po lešení. Velké rozdíly ve vyhodnocení horní hrany zdi jsou ale jen u dvojic modelů, kde vystupuje model vypočtený z idealizovaných snímků a kalibrace ve PhotoModeleru. Tyto skutečnosti jsou viditelné na obrázku 4.11 a v přílohách E.0.4, E.0.5 a E.0.6. Protože si porovnávané modely byly blízké, byl výběr dále používané metody výpočtu a zavedení kalibrace proveden dle přesnosti modelu. Největší přesnost při výpočtu řídkého mračna, tj. nejmenší kvadratický průměr z kvadratických součtů směrodatných odchylek vlícovacích bodů vykazuje model s použitím předkalibrace z programu Lens, viz

47 4. PRÁCE V LABORATOŘI (a) A - IDE AUTO (b) B - IDE LENS (c) C - LENS AUTO Obr. 4.11: Vzdálenosti modelů pro interval ( 1, +1) cm [autorka] Tab. 4.11: Přesnost modelů Kalibrace modelu Přesnost modelu [mm] PhotoModeler 8, 7 PhotoScan 4, 0 Lens 3, 7 46

48 5. TVORBA VÝSLEDNÉHO MODELU 5 Tvorba výsledného modelu Výsledný model objektu byl vytvořen na základě poznatků uvedených v předešlých kapitolách této bakalářské práce. Pro tvorbu výsledného modelu bylo nutné použít více druhů software. V programu Agisoft PhotoScan bylo získáno husté mračno bodů. Tvorba sítě a její úpravy byly provedeny v programu Geomagic Studio. Vzniklý model byl převeden zpět do Agisoft PhotoScan, kde k němu byla připojena textura. Následující podkapitoly seznamují s podrobnostmi tvorby výsledného modelu a výstupů bakalářské práce. 5.1 Tvorba mračna bodů v Agisoft PhotoScan Hustá mračna výsledného modelu byla vytvořena postupně pro každou zeď zvlášť z důvodu náročnosti výpočtu. Pro západní zeď bylo převzato mračno získané při testování modelů kalibrací vzniklé postupem uvedeným v Modely jižní a severní zdi byly získány obdobným způsobem. Při zpracování východní zdi vznikly problémy. K jejímu vyhodnocení bylo vybráno celkem 32 snímků, na kterých byly označeny vlícovací body a byl proveden výpočet. Program PhotoScan však vyhodnotil při tvorbě řídkého mračna pouze 8 snímků a zbylých 24 nikoli. Při opakování postupu bylo dosaženo stejného výsledku. Následně byla věnována pozornost snímkům vybraným k vyhodnocení zdi. Bylo usouzeno, že k vyhodnocení jen části z nich dochází v důsledku toho, že program nenachází dostatečně velké stejné obrazy mezi některými snímky. V důsledku toho vyhodnotí jen část snímků, u kterých předpokládá, že zobrazují stejnou oblast a ostatní snímky nevyhodnotí, přestože jsou v obou skupinách snímků označeny vlícovací body. Na základě čeho dojde k vyhodnocení skupiny 8 podobných snímků a nikoli skupiny 24 snímků, mi není známo. Problém je tedy způsoben nevhodnou konfigurací snímků. Osy záběrů čtyř snímků pořízených z vrcholu severní zdi šikmo na východní zeď svírají s východní zdí moc ostrý úhel. S těmito čtyřmi snímky byly vyhodnoceny i dva snímky z horní řady a dva snímky z dolní řady, na kterých je vidět zakončení východní zdi a malý roh 47

