-& z La T I E L L,S --ZIO I v UDK (UDC) 528.74:72 681.3.06 JD.004.14 061.3(497.12-2) Portorož „1996":528 FOTOG PO AT O P OSTO A ITE ETRIC ZAJEM ZAIZDE VO O ELOV IH OBJE TOV Miran Janežič Inštitut za geodezijo in fotogrametrijo FGG, Ljubljana Prispelo za objavo: 1996-07-10 Pripravljeno za objavo: 1996-09-02 Izvleček V prispevku so kratko predstavljeni nekateri rezultati diplomske naloge, ki jo je avtor uspešno zagovarjal marca 1996. Osrednja tema naloge sega na področje tridimenzionalne arhitekt ume fotogrametrije. Najpomembnejši rezultat naloge je programski paket "3D", ki deluje v okolju AutoCADr 12 in omogoča tridimenzionalni zajem točk in linij iz fotogrametričnega instrumenta in editiranje tridimenzionalnih podatkov v zaključen žični model objekta. Predlagane rešitve in njihova programska izvedba so rezultat lastnega razvoja. Ključne besede: 3D modeliranje objektov, arhilektuma fotogrameflija, AutoCAD, računalniška grafika Abstract In the paper, some results of thc diploma work which the aulhor succesfully finished in March 1996 are briefly presented. The main /opic is three-dimensional architec/ural photogrammet1y. The most importan/ result of thc work is a program "3D" package operaling in the AutoCADr12 environmenl. The program enables lhe editing of photogramme//ically acquired lhree-dimensional dala in order /o complete wireframe object mode/s. Proposed solutions and the developed program package are the resulls of the author's own development. Keywords: 3D object modeling, archilectural photogra111met1y, AutoCAD, computer graphics l UVOD Uporaba fotogrametrije na področju metričnega dokumentiranja arhitekturnih objektov ima dolgoletno tradicijo. Za očeta fotogrametrije sicer velja francoski inženir-oficir Aim Laussedat, ki je !@ta 1851 prvič uporabil fotografije za topografsko Geodetski vestnik 40 (1996) 3 izmero terena. Vendar je že leta 1858 nemški arhitekt in gradbeni mojster Albrecht Meydenbauer uporabil fotografije za izdelavo načrtov Wetzlarske katedrale. Ko so se kasneje fotogrametrične metode tehnološko spreminjale, so bili med prvimi aplikacijami vedno tudi arhitekturni objekti. Danes pa stroka žal ugotavlja, da se kljub nespremenjenemu ali pa morda celo povečanemu povpraševanju po izmeri in dokumentaciji arhitekturnih objektov, še posebej na področju kulturne dediščine, nove tehnike in fotogrametrični dosežki uporabljajo izjemoma. Ta ugotovitev velja v svetovnih razsežnostih (Streilein, 1994). \iT zrokov za to je seveda več, vendar je po našem mnenju eden od ključnih vzrokov za takšno stanje nezadovoljiva delovno-produkcijska raven obstoječih orodij CAD (computer aided design) in CAAD (computer aided architectural design), ki so le navidezno tridimenzionalna. Tretja dimenzija se običajno ustvari s kombinacijo več ravnin, kar je zelo zamudno in pri obsežnejšem objektu nesprejemljivo. Ta ugotovitev se nanaša na izdelavo tridimenzionalnih arhitekturnih modelov, ki so izdelani iz originalno zajetih fotogrametričnih podatkov. Sicer se moderne fotogrametrične metode in tehnike, kot npr. digitalni ortofoto, avtomatska ekstrakcija robov, segmentiranje, itd. v praksi uspešno uporabljajo. v - Ce želimo 3D-fotogrametrično zajete podatke arhitekturnih objektov nadgraditi v 3D-model objekta z obstoječimi grafičnimi orodji, naletimo na velike težave. Pri tem je pomembno