2. ZAAWANSOWANE MODELOWANIE 3D I TEKSTUROWANIE W ŚRODOWISKU BENTLEY MICROSTATION V8I

Transkrypt

1 2. ZAAWANSOWANE MODELOWANIE 3D I TEKSTUROWANIE W ŚRODOWISKU BENTLEY MICROSTATION V8I Agnieszka Głowacka Katedra Geodezji Rolnej, Katastru i Fotogrametrii Wydział Inżynierii Środowiska i Geodezji Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie Magda Pluta Katedra Geodezji Rolnej, Katastru i Fotogrametrii Wydział Inżynierii Środowiska i Geodezji Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie "Wyniki badań zrealizowane w ramach tematu DS 3366/KGRKiF/2016 zostały sfinansowane z dotacji na naukę przyznanej przez MNiSW." 1. Wprowadzenie Zarówno fotogrametria, jak i geodezja od dawana wykorzystywane są do celów inwentaryzacyjnych. Sprawnie rozwijające się instrumenty pomiarowe, technologie i oprogramowanie, powodują, że pozyskiwanie danych przestrzennych jest coraz łatwiejsze. Wraz z rozwojem nauki, możliwa stała się interpretacja sygnału odbitego, a przede wszystkim intensywności sygnału powracającego, co pozwoliło również określić rodzaj materiału odbijającego. Nowoczesne technologie pomiarowe takie jak fotogrametria cyfrowa i naziemny skaning laserowy dostarczają informacji o otaczającej nas rzeczywistości w postaci zdjęć pomiarowych i chmur punktów. Jednakże informacja o geometrii obiektów zapisana w tej postaci często jest niepraktyczna z punktu widzenia odbiorcy dokumentacji obiektu. Dlatego też zachodzi potrzeba translacji wyników pomiarów i chmur punktów na modele wektorowe obsługiwane przez oprogramowanie typu CAD [Mitka i in., 2013, s.167]. Podczas procesu modelowania wykorzystuje się zarówno narzędzia udostępnione w oprogramowaniu do przetwarzania produktu uzyskanego z pomiaru skanerem laserowym, czyli chmur punktów [Fidera i in., 2004], jak 146

2 również funkcje przygotowane do modelowania w programach typu MicroStation czy AutoCAD [Rabbani i in., 2011] oraz bardziej wyspecjalizowane algorytmy do modelowania 3D [Kawashima i in., 2010]. Modelowanie zaawansowanych budowli, a w szczególności obiektów historycznych w trzech wymiarach jest niezwykle żmudnym i pracochłonnym zadaniem. Złożoność takiej formy przedstawienia obiektu pochodzi często od samych elementów architektonicznych. Niejednokrotnie każdy element składowy jest innym typem architektury. Poza ścianami mamy do czynienia z otworami, nieregularnymi dachami, balkonami, gzymsami, frontonami, słupami, sklepieniami, kopułami, a także elementami ręcznie rzeźbionymi. Dlatego tworzenie modeli zabytków trwa długo, a sam czas nie jest związany z wybraną metodą [Chevrier i in., 2012]. Brak jednego konkretnego narzędzia do dokładnego modelowania scen architektonicznych oraz ciągłe poszukiwania najlepszego rozwiązania doprowadziły do prób wykorzystania narzędzi CAD w celu przedstawienia wielowiecznych budowli. W pracy przedstawiono wykorzystanie danych TLS (Terrestrial Laser Skaning) w postaci chmury punktów, do stworzenia fotorealistycznego, zaawansowanego modelu 3D przy użyciu narzędzi dostępnych w oprogramowaniu MicroStation (Bentley). Przedmiotem badań była wieża stanowiąca fragmentem kompleksu Zamku Królewskiego w Będzinie. 2. Materiały Celem artykułu jest analiza możliwości wykorzystania danych TLS (Terrestrial Laser Skaning) w postaci chmury punktów, do stworzenia fotorealistycznego, zaawansowanego modelu 3D obiektu zabytkowego przy użyciu narzędzi dostępnych w oprogramowaniu MicroStation (Bentley). Producent oprogramowania gwarantuje szerokie możliwości wykorzystania programu Microstation w zakresie pracy z chmurami punktów i opracowywania modeli 3D, jak i późniejszych fotorealistycznych procesów teksturowania i tworzenia wizualizacji. Metodyka badań opierała się na wykorzystaniu dostępnych w oprogramowaniu MicroStation V8i narzędzi do procesu tworzenia modelu 3D oraz wizualizacji badanego obiektu. Metodykę można podzielić na trzy zasadnicze części: etap opracowania modelu 3D, etap teksturowania oraz etap prezentacji danych za pomocą wizualizacji. 147

