ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ Fakulta stavební Katedra speciální geodézie BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Zaměření historické fasády laserovým skenovacím systémem HDS 3000 a zpracování naměřených dat Measuring of a historical facade using laser scanning system Leica HDS 3000 and processing of measured data 2007 Milan Bláha -1-
Prohlašuji, že jsem tuto bakalářskou práci vypracoval samostatně na základě uvedených zdrojů a odborných rad vedoucího práce Ing. Bronislava Kosky. V Praze dne 10.srpna 2007 Milan Bláha...... -2-
Na tomto místě bych rád poděkoval ing. Bronislavu Kostkovi za vedení práce a spoustu dobrých rad při konzultacích. Dále děkuji ing. Františku Pivničkovi z firmy Topol software za ochotu a poskytnuté informace o softwaru PhoTopoL LaserScan. -3-
-4-
ABSTRAKT Jméno: Milan Bláha Název bakalářské práce: Zaměření historické fasády laserovým skenovacím systémem HDS 3000 a zpracování naměřených dat. Anotace: Bakalářská práce se zabývá tvorbou prostorového modelu historické fasády na základě dat získaných laserovým skenováním. Reprezentuje jeden z mnoha možných postupů zpracování. Mračno bodů je zde využito pouze jako podklad pro sběr bodů. Následné zpracování probíhá již standardně v CAD softwaru. Klíčová slova: laserové skenování, mračno bodů, 3D model, animace ABSTRACT Name: Milan Bláha Title of bachelor thesis: Measuring of a historical facade using laser scanning system Leica HDS 3000 and processing of measured data. Anotation: Bachelor thesis is about creation of spatial model of the historical facade based on the data originated by a laser scanning. This thesis describes one method of the many other procedures used for this purposes. Point cloud act here only as a background for the collection of points. CAD software is used for the final data processing. Keywords: laser scaning, point cloud, 3D model, animation -5-
Obsah 1. Úvod...8 2. Současný stav...8 2.1 Použitelné technologie...8 2.1.1 Fotogrametrie...8 2.1.2 Totální stanice...9 2.1.3 Laserové skenování...9 2.2 Technologie laserového skenování...9 2.2.1 Princip laserového skenování...9 2.2.2 Terestrické skenery...10 2.2.3 Sběr dat...11 2.2.4 Způsoby vyhodnocení...11 2.2.5 Použitelný software...12 2.2.6 Přesnost laserového skenování...12 3. Použité přístroje a software...13 3.1 Systém HDS 3000...13 3.1.1 Přístroj Leica HDS 3000...13 3.1.2 Cyclone...14 3.2 Použitý software...14 3.2.1 Geomagic...15 3.2.2 PhoTopoL...15 3.2.2.1 PhoTopoL LaserScan......15 3.2.2.2 PhoTopol Stereo......16 3.2.3 Microstation...16 4. Měření...16 4.1 Náčrt a volba stanovisek...16 4.2 Volba identických bodů...17 4.3 Nastavení a průběh skenování...18 5. Zpracování dat...19 5.1 Registrace dat...19 5.2 Čištění dat...20-6-
5.3 Obarvení skutečnými barvami...20 5.4 Úprava vstupních dat...21 5.4.1 Redukce počtu bodů...21 5.4.2 Odstranění šumu...22 5.5 Snímání bodů...22 5.5.1 TopoL 3D View...22 5.5.2 Vlastní snímání PhoTopoL...23 5.5.3 Empirické posouzení přesnosti...24 5.6 Vyhodnocení Microstation...24 5.6.1 Vektorová kresba...25 5.6.2 Plochování...25 5.6.3 Vizualizace...26 6. Závěr...28 7. Seznam literatury a ostatních zdrojů...29 8. Seznam obrázků a tabulek...30 8.1 Seznam obrázků...30 8.2 Seznam tabulek...30 9. Přílohy...31-7-
1. Úvod Tvorba digitálních modelů objektů začíná nabývat na významu, hlavně kvůli lidské tendenci zachovávat historické památky budoucím generacím. V tomto procesu se digitální modely uplatňují zejména pro zachycení stávajícího stavu objektů, sledování jejich rekonstrukce nebo tvorbou modelů již zaniklých památek. Díky rozvoji laserového skenování se stalo pořízení prostorových dat časově nenáročným a tak se může jejich sběr provádět prakticky bez omezení provozu kolem zájmového objektu. To bývá obrovskou výhodou zejména v historických centrech měst a na frekventovaných památkách. Díky rychlosti, ale hlavně přesnosti se začíná prosazovat i na poli novostaveb. Většinou jde o náročnější komplexy a kontrolu přesnosti jejich výstavby. Tato práce se zabývá tvorbou prostorového modelu historické fasády Arcibiskupského semináře z roku 1928. Při tvorbě modelu bylo užito metody, která využívá data ze skenování jako podklad pro následné snímání rohových bodů drátového modelu. Dále byla zkoumána přesnost takto získaných dat a na jejich základě v 3D CAD prostředí vyhotoven prostorový model. 2. Současný stav 2.1 Použitelné technologie 2.1.1 Fotogrammetrie [1] Pozemní fotogrammetrie začíná opět nabývat na významu. Hlavně díky rozvoji digitálních komor, které začínají dosahovat přesnosti komor klasických. Navíc mají řadu výhod (rychlost a přenos snímků přímo do počítače). Jednosnímková fotogrammetrie Jednoduchá metoda vhodná pro tvorbu fotoplánů nepříliš hloubkově členitých objektů. Pro tvorbu prostorového modelu nelze využít. -8-
