Przykłady realizacji dokumentacji przestrzennej obiektów zabytkowych Robert Sitnik OGX OPTOGRAPHX Instytut Mikromechaniki i Fotoniki Politechnika Warszawska
Plan prezentacji 1) Techniki odwzorowania współrzędnych powierzchni i barwy w modelach 3D 2) Etapy planowania i realizacji procesu skanowania 3D 3) Wybrane techniki do automatyzacji procesu akwizycji i przetwarzania danych 4) Prezentacja wybranych procesów dokumentacji 3D 5) Podsumowanie 6) Kierunki rozwoju
Przykładowe obiekty 3D
Przykładowe obiekty 3D
Techniki odwzorowania współrzędnych powierzchni 3D 1) Metoda triangulacji laserowej (ang. laser triangulation) 2) Fotogrametria (ang. photogrammetry) 3) Metoda czasu przelotu wiązki (ang. time of light) 4) Metoda z oświetleniem strukturalnym (ang. structured light) 5) Techniki specjalne
Techniki odwzorowania współrzędnych powierzchni 3D Metoda triangulacji laserowej Parametry: - objętość: do 2m x 2m x 2m; - dokładność pomiaru: do 1/10 000 w stosunku do wymiaru objętości ale nie więcej niż 0,05mm ze względu na wielkość plamki lasera; - powierzchnie mierzone: rozpraszające;
Techniki odwzorowania współrzędnych powierzchni 3D Metoda triangulacji laserowej
Techniki odwzorowania współrzędnych powierzchni 3D Fotogrametria Parametry: - objętość: bez ograniczeń; - dokładność pomiaru: do 1/1 000 w stosunku do wymiaru objętości ale tylko w wybranych punktach wysokiej informatywności; - powierzchnie mierzone: bez ograniczeń;
Techniki odwzorowania współrzędnych powierzchni 3D Fotogrametria
Techniki odwzorowania współrzędnych powierzchni 3D Metoda czasu przelotu wiązki Parametry: - objętość: do kilkuset metrów; - dokładność pomiaru: do 4mm; - powierzchnie mierzone: rozpraszające; Lustro Lustro Czujnik Laser Lustro półprzepuszczalne
Techniki odwzorowania współrzędnych powierzchni 3D Metoda czasu przelotu wiązki
Techniki odwzorowania współrzędnych powierzchni 3D Metoda z oświetleniem strukturalnym Parametry: - objętość: do 2m x 2m x 2m; - dokładność pomiaru: do 1/10 000 w stosunku do wymiaru objętości; - powierzchnie mierzone: rozpraszające;
Techniki odwzorowania współrzędnych powierzchni 3D Metoda z oświetleniem strukturalnym
Techniki odwzorowania współrzędnych powierzchni 3D Techniki specjalne - interferometria (wysokie dokładności rzędu nanometrów, małe pole pomiarowe rzędu kilku milimetrów), - holografia (aktualnie technika laboratoryjno - naukowa), - inne.
Przykłady realizacji dokumentacji przestrzennej obiektów zabytkowych Techniki odwzorowania barwy w modelach 3D - zastosowanie namiotu bezcieniowego (mozliwość obracania obiektem) oraz balansu bieli; - zastosowanie jednorodnego rozkładu oświetlenia (manipulowanie tylko systemem pomiarowym) oraz balansu bieli;
Etapy planowania i realizacji procesu skanowania 3D 1) specyfikację założeń technicznych, jakie powinny spełniać wirtualne odpowiedniki rzeczywistych obiektów, 2) wybór techniki skanowania, 3) specyfikację warunków skanowania pod kątem spełnienia założeń technicznych dla obiektów wirtualnych i wybranych technik skanowania, 4) specyfikację ścieżki przetwarzania danych pozwalającej na jak największą automatyzację procesu generowania zakładanej końcowej postaci obiektów wirtualnych, 5) dokumentację procesu digitalizacji 3D i przetwarzania danych (metadane techniczne), 6) planowanie logistyczne transportu obiektów pomiędzy miejscem ich przechowywania a miejscem wykonywania pomiarów.
