Фотограмметрические методы создания 3-D моделей

Оглавление

I. Введение 3

II. Основная часть 4

1. История развития фотограмметрии 4

2. Области применения фотограмметрии 5

3. Использование фотограмметрических методов для создания 3d-моделей 6

4. Технология 3D-печати 8

5. Создание 3d-модели фигурки совы. 11

III. Заключение 16

IV. Библиографический список 17

I. Введение

Фотограмметрия или фотомоделирование — это технология, благодаря которой трехмерная цифровая поверхность может быть восстановлена из серии фотографий. Он часто используется для создания высокоточных 3D-моделей объектов реального мира. Фотограмметрия позволяет определить по снимкам исследуемого объекта его форму, размеры и пространственное положение в заданной системе координат, а также его площадь, объём, различные сечения на момент съёмки и изменения их величин через заданный интервал времени.

Объект исследования: фотограмметрический способ создания 3d-моделей.

Актуальность: в наше время трехмерные технологии стали весьма востребованы в самых разных областях деятельности. 3D­ моделирование является неотъемлемой частью таких сфер, как наука, промышленность, медицина, кинематограф и т.д.

Цель: создать 3d-модель, используя фотограмметрический способ.

Задачи:

1. изучить историю развития фотограмметрии;

2. изучить области применения фотограмметрии;

3. изучить программные продукты для создания 3d-моделей;

4. создать 3d-модель фигуры по фотографиям.

Методы исследования:

1. Теоретический (изучение литературы и интернет-источников).

3. Практический (материальное моделирование).

II. Основная часть

1. История развития фотограмметрии

Фотограмметрия – это научная дисциплина, связанная с определением геометрических параметров (формы, размера, пространственного положения) и других свойств объектов по их изображениям. Происходит то греческих слов: photos-свет, gramma—запись и metreo-измеряю. Предметом изучения в фотограмметрии являются геометрические и физические свойства снимков, способы их использования для определения количественных и качественных характеристик сфотографированных объектов, а также приборы, применяемые в процессе обработки.

Истоки фотограмметрии относятся к эпохе Возрож­дения, когда были заложены основы теории построения таких изо­бражений и определения по ним формы, размеров и пространственно­го положения объектов. [2]

Фотограмметрия родилась через 13 лет после изобретения фотографии. В 1852 году французский инженер Эмме Лосседа для создания плана местности получил первые перспективные снимки Парижа. Съемка была проведена с воздушного шара. Таким образом, одновременно с наземным фотографированием развивается фотографирование с воздушных носителей (шаров, аэростатов и т.д.). Первые фотографии с аэростатов были получены в 1858 г французом Ф. Надаром. В России началу аэрофотосъемочных работ положили поручик А.М. Кованько, выполнивший в 1886 г с воздушного шара аэрофотосъемку устья реки Невы с высот 800,1200 и 1350м, и полковник Н.А. Козлов, впервые в 1887 г выполнивший аэрофотосъемку на пленку. Дальнейшее совершенствование фотограмметрии в конце XIX в. связано с именами А. Майденбауера, В. Иордана, С. Финстервальдера (Германия), П. Паганини (Италия), Е. Девиля (Канада), Н.Ф. Виллера, Р.Ю. Тиле, П.И. Щурова (Россия). Большое влияние на дальнейшее развитие фотограмметрии оказал первый учебник "Измерительная фотография и ее применение в воздухоплавании" (1907 г.), написанный В.Ф. Найденовым для слушателей Военно-инженерной академии. В учебнике были обобщены вопросы теоретической фотограмметрии и дано математическое обоснование способов графического трансформирования аэроснимков.

В России до 1917 г. фотограмметрия применялась в основном для военных целей. Создание отечественной фотограмметрической аппаратуры и приборов тормозилось из-за слабого развития оптико-механического производства. [1]

В 1928 г. в Москве создан Государственный институт геодезии, аэрофотосъемки и картографии (ныне Центральный научно-исследовательский институт геодезии, аэросъемки и картографии им. Ф.Н. Красовского). Его ученые внесли существенный вклад в развитие топографо-геодезического и картографического производств.

