3D-modeling of Norrköping

(1)

Department of Science and Technology Institutionen för teknik och naturvetenskap Linköping University Linköpings Universitet

SE-601 74 Norrköping, Sweden 601 74 Norrköping

LITH-ITN-EX--07/030--SE

3D-modellering av Norrköping

Chieu Vinh Chau

2007-11-28

(2)

LITH-ITN-EX--07/030--SE

3D-modellering av Norrköping

Examensarbete utfört i byggvisualisering

vid Tekniska Högskolan vid

Linköpings unversitet

Chieu Vinh Chau

Handledare Michael Pääbo

Handledare Patrik Hermansson

Handledare Pär Nilsson

Examinator Mikael Jern

Norrköping 2007-11-28

(3)

Upphovsrätt

Detta dokument hålls tillgängligt på Internet – eller dess framtida ersättare –

under en längre tid från publiceringsdatum under förutsättning att inga

extra-ordinära omständigheter uppstår.

Tillgång till dokumentet innebär tillstånd för var och en att läsa, ladda ner,

skriva ut enstaka kopior för enskilt bruk och att använda det oförändrat för

ickekommersiell forskning och för undervisning. Överföring av upphovsrätten

vid en senare tidpunkt kan inte upphäva detta tillstånd. All annan användning av

dokumentet kräver upphovsmannens medgivande. För att garantera äktheten,

säkerheten och tillgängligheten finns det lösningar av teknisk och administrativ

art.

Upphovsmannens ideella rätt innefattar rätt att bli nämnd som upphovsman i

den omfattning som god sed kräver vid användning av dokumentet på ovan

beskrivna sätt samt skydd mot att dokumentet ändras eller presenteras i sådan

form eller i sådant sammanhang som är kränkande för upphovsmannens litterära

eller konstnärliga anseende eller egenart.

För ytterligare information om Linköping University Electronic Press se

förlagets hemsida

http://www.ep.liu.se/

Copyright

The publishers will keep this document online on the Internet - or its possible

replacement - for a considerable time from the date of publication barring

exceptional circumstances.

The online availability of the document implies a permanent permission for

anyone to read, to download, to print out single copies for your own use and to

use it unchanged for any non-commercial research and educational purpose.

Subsequent transfers of copyright cannot revoke this permission. All other uses

of the document are conditional on the consent of the copyright owner. The

publisher has taken technical and administrative measures to assure authenticity,

security and accessibility.

According to intellectual property law the author has the right to be

mentioned when his/her work is accessed as described above and to be protected

against infringement.

For additional information about the Linköping University Electronic Press

and its procedures for publication and for assurance of document integrity,

please refer to its WWW home page:

http://www.ep.liu.se/

(4)

EXAMENSARBETE den 28 november 2007 Skriven av: Chieu-Vinh Chau Linköpings universitet, Campus Norrköping

3D-modellering av Norrköping

(5)

1

3D -m od el ler in g av N or rk öp in g | 2 0 0 7 -11 -28

3D-modellering av Norrköping

3D-modeling of Norrköping

Förord

Detta examensarbete har utförts på FOI, Totalförsvarets forskningsinstitut vid

avdelningen för sensorteknik i Linköping under sommaren och hösten 2007. Arbetet bestod av att ta fram en texturerad 3D-modell av ett kvarter i Norrköping.

Jag vill passa på att tacka personalen på FOI som har varit vänliga och hjälpt mig med all material och resurser som krävts för att genomföra arbetet.

Ett speciellt tack till:

Patrik Hermansson FOI, Institutionen för Sensorvärdering

Michael Pääbo Linköpings universitet, ITN Norrköping

Pär Nilsson FOI, Institutionen för Optroniksystem

Nils Karlsson FOI, Institutionen för Radarsystem

Tomas Chevalier FOI, Institutionen för Sensorinformatik

Gustav Tolt FOI, Institutionen för Sensorinformatik

Roland Lindell FOI, Institutionen för Optroniksystem

Zeynep Ahmet Linköpings universitet

David Tran Linköpings universitet

(6)

2 Abstract

The interest for a detailed and high solution city model has been large within the project ”Optical signature analysis” at the department for Sensor Technology in FOI, Linköping. Thus, a textured 3D-model over Norrköping is needed, which later can be imported into simulation software to study optical signature in urban environment.

The aim with this thesis work is to be able to use the result as a multi-used 3D-model within applications of the Swedish defence force for future usage. It is important to have a realistic representation of the environment so that the exercises can be planned and analyzed at the current position.

For the final result to be as good as possible, the thesis work has been concentrated and limited into a smaller area, i.e. the quarter of Svärdet at Nya torget. Thereafter the thesis work has been divided into different stages: photographing, laser measurement,

photomontage, modeling and texturing.

One of the most important and extensive stages is to make the high solution and detailed texture pictures with photomontage. These pictures are first created with

photographing and then be performed into panorama pictures. Further, the thesis work has been performed with suitable software, such as 3ds Max and Photoshop CS.

The finished 3D-model will be supplied as a 3ds-file and max-file, where the textured pictures from the model have been moved into a folder to facilitate future works, for example in classification of texture-pictures.

(7)

3 Sammanfattning

Intresset för en detaljerad och högupplöst stadsmodell har varit stort inom projektet ”Optisk signatur analys” på avdelningen för sensorteknik vid FOI, Linköping. Därmed behövs en texturerad 3D-modell över Norrköping som senare kan importeras i ett simuleringsprogram för att studera optiska signaturer i urban miljö.

