Ondrej Takáč
Univerzita J. Selyeho Bratislavská cesta 3322
945 01 Komárno Slovenská republika
takac.ondrej@gmail.com
ABSTRAKT
V súčasnosti je veľmi aktuálna otázka ochrany kultúrneho dedičstva. Moderné technológie sú v týchto snahách veľmi nápomocné. V našom príspevku sa zameriame na tvorbu 3D modelov sakrálnych objektov. Vytvorený 3D model nielenže hodnoverne odzrkadľuje reálny vzhľad objektu, ale je aj jeho metrickým odrazom. To znamená, že ho môžeme presne umiestniť do globálneho alebo lokálneho súradnicového systému a získať jeho všetky rozmery. Tieto postupy sú celkom dobre implementovateľné aj do vyučovania informatiky, čím nielenže vieme zvýšiť záujem žiakov o informatiku, ale tento predmet sa pre žiakov môže stať aj zaujímavejší.
ABSTRACT
At present, the issue of cultural heritage protection is very topical. Modern technologies are very helpful in these efforts. In these papers we focus on 3D models of sacral objects. The created three-dimensional model not only plausibly mirrors the real appearance of the object, but is also its metric reflection. This means that it is possible to accurately locate it in a global or local coordinate system and get all its dimensions. These procedures are quite well implementable in the teaching of informatics, which not only can increase pupils' interest in informatics, but this subject can also become more interesting for students.
Kľúčové slová
Kultúrne dedičstvo, modelovanie, UAV, fotogrametria.
Keywords
Cultural heritage, modeling, UAV, photogrametry.
1 ÚVOD
V súčasnosti evidujeme rozmach bezpilotných leteckých prostriedkov (UAV – unmanned aerial vehicle) vo viacerých oblastiach nielen robotiky ale aj filmu, podnikania či každodenného života.
Tieto sú ideálne na snímkovacie činnosti či už s cieľom získania filmu alebo fotozáberov. Súčasný vývoj systémov plánovania letu umožňuje udržanie optimálnej geometrie letu a tým vylúčenie zisku záberov so slabým alebo žiadnym prekrytom. Optimálny prekryt z hľadiska presnosti, úplnosti, počtu snímok a kvality aerotriangulácie je 60% v pozdĺžnom smere (smere letu) a 20–30% v priečnom smere. Bežne sa však v súčasnosti použitím digitálnych kamier realizuje až 80–90% pozdĺžny a 50–
60% priečny prekryt. [3][4]
2 METÓDY A POSTUPY
Základom tvorby modelov sú fotozábery – fotografie alebo video objektu, ktorého model chceme vytvoriť. Pre získanie fotografií je potrebné splniť minimálne zákonné podmienky na získanie takýchto záberov. Môžeme využiť fotografie získané fotoaparátmi pri fotografovaní zo zeme, ale aj zo vzduchu – pomocou bezpilotných lietadiel (UAV). Je zrejmé, že pri ich získavaní sa vykonáva letecká činnosť, ktorá je viazaná na patričné pilotské oprávnenie príslušnej kategórie UAV. Tím samozrejme nechceme nikoho domotivovať, ale presne naopak. Existujú firmy a spoločnosti, ktoré takéto práce vykonajú aj s odtajnením. To znamená, že okrem povolenia vlastníka objektu, dotknutých osôb a pod., získané zábery sa musia odtajniť, lebo pri fotografovaní objektu z rôznych uhlov sa zároveň vykonáva mapovanie zemského povrchu a môže sa stať, že na niektorom so záberov budú aj utajované miesta a skutočnosti. Musíme mať zreteli aj zákon o ochrane osobných údajov!
Získané fotografie po odtajnení už môžeme voľne používať a využiť ich aj na hodinách informatiky opakovane. Celkovo môžeme povedať, že v súčasnosti existuje dostatok prostriedkov s dostatočnými parametrami na získanie fotografií dostatočnej kvality.
Chápeme, že môžeme mnohé deti motivovať k získaniu fotozáberov amatérskymi dronmi, ale zastávame názor, že správnou informovanosťou tomu vieme aj zabrániť – ak budeme chcieť.
2.1 Získanie fotozáberov
Pri tvorbe každého modelu sú najpodstatnejšie detailné fotozábery danej sakrálnej pamiatky s prekrytom v jednotlivých záberoch. Literatúra uvádza požiadavku aspoň 2/3 ale my s cieľom dosiahnuť lepšie výsledky sme zvolili 3/4. V tomto konkrétnom prípade sme použili výhradne zábery z UAV, konkrétne UAV DJI Phantom, ktorý sa nám už osvedčil aj pri iných prácach. Nie je síce najšpičkovejší, ale ľahko sa ovláda, má dobrú stabilizáciu obrazu a dobré letové vlastnosti s dobrou ovládateľnosťou aj pri bočnom vetre. Podrobnejšie parametre stabilizovanej kamery ktorú UAV nesie uvádzame nižšie:
Je zrejmé, že na splnenie nutnej požiadavky – existencia prekrytia v jednotlivých záberoch, počet záberov rýchlo môže dosiahnuť aj niekoľko desiatok až stoviek. Tento počet je však potrebný na korektnú tvorbu modelu. My sme si ako sakrálnu stavbu vybrali rotundu Dvanástich apoštolov v Bíni.