В последней четверти 20 века произошел качественный рывок в развитии электронно-вычислительной техники. В 1970 году создана технология получения цифровых снимков, появились довольно дешевые быстродействующие ПЭВМ с большим объемом памяти, обеспеченные качественным периферийным оборудованием (графопостроители, сканеры, принтеры и т.д.). Интенсивно разрабатывалось программное обеспечение, среди которого следует отметить и специализированные фотограмметрические пакеты. Все это привело к тому, что традиционные технологии составления карт по снимкам стали вытесняться, а на их смену пришли цифровые методы. [2]

2. Области применения фотограмметрии

Фотограмметрия применяется в различных областях науки и техники: в геодезии, картографии, кадастре и астрономии, географии и океанологии, в космических исследованиях и изучениях объектом микромира, а так же в военно-инженерном деле, архитектуре и строительстве, археологии и даже в судебной и пластической медицине. Фотограмметрию используют:

- для определения деформаций сооружений и их отдельных частей, происходящих в ходе эксплуатации и с течением времени. Например, сравнение измерений, проведённых по стереопарам моста или подъемного крана, полученных до их нагрузки, во время нагрузки и после, позволяет определить их деформации в зависимости от веса нагрузки;

- для определения характеристик движущихся объектов: транспортных средств, ковша экскаватора, ракет, снарядов, элементарных частиц при проведении ядерных исследований и т.п.;

- при изысканиях железных и автомобильных дорог, трасс трубопроводов, линий электропередач и других линейных объектов;

- при гидротехнических, геологических, географических изысканиях и исследованиях;

- при реставрации памятников архитектуры, скульптурных монументов, уникальных предметов;

- для фиксации и составления плана дорожно-транспортного происшествия или места преступления;

- для определения по снимкам, полученным в электронном микроскопе, характеристик микрорельефа, например, полированных поверхностей;

- для лечения сетчатки глаз и установки контактных линз, изготовления зубных протезов, изучения внутренних органов человека и его внешней формы. Например, измерения фигуры космонавта по стереопарам, полученным до полёта, во время нахождения космонавта на орбитальной станции и после посадки, позволяют составить подробную картину изменений, происходящих в теле человека в связи с перераспределение крови и жидкости под влиянием земного притяжения и невесомости. Эту же методику можно использовать при пошиве одежды с учётом индивидуальных особенностей строения тела человека.

Широкое использование фотограмметрии во многих областях деятельности человека обусловлено следующими ее достоинствами:

1) высокой точностью измерений, так как съемка объектов выполняется высокоточными фотокамерами, а обработка снимков проводится строгими методами на точных приборах и программных комплексах;

2) большой производительностью труда, достигаемой благодаря тому, что измеряют не сами объекты, а их изображения;

3) полной объективностью и достоверностью результатов измерений, так как изображения объектов получаются высокоточной аппаратурой;

4) возможностью получения в короткий срок информации о состоянии всего объекта и отдельных его частей. Например, снимки всей поверхности земного шара можно получить с искусственного спутника Земли за несколько суток;

5) возможностью изучения неподвижных и быстро или медленно движущихся объектов, а также скоротечных или медленно проходящих процессов, например летящего снаряда, вулканического извержения, деформации колеса автомобиля в момент движения, интенсивности движения городского транспорта, эрозии почвы, движения ледников, осадки и деформации зданий и других сооружений и т. д.;

6) исследованием объектов дистанционным (бесконтактным) методом, что имеет особое значение в условиях, когда объект недоступен или когда пребывание в зоне объекта не безопасно для жизни человека.

3. Использование фотограмметрических методов для создания 3d-моделей

Моделирование по фотографии позволяет быстро и просто создавать 3d-модели, частично автоматизируя процесс за счет современного обеспечения. Таким способом трудно создавать сложные модели, но он применяется во многих направлениях.

Построение 3D-модели по фотографии часто применяется в игровой индустрии и мультипликации для прорисовки героев. За основу берутся реальные люди, а точнее их фотографии и с них делается модель. Такой прием позволяет реалистично передать черты лица и мимику (рис.1).

