The use of 3D laser scanning technology in preservation of historical

Komentarze

Transkrypt

The use of 3D laser scanning technology in preservation of historical
NAUKA
SCIENCE
Meltem Vatan, M. Oğuz Selbesoğlu, Bülent Bayram
The use of 3D laser scanning technology
in preservation of historical structures
Wykorzystanie technologii skanowania 3D
w konserwacji obiektów zabytkowych
1. Introduction
1. Wprowadzenie
Historical structures and monuments are symbols
of the cultural identity and they constitute the
most important part of the cultural heritage. Besides their artistic value those buildings are open
to the public and to large assemble of people.
Most historical buildings were made of masonry
which is very complex. Depending on the construction period; geometrical typology, construction and organization of the structure, element size
and type of construction material used are diverse.
Safety and stability of historical structures are
of key importance when involved in conservation
and preservation studies. The stability and structural behavior depend on the geometry of the
building as well as its damage state. Before making any intervention decision, it is very important
to make safety evaluation of the building with a
multidisciplinary team of specialists on this field.
Geometrical survey of a structure is very important for both understanding the present state of
the structure including its damages and material
decays and modeling the structure for the structural analysis. Realistic modeling of historical
masonry structures for those purposes is not easy.
Deep knowledge of the geometry of the structure
and its elements is required for implementing the
appropriate model.
Different recording techniques exist to acquire
an accurate geometric data and description of the
building. Traditionally total stations are used to
record data of the structures. This is useful for
measuring edges or single point of interest but it is
Obiekty historyczne i zabytki są symbolami tożsamości kulturowej i stanowią najważniejszą część
dziedzictwa kulturowego. Posiadając wartość artystyczną są także dostępne dla publiczności i dużych
zgromadzeń. Większość budynków historycznych to
bardzo skomplikowane konstrukcje murowe. W zależności od okresu w którym powstały, mogą się
różnić typologią geometryczną, budową i systemem
konstrukcji, wielkością elementów i rodzajem stosowanego materiału budowlanego.
Problematyka bezpieczeństwa i stabilności konstrukcji historycznych jest niezwykle ważna w badaniach z zakresu konserwacji i ochrony. Stabilność
i praca konstrukcji zależą od geometrii budynku oraz
stanu jego zachowania. Przed podjęciem jakiejkolwiek decyzji o interwencji, trzeba koniecznie dokonać oceny bezpieczeństwa budynku z udziałem zespołu różnych specjalistów z tej dziedziny.
Badanie geometrii konstrukcji jest ważne zarówno dla zrozumienia obecnego stanu konstrukcji,
włącznie z uszkodzeniami i zniszczeniem materiału
oraz dla modelowania konstrukcji dla potrzeb analiz
konstrukcyjnych. W tym ostatnim przypadku, dokładne modelowanie historycznych konstrukcji murowych nie jest zadaniem łatwym. Przed przyjęciem
właściwego modelu analitycznego, konieczne jest
dogłębne poznanie geometrii konstrukcji i jej poszczególnych elementów.
Istnieją różne techniki inwentaryzacji pozwalające
na zebranie dokładnych danych geometrycznych i opisanie budynku. Tradycyjnie używa się w tym celu tachimetrów. Są one przydatne do pomiarów krawędzi
,
Praca dopuszczona do druku po recenzjach
Article accepted for publishing after reviews
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
659
not easy to acquire complex surfaces by this
method. Other techniques are close – range photogrammetry and laser scanning which are faster
and precise methods and also there are extensive
measuring and surveying techniques on this
field [1, 2].
The aim of this study is to point out the importance of realistic geometric modeling of historic
structures for evaluating the safety condition and
to discuss data acquisition methods using in preservation of historical structures and stress particularly on the laser scanning technology.
istotnych punktów, ale trudno zbadać tą metodą
złożone powierzchnie. Inne techniki to fotogrametria bliskiego zasięgu oraz skanery laserowe, które
są szybsze i dokładne, a także pozwalają na rozległe pomiary i badania [1, 2].
Celem tego badania było wykazanie wagi realistycznego modelowania geometrycznego budynków historycznych dla oceny stanu bezpieczeństwa oraz omówienie metod pozyskiwania
danych stosowanych w konserwacji historycznych
konstrukcji, ze szczególną uwagą poświęconą
technologii skanerów laserowych.
2. Importance of Accurate
Geometric Data for Evaluating the Safety
Condition of Historical Structures
2. Znaczenie dokładności pomiarów
geometrii dla oceny stanu bezpieczeństwa
konstrukcji historycznych
Historical buildings made of masonry are very
complex and to make the realistic model of the
overall geometry of a historical building is a difficult task. The geometry of those buildings as well
as structural elements, transition elements and
load transfer schemes vary depending on the construction period and organization of the structure
(fig. 1). Because of this variety each historical
building should be evaluated in its own condition.
The basic principle of the conservation is to understand the building as a whole.
The structural typology is important to make a
reliable approach and to choose the most appropriate intervention technique for the restoration
and preservation of historical buildings. Different
load bearing system, load transition system and
behavior of the whole building is directly related
to the structural typology. During the intervention
decision all these parameters should be taken into
account.
In seismic areas, beside the geometry of the individual building, if there exist, relation with the
other structures is very important in the behavior
of the historical structures. Even if the buildings
constructed in the same age and have the same
typology, isolated building has a different failure
mechanism than buildings in a row [3].
The first step of the study of the structural performance of masonry is providing the true data of
its geometry. Other parameters are dimension of
the elements, shape of the blocks, masonry texture, mortar quantity and quality, characteristics of
the section and homogeneity of the material [3].
It is obvious that almost all these required data
for the evaluation of the structural condition and
damage state of the building are related with the
geometrical data. Consequently preservation
works include (fig. 2):
Murowane budynki historyczne są bardzo skomplikowanymi konstrukcjami i przygotowanie wiernego i całościowego modelu historycznej budowli to
bardzo trudne zadanie. Geometria tych budynków
oraz ich elementy konstrukcyjne, wypełniające
i schematy przenoszenia obciążeń są bardzo różne
w zależności od okresu powstania i typu konstrukcji (rys. 1). Z powodu tej różnorodności każdy budynek historyczny powinien być analizowany indywidualnie. Podstawową zasadą konserwacji jest
zrozumienie budynku jako całości.
Typologia konstrukcji jest istotna dla wyboru
właściwego sposobu podejścia i wyboru optymalnej techniki interwencji w celu restauracji i konserwacji historycznych budynków. Różnorodne
schematy obciążeń i systemy ich przenoszenia
oraz zachowanie się całego budynku są bezpośrednio związane z typologią konstrukcji. Wszystkie te parametry należy uwzględnić przy podejmowaniu decyzji o interwencji.
Dla ochrony budynków historycznych położonych w obszarach sejsmicznych ważna jest nie tylko
geometria konkretnego budynku, ale także – jeśli
istnieje – powiązanie z sąsiednimi konstrukcjami.
Nawet jeśli budynki zbudowano w tym samym
okresie i mają one te same cechy typologiczne, wolno stojący budynek podlega innym mechanizmom
niż budynek usytuowany w pierzei [3].
Pierwszy krok w badaniu stanu konstrukcji
murowej to zebranie wiarygodnych danych o jej
geometrii. Inne parametry to wymiary elementów, kształt bloków, faktura muru, ilość i jakość
zaprawy, cechy przekroju i jednorodności materiału [3].
Jest oczywiste, że niemal wszystkie dane potrzebne do oceny stanu technicznego konstrukcji
są związane z danymi geometrycznymi. Dlatego
prace konserwatorskie obejmują (rys. 2):
660
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
Fig. 1. Examples of diverse typology of historical masonry structures in Istanbul
Rys. 1. Przykłady typów historycznych konstrukcji murowych w Istambule
Fig. 2. (a, b) Plan drawing and façade drawing of the historic building; (c) Crack pattern of the dome of the historic building; (d) FEM model
Rys. 2. (a, b) Rzut i elewacja budynku zabytkowego; (c) Rysy na kopule historycznej budowli; (d) Model MES
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
661
As built drawings of the existing building both
in plan, sections and facades;
 The texture of the facades;
 Damage state of the building (e.g. crack pattern, deterioration);
 If the detailed inspection is necessary, structural analysis of the building (e.g. FEM).
In the following, exciting different recording
techniques for obtaining those required data will
be described.
Dokumentację stanu faktycznego istniejących
budynków: rzuty, przekroje i elewacje;
 Teksturę fasad;
 Stan niszczenia budynku (np. zarysowania, uszkodzenia);
 Jeżeli konieczne jest badanie szczegółowe,
analizę konstrukcyjną budynku (np. MES).
W dalszej części artykułu zostaną opisane różnorodne dostępne techniki inwentaryzacji pozwalające na zebranie tych danych.
3. Architectural Modeling
of the Realistic Geometry
of the Exciting Building
3. Modelowanie architektoniczne
realistycznej geometrii
istniejących budowli
Numerical modeling of the real geometrical shape
of the historic building as part of safety evaluation
is the hardest step. Architects are traditionally
used to draw all necessary drawings through photos and manual measurements. In the traditional
method of numerical modeling of the existing
building, all structural elements have to be drawn
manually with several drawbacks. The process is
time consuming and forced labor; first the architectural plan drawings should be made then if it is
possible generating a 3D model through 2D drawings. Generally photos are used for generating the
3D model and inaccuracy of the photos could
result with different facades’ and section drawings. It is difficult to verify whether the result
model is accurate or not [4].
Recently photogrammetry became a widespread method in architecture, with developing
computer industry both software and hardware.
In comparison with traditional drawing and
modeling techniques, photogrammetry is faster
and more precise.
Photogrammetry is based on processing of
images by generating DTMs, DSMs, orthoimages, 2D and 3D reconstruction [5]. Total
station, metric cameras and laser scanning are
used as measurement techniques in photogrammetric method. Data collected from both of
these techniques is useful in architecture. By
this way, time and effort is reduced while making as built drawings in digital format.
Recently terrestrial laser scanning technology
became widespread in the field of documentation
of the historical heritage. Mobile and flexible optical 3D measuring systems based on techniques
as photogrammetry, fringe projection, laser scanning and combinations of those image based or
range based systems can successfully applied to
the measurement and virtual reconstruction of
cultural heritage [6]. 3D laser scanner is one of
Modelowanie numeryczne wiernego rzeczywistości
kształtu geometrycznego budowli historycznej jest
najtrudniejszym krokiem w procesie oceny bezpieczeństwa. Architekci są zwykle przyzwyczajeni do
rysowania całej dokumentacji na podstawie zdjęć
i ręcznych pomiarów. W tradycyjnej metodzie numerycznego modelowania istniejących budowli
wszystkie elementy konstrukcyjne trzeba modelować ręcznie i to kilku wersjach. Jest to czaso- i pracochłonny proces; najpierw trzeba przygotować rzut
budynku, a następnie, jeśli to możliwe, z pomocą
dodatkowych rysunków 2D (przekroje, elewacje),
wygenerować model. Zasadniczo do tworzenia modeli 3D używa się zdjęć i ich niedokładność może
prowadzić do błędów w dokumentacji elewacji
i przekrojów. Trudno zweryfikować, czy stworzony
w ten sposób model jest dokładny czy nie [4].
W miarę rozwoju sprzętu i oprogramowania
komputerowego, w ostatnich latach popularną
wśród architektów metodą stała się fotogrametria,
która jest szybsza i dokładniejsza niż tradycyjne
techniki inwentaryzacji i modelowania.
Fotogrametria opiera się na przetwarzaniu obrazów w celu tworzenia numerycznych modeli terenu,
ortofotomap, rekonstrukcji dwu- i trójwymiarowych
[5]. Totalstation, kamery metryczne i skanery laserowe to techniki pomiaru stosowane zwykle w metodzie fotogrametrycznej. Dane zebrane za pomocą
tych technik są przydatne w architekturze: w ten
sposób oszczędza się czas i wysiłek poświęcony na
dokumentację stanu faktycznego w formie cyfrowej.
Ostatnio, w dziedzinie dokumentacji dziedzictwa
historycznego popularną technologią stało się naziemne skanowanie laserowe. Mobilne i wygodne
trójwymiarowe, optyczne systemy pomiarowe, oparte na takich technikach jak fotogrametria, triangulacja optyczna, skanery laserowe, a także połączenia
technik pomiaru opartych na analizie obrazu i pomiarze odległości, mogą być doskonale stosowane do inwentaryzacji i wirtualnych rekonstrukcji

662

Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
Fig. 3. The data set obtained from laser scanner of the Kovukkemer aqueduct (a) Photo of the aqueduct, (b) 3D point clouds, (c)
The west façade of the aqueduct [7]
Rys. 3. Zestaw danych uzyskanych w procesie laserowego skanowania akweduktu Kovukkemer (a) Zdjęcie akweduktu,
(b) chmura punktów 3D, (c) zachodnia elewacja akweduktu [7]
the tools for survey documentation of the overall
building in the accurate way. The importance of
3D laser scanning is providing a full surface description instead of measuring some specific
points. After an extensive processing phase, the
collected data can be used to derive 2D drawings,
3D models useful for architectural drawings and
numerical modeling of structural analysis (fig. 3).
3.1. Laser Scanners
Due to its simplicity, speed and capability of its
use in the extensive applications; laser scanning is
getting great interest recently. Laser scanners acquire realistic data of objects by measuring thousands of points with high accuracy in a time efficient way. By extensive processing phase the collected data can be used to construct 2D or 3D
models useful in a wide variety of applications.
Triangulation based, time of flight based and
phase difference based laser scanner principles
exist. Triangulation lasers are the devices that
project a laser line or pattern onto an object and
measure the deformation of that pattern using a
visible sensor to determine the geometry of the
object. Time of flight scanners compute by measuring the timeframe between sending a short laser
pulse and receiving its reflection from an object.
These two types of scanners are relatively slow
but can measure points up to 1 km from the scanner without loss of accuracy. Phase based scanners
use a modulated continuous laser wave instead of
laser pulses allowing for faster measuring, but the
range of these scanners is limited to approximately 50 – 80 m [2].
Laser scanners have been available for over ten
years, but in the last three years their beneficial
dziedzictwa kulturowego [6]. Trójwymiarowy skaner
laserowy to jedno z narzędzi pozwalających na sporządzenie dokładnej inwentaryzacji budynku jako
całości. Ważne jest, że trójwymiarowe skanowanie
laserowe pozwala na pełen opis powierzchni, a nie
tylko pomiar specyficznych punktów. Po przetworzeniu, zabrane dane można wykorzystać do tworzenia
rysunków 2D i modeli 3D, które mogą być pomocne
w przygotowywaniu dokumentacji architektonicznej
i modeli dla numerycznej analizy konstrukcji (rys. 3).
3.1. Skanery laserowe
Dzięki swej prostocie, szybkości i szerokim możliwościom zastosowania skanowanie laserowe budzi
ostatnio ogromne zainteresowanie. Skanery laserowe
dają realistyczne dane na temat obiektów dzięki bardzo dokładnym pomiarom tysięcy punktów wykonanym w stosunkowo krótkim czasie. W procesie przetwarzania, zebrane dane mogą być użyte do opracowania modeli dwu- i trójwymiarowych, przydatnych
w bardzo wielu zastosowaniach. Skanery laserowe
mogą opierać się na zasadzie triangulacji, na zasadzie
czasu powrotu odbitego sygnału lub różnicy fazowej.
Lasery triangulacyjne to urządzenia, które przenoszą
laserową linię lub wzór na obiekt i mierzą stopień
deformacji wzoru i w ten sposób ustalają geometrię
obiektu. Skanery działające na zasadzie czasu powrotu odbitego sygnału opierają się o pomiar czasu pomiędzy wysłaniem krótkiego sygnału laserowego,
a odebraniem jego odbicia od obiektu. Te dwa typy
skanerów są stosunkowo wolne, ale mogą zmierzyć
nawet punkty oddalone o 1 km, nie tracąc przy tym na
dokładności. Skanery fazowe wykorzystują modulowaną ciągłą wiązkę laserową zamiast krótkich sygnałów, co pozwala na szybki pomiar, ale zasięg takich
skanerów nie przekracza 50 – 80 m [2].
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
663
Skanery laserowe są dostępne od ponad dekady,
applicability and improvements move forward.
The improvements in software applications to ale ostatnie trzy lata przyniosły duży rozwój ich zastohandle and visualize the point clouds in an effec- sowań i jakości. Rozwój oprogramowania służącego
do efektywnej, wydajnej
tive and efficient way
obsługi i wizualizacji chmur
have created a new era
punktów zapoczątkował
in surveying which is
nową erę w dziedzinie
called “High Definition
pomiarów, zwaną „poSurvey” – HDS. Using
miarami wysokiej rozHDS technology the
dzielczości” („High Definiphysical reality can be
tion Survey” – HDS). Za
captured in an efficient,
pomocą technologii HDS
accurate and reliable
można dokumentować
way. Inaccurate or
stan rzeczywisty w spoeven wrong as built
sób wydajny, dokładny
information was and
i wiarygodny. Niedokładstill is a big problem
ne lub nawet błędne dane
for the architects. State
o stanie faktycznym były
of the art laser scanners
Fig. 4. Pink Pavilion
i nadal są poważnym proare capable to generate
Rys. 4. Różowy Pawilon
blemem dla architektów.
today in a very short
time huge data sets. In order to be able to manage Najnowocześniejsze skanery laserowe mogą dziś
this huge data set, totally new approaches and tworzyć ogromne zbiory danych w bardzo krótkim
concepts are developed. HDS supporting genera- czasie. Opracowuje się zupełnie nowe podejścia i kontion of the data and results with solutions tailored cepcje, aby zarządzać tymi dużymi zbiorami. HDS
specifically to the user and combines and inte- wspomaga generowanie danych i wyników zindywigrates various scanning technologies and different dualizowanymi rozwiązaniami, łącząc i integrując
software modules [8]. Figure 4 shows an example różne technologie skanowania i moduły oprogramoof HDS data obtained by Leica.
wania [8]. Rys. 4 przedstawia przykład danych HDS
The manner of using laser scanner is: filtering zebranych za pomocą Leica.
of every point for noise removal, removing of
Tryb opracowywania danych uzyskanych w proredundant points, generating a mesh and if there cesie skanowania laserowego jest następujący: filexist, filling of small holes by using curvature trowanie chmury punktów w celu eliminacji szubased filling algorithm [2].
mów, usuwanie zbędnych punktów, generowanie
modelu siatkowego oraz uzupełnienie nieciągłości w
3.2. The Case Study of the Pink Pavilion
modelu za pomocą algorytmu wypełniania śleIn this paper Pink Pavilion is chosen as a case dzącego zakrzywienia powierzchni [2].
study which is one of the Yildiz Palace’s build3.2. Studium przypadku Różowego Pawilonu
ings (fig. 5). Yildiz Palace is a vast complex of
former imperial Ottoman pavilions and villas in W tym artykule, jako studium przypadku wybrano
Istanbul built in the late 19th and early 20th cen- Różowy Pawilon, który jest jednym z budynków w zeturies. It was used as residence by the Sultan spole pałacowym Yildiz (rys. 5). Pałac Yildiz (Pałac
and his court. Pink Pavilion is a timber weekend Gwiazd) to rozległy kompleks pawilonów i willi
dwelling constructed for Ottoman princes in the w Istambule, powstały pod koniec XIX i na początku
XX w. Służył jako rezydencja otomańskiego sułtana
late 19th century [9].
In this study geodetic measurement and pho- i jego dworu. Różowy Pawilon jest niewielką drewtogrammetric method are used and results are nianą budowlą wzniesioną jako pawilon rekreacyjny
compared. 1/200 scaled stereo photos have dla otomańskich książąt pod koniec XIX w. [9].
W ramach opisywanego projektu wykonano potaken by using Rolley Metric camera in the photogrammetric method and geodetic measure- miary geodezyjne oraz fotogrametryczne, a następments have done by using 1+2 ppm precise To- nie porównano wyniki. W ramach metody fotogrametrycznej wykonano zdjęcia stereo w skali 1/200
tal Station.
The Pink Pavilion building has been scanned za pomocą kamery Rolley Metric, zaś pomiary geoby Mensi GS100 laser scanner from 15,25m with dezyjne wykonano za pomocą TotalStation o do1cm point density by sending two pulses to each kładności własnej 1+2 ppm.
Budynek Różowego Pawilonu został także zeskacontrol point. Control points on the façade were
664
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
Fig. 5. Data obtained from the scanning process
Rys. 5. Dane uzyskane w procesie skanowania
Fig. 6. Mesh generation model of the Pink Pavilion
Rys. 6. Model Różowego Pawilonu z wygenerowanej siatki
chosen by paying attention to the desired details
and avoiding obstacles. Register process hade
made by using Mensi – Real Works software (figure 5) and the mesh generation was made by using
trial version of Geomagic software (figure 6).
Photogrammetric orientation and evaluation have
made by Workstation software.
Through point clouds 3D model was generated by using 3D Studio Max software. All extent data of the building can be obtained from
this model.
As a result of this study data obtained from
geodetic measurements and photogrammetric
method are compared. Consequently, geodetic
point clouds in the stereo absolute orientation
and point clouds in the registration process
are different. Through the data of table 1 the
formula (1) and (2) are calculated and differences of the accuracy between geodetic measurements and photogrammetric method are
derived.
nowany skanerem laserowym Mensi GS100 z odległości 15,25 m przy gęstości punktów 1 cm poprzez
wysłanie dwóch impulsów do każdego punktu kontrolnego. Punkty kontrolne na fasadzie zostały wyznaczone tak, aby uwzględnić istotne szczegóły
i uniknąć przeszkód. W procesie rejestracji użyto
oprogramowania Mensi – Real Works (rys. 5), a model siatkowy wygenerowano za pomocą ewaluacyjnej
wersji oprogramowania Geomagic (rys. 6). Do orientacji i opracowania fotogrametrycznego wykorzystano oprogramowanie Workstation.
Z chmury punktów wygenerowano model 3D za
pomocą oprogramowania 3D Studio Max. Z modelu tego można uzyskać wszystkie dane o wymiarach budynku.
Wynikiem badań było porównanie danych uzyskanych za pomocą pomiarów geodezyjnych z danymi uzyskanymi metodą fotogrametryczną. Jak należało przewidywać, otrzymane wyniki różniły się. Podstawiając dane z tabeli 1 do wzorów (1) i (2), wyliczyć można różnice w dokładności między pomiarami geodezyjnymi i metodą fotogrametryczną.
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
665
d xyz  ( x geo  x pocl ) 2  ( y geo  y pocl ) 2  ( z geo  z pocl ) 2
(1)
d xyz  ( x stereo  x pocl ) 2  ( y stereo  y pocl ) 2  ( z stereo  z pocl ) 2
(2)
Tab. 1. The difference between Geodetic coordinates and point clouds; and stereo model coordinates and point clouds
Różnice między geodezyjnymi współrzędnymi i chmurami punktów a współrzędnymi i chmurami punktów
modelu stereo
Geodetic Coord-Point Cloud Coord
Współrzędne geodezyjny-Współrzędne chmury punktów
dX (mm)
dY (mm)
dZ (mm)
dX (mm)
dY (mm)
dZ (mm)
-13
14
-12
11
-19
-16
-6
11
-5
6
-14
-2
11
-24
15
-23
-21
3
-9
-5
-13
10
-9
-4
18
24
11
8
17
14
14
-19
-12
22
-10
4
20
19
12
14
10
9
-23
-18
20
-10
-12
11
22
16
-14
4
13
-5
22
23
17
5
12
14
-17
17
15
-6
13
10
10
7
25
14
14
10
-12
8
21
8
-8
8
-26
-13
6
-10
-21
1
-22
19
5
-32
8
-7
12
21
17
-2
8
4
25
24
-11
13
17
-3
19
13
-5
10
1
7
-8
-24
-7
-14
-6
-11
-17
-11
12
-9
3
5
-12
-22
-21
4
-4
-9
-21
-25
-14
-9
-11
-8
20
-23
12
14
-15
6
-9
-13
15
-2
1
8
-16
-10
5
-2
-12
16
According to the calculation of the formulas
above, the max difference between geodetic coordinates and point clouds is 26 mm; and the max
difference between stereo model coordinates and
point clouds is 42 mm. So, the average difference
between geodetic measurements and photogrammetric method is 34 mm.
The main reason of those different resulting
values is choice of 1 cm point density. Mensi
GS100 laser scanner is capable to work with 2
mm point density. The choice of min value point
density has advantages and disadvantages. Min
point density value give more precise measures,
but processing and 3D modeling are not time efficient procedures.
Due to the fact that the Pink Pavilion building
is timber structure and has flat façade 1 cm point
666
Stereo Model Coord-Point Cloud Coord
Współrzędne modelu stereo-Współrzędne chmury punktów
Z powyższych wyliczeń wynika, że maksymalna różnica między współrzędnymi geodezyjnymi
a chmurami punktów wynosi 26 mm, a maksymalna różnica między współrzędnymi modelu stereo
a chmurami punktów wynosi 42 mm. Oznacza to,
że przeciętna różnica między pomiarami geodezyjnymi a metodą fotogrametryczną wynosi 34 mm.
Główną przyczyną różnic w uzyskanych wartościach jest wybór gęstości skanowania jako 1 cm.