Průseková fotogrammetrie Klasická metoda je založena na protínání vpřed z úhlů, aplikovaném na měřické snímky. K určení polohy bodu v prostoru je třeba znát souřadnice stanovisek a vodorovné a svislé úhly os záběru. U moderní metody odpadá měření na stanovisku. Geodeticky je nutné zaměřit jen dostatečný počet vlícovacích bodů na objektu (k zadání rozměru modelu). Dnes se již používají většinou digitální komory. Zde je dána poloha bodu polohou pixelu. Za pomoci vhodného softwaru je poté možno určit prostorové souřadnice kteréhokoli bodu a zhotovit drátový model objektu. 2.1.2 Totální stanice Za pomoci totální stanice je možné získat data pro vyhotovení drátového modelu objektu. Za tímto účelem jsou měřeny směry a délky na rohové body. Prakticky výhradně jsou používány přístroje užívající při měření délek pasivního odrazu paprsku. Před měřením je nutné zhotovení náčrtu. Zpracování probíhá v libovolném 3D CAD systému, kde jsou podle náčrtu spojeny jednotlivé body. Pří snímání bodů je třeba dbát na vlastnosti přístroje (zejména laseru a šířky jeho stopy). Přesnost této metody klesá s členitostí objektu. 2.1.3 Laserové skenování Laserové skenování patří k nejmodernějším metodám pro pořizování prostorových dat. Poskytuje data ve vysoké hustotě a přesnosti. Jedná se v současnosti o bezkonkurenčně nejefektivnější metodu, jak pořizovat prostorová data. Vlastní měření přitom probíhá velice rychle. Díky vysoké rychlosti měření a vysoké hustotě měřených bodů, lze v krátké době získat podrobný 3D model. -9-
2.2 Technologie laserového skenování 2.2.1 Princip laserového skenování Laserové skenování je neselektivní metodou určování prostorových dat. Provádí se pomocí skeneru řízeného počítačem. Výsledkem je tzv. mračno bodů. Hlavní charakteristiky neselektivní určování prostorových souřadnic, několika milionová mračna bodů, vysoká rychlost měření, až deseti tisíce bodů za sekundu. 2.2.2 Terestrické skenery [2] Skenery základnové Tyto skenery využívají metody protínání vpřed z úhlů. Jsou určeny pro skenování menších objektů s vysokou přesností. Dosah je závislý na délce základny. Dělí se na jednokamerové a dvoukamerové. Základnové skenery jsou využívány například pro tvorbu modelů soch, zkamenělin, ale jsou využívány i v lékařství. K dosažení nejvyšší přesnosti se většinou pracuje v laboratorních podmínkách. Nejznámější typy: S10 (SOISIC 10) S25 (SOISIC 25) Atos III Obr. 1 Dvoukamerový skener Athos III - 10 -
Polární skenery Polární skenery jsou v principu totální stanice schopné zaměřit několik tisíc bodů za sekundu. Přístroj využívá pasivního odrazu paprsku laseru. Rychlosti se dosahuje pomocí rotujícího zrcátka nebo hranolu, které postupně vychyluje paprsek o zvolený úhel. Posun o horizontální úhel zajišťuje otáčení přístroje kolem svislé osy. Tyto skenery se používají až do několika set metrové vzdálenosti a jsou vhodné pro skenování interiérů, fasád, důlních děl, nebo například sledování průběhu výstavby. Nejznámější typy: HDS 3000 - Leica LMS - Z420i - Riegl GX 3D - Trimble Obr. 2 Skener HDS 6000 2.2.3 Sběr dat Vlastní skenování probíhá ve většině případů určením zájmové oblasti a parametrů výsledného mračna a započetí sběru dat. Data se přenáší do ovládacího počítače. Obvykle se měření provádí na několika stanoviscích, v takovém případě je vhodné cílový objekt opatřit identickými body. Ty jsou většinou dodávány výrobcem skeneru a pro každý skener bývají jiné. Užití identických bodů se dá vyhnout naskenováním dostatečných zón překrytu. Spojování mračen pak probíhá natransformováním na základě schodnosti v těchto zónách. - 11 -
