Metod_Fotogram

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до виконання лабораторних робіт з дисципліни “Основи архітектурної

фотограмметрії” для студентів напряму 6.1201 “Архітектура”

Затверджено на засіданні кафедри

архітектурних конструкцій. Протокол №9 від 8.04.2014р.

Львів – 2014

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисципліни “Основи архітектурної фотограмметрії” для студентів напрямку 6.1201 “Архітектура” / уклад. : Р. І. Кінаш, І. Ю. Бокало – Львів : Видавництво Львівської політехніки, 2014. – 28с.

2

Вступ

Фотограмметрія – це наука, що займається визначенням характеристик об’єктів, таких як форма, розмір, розміщення в просторі, за допомогою їх фотозображень (фотографій). Термін фотограмметрія походить з трьох грецьких слів: photos – світло, gramma – записувати, metreo– вимірювання, вимірювання за світловим записом. Вищенаведене визначення на початку XX століття вчені трактували як “вимірювальна фотографія”, тобто кількісні характеристики об’єкта (його розміри, форма, місце розташування) визначали на підставі вимірювання фотознімків.

Предметом цієї дисципліни є вивчення властивостей фотозображення, методів його отримання і вимірювання, розроблення приладів для вимірювання та перетворення фотозображень. Характеристики об’єкта можна вивчати за його зображенням як на одній фотографії, так і за парою взаємно перекриваючих фотографій, такі методи вивчення називаються відповідно

фотограмметричним та стереофотограмметричним.

Мета лабораторних робіт:

1.Калібрування фотографій архітектурних об’єктів для виконання обмірів.

2.Закріпити теоретичні знання та отримати практичні навики для виконання креслень фасадів будівель за допомогою їх фотографій.

1.Теоретичні основи фотограмметрії 1.1. Основні визначення фотограмметрії

Перші витоки фотограмметрії можна побачити у використанні художниками перспективи. Так у 1725 р. за перспективним зображенням М. А. Капеллер (Швейцарія) отримав карту Пілати, також ним було відзначено, що такий метод в десятки разів швидший за топографічне знімання. Виникнення фотограмметрії як науки відбулось після винайдення фотографії французами (1839 р.). На найвищий рівень фотограмметрія вийшла після перекладення монотонної вимірювальної та обчислюваної роботи на автоматичні пристрої та засоби (комп’ютери та програмне забезпечення), а випуском цифрових камер для аматорських та професійних робіт набула широкого прикладного застосування.

1.2. Фотограмметрія в архітектурі

До технологічного прориву в комп’ютерній сфері та цифровій фотографії, найширшого застосування фотограмметрія набула в геодезії і топографії під час картографування земної поверхні, а також у космічних дослідженнях для складання карт Місяця, Венери, Марса та інших небесних тіл. На початку виникнення фотограмметрії як науки були спроби використання її в архітектурі. Так в 1860 роках в Німеччині А. Майденбауер

3

(Maydenbauer) виконав обміри архітектурних об’єктів за фотографіями методом фотограмметричних засічок, та надалі цей метод для обмірів не прижився. А вже в 50-х роках ХХ ст. виникла галузь фотограмметрії, що має назву “архітектурна фотограмметрія”, який засобами фотограмметричного опрацювання зображень виконував багато архітектурних завдань. Так методом фотограмметрії в архітектурі сьогодні виконують такі роботи:

архітектурні обміри. Так продуктивність праці під час обмірних робіт складних споруд з використанням фотограмметрії зростає до 10–15 разів і більше, причому чим складніша споруда, тим більше підвищується продуктивність робіт. Вартість робіт знижується значно більшою мірою за рахунок унеможливлення необхідності побудови риштування для обмірних робіт, відрядження групи спеціалісті для виконання натурних робіт. Порівняльний аналіз планів і фасадів споруд, отриманих фотограмметричним методом, із планами, здобутими за натурними вимірюваннями, показує повну перевагу фотограмметричного методу за всіма техніко-економічними показниками: точністю, повнотою зображень, дослідження точності та монтажу під час або після побудови архітектурних споруд;

інвентаризаційна зйомка історичних архітектурних об’єктів та результатів їх дослідження (виготовлення паспортів на пам’ятки архітектури. Плани, фасади, перерізи);

фіксація інтер’єрів, архітектурних деталей, скульптур;

визначення якості будівництва;

дослідження деформацій на будь-яких архітектурних спорудах;

фіксація архітектурних пам’яток, виявлених археологічних методом;

історико-архітектурні реконструкції втрачених об’єктів, або визначення їх габаритів та розмірів за архівними знімками;

побудова 3D об’єктів: цінних архітектурних будівель, деталей, скульптури, а також руїн таких об’єктів.