Skaner laserowy Mensi GS100 może pracować przy
gęstości punktów 2 mm. Wybór minimalnej wartości gęstości punktów ma swoje zalety i wady. Minimalna wartość gęstości punktów daje bardziej precyzyjne pomiary, ale przetwarzanie i modelowanie
trójwymiarowe są bardziej czasochłonne. Ponieważ
Różowy Pawilon jest konstrukcją drewnianą i ma
płaską fasadę, gęstość skanowania 1 cm była wła-
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
density was appropriate in this study. If architectural as built drawings are required, it is obvious
that in comparison with manual measures both
results are satisfying.
ściwa dla opisywanego przypadku. Jeśli wynikiem
prac ma być architektoniczna dokumentacja stanu
faktycznego, oczywiste jest, że w zestawieniu z pomiarami ręcznymi oba wyniki są satysfakcjonujące.
4. Conclusion
4. Wnioski
Conservation of cultural heritage as well as historical heritage and forward it to the future generation is human imperative. Properly documentation
is the main issue of the preservation.
Photogrammetric methods or techniques are successfully used to document historic buildings since
many years. Many different recording techniques are
available and widely used on this field. By the recent
developments in the field of computer technology it
is possible to create as built survey documentation in
a very time efficient and accurate way. Especially,
the emerging of laser scanning technology offers
effective, accurate and fast capturing of as built information and subsequent efficient utilization of the
captured data for engineering tasks and purposes.
Laser scanning technology combines and integrates
various data and different software modules which
facilitate the digital reconstruction and making realistic models. This integration supports data handling
and delivering of the results to the various applications in an effective way.
In this paper an attempt was made to explain the
state of the art of documentation techniques and the
importance of the accurate geometric survey in the field
of preservation and conservation of cultural heritage.
Photogrammetry as a tool for acquiring geometric data
is being used for years. Nevertheless it is possible to
say that there is necessity of much work and collaboration among researchers from different research disciplines involved in historical heritage. Progress, already
performed studies and also requirement of the improvements on this field can be listed as follows:
 Lots of researches and studies have been carried out on the field of using photogrammetry
in architecture, particularly for acquiring geometrical data, making 3D models and generating as built drawings. In the comparison between photogrammetric method and laser
scanning method it is obvious that relatively
those methods have advantages and disadvantages. More precise and accurate data could be
obtained by integration of both methods.
 The use of accurate geometrical data for structural analysis objectives is the main application
in case of preservation of historical structures.
The main goal is to convert point cloud data to
2D or 3D model and into usable information
for the structural analysis.
Ochrona dziedzictwa kulturowego i historycznego
jako przekazywanie tego dziedzictwa kolejnym pokoleniom jest powinnością człowieka. Właściwa dokumentacja to główna kwestia w procesie konserwacji.
Metody lub techniki fotogrametryczne są od lat
używane z sukcesem do dokumentowania historycznych budynków. W tej dziedzinie istnieje wiele technik inwentaryzacyjnych i są one powszechnie używane. W ostatnich latach, dzięki rozwojowi technologii
komputerowej, możliwe jest efektywne czasowo tworzenie szczegółowej dokumentacji stanu istniejącego.
Szczególnie nowa technologia skanowania laserowego umożliwia skuteczne, dokładne i szybkie zebranie
informacji o stanie faktycznym, a następnie efektywne zastosowanie zebranych danych w zadaniach inżynieryjnych. Technologia skanowania laserowego łączy i integruje różne dane i różne moduły oprogramowania, które ułatwiają cyfrową rekonstrukcję i tworzenie wiernych rzeczywistości modeli. Taka integracja efektywnie wspomaga przetwarzanie danych i ich
udostępnianie dla różnorodnych zastosowań.
W prezentowanym artykule podjęto próbę opisu
aktualnego stanu wiedzy na temat technik dokumentacji i znaczenia dokładnych pomiarów geodezyjnych
dla konserwacji i ochrony dziedzictwa kulturowego.
Fotogrametria jest narzędziem pozyskiwania danych
geodezyjnych używanym już od wielu lat. Można
jednak powiedzieć, że potrzeba dużo pracy i współpracy naukowców z różnych dyscyplin związanych
z ochroną dziedzictwa kulturowego. Postęp, wykonane już badania oraz potrzeby udoskonalania tej metody można podsumować następująco:
 Wielu badaczy i wiele badań podejmowało kwestię wykorzystania fotogrametrii w architekturze,
szczególnie do uzyskiwania danych geometrycznych, przygotowania modeli 3D i rysunków inwentaryzacyjnych. Porównanie metody fotogrametrycznej z metodą skanowania laserowego
dowodzi, że obie mają swoje zalety i wady. Integracja obu tych metod może dostarczyć więcej
bardziej precyzyjnych danych.
 Wykorzystanie dokładnych danych geometrycznych do analizy konstrukcyjnej to główne
zastosowanie w dziedzinie konserwacji budowli historycznych. Głównym celem jest przekształcenie danych z chmury punktów w modele dwu- i trójwymiarowe oraz w informacje
przydatne w analizach konstrukcyjnych.
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
667
It is possible to create as built survey documentation in a very time efficient and accurate way
by using laser scanning technology, although
the post processing of laser scan data still requires a lot of manual work. It is beneficial due
to enabling a full surface description instead of
measuring only specific points as with total
station survey. Façade drawings and sections
can be easily extracted.
 The use of acquired data by laser scanning
is not limited to one application (e.g. as
built drawings), but it can be integrated and
exported to different software modules for
using in different tasks (AutoCAD, MicroStation etc.). Behind, it can be used also for
3D virtual modeling, heritage archiving, deformation and damage monitoring of the
historical structures. Integration between
different tools and soft wares still need improvements. Integration of the methodology
within a decision tool platform by means of
a common platform is the focus for future
research.
 Although laser scanning is an evolving technology, data processing and conversion is still
time consuming task. Automation is possible
but requires specific user algorithms.
 The development of the software functionality
allows managing and visualizing billions of
data points in an interactive mode. The capability to handle large data sets offer to combine
data from different sources and measurement
techniques in a single data set and make the resulting point clouds more valuable for many
applications.
 Accurate and reliable data to be used in the
FEM analysis can be generated through the laser scanning data. However, this process needs
to develop through joint work of architects,
civil engineers and photogrammetry specialists
interested in this field.
 HDS is the new way in reality capturing and
will change the way of interacting with a geometrically correct and complete representation
of reality.
The development of computer technology, tools,
workflows and methodologies in the field of accurate data acquisition and the way of capturing reality
will continue. In the field of preservation of historical heritage, by means using of laser scanner data,
interdisciplinary researches and studies are indispensable.

668
Inwentaryzacja za pomocą technologii skanowania laserowego daje dokładne wyniki
w krótszym czasie, pomimo iż późniejsze
przetwarzanie danych ze skanowania jest
nadal procesem czasochłonnym. Technologia
ta jest pomocna, ponieważ pozwala na opis
całej powierzchni, a nie tylko na pomiar poszczególnych punktów, jak w przypadku TotalStation. Można łatwo uzyskać widoki elewacji i przekroje.
 Wykorzystanie danych uzyskanych za pomocą skanera laserowego nie ogranicza się do
jednego celu (np. dokumentacja stanu faktycznego), można je integrować i eksportować do różnych modułów oprogramowania
i stosować do różnych zadań (AutoCAD,
MicroStation itp.). Poza tym, można je wykorzystać do tworzenia wirtualnych modeli
trójwymiarowych, archiwizacji dziedzictwa,
monitoringu zniekształceń i uszkodzeń konstrukcji historycznych. Integracja różnych
narzędzi i programów nadal wymaga wiele
pracy. Integracja metodologii na poziomie
narzędzi decyzyjnych na wspólnej platformie
to centralny punkt przyszłych badań.
 Chociaż skanowanie laserowe to rozwijająca
się technologia, przetwarzanie i konwersja danych to nadal czasochłonne zadanie. Możliwa
jest automatyzacja, ale wymaga ona specyficznych i zindywidualizowanych algorytmów.
 Rozwijanie funkcjonalności oprogramowania
pozwala na zarządzanie i interaktywną wizualizację miliardów punktów. Możliwość obsługi wielkich zbiorów danych umożliwia łączenie danych z różnych źródeł i technik pomiaru
w jednym zbiorze danych, a uzyskane w ten
sposób chmury punktów są przydatne w wielu
zastosowaniach.
 Dokładne i wiarygodne dane do wykorzystania
w analizach MES można uzyskać z danych
skanowania laserowego, ale proces ten musi
być rozwijany we współpracy architektów, inżynierów i specjalistów fotogrametrii pracujących w tej dziedzinie.
 HDS to nowa technologia dokumentowania
stanu rzeczywistego, która odmieni sposób interakcji z geometrycznie poprawnym i wiernym odwzorowaniem rzeczywistości.
Rozwój technologii komputerowej, narzędzi,
algorytmów i metodologii w dziedzinie pozyskiwania dokładnych danych i dokumentowania stanu faktycznego bynajmniej się nie zakończył. W
dziedzinie ochrony historycznego dziedzictwa z
pomocą danych ze skanerów laserowych niezbędne są dalsze interdyscyplinarne studia i badania.

Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
References • Literatura
[1] Boeykens S., Santana M., Neuckermans H., Improving Architectural Design Analysis Using 3D
Modeling and Visualisation Techniques, In: Proceedings of the 14th International Conference on
Virtual Systems and Multimedia – VSMM, Cyprus 2008.
[2] Schueremans L., Van Genechten B., The Use of 3D Laser Scanning in Assessing the Safety of Masonry Vaults – A Case Study on the Church of Saint Jacobs, Optics and Lasers in Engineering
(Journal of Elsevier), 2009, 47, 329 – 335
[3] L. Binda, A. Saisi, Research on Historic Structures in Seismic Areas in Italy, Journal of Wiley Inter
science, 2005 (www.interscience.wiley.com) DOI: 10.1002/pse.194
[4] Debevec P.E., Modeling and Rendering Architecture from Photographs, University of California –
Berkeley, PhD Dissertation, 1996.
[5] Baltsavias P.E., A Comparison Between Photogrammetry and Laser Scanning, ISPRS Journal of
Photogrammetry & Remote Sensing, 1999, 54, pp. 83-84.
[6] Przybilla H.J., Peipe J., 3D Modeling of Heritage Objects by Fringe Projection and Laser Scanning
Systems, XXI International CIPA Symposium, Athens, Greece, 2007.
[7] Vatan M., Arun G., Using Photogrammetric Data for Establishing 3D Finite Element Model of a Masonry Aqueduct, In: Proceedings of the XX. CIPA International Symposium, Torino, Italy, 2005.
[8] Erwin F., Kung J., Bukowski R., High – Definition surveying (HDS): A New Era in Reality Capture, International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences,
2004, Vol. XXXVI – 8/W2.
[9] Encyclopedia of Istanbul (Dünden Bugüne İstanbul Ansiklopedisi), Volume 7, History Foundation of
Turkey and Ministry of Culture and Tourism (Tarih Vakfi ve Kültür ve Turizm Bakanlığı), Istanbul 1994.
[10] Selbesoglu M.O., Demet A., Yersel Lazer Tarayıcılar ile Üç Boyutlu Modelleme ve Uygulaması,
Yildiz Technical University, Civil Engineering Faculty, Division of Photogrammetry, Istanbul
(graduation thesis), 2008.


***
YTU Faculty of Architecture, Structural Systems Division
YTU Wydział Architektury, Zakład Systemów Konstrukcyjnych
YTU Institute of Science and Technology
YTU Instytut Nauki i Technologii
YTU Civil Engineering Faculty, Division of Photogrammetry
YTU Wydział Inżynierii Cywilnej, Zakład Fotogrametrii
Abstract
Streszczenie
Accurate geometric data is the most important issue
in the filed of safety evaluation and preservation of
historical structures. Photogrammetry is successfully used to document historic buildings since
many years. By the recent developments in the field
of computer technology it is possible to create as
built survey documentation in a very time efficient
and accurate way. Traditionally total stations are
used to record data of the structures and other techniques are close – range photogrammetry and laser
scanning which are faster and precise methods. The
aim of this study is to point out the importance of
realistic geometric modeling of historic structures
for evaluating the safety condition and to discuss
data acquisition methods using in preservation of
historical structures and stress particularly on the
laser scanning technology.
Dokładne dane geometryczne to najistotniejsza kwestia w dziedzinie oceny bezpieczeństwa i ochrony
historycznych konstrukcji. Fotogrametrię od lat wykorzystuje się z sukcesem do dokumentowania historycznych budowli. Dzięki postępowi technologii
komputerowej w ostatnich latach możliwe jest tworzenie dokumentacji stanu faktycznego bardzo dokładnie i w stosunkowo krótkim czasie. Tradycyjnie
do zapisywania danych konstrukcji stosuje się total
stations, zaś inne technologie to fotogrametria bliskiego zasięgu i skanowanie laserowe, które są metodami szybszymi i dokładniejszymi. Celem niniejszego badania było wskazać znaczenie realistycznego modelowania historycznych konstrukcji dla oceny stanu bezpieczeństwa oraz omówić metody uzyskiwania danych używane w dziedzinie konserwacji
historycznych budowli ze szczególnym naciskiem na
technologię skanerów laserowych.
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
669
NAUKA
SCIENCE
Michał Kędzierski, Anna Fryśkowska
Rafał Dąbrowski, Michalina Wilińska
Naziemne skanowanie laserowe obiektów
sakralnych z zastosowaniem technologii HDS
Terrestrial laser scanning of sacred buildings
in HDS technology
1. Wstęp
1. Introduction
W przeciągu ostatnich kilkunastu lat zauważalny jest
bardzo dynamiczny rozwój technologii naziemnego
skanowania laserowego (NSL). NSL jest technologią umożliwiającą dokonanie (w pełni automatycznie) precyzyjnego pomiaru obiektu przestrzennego
poprzez skanowanie powierzchni budynku, rzeźby
etc. W wyniku pomiaru otrzymuje się tzw. „chmurę
punktów” (punkty o współrzędnych X, Y, Z oraz
intensywność). Pozyskana zostaje w ten sposób
informacja o geometrii obiektu, a także o intensywności powracającego sygnału. Na podstawie tak
dużej liczby punktów możliwe jest wykonanie bardzo dokładnych modeli elewacji czy wnętrza kościołów, a także niezbędnych rysunków wektorowych
czy przekroi, które często są wykorzystywane przez
architektów i konserwatorów zabytków do odtworzenia stanu faktycznego obiektu sprzed renowacji
lub wizualizacji geometrii obiektu.
W artykule przedstawione zostanie wykorzystanie w architekturze sakralnej technologii naziemnego skanowania laserowego na przykładzie opracowania zabytkowego kościoła drewnianego w Żukowie. Pomiary wykonane zostały skanerami: impulsowym ScsanStation2 oraz fazowym HDS6000.
Recently, the use of terrestrial laser scanning (TLS)
is more and more popular. TLS technology can be
used to conduct (fully automatically) precise measurements of space objects by scanning the surface of
buildings, sculptures, etc. As a result of the measurement you get so called “point cloud” (points with
the X, Y, Z coordinates and the intensity value) This
way you can get the information about the geometry
of an object as well as about the intensity of the returning signal. On the basis of such a huge number
of points it is possible to generate highly accurate
models of the facades or interiors of churches as well
as necessary vector drawings or cross sections which
are often used by architects and art conservators to
restore the original condition of buildings from before renovation or for visualization of the geometry
of such objects.
In this paper we present the use of the terrestrial laser scanning technology in documenting
sacred architecture heritage, based on example of
the wooden church in Zukow. The survey was
performed with two different types of scanners:
pulsed scanner (ScanStation2) and phase-based
scanner (HDS 6000).
2. Zastosowanie NSL do badania
stanu obiektów zabytkowych
2. The application of TLS in surveys
of architectural heritage
Dzięki NSL możliwy jest bezdotykowy pomiar,
czy też badanie struktury lub geometrii obiektów
przestrzennych. Wiąże się z to z możliwością wy-
With the use of TLS it is possible to remotely
measure or study the structure and geometry
of spatial objects. This results in a possibility of
Praca dopuszczona do druku po recenzjach
Article accepted for publishing after reviews
670
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
konania pomiarów nie tylko w miejscach trudnodostępnych (jak np. sklepienia kościelne), ale także
pomiaru elementów o skomplikowanej budowie
czy kształcie (ornamenty, filary, ołtarze itp.).
Ponadto, co jest szczególnie istotne z punktu
widzenia architektów – dane te mogą być eksportowane do plików systemów typu CAD (formaty
.dxf, .dgn itp.), gdzie na ich podstawie generowane są rysunki wektorowe czy też trójwymiarowe
modele.
making measurements not only in places with
difficult access (such as church vaults) but also
the measurements of elements with complicated structure or shape (ornaments, pillars,
altars, etc.).
Furthermore, which is especially important
from the point of view of the architects – the data
can be exported to CAD system files (formats
.dxf, .dgn, etc.), where 2D vector drawings or 3D
models can be generated.
2.1. Pozyskiwanie danych
2.1. Data collection
W ramach prac badawczych wykonane zostało skanowanie zabytkowego drewnianego kościoła w Żukowie k. Warszawy za pomocą dwóch typów skanerów: impulsowego – Leica ScanStation2 oraz
fazowego – HDS6000. Skaner Leica ScanStation2
jest skanerem impulsowym o zasięgu kilkuset metrów umożliwiającym wykonanie pomiarów z milimetrową precyzją. Jego wysoka produktywność
jest zapewniona poprzez wysoką dokładność wyznaczenia współrzędnych punktów w przestrzeni
(6 mm), pomiaru odległości (4 mm), a przede
wszystkim niespotykaną dotąd zdolność zagęszczenia ścieżki skanowania poniżej 1 mm. Jest to
szczególnie przydatne przy precyzyjnych pomiarach niewielkich elementów architektonicznych
lub przemysłowych. Przewagą systemu jest również możliwość wizualnego umiejscowienia pojedynczego, specyficznego punktu czy wybranego
elementu obiektu na badanej powierzchni i wykonanie bardzo dokładnego pomiaru tego elementu.
Skaner posiada również wbudowaną kamerę cyfrową o rozdzielczości 6,4 mln pikseli. Z kolei
skaner HDS6000 jest skanerem fazowym o prędkości skanowania do 500 tys. pkt/s i zasięgu do
80 m. Jest ultraszybkim skanerem nowej generacji
i pozwala na wyznaczenie współrzędnych punktu
z dokładnością do 6 mm na odległości 25 m i odpowiednio 10 mm na odległości 50 m.
Oba systemy skanujące sterowane są z wykorzystaniem oprogramowania Cyclon.
The survey included scanning of the historical
wooden church in Zukow near Warsaw with the use
of two types of scanner: pulsed scanner – Leica
ScanStation2 and phase-based scanner – HDS6000.
Leica ScanStation2 is a pulsed scanner with the
range of a few hundred meters whose precision
is sufficient to conduct measurements with few
millimeters precision. Its high productivity is
assured by the high precision of calculation of
the coordinates of spatial points (6 mm), measurements of distance (4 mm) and first of all the
high scanning density which can be even below
1 mm. This is especially useful in precise measurements of small architectural or industrial
details. Another advantage of this system is the
possibility of visual location of a single, specific
point or a chosen detail of an object on test area
and conducting a very precise measurement of
such an object. The scanner also has a built-in
digital camera with the resolution of 6.4 million
pixels. On the other hand, HDS6000 is a phasebased scanner with the scanning speed of up to
500 thousand points/s and the range of up to 80 m.
This is a new generation ultra-fast scanner
which can locate the coordinates of a point
with the precision of up to 6 mm at the distance of 25 m or respectively 10 mm at the
distance of 50 m.
Both scanning systems are supported by Cyclon software.
2.1.1. Zasada pomiaru
2.1.1. Measurement method
Obecnie wykorzystywanymi typami systemów skanujących są: impulsowy skaner laserowy i fazowy
skaner laserowy. Pomiar laserowy polega na wyemitowaniu wiązki światła koherentnego, która odbija się od przeszkody (badany obiekt) i powraca
do urządzenia. Wówczas pozyskiwana zostaje
informacja o odległości (czasie przebiegu wiązki
tam i z powrotem) oraz o kątach poziomym i pionowym do obiektu względem skanera. Następnie
wyznaczone zostają współrzędne przestrzenne każdego punktu. Różnica pomiędzy skanerem impul-
At present two types of scanning systems are
used: pulsed laser scanner and phase-based laser
scanner. Laser measurement consists in emitting
a coherent light beam which reflects against any
obstacle (object of study) and returns to the device. Then the information is collected about the
distance (beam travel time) as well as horizontal
and vertical angles from an object to the scanner.
Next the spatial coordinates of each point are calculated. The difference between pulsed scanner
and phase-based scanner is based on the method
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
671
sowym a fazowym sprowadza się do metody wyznaczenia odległości (pomiar czasu przebiegu
impulsu lub pomiar fazy wiązki lasera).
of calculating the distances (measurements of
pulse travel time or the measurements of the laser
beam phase).
Pozyskiwanie danych
Data collection
Proces pozyskiwania danych z naziemnego skaningu laserowego składa się z kilku etapów:
– zaplanowania stanowisk pomiarowych,
– skanowania,
– rejestracji danych (połączenia poszczególnych skanów i ujednolicenia układu współrzędnych),
– przetwarzania danych: wektoryzacja, modelowanie itp.
The process of data collection from the terrestrial
laser scanner includes a few stages:
– planning the measurement stations
– scanning
– data registration (referencing of individual
scans and unification of the system of coordinates)
– data processing: vectorization, modeling, etc.
2.1.2. Zaplanowanie stanowisk pomiarowych
2.1.2. Planning the measurement
stations
Wcześniejsze rozplanowania stanowisk pomiarowych jest szczególnie istotne szczególnie wtedy,
gdy mówimy o pomiarze skanerem fazowym,
charakteryzującym się niewielkim zasięgiem
(zwłaszcza jeżeli kąt skanowania do obiektu jest
duży).
Autorzy publikacji przeprowadzili już badania
dotyczące wpływu kąta skanowania i odległości
skanowania na ilość i jakość powracającego sygnału odbitego od różnego rodzaju struktur. Były
to próbki materiałów takich jak: cegła, drewno,
szkło witrażowe, beton, różnego typu skały,
z jakich mogą być zbudowane zabytkowe kościoły. Z przeprowadzonych wcześniej badań dla skanera impulsowego wynika, iż dla materiałów typu
drewno czy cegła liczba punktów odbitych spada
wyraźnie już na odległości 200 m, a także przy
kątach skanowania powyżej 45°.
W tabeli 1 przedstawione są wyniki dla przykładowych materiałów: cegły i drewna. Oprócz
spadku liczby punktów zauważalne jest, iż przy
odległości od obiektu rzędu 100 m i dla wartości
kątów obrócenia próbek tylko do 45° wartość
intensywności odbicia spada ponad dwukrotnie.
Na odległościach powyżej 200 m, dla cegły liczba
zarejestrowanych punktów spadła do zera, zatem
nie można było zarejestrować intensywności odbicia, nawet dla niewielkich wartości kątów obrotu.
Taka informacja o charakterze materiału jest szczególnie istotna przy wyborze i rozmieszczeniu stanowisk skanera.
Z kolei w przypadku skanera fazowego praktyczna odległość skanowania nie przekracza 50 m przy
odpowiednim ustawienie stanowisk (możliwe prostopadle do obiektu). Dla większych kątów padania wiązki (rzędu 30-40°), zwłaszcza dla powierzchni ciemnych (pokrycia dachowe), liczba zarejestrowanych
punktów spada kilkakrotnie. W przypadku elementów
drewnianych zasięg skanowania jest znacznie większy.
Planning of the measurement stations is especially important in the case of measurement with
the use of the phase-based scanner which has
a small range (especially if the scanning angle is
unfavorable).
The authors of the publication have already conducted research regarding the impact of the scanning angle and distance on the number and the
quality of the returning signal reflected from different types of structure. The sample materials
included brick, wood, stained-glass, concrete and
different types of rock from which historical
churches can be built. The tests conducted with
the use of the pulsed scanner demonstrate, that
when such materials as wood or brick were used,
the number of reflected points drops significantly
already at the distance of 200 m as well as with
the scanning angles over 45°.
Table 1 presents the results for sample materials: brick and wood. Apart from the drop of the
number of points, it is evident that with the distance
from the object of about 100 m and for the values
of the angles of rotation of the samples only up to
45°, the value of reflection intensity drops more
than twice. For the distance of over 200 m, in the
case of brick, the number of registered points
dropped to zero, so it was impossible to register the
reflection intensity even for low values of the angles of rotation. Such information about the nature
of material is especially important when selecting
and locating the scanner measurement stations.
On the other hand, in the case of the phase-based
scanner the practical distance of scanning does not
exceed 50 m with the correct distribution of stations
(possibly perpendicular to the object). For scanning
angels in a range about 30-40°, especially for dark
surfaces (roofing claddings), the number of registered
points drops several times. In the case of wooden
elements, the range of scanning is much greater.