2.2.4 Způsoby vyhodnocení [2] Vyhodnocení lze provádět ve velkém množství různorodých programů. Různými metodami. Před vlastním vyhodnocením se mračna zpravidla ještě upravují a spojují do jednoho mračna. To se následně znovu upravuje (ořez, obarvení skutečnými barvami). Dále již nastává vlastní proces vyhodnocení. Modelování Nejpřesnější a zároveň časově nejnáročnější metodou je prokládání rovin nebo těles vybranou částí mračna. Modelování je možné provádět např. v softwaru Cyclone. Digitální model povrchu Model je tvořen trojúhelníkovou sítí. Před vytvořením trojúhelníkové sítě se zpravidla provádí následující procedury. Odstranění šumu a redukce přebytečných bodů. Odstraněním šumu se vyrovnají sousední body o vzájemné odchylky a redukce spočívá v odstranění bodů velkých ploch, kde pro jejich definování postačuje nepatrný zlomek bodů. Tyto funkce poskytuje například software Geomagic. Drátový model Drátový model se skládá z hran objektu znázorněných vektorovou kresbou. Lze jej vytvořit jak přímo z mračna bodu, tak z trojúhelníkové sítě. Drátový model lze také vyhotovit po převedení mračna do libovolného CAD softwaru. Většina těchto softwarů však není uzpůsobena pro práci s tak rozsáhlými daty, jaká se vyskytují v laserovém skenování. Navíc je komplikovaná prostorová orientace v mračnu bodů zobrazeném v ploše. Proto začínají vznikat softwary, kde jsou hrany tvořeny přímo operátorem a nějaké formě 3D prostředí. Jedním z těchto programů je PhoTopoL LaserScan. - 12 -
2.2.5 Použitelný software Zpracování může probíhat například v těchto programech: Cyclone, 3D ipsos, Geomagic. 2.2.6 Přesnost laserového skenování Přesnost skenerů závisí zpravidla na jeho dosahu. Většinou platí, že čím větší dosah, tím menší přesnost. U nejčastěji využívaných polárních skenerů se přesnost pohybuje od 2 do 10 mm. Naproti tomu některé základnové skenery dosahují přesnosti až setin milimetru. 3. Použité přístroje a software Pro měření byl využit skenovací systém HDS 3000 firmy Leica. Vyhodnocení bylo provedeno v softwarech PhoTopoL LaserScan a Microstation. 3.1 Systém HDS 3000 [4,5] 3-D laserové skenování je založené na principu měření tranzitního času průchodu laserového paprsku od přístroje k objektu a zpět. Zásadní rozdíl od klasických laserových dálkoměrů je v množství změřených bodů v relativně krátkém okamžiku. Laserový skener proměří v určitém zorném poli tzv. mračno bodů. Je to v podstatě mřížka bodů, která má pravidelné rozestupy. U každého bodu mračna jsou známé směry a vzdálenost od přístroje, takže známe i prostorovou polohu. Software, kterým je skener řízen, má i speciální modelovací funkce, specializované právě na zpracování mračna bodů. Výsledkem může být vektorový 3-D CAD model, digitální model objektu ve formě trojúhelníkové sítě, řezy, vrstevnice nebo jen vlastní mračno bodů. - 13 -
3.1.1 Přístroj Leica HDS 3000 Leica HDS 3000 (Obr.3), 3D laserový skener, je vlajkovou lodí HDS rodiny produktů firmy Leica. Sběr dat vysokého rozlišení (= HDS = High Definition Surveying) se stává efektivnější a rychlejší pro širší pole měřických a inženýrských projektů. HDS3000 má mnoho parametrů které vystupují v popředí mezi jinými přístroji této třídy: Maximální zorné pole 360 (Hz) x 270 (V) Unikátní design dvojitého okna Obr. 3 Leica HDS 3000 Plně nastavitelné zorné pole a hustotu skenování Integrovaná digitální kamera pro automatické pokrytí mračna pravými barvami Velikost laserové stopy <6mm na 50m, ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ Prostorová přesnost <6mm na 50m (60 µrad = 20cc), ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ Rychle vyměnitelný zdroj Tlačítko QuickScanTM Měření je založeno na principu prostorové polární metody, délky jsou měřeny výkonným laserovým dálkoměrem, schopným změřit až několik tisíc délek za sekundu. Maximální počet bodů získaný z jednoho skenu je dán součinem 20 000 x 5 000. Mod QuickScan dovoluje uživateli rychle a snadno definovat rozsah scény pro naskenování jednoduchým stiskem tlačítka na přístroji. Směry na měřené body jsou odvozeny z polohy odrazných zrcadel navádějící laserový paprsek. Prvotním výsledkem měření je mračno bodů definovaných prostorovými souřadnicemi v datovém systému měřícího přístroje. Při měření je skener ovládán softwarem Cyclone. 3.1.2 Cyclone Cyclone má unikátní klient/server databázovou architekturu, která poskytuje nejvyšší výkon pro skenovací projekty. Cyclone dovoluje uživateli snadno zpracovávat data v databázích. - 14 -
