Riegl - лазерные сканеры

Документирование Раннехристианских Катакомб с использованием лазерного сканера RIEGL

PDF Печать Email

Введение в проект

Исследовательский проект Domitilla - «Раннехристианские катакомбы в Риме. Археология.

Архитектура и история искусства поздних римских захоронений» с самого начала был оценен как инновационный и заманчивый с двух точек зрения: данный объект является важным историческим памятником и имеет значительные размеры. Со времени своего открытия в начале 17-го столетия, эти катакомбы постоянно притягивают внимание ученых. Однако, в связи с их обширными размерами, подземным расположением, структурной и геометрической сложностью, они весьма трудны для глобального и точного документирования и интерпретирования. С другой стороны, уже существует новая технология документирования и измерений, которая прекрасно зарекомендовала себя во многих видах съемки, от топографии и мониторинга до исполнительной съемки технологических объектов: лазерное сканирование. Несколько лет назад данная технология стала использоваться в гуманитарных науках. В археологии и, особенно в реализации проектов по съемке историко-культурных памятников, возможности данного метода по отображению внутренней структуры археологических объектов весьма многообразны и продолжают вызывать все больший интерес у специалистов.

Месторасположение катакомб

Раннехристианские катакомбы «Domitilla» расположены в местечке Ardeatina, поблизости от серии других захоронений, за пределами стен Рима. Это самые большие римские катакомбы и их протяженность до сих пор не измерена. Катакомбы функционировали на протяжении приблизительно четырех столетий, они запечатлели все типичные стадии катакомбной эволюции. Их история начинается с нескольких изолированных языческих захоронений, датируемых вторым столетием нашей эры и раннехристианскими могилами третьего и четвертого столетий. Эволюционировав, катакомбы превратились в важное для паломников святилище. Но катакомбы «Domitilla» - это не только известный памятник подземной архитектуры, в них расположена одна из самых больших в мире коллекций раннехристианской живописи. Даже спустя четыре столетия изучений и исследований, этот художественно богатый и исторически важный памятник – как и все другие римские катакомбы – не был изучен и задокументирован как единый археологический объект. И именно лазерное сканирование и методы наземной фотограмметрии способны наиболее полно решить эту задачу.  Метод лазерного сканирования предполагает получение трехмерной модели объекта в виде облака точек, в том числе окрашенного в истинный цвет. Эта технология способна полностью решить задачу документирования данного исторического памятника: исчерпывающая информация будет сохранена в виде базы данных, что поможет ученым в их исследовательской работе.

Цели исследования

Основная цель проекта «Domitilla» - создание точной и исчерпывающей документации  по архитектуре и изобразительному искусству древнеримских катакомб. Эта документация основана на данных лазерного сканирования, что предполагает ее комплексное использование при археологическом исследовании данного памятника. В результате выполнения лазерного сканирования получено два набора документации:
1. Структура катакомб определяется с использованием геометрической информации, полученной по данным сканирования (рис. 1). Эта задача, очевидно, требует значительного времени на проведение полевых работ. Получение законченной модели катакомб потребует значительных компьютерных ресурсов. По данной модели затем строятся планы интерьеров и их вертикальные сечения.

2. Частная цель состоит в составлении архивной документации по всем художественным изображениям катакомб (рис. 2). Цель состоит в получении трехмерной модели каждого отдельного художественного изображения, в его архитектурном контексте, что позволит ученым исследовать иконографию катакомб.
Геометрическая информация, полученная по данным сканирования Раннехристианские Катакомбы
Рис.1 Рис.2

Методика съемки

Катакомбы «Domitilla» могут быть классифицированы как очень большой и комплексный памятник архитектуры. Они занимают площадь порядка 300 х 300 метров, расположены на четырех уровнях, выдолбленных в известковой породе. Отдельные ярусы соединены между собой с помощью нескольких древних лестниц. Кроме того, вертикальные соединения включают в себе нерегулярную систему световых шахт. К сожалению, отдельные ярусы не вписываются в общий план. Подземные сооружения отражают скорее спонтанные земляные работы, так что общее пространственное расположение катакомб представляет собой комплексную структуру, не имеющую регулярной геометрии. Типичные интерьеры, найденные внутри катакомб, представляют собой длинные галереи, предназначенные для общих захоронений. Их общая протяженность составляет порядка 15 км. Эти галереи соединяются между собой с помощью большого количества залов, некоторые из которых отделаны штукатуркой или цветными фресками (рис. 2).

