Пояснительная записка (1234696), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Сегодня существует большой выбор разновидностей лазерных сканеров, отметим основные из них: сканеры фирмы CyArk, Optech ILRIS-3D laser scanner, Leica HDS6100, RIEGL LMS-Z390i, IMAGER5006, Topcon GLS-1000, Kreon (серии AQUILON, ZEPHYR и SOLANO), ZScanner и недорогие варианты, такие как, Roland LPX-250, Minolta VI-700, David Laser Skaner, самодельный лазерный сканер на базе технологий Kinect или обыкновенных web камер с программным алгоритмом анализа изображения.
Стоит отметить, что практика современных зарубежных археологических экспедиций в большинстве случаев не обходится без лазерного сканера. Как отмечает Д.С. Коробов, «трёхмерное лазерное сканирование осуществляется при помощи специализированной и весьма дорогостоящей аппаратуры – 3D-сканеров наземного и воздушного базирования». Несмотря на дороговизну, этот способ трёхмерного моделирования получает всё большее распространение в археологии за счёт максимального приближения результатов моделирования к исходному объекту. Причём речь идёт не только о создании трёхмерных изображений археологических находок, но и участков ландшафта в окрестностях памятников, а также видов раскопов и выявленных объектов.
В качестве примеров стоит отметить исследовательские проекты компании CyArk по построению цифровой копии захоронения королей Буганды в Касуби, проект германской компании ArcTron по сканированию укреплений римского времени в Констанце, проекты Центра передовых пространственных технологий Арканзасского университета по оцифровке Мачу-Пикчу, руин римского г. Остия VII в. до н.э. и др.
1.3 Аэросъемка
Аэрофотосъёмка. Если использование географической информационной системы (ГИС) в гуманитарных исследованиях началось относительно недавно – около 20 лет назад, то история применения аэрофотосъёмки насчитывает уже более 100 лет. «Мощный толчок в развитии аэрофотосъёмки произошёл в ходе Первой мировой войны, когда всеми воюющими странами она использовалась в разведочных целях. После окончания войны активизируется применение аэрофотосъёмки в археологии, проводившейся с самолётов» [24].
В задачах виртуальной реконструкции данные аэрофотосъёмки позволяют создать трёхмерную модель ландшафта и выступить в качестве отправного материала плана территории, где фотография местности с воздуха позволяет уточнить место расположения объекта в пространстве.
В задаче построения виртуальной реконструкции, как правило, большую роль играют плановые аэрофотоснимки (vertical aerial photos), получаемые со спутников или специальных пилотируемых, или беспилотных самолётов, вертолётов, гексо-, квадро- или ортокоптеров. Пространственное разрешение снимков зависит от возможностей камеры, а также от грузоподъёмности аппарата. Беспилотные летательные аппараты (Gaui 330x, Xaircraft x650, Dragonfly X4-X8, Microcopter, Conrad Quadrocopter и др.) позволяют исследователю получать фотографии территории с любой высоты, благодаря вертикальному взлёту аппарата, его устойчивости, грузоподъёмности (до 3 кг), возможности удержания высоты по GPS и т.д.
Частным случаем использования лазерного сканирования является применение технологий Light Detection and Randing (LIDAR) – лазерного сканирования воздушного базирования, которое основано на измерениях расстояния и точной ориентации этих измерений между сенсором и отражающей поверхностью.
В качестве примера исследований по данной тематике стоит отметить работу Б. Зитлера, Л. Купальянц, Ф. Бассожа по анализу возможностей технологии LIDAR как инструмента изучения объектов культурного наследия, оценки потенциала распознавания микрорельефных структур при археологическом и ландшафтном обследовании, а также работы исследовательского центра Fondazione Bruno Kessler по лазерному сканированию рельефа Рима посредством технологии LIDAR.