Moduly Cyclone pro flexibilní konfiguraci Cyclone-SCAN Cyclone-SCAN je softwarový interface pro řízení 3D laserového skeneru HDS 3000. Cyclone-REGISTER Cyclone-REGISTER obsahuje nástroje pro orientaci mračen bodů pořízených z různých stanovisek. Cyclone-MODEL Tento modul umožňuje editaci, prokládání tělesy a další pokročilé modelovací funkce. 3.2 Použitý software Pro vyhodnocení bylo využito těchto softwarů. 3.2.1 Geomagic Tento software se používá k modelování nepravidelných ploch. Využívá k tomu metod trojúhelníkových sítí. Obsahuje značné množství nástrojů na úpravu mračen bodů. 3.2.2 PhoTopoL [6] PhoTopoL je výkonný systém, který slouží pro zpracování leteckých a pozemních fotografických snímků pořízených měřickými komorami. Obsahuje ortofoto překreslení pro odstranění geometrického zkreslení způsobeného převýšením terénu a centrální projekcí snímků. Dále obsahuje automatickou tvorbu Digitálního modelu terénu (DMT), založenou na korelaci mezi snímky stereo dvojice. Varianta PhoTopoL - Stereo, pak umožňuje editaci v stereo módu. Kromě toho je v systému PhoTopoL obsažen systém TopoL, varianta DMT. - 15 -
3.2.2.1 PhoTopoL LaserScan Je nástavba programu PhoTopoL umožňující načíst do sterea data z laser skeningu. Využívá se ke snímání bodů a doplňování hran. V dialogu TopoL 3D View si lze interaktivně nastavit pohled na data. Po potvrzení se data zobrazí ve stereo módu. Vidíme je tedy doopravdy prostorově a můžeme jednoduchým způsobem doplňovat hrany, případně je editovat. Obrovskou výhodou tohoto programu je možnost sejmout bod i z míst v prostoru mezi jednotlivými body mračna. Tímto způsobem se daleko přesněji určí poloha hran a rohů. U klasického způsobu je totiž rohu přiřazen nejbližší bod mračna a chyba je tedy dána hustotou mračna. Proto není potřeba pro vyhodnocení v PhoTopoLu tak detailního mračna. Na obrázku 4 je videt velká výhoda definování hran ve 3D. Obr. 4 Rozdíl mezi definováním hran v PhotopoLu a klasickým řešením 3.2.2.2 PhoTopoL Stereo Nejvyšší varianta PhoTopoLu nabízí možnost stereo editace. Tento systém je dvouobrazovkový - na jedné obrazovce je možno pracovat v TopoLu a na druhé je možno editovat při stereovjemu a registrovat tak všechny tři souřadnice (X, Y, Z). Na podkladu stereopáru je možno zobrazit vektorová data, která jsou editovatelná. Tato varianta PhoTopoLu vyžaduje speciální hardwarové komponenty - druhou grafickou kartu nebo kartu s výstupy pro dva monitory a stereo brýle StereoGraphics Crystal Eyes. 3.2.3 Microstation Profesionální CAD systém firmy Bentley. Využitelný pro širokou škálu aplikací. Umožňuje práci jak ve 2D, tak ve 3D, tvorbu vektorové kresby, objektů a modelů. K tomu mu napomáhaji funkce jako: AccuDraw, pružný nájezd, smartline, člění elementů do vrstev, referencní výkres. - 16 -
4. Měření Měření bylo prováděno dne 20.4.2007 v okolí Arcibiskupského semináře. Byla provedena krátká obhlídka terénu a pořízeno několik fotek objektu. Poloha komory byla volena přibližně v místě stanoviska skeneru. 4.1 Náčrt a volba stanovisek Stanoviska byla volena v přibližně stejné vzdálenosti od objektu tak, aby byla co největší zóna překrytu a byly vidět všechny identické body. Poloha stanovisek vůči objektu je znázorněna v obr. X. Obr. 5 Identické body a stanoviska 4.2 Volba identických bodů Kvůli neumožněnému přístupu do budovy byly vlícovací body voleny pouze do výšky, kde mohly být umístěny ze země. Všechny body se tedy nacházely téměř v přímce, což není pro - 17 -
následné spojení vůbec ideální. Tento problém byl částečně odstraněn použitím dalších bodů na lampách veřejného osvětlení, čímž bylo docíleno alespoň částečného prostorového zastoupení. Na signalizaci vlícovacích bodů byly použity magnetické štítky a terče Leica (obr 6 a 8). Rozmístění bodů je znázorněno na obr. 5. Obr. 6 Nalepovací terč Obr. 7 Zobrazení identického bodu v Cyclone Obr. 8 Magnetický terč 4.3 Nastavení a průběh skenování Po horizontaci přístroje a inicializaci celého systému následovalo vlastní nastavení oblasti a parametrů skenu. To se provádí v interfacu programu Cyclone zvaném Cyclon-SCAN. Za pomoci tlačítka QuickScanTM na zadní straně stroje se vybrala zájmová oblast fasády. Po potvrzení této oblasti bylo provedeno její nasnímání vestavěnou digitální kamerou. Snímek byl zobrazen v ovládacím prostředí na řídícím počítači, kde byla zájmová oblast přesněji určena na zobrazené sféře. Dále byly stanoveny parametry základního nastavení skeneru (obr. X). A to průměrná vzdálenost cíle a horizontální a vertikální vzdálenost bodů. Průměrná vzdálenost byla určena přibližně na 50 metrů a vzdálenost bodů v obou směrech na 0,005 metru. Tímto nastavením se určilo rozlišení výstupního mračna. Následovalo vlastní skenovaní. - 18 -
