ТРЕХМЕРНАЯ РЕКОНСТРУКЦИЯ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ ФОТОГРАММЕТРИИ

Большинство из нас не имеет доступа к высококачественным 3D-сканерам, которые могут реконструировать цифровую геометрию физической модели. Не говоря уже о том, что некоторые объекты могут быть слишком большими для любого традиционного 3D-сканера. Однако есть и другой, гораздо более дешевый способ создания 3D-моделей, соответствующих реальным объектам – это процесс создания высококачественных, многоразовых и готовых к использованию цифровых ресурсов на основе множества фотографий исходного реального объекта, процесс фотограмметрии. Такой метод позволяет сократить время на моделирование в трехмерных редакторах.

Фотограмметрия – это метод получения трехмерных геометрических измерений реальных объектов из стереоскопического наложения изображений. Технология фотограмметрии оценивает трехмерные координаты точек поверхности, используя снимки одного физического объекта, сделанные под разными углами и заключается в следующей последовательности действий:

1. Производится съемка объекта со всех возможных направлений. Полученные фотографии будут использоваться в качестве входных данных для специализированного программного обеспечения.

2. Используется программное обеспечение, которое анализируя фотографии, находит общие точки на снимках и определяет, с какой точки был он сделан. Зная положение и ориентацию камеры, программное обеспечение создает 3D-точку, соответствующую 2D-объекту на фотографии. В качестве выходных данных получается готовая 3D-сетка. Для получения лучших результатов можно обработать восстановленные в сетку точки вручную.

Можно воссоздать любые объекты, которые невозможно захватить с помощью традиционных инструментов 3D-сканирования. Это возможно если есть смартфон и ПК.

Программное обеспечение и технические характеристики ПК.

В процессе создания 3D-модели было проанализировано различное программное обеспечение этой области с целью выявления лучшего варианта для проекта.

3DF Zephyr. Данная программа оказалась малоэффективной. Модели получались размытые, а на ее сетке могли появляться острые выступы. Также данное ПО оказалось очень требовательно к компьютерным ресурсам, а именно к оперативной памяти.

RealityCapture. Во-первых, стоит отметить быстроту обработки фотографий в этой программе. Во-вторых, качественное наложение текстуры на готовую модель. Однако данная программа также использует большое количество оперативной памяти, в модели могут образовываться черные дыры, которые невозможно убрать, единственным выходом из данной ситуации является подготовка новых фотографий модели.

Autodesk Recap Photo. Данная программа показала себя с хорошей стороны. Модели получались качественными, текстуры накладывались в четком соответствие с моделью, также стоит отметить легкость импортирования готовой 3D модели во множество трехмерных редакторов. Единственным минусом данной программы является длительная обработка фото и построения облака точек, что сделало работу в этой программе максимально продолжительное в отличие от другого ПО.

Agisoft Photoscan. Программное обеспечение PhotoScan от Agisoft обеспечивает отличные результаты сканирования, предоставляет контроль над процессом генерирования сеток и имеет удобный интерфейс. В нем нет ограничений на количество изображений, но, чем больше фотографий используется, тем более мощный компьютер необходим для их обработки. При этом время обработки может быть достаточно большим [1].

Для выполнения проекта остановились на выборе программы Agisoft Photoscan.

Типичный процесс восстановления данных выглядит следующим образом: импорт изображений, работа с данными облака точек и, наконец, реконструкция сетки. Для достижения наилучших результатов, необходимо закрыть маской все второстепенные объекты на исходных фотографиях. Можно вообще обойтись без создания масок, но это усложнит процесс.

В процессе работы использовался ПК со следующими техническими характеристиками: ОС: Windows 7 64-bit, процессор: Intel Core i5-3570, видеокарта: NVIDIA GeForce GTX 750 Ti, ОЗУ: 8 GB.

Освещение. С точки зрения качества света для съемки лучше чтобы освещение было рассеянным, например, облачный или пасмурный день. Рассеянный свет сведет к минимуму резких теней, что позволит получить лучшую цветовую карту. В нашем проекте для съемки был выбран день с пасмурным небом.

Объекты окружения. В проекте были рассмотрены следующие объекты: природный объект, в частности, пень в лесу и человек.

Для пня потребовалось сделать серию фотографий вокруг него. Перемещаясь по стволу на 360 градусов, были сделаны снимки с равными интервалами. При этом обязательно должно быть достаточное перекрытие между каждой фотографией, так как именно это поможет алгоритмам обработки графических данных обеспечить лучший результат.

После загрузки всех полученных фотоматериалов в программу Agisoft Photoscan, был запущен процесс создания 3D-модели.

Рисунок 1. Процесс создания 3D-модели

Программа Agisoft Photoscan обрабатывает данные в течении 30-40 минут и результат моделирования получен.

Рисунок 2. Готовая 3D-модель

Модель человека. В случае с человеком качество модели полностью зависит от количества и ракурса фотографий. Фотографии делаются в несколько этапов. На первом этапе были сделаны стандартные снимки, перемещаясь на 360 градусов. Следующим этапом является лицо. К нему приковано особое внимание, снимки делаются, как для отдельной модели. Это позволяет наиболее точно изобразить самого человека. Далее следует отдать все внимание мелким деталям (шнурки, пуговицы и т.д.). И затем процесс построения 3D модели. Он занимает достаточно большое время. Только на одни фотографии может уйти час, а на сам процесс от 2-х до 4-х часов. Однако в результате можно получить отличную модель без каких-либо изъянов.

Рисунок 3. Модель человека

Как видно, данные, полученные с помощью смартфона, могут обеспечить хорошие результаты для фотограмметрии.

Вывод. Как и любой другой метод 3D-сканирования, готовая сетка не будет совершенной. В некоторых областях могут отсутствовать детали, плоские поверхности могут не получиться полностью плоскими, сетка может содержать отверстия, ребра без многообразия или другие ошибки. Однако эти проблемы можно исправить, а конечный результат будет стоить времени.

Список литературы:

1. Agisoft Photoscan Обзор [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://3dscanexpert.com/agisoft-photoscan-photogrammetry-3d-scanning-review/ (дата обращения: 27.10.18)