3D model Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity Jan Russnák Geografický ústav, Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita, Kotlářská 2, 611 37, Brno, Česká republika
[email protected] Abstrakt. Tato práce se zabývá 3D modelováním budov a celých zastavěných komplexů. Teoretická rešeršní část shrnuje způsoby sběru 3D dat, metody jejich zpracování vedoucí k 3D modelům budov, formáty v nichž jsou uloženy i řadu praktických ukázek jejich využití. Těžiště práce však leží v praktické aplikační části, která se zabývá tvorbou 3D modelu Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně na Kotlářské ulici. V úvodu jsou charakterizována podkladová data a popsán vznik digitálního modelu terénu, který obklopuje budovy. Následuje sběr fotografií pro tvorbu textur, použití vlastních 3D bodových symbolů a samozřejmě vlastní modelování budov fakulty. V závěru jsou diskutována možná využití modelu a jeho možnosti prezentace širšímu spektru uživatelů bez speciálních GIS. Klíčová slova: 3D modelování, Přírodovědecká fakulta.
3D
vizualizace,
mapování
textur,
Abstract. 3D model of the Faculty of Science at the Masaryk University. This paper deals with 3D building modelling and whole built-up compound. The theoretical part summarizes possible ways of acquiring 3D data, methods of the 3D data processing leading to 3D building models, formats they are saved in and many examples of their real usage. The main focus of this thesis is in the practical application part that deals with the creation of 3D model of the Faculty of Science at the Masaryk University in Brno on Kotlářská Street. In the introduction, there are characterized the supporting data and description of the digital terrain model creation, which surrounds the buildings. After that follows taking pictures for texture mapping, using own 3D point symbols and of course modelling faculty buildings themselves. At the end, there are discussed possible applications of the model and the possibility of the model presentation to the wide range of users without special GIS. Keywords: 3D modelling, 3D visualization, texture mapping, Faculty of Science.
1
Úvod
Nejrůznější náčrty, nákresy a plánky jsou staré jako lidstvo samo. Mapy a kartografická díla jak je známe dnes, se začaly objevovat okolo 15. a 16. století a v období renesance se objevily i první kresby a malby v perspektivě. Ty lze považovat za jedny z prvních vyjádření 3D prostoru. S rozvojem architektury se pak ze zprvu jednoduchých skic staly geometricky přesné výkresy. S příchodem geoinformatiky a
GIS ve druhé polovině 20. století začaly tradičním klasickým kartografickým metodám konkurovat digitální počítačové postupy. Těžištěm práce je tvorba 3D modelu Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně. Ta patřila při vzniku univerzity v roce 1919 mezi čtyři zakládající fakulty a od té doby sídlí na stejném místě mezi ulicemi Veveří, Kotlářskou a Kounicovou. Celé území areálu lze rozdělit na dvě části, a to zastavěnou plochu s jednotlivými pavilony a botanickou zahradu. Pro fasády starších pavilonů je typická zdobná štuková omítka, jež byla předmětem tvorby fotorealistických textur modelovaných budov.
2 2.1
3D modely zastavěných ploch Definice 3D prostoru
3D reprezentací je fyzický nebo virtuální model libovolného objektu, se kterým lze rotovat, prohlížet jej ze všech stran nebo spočítat jeho objem. 3D aspekt lze však rovněž simulovat tvorbou perspektivního modelu, avšak tento typ vykreslení je popisován jako 2,5D. Jedná se o reprezentaci, kdy mají dvě horizontální proměnné x a y jedinou výškovou hodnotu. Nelze tak vyjádřit převislé útesy nebo jeskyně. V praxi i v rámci této práce jsou 3D modely budov i jiných prvků kombinovány s 2,5D podkladem. [7]. 2.2
Způsoby 3D modelování
Existuje několik metod 3D modelování, které bývají různě seskupeny do nadřazených kategorií. Obecně existují dvě hlavní metody. Jsou jimi reprezentace hranic založená na povrchu objektu a konstruktivní geometrie těles založená přímo na vyjádření prostoru. Reprezentace hranic popisuje hranice, které definují objekt. Hranici tělesa mohou tvořit samotné body (bodová reprezentace), linie (drátový model) nebo uzavřené polygony čili plné stěny tělesa (povrchový model). Konstruktivní geometrie těles sestavuje modely z tzv. primitiv, tj. jednoduchých geometrických objektů (kvádr, krychle, koule, válec, jehlan, kužel aj). Výsledná 3D reprezentace pak vzniká ze vstupních primitiv na základě booleovských operací, jimiž rozumíme průnik (intersection), sjednocení (union) a rozdíl (difference). [8] [9] [12] [14].