Тобто фотограмметрію можна застосовувати в усіх натурних роботах архітектора, які передбачають обмірні та фіксаційні роботи, а також під час моделювання існуючих архітектурних об’єктів в цифрові 3D моделі.

1.3. Цифрова фотаграмметрія (технічні засоби, види цифрових фотограмметричних станцій, програмне забезпечення)

Цифрова фотограмметрія на відміну від аналогової та аналітичної, що опрацьовують фотознімок, працює з іншим типом зображення –цифровим знімком. Існує два способи отримання цифрового фотограмметричного знімка: сканування фотознімка; отримання цифрового зображення з використанням цифрової знімальної камери (системи). Для архітектурних обмірів останнім часом почали застосовувати методи обробки стереопар

4

цифровим методом на основі цифрових фотограмметричних станцій, що використовують геодезисти. Цифрова фотограмметрична станція – це система технічних і програмних засобів для опрацювання фотографічних і нефотографічних зображень, яка дає змогу отримувати кінцеву продукцію у цифровому, графічному або візуальному виглядах. Обробляють цифрові растрові знімки зазвичай в стереоскопічному режимі, з використанням спеціальних засобів: 3D-моніторів, звичайних моніторів зі стереоскопічною насадкою або звичайних моніторів зі стереоскопічними окулярами. Останній спосіб найчастіше застосовується в реальних виробничих системах, оскільки менше обмежує руху оператора в просторі і дає хороший стереоефект у великому діапазоні точок простору перед монітором.

Для геодезистів є низка таких ЦФС зокрема:

–ImageStation американської фірми Intergraph;

–швейцарської фірми Leica Geosystems;

–Delta українська фірма GeoSystem.

Для архітекторів, на жаль, поки що не розроблено спеціалізованих цифрових фотограмметричних станцій, при цьому є розроблено низку програмного забезпечення, за допомогою якого та цифрового фотоапарата можна виконувати обміри, будувати 3D моделі архітектурних об’єктів за цифровими фотознімками. Провідне місце в розробленні програмного забезпечення для архітекторів, що виконують побудову 3D об’єктів за їх фотографіями, посідає фірма Autodesk. Зокрема вона розробляє програми, як для спеціалістів високого рівня, так і для аматорів.

Програма Autodesk Project Photofly – створює 3D моделі об’єктів за фотографіями в віртуальному сервісі. Сервіс працює за таким принципом: користувач встановлює безкоштовний додаток Photo Scene Editor на свій комп'ютер, за допомогою цієї програми завантажує фотографії на сервер Autodesk, де вони обробляються і передаються на комп'ютер у вигляді готової моделі.

Програма Autodesk 123D Catch також створює 3D моделелі об’єктів за їх фотографіями. Ця програма також є віртуальним сервісом, але з можливістю деяких коректив. Через неї ми відсилаємо фотографії на віддалений сервер, де і відбувається вся обробка, єдина участь користувача є можлива на етапі калібрування зображення корегувати точність базових крапок на фотографіях, які не змогла розпізнати програма. Після обробки фотографій на сервері Autodesk користувачу приходить на почту 3D модель.

Програма ImageModeler 2009 пропонує архітекторам і дизайнерам новий підхід до 3D-моделювання, шляхом створення 3D-моделей з 2D цифрових фотографій або панорам. Програма окрім побудови точних 3D моделей і сцен автоматично накладає реалістичні текстури, вирізані з фотографій. Програма також дозволяє робити вимірювання між точками, а також дає змогу створювати фотомонтаж 3D прибудов чи нових об’єктів в

5

наявному середовищі (на фото) в маштабі. Крім того, ImageModeler 2009

пропонує підтримку для Autodesk, 3ds Max, Autodesk, Maya і AutoCAD.

Крім перелічених програм Autodesk, є ще низка сервісів та програм з побудови 3D моделей інших виробників, а саме:

–Hypr3D і My3DScanner – це два безкоштовні сервіси, які відрізняються від 123D Catch дещо менш деталізованими 3D-моделями в остаточному результаті. Обидва вимагають обов'язкової реєстрації і не потребують будь-якого втручання в процес побудови 3d моделі;

–Strata Foto 3D CX - за допомогою фотографій створює тривимірні моделі голів людей, а також тварин. Крім того в програмі можна виконати побудову практично будь-яких 3D - об'єктив. Для роботи програми необхідно сфотографувати об'єкт, модель якого ви хочете отримати, з різних сторін. Чим більше фотографій буде зроблено, тим кращого результату можна буде досягнути. Фотографування об'єктів рекомендується робити на спеціальному аркуші для калібрування, роздрукувати який можна безпосередньо з програми. Це дає Strata Foto 3D CX можливість визначити положення камери в тривимірному просторі для кожної фотографії. У програмі закладена підтримка популярних моделей фотоапаратів, завдяки чому Strata Foto 3D CX намагається скорегувати недоліки знімків, зумовлені особливостями камери, отже, підвищується точність 3D моделі;