Etapy planowania i realizacji procesu skanowania 3D cele digitalizacji 3D 1) wizualizacja 3D (wirtualne muzea, strona internetowa, kioski multimedialne, itp.) 2) dokumentacja wieczysta 3D (odwzorowanie obiektu pozwalające na jego wierne obrazowanie uwzględniające cechy materiałowe i najmniejsze istotne detale powierzchni) 3) dokumentacja 3D stanu zachowania obiektu (dokumentacja wspomagająca działy konserwacji w muzeach urzeczywistnienie idei konserwacji prewencyjnej)
Etapy planowania i realizacji procesu skanowania 3D specyfikacja założeń technicznych 1) rozdzielczość przestrzenna odwzorowania współrzędnych powierzchni (średnia odległość między punktami pomiarowymi wyrażana w liczbie punktów na mm 2 ); 2) dokładność odwzorowania współrzędnych powierzchni (dokładność pomiaru każdego punktu wyrażona w milimetrach, przykładowo: ±0,1mm); 3) odwzorowanie barwy (prawidłowe odwzorowanie barwy i rozkładu oświetlenia: namiot bezcieniowy, balans bieli); 4) format danych końcowych (chmury punktów, siatki trójkątów z teksturą lub bez, dodatkowe parametry pomiaru); 5) sposób dokumentacji obszarów martwych dla wybranej metody pomiarowej oraz metadanych technicznych; 6) specyfikację weryfikacji jakości dostarczonych danych (rozdzielczość, dokładność, reprezentacja barwy).
Etapy planowania i realizacji procesu skanowania 3D specyfikacja założeń technicznych Rozdzielczość przestrzenna i dokładność odwzorowania Aktualnie nie istnieją standardy określające minimalne wartości tych parametrów dla różnych zastosowań!!! COSCH projekt UE COlor and Space in Cultural Heritage - http://www.cosch.info/ Muzeum Pałac w Wilanowie projekt badawczo-rozwojowy
Zaproszenie do przystąpienia do projektu COSCH (http://www.cosch.info/)
Etapy planowania i realizacji procesu skanowania 3D specyfikacja założeń technicznych Odwzorowanie barwy Czy istnieje możliwość zestawienia układu z oświetleniem bezcieniowym? Jeśli nie, to należy przeprowadzić przynajmniej właściwy balans bieli!
Etapy planowania i realizacji procesu skanowania 3D specyfikacja założeń technicznych Format danych końcowych Chmura punktów Siatka trójkątów
Etapy planowania i realizacji procesu skanowania 3D specyfikacja założeń technicznych Sposób dokumentacji obszarów martwych Pytanie: Czy obszary w których wykonanie pomiaru nie jest możliwe mają być uzupełnione przez grafików? Czy w przypadku uzupełniania takich obszarów powinna zawsze znaleźć się informacja o tym jakie fragmenty obiektu są pomiarem, a jakie kreacją grafika?
Etapy planowania i realizacji procesu skanowania 3D specyfikacja założeń technicznych Specyfikację weryfikacji jakości dostarczonych danych Konieczność weryfikacji na bieżąco jakości wykonywanych pomiarów i zapewnienia, że są one wykonywane z wymaganą prezcyzją. Zaplanowanie procesu kontroli akwizycji danych podczas długich sesji skanowania 3D.
Etapy planowania i realizacji procesu skanowania 3D wybór techniki pomiaru 1) Metoda triangulacji laserowej 2) Fotogrametria 3) Metoda czasu przelotu wiązki 4) Metoda z oświetleniem strukturalnym 5) Techniki specjalne Wybór z punktu widzenia szybkości pomiaru oraz spełnienia zakładanych wymagań technicznych!
Etapy planowania i realizacji procesu skanowania 3D specyfikacja warunków pomiaru - pomiary wewnątrz lub na zewnątrz budynku; - specyfikacja stabilności podłoża (drgania); - wymagania na stabilność warunków temperaturowych; - wymagania związane z zaciemnieniem/oświetleniem pomieszczeń; - wymagania związane z dostarczeniem zasilania; Warunki pomiaru wpływają na końcową jakość wyników digitalizacji!