Syftet med detta examensarbete är att kunna använda resultatet som en mångutnyttjad 3D-modell inom försvarsmaktens applikationer för framtida användning. Inom militär utbildning och träning är det viktigt att få en verklighetstrogen representation av omgivningen så att övningarna kan planeras och analyseras på plats.

För att slutresultat ska bli så bra som möjligt har arbetet koncentrerats och begränsats till ett mindre område, nämligen kvarter Svärdet vid Nya torget. Därefter har arbetet delats in i olika etapper: fotografering, lasermätning, fotomontage, modellering och texturering.

En av de viktigaste och mest omfattande etapperna är fotomontage på de högupplösta och detaljrika texturbilderna. Dessa bilder framställs med hjälp av fotografering som sedan sammanfogas till panoramabilder. Vidare utförs arbetet med lämpliga hjälpmedel, såsom 3ds Max och Photoshop CS.

Den färdiga 3D-modellen levereras som en 3ds-fil och en max-fil, där texturbilder från modellen har samlats ihop i en mapp för att underlätta framtida arbete, exempelvis vid klassificering av texturbilder.

(8)

4 Innehållsförteckning

1.INLEDNING ... 6 1.1BAKGRUND ... 6 1.1.1OM FOI ... 6 1.1.2OM PROJEKTET... 6 1.2MÅL ... 7 1.3AVGRÄNSNINGAR ... 7 1.4METOD ... 8 1.5KÄLLOR ... 8 2.HÖGUPPLÖST STADSMODELL ... 9 2.1DATAINSAMLING ... 9

2.1.1DATA FRÅN NORRKÖPINGS KOMMUN ... 9

2.1.2DATA FRÅN FLYGBUREN LASERSKANNING ... 11

2.1.3DATA FRÅN BÄRBAR LASERAVSTÅNDSMÄTARE ... 11

3.METODBESKRIVNING ... 12

3.1FOTOGRAFERING ... 12

3.2FOTOMONTAGE ... 13

3.2.1KORRIGERING ... 13

3.2.2RETUSCHERING ... 15

3.2.3BORTTAGNING AV OÖNSKADE OBJEKT ... 16

3.2.4SAMMANFOGA BILDER TILL PANORAMA ... 17

3.3MODELLERING ... 19

3.3.1MODELLERING AV BYGGNADER ... 21

3.4TEXTURERING ... 22

4.RESULTAT OCH FRAMTIDA ARBETE ... 24

4.1RESULTAT ... 24

4.2FRAMTIDA ARBETE ... 25

4.2.1CAMEO-SIM ... 25

5.DISKUSSION OCH SLUTSATSER ... 26

5.1DISKUSSION ... 26 5.2SLUTSATSER ... 26 6.REFERENSER ... 28 6.1LITTERATUR... 28 6.2ELEKTRONISKA ... 28 6.3PERSONLIG KOMMUNIKATION: ... 28

(9)

5 Figurförteckning

FIGUR 1 –FORSKNINGSENHETER VID FOI ... 6

FIGUR 2 – REKONSTRUERADE BYGGNADER FRÅN LASERSKANNING ... 7

FIGUR 3 –KARTA ÖVER CENTRALA NORRKÖPING ... 6

FIGUR 4 –FLYGFOTO ÖVER KVARTER SVÄRDET ... 6

FIGUR 5 –3D-MODELLER ANVÄNDS SOM STÖD FÖR GENOMFÖRANDE AV INSATSER... 8

FIGUR 6 –FLYGFOTO ÖVER CENTRALA NORRKÖPING... 9

FIGUR 7 –CAD-RITNING MED FASTIGHETSNUMMER, KVARTER- OCH FÖRSAMLINGSNAMN ... 9

FIGUR 8 – FLYGBUREN LASERSKANNING ... 10

FIGUR 9 –BÄRBAR LASERAVSTÅNDSLÄSARE ... 10

FIGUR 10–VIDVINKELOBJEKTIV OCH VIDVINKELKONVERTER ... 11

FIGUR 11–REFERENSLINJE MED AUTOMATISK BILDROTERING FUNKTION ... 12

FIGUR 12– STÖDLINJER ANVÄNDS VID ”STRETCHING” ... 13

FIGUR 13– FUNKTION KNIPNING ... 13

FIGUR 14–DEN UPPRÄTTADE BILDEN ... 14

FIGUR 15–FÖRE OCH EFTER KORRIGERING ... 14

FIGUR 16–FUNKTION LUDDMARKERING ... 15

FIGUR 17–BORTTAGNING AV SMÅ OÖNSKADE OBJEKT ... 15

FIGUR 18–BORTTAGNING AV STORA OÖNSKADE OBJEKT ... 16

FIGUR 19–PANORAMA-BILD ... 16

FIGUR 20–AUTOMATISKT PANORAMA MED PHOTOMERGE ... 17

FIGUR 21–MANUELLT SAMMANFOGNING AV PANORAMA ... 17

FIGUR 22–FUNKTION MATCHA FÄRG ... 18

FIGUR 23–DEN BEFINTLIGA STADSMODELLEN ... 18

FIGUR 24–DE KONVERTERADE BYGGNADER VISAS I NORMALT OCH I POLYGONLÄGE ... 19

FIGUR 25–DET VALDA KVARTERET I OLIKA VISNINGSLÄGEN ... 19

FIGUR 26–BYGGNADER I FORM AV BOXAR ... 20

FIGUR 27–HÖJDDATA I RSIENVI4.3 ... 21

FIGUR 28–TAK-MODELLER ... 24

FIGUR 29–FUNKTION MULTI/SUB-OBJEKT ... 22

FIGUR 30–TEXTURERING MED FUNKTION UNWRAP UVW ... 22

FIGUR 31–KVARTER SVÄRDET I OLIKA VYER ... 23

(10)

