Trójwymiarowa wizualizacja i inwentaryzacja fotograficzna "Białego Pałacu"- wielokondygnacyjnego budynku w Piastowie przy ul.

Transkrypt

1 Trójwymiarowa wizualizacja i inwentaryzacja fotograficzna "Białego Pałacu"- wielokondygnacyjnego budynku w Piastowie przy ul. Godebskiego 3 Wykonana na podstawie umowy o dzieło nr 0131/283/2013 z dnia r zawartej pomiędzy Wydziałem Geodezji i Kartografii, Politechniki Warszawskiej, Warszawa, Pl. Politechniki 1, a Miastem Piastów z siedzibą w Piastowie ul. 11 Listopada2 Wykonawcy: Kierownik projektu : dr inż. Dorota Zawieska, Wykonawcy: inż. Anna Kamińska, inż. Natalia Kędzior, mgr inż. Jakub Markiewicz. Politechnika Warszawska, Wydział Geodezji i Kartografii, Zakład Fotogrametrii Teledetekcji i Systemów Informacji Przestrzennej Warszawa, 13 grudzień 2013 r. 1

2 Spis treści: 1. Wprowadzenie Etapy opracowania fotogrametrycznego modelu 3D Białego Pałacu Modelowanie 3D Załączniki:. 13 Załącznik A Zeskanowane mapy wektorowe Załącznik B Zeskanowane zdjęcie metryczne wykonane kamerą UMK Załącznik C Zeskanowane zdjęcia niemetryczne z 1987 r Załącznik D Zeskanowane zdjęcia archiwalne z lat 40-tych Załącznik E Płyta CD z opracowanymi modelami 3D 2

3 1. Wprowadzenie: Fotogrametria bliskiego zasięgu jest dziedziną wykorzystywaną na potrzeby modelowania i wizualizacji obiektów. Na szczególną uwagę zasługują metody fotogrametryczne wykorzystywane w inwentaryzacji budowli architektonicznych, również tych już nieistniejących. Rozwój technik komputerowych wraz z lepszą jakością pozyskiwanych danych powodują wzrost znaczenia zadań fotogrametrii. Fotogrametryczne stacje cyfrowe pozwalają wykonywać zadania inżynieryjne, możliwe jest również uzyskiwanie produktów półautomatycznie lub automatycznie. Duży wachlarz oprogramowań dostępnych na rynku pozwala na dostosowanie oferowanych możliwości do potrzeb poszczególnych opracowań. 2. Etapy pracy opracowania fotogrametrycznego modelu 3D Białego Pałacu 3

4 3. Modelowanie 3D Celem opracowania było uzyskanie trójwymiarowego modelu Białego Pałacu w Piastowie wraz z dwiema oficynami oraz wizualizacja otoczenia budynków. Zespół pałacowy pochodzi z początku XX w. Z uwagi na wysoki stopień zniszczenia Biały Pałac został wykreślony z listy zabytków. Gmina Piastów jest jednak zainteresowana włączeniem zachowanych części budynku w nową strukturę. Udostępnione zostały archiwalne zdjęcia niemetryczne z lat 40. i 80., zdjęcia metryczne z 1987 r. oraz mapy wektorowe opracowane w ramach inwentaryzacji obiektu przez Warszawskie Przedsiębiorstwo Geodezyjne. Modelowanie obiektu architektonicznego wykonano w programie Google SketchUp w dwóch wariantach. Pierwsze podejście polegało na opracowaniu prostej bryły oraz zastosowaniu fotorealistycznej tekstury na podstawie archiwalnych zdjęć. Wymagało to retuszu udostępnionych zdjęć w programie graficznym GIMP. Drugi model charakteryzował się znacznie wyższym poziomem szczegółowości, a jego teksturowanie przeprowadzono z wykorzystaniem palety materiałów programu Google SketchUp. Modele oficyn powstały na podstawie aktualnych zdjęć wykonanych aparatem cyfrowym Canon EOS 350D. Ze względu na nieznaną metrykę tej kamery został przeprowadzony proces kalibracji. Modele szkieletowe zbudowano w programie PhotoModeler Pro 4.0. Foto-tekstury nałożono w programie SketchUp. Modelom została nadana geolokalizacja, czyli usytuowanie w przestrzeni, dzięki czemu wyniki pracy można zaprezentować w aplikacji Google Earth. Wizualizację otoczenia przeprowadzono również w programie SketchUp wykorzystując dostępną on-line galerię obiektów 3D. Na cele promocyjne została wykonana wizualizacja przedstawiająca wygląd budynków po ich ewentualnym odrestaurowaniu. 4