dejstvo, da so objekti praviloma neregularnih oblik in zato tridimenzionalnih funkcij, ki jih uporabljajo projektanti za izdelavo novih projektov, ne morerno uporabljati. Za operativno delo je potrebno izdelati nove funkcije in module, ki delo v prvi vrsti najprej olajšajo oz. sploh omogočijo. Vendar ne gre le za programersko delo. Predvsem je potrebno strokovno opredeliti koncept dela, ki poleg tehnologije dela vključuje tudi ustrezne strokovne rešitve. Izdelava zaključenih tridimenzionalnih modelov arhitekturnih objektov iz izvorno zajetih podatkov je s strokovnega stališča zahtevnejša naloga, kot se zdi na prvi pogled. r, lavni razlogi, zakaj se arhitekturna fotogrametrija usmerja v tridimenzionalr1c V izdelke, so predvsem naslednji: • tridimenzionalna predstavitev objekta je identična naravnemu načinu videnja stvarnosti • izkoristimo dejstvo, da fotogrametrija že v osnovi zajema tridimenzionalne podatke • možnost uporabe 3D-modelov objekta je raznolika. Lahko jih barvamo, senčimo, določamo materiale, vrtimo v prostoru, izdelujemo poljubne prereze, poglede • na modelu objekta lahko izvajamo simulacije posegov (načrtovanje restavracije, rekonstrukcije), preizkušamo različne zamisli. 2 FOTOGRAMETRIČNi ZAJJEM PODATKOV lfN NADGRADNJA V 3D-MODEL Fot?gra~etrični instrumenti o~vo~očajo vektorski z~je~ 3D-koordinat p~sameznih tock obJekta. Iz posnetkov ob1caJno ne moremo zaJetl vseh podatkov (m vse vidno), zato zajete točke in linije niso popolnoma zaključene. Običajni izdelki arhitekturne fotogrametrije so še vedno dvodimenzionalni grafični načrti (tlorisi, narisi, prerezi) v analogni ali digitalni obliki. S projiciranjem originalno Geodetski vestnik 40 (1996) 3 tridimenzionalno zajetih podatkov na projekcijsko ravnino se podatki o tretji dimenziji izgubijo. Dvodimenzionalni načrti seveda niso slabi ali neuporabni, vendar želimo iz navedenih razlogov uporabljati tridimenzionalne podatke. Za prostorski prikaz zelo razgibanega objekta namreč potrebujemo veliko profilov in prerezov. Vendar pa izdelava tridimenzionalnih arhitekturnih modelov zahteva drugačen tehnološki pristop (koncept), kot ga uporabljamo pri izdelavi dvodimenzionalnih izdelkov. Na osnovi pridobljenih izkušenj smo glavne probleme pri izdelavi tridimenzionalnih modelov strnili v naslednjih točkah. Definiranje ravnin Pri dvodimenzionalnih prikazih so točke, projicirane na posamezne fiktivne ravnine, ki so običajno vertikalne (fasade, prerezi) ali horizontalne (tloris). Pri tridimenzionalnih modelih pa je vsaka točka postavljena v prostor, zato ni več idealno vertikalnih ali horizontalnih površin objekta. Dejstvo je, da grafična orodja, namenjena širšemu krogu uporabnikov, ne omogočajo editiranja na ploskvah, zato moramo objekt predstaviti na posameznih prostorskih ravninah, ki pa niso nujno vertikalne ali horizontalne. Generalizacija končnega izdelka Glede na zahtevano končno merilo izdelka mora biti zagotovljena tudi natančnost izdelka, ki je običajno znotraj grafične meje natančnosti (0,2 mm v merilu načrta). Vektorski 3D-podatki so v računalniku shranjeni v originalni velikosti zajema dejansko v merilu 1:1, čeprav sama natančnost podatkov ustreza končnemu izdelku v določenem merilu. Pri povečevanju (zoom) v orodju CAD lahko posamezne detajle močno povečamo. Manjša nesoglasja (npr. liniji se v prostoru ne sekata), ki