Wzorcowy proces digitalizacji 3D

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
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
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
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
Przykładowe obiekty 3D
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
Przykładowe obiekty 3D
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 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
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
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;
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
Techniki odwzorowania współrzędnych powierzchni 3D
Metoda triangulacji laserowej
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
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;
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
Techniki odwzorowania współrzędnych powierzchni 3D
Fotogrametria
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
Techniki odwzorowania współrzędnych powierzchni 3D
Metoda czasu przelotu wiązki
Parametry:
- objętość:
do kilkuset metrów;
- dokładność pomiaru:
do 4mm;
Lustro
- powierzchnie mierzone:
rozpraszające;
Lustro
Czujnik
Laser
Warszawa, 2 grudnia 2011
Lustro
półprzepuszczalne
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
Techniki odwzorowania współrzędnych powierzchni 3D
Metoda czasu przelotu wiązki
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
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;
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
Techniki odwzorowania współrzędnych powierzchni 3D
Metoda z oświetleniem strukturalnym
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
Techniki odwzorowania współrzędnych powierzchni 3D
Techniki specjalne
- interferometria (wysokie dokładności – rzędu
nanometrów, małe pole pomiarowe – rzędu kilku
milimetrów),
- holografia (aktualnie technika laboratoryjno naukowa),
- inne.
Warszawa, 2 grudnia 2011
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;
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
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.
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
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)
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
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 mm2);
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).
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
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!!!
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
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!
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
Etapy planowania i realizacji procesu skanowania 3D – specyfikacja założeń technicznych
Format danych końcowych
Chmura punktów
Warszawa, 2 grudnia 2011
Siatka trójkątów
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
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?
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
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.
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 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!
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
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!
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
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);
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
Proces skanowania 3D – metoda z oświetleniem strukturalnym
Pomiar (kierunkowy)
…
Przetwarzanie wstępne
Łączenie danych kierunkowych
Przetwarzanie końcowe i eksport
Obiekt wirtualny
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
Proces skanowania 3D – przygotowanie stanowiska pomiarowego (w pomieszczeniu)
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
Proces skanowania 3D – przygotowanie stanowiska pomiarowego (na zewnątrz)
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
Proces skanowania 3D – przygotowanie stanowiska pomiarowego (na zewnątrz)
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
Proces skanowania 3D – automatyzacja akwizycji danych kierunkowych
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
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
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
Proces skanowania 3D - łączenie danych kierunkowych
Chmury punktów pomierzone w różnych układach współrzędnych;
niezbędne jest wyznaczenie wzajemnych relacji pomiędzy tymi układami
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
Proces skanowania 3D - łączenie danych kierunkowych – sprzętowe – automatyzacja!
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
Proces skanowania 3D - łączenie danych kierunkowych – programowe – automatyzacja!
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
Proces skanowania 3D - łączenie danych kierunkowych – dokładne – metody ICP
ICP
Warszawa, 2 grudnia 2011
cICP
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
Przykładowe wyniki skanowania – GABINET CHIŃSKI w Wilanowie (2009)
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
Przykładowe wyniki skanowania – GABINET CHIŃSKI w Wilanowie (2009)
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
Przykładowe wyniki skanowania – GABINET CHIŃSKI w Wilanowie (2009)
Pomiar wykonany z ponad 400 kierunków – ponad 800 mln punktów
pomiarowych (2009/2011)
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
Proces skanowania 3D - przetwarzanie końcowe – upraszczanie i triangulacja
Z 31 milionów punktów, 400 tysięcy odwzorowuje powierzchnię
z dokładnością 0.03mm.
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
Proces skanowania 3D - przetwarzanie końcowe – upraszczanie i triangulacja
Każdy punkt chmury jest wierzchołkiem siatki
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
Proces skanowania 3D - Przetwarzanie końcowe – przygotowanie tekstury: z danych pomiarowych
Ważnym elementem procesu skanowania jest zapewnienie
właściwego odwzorowania barwy podczas realizacji pomiarów!!!
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
Wizualizacja 3D (lokalnie i przez internet) – OGX|Massive3D
Wizualizacja danych pomiarowych nieuproszczonych lokalnie a w
przyszłości przez internet – w czasie rzeczywistym!
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
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.
Warszawa, 2 grudnia 2011
Porównanie danych pomierzonych
w różnych chwilach czasowych (zaznaczanie
obszarów o odległościach większych niż zadany
próg, zmiana objętości, itp..)
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
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,
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
Wybrane techniki automatyzacji procesu przetwarzania danych: środowisko 3DMADMAC
- wyznaczanie pola powierzchni o zadanych parametrach (barwa, inne …)
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
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.
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
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.
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
Przyszłe prace – rozszerzenie parametrów pomiaru
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
Podziękowania
Podziękowania dla instytucji współpracujących:
- Muzeum Pałac w Wilanowie;
- Akademia Sztuk Pięknych w Warszawie;
- Muzeum Narodowe w Warszawie;
Warszawa, 2 grudnia 2011
Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D …
Dziękuję za uwagę!
Robert Sitnik
OGX|OPTOGRAPHX
Instytut Mikromechaniki i Fotoniki
Politechnika Warszawska
ul. Św. A. Boboli 8
02-525 Warszawa
Warszawa, 2 grudnia 2011
tel.: +48 22 234 86 30
fax: +48 22 234 86 01
[email protected]
http://ogx.mchtr.pw.edu.pl