6 1. Inledning

1.1 Bakgrund 1.1.1 Om FOI

FOI, Totalförsvarets Forskningsinstitut, är den ledande leverantören av försvar, säkerhet och teknikforskning i Sverige. Deras verksamhetsidé är forskning, metod- och

teknikutveckling samt utredning till nytta för försvar och säkerhet. FOI består av 7 forskningsenheter (se Figur 1) och sysselsätter mer än 800 forskare och tekniker på akademisk nivå.1

FIGUR 1–FORSKNINGSENHETER VI D FOI

1.1.2 Om projektet

Just nu pågår ett projekt som kallas ”optisk signatur analys” på avdelningen för sensorteknik. Där vill man ta fram en texturerad 3D-modell av Norrköping som sedan kan användas i simuleringsmjukvara för att studera optiska signaturer i urban miljö. För modelleringsarbetet har man valt att tilldela uppgiften till en utomstående person. Arbetet går ut på att 3D-modellera och texturera2_{ett område inom Norrköping utifrån}

FOI:s filarkiv, som består av ett antal skannade objekt från helikopter (se Figur 2). För att slutresultatet skall kunna utnyttjas inom avdelningen, är det viktigt att filformaten för geometrin ska vara kompatibla med andra visualiserings- respektive

modelleringsprogram inom institutet. Detaljnivån på det valda området är beroende av tidsåtgången för examensarbetet.

1_{http://www.foi.se}_{, FOI:s officiella hemsida, 2007-06-20} 2_{En yta ges ett utseende i form av en bild.}

(11)

7

FIGUR 2– REKONSTRUERADE BYGGN ADER FRÅN LASERSKANNING3

1.2 Mål

Målet med detta examensarbete är att:

1. Förbättra geometrin hos ett antal objekt.

2. Ta fram texturbilder för ett visst område (byggnader o.d.). 3. Textursätta geometrin.

1.3 Avgränsningar

Detta examensarbete är från början anpassat för minst två studenter. Med anledning av detta har jag avgränsat och koncentrerat arbetet kring kvarter Svärdet vid Nya torget (se Figur 3 och 4). På så sätt kan jag ägna mer tid åt fotomontagearbete och göra en tilltalande modell.

FIGUR 3–KARTA ÖVER CENTRALA NORRKÖPING

3_{Simon Ahlberg, Magnus Elmqvist, Åsa Persson, Ulf Söderman (2003), Metoder för framställning av högupplösta syntetiska}

omgivningar/omvärldsmodeller för sensorsimulering, Linköping, FOI

(12)

8

3D -m od el ler in g av N or rk öp in g | 2 0 0 7 -11 -28 1.4 Metod

Första steget i arbetet är att avgöra vilket område och kvarter som skall modelleras. Efter ett antal förslag bestäms att arbetet ska koncentreras kring kvarter Svärdet vid Nya torget. Detta beslut fattas i samråd med Patrik Hermansson och hans kollegor. Nästa steg är insamling av relevant material som kan bearbetas och analyseras. Materialet tas fram dels genom ett antal intervjuer och möten med anställda inom institutionen, och dels genom mätningar och utredningar på plats. Därefter sker insamling av texturer med hjälp av en digitalsystemkamera. Vidare ska arbetet utföras med stöd av visualiserings- och redigeringsverktyg. Lämpliga verktyg i detta fall är 3ds Max och Photoshop CS. Dessa verktyg används för modellering respektive

bildredigering.

1.5 Källor

För att få ett bra resultat har jag gjort ett antal studiebesök på Nya Torget. Där jag har tagit flera bilder för att få en överblick över området.

Under en tidigare kurs, Visualiseringsprojekt, har jag fått flertalet användbara bilder och ritningar från Norrköpings kommun. De har varit till stor hjälp vid modelleringsarbetet. Vid framställning av texturer har jag främst använt boken Photoshop CS2 för

digitalfotografer för att lära mig korrigering, redigering, skärpa, retuschering och

sammanfogning av bilder till panorama på ett professionellt sätt.

(13)

9 2. Högupplöst stadsmodell

Inom Försvarsmakten har den högupplösta stadsmodellen en mängd olika

användningsområden. Där de har delats in i fem huvudområden för simulering, såsom forskning och teknikutveckling, analys och studier, systemutveckling och

materialanskaffning, utbildning och träning samt ledning och planering.

Intresset för en mer detaljerad och högupplöst stadsmodell i centrala Norrköping har alltid varit stort vid FOI. Det beror på att de flesta militärövningarna brukar utföras där och kommer att öka framöver. Inom militär utbildning och träning är det viktigt att få en verklighetstrogen representation av omgivningen så att övningarna kan planeras och analyseras i förväg. Därmed visar modellen hur omgivningen kan påverkas av ett beslut eller beteende.