3 W pracy wykorzystano chmurę punktów z naziemnego skaningu laserowego uzyskaną podczas pomiarów Zamku Królewskiego w Będzinie we wrześniu 2014r. Przed opracowaniem zasadniczego modelu przeprowadzono część przygotowawczą w postaci pozyskania danych i ich przygotowania do importu w środowisku Bentley. W pierwszej fazie przygotowania skany zorientowano i połączono w środowisku programu Leica Cyclone (Ryc. 1.). W kolejnym etapie fragment chmury punktów przedstawiający wieżę zamkową został wyeksportowany do formatu.pts i zaimportowany w środowisku Bentley. Prace w programie MicroStation V8i Series 3 rozpoczyna się od zaimportowania chmury punktów (Ryc.2.). Program automatycznie kompresuje i przetwarza do formatu.pod, który jest wykorzystywany przez MicroStation, a zarazem jest także najbardziej efektywnym systemem kompresji danych bez utraty jakości. Jest to podstawowy format obsługiwany przez środowisko Bentley, usprawniający pracę na chmurach punktów. Model wieży zamkowej wykonano przy użyciu narzędzi do projektowania 3D w programie MicroStation. Zastosowano podstawowe palety do modelowania brył, narzędzia do tworzenia płaszczyzn oraz siatek mesh, jak również palety wykorzystujące operacje Boole a. Ryc. 1. Połączona chmura punktów w programie Leica Cyclone 148

4 Ryc. 2. Widok na zaimportowaną chmurę w programie MicroStation punktów w trybie Elevation oraz RGB 3. Metody 3.1. Tworzenie modelu 3D Po zaimportowaniu danych, definiuje się warstwy, na jakich tworzy się poszczególne elementy tak, by w razie potrzeby wyłączać widoczność niektórych elementów. Do czynności podstawowych zalicza się również ustawienie widoków modelowania oraz płaszczyzn lub brył ograniczających widoczność chmury punktów. Najlepszym rozwiązaniem jest korzystanie, z co najmniej czterech okien widokowych: top (z góry), right/left (z prawej lub lewej strony), front (na wprost elementu) oraz widoku samego modelu bez chmury punktów (Ryc. 3.). 149

5 Przygotowanie takich okien pozwala kontrolować budowanie modelu i zapewnia jego topologię. Ryc. 3. Cztery podstawowe widoki MicroStation V8i na chmurę punktów w programie Następnym przydatnym atrybutem jest narzędzie Clip (limitbox), które umożliwia zastosowanie ograniczników widoczności chmury punktów. Producent daje użytkownikowi kilka sposobów zastosowania tej funkcji. Można z poziomu atrybutów chmury włączyć opcję Clip lub narysować w odpowiedniej płaszczyźnie obiekt 2D lub 3D prostymi narzędziami palety i aktywować go na wybranym widoku opcją Apply or Modify Clip Volume. Wykonanie modelu opierało się głównie na używaniu narzędzi z palety Solids Modeling. Zaletą stosowania prostych brył jest lekkość modelu, tzn. powstające bryły nie mają dużej ilości wierzchołków (vertexów) i załamań. Do wykonania bryły głównej wieży zastosowano obrys koła, a następnie funkcję Solid by Extrusion, czyli wyciągania prostopadłego obrusu 2D do obiektu 3D. Poszczególne elementy modelowano w sposób analogiczny, opierając się na zasadzie od ogółu do szczegółu. 150