672
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
Tab. 1. Liczba punktów odbitych od próbki wraz z intensywnością odbicia od przykładowych powierzchni: cegły, drewna
Number of points reflected from the sample and reflection intensity. Examples: for the brick and wood
Cegła
Brick
Odległość [m]
Distance [m]
17
50
100
200
290
Kąt [°]
Angle [°]
0
22,5
45
67,5
0
22,5
45
67,5
0
22,5
45
67,5
0
22,5
45
67,5
0
22,5
45
67,5
Drewno
Wood
Liczba punktów
odbitych
Number of
reflected points
Intensywność
odbicia
Reflection
intensity
Liczba punktów
odbitych
Number of
reflected points
Intensywność
odbicia
Reflection
intensity
37213
30440
22385
9600
35320
31279
19271
12283
28394
29218
22623
10629
241
0
0
0
0
0
0
0
0,4049
0,3981
0,3838
0,3587
0,2816
0,2780
0,2723
0,2605
0,1993
0,1957
0,1884
0,1693
0,1197
0
0
0
0
0
0
0
35153
34637
24245
11104
39500
33040
22782
11971
32239
32547
24832
12139
25817
27672
15164
0
1283
791
0
0
0,5598
0,5558
0,5054
0,4065
0,3685
0,3689
0,3411
0,2895
0,2608
0,2609
0,2473
0,2059
0,1691
0,1702
0,1369
0
0,1195
0,1125
0
0
The results presented above were taken into
Powyższe wyniki zostały uwzględnione podczas planowania rozmieszczenia stanowisk pomia- account when planning the location of the measrowych (rys. 1). Stanowiska zostały rozmieszczo- urement stations (fig. 1). The stations were located
ne tak, aby możliwe było zeskanowanie wszyst- in such a way as to enable the scanning of all dekich elementów kościoła (zarówno wnętrza, jak tails of the church (both inside and outside).
The facades of
i elewacji).
the building were
Zewnętrzna elemeasured from
wacja budynku pofour
stations,
mierzona została
whereas the intez czterech stanorior from two
wisk, wewnętrzna
stations. In order
zaś na podstawie 2
to connect both
stanowisk. Do poparts, a group of
łączenia obu częHDS targets was
ści wykorzystano
used. The targets
grupę tarcz celowwere placed in
niczych HDS. Tarfront of the
cze ustawione zochurch entrance,
stały przed wejściem do kościo- Rys. 1. Szkic rozmieszczenia stanowisk i tarcz celowniczych HDS dla pomiaru as well as on the
impulsowym. Oznaczenia: ST – stanowiska pomiarowe, T – tarcze
gate in front of
ła, a także na bra- skanerem
celownicze HDS; kolorem szarym zaznaczono obiekt-kościół; na zdjęciu: widok
the church. Addimie przed kościorozmieszczenia grupy tarcz celowniczych na bramie wjazdowej
łem. Dodatkowo, Fig. 1. Sketch of the pulsed laser scanner stations (ST) and HDS targets (T). tionally, due to
z uwagi na kon- Gray color represents the church and the photo on the left – the group of the the construction
HDS targets, located on the entrance gate
of the church, it
strukcję kościoła,
możliwy był pomiar tarczy HDS (punktu wiążące- was possible to measure the HDS target (tie point)
also through side doors (target T17, fig. 1).
go) również przez drzwi boczne (tarcza T17, rys. 1).
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
673
2.1.3. Skanowanie obiektu
2.1.3. Scanning of the church
Zewnętrzna część budynku zeskanowana została z rozdzielczością 5 mm (na zadanej odległości ok. 30 m). W wyniku pomiaru pozyskanych
zostało ok. 10 mln punktów przedstawiających
elewację budynku. Skany wykonane na poszczególnych stanowiskach zapisywane zostały
w bazie danych w tzw. środowiskach skanowania (ang. ScanWorlds). Z każdego stanowiska
widocznych było co najmniej 5 wspólnych sygnałów.
Podczas pozyskiwania informacji o położeniu
punktów w przestrzeni pozyskuje się również
bardzo ważną daną – mianowicie wartość intensywności powracającego sygnału. Na jej podstawie możemy stwierdzić jak silny był powracający
do detektora sygnał. Rys. 2a przedstawia skan
budynku w domyślnych barwach skanera. Czerwona barwa oznacza sygnał o małym albedo,
z kolei niebieska o bardzo wysokim albedo. Na
rys. 2b widoczne są te same chmury punktów, ale
z teksturą pozyskana na podstawie wbudowanej w
skaner impulsowy kamery cyfrowej. Taka prezentacja danych bardzo często ułatwia interpretację,
czy też odnalezienie konkretnych szczegółów na
obiekcie.
The external part of the building was scanned
with the 5 mm resolution (at distance of about
30 m). As a result of the measurement about 10
million points representing the facade of the
building were acquired. The scans made from
individual stations were recorded in the database in so called ScanWorlds. At least five
common HDS targets were visible from each
station.
During cloud point acquisition, some other
very important information is obtained too –
namely the value of intensity of the returning signal. It can be used to determine the strength of the
signal returning to the detector. Fig. 2a shows the
scan of the building in colors representing reflection intensity. Red color represents the signal with
low albedo, whereas blue color represents very
high albedo. In fig. 2b you can see the same point
clouds but with the texture collected by the pulsed
scanner built-in digital camera. Such a presentation of data very often facilitates the interpretation
or finding specific details.
For comparison, the measurements of the same
object were made with the use of the phase-based
scanner HDS 6000.
Rys. 2. Połączone skany kościoła w Żukowie: a) widok w barwach intensywności odbicia (barwy ze skanera), b) skany z nałożoną
teksturą pozyskaną ze zdjęć cyfrowych
Fig. 2. Registered scans of the church in Zukow: a) intensity colors (colors from scanner) b) textured scans
Dla porównania przeprowadzono pomiary tego
samego obiektu z wykorzystaniem skanera fazowego HDS 6000.
Pomimo faktu, że deklarowana rozdzielczość skanowania wynosiła 4 mm na odległości 30 m, a teoretyczny zasięg skanera to 80 m,
widoczne są braki w danych. Szczególnie zauważalne jest to na dachu budynku oraz wieży,
gdzie istotnym czynnikiem wpływającym na
zakres skanowania był kolor pokrycia dachowego, odległość oraz kąt do stanowiska. W przypadku pomiarów elewacji obiektów sakralnych
zdecydowanie korzystniejszy jest pomiar skanerem impulsowym.
674
Despite the fact that the rated resolution of
scanning was 4 mm at the distance of 30 m and
the theoretical range of the scanner is 80 m,
some data are missing. This is especially evident on the roof of the building and the tower,
where the significant factors affecting the scan
was the roof color, the distance and the station
angle. In the case of the measurements of the
facades of sacred buildings the pulsed scanner is
definitely more useful.
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
Skaner impulsowy
Skaner fazowy
Rys. 3. Porównanie wyników pomiarów skanerami impulsowym i fazowym
Fig. 3. Comparison of the measurements conducted by pulsed and phase-base scanner
2.1.4. Skanowanie wnętrza
2.1.4. Interior scanning
Celem skanowania wnętrza kościoła było wykonanie dokumentacji szczegółów takich jak ornamenty, rzeźby, sklepienie, newralgiczne elementy
konstrukcji itp. Skanowanie wnętrzna wykonane
zostało z rozdzielczością 7 mm, a dla wybranych
elementów gęstość ścieżki skanowania została
zwiększona do 3 mm. Dzięki takiej liczbie punktów można wykonać dokładne trójwymiarowe
modele i ortoobrazy ścian, sufitu, okien oraz
rzeźb. Rys. 4a i b przedstawia skany wnętrzna
kościoła wykonane odpowiednio skanerem fazowym i impulsowym.
The objective of the scanning of the church interior was to create documentation of such details as
ornaments, sculptures, vaults, critical elements of
the construction, etc. The interior was scanned
with the 7 mm resolution, and for selected elements the scanning path density was increased to
3 mm. With that number of points it is possible to
generate detailed 3D models and orthophotos of
the walls, ceiling, windows and sculptures. Fig. 4a
and b show the scans of the interior of the church
made with the phase-based and pulsed scanners
respectively.
Rys. 4. Skany wnętrza kościoła wykonane: a) skanerem fazowym, b) skanerem impulsowym
Fig. 4. The scans of the church interior: a) pulsed scanner, b) phase-based scanner
Już na etapie pozyskiwania danych zauważalna
staje się jedna z podstawowych różnic pomiędzy
skanerami impulsowymi i fazowymi – tj. zasięg
i rozdzielczość skanowania. Skaner impulsowy po-
Already at the stage of data acquisition, one of
the basic differences between the pulsed scanner
and phase-based scanner becomes evident – the
scanning range and resolution. The pulsed scanner
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
675
siada znacznie większe możliwości pomiaru
obiektów wysokich (użyteczny zasięg do 200 m),
a ponadto zdolność zagęszczenie ścieżki skanowania poniżej 1 mm. Z kolei skanery fazowe
w zastosowaniach „wewnętrznych” są zdecydowanie bezkonkurencyjne w porównaniu ze skanerami impulsowymi. Dla porównania: skanowanie
wnętrzna kościoła w pełnym zasięgu (czyli 360
stopni na 270 stopni) skanera impulsowego trwało
ok. 120 minut, natomiast fazowego 23 minuty,
przy dużo wyższej rozdzielczości. Skaner fazowy umożliwia pomiar dużo większej liczby punktów w tym samym czasie.
is much more useful in measuring tall buildings (usable range of up to 200 m) and furthermore its scanning path density can be set
below 1 mm. On the other hand, the phasebased scanner, when used inside, is much better than the pulsed scanner. For comparison:
the full range of scanning of the church interior
(that is 360 by 270 degrees) with the pulsed
scanner took about 120 min, whereas with the
phase-based scanner – 23 minutes, with much
higher resolution. The phase-based scanner
measures many more points within the same
time.
2.1.5. Rejestracja danych
2.1.5. Data registration
Pierwszym, wstępnym opracowaniem danych
pomiarowych jest łączenie i wzajemne orientowanie skanów pozyskanych z pomiarów wykonanych na poszczególnych stanowiskach, czyli tzw.
rejestracja. I tak, dla części zewnętrznej i wewnętrznej, rejestracja metodą „na tarcze”, gdzie
punktami wiążącymi są właśnie tarcze HDS (zarówno dla skanera impulsowego, jak i fazowego)
przeprowadzona została z błędem średnim nie
przekraczającym wartości 3 mm. Warto zauważyć, że błędy na poszczególnych tarczach osiągają
wartości na poziomie dokładności pomiaru skanera, rzędu 2-3 mm.
The first, preliminary stage of data processing
includes merging and mutual orientation of the
scans acquired from separate stations – that is
data registration. And so, for the external and
internal parts the registration with the use of
targets, where the tie points were HDS targets
(for both the pulsed scanner and for the phasebased), resulted with the mean error below
3 mm. It is worth noting, that the errors on
individual targets reach the values at the level
of the scanner measurement accuracy of about
2-3 mm.
2.1.6. Przetwarzanie danych – wektoryzacja
i modelowanie 3D
Z punktu widzenia opracowań architektonicznych
coraz bardziej popularne stają się trójwymiarowe
modele obiektów oraz rysunki wektorowe, najczęściej generowane w systemach typu CAD.
Dane pozyskane ze skanowania laserowego
przedstawiają powierzchnię jako „nieuporządkowaną” chmurę punktów. Nie przedstawia
ona jednak obiektu jako struktury o konkretnej
geometrii. Do wizualizacji struktury wykorzystuje się rysunki wektorowe oraz modele przestrzenne.
Rysunek wektorowy może być utworzony manualnie, półautomatycznie lub automatycznie.
Pierwsze dwie metody polegają na rysowaniu
przez operatora „szkieletu” konstrukcji bądź poszczególnych elementów architektonicznych, poprzez zdefiniowanie przez operatora przebiegu
linii, krawędzi oraz węzłów łączących poszczególne elementy z zachowaniem topologii obiektu.
Jest to typowe podejście wykorzystywane w systemach CAD. Automatyczne generowanie „wektora” za pomocą zbudowanego wcześniej modelu
3D daje zdecydowanie pełniejszą informację na
temat powierzchni „wypełniających” szkielet kon676
2.1.6. Data processing – vectorization
and 3D modeling
From the point of view of architectural studies, 3D
models of objects as well as 2D vector drawings,
most often generated in CAD systems, are more
and more popular.
The data obtained from laser scanning present the surface as a “disorganized” point cloud.
However, they do not present an object as
a structure with specific geometry. The 2D vector drawings and 3D models are used to visualize the structure.
2D vector drawing can be generated manually, semi-automatically or automatically. In the
first two methods the operator draws a “frame”
of the construction or individual architectural
details by defining the lines, edges and points
connecting individual elements, maintaining at
the same time the topology of the object. This
approach is typically used with CAD systems.
Automatic generation of 2D vector drawings
directly from built earlier 3D model, provides
much more complete information about the surfaces “filling” in the frame of the construction
[3]. Fig. 5a and b show four views of the structure of the church in Zukow generated with the
use of this method.
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
strukcji [3]. Rys. 5a i b przedstawia w czterech
rzutach konstrukcję budynku kościoła w Żukowie
wygenerowaną tą właśnie metodą.
The most common methods of generating 3D
models include:
Rys. 5. a) widok budynku w czterech rzutach: z góry, z przodu, izometrycznie oraz z boku, b) widok krzyża na wieży kościoła
Fig. 5. a) Four views of the building: top, front, isometric and right side b) view of the cross at the church tower top
– Meshing with the use of a network of trianNajczęściej stosowanymi metodami generowagles with the accuracy and size depending on
nia modeli 3D są:
the number of points and complexity of an
– triangulacja (tzw. ang. meshing) wykorzystująobject. This method, however, is problematic
ca siatkę trójkątów o dokładności i wielkości
in the case of modeling shapes and irregular
zależnej od liczby punktów oraz złożoności
surfaces;
obiektu, jednak ta metoda jest problematyczna
– Constructive Solid Geometry which uses simw przypadku modelowania kształtów i pople solids such as: cones, cuboids, cylinders,
wierzchni nieregularnych;
spheres, etc. This method provides a high level
– modelowanie za pomocą brył geometrycznych
of generalization and requires subsequent veri(tzw. ang. Constructive Solid Geometry), wyfication of the operator.
korzystujące znane figury takie jak: stożki,
Fig. 6a and b show the model generated
prostopadłościany, walce, kule itp. Metoda ta
cechuje się wysokim stopniem generalizacji with the use of geometric solids. On the right
oraz wymaga późniejszej weryfikacji ze strony (fig. 6b) you can see details of the cross on the
church tower. The modeled fragments required
operatora.
Rysunek 6a i b przedstawia model wygenero- fitting the planes or solids defined by the prowany za pomocą brył geometrycznych, w części b gram into point clouds. The most problematic
are the details
rysunku widoczne
with
irregular
są detale krzyża
shape
or
comznajdującego się na
plex
structure
wieży kościoła. Zasuch as: church
modelowane fragtower, windows,
menty wymagały
details of decowpasowania chmurations, sculpry punktów w zdetures,
figures,
finiowane w proetc.
gramie płaszczyzny
The 3D model
czy figury geomeof the church
tryczne. Najbardziej
problematyczne są Rys. 6. a) trójwymiarowy model kościoła w Żukowie, b) model krzyża na wieży kościoła was made on the
Fig. 6. a) 3D model of the church in Żuków b) model of the church tower
basis of the point
elementy o nierecloud
(17
million
points)
with
the
use of Cyclon
gularnym kształcie lub o złożonej strukturze takich
jak: wieża kościoła, okna, elementy ozdobne rzeź- 5.8 and Microstation CloudWorx software.
by, figury itp.
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
677
Trójwymiarowy model kościoła wykonany został na podstawie chmury punktów (17 mln punktów) z wykorzystaniem oprogramowania Cyclon
5.8 oraz Microstation CloudWorx.
3. Podsumowanie
W artykule Autorzy poruszyli najważniejsze
aspekty pozyskiwania oraz przetwarzania danych
z naziemnego skanowania laserowego w celu
uzyskania informacji o geometrii obiektu na przykładzie drewnianego kościoła w Żukowie. Celem
publikacji było również porównanie dwóch różnych typów skanerów: fazowego i impulsowego
oraz ich wykorzystania w tworzeniu dokumentacji
architektonicznej.
3. Summary
The authors of the paper presented the most important aspects of acqusition and data processing
from the terrestrial laser scanner in order to
achieve information about the geometry of an
object based on example of the wooden church in
Zukow. The objective of the paper was also to
compare two different types of scanners: the
phase-based scanner and the pulsed scanner as
well as their practical use in developing architecture documentation.
Literatura • References
[1] Cheng1 X.J., Jin W., Study on Reverse Engineering of Historical Architecture Based on 3D Laser
Scanner, Department of Surveying and Geo-informatics, Tongji University, China.
[2] Monti C., Fregonese L., Achille C., Laser scanner application on complex shapes of architecture.Profiles extraction processing and 3d modeling, International Archives of the Photogrammetry,
Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. XXXIV-5/W10.
[3] Pfeifer N., Dorninger P., Nothegger C., Surveying Structures and Buildings with Laser Scanning –
Future Areas of Application, Institute of Photogrammetry and Remote Sensing, TUV.
[4] Ullrich A., Studnicka N. et al., 3D-Laser-Sensors and their Applications in archaeology and Modeling of Historic Buildings, Workshop7 – Archäologie und Computer, Vienna 2002.
[5] Kędzierski M., Sanecki J., Walczykowski P., Fryśkowska A., Laser scanning of cultural heritage
objects, Polish Journal of Environmental Studies, vol.17, 1C, 2008.

Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa, Polska
Military University of Technology, Warsaw, Poland
Streszczenie
Abstract
W przeciągu ostatnich lat zauważalny jest dynamiczny rozwój badań architektonicznych z wykorzystaniem naziemnego skanowania laserowego
(TLS.) Uzyskane dane mogą być wykorzystywane
do tworzenia trójwymiarowych modeli oraz rysunków wektorowych, szczególnie przy tworzeniu
dokumentacji architektonicznej. Jest to bardzo ważne w przypadku rzeźb czy też konstrukcji sakralnych, kiedy potrzebna jest taka dokumentacja do
rekonstrukcji lub odbudowy zniszczonych elementów. W artykule przedstawione jest wykorzystanie
technologii naziemnego skanowania laserowego na
przykładzie kościoła drewnianego w Żukowie. Artykuł prezentuje także próbę porównania dwóch rodzajów skanera: impulsowego (ScsanStation2) oraz
fazowego (HDS6000).
Recently, the use of terrestrial laser scanning has
become more and more popular. Data acquired
with the use of the terrestrial laser scanner can be
used to generate 3D models and 2D vector drawings and especially, to create architecture documentation. It is very important in the case of sacred sculptures or buildings, when reconstruction
of damaged elements or construction is needed. In
this paper we present laser scanning of the
wooden church in Zukow. We also make an attempt to compare two different types of scanners:
the pulsed (ScanStation2) and the phase-based
scanner (HDS 6000).
678
Wiadomości Konserwatorskie  Conservation News  26/2009
NAUKA
SCIENCE
Leszek Koźmiński*, Marzena Brzozowska*
Jacek Kościuk**, Waldemar Kubisz***
Wykorzystanie możliwości nowoczesnego skanowania 3D
w oględzinach miejsca zdarzenia i ich dokumentowania
Possibilities of using modern 3D scanning in the crime
scene investigation and its documentation
1. Wstêp
1. Introduction
OglÍdziny w ca≥ym zespole czynnoúci procesowych
i pozaprocesowych, sk≥adajπcych siÍ na úledcze badanie miejsca zdarzenia, zwykle zajmujπ centralnπ
pozycjÍ i rolÍ. £πczπc g≥Ûwne zagadnienia taktyki
i techniki kryminalistycznej, oglÍdziny pozwalajπ
na wyjaúnienie okolicznoúci zdarzenia (rekonstrukcja), pozwalajπ ustaliÊ sprawcÍ/sprawcÛw zdarzenia oraz umoøliwiajπ zebranie rzeczowego materia≥u
dowodowego w postaci ujawnionych i zabezpieczonych úladÛw kryminalistycznych, ktÛre w dalszych
czynnoúciach wykrywczych pozwalajπ na udowodnienie stopnia uczestnictwa w przestÍpstwie sprawcy/sprawcÛw [1].
OglÍdziny wiÍc w postÍpowaniu przygotowawczym w wielu przypadkach odgrywajπ rolÍ decydujπcπ w ujawnianiu i zabezpieczaniu dowodÛw,
Ñstanowiπ fundament dla ca≥ej sprawy. Czas ich
przeprowadzenia, fachowoúÊ, z jakπ zostanπ wykonane, zakres przeprowadzonych czynnoúci majπ zdecydowane znaczenie dla losÛw postÍpowania przygotowawczego (dochodzenia-úledztwa)î [2].
Zgodnie z obowiπzujπcym prawem do prowadzenia oglÍdzin uprawnione sπ wy≥πcznie osoby reprezentujπce wskazane bezpoúrednio s≥uøby i instytucje: PolicjÍ, øandarmeriÍ, prokuraturÍ lub sπdy. JakoúÊ tej procesowej czynnoúci kryminalistycznej
bezpoúrednio uzaleøniona jest od wiedzy i umiejÍtnoúci biorπcych w niej udzia≥ osÛb. Poza prowadzπcym oglÍdziny policjantem czy prokuratorem do
pomocy moøe zostaÊ powo≥any bieg≥y lub specjalista (technik kryminalistyki), ktÛrzy bez ograniczeÒ
Inspection plays a crucial role and occupies
a central position in the whole complex of trial proceedings and extra-trial actions which constitute
investigation of a crime scene. Combining main
issues of criminological tactics and techniques, investigation enables to explain circumstances of an
event (reconstruction), to ascertain a perpetrator/
perpetrators of a crime and to collect material evidence in the form of revealed and secured criminological traces which in further detection may
prove a degree of participation in a crime of
a perpetrator/perpetrators [1].
Therefore during preliminary activities, inspection has a decisive role in revealing and securing
evidence, ìit lays foundations of a whole case. Time,
professionalism, range of activities are of great importance for preliminary activities (inquiry ñ investigation)î [2].
According to the law, only persons representing particular services and institutions: the police,
military police, prosecutor, court of justice, are
entitled to carry out inspection. The quality of these
legal proceedings is directly related to the knowledge and skills of persons taking part in these activities. Apart from a policeman or a prosecutor
who conduct the inspection, an expert or
a specialist (forensic technician) may be appointed to help; they can make use of all available means
and facilities in order to reveal and secure crime
traces as well as to state their dimensions or document the whole activity.
Praca dopuszczona do druku po recenzjach
Article accepted for publishing after reviews
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
679
mogπ wykorzystywaÊ dostÍpne úrodki i urzπdzenia
s≥uøπce zarÛwno do ujawniania i zabezpieczania úladÛw kryminalistycznych, jak i ich wymiarowania
czy dokumentowania ca≥ej czynnoúci.
XXI wiek w zakresie wspomnianych czynnoúci
technicznych swoimi osiπgniÍciami naukowymi
i technologicznymi poszerzy≥ spectrum nowoczesnych úrodkÛw i narzÍdzi techniki kryminalistycznej. Walizka kryminalistyczna przesta≥a kojarzyÊ siÍ
wy≥πcznie ze szkie≥kiem lupy i piÛrem pÍdzla daktyloskopijnego. W dobie badaÒ DNA, analizy úladÛw powystrza≥owych GSR, nowych metod ujawniania úladÛw linii papilarnych nie dziwiπ poszukiwania rozwiπzaÒ ultranowoczesnych, mogπcych
zaistnieÊ we wspÛ≥czesnej kryminalistyce.
Teraüniejszym krokiem w przysz≥oúÊ nowoczesnych technik kryminalistycznych wydaje siÍ byÊ
moøliwoúÊ wykorzystania w czynnoúciach oglÍdzinowych technologii naziemnego skanowania 3D.
Skanowanie laserowe 3D stosowane jest obecnie na
ca≥ym úwiecie g≥Ûwnie w takich dziedzinach jak:
budownictwo i architektura, inøynieria przemys≥owa, geodezja, ochrona zabytkÛw i archeologia. Z coraz wiÍkszym powodzeniem od poczπtku obecnego
dziesiÍciolecia technologia ta zaczÍ≥a byÊ wykorzystywana w kryminalistyce. Najsilniej wykorzystanie skanerÛw 3D widoczne jest w amerykaÒskich
s≥uøbach policyjnych.
W Ñmultidyscyplinarnych zespo≥ach úledztw wypadowychî (Multidisciplinary Accident Investigation Team) pracujπcych w si≥ach California Highway Patrol, zajmujπcych siÍ przede wszystkim kryminalistycznym badaniem miejsc zdarzeÒ drogowych, jak i ich rekonstrukcjπ oraz ustalaniem przyczyn. Ponadto zespo≥y MAIT wspomagajπ
czynnoúci na miejscach innych zdarzeÒ kryminalnych, a zw≥aszcza tych z uøyciem broni palnej, zarÛwno przez przestÍpcÛw, jak i policjantÛw. W stanie Nowy Meksyk (USA Albuquerque Police) skaner 3D wykorzystywany jest w mobilnym zespo≥ach
laboratorium kryminalistycznego (Mobile Crime
Lab) na miejscu najpowaøniejszych zdarzeÒ kryminalnych, najczÍúciej z uøyciem broni. Takøe w Europie technologia skanowania 3D zaczyna byÊ wykorzystywana przez policyjne s≥uøby úledcze g≥Ûwnie w úledztwach powybuchowych zwiπzanych
z dzia≥aniami zorganizowanych grup przestÍpczych
lub terrorystycznych.
Szko≥a Policji w Pile wespÛ≥ z Laboratorium
Skanowania i Modelowania 3D przy Instytucie Historii Architektury Sztuki i Techniki oraz firmπ Leica Geosystems podjÍ≥a prÛbÍ rozpoznania moøliwoúci wykorzystania systemÛw skanowania 3D
w ramach czynnoúci oglÍdzinowych na miejscu zdarzenia i ich dokumentowania.