Obr. 1 Schematický nákres reprezentace hranic (vlevo) pro srovnání s konstruktivní geometrií těles (vpravo) (upraveno podle [6])
Reprezentace hranic i konstruktivní geometrie těles jsou prakticky povrchovými vyjádřeními neuvažujícími vnitřní strukturu tělesa. Tu zohledňují objemové reprezentace, jakými jsou 3D pole, oktalový strom a 3D TIN neboli TEN. Pojem voxel vznikl jako analogie dvourozměrného pixelu. Označuje nejmenší element trojrozměrného diskrétního prostoru. Voxely mají tvar krychle nebo kvádru a jsou uspořádány do pravoúhlé mřížky. Z těchto elementárních 3D prvků tvořících 3D pole je pak složen celý objekt. Oktalový strom (octree) rozšiřuje tvorbu 3D modelu pomocí voxelů. Jedná se o hierarchickou datovou strukturu, která vymezuje v prostoru objektu kubické oblasti tvořené jednotlivými voxely. Na počátku reprezentace je homogenní krychle, která, pakliže se nejedná o homogenní prostor, se rozdělí na osm částí, přičemž se může dělit až do úrovně voxelu. Tato datová struktura tak popisuje, jak jednotlivé objekty rozdělují celkový 3D prostor. 3D TIN je v podstatě rozšířením 2D TINu, které bývá nazýváno TEN (z angl.. TEtrahedral Network). Prostorový objekt je popsán pomocí navzájem propojených, ale nepřekrývajících se čtyřstěnů. [1] [6] [12] [14]. V počítačové grafice nebo designu je mnohdy nutné vytvarovat objekt, jehož přesné vyjádření je poměrně složité. Ačkoliv je většina budov geometricky přesných, lze se s nejrůznějšími atypickými a nepravidelnými prvky setkat i při modelování budov. Skládat složitější povrch z malých, samostatných částí je pak příliš náročné. Z tohoto důvodu byly hledány metody dodatečného tvarování označované jako deformace. Ty lze aplikovat jak lokálně, tak i globálně na celý model. Nejpoužívanějšími jsou změna měřítka, zeslabování, zašpičatění, zkroucení a ohýbání. Důležitým požadavkem je, aby použitá deformace neporušila topologii výchozího modelu. [14].
Obr. 2 Ukázky zeslabení (uprostřed) a zkroucení (vpravo) a jejich původní vzhled (vlevo) (převzato z [14])
2.3
Pořizování 3D dat
Pro pořizování podkladových 3D dat, z nichž lze uvedenými metodami vytvářet 3D modely, je k dispozici hned několik různých způsobů. Ty se často navzájem kombinují v závislosti na jejich účelu, požadované přesnosti a v neposlední řadě i rozpočtu daného projektu. Vysoce automatizovanou technologií poskytující poměrně rychle 3D informace rozsáhlých území je LIDAR (Light Detection and Ranging). Metoda založená na vysílání laserového paprsku ze systému namontovaného na letadle, helikoptéře nebo satelitu vysílá signály k povrchu a měří vzdálenost odrazu od země a jiných objektů zpět k nosiči. Obdobným principem je pozemní laser, který vysílá paprsek ze známé pozice vzhledem ke skenovanému objektu. Dalším způsobem je zjišťování výšky
budov fotogrammetrickými metodami pomocí obrazové korelace stereopáru nebo ze stínů budov. Ty pak dovolují generování 3D modelu města. Přesné 3D modely mohou být vytvořeny také přímo z digitálních fotografií, z nichž jsou pak odvozeny i textury. Časově nejnáročnější metodou sběru dat pro tvorbu modelu je pak pravděpodobně tachymetrie, nicméně její výhodou jsou ve srovnání s laserových skenováním asi desetinové náklady. [5] [10]. 2.4
3D formáty
