Mis on fotogrammeetria?
Fotogrammeetria on mõõtmis- ja 3D-rekonstrueerimismeetod, mille puhul kasutatakse suure hulga kattuvate 2D-fotode informatsiooni, et arvutada objekti, hoone või maastiku ruumiline kuju. Tarkvara otsib eri fotodelt samu iseloomulikke tunnuspunkte, hindab kaamerate suhtelised asukohad ning arvutab triangulatsiooni abil nende punktide 3D-koordinaadid.
Praktiline töövoog koosneb tavaliselt pildistamisest, fotode joondamisest, kaamerate positsioonide lahendamisest, tiheda geomeetrilise andmestiku genereerimisest, mesh-mudeli loomisest ning tekstuuri projitseerimisest mudelile. Fotogrammeetria suur eelis on see, et fotod sisaldavad väga palju värvi- ja pinnainfot, mistõttu saab hästi teostatud töövooga luua visuaalselt väga realistlikke 3D-mudeleid.
Fotogrammeetriat kasutatakse nii droonidega suurte maa-alade ja hoonete kaardistamisel kui ka lähifotogrammeetrias väikeste esemete, ajalooliste objektide, skulptuuride, tööstuskomponentide ja muude detailsete pindade digitaliseerimisel.
Kuidas fotogrammeetria töötab?
1. Pildistamine. Objektist tehakse suur hulk kattuvaid fotosid erinevatest vaatenurkadest. Kattuvus peab olema piisav, et tarkvara leiaks järjestikustelt fotodelt samad tunnuspunktid.
2. Tunnuspunktide leidmine ja kaamerate joondamine. Tarkvara tuvastab fotodel unikaalsed detailid ning leiab, millised punktid korduvad teistel fotodel. Nende seoste põhjal arvutatakse kaamerate asendid ja orientatsioonid 3D-ruumis.
3. 3D-geomeetria rekonstrueerimine. Sobitatud punktidest arvutatakse ruumiline andmestik ning selle põhjal saab luua tihedama punktipilve või mesh-geomeetria.
4. Tekstuuride loomine. Algfotode värviinformatsioon projitseeritakse 3D-mudelile. Lõpptulemuse kvaliteet sõltub väga tugevalt valgustusest, piltide teravusest, värvitäpsusest ja sellest, kas pinnal esineb peegeldusi või liikuvaid varje.
Kus fotogrammeetriat kasutatakse?
- Aerofotogrammeetria ja droonifotogrammeetria: ortofotod, maastikumudelid, ehitusobjektid, hooned ja suuremad territooriumid.
- Arhitektuur ja kultuuripärand: fassaadid, ajaloolised hooned, arheoloogilised leiud, museaalid ja dokumenteerimine.
- Tööstus ja tootearendus: objektide visuaalne digitaliseerimine, 3D-skaneeringu värviinfo täiendamine ning digitaalsete kaksikute loomine.
- Mängu- ja filmitööstus: realistlike 3D-varade, pindade, esemete ja keskkondade loomine.
- 3D-printimine ja koopiate valmistamine: geomeetria jäädvustamine, sellele järgnevad mesh-parandused ja printimiseks ettevalmistus.
Fotogrammeetria tugevus on värvi- ja tekstuuriinformatsioon
Paljud 3D-skännerid suudavad lisaks geomeetriale salvestada ka värviinformatsiooni, kuid skänneri värvikaamera eesmärk ei pruugi olla kõrgtasemelise tekstuuri loomine. Kui eesmärk on fotorealistlik digitaalne mudel, on fotogrammeetria sageli oluliselt võimekam, sest kvaliteetse fotokaameraga saab jäädvustada detailsema värvi-, mustri- ja pinnainfo.
See ei tähenda, et fotogrammeetria geomeetria oleks alati automaatselt sama usaldusväärne kui professionaalse 3D-skaneeringu geomeetria. Keeruliste objektide puhul võib parima tulemuse anda kahe tehnoloogia kombineerimine: 3D-skänner annab kontrollitud geomeetria ning fotogrammeetria annab kõrge kvaliteediga värvi- ja tekstuuriinformatsiooni.
Miks läikivad ja peegelduvad pinnad fotogrammeetrias probleeme tekitavad?