Obr. 9 Nastavení parametrů skenování Po zhruba 40ti minutách byla vybraná oblast naskenovaná a mohla proběhnout identifikace vlícovacích bodu. Tady je chytře využito vyšší odrazivosti štítků. Je nabízeno několik poloh potencionálních vlícovacích bodů, ze kterých jsou vybrány a očíslovány body námi stabilizované. Po dokončení identifikace vlícovacích bodů skener provedl nové a přesnejší skenování těchto bodů. Tím se několikanásobně přesněji určí jejich poloha (obr. X). Tím byla ukončena práce na prvním stanovisku a skener přemístěn na stanovisko následující. Zde byl postup opakován. Bylo pouze důležité dbát na stejné pořadí číslování vlícovacích bodů. Měření probíhalo v době od 9:20 do 15:40 hodin a proběhlo bez větších problémů, pouze byla patrná značná energetická spotřeba celého systému. 5. Zpracování dat Zpracování je nejsložitější a časově nejnáročnější část celého procesu. Obvykle se čas zpracování dat pohybuje okolo stonásobku času měření v terénu. - 19 -
5.1 Registrace dat Registrace dat probíhala v programu Cyclone. Úkolem bylo spojit jednotlivá mračna ze všech stanovisek do jednoho. Toto bylo prováděno v prostředí Cyclone-Register. Po načtení dat bylo možné pokračovat ve výběru identických bodů vhodných pro transformaci. To probíhá na základě nejmenších odchylek a body se vybírají pro dvě sousedící stanoviska. Nikoli pro všechna najednou. Nejlepších výsledků mezi stanovisky 1 a 2 bylo dosaženo kombinací bodů 24, 5, 4, 23. Mezi stanovisky 1 a 3 bodů 24, 22, 23 a mezi stanovisky 2 a 3 bodů 10, 24, 9, 23. Protokol o průběhu transformace je přiložen v příloze. Některé vlícovací body byli nepoužitelné kvůli nepochopitelnému natočení jejich mračen bodů. Po potvrzení transformačního klíče je provedena transformace a vytvořen soubor se spojenými mračny. Registrace byla provedena za méně než hodinu. 5.2 Čištění dat Výsledné mračno obsahuje značné množství nezájmových prvků, jako částí vnitřních prostor budovy, vegetaci a zaparkovaná auta, které jsou při vyhodnocení nežádoucí. Proto je mračno potřeba ořezat. To bylo provedeno rovněž v programu Cyclone, a to v modulu Cyclone-MODEL. Ořez byl proveden označením nechtěných bodů ohradou a vymazáním. Na obrázcích 10 a 11 je znázorněn stav před a po oříznutí. Obr. 11 Mračno po čištění Obr.10 Mračno před čištěním - 20 -
5.3 Obarvení skutečnými barvami Pro lepší věrnost celého mračna byly jednotlivé body obarveny skutečnými barvami natransformováním snímků. K tomu bylo využito snímků vyhotovených v terénu digitální komorou Canon EOS 350D DIGITAL. A ty byly v prostředí Cyclone-REGISTER natransformovány na mračno bodů. Každý snímek byl použit jen na část mračna, proto bylo třeba transformaci provádět několikrát. K tomu bylo využito identických bodů dobře identifikovatelných jak v mračnu, tak na snímku. Pro každý snímek bylo vybráno minimálně 11 bodů a provedena projektivní transformace. Na obrázku X je zachycen průběh pransformace. Celý proces včetně čištění trval zhruba 4 hodiny. Obr. 12 Průběh transformace fotek 5.4 Úprava vstupních dat Výstupní soubor z programu Cyclone má velikost 681 MB a obsahuje několik desítek milionů bodů. Proto byly provedeny následující úpravy tohoto souboru. Tyto operece nejsou nikterak časově náročné a zaberou meně než hodinu. - 21 -
5.4.1 Ůprava výstupního formátu a redukce počtu bodů Data vyexportovaná ze softwaru Cyclone nelze přímo načíst do softwaru PhoTopoL LaserScan. Pro překonání rozdílů v textových formátech byl Ing. Koskou vytvořen jednoduchý program v C++, který umožnil provést požadované úpravy na velkých souborech (cca 600MB). Redukce souboru obsahujícího mračno bodů byla prováděna kvůli urychlení chodu programu PhoTopoL. Opět za pomoci programů napsaných v C++ bylo vyhotoveno několik variant souboru. A to mračen s třetinovou a šestinovou hustotou bodů. 5.4.2 Odstranění šumu Pro zajímavost byla část kompletního mračna upravena v programu Geomagic. Odstraní se tak šum vzniklí při měření. Tato úprava je nejvíce patrná na větších plochách, kde se body vyrovnají téměř do roviny. V programu byla vybrána část mračna a zvolena úroveň vyrovnání bodů na 50%. 