Etapy planowania i realizacji procesu skanowania 3D specyfikacja ścieżki przetwarzania danych - automatyzacja (przyspieszenie, obiektywizacja i minimalizacja kosztów) przetwarzania danych; - zapewnienie końcowej postaci danych zgodnej z celami procesu digitalizacji (dane w postaci nie wymagającej dalszego przetwarzania); - zapewnienie końcowego oprogramowania użytkowego pozwalającego w sposób łatwy i przyjazny korzystać z przetworzonych danych; - wymagania związane z przechowywaniem i zabezpieczeniem danych (obiekty w postaci cyfrowej mają znaczną wartość materialną);
Przykłady realizacji dokumentacji przestrzennej obiektów zabytkowych Wybrane techniki do automatyzacji procesu akwizycji i przetwarzania danych
Wybrane techniki do automatyzacji procesu akwizycji i przetwarzania danych
Wybrane techniki do automatyzacji procesu akwizycji i przetwarzania danych ICP cicp
Prezentacja procesu dokumentacji 3D Gabinet Chiński Króla Cele: - wizualizacja 3D końcowego modelu: najlepiej w rozdzielczości z pomiaru (widać wszystkie zarejestrowane detale) oraz w co najmniej jednej postaci uproszczonej; - analiza geometryczna modelu: możliwość wymiarowania odległości, tworzenia przekrojów, liczenia pól powierzchni, itp.; - możliwość porównania z digitalizowanymi w przyszłości modelami (monitorowanie stanu zachowania).
Prezentacja procesu dokumentacji 3D Gabinet Chiński Króla Nazwa Wartość Komentarz Rozdzielczość rzeczywista pomiaru 0,1 mm (100 punktów/mm 2 ) Niepewność pomiaru 0,05 mm Odwzorowanie barwy tak Format danych końcowych punkty (x, y, z, R, G, B) w globalnym układzie współrzędnych Odległość pomiędzy poszczególnymi punktami (pomiarowymi - niedopuszczalne jest stosowanie technik interpolacji) w końcowym modelu cyfrowym nie będzie większa niż ta wartość. 99% punktów pomiarowych odwzorowuje geometrię powierzchni z błędem mniejszym niż wartość niepewności. Rozkład błędów jest losowy. Nie występuje, żaden znaczący składnik systematyczny. Niepewność ta dotyczy stosowanego urządzenia skanującego. Ze względu na ograniczone warunki techniczne (nie jest możliwe oświetlenie pomieszczenia podczas pomiarów w sposób jednorodny i stały) odwzorowanie barwy będzie realizowane tylko poprzez balans bieli kamery. W postaci co najmniej dwóch modeli: pełnego (wszystkie dane pomiarowe) i uproszczonego (cele prezentacyjne, generacja siatki trójkątów, podgląd, itp).
Prezentacja procesu dokumentacji 3D Gabinet Chiński Króla
Prezentacja procesu dokumentacji 3D Gabinet Chiński Króla
Prezentacja procesu dokumentacji 3D Gabinet Chiński Króla Proces łączenia danych kierunkowych: - początkowo w ramach pojedynczych kart pomiarowych, - następnie karty były łączone w większe obszary, - obszary w ściany i sufit, - ostatecznie całość była umieszczona w jednej reprezentacji geometrycznej.
Prezentacja procesu dokumentacji 3D Gabinet Chiński Króla
Prezentacja procesu dokumentacji 3D Gabinet Chiński Króla
Prezentacja procesu dokumentacji 3D Gabinet Chiński Króla
Prezentacja procesu dokumentacji 3D Gabinet Chiński Króla Ponad 400 kierunków pomiarowych (około 800 mln punktów pomiarowych)
Prezentacja procesu dokumentacji 3D Popiersie Ernsta Gideona von Laudona Cele: - wizualizacja 3D końcowego modelu: najlepiej w rozdzielczości z pomiaru (widać wszystkie zarejestrowane detale) oraz w co najmniej jednej postaci uproszczonej; - analiza geometryczna modelu: możliwość wymiarowania odległości, tworzenia przekrojów, liczenia pól powierzchni, itp.; - możliwość porównania z digitalizowanymi w przyszłości modelami (monitorowanie stanu zachowania).