680
The 21st century has broaden the range of modern means and devices of criminological technique
in the domain of above mentioned activities. A criminological suitcase has ceased to be associated with
a magnifying glass and a dactylographic brush. In
the times of DNA studies, GSR analysis of aftershot traces, new methods of revealing fingerprints,
it is not surprising that ultra modern solutions are
searched for, such that can function in present day
forensic science.
A possibility of using 3D scanning technology
during inspection seems to constitute a present step
into the future of modern criminological techniques.
3D laser scanning is now used in the whole world in
such domains as: building and architecture, industrial engineering, geodesy, conservation of monuments and archaeology. It has been successfully used
in forensic science since the beginning of this decade. The greatest usage of 3D scanners may be observed by the American Police.
Multidisciplinary Accident Investigation Team,
working within the California Highway Patrol, is
concerned mainly with crime detection of traffic
accidents, their reconstruction and causes. Moreover, MAIT helps in other crime scenes, especially
those in which fire-arms are used both by perpetrators or policemen. In the State of New Mexico (US
Albuquerque Police), a 3D scanner is used by the
Mobile Crime Lab at the sites of most serious crimes,
usually accompanied by fire-arms usage. 3D scanning technology has recently started to be employed
also in Europe by police detectives mostly in investigations carried out after explosions originated by
organised criminals or terrorists.
Police School from Pi≥a together with Laboratory of 3D Scanning and Modelling at the Institute
History of Architecture, Arts and Technology and
the Firm of Leica Geosystems have undertaken an
attempt to examine the possibilities of using 3D
scanning systems on inspection of a crime scene and
their documentation.
Lecturers from the Criminology Department of
Police School, Pi≥a, together with representatives of
the Laboratory and the Firm carried out inspection
of simulated crimes at two crime scenes: in an open
area ñ a traffic accident, and in a house ñ a murder.
In both cases before a proper investigation was carried out, according to the law (kpk) and regulations
concerning these proceedings, the sites were scanned
with the use of HDS Leica ScanStation 2 scanner
and accompanied ñ for reasons of demonstrative
documentation ñ by a digital camera ñ Fuji Fine Pix
S5 Pro.
One of the simulated crime scenes (murder) was
left in an unchanged conditions and it was inspect-
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
Wyk≥adowcy Zak≥adu Kryminalistyki Szko≥y Policji w Pile wraz z przedstawicielem ww. Laboratorium i firmy Leica Geosystems przeprowadzili czynnoúci oglÍdzinowe na dwÛch miejscach symulowanych zdarzeÒ kryminalnych: w terenie otwartym
wypadku komunikacyjnego oraz w pomieszczeniach mieszkalnych miejsca zabÛjstwa. W obu przypadkach przed wykonaniem w≥aúciwych oglÍdzin,
zgodnie z przepisami prawa (kpk) oraz zasadami
przeprowadzania takich czynnoúci, miejsca zdarzenia poddane zosta≥y skanowaniu z uøyciem skanera
HDS LeicaScanstation 2, wspomaganego ñ dla celÛw dokumentacji poglπdowej ñ cyfrowym aparatem lustrzanym ñ Fuji FinePix S5 Pro.
Jednoczeúnie jedno z symulowanych miejsc zdarzeÒ (zabÛjstwa), pozostawione w niezmienionych
warunkach, dwukrotnie poddano oglÍdzinom metodπ klasycznπ z uøyciem zespo≥Ûw ludzkich, wchodzπcych w sk≥ad grupy operacyjno-procesowej.
W wyniku tych czynnoúci policjanci sporzπdzili
komplety dokumentacji w postaci protoko≥u oglÍdzin, szkicu roboczego i w≥aúciwego, metryczek úladowych oraz notatki pooglÍdzinowej.
Powyøsze mia≥o na celu porÛwnanie wynikÛw
skanowania 3D oraz czynnoúci oglÍdzinowych zespo≥Ûw ludzkich w zakresie sporzπdzanej dokumentacji techniczno-poglπdowej.
2. Skanowanie 3D miejsca zdarzenia
i przygotowanie dokumentacji
W czynnoúciach skanowania 3D symulowanego miejsca zdarzenia, jako czynnoúÊ adekwatna do oglÍdzin,
bra≥y aktywnie udzia≥ 2 osoby. £πczny czas skanowania wyniÛs≥ 1 godz. 55 min., a samo pomieszczenie by≥o analizowane z trzech stanowisk (oko≥o 3035 minut na jedno stanowisko skanowania).
Sama czynnoúÊ przeprowadzana na miejscu zdarzenia polega≥a na zeskanowaniu rzeczywistoúci
z trzech rÛønych, dope≥niajπcych siÍ stanowisk pracy
skanera 3D, ktÛry wymaga≥ wy≥πcznie unieruchomienia, wypoziomowania i okreúlenia fragmentu
miejsca poddanego automatycznemu skanowaniu,
zapisywanym na dysku twardym komputera wspÛ≥pracujπcego z urzπdzeniem (Rys. 1).
Czas opracowania materia≥Ûw uzyskanych w wyniku skanowania, ≥πcznie dla wszystkich stanowisk,
wynosi≥ (bez udzia≥u przygotowania filmÛw) 8 godzin, w tym:
ñ rejestracja chmury punktÛw ñ 30 minut,
ñ opracowanie zdjÍÊ panoramicznych ñ 3 godziny,
ñ mapowanie kolorÛw ñ 1 godzina,
ñ przygotowanie true view ñ 30 minut,
ed twice by means of a classical method performed
by a team of investigators that belonged to an operational ñ trial group. As a result of their activities, policemen prepared sets of documents in the
form of inspection report, a working and proper
sketch, trace identifying cards and after- inspection notes.
The above mentioned activities were aimed at
comparing the results concerning the preparation of
technical ñ demonstrative documentation obtained
by 3D scanning and inspection performed by a team
of investigators.
2. 3D scanning of a crime scene and
preparing documentation
Two persons took actively part in 3D scanning of
a simulated crime scene, as the activity corresponding with inspection. A total scanning time was 1
hour 55 minutes, and the room was scanned from
3 positions (about 30 ñ 35 minutes per one scanning position).
The activity carried out at the crime scene consisted in scanning the reality from three different,
complementary positions of work of 3D scanner,
which required only immobilisation, levelling and
defining a fragment of the scene undergoing automatic scanning which was saved on a hard disc of
a computer working with the scanner (fig. 1).
The time of analysis of data obtained during scanning for all positions (without film preparation) was
8 hours and included:
ñ point cloud registration ñ 30 minutes
ñ working out panoramic pictures ñ 3 hours
ñ colour mapping ñ 1 hour
ñ preparing true view ñ 30 minutes
ñ preparing panoview ñ 30 minutes
ñ working out vector projection ñ 3 hours
ñ additional generating of one demonstrative
film for a single scanning position took about
1 hour.
As a result of joining positions and defining external reference system (so called georeference),
a point cloud is obtained, which consists of hundreds of thousands, or even millions of points,
which is ready for making immediate measurements and three-dimensional analyses, for 3Dmodelling or for direct usage in other CAD applications or in software created for criminologists of
Leica Forensic Map Pro.
A complete visualisation of a scanned object is
made by the integration of a 3D point cloud with
digital pictures taken by a scanner or any digital
camera. In this case, Fuji Film Pix S5 Pro camera
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
681
was used, which was equipped with a fish-eye lens.
ñ przygotowanie panoview ñ 30 minut,
ñ opracowanie rzutu wektorowego ñ 3 godzi- (180o) (fig. 2)
ny,
A panorama was prepared from a set of pictures,
ñ dodatkowe wygenerowanie jednego filmu po- which as information about colour was mapped on
glπdowego dla pojedynczego stanowiska ska- a point cloud that constituted initial material for the
nowania wynosi≥o oko≥o 1 godziny.
3D scanner (fig. 3)
W wyniku po≥πczenia stanowisk i ustalenia zewnÍtrznego uk≥adu odniesienia (tzw. georeferencja)
uzyskujemy chmurÍ punktÛw, zawierajπcπ setki tysiÍcy, a nawet wiele milionÛw punktÛw, gotowπ do
wykonywania bezpoúrednich pomiarÛw i analiz
przestrzennych, do modelowania 3D lub bezpoúredniego wykorzystania w innych aplikacjach CAD czy
teø oprogramowaniu bezpoúrednio dedykowanemu
kryminalistykom Leica Forensic Map Pro.
Pe≥na wizualizacja obiektu skanowanego jest
dokonywana poprzez integracjÍ uzyskanej chmury
punktÛw 3D ze zdjÍciami cyfrowymi wykonywanymi przez skaner lub dowolnym aparatem cyfroz pracującym na miejscu zdarzenia
wym. W omawianym przypadku uøyto aparatu Fuji Rys. 1. Widok stanowiska
skanerem 3D, fot. L. Koźmiński
FinePix S5 Pro wyposaøonego w obiektyw Ñrybie
Fig. 1 The 3D scanner at the crime scene. fot. L. Koźmiński
okoî (180o) (Rys. 2).
Video animations or a file prepared for a 3D
Z zestawu zdjÍÊ przygotowano panoramÍ, ktÛra
jako informacja o kolorze zosta≥a mapowana na material to be placed on a web site are excellent
chmurÍ punktÛw, stanowiπcych wyjúciowy materia≥ works that may be treated as both a descriptive and
investigatory material.
pracy skanera 3D (Rys. 3).
From the point of view of usage of after ñ inZnakomitym produktem poúrednim, stanowiπcym zarÛwno materia≥ poglπdowy, jak i badawczy, spection documentation, it seems to be quite impormogπ byÊ animacje
video lub plik przygotowany do opublikowania materia≥u
3D poprzez strony
internetowe.
Wyjπtkowo waønym z punktu widzenia wykorzystania
dokumentacji pooglÍdzinowej wydajÍ
siÍ byÊ moøliwoúÊ
takiego przygotowania materia≥Ûw ze
skanowania 3D miejsca zdarzenia, ktÛre
pozwala je aktywnie
przeglπdaÊ w przeRys. 2. Zdjęcia wykonane aparatem cyfrowym wyposażonym w obiektyw „rybie oko (180o)
glπdarce internetoFig. 2. Pictures taken by a digital camera equipped with a fish−eye lens
wej (w tym przypadku z uøyciem bezp≥atnej wtyczki Leica TrueView tant that there is a possibility of preparing materials
dla Internet Explorer). Bezpoúrednio w Ñchmurze from 3D scanning in such a way that they may be
punktÛwî (wirtualna rzeczywistoúÊ 3D) moøna do- searched on a web browser (in this case with a free
konywaÊ wszelkich pomiarÛw (wspÛ≥rzÍdne, odle- plug Leica TrueView for Internet Explorer). All
g≥oúci, kπty, pola powierzchni, objÍtoúci ñ Rys. 4). measurements can be made directly in a ìpoint
Ponadto z tak wizualizowanπ scenπ przestÍpstwa cloudî (3D virtual reality) (co-ordinates, distances,
≥πczyÊ moøemy, za pomocπ hiperlinkÛw, inne for- angles, surface, volume ñ fig. 4)
682
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
Rys. 3. Zdjęcie z mapowaną informacją o kolorze na chmurę punktów
Fig. 3. A picture with colour information mapped on a point cloud
Rys. 4. Wizerunek 3D miejsca zdarzenia z przykładem wymiarowania realizowanym w przeglądarce internetowej
Fig. 4. A 3D picture of the crime scene with an example of measuring as seen on a web browser
my graficznego przedstawiania wizerunkÛw zabezpieczonych úladÛw i przedmiotÛw, a takøe obecne
w postÍpowaniu dokumenty procesowe w wybranych fragmentach lub ca≥oúci.
Kolejnym etapem pracy nad dokumentacjπ ze
skanowania 3D by≥o sporzπdzenie rzutu wektorowego miejsca zdarzenia, ktÛry przekszta≥cony moøe
byÊ do odpowiedniej skali, wygodnej dla czynnoúci
przeglπdania na ekranie komputera czy teø druku
w formie papierowej (Rys. 5-6).
W wyniku skanowania 3D miejsca zdarzenia
moøliwe by≥o stosunkowo szybkie sporzπdzenie dokumentacji pooglÍdzinowej, ktÛrej najwaøniejszymi w≥aúciwoúciami sπ: dysponowanie modelami 3D
Such visualised crime scene can be joined by
means of hyperlinks with other graphic forms showing pictures of secured traces and objects, as well as
with trial documents or their fragments.
Processing a vector projection of a crime scene
was a next step in creating documentation with 3D
scanning. The projection can be converted into
a required scale, convenient either for reading on
a computer monitor, or for printing in a paper form
(Fig, 5-6).
As a result of 3D scanning of a crime scene, it
was possible to prepare after ñ investigation documentation, whose main features are: obtaining 3D
models with a point cloud characterised by great
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
683
Rys. 5−6. Opracowanie rzutu miejsca zdarzenia
Fig. 5−6. The plan of the crime scene
z Ñchmurπ punktÛwî o duøej dok≥adnoúci i moøliwoúci pomiarowej, moøliwoúÊ szybkiego uzyskiwania planÛw, rzutÛw, przekrojÛw 2D oraz moøliwoúÊ
tworzenia animacji 3D, w tym z myúlπ przedstawieniu rekonstrukcji zdarzenia.
684
precision and ability of measurement, possibility of
achieving plans quickly, projections, 2D sections and
creating 3D animations that can show reconstructions of a crime.
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
3. Oglêdziny miejsca zdarzenia
z udzia³em zespo³ów ludzkich
i przygotowanie dokumentacji
3. Inspection of a crime scene
carried out by teams of investigators
and preparing documentation
W czynnoúciach oglÍdzinowych symulowanego
miejsca zdarzenia, w niezmienionych warunkach
dotyczπcych pomieszczeÒ, rozk≥adu úladÛw i przedmiotÛw, bra≥y udzia≥ dwa zespo≥y ludzkie. Obie grupy prowadzπce oglÍdziny mia≥y w swoim sk≥adzie
policjantÛw s≥uøby kryminalnej z kilkuletnim staøem i wspomagane by≥y przez doúwiadczonego
technika. Policjanci w trakcie oglÍdzin sporzπdzali
dokumentacjÍ, na ktÛrπ sk≥ada≥y siÍ: protokÛ≥ oglÍdzin, szkic roboczy oraz w≥aúciwy, metryczki úladowe, a takøe notatki pooglÍdzinowe.
Najobszerniejszπ formÍ w obrÍbie dokumentacji
posiada≥y protoko≥y oglÍdzin. Zgodnie z zasadami
wykonywania oglÍdzin funkcjonariusze wykonywali pomiary pomieszczeÒ, ujawniali, wymiarowali i zabezpieczali úlady oraz dowody rzeczowe, dokonywali opisu s≥ownego miejsca zdarzenia. Ponadto istotnπ czÍúciπ dokumentacji stanowi≥y materia≥y fakultatywne w postaci szkicÛw oraz zdjÍÊ.
Analiza kompletnej dokumentacji wytworzonej
przez zespo≥y oglÍdzinowe wykaza≥a:
ñ rÛøny poziom jakoúciowy poszczegÛlnych form dokumentacji w zakresie formalnym i treúciowym,
ñ rÛønice w wymiarowaniu pomieszczeÒ (w granicach 5-30 cm),
ñ odmiennπ liczbÍ zabezpieczanych úladÛw i dowodÛw rzeczowych,
ñ rÛønice w wymiarowaniu zabezpieczanych úladÛw
i dowodÛw rzeczowych (w granicach 5-15 cm),
ñ brak zgodnoúci dokumentacyjnej pomiÍdzy zapisami w protokole oglÍdzin, a szkicami kryminalistycznymi czy zdjÍciami.
Tak scharakteryzowane wyniki oglÍdzin wskazujπ, iø jeden z ich celÛw [3] nie zosta≥ w przypadku pracy zespo≥Ûw ludzkich zrealizowany w pe≥ni
prawid≥owo. Utrwalenie wyglπdu i stanu miejsca
zdarzenia w dwÛch omawianych przypadkach nie
jest jednorodne i kompletne. Czynnik ludzki w tej
sytuacji nie stanowi≥ o sile prowadzonych czynnoúci, a raczej o s≥aboúci realizujπcych te dzia≥ania
funkcjonariuszy, co ma bezpoúredni wp≥yw na pozosta≥e cele oglÍdzin w postaci ujawnienia rÛønej
iloúci úladÛw, a takøe ich zabezpieczenie oraz wnioskowanie i prÛby rekonstrukcji zdarzenia.
Two teams of investigators took part in the inspection of a simulated crime scene with unchanged conditions in rooms, the layout of traces and objects.
Both groups included detectives with many years
of experience, who were assisted by an experienced
forensic technician. The policemen prepared documentation which consisted of an inspection report,
a working and proper sketch, trace identification
cards and after ñ inspection notes.
Inspection reports had the most extensive form.
According to the inspection regulations, the policemen measured the rooms, detected, measured and
secured traces and exhibits, and described the crime
scene. Optional materials were also included, e.g.
sketches and photographs.
The analysis of the completed documentation
revealed:
ñ different qualitative level of particular forms
of documents as far as form and content are
concerned
ñ differences in measurements of rooms (within 5-30 cm)
ñ different number of secured traces and exhibits
ñ differences in measurement of secured traces
and exhibits (within 5-15 cm)
ñ lack of consistency in the inspection report
and sketches or pictures.
The results of inspection as characterised
above show that one of their aims [3] was not fully accomplished. The presentation of the appearance and condition of the crime scene in two cases is not homogeneous and complete. The human
factor was responsible for the weakness of detectivesí activities, which directly influenced the rest
of aims of the inspection, i.e. revealing different
number of traces and their securing as well as
conclusions and attempts at reconstruction of the
crime.
4. Skanowanie 3D a oglêdziny
OglÍdziny jako czynnoúÊ procesowa sπ szeregiem
dzia≥aÒ o rÛønym charakterze i zakresie. Skanowanie 3D, jako nowatorska forma badania miejsca zdarzenia, w øaden sposÛb nie jest w stanie zastπpiÊ
4. 3D scanning and inspection
Inspection as a legal proceeding is a series of activities of different character and range. 3D scanning, being an innovative form of a crime scene
examination, cannot whatsoever replace inspection.
It can, however, be a modern counterpart of some
chosen parts of inspection, especially in the phase
of detailed static activities ñ without making any
changes at the crime scene in the process of its
cataloguing.
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
685
czynnoúci oglÍdzin. Moøe jednak stanowiÊ nowoczesny odpowiednik wybranych etapÛw oglÍdzin,
zw≥aszcza w fazie szczegÛ≥owych czynnoúci statycznych ñ bez dokonywania zmian na miejscu zdarzenia w swoistym procesie inwentaryzacji tego
miejsca.
Warto tym samym przyjrzeÊ siÍ zestawieniu w≥aúciwoúci oraz efektÛw skanowania 3D i oglÍdzin
z udzia≥em zespo≥Ûw ludzkich:
It is, therefore, worth comparing the characteristics and effects of 3D scanning and inspection performed be teams of investigators.
właściwości, wymagania, efekty
Characteristics, requirements, effects
zespoły oględzinowe
Inspection teams
skanowanie 3D
3D scanning
czas pracy
time of work
3,5−4,2 godz.
3,5−4,2 hours
1,5 godz.
1,5 hour
liczba uczestników
number of participants
4 osoby
4 persons
2 osoby
2 persons
warunki oświetleniowe
lightning conditions
wymagane odpowiednie
proper required
brak szczególnych wymagań
no particular requirements
forma dokumentacji wyjściowej
the form of initial documentation
protokół oględzin, szkic, zdjęcia,
metryczki śladowe
inspection report, sketch, photographs,
trace identification cards
„chmura punktów” o regulowanej,
w zależności od potrzeb,
dokładności, zdjęcia
“point cloud” with regulated,
if necessary, precision, pictures
możliwości przetwarzania
wyjściowych materiałów
possibilities of processing
initial materials
małe możliwości
small possibilities
duże możliwości (rzuty, szkice,
przekroje, widoki 2D i 3D, animacje)
great possibilities (projections, sketches,
sections 2D and 3D, animations)
poziom inwentaryzacji
rzeczywistości
the level of cataloguing
the facts
„dowolność” w uznawaniu ważnych
właściwości miejsca zdarzenia i śladów
– bez możliwości ponownego wyboru
“free choice” in accepting important
characteristics of a crime scene and
traces – without the possibility of
repeated choice
obiektywizm w doborze
rzeczywistości – możliwość powrotu
na miejsce zdarzenia
objectivism in the choice
of facts –possibility of returning
to a crime scene
dokładność wymiarowania –
granice błędu
precision of stating the dimensions
brak dokładności w pomiarach –
czynnik błędu ludzkiego
lack of precision I measurements –
the factor of a human error
wysoka dokładność pomiarów
high precision of measurements
Najistotniejszy zakres rÛønic, a zarazem b≥ÍdÛw
cz≥owieka, obejmowa≥ wymiarowanie miejsca zdarzenia oraz ujawnionych úladÛw i przedmiotÛw. Dodatkowo b≥Ídy w wymiarowaniu prze≥oøy≥y siÍ,
a raczej spotÍgowa≥y, w niepoprawnie wykonanych
szkicach odrÍcznych. Ich zestawienie w wspÛlnej
skali ze szkicami wytworzonymi z materia≥Ûw skanowania 3D wykaza≥y, iø rÛøne elementy szkicu odrÍcznego (rysowanego przez cz≥owieka) naniesione zosta≥y w rÛønej skali.
Jeúli przyjπÊ, øe pomieszczenie mia≥o zostaÊ
przez funkcjonariuszy zmierzone faktycznie poprawnie to zosta≥o ono narysowane w skali ok. 1:32.
Pozosta≥e elementy przedstawiono jednak na tym
samym rysunku w odmiennych skalach, np. drzwi
w oko≥o 1: 100, stÛ≥ oko≥o 1:18, a inne przedmioty
od skali 1:20 do skali 1:120. Innπ kwestiπ jest fakt,
øe wymiarowanie pomieszczenia nie zosta≥o jednak
wykonane prawid≥owo.
686
The most important differences, and human errors at the same time, referred to measuring the crime
scene and revealing traces and objects. Additionally, mistakes in measurements were intensified by
sketches prepared incorrectly by hand. Their comparison with sketches from 3D scanning done in
a common scale showed that different elements of
sketches (drawn by a man) were made in different
scales.
If we assume that a room was to be measured
properly, it should be drawn in 1:32 scale. The rest
of objects however was put on the same drawing in
different scales, doors 1:100, a table 1:18 and other
objects in scales from 1:20 to 1:120. Also the measurements of the room were not properly made.
Contrary to measurements made by a man, 3D
scanning has a smaller margin for error in this respect. 3D scanners present a high precision of measuring and projecting. The margins for errors depend
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
W przeciwieÒstwie do czynnoúci wymiarowania
realizowanego przez cz≥owieka skanowanie 3D w tej
mierze prezentuje mniejszy margines b≥Ídu. W przypadku wykorzystywania skanerÛw 3D dok≥adnoúÊ pomiaru i odwzorowania jest wysoka. Granice b≥Ídu
w zaleønoúci od zastosowanego procesu wykorzystania materia≥Ûw wyjúciowych skanowania wynoszπ od
2 mm do 12 mm. Jednoczeúnie naleøy zaznaczyÊ, iø
gÛrna liczba b≥Ídu wymiarowania dotyczy tworzenia dokumentacji poglπdowej w oparciu o obrazy
RGB, a nie chmury punktÛw zarejestrowanych
w trakcie czynnoúci skanowania (margines b≥Ídu
w tym przypadku wynosi 2-3 mm).
W perspektywie omawianych doúwiadczeÒ zwiπzanych ze skaningiem laserowym 3D oraz pracπ
zespo≥Ûw oglÍdzinowych na tych samych miejscach
zdarzeÒ wydaje siÍ, øe technologia skanowania 3D
winna znaleüÊ obowiπzkowe miejsce w pracy úledczych na miejscach najwaøniejszych zdarzeÒ. DziÍki
niej ñ z punktu widzenia potrzeb wspÛ≥czesnej kryminalistyki ñ moøliwe jest szybkie, sprawne i bardzo dok≥adne wykonywanie pomiarÛw wyznaczonego obszaru, budynku, pomieszczenia, jako miejsc
zdarzeÒ poddawanych oglÍdzinom. Skanery HDS
3D pozwalajπ na odczyt i archiwizacjÍ wszelkich
danych przestrzennych ñ i to zarÛwno w wymiarze
2D, jak i 3D. Jednoczeúnie uøycie skanerÛw powoduje szybsze uzyskiwanie wynikÛw w postaci pomiarÛw, sporzπdzanych planÛw i szkicÛw o minimalnym stopniu b≥Ídu badawczego. ZwiÍksza siÍ
takøe bezpieczeÒstwo pracy na miejscach zbrodni,
gdyø nie ma potrzeby stycznoúci z kaødym fragmentem miejsca zdarzenia.
Zastosowanie opisywanej technologii moøe
w duøej mierze u≥atwiÊ pracÍ organom policji, prokuratury czy sπdÛw. WiÍkszoúÊ danych z miejsca
zdarzenia dostÍpna jest w kaødym momencie w postaci trÛjwymiarowego obrazu, a wiÍc moøliwy jest
wirtualny powrÛt na miejsce zbrodni.
on initial scanning material and vary from 2mm to
12mm. It should be noticed that the higher number
of the measurement error concerns demonstrative
documentation created on the basis of RGB pictures
and not point clouds registered on scanning (the
margin for error in this case is 2-3 mm).