Известно, что по фотографии можно вычислить некоторые геометрические характеристики реальности, которая запечатлена на фотоснимке. Более конкретно, если мы имеем снимок, снятый объективом с определенным фокусным расстоянием, и на этом снимке известна точка пересечения оси объектива с плоскостью снимка, то можно весьма точно вычислить угловые расстояния между центром снимка и любой точкой на снимке или на объекте, снятом на этом снимке. А если есть несколько фотографий, на которых некоторое изделие снято с нескольких разных точек, то по определенным алгоритмам можно вычислить взаимное положение в трехмерном пространстве различных точек изделия. Применив затем к вычисленным координатам точек в пространстве простые геометрические преобразования вращения и масштабирования и соединив вычисленные точки соответствующими линиями и плоскостями, можно в итоге получить 3D-модель изделия, а спроектировав ее на нужные плоскости, получить проекции чертежи изделия. Наука и технология восстановления 3D моделей и чертежей изделий по фотографиям называется фотограмметрией.
В конце 20 века начали появляться методы получения простых 3D-объектов типа несложного строения, с текстурой этого строения. Программы, реализующие такие методы, были не очень распространены, так как проще было собрать модель в трехмерном редакторе. Это продолжалось до 2006 – 2007 года, когда появился и вошел в широкое употребление продукт Google SketchUp, где можно самостоятельно разметить фотографию с изображением здания, загрузить еще один вид здания и уточнить по ней его форуму и расположение объектов. Относительно простым способом на выходе появляется готовый 3D-объект с текстурой достаточно плохого качества. В 2011 Auotodesk, выпустила облачный сервис под названием 123D-Catch, в этой программе по набору фотографий объекта с разных ракурсов можно получить неплохой трехмерный объект с текстурой. Примерно в то же время начали появляться программы, позволяющие использовать Web-камеру – объект вращался перед web-камерой, а программа анализировала полученные изображения и строила 3D-модель.
Можно проследить частые анонсы новых программных продуктов, примерно каждые 2-3 года, соответственно, в новых программах копятся библиотеки вида «Фото – Модель». Данный принцип напоминает обучение программ распознавания текста. Можно надеяться, что используемый принцип позволит в будущем усовершенствовать системы дополнительной реальности и автоматизировать многие процессы.
На данный момент времени для восстановления модели и чертежей существует ряд программных продуктов, которые обладают определенными недостатками, к примеру, необходимостью наличия снимков объекта с определенного ракурса, повышенными требованиями к вычислительной мощности ПК и так далее.
В 1999 году компания 3DVSystems, мировой лидер в области производства аппаратных и программных инструментов для работы с трехмерными видеоизображениями, то есть с видеофайлами в процессе, просмотра которых можно изменить угол или точку обзора, разработала видеокамеру ZCam c уникальной технологией измерения расстояния до объектов в режиме реального времени. Эта технология позволяла воспринимать и обрабатывать трехмерное изображение, будучи направленной на объект всего лишь с одной его стороны. В 2009 году Microsoft выкупил активы 3DVSystems и на базе ZCam начал разрабатываться контроллер для игровой приставки Xbox. В 2010 году Microsoft анонсировал продукт Kinect игровой контроллер, позволяющий управлять игрой с помощью жестов. Компания Artec-group производит 3D-сканеры для оцифровывания формы объекта в режиме реального времени. Такие сканеры могут применяться в медицине, производстве и тюнинге автомобилей, и создании спецэффектов в кино и играх, пример представлен на рисунке 12.
Рисунок 12 – Пример использования алгоритмов в видео играх
Данный метод имеет большое будущее, так как новые графические движки уже имеют достаточный потенциал для использования графики приближенной к фотореалистике. А значит данный метод в будущем можно использовать как вспомогательный инструмент получения данных для фотограмметрии, так как работать с трехмерными снимками и видеоизображениями гораздо удобнее, чем с обычными фотографиями.
2 ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ ТРЕХМЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
2.1 Обзор программного обеспечения для 3D-моделирования
Процесс становления технологий трёхмерного моделирования и признания его в научной среде в качестве инструментария пространственного анализа был достаточно долгим и начался еще в конце 1980-х годов в период формирования комплексов программ трёхмерного моделирования.
Одним из первых комплексных пакетов для моделирования и рендеринга был Lightwave 3D, выпущенный в 1990 г. для компьютеров серии Amiga. Программа 3Ds Max компании Autodesk, которую сейчас широко используют в своих исследованиях историки, археологи, историки архитектуры, появилась в 1996 г. Первые опыты использования трехмерных технологий в области исторической реконструкции характеризовались тесным сотрудничеством историков и технических специалистов.