3D-моделирование по фотографии применяют для создания прототипа изделия. Например, если у вас есть пластиковый корпус и вам необходимо похожее изделие, можно сфотографировать существующий. В итоге вы получите 3D-модель, которую сможете скорректировать. Это поможет оценить функциональность изделия еще до запуска массового производства. [3]

Р
ис.1. Многие известные актеры подарили внешность персонажам мультфильмов

Чтобы получить точную модель объекта, нужно придерживаться нескольких правил съемки объекта:

1. Объект всегда должен находиться в фокусе. Лучше всего расположить его на подвижной платформе, а камеру статично закрепить на небольшом расстоянии (если объект маленький). Это позволит вращать объект на заданный угол, и он всегда будет в центре.

2. Не ограничивайте количество изображений. Каждая точка поверхности сцены должна быть чётко видна, по крайней мере, на двух высококачественных изображениях.

3
. Всегда перемещайтесь при съёмке. Стоя на одной точке, вы получите только панораму, которая ничем не поможет созданию 3D-модели. Перемещайтесь вокруг объекта по кругу, стремясь к 80% наложения между фотографиями. (рис.2)

Рис.2

4. Не меняйте точку обзора больше чем на 30 градусов.

5. Начните со съёмки всего объекта, двигайтесь вокруг него, а затем фокусируйтесь на деталях. Приближайтесь не резко, а постепенно.

6. Завершайте маршруты. При съёмке таких объектов как статуи, здания и подобных им нужно всегда двигаться вокруг и заканчивать в том же месте, откуда начали.

7. Не останавливайтесь на одном обходе, сделайте несколько с различной высоты.

8. Поворачивайте камеру (горизонтальное и вертикальное перемещение обеспечивает лучшую калибровку). [4]

Вот мой первый опыт создания модели школы: для съемки использовался квадрокоптер (рис.3).

Рис.3

4. Технология 3D-печати

В настоящее время, классической технологией, которой печатает 3D-принтер, является технология FDM. Это послойное наплавление материала, результатом которого является готовое изделие любой сложности, рельефной поверхностью и различной фактурой. Процесс создания объекта представляет собой следующее: идет наплавление полимера через экструзивную головку принтера на поверхность разогретого стола рабочего поля. После завершения одного слоя печати, головка смещается вверх на заданное разрешением печати расстояние и наплавляет новый слой. Этот процесс повторяется много раз, пока не завершится печать. Но при этом, материалу в ходе печати необходимо успевать остывать, чтобы материал не дал усадку и не потерял форму. Еще одной особенностью этой технологии является то, что навесные элементы модели требуют дополнительной доработки, создания поддержек. Так называют дополнительные ребра жесткости, опорные элементы, которые не дают консольным элементам изделия проседать, пока материал не застыл и не приобрел необходимую конечную жесткость. Поддержки создаются специальной утилитой в среде моделирования или программой печати [6].

Поддержки имеют очень важное значение при создании модели с выступами. Так как полимер не может быть нанесён на воздух, для некоторых элементов модели требуется опорная конструкция. Но есть один недостаток - элементы, напечатанные с поддержками, имеют более низкое качество печати, чем остальная поверхность изделия. Поэтому профессионалы рекомендуют, моделировать объект таким образом, чтобы было меньше навесных элементов.

На принтерах средней ценовой категории поддержки печатаются из того же материала, что и модель. Поддержки, напечатанные тем же материалом, что и остальная часть модели, удаляются вручную.

Принтеры с технологией FDM не печатают модели с заполненным внутренним пространством. Это позволяет сократить время печати и сэкономить материал. Принтер делает несколько проходов по внешнему периметру, а внутреннее пространство заполняет редкой сеткой. Такой подход обеспечивает баланс между прочностью изделия и легкостью.

На прочность изделия оказывают сильное влияние заполнение и толщина корпуса. Чаще всего в принтерах с технологией FDM плотность заполнения модели составляет 25%, а толщина стенок изделия 1 мм. Это стандартные настройки для быстрой печати.

Суть термина FDM представляет собой процесс аддитивного производства, который осуществляется с помощью экструзии материала. В таком способе печати объектов расплавленный материал наносится на подготовленную платформу слой за слоем по заранее установленному алгоритму. Материалы, которые используются при печати, являются термопластичными полимерами, и после нагрева имеют форму нити (Рис. 4).

Рис. 4

Процесс печати с технологией FDM представляет собой следующее: первым делом, катушка с термопластичной нитью загружается в принтер. После того, как сопло нагрелось до определенной температуры, нить подается в экструдер, а затем в сопло, где она плавится [6].