FIGUR 5–3D-MODELLER ANVÄNDS SOM STÖD FÖR GENOMFÖRANDE AV INSATSER4

För att lyckas med den nya stadsmodellen måste nya och mer detaljerade underlag tas fram, där ett av de viktigaste underlagen är de högupplösta och detaljrika

texturbilderna. Dessa framställs med hjälp av fotografering och fotomontage som sedan läggs ihop till panoramabilder.

2.1 Datainsamling

För att kunna genomföra arbetet är det viktigt att ha tillräckligt med grunddata, så som höjd, längd och bredd av specifika byggnader. Inom det här projektet har grunddata hämtats från GIS, flygfotografering, flygburen laserskanning och laseravståndsmätare. 2.1.1 Data från Norrköpings kommun

Från en tidigare kurs, Visualiseringsprojekt, har jag kommit i kontakt med Norrköpings kommun och tagit del av deras flygfoton och CAD-ritningar över en utvald del av centrala Norrköping.

(14)

10

Flygfoton används i detta fall som ett komplement till CAD-ritningar och övriga data som man kan referera till. Flygfoton ger även en bra översikt över valda områden (se Figur 6).

FIGUR 6–FLYGFOTO ÖVER CENTRALA NORRKÖPING

CAD-ritningar ger möjlighet att se t.ex. fastighetsnummer, kvarters- och

församlingsnamn. Dessa data underlättar modelleringsarbetet och ger samtidigt bättre överblick på alla byggnader, som i sin tur leder till ett strukturerat arbete (se Figur 7). Problemet med de befintliga CAD-ritningarna är att de täcker endast en liten del av Norrköping och inte det område som behandlas. Men efter samråd med Birgitta Rydström och Magnus G. Johansson från GIS-enheten har jag slutligen fått tag på de ritningar som behövs i dwg-filformat.

(15)

11

2.1.2 Data från flyg buren laserskanning5

Inom ett tidigare projekt vid FOI har höjddatainsamling skett med användning av flygburen laserskanning och flygfotografering. Där höjddata från laserskanningen används senare i detta arbete för modellering av byggnader.

Flygburen laserskanning är ett lasermätningssystem som består av en

laseravståndsmätare och en skanner. I detta fall har laseravståndsmätaren använts för att fastställa höjder. Under flygfarkostens färdriktning bildas ett sicksackmönster av lasermätningspunkter. Avståndet mellan systemet och den punkt i terrängen där laserpulsen reflekteras med beräknas av laseravståndsmätaren (se Figur 8). Med hjälp av en GPS-mottagare och ett tröghetsnavigeringssystem kan position och orientering av riktningen fastställas.

Vissa avvikelser på höjddata vid mätningarna kan förekomma då den avgörande faktorn är reflektionsegenskaper hos material och ytor i terräng och på andra objekt. I många fall kan släta och skinnande ytor orsaka problem eftersom laserpulsen inte alltid träffar ytorna med rät vinkel mot ytans plan.

FIGUR 8–FLYGBUREN LASERSKANNING

2.1.3 Data från bärbar laseravstånds mätare

Då data från den befintliga stadsmodellen avviker för mycket från verkligheten har bärbar laseravståndsmätaren används för att bestämma längden på varje enskild byggnad (se Figur 9), där längden är detsamma som avståndet mellan mätaren och målet. I detta fall har ett vitt papper använts som ett mål och hålls uppe av en medhjälpare.

FIGUR 9–BÄRBAR LASERAVSTÅNDSMÄTARE6

omgivningar/omvärldsmodeller för sensorsimulering, Linköping, FOI

(16)

12

Genom att rikta in mätaren via det inbyggda rödpunktssiktet och tryck på knappen erhåller man ett värde från skärmen. Rödpunktssiktet är en pulsad laserdiod med IR ljus som går från mätaren till pappret. Resultatvärdet antecknas senare på den utskrivna CAD-ritningen och samma procedur genomförs för resterande byggnader.

Dock klarar mätaren inte av att mäta ett avstånd som är närmare än 4 m och resultatvärdet har en avvikelse på ± 1 meter.

3. Metodbeskrivning

3.1 Fotografering

Med hjälp av ett professionellt stativ har fotograferingsarbetet underlättats betydligt. Fördelar med stativet är att kameran kan roteras 360° horisontellt och vertikalt. Utöver detta kan stativet även justeras till önskad höjd, upp till 2 m. Dessa funktioner bidrar till möjligheten att utföra automatisk panorama med Photomerge som beskrivs senare under rubrik ”Sammanfoga bilder till panorama”. Nackdelar med stativet är tyngden och klumpigheten, varför det krävs en medhjälpare under fotograferingsarbetet vid

förflyttning av stativet.

Under fotografering är det viktigt att undvika alla oönskade objekt som står framför fasader, såsom fordon, människor och ev. träd. Fordon och människor kan undvikas genom att flytta fotograferingsarbetet till en annan tidpunkt där området är mindre trafikerat. Däremot kan träd endast undvikas genom att fotografera fasader i en annan vinkel.

I många fall blir det problematiskt vid fotografering av höga byggnader, där gator är trånga och kamerans objektiv är begränsad. Fotograferingen delas upp i tre delar för att kunna fånga hela byggnaden. Detta innebär att nedre delen av fasaden fotograferas först, sedan mittersta och slutligen översta delen. Med hjälp av denna metod kan bilderna sammanfogas vertikalt i efterhand.

Fotograferingen kan även förbättras med hjälp av en vidvinkelobjektiv eller en vidvinkelkonverter (se Figur 10).