До конца 1990-х гг. использование программ трёхмерного моделирования в исторических исследованиях требовало от гуманитариев или сотрудничества с техническими специалистами, или специальной подготовки. В том временном промежутке специально разработанных пакетов программ трёхмерного моделирования для историков не существовало.
В последнее время в среде компаний, специализирующихся на разработке программ по трёхмерному моделированию и «3D движков», наметилась тенденция к упрощению процесса работы, в результате система взаимодействия пользователя и программы, которая ранее осуществлялась программистом, а сейчас – через визуальный интерфейс программы, стала значительно проще. Благодаря упрощению программного инструментария и сотрудничеству гуманитариев и IT-специалистов, стало возможным использование программ трёхмерного моделирования в исторических исследованиях.
Правильный выбор программного обеспечения играет большую роль в построении виртуальной реконструкции. Сегодня можно выделить три направления программ разработки реконструкции: 2D-редакторы (графические редакторы), 3D-редакторы (трёхмерные редакторы) и «3D-движки» (3D- engines).
1. 2D-редакторы. Построение любой простейшей трёхмерной модели невозможно без использования графических редакторов, которые необходимы для обработки изображений. Полученные изображения (текстуры) служат основой для построения моделей, выступая в качестве материала для трёхмерной модели. Самыми распространёнными графическими редакторами являются программы Adobe Photoshop, Corel Draw, а также их бесплатный аналог «The GNU Image Manipulation Program» [11]. Подобные программы не являются уникальными, существует много других, менее известных графических редакторов, таких как Adobe Illustrator, Jasc Paint Shop Pro, Photo Brush и другие.
2. 3D-редакторы. Сегодня существуют разнообразные программы, которые применяются для визуализации, построения трёхмерных моделей и их обработки. Трёхмерные редакторы позволяют исследователю визуализировать реконструируемый объект, смоделировать в программной оболочке тот или иной процесс, событие; с помощью программного модуля расчета прочностных характеристик провести анализ созданной трёхмерной модели. В большинстве случаев конечный результат работы в программе трёхмерного моделирования может быть представлен широкому кругу пользователей только посредством отдельных снятых картинок реконструкции (скриншотов) или видеофрагментов.
Отметим, что большинство трёхмерных программ являются коммерческими, «обычный» пользователь для просмотра трёхмерной модели, как правило, не будет приобретать программу. Для таких пользователей существуют бесплатные программы-плееры, предназначенные для просмотра трёхмерных моделей; подобные плееры имеются для каждого формата трёхмерной модели, в частности, для формата моделей, созданных в таких программах как Autodesk Inventor или Autodesk 3D Max [12, 13] в зависимости от необходимости, либо инженерного, либо дизайнерского уклона. Также в последнее время для проектирования зданий, имея планы и схемы, часто используют программные продукты Autodesk Autocad Architecture, Revit [14, 15]. Данные продукты имеют более широкий функционал именно при проектировании в первом случае любых архитектурных сооружений, во-втором же случае более детальное проектирование конструкции непосредственно самого здания, опять-таки выбор программы зависит от конкретной цели.
Возможности программ-плееров весьма ограничены, вследствие чего большинство разработчиков виртуальных реконструкций предпочитает представлять свою работу посредством программ «трёхмерных движков», которые существенно улучшают возможности работы с трёхмерной реконструкцией. Таким образом, появляется возможность анализа трёхмерных моделей (речь идёт об анализе параметров трёхмерной модели), реконструкции процессов (событий), появляется возможность работы и просмотра восстановленной виртуальной реконструкции в реальном времени.
Все программы трёхмерных редакторов в основе имеют общую базу:
1) схожий интерфейс, включающий в себя следующие элементы и функции: готовые «примитивы», которые применяются при построении любой 3D модели (куб, цилиндр, треугольник, конус, иногда шар и т.д.), функции копирования, вставки, зеркального отражения объекта, функции освещения объекта и т.д.;
2) схожую систему построения 3D-моделей: полигональное моделирование, в которое входят Editable mesh (редактируемая поверхность) и Editable poly (редактируемый полигон). Методы моделирования могут сочетаться друг с другом. Моделирование на основе стандартных объектов, как правило, является основным методом и служит отправной точкой для создания объектов сложной структуры, что связано с использованием примитивов в сочетании друг с другом как элементарных частей составных объектов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