Экструдер привязан к 3-осевой системе, то есть он перемещается в направлениях X, Y и Z. Нагретый полимер выдавливается послойно в виде тонких нитей в местах, которые определила заранее специальная утилита. В процессе послойного нанесения полимер охлаждается и твердеет. Часто 3D-принтеры имеют небольшие вентиляторы, которые крепятся к экструдеру. Они значительно повышают скорость затвердевания материала.

Для того чтобы напечатать объемную модель, экструдеру требуется совершить несколько проходов. После того, как слой закончен, платформа перемещается вниз, и экструдер наплавляет новый слой на уже остывший. И так огромное множество раз, пока изделие не будет напечатано полностью.

Практически все принтеры с FDM печатью имеют настраиваемые параметры процесса печати, например, температура сопла и платформы, высота слоя и скорость вентиляторов охлаждения.

Очень важно учитывать при моделировании размер стола и высоту самой модели.

Обычный размер области для печати изделия имеет габариты 200×200×200 мм. Но в промышленных 3D-принтерах размер в несколько раз больше, он может достигать 1000×1000×1000 мм. Если в наличии есть только настольный 3D принтер, а напечатать надо большую модель, лучше разбить ее на более мелкие части, отдельно распечатать, а затем склеить все элементы.

Высоту слоя можно задать на этапе слайсинга в специальной утилите, которая обычно варьируется от 50 до 400 микрон. Если печатать модель с меньшей высотой слоя, то в результате мы получим гладкую модель с наивысшей детализацией формы. Но у печати с большей высотой слоя тоже есть преимущество – модель печатается намного быстрее и с меньшими затратами. Главным преимуществом FDM печати является обширный ассортимент доступных материалов для печати. Они могут различаться от обычных и доступных пластиков, таких как PLA и ABS, до инженерных: TPU и PETG) - и высокопрочных материалов как PEEK.

Алгоритм процесса по технологии FDM печати представляет собой следующее:

- создание цифровой модели объекта в специальной для этого программе – редакторе. Простыми словами, если 3D-принтер создает реальный, осязаемый объект из виртуальной модели, то есть необходимость в создании виртуальной модели 3D-редакторе;

- конвертация готовой виртуальной модели объекта в формат, понятный 3D-принтеру. Для этого специальная программа разобьет модель на тонкие горизонтальные слои, переведет ее в код, который использует принтер. Другими словами, модель подвергается обработке специальной программой, с помощью генератора G-кода: исходной объект расчленяется на горизонтальные слои и идет его преобразование в цифровой код, понятный принтеру, генерируется список команд, с помощью которых 3D-принтер понимает, куда наносить материал при 3D-печати объекта [6].

- процесс печати по технологии FDM, где человек уже не принимает никакого участия. Остается лишь следить за процессом печати.

5. Создание 3d-модели фигурки совы

При выборе модели для создания 3d-объекта я придерживался следующих правил:

• на модели не должно быть прозрачных, зеркальных или блестящих поверхностей. Если они есть, то их нужно заклеить или покрыть специальным матирующим спреем.

  
  

• свет должен быть равномерным и освещать модель со всех сторон.

• для фотограмметрии плохо подходят однотонные модели без ярко выраженных деталей. [5]

Рис.5

Я решил использовать метод фотограмметрии для создания 3d-модели фигуры совы (рис.5).

Для создания моделей по фотографиям существует разнообразное программное обеспечение. Я использовал бесплатную программу 3DF Zephyr Free.

1. Было сделано 37 фотографий фигуры с различных точек.

2
. Загружаем все фотографии в программу. После обработки она отбрасывает неудачные снимки (рис.6). Мне повезло, непригодных снимков оказалось всего два.

Рис.6

3
. Программа сравнивает все фотографии, располагает камеры в пространстве и создает примерное облако точек (рис.7).

Рис.7

4
. Затем создаем плотное облако точек и объект становится хорошо различимым (рис.8).

Рис.8

5. После удаления всех ненужных элементов, которые попали в поле зрения фотоаппарата, очистки объекта, сохраняем наш проект в формате obj. Этот формат позволяет сохранить необходимую текстуру.