FIGUR 10–VIDVINKELOBJEKTIV OCH VIDVINKELKONVERTER7

(17)

13

3D -m od el ler in g av N or rk öp in g | 2 0 0 7 -11 -28 3.2 Fotomontage8

Fotomontage innebär en sammansatt bild gjord av kopior från olika fragment av fotografier. För att städa upp ”stökiga” och oskarpa motiv har Photoshop CS2 använts som bildbehandlingsprogram. Programmet gör det möjligt att kunna korrigera, matcha färger, ställa in skärpa, retuschera och slutligen sammanfoga bilderna till ett panorama. 3.2.1 Korrigering

Trots en flitig användning av stativet kan bilderna ändå bli sneda. Detta beror på

underlaget, och i detta fall marklutningen. Med hjälp av några enkla steg i Photoshop kan bilderna rätas till.

Först ritas en rak linje och används som referens. Därefter mäter programmet lutningen på linjen automatiskt och anger hur stor vinkel bilden behöver roteras, antingen

medsols eller motsols (se Figur 11).

FIGUR 11–REFERENSLINJE MED AUTOMATISK BILDROTERING FUNKTI ON

Med hjälp av en perspektivfunktion i beskärningsverktyget kan bilden ”stretchas” efter stödlinjerna och blir korrekt upprättad (se Figur 12).

(18)

14

FIGUR 12–STÖDLINJER ANVÄNDS VID ”STRETCHING”

Om byggnader ser ”runda” eller ”uppsvällda” ut efter dessa justeringar kan bilden ”plattas till” med funktion Knipning (se Figur 13).

FIGUR 13–FUNKTION KNIPNING

(19)

15

FIGUR 14–DEN UPPRÄTADE BILDEN

Ett annat problem är perspektivfel vid fotografering av höga byggnader, där det inte finns möjlighet att hålla kameran rätvinklig pga. höjden. Tack vare stödlinjer ser man hur byggnaden lutar för att sedan räta till den (se Figur 15). Jag börjar med att ”lägga ut” horisontella stödlinjer, därefter försöker jag dra ut kanterna på byggnaden och låta den hamna i samma nivå som stödlinjen. Samma procedur utförs med de vertikala

stödlinjerna.

FIGUR 15–FÖRE OCH EFTER KORRIGERING

3.2.2 Retuschering

Vid borttagning av störande objekt ska man ta hänsyn till kanter vid kloning, då de skarpa kanterna annars avslöjar överlappningar. Det är därför oumbärligt att förbättra detaljer på bilder för att resultatet ska bli så realistiskt som möjligt. Detta uppnås med hjälp av funktion luddmarkering som läggs på de klonade områdena. Luddet gör att det klonade området lättare smälter in i bilden (se Figur 16).

(20)

16

FIGUR 16–FUNKTION LUDDMARKERING

3.2.3 Borttagning av oönskade objekt

Vid fotografering är det svårt att undvika alla oönskade objekt som står framför fasaderna. Exempelvis bilar, människor, vegetation etc. Det brukar förekomma något oönskat objekt som förstör fasadbilderna. Därför är det enklare och tidseffektivt att göra jobbet efter fotografering.

Den vanligaste metoden för bortagning av oönskade objekt är att klona bort objekten. Det innebär att man kopiera en del eller ”tar ett prov” från det önskade området och klona sedan bort det oönskade området (se Figur 17). Denna metod är lämpad för bortagning av små och detaljerade objekt, men är samtidigt tidskrävande.

FIGUR 17–BORTTAGNI NG AV SMÅ OÖNSKADE OBJEKT

En annan metod som är passande för borttagning av stora oönskade objekt (t.ex. bilar och träd) är överlappning. Man täcker över de störande objekten med en annan del av bilden, dvs. den önskade delen. På så sätt blir det snabbare och mer praktiskt att bli av med stora objekt, medan man behåller maximal struktur och äkthet på bilden (se Figur 18).

(21)

17

FIGUR 18–BORTTAGNI NG AV STORA OÖNSKADE OBJEKT

3.2.4 Sammanfoga bilder till panorama

Panorama är en vidsträckt bild som sammanfogas från flera närliggande tagna

fotografier (se Figur 19). I detta skede skall alla redigerade bilder sammanfogas till flera panoraman både horisontellt och vertikalt. Denna process kan utföras på två olika sätt, antingen automatiskt med funktion Photomerge eller manuellt.

FIGUR 19–PANORAMA-BILD

Photomerge är en funktion i Photoshop som har anpassats för att automatiskt

sammanfoga bilder till panoramana utan synliga övergångar. Dock kräver denna metod att stativet använts flitigt vid fotografering, samtidigt skall bilderna överlappa varandra med 20-30 %.

Därefter ska bilderna öppnas i den ordning som man vill sammanfoga dem. Om bilderna är korrekta fotograferade som ovannämnda krav så kommer Photomerge att

sammanfoga dem utan synliga övergångar. Vidare skall panoramat rätas upp, skärpas och beskäras för att ge ett bättre resultat (se Figur 20).

(22)

18

FIGUR 20–AUTOMATISKT PANORAMA MED PHOTOMERGE

I många fall blir det problematiskt vid automatiskt arrangering av alla bilder till ett enda panorama i Photomerge, då bilderna överlappar varandra mindre än toleransgränsen. Detta kan åtgärdas genom att dra resterande bilder manuellt till de redan

sammanslagna bilderna. Vidare ska alla feldetaljer suddas bort utan märkbar skillnad, då bilderna överlappar varandra. På så sätt kommer den övre bilden att tonas in utan skarpa kanter.