49 5. TVORBA VÝSLEDNÉHO MODELU na jejím konci. Tento roh je pozůstatkem schodiště, které vedlo do hradního paláce. Projevilo se zde tak jedno z úskalí obrazové kalibrace popsané v 2.2. Osy záběrů snímků objektu jsou vůči němu otočeny o moc velký úhel. Následovalo hledání řešení, které by umožnilo vyhodnotit všech 32 snímků najednou. Nejdříve bylo vyzkoušeno označit na snímcích i spojovací body. Bylo očekáváno, že spojovací body pomohou programu vyhledat stejná místa na snímcích. Výsledkem výpočtu modelu s vlícovacími i spojovacími body byl zcela deformovaný model, nepomohla ani volba jiných spojovacích bodů. Bylo zjištěno, že je to způsobeno tím, že pokud jsou do PhotoScanu vloženy body v souřadnicovém systému, požaduje PhotoScan souřadnice pro všechny body. Pokud nejsou některým bodům (uvažovaným jako spojovacím) vloženy souřadnice, PhotoScan jim automaticky dá souřadnice rovné nule. Kombinace bodů v souřadnicovém systém a se souřadnicemi rovnými nule způsobí deformaci modelu. Jako další možnost byl výpočet modelu ze všech 32 snímků s použitím vlícovacích a spojovacích bodů, ale všechny byly zadány jako neznámé bez souřadnic, tj. jako spojovací. Ale i výsledkem tohoto postupu byl deformovaný model. Vyhodnocení východní zdi nakonec bylo provedeno na dvě části. Byly založeny dva bloky, jeden s 24 snímky a druhý s 8 snímky. V každém tomto bloku byly na snímcích zadány jen vlícovací body v souřadnicích. Konfigurace snímků bloku východní zdi a rohu bloku rohu východní zdi je patrná z obrázků 5.1 a 5.2. Roh, pozůstatek schodiště, na konci východní zdi má proti ostatním částem mračna východní zdi v obou modelech řidší, tedy méně kvalitní mračno bodů. Je to dáno tím, že tento roh nebyl v zadané části objektu a nebyla mu při snímkování věnována zvláštní pozornost. Roh je proto pouze na snímcích pořízených z větší vzdálenosti, a proto není zaznamenán tak detailně jako zdi hradního paláce. Roh byl vyhodnocen, aby byl model zadané části zakončen. Při tvorbě hustého mračna bodů obrazovou korelací, bylo celkem získáno pět hustých mračen, která pokrývají celou zadanou část objektu, viz obrázek 1.1. Počet snímků a všech vlícovacích bodů použitých pro jednotlivá mračna, spolu se seznamem vybraných vlícovacích bodů a přesností modelu (kvadratický průměr z kvadratických součtů směrodatných odchylek použitých vlícovacích bodů) je v tabulce

50 5. TVORBA VÝSLEDNÉHO MODELU Obr. 5.1: Konfigurace snímků při vyhodnocení východní zdi [autorka] Obr. 5.2: Konfigurace snímků při vyhodnocení rohu východní zdi [autorka] 49

51 5. TVORBA VÝSLEDNÉHO MODELU Tab. 5.1: Tvorba mračen jednotlivých zdí Zeď Snímků Celkem Vybrané Snímků Přesnost celkem VB VB s vybranými VB [mm] jižní , 5, 9, 11, 14, 16, 21, , 5 západní , 18, 20, 23, 26, 28, 38, , 7 severní , 30, 33, 34, 38 41, 43, 47, 49, , 1 východní , 46, 51, 54, 55, , 1 východní roh , 56 59, , Další práce s mračny bodů v Agisoft PhotoScan Nejdříve bylo uvažováno, že tvorba sítě a její úpravy budou též provedeny v programu Agisoft PhotoScan. Právě možnosti úpravy sítě jsou v PhotoScanu omezené. Automatické úpravy jsou v menu Tools Mesh. Jedná se o ředění sítě Decimate a zacelení děr Close Holes. Další funkce k automatické úpravě se nachází v menu Edit Gradual Selection. Ředění sítě slouží k snížení počtu trojúhelníků v síti a umožňuje nastavit počet trojúhelníků modelu na výstupu. Funkce Close Holes po spuštění nejdříve vyhledá otvory v síti a následně zobrazí posuvnou lištu, na které je možné nastavit velikost zacelovaných otvorů v procentech. Obdobně u funkce k odstranění odlehlých částí modelu Gradual Selection lze nastavit velikost odstraňovaných částí v procentech ve vztahu k velikostem všech částí modelu. Ani jednu z výše uvedených funkcí nelze aplikovat pouze na vybrané části modelu. Ruční editace sítě zahrnují označování a rušení trojúhelníků. Z důvodů malých možností editace bylo zpracování trojúhelníkové sítě provedeno v programu Geomagic Studio. 50

