Применение фотограмметрии в полигональном моделировании
Вагин Алексей Игоревич – магистр Московского авиационного института (национального исследовательского университета).
Хорошко Леонид Леонидович – кандидат технических наук, доцент Московского авиационного института (национального исследовательского университета).
Аннотация: Цель работы – рассмотреть возможность оцифровки объектов реального мира, для хранения в цифровом виде и использования при создании реалистичных визуализаций техническими средствами трехмерного моделирования.
В качестве инструмента для захвата изображения был выбран мобильный телефон с разрешением камеры в 13 Мп а также скульптура, как объект сканирования.
Приведены результаты восстановления трехмерной модели из 60 фотографий. Проведено сравнение трехмерной модели с оригиналом. Предложенный метод оцифровки объектов реального мира возможен как альтернатива стандартным видам трехмерного полигонального моделирования.
Ключевые слова: трехмерное моделирование, фотограмметрия, 3D.
Благодаря развитию технических средств обработки данных и цифровой фотографии процесс фотограмметрии становится все более доступен для всех слоёв населения. Под термином фотограмметрия понимается определение таких характеристик объектов как формы, размеры, положения относительно друг друга опираясь на их изображения. Фотограмметрия использует методы оптики и проективной геометрии, чтобы точно воссоздать каждую точку поверхности исследуемого объекта и воссоздать его трехмерную модель по двумерным изображениям.
Специальные программные средства обрабатывают набор фотоснимков одного и того же объекта, сделанных с разных ракурсов. При этом необходимо, чтобы на нескольких фотографиях присутствовали общие элементы снимаемого объекта, то есть каждый его участок должен быть запечатлен как минимум на трех фото. Результатом анализа снимков становится цифровая трехмерная полигональная модель и цветовая информация для каждой точки, на основе которой в последствии будет возможно запекание текстур приближенное к реальности.
В зависимости от требований к финальному результату, цифровая модель может потребовать дополнительных действий, таких как ретопология, создание физически корректных материалов поверхностей, создание UV-развертки и текстурирование. Под ретопологией понимается процесс упрощения полигональной сетки объекта, с сохранением исходных параметров модели. За счет уменьшения количества полигонов, сфера применения трехмерной модели увеличивается.
Описание процесса
При выборе объекта для фотограмметрии стоит учитывать такие параметры как: сложность форм объекта, поверхность объекта, освещенность объекта, требования к полученной модели, возможности аппаратуры для захвата изображений, условия местности для захвата изображений.
При захвате изображения стоит учитывать основные советы для получения лучшего результата, такие как:
- Использование максимально доступного разрешения средства захвата изображения;
- Каждая точка поверхности объекта должна быть чётко видна минимум на двух изображениях;
- Необходимо передвигаться вокруг объекта, дабы избежать некорректных данных для создания облака точек;
- Не изменять точку съемки больше, чем на 30 градусов;
- Переход на фокусировку деталей исходного объекта, должен быть плавным;
- Горизонтальное и вертикальное перемещение камеры улучшает калибровку аппаратуры для захвата изображения.
В качестве объекта сканирования была выбрана скульптура в местном парке. Данный объект был выбран как не самый простой и за счет сложности форм, материала поверхности.
Рисунок 1. Фотография исследуемого объекта.
Для получения минимального набора данных, было сделано 90 фотографий с фиксированным фокусным расстоянием, с ISO равным 400, с выдержкой 1/125 секунды, с фиксированным балансом белого. Общий размер фотографий составил 135 мегабайтов.
Дальнейшим шагом в сканировании является обработка полученных изображений через программные средства для формирования облака точек на основе полученных изображений. Данный этап был выполнен в программном комплексе AliceVision. Данный комплекс был выбран как зарекомендовавшее себя бесплатное решение способное выполнить поставленные задачи.
Рисунок 2. Необработанный результат трехмерного сканирования средствами AliceVision.
При получении базовой модели, были проведены работы по выравниванию полигональной сетки и настройка физически корректных материалов для получения максимально приближенного к реальности качества отсканированной модели.
Рисунок 3. Финальный результат.
Помимо всего прочего, фотограмметрия на основе фотографий позволяет получать текстурные карты, что облегчает процесс подготовки модели к финальной эксплуатации.
Выводы
Фотограмметрия как способ трехмерного сканирования объектов реального мира, является перспективной отраслью для автоматизации полигонального трехмерного моделирования и значительно упрощает технические процессы, связанные с созданием трехмерных моделей существующих объектов.
Данный способ сканирования накладывает ряд ограничений, связанных с возможностями программного обеспечения, корректно обрабатывать данные о объектах с прозрачной и с высоко отражающей поверхностью.
Так же данный способ не является идеальным, поскольку на выходе имеется трехмерная модель с большим количеством изъянов, ввиду невозможности корректно воссоздать поверхность объектов опираясь только на фотографии.
Список литературы
- Борисов Н.В., Лавров А.В., Мельников В.Л., Смолин А.А., Сопроненко Л.П., Захаркина В.В. Digital humanities как коммуникативное практико-ориентированное виртуальное пространство проектов цифрового культурного наследия // Информационные технологии в гуманитарных науках: сборник докладов Международной научно-практической конференции (Красноярск, 18-22сентября 2017г.) - 2018. - С. 103-110
- What is Photogrammetry? - URL: http://www.photogrammetry.com (дата обращения: 01.12.2020).
- Всё, что нужно знать о фотограмметрии // Хабр. - [Электронный ресурс]. URL: https://habr.com/ru/post/319464 (дата обращения 12.12.2020 г.).