Att sammanfoga bilderna till panorama manuellt innebär att en lämplig arbetsyta skapas först och sedan skall de utvalda bilderna flyttas in som olika lager (se Figur 21). Vidare skall bilderna överlappa varandra med minst 20 % för att kanterna kan tonas bort med hjälp av funktion luddmarkering.

(23)

19

Då varje bild har skiftande exponering (ljushet) syns det tydligt på den sammanfogade bilden. Detta sker pga. de automatiska exponeringsinställningar på kameran som gör att minst ett av segmenten (delbild av panorama) blir mörkare eller ljusare än de övriga. Med hjälp av funktion Matcha färg kan ett önskat segment väljas ut som referens till de resterade segmenten. Genom att ställa in luminans (belysningsstorhet) och

färgintensitet på respektive segment kommer färgtonerna att matcha mer kontrollerat. Denna metod ger den sammanfogade bilden en jämnare färg och utan märkbara

”sömmar” (se Figur 22).

FIGUR 22–FUNKTION MATCHA FÄRG

3.3 Modellering

Under ett tidigare projekt vid FOI har Simon Ahlberg tillsammans med sina kollegor tagit fram en syntetisk stadsmodell av Norrköping. Där har de genomfört arbetet med hjälp av mätningar från högupplösande flygburen laserradar och rekonstruerat 3D-modeller av byggnader och markytor. Vidare har de även identifierat mark, vegetation, byggnader och separerat enskilda träd genom klassificering. Denna modell täcker dock endast en liten del av centrala Norrköping. (se Figur 23).

(24)

20

Alla filer över byggnader och vegetationer är länkade till en s.k. Master-fil. Denna fil är en scen-fil som förenar ovannämnda filer till den högupplösta stadsmodellen. Allt detta är konstruerat i Creator, som är ett avancerat 3D-program. Programmet har ett eget filformat som heter OpenFlight och har flt som ändelse.

Då jag inte har kommit i kontakt med Creator tidigare kan det bli svårt och tidskrävande att lära in ett helt nytt program. Detta innebär att alla befintliga filer måste konverteras till 3DS-filmormat för att kunna vara kompatibla i 3ds Max.

Med hjälp av Tomas Chevalier har konverteringen blivit mer tidseffektiv, då han har använt funktion Batch convert i Polytrans för att konvertera flera filer samtidigt. De konverterade filerna blir automatiskt döpta i form av slumpmässigt valda siffror och bokstäver. Detta innebär att flygfoton måste utnyttjas för att finna det valda kvarteret bland dessa filer.

Först har jag fogat samman alla byggnader tillhörande samma kvarter och sedan dolt de resterande byggnaderna som ligger utanför kvarteret. Det valda kvarteret har döpts till Svärdet efter översiktskartan från GIS-enheten. Detta för att uppnå ett mer konstruktivt arbetssätt (se Figur 24).

Vidare rensar jag bort alla överflödiga segment och polygoner. Det visar sig senare att all geometri är felaktig och avviker för mycket från verkligheten. Hela stadsmodellen är grovt modellerad och är endast lämpad för översiktlig visning (se Figur 25).

FIGUR 24– DE KONVERTERADE BYGGNADER VISAS I NORMALT OCH I POLYGONLÄGE

(25)

21

För att kunna texturera och bearbeta vidare måste detaljer förbättras mer. Det kan åtgärdas genom att modellera kvarteret manuell från grunden, medan tidigare positioner bevaras. Det innebär att befintliga byggnader modelleras över originalen i form av enkla boxar. Dessa boxar reduceras till en polygon vid varje sida för att minska filstorleken (se Figur 26).

FIGUR 26–BYGGNADER I FORM AV BOXAR

3.3.1 Modellering av byggnader

Längder på byggnader hämtas från laseravståndsläsares mätning. Dessa mått avviker med ca 1-2 m beroende på storleken på infallsvinkeln under mätningen. För att få ett mer exakt resultat behöver infallsvinkeln vara 90°. Detta kan uppnås om läsaren ställs på ett stativ.

Bredder för byggnader som ligger intill varandra är svårt att avgöra och detsamma gäller för byggnader som befinner sig i en innergård. Genom att titta på flygfoton och göra lämpliga antaganden kan man få ett acceptabelt resultat.

Takhöjder på byggnader är baserade på höjddata av Gustav Tolt på institutionen för Systemteknik vid FOI. Dessa höjddata är sparade i form av en tif-bild och öppnas med programmet RSI ENVI 4.3. Programmet gör det möjligt att kunna peka på en viss byggnad från tif-bilden och få höjdmått för respektive byggnad. Värdena antecknas senare på utskrivna flygfoton (se Figur 27).

(26)

22

FIGUR 27–HÖJDDATA I RSIENVI4.3

Därefter modelleras vissa takgeometrin mer detaljerat för att de resterande takgeometri inte skall kännas ”påklistrade” med alla texturbilder (se Figur 28).

FIGUR 28–TAK-MODELLER

3.4 Texturering

När ovannämnda steg har utförts är det dags för texturering av byggnader. Texturering är det viktigaste arbetsmomentet i det här projektet, eftersom det ger byggnader ett realistiskt utseende. Genom att använda stillbilder i jpeg-/tif-format och mappa9_{dem på}

byggnadernas ytor kan man fånga de realistiska detaljerna på kort tid vilka som annars skulle vara svåra att framställa manuellt.