Fotogrammeetria tarkvara eeldab, et sama füüsiline detail on erinevatelt fotodelt äratuntav. Matil puidul, kivil või roostes pinnal leidub tavaliselt palju unikaalseid tunnuspunkte ning peegeldusi on vähe. Seetõttu on sellised pinnad fotogrammeetriale üldiselt soodsad.
Läikiva või poolläikiva pinna puhul muutub peegeldus koos kaamera asukohaga. Sama koht objektil võib ühest vaatenurgast olla tume, teisest väga hele. Peegeldus võib varjata tegelikke pinnadetaile ning tekitada tarkvarale ebastabiilse informatsiooni. Tulemuseks võib olla kehvem joondus, puudulik geomeetria ning tekstuur, kuhu on koos objekti värviga „sisse küpsetatud“ valgus ja peegeldused.
Cross-polarization ehk ristpolariseerimine
Üks tõhusamaid meetodeid peegelduste vähendamiseks on cross-polarization ehk ristpolariseerimine. Selle töövoo puhul kasutatakse kontrollitud tehisvalgust, mille ette paigaldatakse polariseeriv filter. Kaamera objektiivi ees kasutatakse samuti polariseerivat filtrit ning filtrite orientatsioon seatakse nii, et peegelduv komponent oleks võimalikult tugevalt summutatud.
Tulemusena vähenevad spekulaarsed peegeldused ning kaamera näeb rohkem objekti tegelikku pinna- ja värviinformatsiooni. See aitab fotogrammeetria algoritmil leida stabiilsemaid tunnuspunkte ning võimaldab luua puhtama albedo- ehk baasvärvikaardi, kus valgust ja peegeldusi on vähem.
Ristpolariseerimine ei ole siiski maagiline lahendus, mis eemaldab igal objektil kõik probleemid. Tulemust mõjutavad materjal, pinna kuju, valgusallika asend, filtrite kvaliteet, kaamera seaded ja pildistamismetoodika. Väga tumedad, metallilised, läbipaistvad või tugevalt peegelduvad materjalid võivad jääda keeruliseks ka polariseeritud valgusega.
Vajuta suurel pildil, et avada see täisresolutsioonis.
Kaamera, objektiiv ja valgus määravad tulemuse
Fotogrammeetria kvaliteeti ei määra ainult megapikslite arv. Tähtsad on sensori kvaliteet, objektiivi teravus ja moonutused, ava, säriaeg, ISO, fookus, valgustus ning see, kui ühtlaselt ja süsteemselt objekt pildistatakse. Vale fookuskaugus või suur optiline moonutus ei muuda fotogrammeetriat võimatuks, kuid suurendab kalibreerimise ja rekonstrueerimise keerukust ning võib vähendada lõpptulemuse kvaliteeti.
Värvitäpsuse jaoks võib kasutada värvikaarti ehk ColorChecker-tüüpi referentsi, mille abil korrigeeritakse valge tasakaalu ja värve. Eriti oluline on see siis, kui 3D-mudel peab dokumenteerima objekti võimalikult tõetruu originaalvärvi.
Droonifotogrammeetria
Fotogrammeetriat saab teha ka droonidega. Sellisel juhul mõjutavad kvaliteeti drooni positsioneerimise täpsus, lennuplaan, fotode kattuvus, lennukõrgus, kaamera sensor, objektiiv ja valgusolud. Professionaalsetes töödes kasutatakse sageli RTK-positsioneerimist ja spetsiaalseid fotogrammeetriakaameraid.
Vertz 3D kasutab droonifotogrammeetria töödes DJI Zenmuse P1 kaameramoodulit. DJI järgi on P1-l 45 MP täiskaadersensor, vahetatavad fikseeritud fookuskaugusega objektiivid ning mehaaniline global shutter; süsteem on loodud fotogrammeetrilisteks mõõdistuslendudeks.
Tootja info: DJI Zenmuse P1
Vertz 3D – fotogrammeetria koos professionaalse 3D-skaneeringuga
Vertz 3D kasutab fotogrammeetriat nii iseseisva visualiseerimismeetodina kui ka professionaalse 3D-skaneeringu täiendamiseks. Töövoog valitakse vastavalt sellele, kas kliendi jaoks on peamine geomeetriline täpsus, fotorealistlik värviinformatsioon, 3D-print, interaktiivne veebimudel, digitaalne arhiiv või nende kombinatsioon.
