Fotogrametria bliskiego zasięgu, jak sama nazwa wskazuje – to metoda dokumentacji 2D/3D oparta na bezpośrednim dostępie do obiektu, gdzie ważnym aspektem jest dystans pomiędzy nim a aparatem cyfrowym. Biorąc pod uwagę fakt, że na rynku pojawia się coraz więcej modeli aparatów o różnych parametrach ściśle kształtujących ich ceny, metoda ta ma nieustannie powiększające się grono zwolenników. Ze względu na potrzebę wykonania dokładnej i kompletnej dokumentacji trójwymiarowej jest to technika zdobywająca również zainteresowanie wśród specjalistów od opiniowania zdarzeń drogowych, rzeczoznawców samochodowy czy choćby firm ubezpieczeniowych. Na rynku jest wielu producentów oprogramowania do generowania modeli 3D ze zdjęć. Są to między innymi rozwiązania komercyjne jak np.: Pix4D, RealityCapture, 3DF Zephyr, PhotoModeler czy Agisoft MetaShape oraz programy działające na wolnej licencji ale wymagające dużego doświadczenia i sporej wiedzy z zakresu fotogrametrii od użytkownika (MicMac, OpenSfM).
Zadajmy więc pytanie: dlaczego warto zastanowić się nad takim rozwiązaniem i jak wygląda praktyczna strona stosowania fotogrametrii do dokumentacji pojazdów i infrastruktury drogowej?
Aby przybliżyć poruszaną problematykę, wykonamy testy korzystając z programu Agisoft MetaShape Standard. Agisoft to firma, której siedziba znajduje się w St. Petersburgu w Rosji i jest jedną z najlepiej rozpoznawalnych marek na rynku wśród specjalistów od pozyskiwania danych 3D. Grupa ekspertów Agisoft posiada wiele materiałów dydaktycznych oraz wspomagających użytkowników w realizacji zadań z zakresu generowania chmur punktów oraz tworzenia wysokorozdzielczych modeli na bazie zdjęć cyfrowych. Na oficjalnej stronie producenta (www.agisof.com) znajduje się forum, gdzie każdy może uzyskać pomoc oraz poszerzyć wiadomości z zakresu fotogrametrii oraz otrzymać rady w kwestii wykonywania prawidłowych zdjęć uwzględniając parametry i ustawienia aparatu. Jest to również potężna baza wiedzy dla producenta, która jest nieustannie analizowana pod względem tworzenia nowych aktualizacji rozbudowujących i ulepszających program. W dodatku wersja Standard posiada niską cenę w odniesieniu do możliwości jakie oferuje producent. A przecież to również jest ważny czynnik podczas decyzji o sposobie realizacji opinii.
Tworząc dokumentację 3D użytkownik musi posiadać podstawową wiedzę z zakresu techniki pozyskiwania obrazów cyfrowych rozważając wszelkie aspekty związane z wpływem warunków zewnętrznych i ustawień aparatu na jakość zdjęć, dbając przy tym o odpowiednią konfigurację przestrzenną obrazów podczas obfotografowywania obiektu. Jakakolwiek wada obrazu wpływająca na jego czytelność pozostawia widoczny odcisk na dokładności i jakości końcowego modelu 3D. Operator kamery powinien umiejętnie dobierać takie parametry jak czułość matrycy ISO, czas migawki czy otwór przysłony oraz w zależności od rodzaju obiektu poddanemu pomiarom powinien właściwie zaplanować sesję dokumentacyjną zachowując wszelkie standardy dla prawidłowej realizacji zadania metodą fotogrametrii.
Najważniejsze wytyczne, których należy przestrzegać to:
- unikanie fotografowania nieteksturowanych, błyszczących, silnie odbijających światło i przezroczystych obiektów (ewentualnie wykonywanie zdjęć w pochmurne dni oraz stosowanie filtrów polaryzacyjnych),
- unikanie niepotrzebnej treści na zdjęciu w postaci elementów znajdujących się przed i za fotografowanym obiektem,
- unikanie płaskich obiektów oraz powierzchni,
- przyjęcie stałej długości ogniskowej poprzez jej stabilizację, gdy jest taka możliwość np. poprzez przyjęcie minimalnej albo maksymalnej wartości co redukuje ryzyko jej zmiany podczas fotografowania (nie zaleca się używania ogniskowej większej niż 90 mm),
- utrzymanie przybliżonego poziomu jasności obrazów podczas fotografowania, co wpływa na proces łączenia zdjęć (ang. aligment proces),
- fotografowanie na najwyższej rozdzielczości oferowanej przez aparat,
- w miarę możliwości ustawienie najmniejszej wartości ISO (max. 400),
- zapewnienie właściwej głębi ostrości poprzez ustawienie otwory przysłony (f/stop: f/8-f/11).