52 5. TVORBA VÝSLEDNÉHO MODELU Před exportem mračen bodů z programu Agisoft PhotoScan, byla jednotlivá mračna nejdříve ořezána. Ořezány byly samostatné shluky bodů, šum (obr. 5.3) a místa překrytu dvou mračen, zvláště v rozích objektu, které byly součástí mračen sousedních zdí. Hodně ořezáno bylo také mračno s rohem východní zdi a byly z něho ponechány jen části, které nebyly součástí jiného mračna. To bylo provedeno z toho důvodu, že mračno s rohem východní zdi bylo ze snímků, které byly od zdi vzdálené více, než snímky do východní zdi. Ořezání bylo provedeno proto, aby místa překryvů mračen byla minimální, protože by zde mohlo docházet k nesmyslnému vyhodnocení trojúhelníkové sítě. (a) Před ořezem (b) Po ořezu Obr. 5.3: Ořezání šumu mračna vzniklého vyhodnocením oblohy [autorka] Ořezaná mračna z jednotlivých bloků byla spojena do jednoho mračna. K tomu byla použita nejdříve funkce Workflow Align Chunks. Tato funkce slouží k vyrovnání bloků a při jejím použití bylo nastaveno vyrovnání všech bloků na základě vlícovacích bodů, to znamená, že byla volena metoda Marker based. Další použitá funkce byla Workflow Merge Chunks. Tato funkce provede spojení mračen do jednoho nového bloku, který se zobrazí v seznamu bloků. Původní bloky zůstanou zachovány. Spojeno bylo všech pět mračen. Zkombinování modelů Combine models a sloučení vlícovacích bodů Merge markers bylo povoleno. Ze sloučeného mračna byl vyříznut střed dna objektu a byly ponechány jen jeho části podél zdí, protože vyhodnocení dna nebylo součástí zadání. Smazáním velké části dna objektu zároveň došlo k podstatnému snížení objemu dále zpracovávaných dat. Ořezané husté 51

53 5. TVORBA VÝSLEDNÉHO MODELU mračno je na obrázku 5.4. Soubor ve formátu psz obsahující výsledné mračno je na přiloženém DVD3. Obr. 5.4: Spojené a ořezané mračno bodů [autorka] 5.3 Export mračen pro Geomagic Studio Mračno bodů celého objektu bylo exportováno do formátu ply, který lze načíst do programu Geomagic Studio. Při exportu byly redukovány souřadnice bodů, protože Geomagic Studio neumí správně načíst soubor obsahující velké souřadnice. Například při načtení výřezu části sítě ji načetl a zobrazil rozpadlou na velké trojúhelníky a navíc neostrou, viz obrázek 5.5. Při redukci muselo být uvažováno, že v Agisoft PhotoScan jsou souřadnice načteny ve změněném pořadí a změněnými znaménky, jak je uvedeno v tabulce 4.8. Zároveň PhotoScan při exportu použije hodnoty redukce s opačným znaménkem, než které zadáme. Při exportu mračna bodů byly zadány hodnoty uvedené na obrázku 5.6. Exportovaný soubor je na přiloženém DVD3. Přiložené soubory s daty pro tvorbu výsledného modelu, v kterých jsou data s redukovanými souřadnicemi, mají název zakončen _R. 52