5.5 Snímání bodů Snímání bodů probíhalo v programu PhoTopoL. Díky nadstavbě LaserScan lze v tomto programu vyhodnocovat data s laser skeningu. 5.5.1 TopoL 3D View Je modul pro interaktivní nastavení pohledu do PhoTopoLu Stereo. Data lze načíst v redukovaném počtu bodů. Pro volbu pohledu stačí i u rozsáhlého mračna jen několik set tisíc bodů. Po načtení dat bylo přistoupeno k vhodnému natočení objektu a pohledu za pomocí příslušných funkcí (Obr. X). Dále byla použita funkce ořezových rovin, sloužící k oříznutí mračna pro snadnější práci v Stereo modu. Touto funkcí bylo vybráno vždy jen několik prvků fasády (Obr. X). Následovalo potvrzení vybraných nastavení a přechod do Stereo modu programu PhoTopoL. - 22 -
Obr. 13 Zobrazení mračná v Topol 3D View 5.5.2 Vlastní snímání PhoTopoL V Topolu byl založen nový aktivní blok a bylo přistoupeno k vlastnímu snímání. Sběr dat probíhal ve formě bodů. Zde je možné volit barvu a tvar bodu. Toho bylo využito pro lepší přehlednost v následujícím CAD zpracování. Po přechodu do Stereo módu již mohly být vybírány jednotlivé body. To se provádí pomocí kurzoru myši signalizovaném křížkem. Pohybem myši určujeme souřadnice X a Y, kolečkem pak souřadnici Z. Pro sběr bodů bylo testováno několik mračen s rozdílnou hustotou bodů a jedno s odstraněným šumem. Pro vyhodnocovanou fasádu bylo vhodnější podrobnější mračno. Hlavně kvůli značné detailnosti prvků jako římsy a ozdobné rámování oken. Subjektivně bylo nejlepších výsledků dosaženo na mračnu upraveném v softwaru Geomagic. Mračno bylo o poznání hladší a hrany jasně patrné i při bližším přiblížení. Na takto neupravených mračnech se totiž při velkém přiblížení ztrácel prostorový vjem. Výběr probíhal intuitivně, bylo jen třeba si zvyknout na občasné pomalejší reakce softwaru. - 23 -
Díky zanedbání snímání opakujících se prvků byla práce značně urychlena. Snímání trvalo méně než 20 hodin. Značnou dobu však trvalo seznámení se softwarem, proto byla doba odhadnuta na dvojnásobnou hodnotu. Export nasnímaných bodů byl proveden do formátu dxf zpracovatelným v Microstationu. 5.5.3 Empirické posouzení přesnosti Přesnost byla posuzována na základě výběrové směrodatné odchylky v jednotlivých souřadnicích. Pro tento účel bylo vytvořeno mračno bodů natočené do souřadného systému tak, aby odchylky určení souřadnic bodu byly v této soustavě. Výběr bodu probíhal desetkrát ze dvou různých pohledů. Bylo dbáno na to, aby byl výběr prováděn ve stejném měřítku jako výběr bodů pro tvorbu modelu. Nasnímané hodnoty a vypočtené odchylky jsou zaznamenány v tabulce (tab. 1). [m] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 průměr X 22,4543 22,4745 22,4620 22,4611 22,4646 22,4691 22,4682 22,4710 22,4571 22,4652 22,4647 Y -6,7139-6,7162-6,7134-6,7130-6,7179-6,7205-6,7190-6,7204-6,7130-6,7197-6,7167 Z 7,8550 7,8541 7,8555 7,8553 7,8552 7,8543 7,8554 7,8555 7,8557 7,8559 7,8552 dx -0,0104 0,0098-0,0027-0,0036-0,0001 0,0044 0,0035 0,0063-0,0076 0,0005 0,0021 dy dz 0,0028-0,0002 0,0005-0,0011 0,0033 0,0003 0,0037 0,0001-0,0012 0,0000-0,0038-0,0009-0,0023 0,0002-0,0037 0,0003 0,0037 0,0005-0,0030 0,0007 0,0011 0,0002 odchylky Tab. 1 Výběrové směrodatné odchylky 5.6 Vyhodnocení Microstation V softwaru Microstation V8 byl otevřen exportovaný soubor z PhoTopoLu a uložen do formátu dgn. Soubor obsahoval několik stovek bodů ve 3D obecně orientovanýchy, proto muselo být provedeno natožení celku do souřadnicového systému. To bylo provedeno vložením osy rovnoběžné s osou x do jedné z říms objektu, rovnoběžku s osou z do svislích prvků a doplněním osy y na pravotočivou soustavu. - 24 -
5.6.1 Vektorová kresba Pospojováním bodů stejné barvy vznikly již části drátového modelu. Body jedné plochy se však nenacházeli v ploše. Celý model byl značně kostrbatý. Proto byl tento model použit jako podklad pro model nový, přesně orientovaný do osové soustavy výkresu (Obr. 14). U prvků které se opakovaly (okna, zdobení římsy) byly modely na sebe natransformovány a použity jako podklad. Vybráním průměrné hodnoty na podkladovém modelu vznikal model nový. Jeho osová orientace byla zajištěna zamknutím jedné ze souřadnic a prací pouze v ploše. Opakující se prvky byly vyhotoveny pouze jednou a nakopírovány. Jejich správná poloha byla zajištěna jedním rohovým bodem určeným při