Considering experiences connected with 3D laser scanning and work of inspecting teams at the
same crime scenes, it seems that 3D scanning technology should be obligatory used in legal proceedings concerning the most important crimes. It allows quick, efficient and very precise measuring of
a given area, building, or room under inspection.
HDS 3D scanners allow to read and catalogue all
special data ñ both in 2D and 3D dimensions. The
usage of scanners enables to get results quickly in
the form of measurements, plans, sketches with
a minimal error. Work safety increases at the crime
scene because there is no need to come into contact
with each fragment of the crime scene
The usage of described technology can simplify
to a great degree work of the police, prosecutors or
court of justice. The majority of data from the crime
scene is available any time in the form of a three ñ
dimensional picture, so a virtual return to a crime
scene is possible.
Literatura • References
[1] M. Goc, OglÍdziny [w:] E. Gruza, M. Goc, J. MoszczyÒski, Kryminalistyka ñ czyli rzecz o metodach
úledczych, Wydawnictwa Akademickie i Profesjonalne, Warszawa 2008, s. 204.
[2] J. Mazepa, OglÍdziny [w:] Vademecum technika kryminalistyki, Pod red. J. Mazepy, Oficyna a Wolters Kluwer business, Warszawa 2009, s. 16.
[3] Za M. Gocem naleøy wyrÛøniÊ cztery cele oglÍdzin: 1. utrwalenie wyglπdu i stanu miejsca zdarzenia,
2. ujawnienie úladÛw, 3. zabezpieczenie úladÛw, 4. wnioskowanie i prÛba rekonstrukcji zdarzenia.
Zob. M. Goc, OglÍdziny [w:] E. Gruza, M. Goc, J. MoszczyÒski, Kryminalistyka ñ czyli rzecz o metodach úledczych, Wydawnictwa Akademickie i Profesjonalne, Warszawa 2008, s. 205-6.
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
687
*
**
***
Szko≥a Policji, Pi≥a, Polska
Police School, Pi≥a, Poland
Laboratorium Skanowania i Modelowania 3D, Politechnika Wroc≥awska
Laboratory of 3D Scanning and Modelling, Wroclaw University of Technology
Leica Geosystems, Warszawa, Polska
Leica Geosystems, Warsaw, Poland
Streszczenie
Abstract
Szko≥a Policji w Pile, wraz z Laboratorium Skanowania i Modelowania 3D Politechniki Wroc≥awskiej,
oraz Leica Geosystems Polska, przeprowadzi≥a badania moøliwoúci zastosowania skanowania 3D w dokumentacji i analizie miejsc zdarzeÒ kryminalnych.
G≥Ûwnym celem by≥o porÛwnanie wynikÛw uzyskanych metodπ skanowania 3D z dokumentacjπ przygotowywanπ przez zespÛ≥ dochodzeniowy metodami tradycyjnymi. PorÛwnanie przeprowadzone na
przyk≥adzie zdarzenia kryminalnego wewnπtrz budynku, wypad≥o na korzyúÊ metody skanowania 3D,
ktÛra okaza≥a siÍ szybka, wydajna i precyzyjna w zakresie w pe≥ni zadowalajπcym wymagania wspÛ≥czesnej kryminalistyki. Technologia skanowania 3D
upraszcza proces dokumentacji i opisu danych przestrzennych. Dodatkowo, skanowanie 3D eliminuje
zazwyczaj potrzebÍ ponownego przyjazdu ekipy dochodzeniowej na miejsce zdarzenia kryminalnego.
Police School in Pi≥a together with the Laboratory
Scanning and Modelling 3D of the Wroc≥aw University of Technology and Leica Geosystems attempted to diagnose possibilities of using the 3D
scanning in the crime scene inspection and its documentation. The main aim was to compare the results of the 3D scanning with the inspection activities led by human teams in the field of documenting the site inspection. The comparison revealed
that the measurements of the appointed area, the
building, and the room as the crime scenes carried
out using the 3D scanner, were quick, efficient, and
precise, as far as the needs of the present crime
detection are concerned. These 3D scanners simplify the measurement reading and storing any
three-dimensional data. Moreover, the use of the
3D scanners eliminates ësecond visitsí at the crime
scene.
688
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
NAUKA
SCIENCE
Krzysztof Maksymowicz*
Magdalena Kobielarz**, Tomasz Jurek***
Skanowanie 3D jako metoda obrazowania złożonych
i rozległych relacji przestrzennych dla potrzeb medycyny
sądowej i kryminalistyki – ocena przydatności
3D laser scanning as a method of registration of large
and complex spatial relations for the needs of forensic
medicine and crime detection – assessment of applicability
1. Wprowadzenie
1. Introduction
Powodem wyodrÍbnienia siÍ medycyny sπdowej
z nauk lekarskich ponad wiek temu, by≥a potrzeba
przystosowania szeroko pojÍtej wiedzy lekarskiej
dla potrzeb wymiaru sprawiedliwoúci [1]. Obecnie
wobec wciπø narastajπcej iloúÊ zadaÒ stawianych
medycynie sπdowej przez szereg innych dziedzin
nauki, a takøe ze strony úrodowisk zwiπzanych
z dzia≥alnoúciπ komercyjnπ w rozumieniu produkcji, ochrony i dystrybucji dÛbr materialnych, medycyna sπdowa staje siÍ naukπ szczegÛlnie interdyscyplinarnπ. W szczegÛlnoúci Katedra Medycyny
Sπdowej Akademii Medycznej we Wroc≥awiu prowadzi badania naukowe i dzia≥alnoúÊ us≥ugowπ miÍdzy innymi w takich dziedzinach jak tanatologia,
toksykologia i traumatologia sπdowo-lekarska, balistyka, traseologia, biomechanika, rekonstrukcja
wypadkÛw i katastrof. Badania te ≥πczπ i rozwijajπ
nauki medyczno-sπdowe z naukami politechnicznymi, biologicznymi i prawnymi. OsiπgniÍcia naukowe bÍdπce owocem wspÛlnie prowadzonych badaÒ
wykorzystywane sπ w codziennej praktyce sπdowolekarskiej i kryminalistycznej, co bezpoúrednio przek≥ada siÍ na realizacjÍ potrzeb spo≥ecznych i gospodarczych kraju, takøe w aspekcie bezpieczeÒstwa
wewnÍtrznego. Sta≥a wspÛ≥praca Katedry Medycyny Sπdowej z organami úcigania, instytucjami wymiaru sprawiedliwoúci z terenu ca≥ego kraju i po-
The reason of emerging the forensic medicine from
medical sciences over a century ago, was the need
for adaptation of broadly comprehended medical
knowledge for the needs of the administration of
justice [1]. At present in the face of growing number
of problems put before the forensic medicine by
a variety of different fields of science, and also by
the circles connected with commercial activity in
the sense of production, protection and distribution
of material goods, the forensic medicine becomes
a particularly interdisciplinary science. It is especially the Forensic Medicine Department at Medical Academy in Wroclaw that carries out scientific
investigations and service activity, among others in
such fields as thanatology, toxicology and forensicmedical traumatology, ballistics, traseology, biomechanics, reconstruction of accidents and catastrophes. These investigations unite and develop medical-forensic sciences with polytechnic, biological
and legal sciences. Scientific achievements which
are the fruit of investigations carried out together
are used in the everyday forensic-medical and criminalistic practice, which is directly transferred to the
realization of the social and economic needs of the
country, also in the aspect of the internal safety. Permanent co-operation of the Forensic Medicine Department with the organs of law-enforcing, the in-
Praca dopuszczona do druku po recenzjach
Article accepted for publishing after reviews
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
689
dobnymi instytucjami zagranicznymi, przy rosnπcych wymaganiach powyøszych kontrahentÛw wobec us≥ug úwiadczonych przez KatedrÍ, wymaga od
nas ciπg≥ego udoskonalania warsztatu badawczous≥ugowego. Wyzwania te moøna z pozytywnym
skutkiem realizowaÊ miÍdzy innymi poprzez poszukiwanie nowych narzÍdzi do obserwacji otaczajπcej nas rzeczywistoúci materialnej [2]. Metody trÛjwymiarowego obrazowania z zastosowaniem skanera 3D, otwierajπ nowe perspektywy zw≥aszcza
w zakresie utrwalania obrazu miejsca zdarzenia,
jakie z racji swego charakteru znalaz≥o siÍ w polu
zainteresowania ze strony medycyny sπdowej i kryminalistyki. Tam bowiem, gdzie ma miejsce zdarzenie podczas ktÛrego dochodzi do uszkodzenia
cia≥a w okolicznoúciach wypadku, dzia≥ania samobÛjczego, lub przestÍpczego, wiedza i doúwiadczenie przedstawicieli obu dziedzin sπ niezbÍdne dla
poszukiwania úladÛw prawdy materialnej. W szerokiej sferze zainteresowaÒ kryminalistyki znajdujπ siÍ miÍdzy innymi dzia≥ania zmierzajπce do poszukiwania metod i úrodkÛw zwalczania i zapobiegania przestÍpczoúci, w czym niepoúledniπ rolÍ odgrywajπ úrodki techniczne, miÍdzy innymi s≥uøπce
do rejestracji obrazu miejsc, przedmiotÛw i osÛb
pozostajπcych w zwiπzku ze zdarzeniami o charakterze kryminalnym [3].
stitutions of the administration of justice all over
the country and similar foreign institutions, while
the requirements of the above mentioned contracting parties concerning the standard of the services
rendered by the Department have been still growing, needs continuous improvement of our research
and service facilities. One can realize such challenges with positive result among others by searching for
new tools for the observation of the material reality
surrounding us [2]. The methods of three-dimensional
imaging with the use of a 3D scanner open new perspectives, especially in the range of fixing the image
of the site of an event which due to its character has
become the object of interest of the forensic medicine and crime detection. It is where an event has
taken place, during which a bodily harm has occurred
in the circumstances of an accident, a suicidal act, or
a criminal act, that knowledge and experience of the
representatives of both fields are indispensable for
the search of the traces of the material truth. Within
a wide scope of the interests of crime detection,
among others there are activities aimed at searching
methods and means of fighting and prevention of
crime, wherein the technical means serving for registration of the image of places, objects and persons
being in a relationship with the events of criminal
character play an important part [3].
2. Cel pracy
2. Objective of the study
W zakres oglÍdzin miejsca zdarzenia wchodzπ miÍdzy innymi rÛønorodne czynnoúci techniczno-kryminalistyczne, majπce na celu uzyskanie maksymalnej iloúci informacji o zdarzeniu i jego uczestnikach,
na podstawie zabezpieczonych úladÛw kryminalistycznych. Celem ostatecznym tych dzia≥aÒ jest
dostarczenie informacji, ktÛre pozwoli≥yby na ustalenie charakteru, przebiegu i czasu zaistnienia przedmiotowego zdarzenia, oraz ustaleniu roli jakπ w jego przebiegu pe≥ni≥y osoby w nim uczestniczπce [4].
Celem pracy by≥o ustalenie, czy skanowanie przestrzenne 3D obszaru miejsca zdarzenia pozostajπcego w zasiÍgu dzia≥ania medyka sπdowego i technika kryminalistycznego, spe≥nia ñ i w jakim zakresie ñ wymogi stawiane oglÍdzinom miejsca zdarzenia z zastosowaniem klasycznych metod techniki
kryminalistycznej, a to szczegÛlnie przy z≥oøonej
formie przestrzennej i infrastrukturze technicznej
badanego miejsca.
The inspection of the place of an event includes
among others a variety of technical-criminalistic
activities whose aim is to obtain maximum quantity
of information about the event and its participants,
on the basis of secured criminalistic traces. The ultimate objective of these activities is to provide information, which would allow to establish the character, the course and the time of occurrence of the
objective event, and to find out the role that persons
participating in the course thereof have played in it
[4]. The objective of this study was to determine,
whether the spatial 3D scanning of the area of the
site of event, staying in the range of forensic medical and criminalistic technician, can meet ñ and in
what range ñ the requirements as put before the inspection of the site of the event with the use of the
classic methods of criminalistic techniques, and especially when the spatial form and technical infrastructure of the studied place is complex.
3. Materia³
3. Material
Obiektem poddanym skanowaniu by≥a hala produkcyjna zak≥adÛw metalurgicznych o ciπg≥ym charakterze produkcji. Cykl produkcyjny obejmowa≥ odle-
The object subjected to scanning was a productive
hall of a metallurgical plant of continuous character of the production. The productive cycle includ-
690
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
wanie z metali lekkich úredniej wielkoúci elementÛw
stosowanych do budowy pojazdÛw mechanicznych,
obrÛbki mechanicznej tych elementÛw, kontrolÍ jakoúci, transport i ich sk≥adowanie. Jako prawdopodobne miejsce zdarzenia uznano stanowisko pracy
odlewnika. Bezpoúrednio w sk≥ad stanowiska pracy wchodzi≥ piec odlewniczy, podest roboczy
i forma odlewnicza. W bezpoúredniej bliskoúci i w
dalszym dystansie do miejsca jak wyøej znajdowa≥
siÍ wyjπtkowo z≥oøona topograficznie infrastruktura techniczna zak≥adu.
ed casting from the light metals medium-sized parts
applied for construction of mechanical vehicles,
mechanical processing of these parts, the quality
control thereof, transportation and storing. It was
assumed that a probable place of an event could be
the working station of a foundryman. The working
station of his included a melting furnace, a working
platform and a casting mould. In direct vicinity and
in the farther distance to the place as mentioned there
was exceptionally topographically complex technical infrastructure of the plant.
4. Metody
4. Methods
Do skanowania zastosowano skaner Leica ScanStation, ktÛry charakteryzuje siÍ nastÍpujπcymi parametrami:
ñ zasiÍg pomiaru do 300 m,
ñ dok≥adnoúÊ pomiaru dochodzπca do 2 mm,
ñ prÍdkoúÊ skanowania przy pe≥nej dok≥adnoúci;
4000 pkt/sek.
ñ pole widzenia; 270 stopni w pionie i 360 stopni
w poziomie,
ñ maksymalna rozdzielczoúÊ (gÍstoúÊ skanowania); 1,2 mm
ZdjÍcia panoramiczne wykonano aparatem cyfrowym FujiFilm S5 Pro, obiektywem typu rybie
oko o ogniskowej soczewki 8mm. Dla lokalizacji
skanera i panoramicznego aparatu fotograficznego
wybrano trzy stanowiska, dokonujπc rejestracji obrazu aparatem fotograficznym, a nastÍpnie skanerem. Barwny obraz otrzymany z panoramicznego
aparatu fotograficznego na≥oøono na chmurÍ punktÛw uzyskanπ podczas skanowania. Istotne elementy zwymiarowano i przedstawiono w rzucie poziomym i pionowym. Proces skanowania i rejestracji
danych, oraz ich opracowania oparty by≥ na oprogramowaniu Leica Cyclone oraz Bentley MicroStation. Pomiary i ich opracowanie wykonane zosta≥y
przez Laboratorium Skanowania i Modelowania 3D
Instytutu Historii Architektury i Sztuki Politechniki Wroc≥awskiej.
Scanning was carried out with the use of a scanner
Leica ScanStation which is characterized by the following parameters:
ñ range of the measurement up to 300 m,
ñ precision of the measurement coming up to
2 mm,
ñ speed of scanning at full resolution; 4000 pt/sec
ñ field of sight; 270 degrees vertically and 360
degrees horizontally,
ñ maximum resolution (scanning density); 1.2 mm
The panoramic photographs were taken with
a digital camera FujiFilm S5 Pro, with a fish-eye
type lens of the lens focal 8mm. Three positions
were chosen for the location of the scanner and the
panoramic camera, making the registration of the
picture with the camera, and then with the scanner. The colorful image received from the panoramic camera was plotted on the cloud of points
obtained during scanning. Essential elements were
dimensioned and presented in a vertical projection
and a horizontal projection. The process of scanning and registration of the data, and their processing was supported upon the software Leica Cyclone
and Bentley MicroStation. The measurements and
their study were carried out by the 3D Scanning
and Modeling Laboratory of the Institute of Architecture History and Arts of Wroc≥aw University of Technology.
5. Wyniki
5. Results
Panoramiczny obraz uzyskany za pomocπ kamery
cyfrowej oceniono jeszcze przed na≥oøeniem go na
chmurÍ punktÛw uzyskanπ w skanowaniu. Obraz
ten obejmuje w praktyce ca≥oúÊ pola widzenia otoczenia miejsca rejestracji zdarzenia. Jego rozdzielczoúÊ i zapis barw, pozwala na identyfikacjÍ najdrobniejszych szczegÛ≥Ûw z ich dok≥adnπ lokalizacjπ. Z punktu widzenia medyczno-sπdowego
istotnπ okazuje siÍ jakoúÊ barw. Poruszanie siÍ wokÛ≥ osi pola widzenia poszczegÛlnych stanowisk
The panoramic image obtained with the help of digital camera was assessed even before plotting it on
the cloud of points obtained from the scanning. This
image practically includes the whole field of sight
of the surroundings of the place of the registration
of the event. Its resolution and notation of colors
allows to identify the smallest details with their exact location. From the medical-forensic point of view
the quality of colors is most essential. Moving
around the axis of the field of sight of individual
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
691
pozwala dostrzec szczegÛ≥y otoczenia ukryte
w niektÛrych projekcjach za innymi przedmiotami. Z≥oøenie obrazu z trzech stanowisk stanowi
komplementarny obraz ca≥oúci obrazowanego
miejsca. Po sprzÍøeniu obrazu jak wyøej z chmurπ
punktÛw uzyskanych poprzez skanowanie, otrzymano obraz przestrzenny o wysokim stopniu odwzorowania szczegÛ≥Ûw, z nieco gorszym wysyceniem barw w porÛwnaniu do obrazu z panoramicznego aparatu fotograficznego. Analiza obrazu pod wzglÍdem medyczno-sπdowym i kryminalistycznym, w odniesieniu do uzyskanych juø
wczeúniej danych o przedmiotowym zdarzeniu,
pozwoli≥a na ujawnienie obecnoúci elementÛw
mogπcych mieÊ istotne znaczenie dla sprawy. By≥y
to: obecnoúÊ poza polem widzenia osoby poruszajπcej siÍ po hali ruchomych elementÛw suwnicy
podstropowej, trakt komunikacyjny pojazdÛw obs≥ugujπcych produkcjÍ, znaczπca rÛønica wysokoúci schodÛw platformy roboczej. Wpisanie uzyskanego obrazu w uk≥ad wspÛ≥rzÍdnych XYZ pozwoli≥o na skorelowanie topografii wyposaøenia hali
z potencjalnymi scenariuszami przemieszczania siÍ
uczestnika- uczestnikÛw zdarzenia. To z kolei da≥o
moøliwoúÊ sformu≥owaÊ hipotezy o ewentualnym
przebiegu zdarzenia, dajπc wytyczne o kierunku
poszukiwaÒ dalszych istotnych dla sprawy dowodÛw materialnych.
positions lets perceive details of the surroundings
hidden in some projections behind other objects. The
assembly of the image from three positions makes
up a complete image of the entire place being the
object of imaging. After coupling the image as above
mentioned with the cloud of points obtained by scanning, the spatial image of high level of imaging of
details was received, with somewhat worse color
saturation in comparison with the image from the
panoramic camera. The analysis of the image from
the medical-forensic and criminalistic point of view,
in the reference to the earlier obtained data concerning the objective event, enabled us to disclose the
presence of elements which could be of great importance for the matter. They were as follows: presence of mobile elements of an overhead travelling
crane, which were beyond the field of sight of
a person moving about the hall, the communication
track of operating production vehicles, significant
difference of the height of the steps of the working
platform. Plotting the obtained image in a 3D coordinate system XYZ allowed to correlate the topography of the equipment in the hall with the potential scripts of moving of the participants of the
event. This in turn gave the possibility to formulate
the hypothesis about the possible course of the event,
giving directives about the direction of further search
of material proofs essential for the matter.
Rys. 1. Usytuowanie pozycji aparatu i skanera
Fig. 1. Scanner and camera positions
692
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
Rys. 2. Przekrój pionowy obrazowanej przestrzeni
Fig. 2. Vertical cross−section of the site view of the recorded area
Rys. 3. Fragment panoramy wykonanej aparatem z obiektywem szerokokątnym
Fig. 3. Fragment of the panoramic picture recorded with a camera with a wide angle lens
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
693
6. Omówienie
6. Discussion
Skaner 3D ≥πczy w sobie elementy technik diagnostycznych fizykalnych z technikami cyfrowymi,
zachowujπc wysokπ rozdzielczoúÊ przy obrazowaniu przedmiotÛw w trzech wymiarach. Bezdotykowa i nie destruktywna technika obserwacji i gromadzenia danych z zastosowaniem promienia laserowego zachowuje badany obiekt w nienaruszonym
stanie, co jest tak istotne z punktu widzenia prawnej wartoúci dowodowej badanego obiektu. SzybkoúÊ uzyskiwania danych opisujπcych obiekt, moøliwoúÊ jednoczesnej ich archiwizacji i przesy≥ania
na dowolnπ odleg≥oúÊ, ma zastosowanie gdy wymagany jest szybki transport danych dowodowych
pomiÍdzy oúrodkami badawczymi, na przyk≥ad
w celu wielodyscyplinarnych konsultacji czy porÛwnania i identyfikacji uzyskanych informacji z zasobami w istniejπcych juø bazach danych [5,6]. Cechy szczegÛlne skanowania 3D to niski koszt jednostkowy badania, prostota obs≥ugi skanera, jego
mobilnoúÊ, niezaleønoúÊ od zewnÍtrznych ürÛde≥
energii, moøliwoúÊ wspÛ≥pracy praktycznie ze
wszelkiego rodzaju narzÍdziami badawczymi pracujπcymi w technice cyfrowej, w tym szczegÛlnie
z urzπdzeniami obrazujπcymi, rejestrujπcymi
i utrwalajπcymi dane. Szeroki zakres warunkÛw pracy skanera pozwala na rejestracjÍ danych w skali
makroskopowej na przyk≥ad ze sceny miejsca zdarzenia w postaci zobrazowania ca≥oúci materia≥u dowodowego, jak teø obserwacjÍ i archiwizacjÍ danych
w skali mikroskopowej poprzez obrazowanie poszczegÛlnych przedmiotÛw ze sceny przedmiotowego zdarzenia. Zarejestrowany obraz moøe byÊ odtworzony miÍdzy innymi poprzez wydruk z drukarki
3D, co zastπpiÊ moøe techniki odlewÛw gipsowych
i makiet. Na≥oøenie na siebie obrazÛw makroskopowych i mikroskopowych daje pe≥en obraz i trÛjwymiarowy wglπd w miejsce zdarzenia, dodatkowo z moøliwoúciπ symulacji hipotetycznego przebiegu zdarzenia. Ca≥oúÊ takiego obrazu praktycznie
eliminuje zastosowanie klasycznych metod archiwizacji opartych na odlewach i makietach gipsowych, szkicach sytuacyjnych, czy nawet zapisach
obrazu w wymiarze dwup≥aszczyznowym [7,8].
SzczegÛlnie istotne dla praktyki medyczno-sπdowej
i kryminalistycznej jest to, øe dane uzyskane ze skanera Leica HDS 3000 sπ Ñodporneî na wszelkiego
rodzaju wtÛrne manipulacje. Pierwotna informacja
o zarejestrowanej przestrzeni przechowywana jest
zawsze w bazie danych w stanie nienaruszonym i w
kaødej chwili umoøliwia powrÛt do oryginalnych
danych z przed procesu ich obrÛbki i przetworzenia. Ma to szczegÛlne znaczenie przy ocenie danych
ze skanowania 3D jako materia≥u dowodowego.
The 3D scanner itself links the elements of diagnostic physical techniques with digital techniques,
keeping high resolution of the image when illustrating the objects in three dimensions. The nontouch and non destructive technique of observation
and data accumulating with the use laser beam keeps
the studied object intact, which is so essential from
the point of view of legal validity of the studied
object as evidence. The speed of obtaining the data
describing the object, possibility of simultaneous
filing and sending the data at any distance, is applied when quick transportation of the evidence data
is required between investigative centers, for example in order to have these interdisciplinary consulted or in order to compare and identify the obtained
information with the resources in already existing
databases [5,6]. The specific features of 3D scanning are low cost of the investigation per unit, simplicity of the service of the scanner, its mobility,
independence from the external sources of energy,
possibility of co-operation practically with every
kind of investigative tools working in the digital
techniques, in this particularly with the devices for
imaging, recording and fixing the data. The wide
range of operating conditions of the scanner allows
to carry out registration of the data in the macroscopic scale for example from the scene of the site
of event in the form of image of the whole evidence
material, as well as observation and filing of the data
in microscopic scale by imaging individual objects
from the scene of the objective event. The registered image can be reproduced among others with
the help of print out made with the 3D printer which
may replace the techniques of plaster casts and
models. Putting macroscopic and microscopic images one upon another gives full range and threedimensional insight in the place of the event, additionally with the possibility of simulation of the
hypothetic course of the event. The whole of such
image practically eliminates the use of classic
methods of filing based upon plaster casts and plaster models, situational drafts, or even the notations
of the image in bi-planar dimension [7,8]. Particularly essential for the medical-forensic and criminalistic practice is the fact that the data obtained
from the scanner Leica HDS 3000 are ëresistantí
to any kind of secondary manipulations. The primary information about the registered space is always kept in the database in the state intact and it
is always possible at every moment to come back
to the original data from before processing thereof. This is of special meaning for assessment of
the data from 3D scanning as the evidence materi-
694
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
Zastosowany przez autorÛw skaner jest jednak typowy dla rejestracji obrazÛw makroskopowych,
mieliúmy zatem moøliwoúÊ oceny jedynie z≥oøonych
obrazÛw makroskopowych.
al. However, the scanner applied by the authors is
typical for registration of macroscopic images, so
we had only the possibility to assess complex macroscopic images.