6 Dla bardziej skomplikowanych elementów zastosowano rysowanie przekrojami, z których utworzono powierzchnię i w kolejnym etapie wyrównano odpowiednią ścianę bryły do płaszczyzny powierzchni (Ryc.4.). Ryc. 4. Wyrównanie bryły do powierzchni utworzonej z przekrojów Podczas modelowania wgłębień w bryle głównej modelu stosuje się operacje Boole a polegające na przygotowaniu stempla do wyżłobienia otworu. Te opcje są szczególnie przydatne przy modelowaniu okien, framug, drzwi czy ubytków w budowlach. Należy zwrócić uwagę na szeroka paletę narzędzi, jakie przygotował producent do modelowania zaawansowanych szczegółów i detali. Możemy użyć opcji modelowania elementu z narysowanego obrysu płaskiego, stosując rysowanie po ścieżce. Tę opcję wykorzystano przy rysowaniu nieregularnej klamki w drzwiach wieży (Ryc.5.). 1511

7 Dla bardziej zaawansowanych elementów wymajających dużej dokładności, stosuje się modelowanie parametryczne NURBIS, gdzie wykorzystywane są krzywe Beziera. Modelowanie krzywymi Beziera użyto przy tworzeniu stempla przedstawiającego ubytek w konstrukcji wieży (Ryc.6.). Ryc. 5. Model szczegółów klamka Ryc. 6. Wymodelowany stempel do wykonania ubytku w wieży W końcowym etapie modelowania łączy się odpowiednie elementy atrybutem Unite Solids i grupuje na ustalone warstwy, by ułatwić proces 152

8 dalszego teksturowania. Wymodelowany obiekt możemy prezentować wyświetlając go w jedenastu różnych trybach, wśród których można definiować dodatkowo wygładzenie lub widoczność krawędzi (Ryc.7.). Ryc. 7. Szkielet i model wieży wyświetlany w trybie Illustration 3.2. Teksturowanie modelu Kolejnym zagadnieniem przetestowanym w oprogramowaniu Bentley było zastosowanie możliwości teksturowania. Przed przystąpieniem do tego procesu należało odpowiednio przygotować zdjęcia obiektu. Użyto tutaj darmowego oprogramowania do obróbki zdjęć PIXLR firmy Autodesk. Przycięto oraz zmieniono kontrast zdjęć. Dla tekstur kamieni tworzących bryłę wieży wykonano także wersję czarno białą, by zastosować efekt bump, czyli wrażenie trójwymiarowej, wypukłej tekstury. MicroStation daje użytkownikowi wiele możliwości pokrycia bryły teksturą. Można korzystać z przygotowanej biblioteki tekstur lub użyć własnych zdjęć. Określa się sposób pokrycia powierzchni teksturą i jej ekspozycji. Definicja materiałów, czyli tekstur jest 153

9 bardzo intuicyjna i wymaga jedyniee kilku kliknięć, by przygotować obraz/zdjęcie do nałożenia na bryłę. Dodatkowo możemy użyć tak zwanej funkcji bump, która nakłada na powierzchnię jednocześnie dwie tekstury kolorową i czarno białą, w celu wydobycia głębi obrazu i sprawienia wrażenia wypukłości na zdjęciu. Elementy, dla których nie możliwe było użycie zdjęć z dokumentacji fotograficznej wieży tj. krata w oknie i drzwiach, oteksturowano materiałami dostępnymi w bibliotece tekstur programu Bentley. Ostatecznie uzyskano realistyczny, trójwymiarowy model wieży zamku królewskiego w Będzinie (Ryc. 8,9.). Ryc. 8. Oteksturowany model wieży wyświetlany w trybie Illustration 154