Formátů pro zápis, uložení a přenos 3D objektů je celá řada. Některé byly vytvořeny jako otevřené standardy, jiné jsou produktem komerčních nástrojů a jsou mnohdy kompatibilní pouze s nimi. Prvním rozhraním pro tvorbu 3D aplikací bylo OpenGL. Později přišel jazyk VRML určený pro popis virtuální reality. Ten byl nahrazen formátem X3D založeným na XML. Otevřeným standardem pro prezentaci a přenos 3D modelů měst je pak CityGML. To ukládá geometrii a topologii, ale navíc zahrnuje i sémantické a atributové informace. Popisuje tak tvar, vzhled i vztahy a vlastnosti mezi prvky. Právě sémantickým modelováním, kdy každému významovému prvku odpovídá konkrétní geometrický prvek, se CityGML liší od ostatních formátů. [1] [6] [10] [11] [14]. COLLADA je formátem pro ukládání 3D objektů a snadný transport mezi 3D aplikacemi založený na principu reprezentace hranic. Umožňuje vytvářet texturované objekty, z pokročilých materiálů, využívat vizuální efekty či animace a podporuje i geografickou polohu. Tohoto se využívá např. v Google Earth jehož je COLLADA výchozím 3D formátem. Vizualizaci a zápis třetí dimenze pak umožňují i tradiční formáty systémů CAD (DGN, DWG) a GIS (TAB, SHP). Datový formát Multipatch pak umožňuje zápis i uložení geometrie 3D objektů. Dále existují formáty úzce spjaté s konkrétními oborovými řešeními, jako je IFC, pro sdílení informací a snadnou komunikaci mezi architekty, projektanty, stavbaři a dalšími členy projektového týmu, nebo formát OpenFlight primárně pro modelování a simulace v rámci námořnictva, armády nebo vzdušných sil. V neposlední řadě pak existuje celá řada 3D formátů ze světa počítačových her. [4].
3
Tvorba 3D modelu Přírodovědecké fakulty
Práce byla vypsána ve spolupráci s Oddělením pasportizace budov Ústavu výpočetní techniky Masarykovy univerzity, které poskytlo i většinu podkladových dat. Byly jimi data stavebního pasportu ve formátu SHP, technické stavební výkresy jednotlivých budov ve formátu DWG a nekompletní plán celého areálu rovněž v DWG. Část chybějících podkladových dat byla změřena totální stanicí. Jednalo se především o terén pro tvorbu podkladového modelu terénu, venkovní mobiliář (lavičky, lampy apod.) a zeleň. Primárním modelovacím nástrojem byla vizualizační aplikace ArcScene platformy ArcGIS. Prvním krokem pro práci se všemi podkladovými daty tak byla konverze z DWG a naměřených dat do formátu SHP. Kombinací stavebních výkresů, jednotlivých vrstev i zaměřených bodů byly postupně digitalizovány všechny vnější prvky každé z budov. Vznikaly tak vrstvy dílčích ploch,
linií či bodů. Zídkám a schodům byly navíc zadávány informace o výšce, do níž mají být vytaženy. 3.1
Tvorba digitálního modelu terénu a příprava bezešvých texture
Z dat obsahujících výšku byl vytvořen model terénu, který následně se všemi zídkami a schody vytvořil prostředí, do něhož se později umisťovaly jednotlivé budovy. Pro tvorbu modelu terénu bylo využito sítě nepravidelných trojúhelníků TIN, v níž jsou body měření spojeny liniemi a vzniká tak síť nepravidelných trojúhelníků. Chceme-li ve výsledném modelu TIN dosáhnout rovné vozovky, chodníku nebo charakteristické terénní hrany, je třeba vstupní bodové pole doplnit terénními hranami, které mají být zachovány. Tyto hrany jsou označovány jako Terrain Intersection Curve (TIC). Jedná se o křivky na povrchu modelu vzniklé průnikem vertikálních rovin s povrchem nebo jsou představovány objekty na povrchu umístěnými. Výsledný model terénu tak vznikl z bodového pole výšek doplněného výškovými liniemi TIC. [3]. Vytvořený TIN je pro reálný vzhled potřeba pomocí polygonů jednotlivých povrchů (dlažby, štěrk, tráva) obarvit do skutečné podoby. Jednoduché obarvení je přitom pro vyšší stupeň detailu vhodné nahradit realistickou texturou. Aby se tyto textury maximálně podobaly reálným povrchům v areálu, byly dlaždice tvořící bezešvý homogenní povrch s výjimkou trávy a štěrku vytvořeny z pořízených fotografií. Návaznost jednotlivých dlaždic se vytváří tak, že vstupní dlaždice se rozdělí do čtyř kvadrantů a ty se přeskupí tak, jakoby vedle sebe ležely čtyři vstupní dlaždice. Křižný středový spoj je poté grafickými úpravami retušován tak, aby prakticky zcela zmizel a nebyl ve výsledném obraze rozeznatelný. Z fotografií jednotlivých typů dlažeb tak vznikly na sebe navazující díly všech povrchů v areálu.