Na vytvorenie 3D modelu sme použili 253 geodeticky lokalizovaných záberov (teda záberov so známou polohou kamery pri každej snímke – GPS dáta), ktoré sme získali v troch letových výškach.
Hoci na vytvorenie 3D modelu to nie je nutná podmienka, tieto dáta však výrazne dopomôžu k precizite modelu a samotnej tvorby modelu pomocou automatizovaných postupov.
2.2 Tvorba modelu
Prvým krokom je prvotná filtrácia fotozáberov, ktorá je potrebná k softvérovému spracovaniu. To znamená, že žiaci a študenti vyradia tie fotozábery, ktoré intuitívne vycítia ako zlé, nevhodné – zábery silno zašumené, zábery na ktorých sa sakrálny objekt nenachádza alebo zábery na ktorých je sakrálna stavba slabo výrazná (zaliata slnečným svitom, v tme a pod.). Učiteľ vhodným výberom prvotných fotografií môže žiakov nasmerovať správnym smerom – poukázať na nesprávne a správne fotozábery.
Pod vedením učiteľa sa žiaci môžu pokúsiť vytvoriť model na základe nedostatočne malého počtu fotozáberov – výsledkom bude deformovaný, zašumený a nekompletný model (chýba strecha, zadná stena a pod.), alebo
na základe nevyfiltrovaných fotografií, kedy výsledkom bude zašumený model (šum v tomto prípade znamená napr. nejasný kríž na cípe rotundy, ale tento ríž je neoddeliteľne spojený s akýmsi oblakom ktorý je súčasťou modelu).
Následne môžeme pristúpiť k tvorbe modelu. Použité softvérové pozadie je taktiež neodmysliteľnou súčasťou tvorby. V našom prípade sme použili profesionálny fotogrametrický softvér Pix4Dmapper Pro. Podporuje rôzne druhy kamier, či už RGB, multispektrálne alebo termálne. Pix4D mapper Pro umožňuje hlavne desktopové a cloudové spracovanie, generovanie 3D mračien bodov a ich klasifikáciu, Generovanie 3D textúrovaných modelov ale aj 2D merania a 2D vektorové výstupy. [2]
Existuje viacero softvérových produktov, ale nie všetky sú Freeware a mnohé sú finančne náročné.
Z pomedzi platených produktov ako „výťaz“ nám vyšiel Agisoft, dnes už známi ako Agisoft Metashape. Pix4D mapper Pro má ešte aj ďalšiu, pre nás významnú výhodu – dosahuje veľmi dobré výsledky nielen pri sakrálnych stavbách, ale aj pri múzejných artefaktoch, teda drobných predmetoch.
Osobnú skúsenosť máme s fragmentmi náhrobných kameňov a drobných predmetov ako napr. busty a pod.
Na základe zvolených fotografií potom softvér automaticky spracuje letovú dráhu z ktorých boli zábery nasnímané – to vidíme na obrázku č. 2.
Obrázok 1: Rotunda v Bíni na jednom zo snímkou získaných DJI Phantom
Ako je vidieť, konkrétne fotozábery môžu mať červené, modré a zelené bodové sfarbenie. Zelené body predstavujú reálne použité zábery na tvorbu modelu a často sú prepočítané z pôvodnej pozície – modrá farba. Ilustrujme aspoň dva prípady. Na obrázku č. 3 v ľavo (konkrétne zvolený bod bledozelený) je pohľad na rotundu obsahujúci niekoľko bodov (tmavožltých), ktoré sa objavujú aj na iných záberoch. Softvér tieto body dokázal rozoznať a na viacerých záberoch spojiť. Tým sme využili pohľad na jeden bod modelu z viacerých perspektív, čo už umožňuje aj 3D modelovanie. Červené
Obrázok 2: Dráha UAV a získané zábery
spojiteľných bodov. Tieto sa na tvorbe modelu neuplatňujú (konkrétne bledočervený bod na obrázku č. 3 v pravo). Výsledkom ďalšieho spracovania sú tzv. Tie-points – obrázok č. 4. Tie points ešte nepredstavujú mračno bodov. Poskytujú však prvý pohľad na model. Ak je to potrebné, snímky, ktoré boli nespárované – teda červené snímky, môžeme v tomto kroku manuálne pridať.
To vykonáme manuálnym označením a pripojením konkrétnych bodov na snímke s bodmi na ostatných snímkach.
Obrázok 4: Manuálne pridanie bodov
3 VÝSLEDKY PRÁCE
Následným spracovaním získame mračno bodov (obrázok č. 5 v ľavo) a vytvorený model (obrázok č. 5 v pravo). Často sa môžeme stretnúť s tým, že vytvorený model nie je hodnoverným obrazom reality ale obsahuje viacero chýb a nepresností. Tieto musíme následným, ale už manuálnym spracovaním odstrániť a opraviť manuálnym pridaním bodov a rezom nevhodných častí modelu.