–iModeller 3D Professional дозволяє створення 3D - моделі за завантажиними зображеннями об'єкта;

–Eos Systems Photomodeler Scanner - програма для створення та моделювання реального тривимірного простору за його зображеннями;

–PhotoTransformator Professional версія 3.3. Представляє програмний комплекс, призначений для обробки одиночного знімка і розв’язання фотограмметричних задач. Продукт розроблявся, насамперед, для виконання завдань архітектурної фотограмметрії. З урахуванням цього, філософія програми побудована так, щоб поєднати в межах одного продукту точні і теоретично суворі методи обробки цифрових фотозображень з прозорим інтерфейсом, зрозумілим не тільки фотограмметристам, а й неспеціалістам в цій галузі.

З вищепереліченого програмного забезпечення найбільшу точність побудови 3D-моделей та виконання обмірів об’єкта за його зображеннями дає програма ImageModeler 2009. Для створення 3D-моделей архітектурних об'єктів з фотографій в цій програмі, об'єкти повинні бути сфотографовані з різних ракурсів. Програма може знайти просторові координати будь якого 3D-об’єкта за його фотозображенням, для цього потрібно мінімум два фотознімки об’єкта з різних місць. Програма для створення 3D-об’єкта розраховує положення, орієнтацію та характеристики камери, з якої беруть фотографії. Також можливо створити модель з одної фотографії, але для цього

6

потрібно зазначити для програми на фотографії прямі кути та поставити глобальні осі орієнтування (х; у; z).

Інтерфейс програми ImageModeler дуже простий, а сама програма працює по-кроково, тобто, не виконавши першого рівня роботи, ви не зможете перейти на наступний рівень (тобто інструменти рівнів будуть готові для використання тільки після того, як ви правильно закінчите попередні роботи). Таких рівнів роботи (кроків) в програмі ImageModeler є шість, а саме:

1. Завантаження зображення (Loading). На цьому етапі роботи ви можете вибрати тип проекту, тобто, завантажити два типи зображень:

а) одне зображення (Loading>Images>Single) або серію зображень одного об’єкту (Loading> Images >Multiples) (рис.1);

Рис.1. Інструменти для завантаження зображень

б) одне панорамне зображення 360º (Loading>Panoramas>Single) або серію панорам одного об’єктa (Loading>Panoramas>Multiples); (рис.2).

Рис.2. Інструменти для завантаження панорам

2. Калібрування камери (Calibration). На цьому етапі роботи ви визначаєте 3D простір з 2D зображень для майбутніх ваших 3D об’єктів, а також калібруєте камери (основні параметри камери).

Якщо ваш проект має завантажену серію зображень або панорам одного об’єкта, то для калібрування фотокамери та побудови 3D просторо будуть відкриті (тобто активні) такі інструменти (рис.3):

Рис.3. Панель калібрування з інструментами для опрацювання декількох зображень

7

Якщо ваш проект має завантажене одне фото або панораму, то для калібрування фотокамери та побудови 3D просторово будуть відкриті (тобто активні) такі інструменти (рис.4):

Рис.4. Панель калібрування з інструментами для опрацювання одного зображення

3. Вимірювання відстаней та кутів (Measuring). На цьому етапі роботи можна за допомогою лінійки виміряти 3D відстані та кути на 2D зображеннях. Цей робочий етап доступний тільки в проектах, де завантажено серію зображень одного об’єкта або серію панорам. Під час роботи з одним зображенням цей рівень буде відсутній (рис.5).

Рис.5. Панель вимірування з інструментами

4. Створення 3D моделей (Modeling). На цьому етапі ви можете створювати та редагувати полігональні сітки.

Якщо ваш проект має завантажену серію зображень або панорам одного об’єкта, то для моделювання 3D об’єктів будуть відкриті (тобто активні) такі інструменти (рис.6):

Рис.6. Панель моделювання з інструментами (для декількох зображень об’єкта)

Якщо ваш проект має завантажене одне фото або панораму, то для моделювання 3D об’єктів будуть відкриті (тобто активні) такі інструменти

(рис.7):

8

Вихідні дані для роботи (див. табл. 1):

–8 зображень, зроблених з різних ракурсів одного об’єкта;

–контрольний промір для масштабування сцени;

5.Лр1-5

10