7. Wnioski
7. Conclusions
Rejestracja obrazu skanerem 3D ca≥ego miejsca
zdarzenia pozwala na permanentnπ i wnikliwπ ocenÍ wszystkich szczegÛ≥Ûw znajdujπcych siÍ na obserwowanym i poddanym badaniom terenie z moøliwoúciπ wielokrotnej rewizji tego samego obrazu.
Te i potencjalnie jeszcze kolejne do odkrycia zastosowania skanowania 3D w medycynie sπdowej
w powiπzaniu z innymi dyscyplinami naukowymi,
stwarzajπ platformÍ do rozwoju nowych technik,
metod i algorytmÛw postÍpowania w praktyce medyczno-sπdowej, ktÛrych potencjalny zakres moøe
byÊ nawet wiÍkszy niø obecnie oczekiwany. Interdyscyplinarne skonsolidowanie doúwiadczeÒ, zasobÛw intelektualnych, technicznych, materialnych
i logistycznych prowadziÊ moøe do stworzenie nowego wielosk≥adnikowego i wielofunkcyjnego narzÍdzia. Jednπ z istotnych czÍúci sk≥adowych takiego uniwersalnego narzÍdzia, poza mikroskopiπ elektronowπ, tomografiπ komputerowπ i obrazowaniem
termowizyjnym, powinno byÊ obrazowanie przestrzenne z zastosowaniem skanera 3D. Jest to szczegÛlnie cenne i pe≥ne moøliwoúci nowe narzÍdzie
badawcze, jakie rozwÛj technik cyfrowych pozwoli≥ daÊ do dyspozycji badaczom.
The registration of the image with 3D scanner for
the whole place of the event enables to carry out
permanent and thorough assessment of all the details which exist at the area which underwent observation and investigation, with the possibility of
multiple revision of the same image. These applications of 3D scanning and those potentially to be
discovered yet in the forensic medicine, in connection with other scientific disciplines, create the
platform for development of the new techniques,
methods and algorithms of conduct in the medical-forensic practice, whose potential range can be
even larger than expected at present. The interdisciplinary consolidation of experiences, intellectual, technical, material and logistic resources can
lead to creation of the new multi-component and
versatile tool. One of essential components of such
universal tool, besides to electron microscopy,
computer scanning and thermo-visual imaging,
should be spatial imaging with the use of a 3D scanner. This is a particularly valuable and full of possibilities new investigative tool that the development of digital techniques has given the investigators at their disposal.
Literatura • References
[1] Raszeja S., Nasi≥owski W., Markiewicz J., Medycyna Sπdowa. Warszawa, PZWL, 1990.
[2] Maksymowicz K., Skanowanie przestrzenne 3d, potencjalne moøliwoúci w medycynie sπdowej i†kryminalistyce ñ doniesienie wstÍpne. [w:] V OgÛlnopolskie Seminarium Kryminalistyczne w Zielonej
GÛrze, 2009.
[3] Hanausek T., Kryminalistyka ñ zarys wyk≥adu, Zakamycze, KrakÛw 2005.
[4] Mazepa Jacek, Vademecum technika Kryminalistyki, Wolters Kluwer, Warszawa 2009
[5] Craig Fries, Cutting Edge 3-D Reconstruction. Forensic Magazine, August/September, 2006.
[6] Texas police department adopts 3D laser scanner for crime scene investigation, www.innovmetric.com,
2006
[7] Forensic Storage & Technology Center, www.forensicdjs.com, 2009.
[8] Forensic Image Visualization software, www.scincegl.com/Forensic, 2009.
*
**
***
Katedra Medycyny Sπdowej Akademii Medycznej we Wroc≥awiu.
Department of Forensic Medicine, Medical University of Wroclaw, Wroclaw, Poland
Zak≥ad Inøynierii Biomedycznej i Mechaniki Ekspetymentalnej Wydzia≥u Mechanicznego Politechniki Wroc≥awskiej.
Biomedical Engineering and Experimental Mechanics Division, Wroc≥aw University of Technology, Wroclaw, Poland
Katedra Medycyny Sπdowej, Zak≥ad Prawa Medycznego Akademii Medycznej we Wroc≥awiu.
Department of Forensic Medicine, Medical Law Unit at the Medical University of Wroclaw, Wroclaw, Poland
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
695
Streszczenie
Abstract
Oparta na skanerze laserowym 3D metoda dokumentacji otworzy≥a nowe horyzonty dla medycyny
sπdowej i kryminalistyki, g≥Ûwnie ze wzglÍdu na jej
zdolnoúÊ faktycznie ëzamroøeniaí jakiegokolwiek
miejsca przestÍpstwa. NiektÛre cechy, takie jak
wysoka rozdzielczoúÊ zapisywania danych tworzπcych obraz, zachowujπc badany przedmiot w stanie
nietkniÍtym, szybkoúÊ gromadzenia danych, moøliwoúÊ bieøπcego zapisu danych w postaci pliku
i przesy≥ania ich na dowolnπ odleg≥oúÊ, niski koszt
pojedynczych oglÍdzin, prostota konserwacji skanera, jego mobilnoúÊ, niezaleønoúÊ od zewnÍtrznych
ürÛde≥ energii, moøliwoúci kooperacji z kaødym rodzajem narzÍdzia badawczego operujπcego w technice cyfrowej, stawiajπ skaner 3D w roli przydatnego i wszechstronnego narzÍdzia w codziennej
praktyce medycyny sπdowej i kryminalistyki.
Based on 3D laser scanner method of documentation has opened new prospects for forensic medicine and crime detection, mainly in respect to its
ability to virtually ëfreezeí any crime scene. Some
features like high resolution of the imaging data recording, preserving the examined object in intact
state, speed of data collection, possibility of instant
data filing and transmission at any distance, low cost
of singular examination, simplicity of scanner maintenance, its mobility, independence from an external source of energy, possibility of cooperation with
every kind of research tool working in digital technique, put the 3D scanner as a useful and versatile
tool in everyday forensic medicine and crime detection practice.
696
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
NAUKA
SCIENCE
Tomasz Waligórski
Pomiary w Jaskini Niedźwiedziej w Kletnie
z wykorzystaniem skanowania laserowego 3D
Survey in the Bear Cave in Kletno
with the use of the 3D laser scanner
1. Wstêp
1. Introduction
Przez dwadzieúcia piÍÊ lat, od momentu otwarcia
Jaskini Niedüwiedziej dla ruchu turystycznego, ok.
1,5 miliona osÛb przemierzy≥o jej wπskie korytarze, zwiedzajπc sale i podziwiajπc z≥oøonπ rzeübÍ.
Aby przygotowaÊ jaskiniÍ na kolejne setki lat wizyt
zwiedzajπcych naleøy okreúliÊ sposÛb pozwalajπcy
zachowaÊ jπ w jak najlepszym stanie, jednoczeúnie
umoøliwiajπc ludziom podziwianie jej przepiÍknych
wnÍtrz.
W dzisiejszych czasach nowoczesne laserowe
techniki pomiarowe pozwalajπ na stworzenie trÛjwymiarowych modeli wnÍtrz jaskini, ktÛre okreúlajπ
jej reakcjÍ na ludzkπ dzia≥alnoúÊ. Umoøliwiπ one
kontrolÍ uformowania z≥oøonej rzeüby jaskiÒ, a takøe okreúlenie dzia≥ania czynnikÛw klimatycznych.
Stworzenie cyfrowego modelu pozwala na zaprojektowanie i wykonanie chodnikÛw, schodÛw i tras
koniecznych przy udostÍpnieniu danej jaskini do
zwiedzania. W takim modelu moøna mierzyÊ, oznakowywaÊ, okreúlaÊ wszystkie wymiary stalaktytÛw
i stalagmitÛw jak i innych form wystÍpujπcych
w danej jaskini.
Skanowanie laserowe 3D oraz uzyskane w efekcie cyfrowe modele sπ odpowiedziπ na pytanie jak
najlepiej uøytkowaÊ, chroniÊ a takøe monitorowaÊ.
Niniejsze opracowanie przedstawia kolejne etapy
prac pomiarowych a takøe skanowania laserowego
wykonanych w Jaskini Niedüwiedziej w Kletnie.
For about twenty five years since the moment
when the Bear Cave was opened for tourists about
1.5 million people have visited its narrow corridors and rooms, admiring the Caveís elaborate
shape. In order to prepare the Cave for next hundreds of years of visits there should be defined
the best possible way to preserve it and at the same
time to allow the visitors to admire its beautiful
interiors.
At present the modern laser measurement techniques enable the creating of three-dimensional
models of the Cave interiors which also demonstrate its reaction to human activity. Furthermore,
they help to control the formation of the elaborate
cave shape as well as measure the effect of the climatic factors. The development of a digital model
enables the designing and constructing walking
passages, steps and trails needed for the tourists
visiting a given cave. In this model one can measure, mark and determine all dimensions of stalactites and stalagmites as well as other formations
which appear in a given cave.
3D laser scanning and the resulting digital models are the response to the question of what is the
best way of using, preserving and monitoring the
caves. This paper presents the successive steps of
the surveying as well as laser scanning conducted
in the Bear Cave in Kletno.
Praca dopuszczona do druku po recenzjach
Article accepted for publishing after reviews
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
697
2. Dotychczasowe prace geodezyjne
oraz przegl¹d metod stosowanych przy
tworzeniu modelu Jaskini NiedŸwiedziej
2. The surveys conducted so far and the
review of the methods used in the
development of the Bear Cave model
W czerwcu 1983 roku pierwsi turyúci zwiedzili korytarze Jaskini Niedüwiedziej w Kletnie. Poprzedzi≥y to wieloletnie prace odkrywcze i przygotowawcze, ktÛre zapoczπtkowane zosta≥y przypadkowym
odkryciem jaskini przez Romana KiÒczyka podczas
kolejnego dnia eksploatacji kamienio≥omu Kletno
III [1]. To wydarzenie pociπgnÍ≥o za sobπ szereg
badaÒ oraz wypraw w g≥πb jaskini, w ktÛrych swÛj
udzia≥ mieli takøe geodeci.
Pierwszym efektem prac geodezyjnych w jaskini by≥o za≥oøenie przestrzennego ciπgu poligonowego, ktÛry zosta≥ pomierzony w latach 1975 ñ 1979
w ramach obozÛw naukowych przez studentÛw Akademii Rolniczej we Wroc≥awiu. Podczas tych prac
wykonano rÛwnieø mapy sytuacyjno-wysokoúciowe wnÍtrz jaskini, co pozwoli≥o na okreúlenie po≥oøenia korytarzy, komÛr oraz rzeüby poszczegÛlnych
sal. Kolejnym etapem pomiarÛw by≥o rejestrowanie pionowych zmian gÛrotworu jaskini zarÛwno na
zewnπtrz, jak i w jej wnÍtrzu. Pomiary te wykonano w oparciu o sieÊ reperÛw niwelacji precyzyjnej
za≥oøonπ w lutym 1984 roku [2].
Kolejne prace geodezyjne wykonywane w Jaskini Niedüwiedziej mia≥y na celu przedstawienie jej
wnÍtrza przy pomocy modelu przestrzennego.
Pierwszy z nich zosta≥ wykonany przez JoannÍ Bac
oraz Miros≥awa Kacza≥ka w 1979 [3]. Model ten
powsta≥ na podstawie przekrojÛw pionowych jaskini p≥aszczyznami úwietlnymi, ktÛre sfotografowano po uprzednim wyznaczeniu ich laserem.
Na podstawie tych przekrojÛw, w 2001 roku, Tomasz Baran w wyniku digitalizacji stworzy≥ cyfrowy model przedstawiajπcy wnÍtrza Jaskini
Niedüwiedziej w postaci tuneli i korytarzy z ich
wklÍs≥oúciami i wypuk≥oúciami [4]. NastÍpnπ prÛbÍ stworzenia modelu podjπ≥ Maciej Pucha≥a, ktÛry
w swojej pracy magisterskiej do wykonania modelu wykorzysta≥ pomiar tachimetryczny. Pomierzy≥
on siatkÍ punktÛw rozmieszczonych w poziomych
pasach od 5 do 40 cm w zaleønoúci od rzeüby Jaskini Niedüwiedziej [5].
Kolejny model przedstawiajπcy fragment Sali
Pa≥acowej w Jaskini Niedüwiedziej powsta≥ przy
uøyciu metod fotogrametrycznych. Wykona≥ go
Grzegorz Sztonyk, ktÛry w 2005 roku sfotografowa≥ wnÍtrza jaskini, a nastÍpnie pomierzy≥ geodezyjnie zamarkowane wczeúniej fotopunkty. Pozwoli≥o to na wpasowanie i orientacjÍ wykonanych
zdjÍÊ, a takøe dowiπzanie do istniejπcej osnowy
i wyskalowanie powsta≥ego modelu. Niestety zbyt
z≥oøona budowa rzeüby wnÍtrz Jaskini Niedüwie-
The first tourists visited the corridors of the Bear
Cave in Kletno in June 1983. It was preceded by
many years of exploration and preparation which
started when the Cave was accidentally discovered
by Roman KiÒczyk during the regular exploration
of Kletno III Quarry [1]. This event triggered
a number of surveys and exploratory missions into
the depth of the Cave in which geodesists also participated.
The first effect of the geodetic works in the Cave
was the assumption of the spatial polygonal traverse
which was measured in the years 1975ñ1979 during
the scientific field research by the students of the
Agricultural University of Wroc≥aw. During those
works the planimetric and contour maps of the Cave
interiors were also developed, which enabled the locating of the corridors, chambers and the determining of the shape of individual rooms. Another stage
of the measurements was the registration of vertical
changes in the rock body of the Cave both outside
and inside. The measurements were conducted on the
basis of the network of the precise leveling benchmarks developed in February 1984 [2].
The objective of the next geodetic works conducted in the Bear Cave was to present its interior
with the use of a 3D model. The first of them was
made by Joanna Bac and Miroslaw Kacza≥ek in 1979
[3]. Their model was developed on the basis of the
vertical cross sections of the Cave along the light
planes which had been photographed after marking
with the laser.
In 2001, Tomasz Baran, on the basis of these cross
sections digitalization developed a digital model
presenting the interiors of the Bear Cave in the form
of tunnels and corridors with its visible concavities
and convexities [4]. The next attempt was made by
Maciej Pucha≥a who, in his masterís thesis, used the
tacheometric measurements in order to develop the
model. He measured the network of points distributed in horizontal 5 to 40 cm wide bands, depending on the shape of the Bear Cave [5].
The next model presenting a fragment of the
Palace Room in the Bear Cave was developed with
the use of photogrammetric methods. It was developed by Grzegorz Sztonyk, who in 2005 photographed the interiors of the Cave and then geodetically measured the control points marked earlier.
This enabled him to locate and orient the pictures,
as well as attach them to the existing network and
scale the developed model. Unfortunately because
of the highly complex structure of the interiors of
698
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
dziej oraz liczne inne czynniki utrudni≥y opracowanie i utworzenie kompletnego modelu fragmentu
Sali Pa≥acowej [6].
the Bear Cave and other numerous factors it was
difficult to prepare and develop a complete model
of the fragment of the Palace Room [6].
3. Skaner laserowy
w Jaskini NiedŸwiedziej
3. The laser scanning
in the Bear Cave
W lipcu 2008 roku, w ramach pracy magisterskiej,
autor wykona≥ kolejne pomiary wnÍtrz Jaskini
Niedüwiedziej [7]. DziÍki uprzejmoúci dr inø. Jacka Koúciuka z Laboratorium Skanowania i Modelowania 3D, ktÛry udostÍpni≥ skaner laserowy Leica HDS 3000, w ciπgu 24 godzin zebrano informacje z 4 stanowisk pomiarowych, na ktÛrπ sk≥ada siÍ
ponad 76 milionÛw punktÛw okreúlonych poprzez
wspÛ≥rzÍdne (X, Y, Z) a takøe wartoúÊ RGB pobranπ przez kamerÍ wbudowanπ wewnπtrz skanera.
In July 2008, as part of my masterís thesis, I conducted the next measurements of the interiors of the
Bear Cave [7]. Thanks to the courtesy of Jacek
Koúciuk, Eng.D. from the 3D Scanning and Modeling Laboratory, who made the Leica HDS 3000 laser scanner available, it was possible within 24 hours
lasting session, to collect information from four scan
stations including over 76 million points with known
X, Y, Z coordinates as well as their RGB value which
has been acquired the internal camera of the scanner.
Rys. 1. Rozmieszczenie stanowisk skanera i chmura punktów
Fig. 1. Scan stations positions and 3D point cloud
Pomiar majπcy na celu zeskanowanie wnÍtrza Sali
Pa≥acowej rozpoczπ≥ siÍ od rozstawienia tarcz HDS,
ktÛre w dalszym procesie opracowania pozwoli≥y na
po≥πczenie chmur punktÛw uzyskanych z poszczegÛlnych stanowisk. SzeúÊ tarcz celowniczych zosta≥o rozstawionych na ca≥ej powierzchni Sali Pa≥acowej, a nastÍpnie okreúlono ich po≥oøenie.
The survey whose purpose was to scan the interior of the Palace Room began by positioning the
HDS targets which in further processing enabled the
connection of the point clouds acquired from subsequent scan stations. Six targets were positioned
on the whole surface of the Palace Room and then
their locations were determined.
Rys. 2. Rozmieszczenie tarcz celowniczych HDS i chmura punktów
Fig. 2. Targets positions and 3D point cloud
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
699
Poczπtkowo zaplanowano, iø uk≥ad wspÛ≥rzÍdnych ca≥ego projektu bÍdzie zgodny z ciagiem poligonowym za≥oøonym w latach 1975-1979. W ten
sposÛb tworzony model zosta≥by wpasowany w lokalny uk≥ad jaskini. Niestety w zwiπzku z niedawnymi pracami wykonanymi w Jaskini Niedüwiedziej
(udostÍpnienie jej osobom niepe≥nosprawnym, poruszajπcym siÍ na wÛzkach inwalidzkich), zosta≥y
zniszczone punkty wyøej wspomnianego ciπgu. Nie
pozwoli≥o to na wyznaczenie pozycji tarcz we wspomnianym uk≥adzie. Ze wzglÍdu na powyøsze utrudnienie, wyznaczenie pozycji tarcz zosta≥o wykonane w lokalnym uk≥adzie wspÛ≥rzÍdnych. Obliczone
wspÛ≥rzÍdne zosta≥y zestawione w tabeli 1.
It was originally planned that the coordinates system of this project will be related to the spatial polygonal traverse which was measured in the years
1975ñ1979. This way the model being developed
would fit the local coordinates system of the Cave.
Unfortunately, as a result of recent works conducted
in the Bear Cave (making it accessible for the disabled persons in wheelchairs), the mentioned earlier
reference points in the passage were destroyed and
consequently it was impossible to calculate the positions of the targets in the system of Cave coordinates.
Due to that difficulty, the positions of the targets were
calculated in the local coordinate system. Table 1
shows the calculated results.
Tab. 1. Zestawienie współrzędnych tarcz celowniczych HDS
List of coordinate targets HDS
Numer tarczy HDS
HDS target number
X
Y
H
1
1013.87
1000.00
100.000
2
994.51
1011.11
100.918
3
997.62
995.91
100.058
4
997.52
986.16
99.712
5
1001.12
975.64
98.717
6
1001.12
975.63
100.168
Okreúlenie pozycji dok≥adnej tarcz HDS pozwoli≥o na po≥πczenie w procesie rejestracji chmur punktÛw zarejestrowanych poszczegÛlnych stanowiskach
do wspÛlnego uk≥adu wspÛ≥rzÍdnych. W wykonanym po≥πczeniu chmur punktÛw, przedstawiajπcych
wnÍtrza Sali Pa≥acowej, wartoúci b≥ÍdÛw wpasowania tarcz pomiÍdzy kolejnymi stanowiskami nie
przekracza≥y 2 mm, co úwiadczy o bardzo duøej dok≥adnoúci wykonanych pomiarÛw. Rysunek 3 przedstawia szczegÛ≥owe zestawienie b≥ÍdÛw na poszczegÛlnych tarczach.
Known coordinates of HDS targets enabled the
so called registration process ñ connecting all point
clouds acquired from several scan stations into common coordinates system. The registered point cloud,
representing the interiors of the Palace Room, show
values of the target registration errors and vector
errors between the individual stations as not exceeding 2 mm, which testifies to a very high accuracy
the survey. Figure 3 shows a detailed list of errors
in specific targets.
Rys. 3. Zestawienie wartości błędów wpasowania tarcz HDS
Fig. 3. List of HDS target registration errors and vector errors
700
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
Przy pomiarze Jaskini Niedüwiedziej najczÍúciej
zastosowano gÍstoúÊ skanowania 3 mm w pionie i 5
mm w poziomie. DobÛr gÍstoúci skanowania by≥
uzaleøniony przede wszystkim od struktury i budowy danego fragmentu Sali Pa≥acowej. W miejscach,
gdzie budowa úciany by≥a bardzo skomplikowana,
stosowano maksymalnπ rozdzielczoúÊ (1,2 x 1,2
mm), co pozwala na bardziej wiernπ reprezentacjÍ
danego fragmentu. W przypadku skanowania p≥askich obszarÛw, ktÛrych struktura by≥a mniej z≥oøona, zastosowano rozdzielczoúci na poziomie 5 mm
w pionie i poziomie.
Wykonane skanowanie pozwoli≥o autorowi na
stworzenie fragmentu modelu przestrzennego wnÍtrz
Jaskini Niedüwiedziej, a takøe dajπ moøliwoúÊ dalszych prac ñ generowania przekrojÛw poprzecznych
i pod≥uønych, powlekania chmury punktÛw zdjÍciami z zewnÍtrznego aparatu cyfrowego itp.
When surveying the Bear Cave the most often
used scanning density was that of 3 mm vertically
and 5 mm horizontally. The choice of scanning density was determined mainly by the texture and structure of the specific fragment of the Palace Room. In
places where the structure of the walls was very
complicated the maximum density was applied (1.2
x 1.2 mm), which provides a more precise representation of the given fragment. In the case of scanning more flat surfaces, whose structure was less
complex, the density of 5 mm vertically and horizontally was applied.
The conducted scanning survey enabled author
to develop a fragment of the 3D model of the Bear
Cave interiors. They also enable further works ñ the
development of the cross and longitudinal sections,
covering the point cloud with pictures from external camera, etc.
Rys. 4. Przestrzenny model fragmentu Jaskini Niedźwiedziej
Fig. 4. 3D model of Bear Cave fragment
4. Kontynuacja prac w roku 2009
4. Continuation of the project in 2009
Dotychczasowe rezultaty pomiarÛw z wykorzystaniem skanera laserowego wykonane w Jaskini
Niedüwiedziej wp≥ynÍ≥y na decyzjÍ o kolejnych pracach majπcych na celu zobrazowanie dalszej czÍúci
Jaskini Niedüwiedziej i po≥πczenie ich z istniejπcymi juø danymi. Prace te uzyska≥y takøe øyczliwe
poparcie Dyrekcji Jaskini Niedüwiedziej.
DziÍki wspÛ≥pracy pomiÍdzy Laboratorium Skanowania i†Modelowania 3D przy Instytucie Historii Architektury Sztuki i Techniki na Wydziale Architektury Politechniki Wroc≥awskiej, Instytutem
Geodezji i Geoinformatyki na Wydziale Inøynierii
Kszta≥towania årodowiska i Geodezji Uniwersytetu Przyrodniczego we Wroc≥awiu, a takøe Leica
The results of the measurements achieved so far with
the use of laser scanning in the Bear Cave influenced the decision to continue the works in order to
document further sections of the Bear Cave and to
connect them with the already existing data. The
works have been also appreciated and supported by
the Management of the Bear Cave.
Due to the cooperation between the 3D Scanning
and Modeling Laboratory at the Institute of History
of Architecture, Art and Technology of the Faculty of
Architecture at Wroc≥aw University of Technology,
as well as the Institute of Geodesy and Geoinformatics at the Faculty of Environmental Engineering and
Geodesy at Wroc≥aw University of Environmental and
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
701
Geosystems Polska, ktÛra uczestniczy≥a w pomiarach z drugi skanerem laserowym, w pierwszych
dniach lipca 2009 roku uda≥o siÍ pomierzyÊ kolejne
fragmenty korytarzy jaskini.
W ciπgu 24 godzin z 17 stanowisk zeskanowano
elewacjÍ zewnÍtrznπ pawilonu wejúciowego na tle
zbocza gÛry Stromej, wyjúcie z jaskini wraz z otaczajπcym go terenem, sztolniÍ wyjúciowπ, a takøe
Korytarz Wodny prowadzπcy do Sali Pa≥acowej. Dodatkowa wizyta w poczπtkach sierpnia 2009 pozwoli≥a uzupe≥niÊ te dane o dokumentacjÍ zbocza gÛry
Stromej. W ten sposÛb wykonany w 2008 roku pomiar zosta≥ wzbogacony o duøy obszar otaczajπcego terenu oraz nastÍpne fragmenty wnÍtrza jaskini,
co pozwala na przedstawienie jej usytuowania przestrzennego.
Life Sciences and also Leica Geosystems Poland
which joined project with another laser scanner, it
was possible in the first days of July 2009 to scan
next fragments of the Cave corridors.