Näide: Parvlaev Estonia vööriramp
Parvlaev Estonia vöörirambi dokumenteerimisel teostas Vertz 3D nii metroloogiaklassi 3D-skaneerimise kui ka eraldi fotogrammeetria. Fotogrammeetrias kasutati üle 1000 foto. 3D-skaneering andis kõrge täpsusega geomeetrilise alusmudeli ning fotogrammeetria abil koguti detailne värviinformatsioon. Hilisemas töötluses sai fotogrammeetria geomeetria asemel kasutada täpse 3D-skaneeringu mudelit ning kanda sellele üle värviinformatsiooni.
Selline hübriidne töövoog on oluline just keeruliste objektide puhul, kus ainult fotogrammeetria ei pruugi anda vajalikku geomeetrilist usaldusväärsust, kuid ainult skänneri värvikaamera ei pruugi anda soovitud tekstuurikvaliteeti.
Vertz 3D projekt: Parvlaev Estonia vöörirambi 3D skaneerimine ja fotogrammeetria
Vajuta suurel pildil, et avada see täisresolutsioonis.
Muud Vertz 3D fotogrammeetria ja 3D-digitaliseerimise näited
- ajaloolise viikingikirve fotogrammeetria Eestis tuntud ajaloolase tellimusel;
- vanade linna- ja linnusemakettide fotogrammeetria Rootsi projektis;
- jalanõude ja erinevate toodete fotogrammeetria ning tekstuuritöö;
- arheoloogiliste ja ajalooliste objektide värviinformatsiooni jäädvustamine.
Vertz 3D tööd
Fotogrammeetria projektid
Vali projekt, et näha selle lähteandmeid, töövoogu ja 3D-tulemusi.
Tartu linnuse makett
Vertz 3D digiteeris Rootsis muuseumis asuva 1686. aasta Tartu linnuse maketi fotogrammeetria ja laserskaneerimise abil.
Kuressaare linnuse makett
Kuressaare ehk Arensburgi 1686. aasta linnusemaketi fotogrammeetria ja laserskaneerimine koos säilivuse ning deformatsioonide dokumenteerimisega.
Tallinna linnuse makett
Tallinna ehk Revali 1682. aasta männist kindlusemaketi fotogrammeetria ja laserskaneerimine koos ajaloolise teksti ligipääsetava modalivaatega.
Daugavgrīva linnuse makett
Riia Daugavgrīva ehk Dünamünde kindluse ajaloolise maketi fotogrammeetria ja laserskaneerimine koos viiest 3D-pildist koosneva hero-galeriiga.
Viikingikirves
Viikingikirve fotogrammeetria ja 3D-skaneerimise projekt, mis eristab päris objekti fotosid, mõõdetud geomeetriat, shader'it ning tekstuurikaarte.
Fotogrammeetriast mängu- ja filmitööstuse 3D-varani
Fotogrammeetria abil saadud väga detailne 3D-mudel võib sisaldada miljoneid või kümneid miljoneid polügone. Selline mudel sobib hästi lähteandmestikuks ja offline-renderduseks, kuid reaalaja rakendustes - näiteks veebis või arvutimängus - on see sageli liiga raske. Seetõttu luuakse optimeeritud mudel, mille geomeetria on lihtsam, kuid mille visuaalne detailsus säilitatakse tekstuurikaartide abil.
High-poly, retopoloogia ja low-poly
Tüüpilises reaalaja 3D töövoos korrastatakse esmalt kõrge detailsusega lähtegeomeetria. Seejärel luuakse retopoloogia abil puhtam ja optimeeritud topoloogia. Kui mudel peab animeeruma, on retopoloogia eriti oluline, sest polügoonide voog peab toetama liigeste, näo ja teiste deformeeruvate piirkondade liikumist.
Optimeeritud mudelile tehakse UV-laotus. UV-laotus on 3D-pinna kahemõõtmeline kaart, mille abil saab mudeli pinnale paigutada tekstuure. Pärast UV-de loomist bake’itakse kõrge detailsusega lähtegeomeetriast madalama polügoonide arvuga mudelile näiteks normal map, ambient occlusion ja vajadusel displacement või height-informatsioon. Fotogrammeetria fotodest saadud värviinfo kasutatakse diffuse/base color ehk albedo-kaardi loomisel.