54 5. TVORBA VÝSLEDNÉHO MODELU Obr. 5.5: Chybné načtení části neredukované sítě do Geomagic Studio [autorka] Obr. 5.6: Nastavení redukcí souřadnic při exportu [autorka] 53

55 5. TVORBA VÝSLEDNÉHO MODELU 5.4 Tvorba modelu v Geomagic Studio Mračno obsahující bodů bylo ve formátu ply importováno do programu Goemagic Studio 2012, verze 13. Data byla uložena ve formátu wrp. Pracovní prostředí programu Geomagic Studio je na obrázku 5.7. Obr. 5.7: Pracovní prostředí Geomagic Studio 2012 [autorka] Úpravy mračna bodů Před generováním trojúhelníkové sítě bylo třeba upravit stávající mračno bodů. Nejdříve bylo provedeno odstranění odlehlých oblastí, následně odstranění odlehlých bodů. Dále bylo provedeno sjednocení vzorkování, které spočívá v inteligentním ředění mračna bodů. Následovalo odstranění šumu a po něm znovu sjednocení vzorkování. K automatickému odstranění odlehlých částí, byla na mračno bodů aplikována funkce Select Disconnected Components. Tato funkce nenašla žádné odlehlé oblasti. Mračno bodů tedy bylo od odlehlých oblastí dobře očištěno již při ořezu mračna v programu Agisoft PhotoScan. 54

56 5. TVORBA VÝSLEDNÉHO MODELU Následovalo použití funkce Select Outliers, která slouží k odstranění odlehlých bodů. Citlivost Sensitivity byla nastavena na 70%. Body, které funkce vyhledala a označila za odlehlé, byly smazány. Dále byla použita funkce Uniform Sample, která slouží k sjednocení vzorkování. Tato funkce snižuje počet bodů s minimální ztrátou detailů. Při použití této funkce byla míra ředění mračna nastavena zadáním absolutní vzdálenosti, která by měla být mezi body po sjednocení vzorkování. Dále byla nastavena priorita zachování zakřivení a barevnosti na maximální hodnotu. Zachování zakřivení způsobí, že v místech s větší křivostí bude zachováno více bodů. Absolutní vzdálenost byla nastavena na 4 mm. V dalším kroku byl snížen šum pomocí funkce Reduce Noice. Nastavení této funkce má zásadní vliv na kvalitu později získané trojúhelníkové sítě. Základní nastavení při snížení šumu zahrnuje nastavení druhu použitého filtru, míru vyhlazení Smoothness Level a počet iterací Iterations. Nabízené filtry jsou Free-form shapes, Prismatic shapes (conservative) a Prismatic shapes (aggressive). Testování těchto filtrů se věnuje [16]. Na základě poznatků z této práce byl filtr Prismatic shapes (conservative) shledán jako nevhodný a dále s ním nebylo pracováno. Postupně byly vyzkoušeny následující možnosti výběru filtrů a jejich nastavení: filtr Prismatic shapes (aggressive), 2 iterace filtr Free-form shapes, 1 iterace filtr Prismatic shapes (aggressive), 1 iterace Použité nastavení filtru se zřetelně projeví po vytvoření trojúhelníkové sítě z mračna, na které bylo snížení šumu použito. Při použití prvního i druhého nastavení byl výsledný model příliš vyhlazený. Uspokojivého výsledku bylo dosaženo s třetím nastavením, které bylo použito pro tvorbu výsledného modelu. Rozdíly jsou zřejmé z obrázku 5.8. Nejvíce bodů bylo při snižování šumu vyhledáno a smazáno v zachovaných částech dna v okolí západní zdi. Zde se při snímkování nacházelo listí, které svou členitostí dalo při vyhodnocení obrazovou korelací vzniknout velkému množství šumu. Náhled označených a následně smazaných bodů je na obrázku