Obr. 3 Postup tvorby bezešvých textur
3.2
Vizualizace bodových vrstev a tvorba vlastních 3D bodových symbol
Většina modelovacích prostředí včetně nástroje ArcScene disponuje knihovnou bodových 3D symbolů. Tyto knihovny však samozřejmě nemohou nabízet takové symboly, které by zcela odpovídaly reálným objektům v terénu. Uživatel si tak vybere symbol nejlépe vystihující daný objekt, nebo si může vytvořit vlastní 3D symbol. Prostředí ArcScene od verze ArcGIS 9.3 umožňuje jako symboly importovat soubory pěti 3D formátů. Jsou jimi COLLADA, SKP, 3DS, OpenFlight a VRML.
V rámci této práce byly symboly neobsažené v ArcScene knihovně symbolů vytvořeny v prostředí SketchUp a pomocí formátu COLLADA poté použity jako bodové prostorové znaky. Protože byl kladen větší důraz na lokalizaci než na vzhled objektů, byly například odpadkové koše nebo lavičky použity z knihovny ArcScene, ačkoliv se od skutečných liší. Kromě toho však byla testována i metoda tvorby vlastního symbolu. Takto byly vytvořeny závory při vjezdu do areálu a především charakteristický plot na stranách k ulicím Veveří a Kotlařská.
Obr. 4 Model terénu se všemi povrchy i bodovými objekty připravený pro umístění budov
4
Modelování budov
Pro modelování budov nabízí nástroj ArcScene funkci Extrusion. Na základě půdorysu modelované budovy a známé výšky je její vizualizace velmi snadná. Pokud nemodelujeme v rovině, nýbrž i s terénem, je důležitá i znalost nadmořské výšky. Základním požadavkem na modelované budovy bylo jejich potažení fotorealistickými texturami. To ArcScene neumožňuje, takže byla využita spolupráce s nástrojem SketchUp. 4.1
Tvorba fotorealistických textur
Vyfotografovat stěnu domu tak, aby byla přímo použitelná jako její textura, je takřka nemožné. A to především díky zkreslené perspektivě a nedostatku prostoru. Úzké uličky, relativně vysoké budovy zakryté navíc často zelení a rovněž hluboké anglické dvorky tak neumožnily vyfotografovat jednotlivé stěny budov tak, aby byly přímo použitelné jako textury stěn. Každá větší i menší stěna všech budov tak musela být vytvořena samostatně jako mozaika podkladové barvy, konkrétních oken a dveří, říms, příslušných cedulí a jiných prvků na stěnách budov. Speciální pečlivý přístup
pak vyžadovala ozdobná štuková omítka historických staveb, aby byla zajištěna návaznost mezi stěnami na rozích budov. Pro každou ze staveb tak vznikl obrazový materiál všech typů oken, dveří a dalších prvků typických pro danou budovu.
Obr. 5 Oprava zkreslené perspektivy
Po vytvoření všech textur jimi byla budova potažena. Pro střechy budov byla použita textura z knihovny SketchUp neboť vyfotografovat skutečnou texturu střech budov areálu nebylo možné. Možnost editovat původní model z formátu Multipatch v prostředí SketchUp nabízí kromě textur i další výhodu. Jeho modelovací nástroje umožňují vytvořit i velmi komplexní objekty. Například budova skleníků by v prostředí ArcScene nemohla vůbec vzniknout.
Obr. 6 Hotový 3D model Přírodovědecké fakulty MU na Kotlářské ulici vizualizovaný v prostředí ArcScene
5
Publikování modelu
Prezentace 3D modelu vytvořeného ve specializovaném softwaru širšímu spektru uživatelů bez tohoto nástroje je často spjato pouze s 2D pohledy nebo průletem v podobě animace. Žádná z těchto možností však nepřináší uživateli interaktivitu, aby mohl sám s modelem jakýmkoliv způsobem manipulovat. Jako hlavní technologie, jak prezentovat vytvořený model širšímu spektru uživatelů, byly zvoleny formát 3D PDF a transformace modelu do prostředí Google Earth. Virtuální glóbus Google Earth umožňuje prezentovat a publikovat model libovolné budovy na Zemi v širším kontextu okolní zástavby nebo krajiny. Umístění modelu na tento veřejně známý a oblíbený virtuální glóbus by jej tak zpřístupnilo celému spektru uživatelů. Exportovat vytvořený model z prostředí ArcScene přímo do formátu 3D PDF není bohužel možné. Výsledný model v tomto formátu byl vytvořen pomocí nástroje FME Desktop ze vstupních výškových dat a budov ve formátu Multipatch.