5 Rys. 1. Zachodnia ściana Białego Pałacu w obecnym stanie (źródło: własne) Biały Pałac jest obiektem znajdującym się w stanie ruiny (rys. 1), a jego zdjęcia archiwalne są niewystraczającym materiałem do stworzenia na ich podstawie modelu 3D obiektu. Do tego celu posłużyły więc mapy wektorowe wszystkich czterech elewacji pałacu. Mapy zostały opracowane w skali 1:50 przez Warszawskiej Przedsiębiorstwo Geodezyjne w ramach inwentaryzacji elewacji obiektu w styczniu 1998 r. Gmina Piastów udostępniła również zdjęcia niemetryczne pochodzące okresów: z lat 40. oraz lat 80., a także zdjęcia metryczne wykonane uniwersalną kamerą fotogrametryczną do zdjęć naziemnych UMK 10/1318 firmy Zeiss. Zeskanowano papierowe odbitki zdjęć (tzw. stykówki ), by możliwe było opracowanie cyfrowe. Jedynie na zdjęciach z lat 40. zachowała się oryginalna konstrukcja pałacu. Szczególnie charakterystycznym elementem jest zachodnia wieża, która nie jest udokumentowana na żadnym ze zdjęć z późniejszego okresu. Na rysunku 2 przedstawione zostały dane źródłowe w postaci map wektorowych elewacji. a) b) c) d) Rys. 2. Mapy wektorowe elewacji poszczególnych ścian (a) elewacja południowa (b) elewacja zachodnia (c) elewacja północna (d) elewacja wschodnia Pierwszym etapem pracy było przygotowanie map wektorowych elewacji obiektu. Konieczna była zamiana rastrowej postaci map na postać wektorową w programie ArcMap. 5

6 Po utworzeniu obrazu 1-bitowego, możliwe jest wygenerowanie poprawnych wektorów. Następnie eksportowano utworzone wektory do programu AutoCAD. Praca w środowisku CAD ma w celu przygotowanie plików do stworzenia modelu szkieletowego. Uzyskane wektory składające się na krawędzie elementów budynku, w tym: gzymsy, okna, futryny, balustrady, dach itd., są pierwotnie odcinkami krzywych i nie tworzą linii prostych. Z tego względu konieczne jest utworzenie prostych odcinków oraz prawidłowych łuków i załamań jako krawędzi każdego z elementów architektonicznych. Opracowanie kolejnych elewacji polegało na wektoryzowaniu pierwotnych plików. Przy opracowywaniu prostych krawędzi budynku pojawiły się trudności z interpretacją map wektorowych. Zostały one sporządzone w 1998 r., a więc w czasie, gdy stopień zniszczenia budynku był już wysoki. Elewacje pokryte były licznymi pęknięciami, a wiele elementów było już zdewastowanych lub w ogóle nie istniało. Niestety archiwalne zdjęcia w niewielkim stopniu pomagały w odtworzeniu poszczególnych ścian. Pomimo tego, że pochodzą z wcześniejszego okresu, kiedy pałac był w lepszym stanie, są niekompletne, a część ścian przysłaniają drzewa i inne obiekty np. samochody, ogrodzenia. Na rysunku 3 przedstawiono efekt interpretacji fragmentu elewacji. a) b) c) Rys. 3 Trudności z interpretacją elementów okiennych elewacji zachodniej a) fragment mapy wektorowej b) odbitka zdjęcia metrycznego z lat 80. c) interpretacja z nadaniem prostych krawędzi w programie AutoCAD Modelowanie 3D wykonano w programie Google SketchUp, ponieważ udostępnia on intuicyjne narzędzia do tworzenie geometrii, możliwy jest import obrazów w formacie JPG lub TIFF, a przede wszystkim, import plików z programu AutoCAD z rozszerzeniem DWG. Umożliwiało to podczytanie opracowanych map wektorowych i zorientowanie ich w taki sposób, by tworzyły spójny model. Obiekt odznaczał się różnorodnością zdobień, 6