snímání. Prvky, které nebyly při snímání jasně zřetelné, byly zkonstruovány na základě fotek a znalostí objektu. Z počátku byla znát neznalost práce ve 3D prostředí a některé části tak musely být kompletně přepracovány. Proto byla tato část jednoznačně časově nejnáročnější. Objektivně byla doba na zhotovení tohoto modelu kolem 60ti hodin. Skutečná doba zpracování však značně přesáhla 100 hodin. Obr. 14 Průběh tvorby drátového modelu 5.6.2 Plochování Na zaplochování byla použita funkce vytvoření aktivního řetězce. Vše bylo tvořeno ručně postupným výběrem elementů řetězce. Toto trvalo u některých ploch i několik desítek minut. Jediné zobrazení, kde se plochování dalo rozumě provádět bylo zobrazení izometrické. Protože je model dost podrobný, orientace a vyběr elementů byl značně náročný. Po změně režimu pohledu například na Phongovo zobrazení bylo možné rozpoznat části již zaplochované od zbývajících. Po uzavření všech řetězců byl model kompletní. Celý tento proces trval přibližně 16 hodin. - 25 -
5.6.3 Vizualizace Díky pokročilým animačním funkcím softwaru Microstation je možné vytvořit fotorealistický model. Pomocí vhodného zvolení stanoviska kamery a osvětlení lze docílit věrného obrazu cíle. Jednotlivým prvkům modelu lze navíc přidělovat vlastnosti libovolných materiálů. Ukázky renderingu jsou uvedeny níže. V příloze je navíc přiložen vyrenderovaný model ve vysokém rozlišení a kombinace modelu se snímkem. Oba tyto modely byly pomocí nástroje Photomatch natransformovány na snímek vytvořený na druhém stanovisku. Na spojení snímku a modelu je patrné, že navázání není dokonalé. To je zapříčiněno distorzí objektivu (kamera nebyla kalibrována), idealizací objektu při modelování a nedokonalostí nástroje Photomatch. Obr. 15 Detail - drátový model 1 Obr. 16 Detail rendering 1 Obr. 18 Detail - rendering 2 Obr. 17 Detail - drátový model 2-26 -
Obr. 19 Pohled nadefinované kamery na drátový model Obr. 20 Pohled nadefinované kamery na vyrenderovaný model s nastavenými vlastnostmi materiálů - 27 -
6. Závěr V uvedené práci je prezentován jeden z moderních postupů vyhotovení prostorového modelu fasády. V první kapitole jsou nejprve popsány technologie vhodné pro tvorbu modelu fasády. V další části je přiblížen princip laserového skenování a uvedeny některé přístroje, softwary a postupy. V následující kapitole je uvedena krátká charakteristika skenovacího systému HDS 3000 se zvláštním zaměřením na přístroj a ovládací software. Ve třetí kapitole je popsán postup měření v terénu a rozčleněn do částí týkajících se volby stanovisek, volby identických bodů a vlastního průběhu skenování. Hlavní kapitola se zabývá zpracováním výstupních dat ze skenování. První část této kapitoly je věnována registraci tj. spojování mračen bodů z jednotlivých stanovisek. V následujících dvou částech je popsán postup obarvení mračna bodů reálnými barvami a jeho následné očištění. Oba uvedené kroky slouží k zpřehlednění výsledného mračna bodů. Ve čtvrté části jsou uvedeny dva postupy pro zpřesnění a zrychlení procesu vyhodnocení. Jedná se o redukci počtu bodů a redukci šumu v mračnu. Další část se zabývá procesem sběru bodových dat v softwaru PhoTopoL LaseScan, kde je i proveden i empirický rozbor přesnosti snímání bodů. Ten je reprezentován výběrovou směrodatnou odchylkou v jednotlivých souřadnicích. Poslední šestá kapitola obsahuje postup tvorby výsledného drátového modelu a závěrečného modelování fasády. Zde je také uvedeno několik obrázků výsledného modelu. Výsledkem výše uvedeného postupu je prostorový vodotěsný model části fasády Arcibiskupského semináře. Model je uveden v příloze jak v tištěné, tak digitální formě. Celá práce je v digitální formě na přiloženém DVD. - 28 -
7. Seznam literatury a ostatních zdrojů [1] PAVELKA Karel:Fotogrammetrie 20, FSv ČVUT, Praha, 2004 [2] ŠTRONER Martin: Laserové skenování, FSv ČVUT, Praha [3] KOSKA Bronislav, KŘEMEN Tomáš, POSPÍŠIL Jiří:Srovnání možností zaměření a vyhodnocení historické fasády, FSv ČVUT, Praha, 2006 [4] Webová stránka společnosti Leica [on-line] [cit. 2007-07-08] Dostupná na http://www.leica-geosystems.com [5] Webová stránka společnosti Gefos [on-line] [cit. 2007-07-08] Dostupná na http://www.gefos.cz [6] Webová stránka společnosti Topol Software [on-line] [cit. 2007-07-12] Dostupná na http://www.topol.cz [7] SÝKORA Petr: Microstation podrobná příručka, Computer Press, Praha, 2001-29 -