During scanning session lasting 24 hours, the
external facade of the entrance hall together with
slopes of Stroma Mountain, the Cave entrance with
its surrounding area, as well as the exit tunnel and
the Water Corridor leading to the Palace Room were
scanned from 17 scanning stations. During the additional visit at the beginning of August 2009 these
data were completed with survey of Stroma Mountain slopes. This way the measurement conducted
in 2008 was supplemented with a large part of surrounding area and further sections of the Cave, which
enables the presentation of its spatial orientation.
Rys. 5. Fragment Jaskini Niedźwiedziej wraz z pawilonem wejściowym – chmura punktów
Fig. 5. Fragment of Bear Cave together with entrance hall – 3D point cloud
5. Wstêpne opracowanie wyników
5. Preliminary evaluation of the results
Jednym z wynikÛw skanowania Jaskini Niedüwiedziej w Kletnie, jest powstajπcy przestrzenny model przedstawiajπcy jej wnÍtrza. Pierwsze fragmenty tego modelu przedstawia rysunek 6, na ktÛrym
moøna zaobserwowaÊ bardzo wiernie odwzorowanπ strukturÍ úcian Sali Pa≥acowej.
Na podstawie powsta≥ego przestrzennego modelu
stworzono linie przekrojowe poziome i pionowe. Na
rysunku 7 przedstawione zosta≥y przekroje w dwÛch
p≥aszczyznach wygenerowane w odstÍpach 20 cm.
Poniewaø ca≥y system korytarzy Jaskini Niedüwiedziej liczy ponad 3,5 km, w tym znaczna czÍúÊ dostÍpna dla skanera, to w kolejnych sezonach planowana jest kontynuacja prac majπcych na celu rejestracjÍ
ca≥oúci wnÍtrz jaskini, a takøe otaczajπcego jπ terenu.
One of the results of the scanning of the Bear Cave
in Kletno is the 3D model of its interiors. The first
fragments of this model are presented in figure 6
where one can see a very precise representation of
the texture of the Palace Room walls.
The spatial model which was developed was the
basis of the horizontal and vertical cross section
lines. Figure 7 shows the cross sections in two planes
generated every 20 cm.
Due to the fact that the whole system of corridors in the Bear Cave, whose huge part is accessible for the scanner, is over 3.5 km long the continuation of the works aimed at recording the whole interior of the Cave as well as its surrounding area is
planned in the next seasons.
702
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
Rys. 6. Fragment modelu siatkowego przedstawiający wnętrza Jaskini Niedźwiedziej
Fig. 6. Fragment of the Bear Cave interior meshed model
Rys. 7. Linie przekrojowe w płaszczyźnie pionowej i poziomej
Fig. 7. Vertical and horizontal section lines
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
703
Rys. 8. Przekrój przez Jaskinię Niedźwiedzią i zbocza góry Stromej
Fig. 8. The cross section of the Bear Cave and the slopes of Stroma Mountain
Literatura • References
[1] CiÍøkowski Wojciech, Jaskinia Niedüwiedzia w Kletnie. 40 lat eksploracji, badaÒ, ochrony i turystyki, Wroc≥aw-Kletno 2006.
[2] Badanie przemieszczeÒ masywu Jaskini Niedüwiedziej w Kletnie, Instytut Geodezji i Geoinformatyki,
Uniwersytet Przyrodniczy we Wroc≥awiu.
[3] Bac-Bronowicz Joanna, Kacza≥ek Miros≥aw, Fotogrametryczne okreúlenie kszta≥tu jaskiÒ na przyk≥adzie Jaskini Niedüwiedziej w Kletnie, praca magisterska, Wroc≥aw 1979.
[4] Baran Tomasz, Cyfrowy Przestrzenny Model Jaskini, praca magisterska, Wroc≥aw 2001.
[5] Pucha≥a Maciej, Budowa cyfrowego modelu jaskini na podstawie pomiarÛw geodezyjnych, praca magisterska, Wroc≥aw 2003.
[6] Sztonyk Grzegorz, Budowa cyfrowego modelu jaskini na podstawie pomiarÛw fotogrametrycznych,
praca magisterska, Wroc≥aw 2005.
* Laboratorium
Skanowania i Modelowania 3D, Politechnika Wroc≥awska, Wroc≥aw, Polska
Laboratorium zorganizowane zosta≥o przy Instytucie Historii Architektury, Sztuki i Techniki na Wydziale Architektury w ramach dzia≥ania SPO WKP 1/1.4.2/2/2005/87/168/464
* Laboratory of 3D Scanning and Modeling, Wroc≥aw University of Technology, Wroclaw, Poland
The Laboratory was organized at the Institute of History of Architecture, Arts and Technology at Faculty of Architecture (project
SPO WKP 1/1.4.2/2/2005/87/168/464)
Streszczenie
Abstract
Jaskinia Niedüwiedzia, odkryta w 1966 roku, jest najd≥uøszπ i jednπ z najpiÍkniejszych jaskiÒ w Sudetach.
Przez ponad 40 lat eksploracji i badaÒ nie zosta≥a ona
w ca≥oúci poznana. Niniejsza praca przedstawia opis
pomiarÛw geodezyjnych i innych prac wykonanych
w Jaskini Niedüwiedziej. Pomiary rozpoczÍto w 1975
roku poprzez za≥oøenie przestrzennego ciπgu poligonowego a nastÍpnie sieci reperÛw niwelacji. Kolejnym
krokiem by≥a prÛba zbudowania trÛjwymiarowych
modeli Jaskini Niedüwiedziej z wykorzystaniem rÛønych metod geodezyjnych (rÛwnieø opisanych w niniejszym artykule). Wykorzystanie skanera laserowego 3D, ktÛrego pierwszy raz uøyto w lipcu 2008 roku,
umoøliwi≥o zbudowanie modelu 3D fragmentu Sali Pa≥acowej w Jaskini Niedüwiedziej. Prace kontynuowano w roku 2009 w innych czÍúciach jaskini, dziÍki czemu model ten zosta≥ ulepszony. Zebrane dane sπ ca≥y
czas analizowane, a w przysz≥oúci planowane sπ dalsze pomiary Jaskini Niedüwiedziej (z wykorzystaniem
skanera laserowego 3D).
The Bear Cave, discovered in 1966, is the longest
and one of the most beautiful caves in the Sudety
Mountains. For over 40 years of exploration and
measurements its whole structure has not been entirely exposed. This paper presents the description
of the geodetic measurements and other works conducted in the Bear Cave. The measurements started
in 1975 by the creation of polygonal traverses in
corridors and leveling. Next step included the attempts at creating three-dimensional models of the
Bear Cave using different geodetic methods (described in the article too.) The 3D laser scanner was
used for the first time in July 2008 and it enabled
the creation of a 3D model of Palace Roomís fragment in the Bear Cave. The works continued in 2009
in other parts of the Cave. In this way the 3D model
was improved. The collected data are still being
processed and in the future the measurements (3D
scanning) of the Bear Cave are also planned.
704
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
NAUKA
SCIENCE
Jacek Kościuk*
3D scanning and modeling of the upper terrace
of the Hatshepsut Temple in Deir el−Bahari as an example
of architectural heritage documentation for restoration purposes
Skanowanie i modelowanie 3D górnego tarasu świątyni
Hatszepsut w Deir el−Bahari jako przykład dokumentacji
dla celów konserwatorskich
1. Organizacja
i cele projektu
1. Project organization
and its objectives
W odpowiedzi na uprzejme zaproszenie Centrum
Archeologii årÛdziemnomorskiej w Polsce zespÛ≥
Laboratorium Skanowania i Modelowania 3D (LabScan3D) i Leica Geosystems Polska wziπ≥ udzia≥
w marcu 2009 r. w polsko-egipskiej misji archeologiczno-konserwacyjnej do úwiπtyni Hatszepsut
w Deir el-Bahari1 i rozpoczπ≥ pilotaøowy projekt
skanowania 3D. W zespole pracujπcym na miejscu
znaleüli siÍ Waldemar Kubisz z Leica Geosystems
Polska i Jacek Koúciuk z LabScan3D. ZespÛ≥ otrzyma≥ takøe pomoc przedstawicieli Leica Geosystems
w Egipcie i oraz £ukasza Øaka Instytutu Geodezji
i Kartografii, ktÛry wykona≥ osnowÍ geodezyjnπ
sk≥adajπca siÍ z 31 punktÛw referencyjnych.
G≥Ûwnym celem projektu by≥o sprawdzenie
moøliwoúci i przydatnoúci najbardziej zaawansowanych metod pozyskiwania danych przestrzennych i wizualnych do dokumentacji GÛrnego Tarasu úwiπtyni Hatszepsut w Deir el-Bahari. Na podstawie aktualnego planu pracy misji, do skanowania wybrano dwa obszary ñ tak zwany Kompleks
KrÛlewskiego Kultu Poúmiertnego w po≥udniowej
czÍúci tarasu i Kompleks Kultu S≥oÒca po jego
przeciwnej, pÛ≥nocnej stronie. Dodatkowo, dwa
uzupe≥niajπce stanowiska skanowania w úrodkowej
czÍúci GÛrnego DziedziÒca ≥πczy≥y ze dane z obu
kompleksÛw. W sumie projekt obejmowa≥ 33 stanowiska skanowania, pokrywajπce w ca≥oúci wybrany obszar badaÒ.
Following the kind invitation from the Polish Centre of Mediterranean Archeology, a team of Laboratory of 3D Scanning and Modeling (LabScan3D)
and Leica Geosystems Poland joined in March 2009
the Polish-Egyptian Archeological and Conservation Mission at the Hatshepsut Temple in Deir elBahari1 and lunched a pilot 3D scanning project. The
field team consisted of Waldemar Kubisz from Leica Geosystems Poland and Jacek Koúciuk from
LabScan3D. Additionally the team was backed up
by local Leica Geosystems representative from
Egypt and £ukasz Øak ñ from the Institute of Geodesy and Cartography who established on the field
a network of 31 reference points.
The main aim of this test was to check abilities
and suitability of the most advanced methods of
spatial and visual data collection for documenting
the Upper Terrace of the Hatshepsut Temple in Deir
el-Bahri. According to the current working plan of
the Mission, two areas of the Upper Terrace has been
chosen for scanning ñ the so called Complex of the
Royal Mortuary Cult located at the southern part of
the terrace and the Complex of the Sun Cult situated on the opposite northern part of the area. Additionally, two supplementary scanner positions has
been added on the central area of the Upper Courtyard to combine both the complexes. All together,
the project ended with 33 scanner positions fully
covering the both main areas in question.
Praca dopuszczona do druku po recenzjach
Article accepted for publishing after reviews
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
705
Ca≥y projekt sk≥ada≥ siÍ z dwÛch faz ñ skanowania, ktÛre zajÍ≥o 5 dni roboczych, a nastÍpnie dokumentacji skanowanych wczeúniej úcian za pomocπ
zdjÍÊ cyfrowych wysokiej rozdzielczoúci. Ta druga
faza trwa≥a 2 tygodnie. Juø jednak po pierwszym
tygodniu pracy na miejscu zespÛ≥ by≥ w stanie przedstawiÊ pierwsze wyniki, ktÛre omÛwiono na dwÛch
wyk≥adach w Muzeum Mumifikacji w Luksorze
i w Polskim Centrum Archeologii årÛdziemnomorskiej w Kairze. Te wstÍpne wyniki by≥y takøe prezentowane w czerwcu 2009 r. podczas dorocznej
konferencji ìPolacy nad Nilemî na Uniwersytecie
Warszawskim. Dalsze opracowanie zebranych w terenie danych wykonywano juø w LabScan3D. Chociaø proces ten nie jest jeszcze w pe≥ni ukoÒczony,
przyniÛs≥ on wiele ciekawych obserwacji, ktÛre stanowiπ przedmiot niniejszego artyku≥u.
The whole project consisted of two phases ñ scanning, which took 5 working days and following it,
recording of all the previously scanned walls on high
resolution digital pictures. This second phase lasted
for 2 weeks. However, already after the 1st week of
the field work, the team was able to show up with
first results which has been displayed during two lectures held at the Museum of Mumification in Luxor
and at the Polish Centre of Mediterranean Archeology in Cairo. Further presentation of these preliminary results took place in June 2009 in Warsaw during conference ìPolacy nad Nilemî which is annually held at Warsaw University. Further data evaluation took place at LabScan3D and although not fully
finished, jelled with many interesting observations
which are main subject of this paper.
2. Sprzêt
2. Hardware equipment
Podstawowym elementem wyposaøenia uøywanego w terenie by≥ skaner Leica HDS 6000 uøyczony
przez Leica Geosystems2. Specyfikacja techniczna
skanera Leica HDS 6000 jest nastÍpujπca:
ñ typ urzπdzenia ñ skaner fazowy z pe≥nym polem
widzenia
ñ pole widzenia (na skan) ñ w poziomie 360∞ (maksimum), w pionie 310∞ (maksimum)
ñ zasiÍg ñ 79m @90%; 50 m @18 % albedo
ñ prÍdkoúÊ skanowania ñ maksymalnie do 500.000
pkt./sek
ñ czas skanowania (pe≥na panorama) ñ wstÍpny widok: 25 s; úrednia rozdzielczoúÊ: 1 min 40 s; wysoka rozdzielczoúÊ: 3 min 22 s; bardzo wysoka
rozdzielczoúÊ:6 min 44 s; ultra wysoka rozdzielczoúÊ: 26 min 40 s
ñ rozdzielczoúÊ skanowania przy odleg≥oúci 10 m
ñ 1,6 mm dla ultra wysokiej rozdzielczoúci
ñ rozdzielczoúÊ skanowania przy odleg≥oúci 50 m
ñ 7,9 mm dla ultra wysokiej rozdzielczoúci
ñ dok≥adnoúÊ pojedynczego pomiaru
ñ po≥oøenie: 6 mm (zasiÍg 1 m do 25 m)
10 mm (zasiÍg do 50 m)
ñ odleg≥oúÊ ≤ 4mm przy 90% albedo przy 25 m
≤ 5mm at 18% albedo przy 25 m
≤ 5mm at 90% albedo przy 50 m
≤ 6mm at 18% albedo przy 50 m
ñ kπt (H/V) ñ 125 µrad/125 µrad, 1 sigma
ñ dok≥adnoúÊ modelowanej powierzchni ñ 2 mm
przy 25 m; 4 mm przy 50 m
ñ dok≥adnoúÊ rejestracja tarcz celowniczych ñ
2 mm odchylenia standardowego
ñ skupienie wiπzki ñ 3 mm na wyjúciu; 8 mm
@25 m; 14 mm @50 m
The core item of the equipment engaged on the field
was Leica HDS 6000 scanner kindly provided by
Leica Geosystems2. The technical specification of
Leica HDS 6000 scanner is as follows:
ñ instrument type ñ phase-based, scanner with full
field-of-view
ñ field-of-view (per scan) ñ horizontal 360∞ (maximum), vertical 310∞ (maximum)
ñ range ñ 79m @90%; 50 m @18 % albedo
ñ scan rate ñ up to 500,000 points/sec,
maximum
ñ scan time (full dome) ñ preview: 25 sec; middle
resolution: 1 min 40 sec; high resolution: 3 min
22 sec; super high resolution: 6 min 44 sec; ultra
high resolution: 26 min 40 sec
706
ñ point spacing at range 10 m ñ 1.6 mm at ultra
high resolution
ñ point spacing at range 50 m ñ 7.9 mm at ultra
high resolution
ñ accuracy of single measurement
ñ position: 6 mm (1 m to 25 m range)
10 mm (to 50 m range)
ñ distance ≤ 4mm at 90% albedo up to 25 m
≤ 5mm at 18% albedo up to 25 m
≤ 5mm at 90% albedo up to 50 m
≤ 6mm at 18% albedo up to 50 m
ñ angle (H/V) ñ 125 µrad/125 µrad, 1 sigma
ñ modeled surface accuracy ñ 2 mm at 25 m; 4 mm
at 50 m
ñ target acquisition ñ 2 mm std. deviation
ñ scan resolution ñ spot size 3 mm at exit; 8 mm
@25 m; 14 mm @50 m
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
ñ waga urzπdzenia ñ 14 kg (w≥πcznie ze zintegrowanπ bateriπ); 2,5 kg zasilacz; ok. 24 kg waga
ca≥oúci w skrzyni transportowej.
Do fotografii cyfrowej uøyto kamery FujiFilm
S5 Pro z kalibrowanym3 zestawem obiektywÛw od
8 mm (rybie oko) do 55 mm dostarczonych przez
LabScan3D wraz ze wszystkim adapterami potrzebnymi, aby po≥πczyÊ kamerÍ ze skanerem HDS 6000.
RozdzielczoúÊ kamery wynosi≥a 12 mln pikseli.
ñ instrument weight ñ 14 kg (includes integrated
battery); 2,5 kg AC Power Supply; ca. 24 kg shipment weight in the transportation box.
For digital photographing FujiFilm S5 Pro with
calibrated3 set of lenses ranging from 8 mm (Fish
Eye) to 55 mm has been supplied by LabScan3D,
together with all adaptors necessary to combine the
camera with HDS 6000 scanner. The camera resolution is 12 mln of pixels.
Rys. 1. Skaner Leica HDS 6000 ustawiony na spodarce
Fig. 1. Leica HDS 6000 scanner mounted on tribrach
3. Oprogramowanie u¿yte w projekcie
3. Software used in the project
Proces skanowania oraz przetwarzania wszystkich
danych oparto o zestaw oprogramowania Leica
Cyclone. Do opracowania danych i zestawienia
wynikÛw uøyto Bentley MicroStation (g≥Ûwna platforma CAD w LabScan3D) oraz Bentley Descartes
(do przetwarzania danych rastrowych). Poza tym
zastosowano PTGui Pro do ≥πczenia obrazÛw z kamery w panoramy sferyczne i odwzorowania walcowe rÛwnoodleg≥oúciowe (tzw. obrazy equirectangluar), oraz Panotools ñ niezbÍdny dodatek do
PTGui. Z kolei Pano2QTVR Gui uøywany by≥ do
konwersji odwzorowaÒ walcowych na tzw. Cube
Maps, ktÛre w úrodowisku Leica Cyclone, pozwala≥y wprowadziÊ do chmury punktÛw informacjÍ
o wartoúciach RGB. Wszystkie licencje na oprogramowanie dostarczy≥o LabScan3D.
W ostatniej fazie projektu przetestowano inny zestaw oprogramowania, aby znaleüÊ najlepsze narzÍdzia modelowania powierzchni úcian oraz przekrojÛw
The scanning process as well as processing all
the recorded data has been govern by Leica Cyclone software set. Bentley MicroStation (the
main CAD platform at LabScan3D) and Bentley
Descartes (for raster data manipulation) were used
for further data evaluation and deliverables production. Additionally, PTGui Pro was used for
stitching the camera images into spherical and
equirectangluar images, as well as Panotools ñ
a necessary plug-in for PTGui. Pano2QTVR Gui
was used for conversion of the equirectangluar
image into Cube Maps which were ported to Leica Cyclone to supply the point cloud with color
RGB information. All the software licenses were
provided by LabScan3D.
During last phase of the project another set of
software has been tested in order to find best tools
for modeling walls surfaces and sections (vertical
and horizontal) production. For this purposes JRC
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
707
Rys. 2. Kamera FujiFilm S5 Pro ustawiona na spodarce za
pomocą przystawki Nodal Nina
Fig. 2. FujiFilm S5 Pro mounted on tribrach with the Nodal
Ninja bracket
Rys. 3. Zdjęcie wykonane za pomocą obiektywu „Rybie
Oko” (pole widzenia 1800)
Fig. 3. Full frame, fisheye (1800 field of view) image
pionowych i poziomych. W tym celu uøyto oprogramowania JRC 3D Reconstructor oraz 3D Reshaper
udostÍpnionego do testÛw przez firmÍ Technodigit.
3D Reconstructor was used as well as 3D Reshaper
kindly supplied for tests by Technodigit.
4. Przebieg prac
4. The work flow
Jak juø wspomniano, ca≥y projekt sk≥ada≥ siÍ z dwÛch
faz ñ skanowania oraz zbierania dodatkowej informacji o kolorze za pomocπ fotografii cyfrowej. Juø w czasie tej pierwszej fazy prac wykonywano jednak zdjÍcia cyfrowe ktÛre uzupe≥nia≥y chmurÍ punktÛw rejestrowana przez skaner o informacje o kolorze RGB.
Po ukoÒczeniu skanowania na poszczegÛlnych stanowiskach, skaner (rys. 1) zdejmowano ostroønie ze
spodarki i umieszczano na specjalnie zaprojektowanym adapterze ñ przystawce Nodal Nina (rys. 2), ktÛra gwarantowa≥a, iø ognisko obiektywu kamery odpowiada≥o dok≥adnie ognisku wiπzki laserowej.
Na kaødym stanowisku rejestrowano cztery obrazy o horyzontalnych interwa≥ach kπtowych rÛwnych 90 0 i dodatkowo jeden obraz skierowany
w stronÍ zenitu, aby u≥atwiÊ zestawienie wszystkich
zdjÍÊ do formy rÛwnoodleg≥oúciowego odwzorowania walcowego. W tej fazie, wszystkie zdjÍcia wykonywano za pomocπ obiektywu 8 mm, co dawa≥o
As already stated, the whole project consisted of
two phases ñ scanning and digital photo recording. However, already during the first phase, some
digital images has been colleted to supply the point
cloud data resulting from the laser scanner with
RGB colour information. After scanning on the particular scanner station has been completed, the
scanner (fig. 1) has been carefully removed from
its tribrach and replaced with a specially designed
adapter -Nodal Ninja bracket which assure that the
nodal point of the digital camera corresponds exactly with laser beam aperture (fig. 2).
Four pictures at 90 0 horizontal interval has
been taken from each scanner position, plus additionally one zenith oriented picture to help combining all the photos into equirectangluar image.
All the pictures were taken with the use of full
frame 8 mm lenses resulting in fisheye (1800 coverage) field of view (fig. 3). The resulting equirec-
708
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
pe≥ne pole widzenia obejmujπce 1800 (rys. 3). RÛwnoodleg≥oúciowe odwzorowanie walcowe (rys. 4)
przekszta≥cano nastÍpnie w tzw. Cube Maps (rys.
5), ktÛre wprowadzone do Leica Cyclone, dostarcza≥y informacjÍ o kolorze RGB dla chmury punktÛw zarejestrowanej skanerem.
tangluar image (fig. 4) was transformed into six
Cube Maps (fig. 5) which were ported to Leica
Cyclone to supply the point cloud with color RGB
information.
Rys. 4. Odwzorowanie walcowe równoodległościowe stworzone z pięciu ujęć o polu widzenia 1800
Fig. 4. Equirectangluar image resulting from five full frame images
Rys. 5. Tzw „Cube Maps” utworzonych z obrazu równoodległościowego
Fig. 5. Six Cube Maps resulting from equirectangluar image
W przypadku, kiedy ustawienie skanera wzglÍdem dokumentowanych úcian by≥o niekorzystne4 lub
w przypadku szczegÛlnie interesujπcych fragmentÛw, w drugi etapie prac wykonywano dodatkowy
zestaw zdjÍÊ cyfrowych. Jeúli tylko by≥o to moøliwe, zdjÍcia te by≥y w zasadzie rÛwnoleg≥e do g≥Ûwnej powierzchni dokumentowanych úcian.
For areas where position of the scanner in respect to walls being documented was not favorable4, or the walls in question were of particular interest, an additional set of photos was collected during second phase of the project. Whenever possible, this photos were done roughly parallel to the
main surface of documented walls.
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
709
5. Dane zebrane podczas prac
na miejscu i wyniki
5. Data collected during the field
work and deliverables
W sumie podczas ca≥ego trzytygodniowego projektu zebrano 62 GB (sic!) danych zarejestrowanych
w ponad 5.000 plikach. G≥Ûwnπ czÍúÊ stanowi≥a 23
GB baza danych chmury punktÛw. Pozosta≥e pliki
to przede wszystkim zdjÍcia cyfrowe w formacie
RAW, TIFF i JPG dokumentujπce oko≥o 1.500 fragmentÛw úcian i poszczegÛlnych ciosÛw Ten ogromny zbiÛr danych bÍdzie stanowi≥ podstawÍ do opracowania koÒcowej dokumentacji w wielu wariantach. Poniøej przedstawiono krÛtkie opisy wszystkich moøliwych rodzajÛw opracowaÒ, ktÛre mogπ
powstaÊ z zebranych danych.
All together nearly 62 GB (sic!) of data in over
5.000 data files has been collected during the
whole project which lasted for 3 weeks. The main
part of it is 23 GB point cloud data base. Remaining files constitute mostly of digital photos in
RAW, TIFF and JPG format, representing images
of ca. 1.500 walls and blocks fragments. This vast
amount of data can be used to produce several
different kinds of final documentation. Below,
a brief description will follow of all the possible
types of deliverables which might results from all
the data collected.
5.1. Tzw. TrueView
5.1. TrueView
Zarejestrowana chmura punktÛw wraz z informacjπ o kolorach RGB moøe zostaÊ udostepniona
wszystkim zainteresowanym w formacie Leica TrueView i przeglπdana za pomocπ MS Internet Explorer. Leica Geosystems dystrybuuje nieodp≥atnie
wtyczkÍ do MS IE niezbÍdnπ do przeglπdania danych w tym trybie.
The recorded point cloud data base, together with
RGB colour information can be distributed among
interested parties in form of Leica TrueView format
and viewed with help of MS Internet Explorer only.
The necessary MS IE plugin is distributed by Leica
Geosystems free of charge.