7 niejednolitością formy. W rezultacie odwzorowanie jego precyzyjnego trójwymiarowego kształtu było trudnym zadaniem. Aby osiągnąć atrakcyjny efekty wizualny oraz odtworzyć w sposób realistyczny wygląd zewnętrzny obiektu, w ramach modelowania wykonano również teksturowanie. Nakładanie tektury na bazie zdjęć archiwalnych wymagało wcześniejszego przygotowania ich w programie graficznym. Zdjęcia do teksturowania powinny być wykonane prostopadle do fasady obiektu. Obrazy muszą zostać oczyszczone z przeszkadzających obiektów, takich jak drzewa, samochody, ogrodzenia itp. Do tego celu wykorzystano program graficzny GIMP. Operacja nakładania pojedynczego zdjęcia na model 3D jest ograniczona do jednej płaszczyzny. Z tego względu stworzono dodatkowy model obiektu, uwzględniając jego najbardziej charakterystyczne załamania. Na rysunku 4 przedstawiono model 3D Białego Pałacu z teksturą na bazie zdjęć archiwalnych. Model ten został w dalszym etapie prac wkomponowany w otoczenie, stanowiące trzy oficyny, których tekstura również bazuje na wykonanych zdjęciach. Rys. 4. Model 3D Białego Pałacu z teksturą na bazie archiwalnych zdjęć Stworzono również model 3D Białego Pałacu na cele promocyjne miasta Piastowa. Ten model to bryła o wysokim stopniu szczegółowości, której tekstura powstała na bazie palety tekstur i kolorów programu SketchUp. Paleta programu SketchUp do nakładania tekstur jest na tyle bogata, że zapewnia atrakcyjny wygląd modelu 3D, a jednocześnie jest to prosta i sprawna operacja. Ta wersja modelu ma pokazać, jak pałac mógłby wyglądać po gruntownej renowacji (Rys. 5). 7

8 Rys. 5. Rzuty modelu 3D Białego Pałacu z nałożoną teksturą na podstawie palety SketchUp Równolegle tworzone były trójwymiarowe modele oficyn kompleksu pałacowego w Piastowie. Zostały one utworzone na podstawie zdjęć wykonanych aparatem Canon EOS 350D. Jest to jednoobiektywowa cyfrowa lustrzanka. Zastosowano obiektyw szerokokątny o ogniskowej 20mm. Dla właściwego modelowania 3D przed wykonaniem zdjęć należało zaplanować przybliżone rozmieszczenie stanowisk oraz strategię samego fotografowania. Zdjęcia podzielono na dwie grupy biorąc pod uwagę ich przeznaczenie: 1) zdjęcia stosowane do tworzenia modeli szkieletowych, 2) zdjęcia wykorzystywane do nakładania tekstur. Rozmieszczenie zdjęć przedstawiają schematy (rys. 6). stanowisko kamery Rys. 6. Schematy rozmieszczenia stanowisk kamery naprzeciw narożnika budynku (po lewej) oraz naprzeciw ściany budynku Zdjęcia wykonano w dwóch seriach. Wybrano najlepszą z dostępnych jakości zdjęć, żeby uzyskać maksymalną rozdzielczość. Wiązało się to z dużym rozmiarem plików ale zapewniało możliwość dokładnej identyfikacji detali. Po wykonaniu obu serii zdjęć nastąpiła ich segregacja. Polegała ona na podzieleniu fotografii na zaplanowane uprzednio grupy, 8

9 osobno dla jednej i drugiej oficyny. Kolejnym etapem była wstępna selekcja zdjęć. Wybrano subiektywnie najlepsze zdjęcia, które miały pozwolić na stworzenie modeli. Ostateczna selekcja odbywała się na bieżąco, już przy pracy w programie PhotoModeler Pro 4.0. Użyty do zdjęć aparat cyfrowy był niemetryczny - nieznane były jego parametry orientacji wewnętrznej. Aby aparat mógł być wykorzystany do celów pomiarowych, wymagane było odtworzenie wiązki promieni rzutujących, dlatego należało go skalibrować. Kalibracja została przeprowadzona w programie PhotoModeler Camera Calibrator 4.0. Pierwszym jej etapem było wykonanie zdjęć pola testowego. Pole to stanowił zrzutowany na białą ścianę slajd, który przedstawiał sieć trójkątów z czterema punktami kontrolnymi. Należało w stworzonym dla kamery projekcie wprowadzić jej ogniskową i pomierzone wcześniej rozmiary slajdu oraz odległość fotografowania. Następnie można było przystąpić do pomiaru punktów kontrolnych na ośmiu wykonanych w różnych położeniach aparatu zdjęciach. Każdy punkt to wspólny wierzchołek trójkątów oznaczonych odpowiednią liczbą pustych lub wypełnionych okręgów (zależnie od numeru punktu). Założeniem kalibracji w używanym programie było wyodrębnienie kontrastu między czernią i bielą. Obliczone parametry zostały wczytane do programu PhotoModeler Pro 4.0, w którym powstały modele szkieletowe oficyn. Tworzenie modelu polegało na wskazywaniu charakterystycznych dla obiektu szczegółów odfotografowanych na przynajmniej dwóch zdjęciach. Aby modele miały odpowiednie wymiary należało je przeskalować. Wprowadzono do programu pomierzone przy okazji wykonywania zdjęć odległości, dzięki którym uzyskano rzeczywiste gabaryty budynków. Podano je z dokładnością do centymetra, co dla celów wizualizacji jest wystarczające. Dodatkowo wybierając 3 wierzchołki na każdym modelu nadano im układ współrzędnych. Gotowe modele po przeskalowaniu i obrocie przedstawia rysunek 7. Układ współrzędnych został określony tak, że oglądamy widok od ulicy Godebskiego. 9