8. Seznam obrázků a tabulek 8.1 Seznam obrázků Obr. 1 Dvoukamerový skener Athos III...10 Obr. 2 Skener HDS 6000...11 Obr. 3 Leica HDS 3000...13 Obr. 4 Rozdíl mezi definováním hran v PhotopoLu a klasickým řešením...15 Obr. 5 Identické body a stanoviska...17 Obr. 6 Nalepovací terč...17 Obr. 7 Zobrazení identického bodu v Cyclone...17 Obr. 8 Magnetický terč...17 Obr. 9 Nastavení parametrů skenování...18 Obr. 10 Mračno před čištěním...20 Obr. 11 Mračno po čištění...20 Obr. 12 Průběh transformace fotek...21 Obr. 13 Zobrazení mračná v Topol 3D View...23 Obr. 14 Průběh tvorby drátového modelu...25 Obr. 15 Detail - drátový model 1...26 Obr. 16 Detail rendering 1...26 Obr. 17 Detail drátový model 2...26 Obr. 18 Detail rendering 2...26 Obr. 19 Pohled nadefinované kamery na drátový model...27 Obr. 20 Pohled nadefinované kamery na vyrenderovaný model s nastavenými vlastnostmi materiálů...27 8.2 Seznam tabulek Tab. 1 Výběrové odchylky...24-30 -
9. Přílohy Příloha č.1: Snímky pořízené v terénu Příloha č.2: Transformační protokol z průběhu transformace snímků na mračno bodů Příloha č.3: Vyrenderovaný model ve vysokém rozlišení Příloha č.4: Kombinace modelu a snímku ve vysokém rozlišení - 31 -
Příloha č.1: Snímky pořízené v terénu - 32 -
- 33 -
Příloha č.2: Transformační protokol z průběhu transformace snímků na mračno bodů Status: VALID Registration Mean Absolute Error: for Enabled Constraints = 0.0018 m for Disabled Constraints = 0.1831 m Date: 2007.04.25 16:56:48 Database name : seminar ScanWorlds ScanWorld 1 ScanWorld 2 ScanWorld 3 Constraints Name Vert ScanWorld ScanWorld Type On/Off Weight Error Error Vector Horz TargetID: 24 ScanWorld 1 ScanWorld 2 Coincident: Vertex-Vertex On 0.0003) m 0.0007 m 0.0003 m 1.0000 0.0008 m (-0.0003, 0.0007, TargetID: 5 ScanWorld 1 ScanWorld 2 Coincident: Vertex-Vertex On -0.0007) m 0.0022 m -0.0007 m 1.0000 0.0024 m ( 0.0007, 0.0021, TargetID: 4 ScanWorld 1 ScanWorld 2 Coincident: Vertex-Vertex On 0.0008) m 0.0031 m 0.0008 m 1.0000 0.0032 m ( 0.0013, 0.0028, TargetID: 1 ScanWorld 1 ScanWorld 2 Coincident: Vertex-Vertex Off 1.0000 0.0332 m (-0.0146, -0.0298, 0.0004) m 0.0332 m 0.0004 m TargetID: 2 ScanWorld 1 ScanWorld 2 Coincident: Vertex-Vertex Off 1.0000 0.0255 m ( 0.0120, 0.0187, -0.0126) m 0.0222 m -0.0126 m TargetID: 23 ScanWorld 1 ScanWorld 2 Coincident: Vertex-Vertex On -0.0024, -0.0005) m 0.0024 m -0.0005 m 1.0000 0.0025 m (-0.0003, TargetID: 24 ScanWorld 1 ScanWorld 3 Coincident: Vertex-Vertex On -0.0001, 0.0007) m 0.0006 m 0.0007 m 1.0000 0.0010 m (-0.0006, TargetID: 2 ScanWorld 1 ScanWorld 3 Coincident: Vertex-Vertex Off 1.0000 0.0508 m ( 0.0237, 0.0402, 0.0200) m 0.0467 m 0.0200 m TargetID: 21 ScanWorld 1 ScanWorld 3 Coincident: Vertex-Vertex Off 1.0000 0.6874 m ( 0.1015, -0.2011, -0.6494) m 0.2253 m -0.6494 m TargetID: 22 ScanWorld 1 ScanWorld 3 Coincident: Vertex-Vertex On 1.0000 0.0028 m (-0.0012, -0.0024, 0.0006) m 0.0027 m 0.0006 m TargetID: 23 ScanWorld 1 ScanWorld 3 Coincident: Vertex-Vertex On -0.0012) m 0.0009 m -0.0012 m 1.0000 0.0015 m ( 0.0005, -0.0007, TargetID: 2 ScanWorld 2 ScanWorld 3 Coincident: Vertex-Vertex Off 1.0000 0.0407 m ( 0.0117, 0.0215, 0.0325) m 0.0245 m 0.0325 m - 34 -
TargetID: 10 ScanWorld 2 ScanWorld 3 Coincident: Vertex-Vertex On -0.0009) m 0.0017 m -0.0009 m 1.0000 0.0020 m ( 0.0010, 0.0014, TargetID: 24 ScanWorld 2 ScanWorld 3 Coincident: Vertex-Vertex On -0.0007, 0.0004) m 0.0008 m 0.0004 m 1.0000 0.0009 m (-0.0004, TargetID: 9 ScanWorld 2 ScanWorld 3 Coincident: Vertex-Vertex On 0.0011) m 0.0009 m 0.0011 m 1.0000 0.0014 m ( 0.0000, 0.0009, TargetID: 8 ScanWorld 2 ScanWorld 3 Coincident: Vertex-Vertex Off 1.0000 0.2608 m ( 0.0990, 0.1884, 0.1508) m 0.2128 m 0.1508 m TargetID: 23 ScanWorld 2 ScanWorld 3 Coincident: Vertex-Vertex On -0.0007) m 0.0018 m -0.0007 m ScanWorld Transformations ScanWorld 1 translation: (0.0000, 0.0000, 0.0000) m rotation: (0.0000, 1.0000, 0.0000):0.000 deg ScanWorld 2 translation: (12.3658, 26.7733, 0.8818) m rotation: (0.0026, -0.0006, 1.0000):8.004 deg ScanWorld 3 translation: (32.3994, 58.5204, 1.5111) m rotation: (-0.0003, -0.0004, 1.0000):134.408 deg Unused ControlSpace Objects ScanWorld 1: Vertex : TargetID : 6 Vertex : TargetID : 7 Vertex : TargetID : 3-35 - 1.0000 0.0020 m ( 0.0008, 0.0017,