Miks tekstuurikaardid on vajalikud?
Tekstuurikaardid võimaldavad säilitada suure osa visuaalsest detailsusest ilma, et kogu detail peaks olema füüsiliselt modelleeritud geomeetriasse. Normal map muudab valgustuse arvutamisel pinna näivat suunda ja loob mulje väikestest lohkudest, pragudest ja ebatasasustest. Displacement- või height-kaart võib sobivas renderduslahenduses mõjutada geomeetria või pinna sügavuse esitust. Ambient occlusion aitab rõhutada väikeste õõnsuste ja kontaktalade varjutust. Base color/albedo kirjeldab objekti värvi ilma soovimatute valgustusefektideta.
Decimation ja detailitasemed (LOD)
Decimation vähendab polügoonide ja vertex’ite arvu, püüdes säilitada mudeli üldist kuju ja siluetti. See vähendab faili mahtu ning GPU-le ja mälule langevat koormust. Liiga agressiivne decimation hakkab siiski geomeetriat nähtavalt muutma: servad murduvad, siluett muutub ja väikesed vormid kaovad.
LOD (Level of Detail - detailsusaste) tähendus ja nummerdus sõltuvad valdkonnast, mitte konkreetsest töövoost. Mängu- ja filmitööstuses kasutatakse reaalaja 3D-mudelite puhul tavaliselt tasemeid LOD0, LOD1, LOD2, LOD3 jne: LOD0 on kõige detailsem mudel ning suurema numbriga tasemed on järjest lihtsustatud ja väiksema polügoonide arvuga variandid. BIM-is ja arhitektuuris kasutatakse LOD-i teise põhimõtte järgi. Seal tähistavad väärtused nagu LOD 100, LOD 200, LOD 300, LOD 350 ja LOD 400 mudelielementide arendus- ja informatsioonitaset; suurem number tähendab üldjuhul täpsemalt määratletud ja usaldusväärsemat mudelielementi. Ka GIS-is ja 3D-linnamudelites kasutatakse eraldi LoD-süsteeme. Näiteks CityGML 3.0 eristab geomeetrilise detailsuse tasemeid LOD0 kuni LOD3, kus suurem number tähendab detailsemat ruumilist esitust. Seetõttu ei saa mängutööstuse, BIM-i ja GIS-i LOD-numbreid omavahel üks-ühele võrrelda - sama lühend kirjeldab eri valdkondades erinevat detailsuse või arendusastme süsteemi.
UV-kaardid ja tekstuuri resolutsioon
UV-laotus määrab, kuidas 3D-pind paigutatakse 2D-tekstuuripildile. Tekstuuri resolutsioon - näiteks 2K, 4K või 8K - määrab, kui palju piksleid on pinna detailide kirjeldamiseks kasutada. Kõrgem resolutsioon võimaldab rohkem detaili, kuid suurendab faili mahtu ja videomälu kasutust. Kui UV-laotus on halb või tekstuur on mudelile valesti projitseeritud, võib tekkida texture stretching ehk tekstuuri venitus.
Shader ja renderdusmootor määravad, kuidas 3D-mudel välja näeb
Sama 3D-mudel võib eri programmides välja näha väga erinev. Renderdusmootor arvutab kaamera, valguse, materjalide ja geomeetria põhjal ekraanile lõpliku pildi. Shader ehk materjaliprogramm määrab, kuidas mudel valgusele reageerib ning kuidas kasutatakse base color, normal, roughness, metallic, ambient occlusion ja teisi tekstuurikanaleid.
3D-spetsialist seob tekstuurikaardid materjaliga, korrigeerib parameetreid ning loob vajadusel tausta, HDRI-keskkonna või eraldi valgusallikad. Seetõttu ei sõltu lõpptulemuse kvaliteet ainult fotogrammeetria mudelist. Sama oluline on materjalide ja valgustuse korrektne seadistamine renderdusmootoris.
Interaktiivsed 3D-vaated
Ava Estonia vöörirambi 3D-mudel
Need eraldi vaated avanevad interaktiivse 3D-mudelina.
Miks tuleb 3D-mudelit veebis optimeerida?