10 Rys. 7. Modele szkieletowe oficyn Po stworzeniu modeli możemy obejrzeć usytuowanie aparatu przy robieniu wykorzystanych zdjęć (rys. 8) Rys. 8. Pozycje kamery przy wykonywaniu zdjęć użytych do stworzenia modeli szkieletowych, widok z góry (od lewej: oficyna 1, oficyna 2) Po przeanalizowaniu dostępnego oprogramowania podjęto decyzję o stworzeniu wizualizacji w programie SketchUp firmowym przez Google. Modele szkieletowe zbudowane w programie PhotoModeler zapisane zostały w formacie pmr. Nie jest on kompatybilny ze SketchUp-em, dlatego należało eksportować pliki do formatu 3D DXF (dxf). W takiej postaci były one gotowe do otwarcia w środowisku CAD. Przygotowane modele zostały zaimportowane do SketchUp 7. Na podstawie modeli szkieletowych zbudowano bryły, które następnie pokryto teksturami ze zdjęć. Przykładowe widoki gotowych modeli przedstawia rys

11 Rys. 9. Przykładowe widoki modeli 3D oficyn Wirtualnym modelom oficyn Białego Pałacu przyporządkowano położenie geograficzne. Operacja ta nazywana jest geolokalizacją. Odbyła się ona w programie SketchUp 8, który daje możliwość skorzystania z ortofotomapy w barwach naturalnych. Polegała na wybraniu na mapie obszaru opracowania, który został następnie dodany do projektu jako podłoże. Po usytuowaniu modeli, można było przejść do wizualizacji otoczenia oraz wkomponowania modelu Białego Pałacu. Na tym etapie pomocna były baza obiektów 3D udostępniana przez Google ( Trimble 3D Warehouse). Wykorzystano roślinność oraz ogrodzenia pobrane z Trimble 3D Warehouse. Ze względu na zabytkowy charakter modelowanych budynków oraz ich obecny stan zrealizowano wizualizację przedstawiającą możliwy wygląd kompleksu po ewentualnym odrestaurowaniu. Taki projekt mógłby zostać wykorzystany przez gminę Piastów w celu pozyskania inwestora zainteresowanego przywróceniem budynkom stanu świetności. Ma to być zachęta do inwestowania w zabytkowe budowle, do ich odbudowy, by nadal mogły uświetniać otoczenie swoją architekturą. Efekty pracy przedstawiają rysunki 10 i

12 Rys. 10. Wizualizacja kompleksu pałacowego pałac ze zdjęć archiwalnych, oficyny: stan obecny Rys. 11. Wizualizacja kompleksu pałacowego na cele promocyjne wygląd po ewentualnym odrestaurowaniu Fotogrametria bliskiego zasięgu jest szybkim i prostym narzędziem do modelowania 3D obiektów architektonicznych. Ma przewagę nad metodami geodezyjnymi pod wieloma względami. Przede wszystkim nie wymaga żmudnych i czasochłonnych prac terenowych, opracowanie pozyskanych materiałów odbywa się w sposób kameralny. Metody fotogrametryczną są zatem szybsze i tańsze, a przy tym nie tracą na dokładności, dają wierne odtworzenie obiektu. Co więcej, kiedy obiekt już nie istnieje i nie ma możliwości wykonania bezpośredniego pomiaru, fotogrametria jest jedyną metodą rekonstrukcji tego obiektu. 12