57 ČVUT v Praze 5. TVORBA VÝSLEDNÉHO MODELU (a) Snímek (b) Prismatic shapes (aggressive), 2 iterace (c) Free - form shapes, 1 iterace (d) Prismatic shapes (aggressive), 1 iterace Obr. 5.8: Projev různého nastavení filtru při snižování šumu mračna bodů [autorka] Obr. 5.9: Body smazané při snižování šumu [autorka] Po snížení šumu byla znovu se stejným nastavením použita funkce Uniform Sample pro sjednocení vzorkování. 56

58 5. TVORBA VÝSLEDNÉHO MODELU Výše uvedené funkce vedly k snížení počtu bodů mračna z na , počet bodů byl tedy redukován přibližně na 32%. Zmenším počtu bodů došlo i k zmenšení objemu dat. Výše uvedené funkce mají sloužit k snížení počtu bodů s minimální ztrátou detailu, a proto došlo v důsledku jejich použití i k snížení detailnosti modelu. Z dat získaných obrazovou korelací v této bakalářské práci lze tedy získat podrobnější model, než je ten na výstupu této práce. Aby bylo zřejmé, jak detailní model lze z těchto dat obrazové korelace získat, byla vyhodnocena část modelu v programu Geomagic Studio s jiným nastavením funkcí pro ředění mračna. Při zpracování této ukázkové části byla rozdílně nastavena funkce Uniform Sample. Vzorkování bylo sjednoceno se zadanou absolutní vzdáleností 2 mm. Maximální priorita křivosti a barvy byla zachována. Následně použitá funkce pro snížení šumu Reduce Noice s nastavením filtru Prismatic shapes (aggressive), 1 iterace, neklasifikovala žádné body jako šum. Při takto zpracované části mračna bodů byl počet bodů snížen z na , bylo tedy zachováno přibližně 85% bodů. Je pravděpodobné, že při zpracování celého modelu by bylo zachováno menší procento bodů, protože detailněji vyhodnocovaná část modelu neobsahovala dno objektu, kde bylo při zpracování celého modelu klasifikováno nejvíce bodů jako šum. Z obrázku 5.10 je zřejmé, že model získaný z méně ředěného mračna je skutečně detailnější, je na něm dobře patrná i nerovnost povrchů kamenů. (a) Dále zpracovávaný model (b) Možný detailnější model Obr. 5.10: Projev různého nastavení filtru při snižování šumu mračna bodů [autorka] 57

59 5. TVORBA VÝSLEDNÉHO MODELU Zvýšení podrobnosti zřejmé z obrázku 5.10 je ale zatíženo více než dvojnásobným objemem dat. Přestože výsledný model této práce byl vytvořen na základě mračna ředěného na absolutní vzdálenost bodů 4 mm, docházelo při práci se vzniklým trojúhelníkovým modelem ke komplikacím v důsledku velkého objemu dat. Pro vyhotovení detailnějšího modelu z obrázku 5.10 by proto bylo nutné zpracovávat model po částech Úpravy trojúhelníkové sítě Na zředěné mračno bodů byla aplikována funkce Wrap, která vygenerovala trojúhelníkovou síť. Při použití této funkce byla nastavena střední Midle redukce šumu Reduce Noice, žádná další nastavení, která funkce Wrap nabízí, nebyla použita. Vzniklá síť byla tvořena trojúhelníky. Trojúhelníková síť obsahovala řadu chyb jako průniky trojúhelníků, zmačkané hrany, hroty, malé odlehlé části, malé tunely a malé otvory. Tyto chyby bylo třeba odstranit. Model obsahoval těchto chyb statisíce, a proto byla pro jejich odstranění použita funkce automatických oprav Mesh Doctor. Při použití této funkce se plně projevilo, že model je příliš objemný. Pouhé načtení této funkce v plném rozsahu trvalo déle než hodinu. Automatické opravy chyb byly spouštěny postupně podle jejich jednotlivých typů. Provedení všech automatických oprav trvalo přibližně 20 hodin. Automatické opravy funkce Mesh Doctor neopraví všechny chyby. K další automatické úpravě modelu byly použity funkce Clean Operation, Relax a Defeature. Uvedené funkce model vyhlazují, odstraňují výrazně vyčnívající části sítě. Takto automaticky upravený model byl dále editován ručně. Jednalo se především o odstranění nesmyslných shluků trojúhelníků v modelu, očištění okrajů otvorů a jejich následné zaplnění. Tyto chyby byly zvláště v zakrytých částech modelu, tj. na spodních hranách vyčnívajících kamenů a v dírách ve zdech, které zde zůstaly po lešení z doby stavby hradu. Právě v místech děr po lešení vznikaly nejvíce nesmyslné shluky trojúhelníků, které bylo třeba odstranit, zároveň v těchto místech vznikaly velké otvory v síti. Bylo to způsobeno tím, že vnitřky těchto děr nebyly na snímcích plně zachyceny, a proto zde bylo při obrazové korelaci vyhodnoceno málo bodů. Pokud vznikly velké otvory, byly jejich hranice očištěny od vyčnívajících trojúhelníků 58