so sicer v okviru zahtevane natančnosti končnega merila izdelka, je zaradi prostorske zaključenosti modela potrebno odpraviti. V kartografskem jeziku bi rekli, da je treba zajete podatke generalizirati glede na končno merilo izdelka (premikanje elementov je eden od načinov kartografske generalizacije). Tovrstna generalizacija je s strokovnega stališča zahtevna, ker je težko postaviti enolične kriterije. Brez jasno postavljenih kriterijev je postopek težko ustrezno avtomatizirati. Možna rešitev je interaktivno delo, kjer je treba odločitve sprejeti glede na značilnosti odstopanj (njihova velikost, kateri podatek je bolj zanesljiv ipd.), vendar je takšna pot precej zamudna. Logična usklajenost podatkov Logična usklajenost podatkov pomeni, da morajo biti posamezni elementi objekta na modelu definirani enolično. Primeri: rob med dvema fasadama je en sam, notranji prostori objekta se ujemajo z zunanjostjo objekta (primer: odprtina okna zunaj in znotraj), stik strehe s fasado mora biti enolično definiran ipd. Zagotavljanje homogenosti Objekt je običajno posnet z geodetskimi točkami in večjim številom posameznih fotogrametričnih posnetkov ali stereoparov. Le-ti so lahko v različnih merilih, eni zajemajo večji del objekta, drugi prikazujejo detajle. Različno natančne podatke pri graditvi modela moramo uporabljati tako, da ohranimo homogeno natančnost. To Geodetski vestnik 40 ( 1996) 3 najlažje doseže.mo s konceptom graditve modela od velikega k malemu. Praktične izkušnje nas učijo, da je priporočljivo najprej dobro definirati osnovne dimenzije objekta oz. žičnega modela z geodetskimi točkami, ki so izravnane v prostorskem bloku. Na to osnovno definirano prostorsko pozicijo objekta se nato dodaja posamezne elemente objekta s fotogrametrično restitucijo ali ročnimi meritvami. Na tak način se natančnost objekta v prostoru ohranja, posamezni detajli pa so lahko relativno (medsebojno) bolj natančni. Na primer, če izmerimo širino okna z merskim trakom, je izmerjena razdalja relativno zelo natančna, vendar pa je pozicija ene oz. druge točke (ki predstavljata daljico) v prostoru definirana glede na položaj cele fasade v prostoru. Zato je potrebno najprej zelo dobro prostorsko definirati položaj fasade v prostoru. Editiranje in kopiranje elementov a izdelavo žičnega oz. ploskovnega modela objekta moramo najprej nepopolno fotogrametrično zajete podatke dopolniti (na osnovi ročnih ali geodetskih · meritev). Preveriti moramo, da so vse linije zaključene, vogali in stičišča enolično določena ipd. V grafičnih orodjih imamo možnost kopiranja enakih elementov. Uporabnik postavi kriterije, kdaj določene elemente lahko upoštevamo za enake in jih samo kopiramo na ustrezno pozicijo (npr. na fasadi je veliko enakih oken; zajem in editiranje vsakega posebej bi bilo zelo zamudno in bi podražilo izdelek). V vsakem primeru pa je priporočljivo, da na neki način ločimo konstruirane in kopirane elemente od osnovno zajetih (npr. z različnimi sloji, barvami ipd.), da ohranimo možnost kasnejše kontrole izdelka. Našteli smo le nekaj ključnih problemov in nakazali njihove možne rešitve. Trenutno se moramo sprijazniti z dejstvom, da idealnega grafičnega orodja na širokem uporabniškem trgu ni, zato je potreben lasten razvoj. 