Prezentacja procesu dokumentacji 3D Popiersie Ernsta Gideona von Laudona Nazwa Wartość Komentarz Rozdzielczość rzeczywista pomiaru 0,02 mm (2 500 punktów/ mm 2 ) Odległość pomiędzy poszczególnymi punktami (pomiarowymi - niedopuszczalne jest stosowanie technik interpolacji) w końcowym modelu cyfrowym nie będzie większa niż ta wartość. Niepewność pomiaru 0,007 mm 99% punktów pomiarowych odwzorowuje geometrię powierzchni z błędem mniejszym niż wartość niepewności. Rozkład błędów jest losowy. Nie występuje, żaden znaczący składnik systematyczny. Niepewność ta dotyczy stosowanego urządzenia skanującego. Odwzorowanie barwy nie Ze względu na charakter obiektu nie ma konieczności rejestracji jego barwy. Format danych końcowych punkty (x, y, z) w globalnym układzie współrzędnych W postaci co najmniej dwóch modeli: pełnego (wszystkie dane pomiarowe) i uproszczonego (cele prezentacyjne, generacja siatki trójkątów, podgląd, itp).
Prezentacja procesu dokumentacji 3D Popiersie Ernsta Gideona von Laudona
Prezentacja procesu dokumentacji 3D Popiersie Ernsta Gideona von Laudona Proces łączenia danych kierunkowych: - początkowe pomiary z wykorzystaniem ramienia robota dostarczają informacji i wstępnych transformacjach poszczególnych chmur, - kolejny etap to iteracyjne minimalizowanie błędów, - ostatni to ujednolicenie rozkładu barwy i wektorów normalnych bez ingerencji we współrzędne XYZ.
Prezentacja procesu dokumentacji 3D Popiersie Ernsta Gideona von Laudona
Prezentacja procesu dokumentacji 3D Popiersie Ernsta Gideona von Laudona
Prezentacja procesu dokumentacji 3D Popiersie Ernsta Gideona von Laudona
Podsumowanie W celu uzyskania optymalnych wyników digitalizacji należy: określić minimalne parametry techniczne oraz założenia całego procesu, dobrać właściwą metodę pomiaru i analizy danych, właściwie zaplanować cały proces akwizycji danych, zapewnić jak największą automatyzację i obiektywizację przetwarzania danych, zapewnić właściwą dokumentację całego procesu oraz archiwizację danych cyfrowych.
Przyszłe prace standaryzacja wymagań odnośnie digitalizacji obiektów dziedzictwa cyfrowego, automatyzacja procesu przetwarzania i akwizycji, obiektywizacja procesu przetwarzania danych, zwiększenie jakości końcowych modeli cyfrowych, zmniejszenie kosztów digitalizacji 3D, opracowanie przystępnych programów do intuicyjnej analizy danych cyfrowych pozwalających na przetwarzanie miliardów punktów pomiarowych.
Kierunki rozwoju Automatyczny pomiar powierzchni 2D/3D obrazów. Parametry: - powierzchnia: do 2m x 2m, - rozdzielczość: do 10µm, - głowica pomiarowa: 2D lub 3D, - automatyzacja: pełna, Stopień realizacji: pozyskane finansowanie
Kierunki rozwoju Automatyczny pomiar powierzchni 3D rzeźb parkowych. Parametry: - objętość pomiarowa: wys.: 1,5m + 2,15m, średnica: 1,65m, - rozdzielczość: do 10µm, - głowica pomiarowa: 3D, - automatyzacja: pełna, Stopień realizacji: poszukiwanie finansowania
Kierunki rozwoju Automatyczny pomiar powierzchni 3D detali architektonicznych na elewacjach. Parametry: - objętość pomiarowa: do 1,5m x 1,5m x 1,2m, - rozdzielczość: do 25µm, - głowica pomiarowa: 3D, - automatyzacja: pełna poza sterowaniem koszem, Stopień realizacji: poszukiwanie finansowania
Dziękuję za uwagę! Robert Sitnik OGX OPTOGRAPHX Instytut Mikromechaniki i Fotoniki Politechnika Warszawska ul. Św. A. Boboli 8 02-525 Warszawa tel.: +48 22 234 86 30 fax: +48 22 234 86 01 r.sitnik@mchtr.pw.edu.pl http://ogx.mchtr.pw.edu.pl
Przyszłe prace rozszerzenie parametrów pomiaru