Dodatkowe informacje można znaleźć w linku poniżej:
Uwzględniając powyższą treść przejdziemy teraz do przykładu obrazującego możliwości programu Agisoft MetaShape Standard dla dokumentacji 3D samochodu.
Pierwszy model pojazdu, który posłuży nam za przykład tworzenia trójwymiarowych, szczegółowych danych na temat jego stanu to powypadkowy samochód osobowy marki BMW serii 3 Compact:
Na parkingu, na którym znajdował się pojazd wykonano 115 zdjęć cyfrowych aby z maksymalną dokładnością odtworzyć jego front. Przyjęto aż 3 szeregi w celu zapewnienia kompletnego odwzorowania detali zarówno tych znajdujących się przy nawierzchni, na której stoi BMW oraz w miarę możliwości odfotografowanie najwięcej powierzchni górnej, wygiętej pokrywy maski auta. Rejestracja obrazów cyfrowych została dodatkowo wspomagana przez statyw oraz podłączony do aparatu wężyk spustowy, unikając efektu rozmazania pikseli na skutek dłuższego czasu naświetlania matrycy przy niskiej wartości ISO. Samochód został również pokryty magnetycznymi tarczkami wzorowanych na szachownicy nadając tym samym charakterystyczną teksturę na powierzchniach płaskich i pozbawionych charakterystycznych detali.
Po wykonaniu procesu maskowania zdjęć wykluczając obszary niepożądane w procesie obliczeniowym, optymalizacji wyników oraz generowaniu gęstej chmury punktów uzyskano model, którego zbiór był reprezentowany przez ponad 7 mln punktów:
Następnie przeprowadzono proces triangulacji punktów z pewnym stopniem uproszczenia dla efektywniejszego wyświetlania modelu na ekranie monitora, uzyskując tym samym siatkę mesh poddanej również korekcji stosując narzędzia udostępnione przez program Agisoft.
Końcowym etapem było nałożenie wysokorozdzielczej tekstury na siatkę mesh otrzymując finalny model uszkodzonego pojazdu, który jest gotowy do eksportu i zapisu na dysku lokalnym w celu jego dalszego użytkowania w innym programie posiadającym importer trójwymiarowych obiektów.
Warto jednak zwrócić uwagę na bardzo istotny element. Modele uzyskane w programie Agisoft MetaShape Standard generowane są w dowolnej skali, ponieważ program nie posiada żadnych informacji, które mógłby wykorzystać do nadania metryczności. Jest to związane z faktem, że opcja ta jest dostępna dla użytkowników wersji Professional, gdzie dodatkowo Agisoft rozpoznaje kody pierścieniowe albo umożliwia wprowadzenie własnych wartości długości pomiędzy zmierzonymi punktami na modelu, co zostaje uwzględniony w transformacji. Jednak i na to znaleźliśmy obejście!
Przed rozpoczęciem fotografowania obiektu użytkownik musi zmierzyć charakterystyczne długości na jego powierzchni lub w bezpośrednim otoczeniu tak aby były one również rozpoznawalne na wygenerowanym modelu 3D w programie. Dla przykładu można rozłożyć wokół obiektu tarczki pomiarowe (np. szachownice) lub narysować kredą krzyże, pomiędzy którymi zostaną zmierzone odległości. W trakcie pozyskiwania obrazów cyfrowych należy tak dokonać rejestracji danych aby prawidłowo zabezpieczyć obszary z naniesionymi markerami referencyjnymi. W ten sposób gotową chmurę punktów zapisujemy do formatu E57 i importuje do programu CloudCompare. Jest to darmowy program do pracy na chmurach punktów, który posiada narzędzie do przeskalowania modelu na podstawie znanych relacji odległościowych we wskazanych punktach charakterystycznych. Po transformacji otrzymuje się model w pełni metryczny, który ponownie zapisuje się w formacie E57 ale już jako produkt finalny.
A zatem jak wygląda sytuacja z generowaniem gęstych chmur punktów dla infrastruktury drogowej?
Na pierwszy rzut oka widać różnicę w odniesieniu do modelowania 3D pojedynczych obiektów, mianowicie w przypadku wykonywania fotografii skupiamy się na konkretnym wirtualnym punkcie centralnym, gdzie zadaniem jest pełne obfotografowanie obiektu z każdej stronie z dbałością o detale. Ale czy da się infrastrukturę drogową potraktować w ten sam sposób jak miało to miejsce dla pojazdu?