Rys. 6.Trójwymiarowa chmura punktów w formacie TrueView w programie Internet Explorer
Fig. 6. 3D point cloud in TrueView format viewed in Internet Explorer
Po otworzeniu pliku TrueView za pomocπ MS
IE wyúwietlony zostaje nawigator TrueView, ktÛry
przedstawia wszystkie dostÍpne stanowiska ScanWord5. Kiedy jedna z nich zostanie wybrana, otwiera
siÍ okno TrueView (rys. 6), ktÛre przedstawia ca≥π
scenÍ wokÛ≥ skanera. Istniejπ pe≥ne moøliwoúci powiÍkszania, przesuwania i obrotu poszczegÛlnych
ujÍÊ panoramicznych. Dodatkowo narzÍdzia pomiarowe umoøliwiajπ odczytanie wspÛ≥rzÍdnych X, Y,
710
After opening the TrueView file with MS IE, one
is presented with TueView Navigator which shows
all available ScanWord positions5. After choosing
one of them, TrueView window (fig. 6) opens in
which all the scene surrounding the scanner is represented. Possibilities to magnify, pan and rotate the
view are fully granted. Additionally, by picking
measuring tools one can read X, Y, Z coordinates of
any point chosen on the picture, as well as measure
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
Z dowolnie wybranego punktu na obrazie, a takøe
zmierzenie przestrzennej odleg≥oúci miÍdzy wybranπ parπ punktÛw. Wszystkie pomiary moøna zapisywaÊ i eksportowaÊ w formacie XML.
Technologia ta umoøliwia takøe tzw. pomiary
wirtualne, w ktÛrym czÍúÊ procesu pomiarowego
moøna przenieúÊ z terenu do biura. Leica Geosystems oferuje takøe rozwiπzania serwerowe, ktÛre
pozwalajπ na dystrybucjÍ danych TrueView za poúrednictwem intranetu lub internetu.
real distances between any chosen par of points. All
the measurements can be recorded and exported in
XML format.
This technology renders possible the so called
virtual surveying, when part of a process of the survey can be brought from the field into the office.
Leica Geosystems offers also server solutions which
enable distributing TrueView data trough Intranet
or Internet.
5.2. Sferyczne obrazy panoramiczne
5.2. Spherical panorama pictures
Walcowe odwzorowania rÛwnoodleg≥oúciowe uzyskiwane siÍ w trakcie opisanego wyøej procesu uzupe≥niania bazy danych chmur punktÛw informacjami o kolorach RGB pozwalajπ takøe przygotowaÊ sferyczne
obrazy panoramiczne w formacie MOV (rys. 7). Podobne sπ one do panoram TrueView, ale w tym przypadku nie ma moøliwoúci wykonywania pomiarÛw na
ekranie. Przeglπdajπc za pomocπ Apple QuickTime
Player, panoramy sferyczne MOV moøna dowolnie
powiÍkszaÊ, przechylaÊ i obracaÊ. Poniewaø rozdzielczoúÊ obrazu jest o wiele wyøsza niø w przypadku TrueView, panoramy MOV moøna wykorzystywaÊ jako
dodatkowπ dokumentacjÍ fotograficznπ dajπcπ wraøenie wirtualnego pobytu na obiekcie. W naszym przypadku typowy rozmiar pliku MOV w pe≥nej rozdzielczoúci wynosi≥ od 40 do 50 MB. Zmniejszajπc jednak
Since equirectangluar images are received during
described above process of supplying point cloud
data base with RGB colour information, there is
an easy way to produce spherical panorama pictures in MOV format (fig. 7). Similar to TrueView
panoramas, although without possibility to take
measurements on screen, MOV panoramas can be
viewed by Apple QuickTime Player. Again, such
the panorama picture can be magnified, tilt, pan
and rotate at will. Since the quality of the image is
much higher than in case of TrueView, MOV panoramas can be used as supplementary photo documentation of the site, giving nearly a feeling of
being on the spot. In our case, typical size of full
resolution MOV files oscillates between 40 and 50
MB of data. Sliming resolution down, or better,
Rys. 7. Przykłady panoram sferycznych
Fig. 7. Examples of spherical panoramas
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
711
rozdzielczoúÊ lub ñ co jest lepszym rozwiπzaniem ñ
konwertujπc dane do formatu Flash, panoramy MOV
moøna takøe publikowaÊ w internecie.
converting them into Flash format, enables publishing MOV panoramas in Internet.
5.3. Rzut GÛrnego Tarasu
úwiπtyni
5.3. General plan of the Upper Terrace
of the Temple
Jednym z celÛw projektu by≥o przygotowanie rzutu
GÛrnego Tarasu úwiπtyni. Postanowiono, øe rzut
bÍdzie przedstawia≥ przekrÛj poziomy na wysokoúci najwyøszych nisz, czyli mniej wiÍcej 2 metry
powyøej progu portalu wejúciowego prowadzπcego
na GÛrny Taras. Poniewaø powierzchnie niektÛrych
úcian, jak to siÍ czÍsto zdarza w egipskich úwiπtyniach, sπ pochy≥e, a wiele teoretycznie pionowych
úcian wykazuje znaczne odchylenia od pionu, rzut
zawiera takøe linie widokowe reprezentujπce podstawy wszystkich úcian [4].
B≥πd rejestracji wszytkich skanÛw do wspÛlnego uk≥adu wspÛ≥rzÍdnych nie przekracza≥ 8 mm
w obrÍbiÍ ca≥ego projektu. W przypadku rzutu GÛrnego Tarasu úwiπtyni naleøy wiÍc spodziewaÊ siÍ
podobnej dok≥adnoúci. Dla pojedynczych pomieszczeÒ, zw≥aszcza jeúli by≥y one skanowane z jednego lub dwÛch stanowisk skanera, dok≥adnoúÊ siÍga
2-4 mm. Nowy rzut GÛrnego Tarasu úwiπtyni wykazuje wyraüne rÛønice w porÛwnaniu z wczeúniejszym planami.
One of the main aims of this project was however
to establish a new general plan of the Upper Terrace of the Temple. It has been decided that this plan
be will represent horizontal section on a level corresponding with the highest niches. This is roughly
2 meters above the threshold of the Upper Terrace
entrance gate. Since some of the walls faces, as often in case of egyptian temples, are sloping, and
many nominally vertical walls show noticeable irregularities, the general plan also includes view lines
of bottom parts of all the walls [4].
In view of the fact that accuracy of registering
separate scans into common point cloud resulted in
a mean error not grater than 8 mm over the whole
area, the similar overall accuracy can be expected
in case of the Upper Terrace general plan. In case of
single rooms, especially those which were scanned
from one or two scanning stations, an accuracy between 2 and 4 mm has been reached. The new plan
of the Upper Terrace shows noticeable differences
if confronted with the one which existed until now.
5.4. Modelowanie 3D
i generowanie przekrojÛw
5.4. Modeling 3D
and sections production
Proces skanowania 3D dokumentowa≥ nie tylko úciany GÛrnego Tarasu, ale takøe ca≥e jego otoczenie
w promieniu oko≥o 75 m od pozycji skanera, objÍ≥o
wiÍc swoim zasiÍgiem rÛwnieø duøπ czÍúÊ skalnego
urwiska rozpoúcierajπcego siÍ nad úwiπtyniπ. W ten
sposÛb po raz pierwszy pojawi≥a siÍ moøliwoúÊ dok≥adnej analizy niedostÍpnych dotychczas szczegÛ≥Ûw ñ zboczy, fragmentÛw wysuniÍtych i nadwieszonych. Te dodatkowe informacje by≥y szczegÛlnie
przydatne w przypadku przekrojÛw pionowych prowadzonych w poprzek GÛrnego Tarasu na liniach
wschÛd-zachÛd i pÛ≥noc-po≥udnie [4]. Na tym etapie
projektu rzut i przekroje wschÛd-zachÛd i pÛ≥nocpo≥udnie wy≥πcznie przy zastosowaniu oprogramowania Leica Cyclone.
Ostatnia, jeszcze nie ukoÒczona, faza ca≥ego projektu, koncentruje siÍ na wytypowaniu najbardziej
przydatnych, zwaøywszy na specyfikÍ danych, narzÍdzi modelowania 3D i generowania szczegÛ≥owych przekrojÛw. Nie moøna w tym celu stosowaÊ
typowych aplikacji AEC CAD s≥uøπcych do modelowania bry≥ lub powierzchni, a to z powodu olbrzymiej iloúci danych danych pomiarowych i wymaganego poziomu szczegÛ≥owoúci modelu 3D. Wydaje
siÍ, øe jedyne dostÍpne w tej chwili rozwiπzanie to
Since 3D scanning recorded not only all walls of
the Upper Teracce but also whole surroundings
within radius of ca. 75 meters from scanner stations, a good part of the gebel overlooking the site
has been also included. This way, for the first time,
it is also possible to see in details the gebel itself ñ
its slopes, its exposed and overhanging areas. General E-W and N-S sections across the Upper Terrace are particularly benefiting from this additional information [4]. At this stage of the project, preparing of the general plan and general E-W and NS sections has been accomplished entirely in Leica Cyclone software.
Still unfinished, the last phase of our project concentrates of finding the most suitable tools for 3D
modeling and detailed sections production. Typical
AEC CAD applications for solid or surface modeling can not be used there for the reason of waste
scanning data amount and demanded accuracy of
the 3D model. The only solution there is using point
cloud data to produce mesh models. Two already
mentioned applications were tested. Both have very
similar functionality and both proofed to be also very
efficient. JRC 3D Reconstructor seems to be specially useful in filtering the data and generating fea-
712
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
Rys. 8. Model siatkowy północnej ściany kaplicy Hatszepsut
Fig. 8. Mesh model of the Hatshepsut Chapel northern wall
Rys. 9. Fragment modelu siatkowego Północnej Kaplicy Anubisa wraz z i liniami przekrojowymi
Fig. 9. Fragment of mesh model of the Northern Anubis Chapel with detailed section lines
wykorzystanie danych z chmury punktÛw do tworzenia modeli siatkowych. W tej fazie projektu testowano dwie wspomniane juø poprzednio aplikacje. Obie
wyposaøone sπ w podobne funkcje i obie okaza≥y siÍ
rÛwnie skuteczne. JRC 3D Reconstructor wydaje siÍ
przy tym szczegÛlnie pomocny w filtrowaniu danych
i automatycznym generowaniu krawÍdzi, natomiast
ture lines, while 3D Reshaper proofed to be excellent tool in meshing point clouds and automatically
generating detailed section lines in any desired direction.
Since 3D point cloud data collected in very
dusty conditions of Upper Egypt needed to be
carefully filtered, still another application ñ Mesh-
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
713
3D Reshaper okaza≥ siÍ bardzo skutecznym narzÍdziem tworzπcym modele siatkowe na podstawie
chmur punktÛw, a takøe by≥ wyjπtkowo efektywny
w przypadku generowania linii przekrojowych prowadzonych w dowolnie wybranym kierunku.
Typowe dla GÛrnego Egiptu warunki skanowania
(wysoka temperatura i znaczne zapylenie), wymaga≥y
starannego filtrowania danych. Przetestowano wiÍc
takøe jeszcze jednπ aplikacjÍ: MeshLab6. Zastosowano wiele filtrÛw, ktÛre okaza≥y siÍ przydatne nie tylko
w filtrowaniu chmur punktÛw, ale takøe w czyszczeniu, naprawie i wyg≥adzaniu modeli siatkowych.
Lab6 has been also successfully tested. Many filters implemented there proofed to be very useful
not only in filtering point clouds, but also in cleaning, repairing, remeshing and smoothing meshed
models.
5.5. Fotomozaiki i ortofotomapy úcian
5.5. Photomosaics and orthophoto of walls
Generalnie moøliwe sπ dwa rodzaje widokÛw elewacyjnych ñ ortofotomapy i fotomozaiki. Pierwszy typ
to wierny obraz danej sceny ze wszystkimi elementami we w≥aúciwej skali i bez zniekszta≥ceÒ perspektywicznych. Tworzenie, na dostawie skanÛw 3D, takiej ortofotomapy z wymaganπ dla tego projektu rozdzielczoúciπ, czyli wielkoúciπ piksela poniøej 0,5 mm
wymaga jednak bardzo gÍstego skanowania i precyzyjnego generowania modeli siatkowych. Z drugiej
Generally two kinds of wall facades plans are possible ñ orthophotos and photomosaics. The first one
is the true representation of a given scene where
all entities are in a right scale and without any perspective distortions. Such the orthophoto production with demanded pixel resolution below 0,5 mm
involves very dense scanning and careful meshing. On the other hand, only representation of the
main surface of the wall was the most important
Rys. 10. Ortofotomapa jednej ze ścian świątyni użyty jako dokument referencyjny przy generowaniu fotomozaiki
Fig. 10. Orthophoto image of one of temple walls used as reference for photomosaic production
strony, podstawowym zadaniem tej fazy projektu by≥a
dokumentacja g≥Ûwnej p≥aszczyzny úciany. Na szczÍúcie, wiÍkszoúÊ úcian úwiπtyni moøna uznaÊ za niemal idealne p≥askie powierzchnie. Wybrano wiÍc inne
rozwiπzanie problemu ñ fotomozaiki, gdzie tylko
g≥Ûwnπ p≥aszczyznÍ úciany przedstawia siÍ w prawid≥owej skali bez øadnych geometrycznych zniekszta≥ceÒ. W tym przypadku wszystkie elementy, ktÛre
znajdujπ siÍ za g≥Ûwnπ p≥aszczyznπ úciany sπ repre714
issue of this project and fortunately most of the
temple walls could be considered as nearly planar
surfaces. Therefore a more simple approach has
been chosen ñ photomosaics, where only the main
surface of walls is represented in a right scale and
without any geometrical distortions. In this case,
all items which are behind the plane of the main
surface of the wall are represented in a slightly
smaller scale and with perspective distortions and
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
zentowane w nieco mniejszej skali i ze zniekszta≥ceniem perspektywicznym. Odpowiednio, wszystkie
elementy przed g≥Ûwnπ p≥aszczyznπ úciany bÍdπ odwzorowane w wiÍkszej skali. RÛønice g≥Íbokoúci
miÍdzy g≥Ûwnπ p≥aszczyznπ úciany a elementami po≥oøonymi przed niπ i za niπ, nie przekracza≥y w naszym przypadku 15 mm. ZdjÍcia wykonano zwykle
z odleg≥oúci oko≥o 2 metrÛw uzyskujπc wielkoúÊ piksela nie przekraczajπcπ 0,3 mm. Przewidywany teoretyczny b≥πd wynikajπcy z faktu iø powierzchnia
úciany nie jest idealnπ p≥aszczyznπ (rÛønice g≥Íbokoúci +/- 15 mm) wynosi wiÍc oko≥o 0,75% i by≥ do
zaakceptowania w naszym przypadku.
Pierwszym krokiem by≥o wygenerowanie za pomocπ Leica Cyclone, bezpoúrednio z chmury punktÛw 3D, czarnobia≥ych ortofotomap poszczegÛlnych
úcian (rys. 10). Ich rozdzielczoúÊ nie przekracza≥a 2
mm, ale by≥a wystarczajπca do znalezienia zestawu
analogicznych punktÛw na szczegÛ≥owych zdjÍciach
cyfrowych i czarno-bia≥ych ortofotomapach. Pos≥uøy≥y one jako punkty referencyjne pozwalajπce na
przekszta≥cenie obrazÛw rastrowych7 za pomocπ
Bentley Descartes.
W zaleønoúci od rozmiaru detali, ktÛre mia≥a
przedstawiaÊ koÒcowa dokumentacja, rozdzielczoúÊ
stworzonych fotomozaik wynios≥a od 0,3 do 0,5 mm.
Pozwala to na wydruk fotomozaik w skali 1 : 10
z rozdzielczoúciπ 600 dpi, ktÛra ca≥kowicie odpowiada potrzebom nowoczesnego procesu wydawniczego. Fotomozaiki o najwyøszej rozdzielczoúci
(0,3 mm) i wykonane w korzystnych warunkach
oúwietleniowych8 pozwalajπ na powiÍkszenia, edycjÍ i druk nawet w skali 1:1 (rys. 11).
respectively all those projecting in front of the main
surface of the wall will appear bigger. Depth differences between main surface of the wall and
items which are in front or behind were not exceeding in our case 15 mm. Pictures were taken
with pixel resolution 0,3 mm at a distance of typically 2 meters. Therefore, expected theoretical errors resulting from main wall surface being not exactly a planar (depth differences +/- 15 mm) should
be around 0,75% and were acceptable for this
project.
As the first step, using 3D point clouds, rough
black and white, orthophoto images of walls plans
were produced from Leica Cyclone (fig. 10). Their
resolution did not exceeded 2 mm but it was enough
to find suitable set of analogical points represented
on digital photos and on black and white orthophotos. They served as reference points upon which pictures were warped7 with help of Bentley Descartes.
Depending from the size of details which were
to be represented on the final documentation, the
resolution of resulting photomosaic pictures is between 0,3 and 0,5 mm. This permits publishing photomosaics in a scale 1 : 10 with 600 dpi resolution
which is fully suitable for modern publishing process. Photomosaic images of highest resolution (0,3
mm) and recorded in favorable lighting conditions8
permit also enlarging, viewing and printing of chosen fragments up to 1:1 scale (Fig.11).
Rys. 11. Przykład fotomozaiki z rozdzielczością pikseli 0,3 mm
Fig.11. Photomosaic example with pixel resolution 0,3 mm
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
715
5.6. Mapy wg≥ÍbieÒ
5.6. Walls surface displacement plans
W przypadku wielu úcian widoczne by≥y nieregularnoúci powierzchni, a ich fasady bynajmniej nie
stanowi≥y idealnej p≥aszczyzny. PodjÍto wiÍc prÛbÍ
dokumentacji tych cech w formie tak zwanych map
wg≥ÍbieÒ. W tym przypadku, elewacje poszczegÛlnych úcian przedstawiono w sposÛb przypominajπcy hipsometriÍ na planach topograficznych, gdzie
rÛønice (wysokoúci i g≥Íbokoúci) powierzchni úcian
symbolizuje odpowiedni kod kolorÛw9 (rys. 12). Ten
rodzaj prezentacji danych przestrzennych moøe byÊ
potencjalnie niezwykle przydatny dla inøynierÛw
zajmujπcych siÍ badaniem stabilnoúci úcian, ktÛrych
czÍúÊ uleg≥a powaønym przesuniÍciom z powodu
niestabilnoúci pod≥oøa, trzÍsieÒ ziemi i licznych innych powodÛw.
Since many of walls show noticeable irregularities,
their facades being far from an ideal flat surface, an
attempt was made to show this features in form of
so called walls surface displacement plans. In this
case walls facades are represented in a way similar
to hypsometry on topographical plans, where differences (heights and depths) in the wall surface is
symbolized by colour coding9 (Fig.12). This kind
of spatial data presentation can be potentially of
a great interest to civil engineers when examining
stability of walls which underwent serious dislocation of blocks due to ground instability, earthquakes
or any other reasons.
Rys. 12. Przykład mapy wgłębień
Fig. 12. Example of displacement map
6. Wnioski i wstêpna
propozycja kontynuacji
projektu w sezonie 2010
6. Conclusions and preliminary
proposal of project continuation
during 2010 season
W konkluzji trzeba stwierdziÊ, øe metoda dokumentacji úwiπtyni Hatszepsut za pomocπ skanowania 3D
potwierdzi≥a swojπ przydatnoúÊ, zarÛwno jeúli chodzi o efektywnoúci, jak i dok≥adnoúci. G≥Ûwnπ przeszkodπ, jakπ napotka≥ zespÛ≥, by≥ brak zawodowego fotografa. Poniewaø jakoúÊ fotomozaik zaleøa≥a
To conclude, one must state that the idea of documenting the Hatshepsut Temple by means of 3D
scanning proofed to be both very efficient and very
accurate. The main obstacle which the field team
faced during the whole project was lack of professional photographer. Since the quality of photomo-
716
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
w ogromnym stopniu od jakoúci zdjÍÊ zebranych
w terenie, planuje siÍ, szczegÛlnie w obszarach zadaszonych, gdzie potrzebne jest sztuczne oúwietlenie, dokooptowaÊ do zespo≥u zawodowego fotografa
z doúwiadczeniem w fotografowaniu úcian zdobionych reliefami. Przewiduje siÍ, øe prace bÍdπ kontynuowane wiosnπ 2010 r. Do dokumentacji wybrano cztery kolejne obszary GÛrnego Tarasu:
ñ Po≥udniowa Kaplica Amuna wymagajπca 2
stanowisk skanera
ñ PÛ≥nocna Kaplica Amuna wymagajπca 4 stanowisk skanera
ñ G≥Ûwne Sanktuarium Amuna wymagajπce 16
stanowisk skanera
ñ wewnÍtrzne fasady Portyku Ptolomejskiego
wymagajπce 3 stanowisk skanera.
OgÛlnie szacuje siÍ, øe potrzebne bÍdzie oko≥o
25 stanowisk skanowania, co oznacza minimum 3
dni pracy w terenie. Naleøy jednakøe przewidzieÊ
dodatkowy dzieÒ lub dwa na wypadek nieprzewidzianych problemÛw.
saics greatly depends on quality of pictures collected on the field, it is advisable, particularly on the
roofed areas where artificial lighting must be engaged, to supply the field team with professional
photographer with good experience in shooting relief decorated walls. It is anticipated that the work
will be continued during spring 2010. Four further
areas of the Upper Terrace has been already chosen
to be documented. This are:
ñ the Southern Chapel of Amun involving 2
scanner stations required
ñ the Northern Chapel of Amun involving 4
scanner stations required
ñ the Main Sanctuary of Amun involving 16
scanner stations required
ñ the inner facades of Ptolemaic Portico involving 3 scanner stations required.
All together 25 scanner positions are estimated,
what results in 3 full days of scanning. However,
one additional day or two should be added in anticipation of any unexpected problems.
Literatura • References
[1] Z. SzafraÒski (ed.), KrÛlowa Hatszepsut i jej úwiπtynia 3500 lat pÛüniej, Warszawa 2001.
[2] Z. Wysocki (ed.), The temple of Queen Hatshepsut. Vol. 4. The report of the Polish-Egyptian archaeological and preservation mission Deir elñBahari 1980-1988, Warszawa 1991.
[3] T. Kaczor, Teoria i praktyka w konserwacji staroøytnych zespo≥Ûw zabytkowych w Tebach. Raporty
Inst. Hist. Archit Proc. 2007, Ser PRE nr 422, http://www. dbc.wroc.pl/publication/1563, 97-101,
2007.
[4] J. Koúciuk, T. Kaczor, B. Chmielewski, T. WaligÛrski, P. Srokowski. Skanowanie 3D fragmentÛw
úwiπtyni Hatszepsut w Deir el-Bahari w Egipcie, Raporty Instytutu I-12 Serii Sprawozdania nr 19/09
(raport nie publikowany), 2009.
* Laboratorium
Skanowania i Modelowania 3D, Politechnika
Wroc≥awska, Wroc≥aw, Polska
Laboratorium zorganizowane zosta≥o przy Instytucie Historii Architektury, Sztuki i Techniki na Wydziale Architektury
w ramach dzia≥ania SPO WKP 1/1.4.2/2/2005/87/168/464.
1
HistoriÍ úwiπtyni moøna znaleüÊ w [1]. HistoriÍ restauracji úwiπtyni i polskiego udzia≥u w tym zadaniu moøna znaleüÊ w [2] i [3].
2 ZespÛ≥ serdecznie dziÍkuje panu Lotharowi Assenmacherowi ñ Dyrektorowi Generalnemu Leica Geosystems, ktÛry
udzieli≥ ogromnego wsparcia projektowi i umoøliwi≥ jego realizacjÍ.
3 O znanych parametrach rÛwnania soczewek, ktÛre umoøliwia≥o korekcjÍ dystorsji i innych wad obiektywu.
4 Zbyt daleko do úciany lub pod niekorzystnym kπtem.
5 PoszczegÛlne stanowiska skanera w trakcie skanowania.
6 Visual Computing Lab ñ ISTI ñ CNR;
http://meshlab.sourceforge.net/
7 Obraz rastrowy przeliczono ponownie za pomocπ odpowiednich wielomianÛw.
8 Najlepiej na zewnπtrz w bezpoúrednim úwietle s≥onecznym.
9 Wg≥Íbienia reprezentowane sπ w kolorach niebieskich, a wypuk≥oúci w czerwieniach.
* Laboratory
of 3D Scanning and Modeling, Wroc≥aw University of Technology, Wroc≥aw, Poland
The Laboratory was organized at the Institute of History of
Architecture, Arts and Technology at Faculty of Architecture
(project SPO WKP 1/1.4.2/2/2005/87/168/464).
1
For the temple history see [1]. For history of restoration of
the temple and Polish contribution see [2] and [3].
2 The team would like to express special thanks to Lothar
Assenmacher ñ the General Director of Leica Geosystems who
greatly supported this project and rendered it possible.
3 With known lens equation parameters permitting us to remove distortion and other lens errors.
4 To far from the wall or in unfavorable angle of view.
5 Particular locations of the scanner during any scanning process.
6 Visual Computing Lab ñ ISTI ñ CNR;
http://meshlab.sourceforge.net/
7 Raster image metrics has been recalculated with polynomial equations.
8 Preferably outdoors with direct sun light.
9 Depths are show in blue while heights in red colors.
Wiadomości Konserwatorskie • Conservation News • 26/2009
717

Podobne dokumenty