10 Ryc. 9. Oteksturowany model wieży zbliżenie 4. Wyniki Po wykonaniu całego modelu i przypisaniu elementom tekstur, można użyć narzędzi renderingu dostępnych w środowisku MicroStation V8i. Podczas renderowania skorzystano z kilku dostępnych ustawień parametrów tj. mapowanie wypukłości, definicja kąta padania światła sztucznego, określenie światła naturalnego dla szerokości geograficznej Będzina oraz cieniowanie, a także sztuczne tło. Cała technologia renderowania opiera się na ustawieniu głównych parametrów, określeniu sceny i długim oczekiwaniu na efekt. Proces nie jest skomplikowany, a jedyne trudności, jakie można napotkać to czas oczekiwania na obrazy. Im więcej definiowania dodatkowych parametrów, tym dłuższy czas oczekiwania na obraz. Podczas testowania widoków warto początkowo ustawić niewielką rozdzielczość. W momencie uzyskania pożądanego efektu, zmienić na najwyższą jakość, określić wymiary końcowe i rozpocząć proces renderowania dla bardziej wymagających ustawień. Ostateczny uzyskany efekt przedstawiają poniższe ryciny (Ryc. 10,11). 1555

11 Ryc. 10. Wizualizacja wieży z oświetleniem dziennym Ryc. 11. Wizualizacja wieży po renderingu ze sztuczną teksturą tła 156

12 5. Podsumowanie Zarówno dokumentacja budynków, jak i renowacja zabytków, wymaga starannych rozwiązań pozwalających na małą ingerencję człowieka w badane obiekty, przy zachowaniu dużej szczegółowości i dokładności otrzymanych danych. Wykonany w pracy model 3D przy zastosowaniu zaawansowanych technik modelowania wraz z teksturowaniem pozwala stwierdzić, że użyte narzędzie MicroStation V8i Series 3 może być stosowane do szeroko pojętego procesu dokumentacji architektonicznych oraz wizualizacji. Założono poziom szczegółowości LoD3, w związku z tym nie było konieczne oddanie idealnej struktury kamieni, a jedynie przybliżoną formę, którą pokrywa się teksturą imitującą wypukłości. Gęsto zeskanowany obiekt pozwolił na oddanie takich detali jak klamka czy powyginane kraty w oknie. Osiągnięty poziom dokładności modelu LoD3 dowodzi, że można maksymalnie wykorzystać dane TLS i przy pomocy środowiska Bentley przedstawić detale nawet na poziomie kilku centymetrów. Poza brakiem możliwości czyszczenia i obróbki chmury, program posiada wszystkie niezbędne narzędzia do budowy trójwymiarowych modeli oraz ich wizualizacji czy animacji. Ponadto jest intuicyjny i nie sprawia trudności w obsłudze. Palety do modelowania bryłowego, siatkami trójkątów i kwadratów, siatkami mesh czy powierzchniami Beziera dają możliwość wymodelowania niemalże każdego obiektu. Dodatkowo sprawna praca programu z chmurami punktów, łatwość wyświetlania i sprawność działania z dużymi objętościowo danymi, jest na razie rzadkością wśród oprogramowania typu CAD. Stwierdzono, iż rezultat ostateczny jest satysfakcjonujący, a poszczególne etapy prac, rzucają światło na innowacyjny sposób prezentacji obiektów rzeczywistych w przestrzeni wirtualnej. Program MicroStation V8i nadaje się do wykorzystania, jako narzędzie opracowania danych pozyskanych w wyniku zastosowania technologii naziemnego skaningu laserowego. 157

13 BIBLIOGRAFIA 1. Chevrier C., Maillard Y., Perrin J.P. (2012), A method for the 3D modeling of historic monuments: the case of a gothic abbey; France 2. Fidera A., Chapman M.A., Hong J. (2004), Terrestrial Lidar for Industrial Metrology Applications: Modelling, Enhancement and Reconstruction, International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, Vol. XXXV, B5, , ISSN Kawashima K., Kanai S., Date H. (2011), Automatic recognition of a piping system from large-scale terrestrial laser scan data, International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Volume, August 2011, Calgary, Canada 4. Mitka B., Mikolajczyk L., Noszczyk T. (2013), Modelowanie obiektów przemysłowych na podstawie danych z naziemnego skaningu laserowego, Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich nr 2/II/2013, str Rabbani, T., Van den Heuvel, F. (2011), 3D Industrial Reconstruction by Fitting Csg Models to a combination of Images and Point Clouds., International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, Vol. XXXV, B5, 7-12, ISSN