Först och främst skall byggnadens sidor identifieras med olika siffror för att lättare kunna referera till valda texturer. I detta fall är byggnadskroppar modellerade som boxar, där varje box består av 6 polygoner/sidor. Därefter markeras och textureras varje enskild polygon med specifika bilder.

9_{Lägga textur på en yta}

(27)

23

Funktion Multi/Sub-Object används som Material/Mapp-val för att kunna textursätta byggnaden med olika texturer under samma Material/Mapp. Vidare skall texturerna läggas in efter polygonernas ID-nummer hos byggnaden. Där varje enskilt ID-material ges ett unikt namn i form av en stor bokstav, t.ex. F för framsida och B för baksida (se Figur 29).

FIGUR 29–FUNKTION MULTI/SUB-OBJECT

Vidare läggs en Unwrap UVW mapp för att formen på de valda texturerna ska kunna bearbetas. Detta innebär att fasaddelen i texturen sträcks ut och formas efter

polygonens form (se Figur 30). Därefter upprepas proceduren för resterande

sidor/polygoner enligt beskriven metod. En svårighet med funktion Unwrap UVW är att matcha texturbilden med närliggande texturbilder, som t ex. vid sammanfogning av fönster och tak.

(28)

24 4. Resultat och framtida arbete

4.1 Resultat

Målet för detta examensarbete har uppnåtts och resulterat i ett utförligt arbete med avseende på tidigare formulerade önskemål från FOI. Geometrin från laserskanningen har även rekonstruerats för att textursättas, vilket anses har lyckats bra.

Arbetet har resulterat i en texturerad 3D-modell som representerar kvarteret Svärdet beläget vid Nya torget i Norrköping, där texturbilder från modellen består av en serie av stillbilder som har redigerats i Photoshop (se Figur 31).

Omgivningar runt modellen är ursprungliga byggnader, träd och marknivåer från laserskanningen. Dessa modeller är orörda förutom byggnader inom kvarter Svärdet. Dessutom har texturbilder för innergården hämtats från framsidan av respektive byggnad. Ett antal detaljerade trädmodeller från 3ds Max har även placerats in i innergården för att ge en bättre visualisering. Samtidigt har flygfoton använts som texturbild till marken.

Den slutliga 3D-modellen blir knappt 35 MB och har sparats som en 3ds-fil och en max-fil, där filerna kan öppnas med 3ds Max respektive Creator. Dessutom har texturbilder från modellen flyttats och samlats ihop till en enda mapp för att underlätta framtida arbete, vid exempelvis klassificering av texturbilder.

Slutresultatet kommer att presenteras i form av en PowerPoint presentation vid

framläggningen av examensarbetet och ett seminarium vid FOI. Eventuellt skall en kort animation framställas och presenteras som en filmsnutt i mån av tid.

(29)

25

3D -m od el ler in g av N or rk öp in g | 2 0 0 7 -11 -28 4.2 Framtida arbete

Framtida arbete består av att förbättra nuvarande modell och fortsätta med de

resterande kvarteren. Detta sker genom att olika typer av fönsterkupor och takdetaljer modelleras in och textureras på nytt. Detsamma gäller för marknivåer, vägar, vattendrag och växlighet. Nya texturbilder för innergården kommer även att tas fram vid behov. I dagens läge pågår ett examensarbete vid en annan institution, där studenter försöker ta fram olika modeller och texturer för taken med hjälp av laserskanning. Det innebär att takmodellerna kan konverteras och importeras till den befintliga stadsmodellen i

framtiden. På så sätt kommer modelleringsarbetet att bli mer tidseffektivt. 4.2.1 CAMEO-SIM

I det fortsatta arbetet kommer CAMEO-SIM att användas för klassificering av material i texturbilder. CAMEO-SIM är ett fysikaliskt baserat scensimuleringsprogram som är utvecklat för noggranna scensimuleringar både visuellt och i infrarött. Det är en världsledande datorapplikation som är utvecklad av InSys ltd. och är speciellt gjort för försvarsmaktens system. Med hjälp av matematiska teorier och fysikaliska egenskaper beräknar programmet de visuella texturerna och simulerar därefter dessa till olika material, t ex. glas, betong, träd etc.

Klassificering av material sker genom att ett område i texturbilden manuellt markeras och döps till ett materialnamn, exempelvis betong. Därefter kommer programmet att automatiskt omvandla alla områden som har liknande färger till betong. Dock kan det bli problematiskt om texturbilden har spegelbilder på glasytor, för då kommer programmet att tolka glaspartiet som en betongyta (se Figur 32). Det beror på att texturbilden

kommer från ett vanligt fotografi från början.

FIGUR 32–SPEGELBILDER PÅ GLASYTOR

Av den orsaken bör alla fönster och speglande ytor modelleras in i de texturerade byggnaderna som enskilda objekt och klassificeras som glasmaterial, där fönster och övriga speglande ytor kan grupperas i efterhand.