3 PROGRAMSKI PAKET 3D a trgu obstaja veliko različnih proizvajalcev programskih orodij za računalniško grafiko. Poleg čisto komercialnih izdelkov svoja programska orodja ponujajo tudi posamezni proizvajalci fotogrametričnih instrumentov, vendar je poudarek večinoma na izdelavi topografskih izdelkov. Nekateri programski paketi so tudi zaprti za uporabniško nadgrajevanje. Za osnovni koncept razvoja smo izbrali osebne računalnike in obstoječ sistem CAD. Po pregledu in analizi dostopnih orodij smo se odločili za AutoCAD (proizvajalec Autodesk). Poleg vsesplošne uporabnosti AutoCAD-a je na našo odločitev vplivala tudi njegova razširjenost. Na podlagi potreb in pridobljenih izkušenj pri izdelavi konkretnih projektov smo v okolju AutoCAD-a (verzija 12 ali več) razvili programski paket z imenom 3D, Po izvedeni inštalaciji se na osnovnem AutoCAD-ovem meniju pojavi kot dodatna možnost, pod katero se nahaja zavesni meni osnovnih funkcij programa. Vse standardne funkcije AutoCAD-a lahko direktno uporabljamo znotraj našega programa. Programski paket 3D je namenjen zajemanju in obdelavi fotogrametrično zajetih tridimenzionalnih podatkov. Program lahko uporabimo tudi samo za editiranje kakršnihkoli tridimenzionalnih podatkov, brez povezave s fotogrametričnim instrumentom. Celoten program je zgrajen modularno (Slika 1): Geodetski vestnik 40 (1996) 3 AtntoCAD 3D Fotogrametrični instrument 1 gonilnik 1 Fotogrametrični gonilnik 2 instrument 2 gonilnik n zajem Fotogrametrični editiranje instrument n Slika 1 Fotogrametrični instrument za zajem podatkov je lahko sodoben analitični ali analogni instrument, ki ima vgrajene enkoderje za pretvorbo mehanskih premikov v digitalno obliko. Za vsak tip fotogrametričnega instrumenta potrebujemo ustrezni gonilnik, ki omogoča, da prostorske koordinate posameznih točk dobimo neposredno v AutoCAD-u. Ko uporabljamo ukaze, ki povezujejo računalnik in fotogrametrični instrument, se namesto kazalca, ki ga upravljamo z miško, pojavi kazalec, ki prikazuje položaj markice '! instrumentu .. Pred samim zajemom nr1ornnr10 na fotogrametričnem instrumentu narediti re!ativn:) orientacijo modela. Če je instrument analogen, zajemamo modelne koordinate, program 3D pa omogoča izračun parametrov absolutne orientacije. Pri zajemu se modelne koordinate on-line (sproti) transformirajo v absolutne koordinate, ki se prikazujejo v AutoCA.D-u. Če pa je instrument analitičen, lahko izvedemo analitično absolutno orientacijo v instrumentu in v programu 3D nadaljujemo z zajemom absolutnih prostorskih koordinat. Zajemamo lahko posamezne točke, linije kontinuirano in točkovno ter dvojne linije. Pri tem lahko posamezne podatke zapisujemo na različne sloje (layer-je ), ki jih definiramo sami. v ce strnem, programski paket 3D omogoča: • izračun parametrov absolutne orientacije • pregled modelnih koordinat in koordinat v referenčnem koordinatnem sistemu o zajem točk o zajem linij točkovno in z inkrementom • zajem dvojnih linij • definiranje geometrijskih ravnin kot nove entitete v AutoCAD-u Geodetski vestnik 40 ( 1996) 3 • uvoz in izvoz definiranih geometrijskih ravnin med različnimi slikami • editiranje zajetih podatkov z različnimi funkcijami (npr. prostorski presek premic, presečišče premice z geometrijsko ravnino, prostorsko podaljšanje in skrajšanje daljic, daljšanje in krajšanje daljic do geometrijske ravnine, projiciranje elementov na geometrijsko ravnino ipd.) • direkten vnos točk z datoteke ASCII • uporabo vseh originalnih AutoCAD-ovih funkcij in ukazov • uporabo na vseh platformah (ravneh), na katerih lahko poganjamo AutoCAD. Za praktično delo so najpomembnejše nove funkcije, ki omogočajo tridimenzinalno editiranje. Vpeljana je tudi nova entiteta znotraj AutoCAD-a, t.j. geometrijska ravnina, ki učinkovito nadomešča uporabo uporabniškega koordinatnega sistema (UCS-user eoordinate system) . . 