6
. Импортируем файл в программу 3ds Max и завершаем работу по созданию нашей модели (рис. 9-12).

Рис.9

Р
ис.10

Рис.11

Р
ис.12

7. Затем загружаем файл в программу Ultimaker Cura, которая разбивает модель на тонкие горизонтальные слои и переводит в G-код, понятный 3D-принтеру. Другими словами, генератор кода создает список команд, который дает указание принтеру, куда наносить материал при 3D-печати такого объекта. После чего происходит процесс печати по технологии FDM (рис.13).

Рис.13

8. Процесс печати представляет собой следующее: идет наплавление материала через экструдер на поверхность разогретого стола. После того, как завершилась печать первого слоя, печатающая головка смещается вверх на заданное разрешением печати расстояние и наплавляет новый слой. И так циклично до полного завершения печати изделия (рис.14).

Рис.14

При этом принтер печатает с такой скоростью, чтобы пластик успевал остывать. Это необходимо для того, чтобы материал не давал усадку. Также на этом этапе печатаются поддержки, которые служат опорой тем элементам, которые не соприкасаются с рабочей платформой и могут проседать. Поддержки настраиваются в программе Ultimaker Cura, как и все параметры.

9. Следующий этап обработки распечатанной модели - удаление поддержек, необходимых при печати 3D-модели (рис.15).

Рис.15

III. Заключение

В нашем современном мире мы постоянно сталкиваемся с большим числом технологических и технических новинок, научных инноваций, открытий в области информационных технологий, умение и владение которыми позволяет быть на пике научно-технического прогресса, идти в ногу со временем, развиваться и самосовершенствоваться.

Аддитивные технологии появились не так давно, история их создания насчитывает всего десятки лет. Несмотря на это, они очень стремительно внедрились в нашу реальную жизнь. А ведь в совсем недавнем прошлом 3D-принтеры, как и 3D-печать, считались чем-то фантастичным, сказочным, чем-то почти недостижимым. Казалось, что эта экзотика доступна исключительно для энтузиастов и первопроходцев; для людей, причастных к особому миру науки, изобретательства, и совершенно недоступна для обычных людей. Но, все мы знаем, что прогресс не стоит на месте, все меняется и вот уже появляется широкий ассортимент принтеров, работающих с 3D-печатью и ориентированных на простых пользователей. Можно с уверенностью сказать, что этот вид печати прочно завоевывает свое место под солнцем, перестает быть чем-то диковинным и входит в повседневную жизнь каждого человека. Развитие и постепенное удешевление данной технологии постепенно приближают момент, когда 3D-принтер сможет купить человек среднего достатка.

В моей работе представлена лишь малая часть, крупица информации о перспективах развития данной области. Но даже этого достаточно для понимания огромного потенциала трехмерной фотограмметрии. Технология обладает обширными перспективами использования в проектах проектирования, строительства и эксплуатации объектов, таких как дороги, офисные и промышленные здания, памятники архитектуры и пр. И конечно, фотограмметрию мы можем использовать в образовательном процессе.

Выполнив данный проект, я достиг своей цели: создал трехмерную модель с помощью фотограмметрии. В результате проделанной работы я много узнал, прочитал много литературы. Я на практике познакомился с современными технологиями, получил дополнительные знания, полезные для своего дальнейшего развития. Проведя данную работу, я сделал вывод: создавать 3d-модели - это очень увлекательное занятие, которое требует много знаний. Я не хочу останавливаться на достигнутом, хочу создать модель человека и здания школы, сделав снимки квадрокоптером.

IV. Библиографический список

1. Аэрофотосъемка // Википедия. — Дата обновления: 28.01.2016. — URL: http://ru.wikipedia.org/?oldid=76068657

2. Лобанов А.Н., Буров М.И., Краснопевцев Б.В. Фотограмметрия.-М.: Недра, 1987. -309 с.

3. http://www.miigaik.ru/upload/iblock/eec/eec5799a3ead6011d48e5c3c2e4a7f2c.pdf

4. https://books.ifmo.ru/file/pdf/2455.pdf

5. https://www.youtube.com/watch?v=9OXz6GFtABs

6. Маров М. Н.3ds max. Материалы, освещение и визуализация, 2013.