Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D

Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D obiektów muzealnych 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) Przedstawienie procesu skanowania 3D 4) Wybrane techniki do automatyzacji procesu akwizycji i przetwarzania danych 5) Prezentacja wybranych wyników skanowania 3D 6) Podsumowanie i subiektywne kierunki rozwoju

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.

Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D 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!!! Muzeum Pałac w Wilanowie aktualnie prowadzi projekt badawczy, którego celem jest wypracowanie takich standardów dla wybranych materiałów do zastosowań w konserwacji!!!

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 zwenątrz budynku; - specyfikacja stabilności podłoża (drgania); - wymagania na stabilność warunków temeraturowych; - 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);

Proces skanowania 3D metoda z oświetleniem strukturalnym Pomiar (kierunkowy) Przetwarzanie wstępne Łączenie danych kierunkowych Przetwarzanie końcowe i eksport Obiekt wirtualny

Proces skanowania 3D przygotowanie stanowiska pomiarowego (w pomieszczeniu)

Proces skanowania 3D przygotowanie stanowiska pomiarowego (na zewnątrz)

Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D Proces skanowania 3D automatyzacja akwizycji danych kierunkowych

Proces skanowania 3D wynik z jednego pomiaru Nieuporządkowany zbiór punktów (x, y, z, R, G, B) chmura punktów o liczności od tysięcy do milionów punktów (aktualnie do 24 milionów punktów z jednego pomiaru kierunkowego) Każdy piksel detektora posiada własne współrzędne (x, y, z) reprezentujące kształt powierzchni oraz (R, G, B) reprezentujące barwę piksela

Proces skanowania 3D - łączenie danych kierunkowych Chmury punktów pomierzone w różnych układach współrzędnych; niezbędne jest wyznaczenie wzajemnych relacji pomiędzy tymi układami

Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D Proces skanowania 3D - łączenie danych kierunkowych sprzętowe automatyzacja!

Proces skanowania 3D - łączenie danych kierunkowych programowe automatyzacja!

Proces skanowania 3D - łączenie danych kierunkowych dokładne metody ICP ICP cicp

Przykładowe wyniki skanowania GABINET CHIŃSKI w Wilanowie (2009)

Przykładowe wyniki skanowania GABINET CHIŃSKI w Wilanowie (2009) Pomiar wykonany z ponad 400 kierunków ponad 800 mln punktów pomiarowych (2009/2011)

Proces skanowania 3D - przetwarzanie końcowe upraszczanie i triangulacja Z 31 milionów punktów, 400 tysięcy odwzorowuje powierzchnię z dokładnością 0.03mm.

Proces skanowania 3D - przetwarzanie końcowe upraszczanie i triangulacja Każdy punkt chmury jest wierzchołkiem siatki

Proces skanowania 3D - Przetwarzanie końcowe przygotowanie tekstury: z danych pomiarowych Ważnym elementem procesu skanowania jest zapewnienie właściwego odwzorowania barwy podczas realizacji pomiarów!!!

Wizualizacja 3D (lokalnie i przez internet) OGX Massive3D Wizualizacja danych pomiarowych nieuproszczonych lokalnie a w przyszłości przez internet w czasie rzeczywistym!

Wybrane techniki automatyzacji procesu przetwarzania danych: środowisko 3DMADMAC (c) Przetwarzanie równoległe dużych zbiorów danych w postaci chmur punktów (kilka miliardów punktów pomiarowych) i siatek trójkątów z wykorzystaniem szablonów obliczeń potokowych tworzonych przez użytkownika. Porównanie danych pomierzonych w różnych chwilach czasowych (zaznaczanie obszarów o odległościach większych niż zadany próg, zmiana objętości, itp..)

Wybrane techniki automatyzacji procesu przetwarzania danych: środowisko 3DMADMAC - automatyczna filtracja i upraszczanie danych, - triangulacja (i opcjonalne teksturowanie), - w zadanych przekrojach wyznaczanie pól powierzchni, długości i porównanie pomiędzy pomiarami wykonanymi w różnych czasach,

Wybrane techniki automatyzacji procesu przetwarzania danych: środowisko 3DMADMAC - wyznaczanie pola powierzchni o zadanych parametrach (barwa, inne )

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.

Przyszłe prace rozszerzenie parametrów pomiaru

Podziękowania Podziękowania dla instytucji współpracujących: - Muzeum Pałac w Wilanowie; - Akademia Sztuk Pięknych w Warszawie; - Muzeum Narodowe w Warszawie;

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