4 ZAKIJUČEK Področje arhitekturne fotogrametrije, ki se ukvarja z izdelavo tridimenzionalnih modelov, je danes izredno aktualno in predstavlja velik strokovni izziv. V mednarodni strokovni literaturi ni veliko prispevkov, niti ni obsežnejše publikacije o tem. Sistematično obdelano področje arhitekturne fotogrametrije v okviru diplomske naloge bo tako v pomoč vsem, ki se v slovenskem prostoru kakorkoli srečujejo s to problematiko. Predlagane rešitve in njihova programska izvedba so rezultat timskega dela na izvedbenih projektih, ki jih izvaja Inštitut za geodezijo in fotogrametrijo FGG. a nadaljnje delo je vzpodbudno dejstvo, da se v slovenskem okolju odpirajo možnosti večje in bolj sisternske uporabe izdelkov arhitekturne fotogrametrije na področju kulturne dediščine, ne nazadnje tudi zaradi skrbnejšega odnosa slovenske družbe do kulturne dediščine. V nadaljevanju je treba še poglobiti sodelovanje z uporabniki fotogrametričnih izdelkov in skupno oblikovati minimalne standarde, ki vključujejo terminologijo, tehnologijo in različne izdelke. Literaiura: AutoCAD release 12, Cus/omizalion Jvlanual. Extras _Manual. Programmers Reference. Auiodesk, 1992 Boesemann, JiV., Ein photogrammetrisches Ve1fahre11 zur modellgesttzten Objeklrekonstniktion. Doktorska dise11acija. DGK šlo 422. Muenchen, 1994 Fras, Z, Enoslikovna fologrametrija v dobi analitične in digitalne fotogrametrije. Magistrska naloga. FAGG OGG, Ljubljana, 1992 Koch, R., Model-basecl 3-D scene analysis from stereoscopic image sequences. ISPRS Joumal of Photogrammet,y and Remo/e Sensing, Vohune 49, št. 5, 1994 Lovenjak, J., Fotogrametrični monorestitucijski sistem za aplikacije v arhitekturi. Diplomska naloga št.405. FAGG OGG, LjubUana, 1990 Mar/en, W, Mauelshagen, L., Pa/laske, R., Digital orthoimagc-system far architecture representatio11. JSPRS Joumal of Photogrammet,y and Remole Sensing, Vohune 49, št. 5, 1994 Ma/teolti, G., Vetlore, A., Expe1ic11ces in archilcctural plwtogrammefly and computer graphics: The survey of villa Revedin Rinaldi Bolasco in casteifranco Venelo, Treviso, Jtaly. Krakov, CIPA XI! lniemational Symposium, 1990 Mihajlovic, D., Praktikwn iz analitičke fologrametrije. Beograd, Gradevimki fakultet, 1990 Saint Aubin, l.P., Le rclev et la representa!ion de l'architeclure. Pariz, Docwnents el met!wdes No 2, 1992 Geodetski vestnik 40 ( 1996) 3 Specification far architectural photogrammetric surveys. English Heritage, London, 1992 Stephani, M, Digital Swface generation and visualizalion in archeology and architecture. Krakov, CIPA XII /ntemational Symposiwn, 1990 Streilein, A., Towards automalion in architectural photogrammet,y: CAD-based 3D feature extraction. /SPRS Joumal of Photogrammet,y and Remote Sensing, Volume 49, št. 5, oktober 1994 Weimann, G., Architektur-Plwtogrammetrie. Karls111he, Wichmann Verlag, 1988 Recenzija: mag. Vasja Bric Mojca Kosmatin Fras Geodetski vestnik 40 (1996) 3