Jeżeli ktokolwiek miał styczność z dronami od razu jego odpowiedź będzie jednoznaczna: po co to robić jak można pozyskać zdjęcia z lotu ptaka i po problemie! Oczywiście, jest to jedna z metod na odtworzenie modelu 3D dużej powierzchni, natomiast wymaga posiadania bezzałogowego statku powietrznego oferującego dobrą kamerę cyfrową (np. Mavic 2 Pro) gdzie zakup sprzętu to koszt rzędu min. 6 tys. zł bez dodatkowych akcesoriów (baterie, walizka) oraz posiadanie licencji operatora drona VLOS (kurs ok. 2 tys. zł). Fotogrametria bliskiego zasięgu z wykorzystaniem naziemnych aparatów cyfrowych również ma na to pewne rozwiązanie. Nie jest to metoda łatwa i intuicyjna, wymagająca odpowiedniego podejścia w zależności od sytuacji, ale dająca możliwość pozyskania danych 3D stanowiących podkład pod realizację symulacji zdarzenia lub analizę nawierzchni w oparciu o chmury punktów.
Dokumentując drogę należy przyjąć pewien sposób realizacji zdjęć oraz ilość szeregów z odpowiednim pokryciem aby na bazie tych danych program mógł wygenerować model 3D. Ważne jest również aby w zakresie obszaru zdjęcia znajdowało się jak najwięcej treści związanej z powierzchnią docelową, nie zawierającą elementów niepożądanych (pojazdy, tło obejmujące inne części niż nawierzchnia drogi). Jeśli zaistnieje taka potrzeba to należy dokonać maskowania zdjęć wykluczając taką treść.
Jako przykład weźmiemy pod analizę proste skrzyżowanie:
W trakcie fotografowania oś celowa aparatu była skierowana na punk centralny skrzyżowania tak aby w kadrze ujęto maksymalnie powierzchnią drogi. Zadbaliśmy również aby pokrycie pomiędzy zdjęciami było większe niż 80%.
Wykonując przetwarzanie danych w Agisoft tak samo jak miało to miejsce w przypadku samochodu osobowego otrzymano gęstą chmurę punktów jako podkład pod symulację lub wizualizację zdarzenia. Również i w tym przypadku należało dokonać przeskalowania modelu w oparciu o szerokość odcinka drogi:
Warto zwrócić uwagę, że na gęstej chmurze punktów widoczne są sztucznie zaznaczone ślady hamowania kół pojazdu koloru białego aby uwidocznić, że również takie detale są rozróżnialne na tego typu danych.
Gotowe chmury punktów zaimportowano do programu V-SIM, gdzie na ich podkładzie wykonano przykładową symulację zaprezentowaną na poniższym filmie:
Podsumowując niniejszy wpis, jak widać na powyższych przykładach, tworzenie gęstych chmur punktów w sposób bardzo szczegółowy oddaje rzeczywisty charakter i stan obiektu na dzień wykonania fotografii. Ogromną zaletą takiego podejścia jest możliwość analizy modelu 3D nawet po dłuższym czasie, jeśli pojawią się nowe okoliczności, które należy uwzględnić podczas prowadzenia postępowania wyjaśniającego okoliczności danego zdarzenia. W każdym momencie taki model jest gotowy do zaimportowania do specjalistycznego oprogramowania, w którym można realizować pomiar geometrii lub interpretacje innych elementów modelu, w tym relacji przestrzennych pomiędzy zabezpieczonymi śladami, nadając nowy wymiar i jakość prowadzonego postępowania cywilnego bądź karnego.
Każdy z nas, kto rozpoczyna przygodę z fotogrametrią i programem Agisoft MetaShape Standard powinien odbyć szkolenie, które w sposób odpowiedni i szczegółowy przygotuje kursanta do stosowania tej metody dla wydawania specjalistycznych opinii opartych o modele 3D. Firma CYBID posiada w ofercie program szkoleniowy, które uwzględnia część teoretyczną oraz praktyczną stosowania fotogrametrii w pracy codziennej biegłego lub innych podmiotów zajmujących się dokumentacją 3D, m. in: firmy ubezpieczeniowe, rzeczoznawstwo majątkowe, uczelnie techniczne, archeologia, architektura, muzealnictwo etc.
Szkolenie zawsze jest dostosowane do najnowszej wersji programu Agisoft MetaShape Standard wraz z przygotowanymi ćwiczeniami praktycznymi, wspomagane konspektami obejmującymi omawiane zagadnienia. Przed rozpoczęciem kursu jego charakter i forma jest uzgadniana z zainteresowanymi (problematyka, dokumentacja, obiekty).
Poniżej link zawierający informację o szkoleniu:
https://cybid.com.pl/wp-content/uploads/2019/10/Tworzenie-modeli-3D-na-bazie-zdj%C4%99%C4%87.pdf
Życzymy samych sukcesów w tworzeniu wirtualnego świata 3D dla nowego wymiaru symulacji.