Чтобы достичь оптимального соотношения между сбором данных и выходной информацией, было решено организовать работу на катакомбах в три этапа:

1. Проведение тахеометрической съемки с целью создания опорной системы координат по всему объекту. Была развита сеть триангуляции, состоящая из тахеометрических ходов, проложенных вдоль главных коридоров. Одновременно координировались марки-отражатели, предназначенные для трансформации отдельных сканов в проектную систему координат и связывания сканов между собой.
2. Для проведения сканерной съемки использовался лазерный сканер RIEGL LMS-Z420i, который имеет следующие характеристики (рис. 3):
- дальность действия: 1000 м
- точность: 10 мм
- производительность: 12000 точек\сек
- поле зрения: 800 х 3600

Управление лазерным сканером осуществляется с помощью программного обеспечения RiSCAN PRO, которое, кроме того, может быть использовано для постобработки результатов сканирования.  Для окраски сканов в истинный цвет использовалась цифровая камера Nikon D100, с объективом 14 мм, установленная на сканере.
3. Для фотографирования особо ценной иконографики, была использована цифровая камера высокого разрешения Canon EOS 1ds с объективом 20 мм и студийный свет (рис. 4).

Cканер RIEGL LMS-Z420i Цифровая камера высокого разрешения Canon EOS 1ds
Рис.3 Рис.4

 

Стратегии постобработки: от облака точек к фотореалистичной 3D – модели

1.Регистрация данных:

Как было отмечено выше, обширные размеры и комплексная структура катакомб требует создания съемочного обоснования, реализуемого посредством тахеометрической съемки.
Для этого была создана сеть фиксированных точек, распределенных внутри катакомб вдоль главных коридоров и лестниц, как основных линий соединяющих между собой катакомбные пространства. Структура катакомб потребовала установки на земле 325 контрольных точек (рис. 5). В дополнении к этому, относительной заданной глобальной системы координат, было установлено на стенах и потолке около 2000 отражающих марок. После окончательного уравнивания всей тахеометрии, координаты отражающих марок были импортированы в программу RiSCAN PRO, что позволило зарегистрировать все сканы в глобальной системе координат.

Структура катакомб
Рис. 5 Рис. 6

2. Подготовка данных для триангуляции

После получения геометрии катакомб, было выявлено приблизительно восемьдесят цветных изображений, покрывающих внутренние помещения. Каждое облако точек необходимо было преобразовать в триангуляционную модель для последующей текстуризации. Рассмотрим шаги процесса постобработки на примере усыпальницы царя Давида. Для проведения сканерной съемки усыпальницы, имеющей квадратную форму в основании, с размером стороны около 2.5 , потребуется от трех до семи сканпозиций (рис. 7 и 8).

На первом этапе исключаются все лишние точки – не относящиеся к структуре интерьеров. Чтобы упростить процесс создания триангуляции, для усыпальницы царя Давида был создан отдельный проект RiSCAN PRO.

Сканпозиции Сканпозиции
Рис. 7 Рис. 8

3. Триангуляция

Непосредственно после получения сырых данных сканирования и цветных фотоснимков можно получить окрашенное в истинный цвет облако точек. Фотоснимки получают с помощью цифровой камеры высокого разрешения, установленной на сканере на специальной подставке. С помощью процедуры калибровки подставки для камеры, фотоснимки ориентируются по отношению к трехмерному облаку точек, каждая отдельная точка с координатами XYZ, дополняется каналами истинного цвета RGB.

Цветное облако точек содержит большое количество единичных измерений, которые в совокупности создают хорошее представление об архитектуре данного объекта, но не позволяют производить анализ изучать его геометрию или проводить анализ иконографики (рис. 9). Эту проблему можно решить, преобразовав облако точек в триангуляционную сетчатую модель. Для этих целей было использовано программное обеспечение QTSculptor (QTS),  которое было разработано для записи и обработки для данного типа сканеров. Во время импорта данных, положение и ориентация облака точек и цифровых снимков, сохраненных в проекте RiSCAN PRO, остается в исходном виде.

 

Раннехристианские катакомбы «Domitilla» Процесс фильтрации всех сканированных областей, программное обеспечение QTSculptor (QTS)
Рис. 9 Рис. 10

 

Для последующей обработки данных потребуется оптимизация зарегистрированных данных в программе QTSculptor. Это улучшит качество соединения отдельных сканов между собой. Во время создания триангуляционной модели основная проблема состоит в наличии шума по облаку точек. При точности лазерного сканера 10 мм, гладкая поверхность стены, представленная в виде облака точек, отображается с толщиной в 2 см. Программа QTSculptor имеет встроенные фильтры для уменьшения данного вида шумов.

На рисунке 10 показан процесс фильтрации всех сканированных областей, которые имеют значительные неоднозначности по облаку точек. Данная программа позволяет также выполнять триангуляцию облаков точек, но время, затрачиваемое на этот процесс слишком велико, и качество получаемых результатов не всегда является подходящим.