Brauseris kuvatava 3D-mudeli puhul on oluline tasakaal visuaalse kvaliteedi ja andmemahu vahel. Väga kõrge polügoonide arv, suured tekstuurid ja mitu materjalikaarti võivad muuta mudeli aeglaseks nii allalaadimisel kui ka GPU-s renderdamisel. Seetõttu kasutatakse veebimudelite puhul optimeeritud geomeetriat, tekstuuride pakkimist, sobivaid resolutsioone ja vajadusel LOD-lahendusi.
Näiteks Sketchfabi ametlikul hinnakirjal on Pro-plaani maksimaalne failisuurus ühe mudeli kohta 200 MB ning Premium- ja Enterprise-plaanil 500 MB. Sketchfab märgib, et sellesse mahtu kuuluvad mesh, tekstuurid ja muud mudeliga kaasas olevad failid. Piirangud on hea näide sellest, miks kõrge detailsusega skaneeringut või fotogrammeetria mudelit ei saa alati muutmata kujul veebivaaturisse üles laadida.
Sketchfabi plaanid ja piirangud: Sketchfab Plans & Pricing
Vertz 3D saab pakkuda ka kliendi enda veebimajutuses kasutatavaid renderdus- või interaktiivseid 3D-lahendusi. Sellise töövoo mõte on valida mudeli esitamise tehnoloogia vastavalt soovitud kvaliteedile, failimahule ja sellele, kuidas lõppkasutaja mudelit veebis vaatab.
Fotogrammeetria ja 3D-printimine
Fotogrammeetriast või 3D-skaneeringust saadud mesh ei ole automaatselt 3D-printimiseks valmis. Mudel võib sisaldada auke, kattuvaid kolmnurki, iselõikumisi, lahtisi servi, sisemisi pindasid või muid topoloogilisi vigu. 3D-printimiseks peab mudel olema üldjuhul suletud ehk watertight ning geomeetria peab olema prinditavaks tervikuks korrastatud.
Vertz 3D teostab vajadusel polügonaalseid parandusi, sulgeb mudeli, korrastab topoloogiat ja loob puuduvaid detaile. Sõltuvalt eesmärgist võib skaneeritud objekt minna otse mesh-põhisesse 3D-printi või olla alus uue CAD/SOLID mudeli loomiseks.
Näide: skulptuuri 3D-skaneering ja detailide loomine
Vertz 3D on skaneerinud skulptori töid ning teostanud mudelitele digitaalseid parandusi ja puuduvaid detaile, näiteks käsi, sõrmi, jalgu ja teisi elemente. Mudelid valmistati ette nii, et neid oleks võimalik suurendada, 3D-printida või kasutada järgnevas tootmisprotsessis.
Vertz 3D projekt: Skulptuuri 3D parandused ja detailide loomine
Näide: 1920. aasta uunikumi käsiku koopia
Katkise 1920. aasta uunikumi käsiku taastamisel skaneeris Vertz 3D originaaldetailid, teostas 3D-parandused ning valmistas SOLID mudelid. Mudel prinditi vahast ning vahamudelit kasutati pronksivalus. Pärast valamist teostati käsitööna viimistlus. See näide näitab hästi, kuidas 3D-digitaliseerimine võib olla ainult esimene etapp pikemas töövoos, mis ulatub mõõdistusest füüsilise koopia valmistamiseni.
Vertz 3D projekt: 1920. aasta uunikumi käsiku identse duplikaadi loomine
Miks fotogrammeetria töövoog tuleb valida eesmärgi järgi?
Fotogrammeetrial ei ole ühte universaalset seadistust, mis sobib kõigile objektidele. Muuseumiobjekti arhiveerimine, mänguvara loomine, hoone droonimõõdistus, tootefoto-laadne interaktiivne 3D-mudel ja 3D-printimiseks mõeldud lähtegeomeetria on erinevad ülesanded. Igaühel on erinevad nõuded geomeetriale, värvitäpsusele, tekstuurile, failimahule ja järeltöötlusele.
Seetõttu algab professionaalne fotogrammeetria küsimusest: mida klient soovib saadud andmetega edasi teha? Alles selle põhjal saab valida kaamera, objektiivi, valgustuse, polariseerimise, pildistamiskauguse, fotoresolutsiooni, rekonstrueerimise seaded, 3D-skaneeringu vajaduse, retopoloogia taseme ja lõpliku failiväljundi.