(30)

26 5. Diskussion och slutsatser

5.1 Diskussion

Den färdiga modellen har mött ett stort intresse hos FOI, då den kan användas som en multiutnyttjad 3D-modell. Därmed fungerar modellen som ett bra underlag för framtida simuleringsarbeten inom och utanför institutionen, då de har sett vilka metoder som använts och tidsåtgången för genomförandet. I dagsläget är det dock svårt för

institutionen att avgöra vad modellen exakt kan användas till eller om modelleringsarbetet skall fortsätta.

Under arbetsgång har jag stött på problem vid sammanfogning av bilder till panorama, då bilderna inte matchade i både färg och linjer. Ett annat problem har varit höga byggnader, då det inte funnits möjlighet att fotografera uppifrån och ner. Ett alternativ är att placera kameran i en jätteballong och låta kameran ta kort i serier i ett intervall. Ett annat alternativ är att placera kameran i en bil och låta bilen rulla sakta framåt och samtidigt filma. Därefter kan man med hjälp av ett redigeringsprogram plocka ut stillbilder som ligger intill varandra och sammanfoga dem till ett panorama. För att minimera arbetstiden i det fortsatta arbetet bör detaljnivån för resterande modeller minskas, då det krävs ca 4 veckor för att framställa varje kvarter. Det tar 1 dag att fotografera och lasermäta, minst 5 dagar att korrigera bilder, minst 10 dagar att retuschera och sammanfoga bilder till panorama, minst 4 dagar att modellera och minst 10 dagar att texturera. Frågan blir hur lång tid det kommer att ta att modellera centrala Norrköping (som består av flera hundra kvarter).

En annan möjlighet är om att modellera eller texturerar automatisk med hjälp av höjddata och koordinater från laserskanning. Denna metod måste vidareutvecklas av forskarna vid FOI.

Det vore en fördel att lägga in den högupplösta modellen i en GPS-karta i framtiden. På så sätt skulle förare kunna referera till en specifik byggnad utifrån dess utseende istället för lokalisering om stödet finns visuellt i GPS:en. Detta skulle underlätta för föraren att hitta en byggnad utan att veta adressen på gatan. Dessutom kan texturbilder bytas ut relativt enkelt i de fall ombyggnationer skett.

Ett annat exempel är att använda 3D-modeller till kartfunktioner vid t ex. Eniro eller Hitta.se för att få en realistisk representation av sökta objekt istället för de befintliga stillbilderna.

5.2 Slutsatser

För att arbetet skall fungera bra och bli mer tidseffektivt krävs att man utöver handledarnas hjälp också får tillgång till lämpliga programvaror och datorer.

Tillgängligheten till programvaror har varit begränsade vid institutionen då det funnits få licenser för t ex. 3ds Max. Arbetet har därför genomförts främst på egna datorer, vilket har tagit mycket mer tid än vad som egentligen behövts.

Trots detta har arbetet flutit på i bra takt mot slutet då jag har lyckats skaffa nödvändiga programvaror och datorer via skolan. Under arbetsgången har jag lagt ner mycket tid

(31)

27

och tankemöda på att lära mig funktioner i Photoshop och försökt arbeta fram så professionella resultat som möjligt, speciellt inom fotomontage.

Resultatet ser både realistiskt och trovärdigt ut, vilket av uppdragsgivaren anses har blivit bättre än väntat. Vad det gäller 3ds Max har Michael Pääbo gett tips och råd när problem har uppstått med programmet.

Tack vare många diskussioner och konstruktiv kritik från handledarna har arbetet lyckats slutföras på ett önskvärt sätt.

(32)

28 6. Referenser

6.1 Litteratur

Enligt författare (tryckår), titel, utgivningsort, förslag.

 Scott Kelby (2006), Photoshop CS2 för digitalfotografer, Sundbyberg, Pagina Förslags AB

 Simon Ahlberg, Magnus Elmqvist, Åsa Persson, Ulf Söderman (2003), Metoder för

framställning av högupplösta syntetiska omgivningar/omvärldsmodeller för sensorsimulering, Linköping, FOI

 Simon Ahlberg (2002), Verksamhetsrapportering 2002, projekt ”Syntetiska

omgivningar” och ”Sensorsimulering”, Linköping, FOI

 Claes Nelsson, Göran Forssell, Patrik Hermansson, Sten Nyberg, Andreas Persson, Rolf Persson, Stefan Sjökvist, Thomas Winzell (2005), Optical signature modelling

- Final report, Linköping, FOI

6.2 Elektroniska

 http://www.foi.se, FOI:s officiella hemsida, 2007-06-20

 http://laseroptronix.se/dispu/ldm800sv.html, Laseroptronix webbsida,

2007-10-05

 http://sv.wikipedia.org/wiki/Vidvinkelobjekttiv, Wikipedia webbsida,

2007-10-01

6.3 Personlig kommunikation:

 Patrik Hermansson, Handledare, FOI, Institutionen för Sensorvärdering

 Michael Pääbo, Handledare, PCG AB, Linköpings universitet, ITN Norrköping

 Michael Jern, Examinator, Linköpings universitet, ITN Norrköping

 Pär Nilsson, Handledare, FOI, Institutionen för Optroniksystem

 Nils Karlsson, FOI, Institutionen för Radarsystem

 Tomas Chevalier, FOI, Institutionen för Sensorinformatik

 Gustav Tolt, FOI, Institutionen för Sensorinformatik

 Roland Lindell, FOI, Institutionen för Optroniksystem

 Birgitta Rydström, Norrköpings Kommun, Stadsbyggnadskontoret, GIS-enheten

 Zeynep Ahmet, Student, Linköpings universitet