Для создания триангуляции может быть использовано программное обеспечение Geomagic. Трехмерные данные предварительно подготавливаются в программе QTSculptor, и оттуда импортируются в программу Geomagic в виде обычного текстового файла, содержащего координаты XYZ. Точечная модель усыпальницы царя Давида, содержащая около 11 миллионов точек, была преобразована в триангуляционную поверхность в программе Geomagicза время от 20 до 30 минут, с хорошим результатом.

4. Reduction of Data

Сетчатая поверхность, полученная в результате выполнения триангуляции, все еще имеет много дефектов, которые могут быть скорректированы, например, в программе Geomagic.

Главным образом эти дефекты представлены пиками и отверстиями в триангуляции. Пики и отверстия могут быть устранены с помощью специальных программных фильтров. Оставшиеся пики и отверстия могут быть легко устранены вручную. После процесса триангуляции, модель будет состоять из большого количества треугольников, в зависимости от числа точек.

Построенная триангуляционная модель усыпальницы содержит около  4 миллионов треугольников, следовательно, для возможности управления моделью абсолютно необходимо уменьшить число треугольников. Наиболее важным является поиск баланса между четкостью изображения модели и относительно небольшим числом треугольников. Для оптимизации конечной модели также производится сглаживание триангуляции. После ее выполнения общее количество шума еще больше снижается. Смежные треугольники, чьи нормали отклоняются на некоторый угол, могут быть преобразованы в один треугольник. Кроме того, сглаживание поверхности, также как и уменьшение числа треугольников, может быть выполнено только для части триангуляционной поверхности. Общее число треугольников усыпальницы царя Давида было уменьшено до 840000, без ущерба для качества визуализации (рис. 11).

Рис.11 Рис.12

 

5. Текстурирование модели

Поверхностная модель была создана по облакам точек, принадлежащим отдельным сканам. Эта модель значительно помогла при анализе геометрической формы объекта.

Для получения трехмерного цветового изображения иконографики необходимо текстурировать полученную триангуляционную поверхность. Для этого усыпальница была последовательно сфотографирована с использованием разных значений экспозиции при оптимальном уровне освещения. Для получения наилучших результатов визуализации цветных настенных изображений, перед их наложением на триангуляционную сетку, их цифровые фотографии были откорректированы в программе Photoshop.

Для наложения цифровых снимков, сетка созданная в программе Geomagic была преобразована в формат «Object File Format» и вставлена  в проект QTSculptor. Наложение снимков в программе QTSculptor производилось c помощью ручной установки марок. Число требуемых марок определяется объектом фотографирования и лежит в пределах от 6 до 30 или более (Рис. 12).

 Для объектов, не имеющих определенной формы или структуры, установка марок, являющихся связующими, затруднена из-за проблем с их идентификацией на не текстурированных, серых поверхностях. Именно здесь могут быть использованы фотографии, зарегистрированные во время проведения сканирования. Путем простой установки точек на зарегистрированные снимки, наложение снимков, полученных с помощью свободно установленной камеры, может быть упрощено.

После регистрации, все нежелательные области, например темные пятна на заднем плане, маскируются и в дальнейшем не используются для наложения текстур. Программа QTSculptor предлагает накладывать текстуры с разным разрешением. Максимальное разрешение зависит от размера модели, числа используемых фотографий, и объема оперативной памяти компьютера. Текстурированные модели, имеющие большое разрешение, очень часто могут быть сгенерированы только путем разбиения исходной модели на части, и их текстуризации по отдельности. В случае усыпальницы царя Давида, исходная модель была разбита на восемь отдельных частей.

Текстурирование модели
Рис.13, 14

 

Заключение

Представленная стратегия показывает один из возможных путей создания текстурированной модели по облаку точек, которая гарантирует высокую точность конечных результатов. Хотя сканирование усыпальницы заняло около 1 часа, фотографирование – около 8 часов, но обработка результатов заняло от 3 до 4 недель продолжительной работы. Соотношение по времени между сбором данных и обработкой результатов, таким образом, составляет 1:15.

Хотя время, затрачиваемое на сбор данных, не может быть существенно сокращенно, представляется возможным ускорить процесс постобработки, при условии упрощения необходимых процедур или решения задачи постобработки с помощью одного или двух программных продуктов. Наибольшее время потребовалось на регистрацию цифровых снимков, полученных в свободном режиме (камера была установлена на штативе). При этом необходимо было установить большое количество марок вручную. Кроме того, описанная процедура разделения исходного набора данных на отдельные блоки, кажется неэффективной. И, в-третьих, необходимые шаги по редактированию цифровых снимков могли бы быть реализованы в программном обеспечении, предназначенном для трехмерного моделирования.

 

Автор статьи: инженер по НЛС Ковров А.А.