60 ČVUT v Praze 5. TVORBA VÝSLEDNÉHO MODELU a jejich hranice vyhlazeny funkcí Relax boundary. Otvory nebyly vyplňovány, protože programem vytvořená plocha výplně by neodpovídala skutečnosti. Na obrázku 5.11 je ukázka otvoru na konci díry po lešení. K vyplňování menších otvorů byla používána funkce Fill Single. Jednotlivé otvory byly vyplňovány buď po částech nebo najednou. Ukázka ruční editace modelu je na obrázku (a) Očištěný, ponechaný otvor (b) Nesmyslné zaplnění otvoru Obr. 5.11: Ruční editace - ponechaný otvor [autorka] (a) Vytvořeno funkcí Wrap (b) Očištěný otvor (c) Zaplněný otvor Obr. 5.12: Ruční editace - zaplnění otvoru [autorka] Po provedení ručních editací velkých děr byla znovu spuštěna funkce Mesh Doctor, která automaticky odstranila množství zůstávajících chyb modelu. Protože práce s modelem byla z důvodu velkého objemu dat značně náročná, byla pomocí funkce 59

61 5. TVORBA VÝSLEDNÉHO MODELU Decimate síť zředěna. Bylo zjištěno, že při zředění sítě přibližně na polovinu, trojúhelníků, a nastavení priority na maximální křivost, nedojde k viditelné ztrátě detailnosti modelu, viz obrázek Naopak větší ředění sítě vedlo ke snížení podrobnosti modelu, a proto nebylo použito. Všechny další práce byly prováděny s modelem se zředěnou trojúhelníkovou sítí. (a) Model před zředěním sítě (b) Model po zředění sítě Obr. 5.13: Projev zředění sítě na poloviční počet trojúhelníků [autorka] Pomocí funkce Trim with Plane byly modelu oříznuty členité okraje. Hranice modelu byly po oříznutí vyhlazeny funkcí Relax Boundary. Opakovaným použitím funkce Removing Spikes byly odstraněny hroty, ostré výčnělky sítě. Funkcí Fill Single byly zaplněny zbývající otvory. Na závěr byla spuštěna funkce Mesh Doctor. Po dvou opakovaných použitích, nenalezla již tato funkce v modelu žádné chyby. Výsledný model čítá trojúhelníků. Trojúhelníky nesou barevnou informaci, takže model je barevný. Nejedná se ale o texturu. Trojúhelníková síť byla exportována do formátu ply, který je vhodný pro improt do programu Agisoft PhotoScan. 5.5 Tvorba textury v Agisoft PhotoScan V program Agisoft PhotoScan byl otevřen soubor, který obsahuje snímky, vlícovací body a mračno bodů, s kterým bylo pracováno při tvorbě trojúhelníkové sítě v programu Geomagic Studio. Do tohoto souboru byla v nabídce Tools Import Import Mesh importována trojúhelníková síť ve formátu ply. Při importu bylo nutné 60