Takýto príklad ilustruje aj už spomínaný obrázok č. 5 v pravo.
Obrázok 3: Spracovanie fotozáberov
Obrázok 5: Mračno bodov (vľavo) a hotový model (vpravo)
Na kvalitu modelu veľmi vplýva počet fotografií z ktorých je model zostavený, kvalita fotografií ale aj prekrytie medzi jednotlivými zábermi ktoré by malo byť čo možno najlepšie. Zo skúseností môžeme tvrdiť, že prekrytie fotografií 2/3 je dostatočné, ale my volíme radšej 3/4. Na nasledovnom obrázku uvádzame už relatívne dostatočne kvalitný model rotundy po manuálnych úpravách.
3.1 Možnosti využitia vo výchovno-vzdelávacom procese
Môžeme konštatovať, že dané postupy sú rovnako dobre aplikovateľné na základných, ale hlavne na stredných školách. V súčasnosti už asi ťažko dokážeme vylúčiť prvky IKT z výchovno-vzdelávacie procesu a každodenného života. To by vôbec nebolo správne, ale práve tieto prvky umožňujú aj ich využitie v oblasti ochrany kultúrneho dedičstva. Nakoľko získanie fotografií zo zeme nie je problém (telefóny, tablety, …) a ani softvérové vybavenie nie je finančne náročné, teda aj implementácia do vyučovacieho procesu je lacná ale pritom efektívna. Pod efektivitou rozumieme najmä zvýšenie aktivity nielen introvertných žiakov, ktorí sa môžu viacej prejaviť, ale hlavne všetkých, ktorí majú pozitívny vzťah k informatike. Tieto postupy taktiež môžu byť vhodné pre žiakov ktorý majú vizuálno-neverbálny učebný štýl, ale aj ako postupy projektového vyučovania (intuitívnosť, pokus-omyl, …).
Pri praktickej implementácii do vyučovacieho procesu pravdepodobne bude za potreba aspoň troch hodín informatiky. Na prvej hodine si žiaci predpripravia a upravia fotografie. Vyselektujú zlé a nepoužiteľné fotozábery. Časovo tento krok môže zabrať 20–30 min. Ku koncu hodiny si šikovnejší žiaci môžu vyskúšať aj softvér Pix4D, napr. prípravu rýchleho modelu z niekoľkých málo desiatok záberov, ktorý softvér stihne vygenerovať do konca hodiny. Na druhej hodine dôjde k tvorbe modelu.
Pod vedením učiteľa si žiaci môžu vyskúšať tvorbu modelu z kvalitných aj nekvalitných fotozáberov.
Obrázok 6: Model rotundy po úpravách
pomocou tie points-ov orežú nepotrebné časti a znova dajú vygenerovať model. Precíznym prístupom vznikne aj precízny model.
Základom sú fotografie, z ktorých sa model bude vytvárať. Stredoškolskí žiaci pod dohľadom dospelého môžu získať fotografie aj z dronov, ktoré sa dajú voľne kúpiť. Tak môže dostať zmysel aj
„bezcielné“ lietanie po sídlisku. Musíme však apelovať na dodržiavanie právnych predpisov.
4 ZÁVER
Tvorba 3D modelov aj vďaka rozšíreniu UAV sa stala veľmi populárnou. Má však aj svoje nezastupiteľné miesto v ochrane kultúrneho dedičstva, najmä v dnešných časoch, kedy mnohé historické, či už sakrálne alebo iné pamiatky chátrajú a nenávratne sa strácajú budúcim generáciám.
Práve tvorbou modelov takýchto pamiatok môžeme prispieť k ich uchovaniu ale aj ich výskumu formou, ktorá bez abrazívnych prístupov nie je možná. Môžeme spomenúť napr. meranie hrúbky stien, rozmerov, objemov a pod.
5 PODAKOVANIE
Článok vznikol za pomoci projektu KEGA: 012TTU-4/2018 – Interaktívne animačno-simulačné modely vo vzdelávaní.
6 BIBLIOGRAFICKÉ ODKAZY
[1] BINA – ROTUNDA. Apsida.sk. 2019. [on-line] ⟨http://apsida.sk/c/1857/bina- rotunda⟩.
[2] FOTOGRAMETRICKÝ SOFTVER PIX4DMAPPER PRO. geopriestor.sk. 2019. [online]
⟨https://www.geopriestor.sk/ produkt/fotogrametricky-softver- pix4dmapper- pro/⟩.
[3] FRAŠTIA, M: Fotogrametria v mapovaní, stavebníctve, urbanizme a priemysle. 2019. [online]
⟨https:// www.kgk.sk/fileadmin/templates/downloads/Zborn% C3%ADk _refer%C3%A1tov_ku_KS_z_IG/10_Frastia.pdf⟩.
[4] TRHAN, O – FRAŠTIA, M.: Skúsenosti zo spracovania údajov v aplikáciách Photoscan a UAS Master. In: Technológie priestorového modelovania krajiny a objektov – prístupy a aplikácie.
2014. Bratislava. [on-line] ⟨https:// is.stuba.sk/vv/pub_priloha.pl?id=294014⟩.