62 5. TVORBA VÝSLEDNÉHO MODELU zadat hodnoty posunů souřadnic, protože mračno bodů je v systému JTSK, Bpv, ale importovaná trojúhelníková síť je v souřadnicovém systému redukovaném o hodnoty uvedené na obrázku 5.6. Při importu sítě s redukovanými souřadnicemi je nutné uvést stejné hodnoty jako při exportu, tedy i se stejnými znaménky. Následovala tvorba textury v menu Workflow Build texture. Při nastavování voleb tvorby textury bylo přihlíženo k závěrům uvedeným v tabulce 4.9. Rozdílně nastavena byla pouze velikost textury. Bylo uvažováno, že celý model je přibližně sedmkrát větší, než západní zeď, na které bylo nastavení textury testováno. Velikost textury proto byla nastavena na pix. Tento výpočet selhal z důvodu nedostatku paměti, což bylo možné očekávat, jak již bylo uvedeno v Bylo zřejmé, že při zachování takto vysokého rozlišení a rozložení textury pouze do jedné části, nebude možné texturu vytvořit. Možnost rozdělení textury do více částí nabízí pouze volba Mapping Mode Generic. Přestože se při testování programu Agisoft PhotoScan tato volba hrubě neosvědčila, byla zde vyzkoušena, protože jiná možnost řešení se nenaskytovala. Byl proveden nový výpočet textury s nastavením uvedeným v tabulce 5.2. Na rozdíl od opakovaného použití nastavení volby Generic při testování, kdy výsledkem byla celá černá textura, nyní proběhl výpočet textury úspěšně. Důvod, proč byla nyní tvorba textury s tímto nastavením úspěšná a předtím nikoli, není znám. Tab. 5.2: Nastavení tvorby textury pro celý model Build Texture Mapping mode Generic Blending mode Mosaic Texture size/count pix/10 Yes Enable color correction Textura vytvořená s nastavením dle tabulky 5.2 obsahovala velké obrazové body, které působily při bližším pohledu rušivě. Bylo proto vyzkoušeno nastavení se stejnou velikostí textury, ale s větším počtem částí. Program Agisoft PhotoScan dokázal 61

63 ČVUT v Praze 5. TVORBA VÝSLEDNÉHO MODELU pro takové nastavení texturu vytvořit, ale měl problém s jejím zobrazením, a to i při navýšení počtu částí pouze o jednu, tj. na jedenáct. S navýšením počtu částí na jedenáct došlo k výraznému zlepšení detailnosti textury, ale zároveň i k nárůstu objemu souboru psz o 380 MB oproti souboru s texturou rozdělenou do deseti částí. Při navyšování počtu částí, do kterých je textura tvořena, bylo zjištěno, že kvalita textury se již výrazně nezlepšuje a zároveň nedochází k tak významným změnám objemu dat, jako při navýšení počtu částí z deseti na jedenáct. Ukázky textury s různým nastavením jsou na obrázku Protože nastavení pro detailnější zpracování textury, než je uvedeno v 5.2, vedlo ke komplikacím při zobrazování modelu, byla použita textura s nastavením dle 5.2. Obecný pohled na celkový model s texturou je součástí přílohy F. Model s připojenou texturou byl exportován do formátu obj, automaticky byly vytvořeny soubory jpg a mtl obsahující texturu a informace o jejím připojení k modelu. Při exportu byly redukovány souřadnice, jak je uvedeno v kapitole 5.3. Uvedené exportované soubory a soubor psz jsou na přiloženém DVD4. (a) pix/10 (b) pix/11 (c) pix/13 Obr. 5.14: Textura s různým nastavením rozlišení [autorka] 62