6
Využití vytvořeného 3D modelu a mapovaných objektů
Vzniklý model Přírodovědecké fakulty má svůj význam díky 2D datům jednotlivých ploch a objektů, která musela být před prostorovou vizualizací připravena, a rovněž má své možné využití a uplatnění i samotný 3D model. Vrstvy jednotlivých vnějších ploch mohou sloužit pro jejich evidenci jako podklad pro údržbu a správu v letním i zimním období. Pomocí vrstev venkovního mobiliáře lze pak i dobře evidovat majetek fakulty v areálu. 3D model libovolné budovy či celého komplexu lze snadno využít pro jejich propagaci. Modelu lze využít i pro virtuální prohlídky areálem nebo pro navigaci po jeho území. Na stavební pasport je velmi úzce navázán digitální technologický pasport sloužící k podpoře správy a údržby technologií budov. Tzv. facility management se v rámci Masarykovy univerzity zabývá správou budov včetně jejich technologického vybavení a sleduje data o systémech vytápění, chlazení a výměny vzduchu, rozvody energie, datové, hlasové a technologické sítě, přístupové a zabezpečovací systémy a ostatní technologie v budovách. Základní, referenční bázi zde tvoří stavební pasport. Jelikož jsou evidovány i relativní výšky, jsou vytvářeny 3D modely technologií v budovách. Atributová data pak popisují vlastnosti prvků technologií a vazby mezi nimi. Z vazeb se vizualizují teplovodní větve, elektronické kontroly vstupu (identifikační karty) nebo elektronické zabezpečovací systémy (čidla pohybu, detektory rozbití oken). Dále lze 3D modely využít i pro návrhy interiérů nebo jako podkladová data pro vizualizaci dat systému pro sledování a řízení technologií budov. Tohoto přístupu je využíváno v budovách kampusu v Brně Bohunicích, kde je monitorována a následně vizualizována např. spotřeba tepla a elektrické energie. Obdobně lze monitorovat i přítomnost osob v budovách, teploty nebo spotřebu energie. Jelikož jsou jednotlivé měřené veličiny vždy spjaty s konkrétním časovým údajem, lze dobře porovnávat jejich hodnoty v čase např. i formou animací. Exportem do formátu KML lze k tomuto vhodně využít nástroj Google Earth.
Obr. 7 Vizualizace měřených hodnot prostřednictvím 3D modelu kampusu v Brně Bohunicích
7
Závěr
Do budoucna lze očekávat, že 3D digitální modely budou stále přesnější, detailnější a vizuálně bližší realitě. Proto technické a technologické omezení jejich vytváření a prohlížení bude stále nižší a modely se tak stanou přirozenými a srozumitelnými pro stále širší spektrum uživatelů. Obdobně jako je tomu již dnes díky nástrojům SketchUp a Google Earth. Dále lze očekávat rozšíření prezentace 3D objektů na webu přímo v prohlížeči bez nutnosti instalace jakéhokoliv plug-inu, a to např. pomocí standardu WebGL, který umožňuje umisťovat 3D grafiku přímo do prostředí HTML. Správa a výměna 3D dat by mohla být stále snazší a přímočařejší. Dále se budou pravděpodobně uplatňovat především sémantické modely poskytující ke vzhledu, geometrii a topologii také významové informace o prvcích v modelu a rovněž i vztahy mezi nimi. Tím model přináší nové znalosti o vizualizovaných objektech a sémantické informace tak zlepšují jeho využitelnost. Pravděpodobně však nebude možné vytvořit jeden 3D model, který by sloužil pro všechny aplikační oblasti. Na druhou stranu by nemělo být složité vytvořit jeden jednotný 3D model, který by byl použit jako referenční pro mnoho aplikací. Prakticky by se jednalo o stejnou roli, jakou po desetiletí představovaly topografické mapy používané jako podklad pro mnoho aplikací. [2].
Reference 1. ABDUL-RAHMAN, A., PILOUK, M.: Spatial Data Modelling for 3D GIS, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2008, ISBN 978-3-540-74166-4.
2. BENNER, J., GEIGER, A., LEINEMANN, K.: Flexible generation of semantic 3D building models [on-line]. Bonn, 2005 [cit. 20. listopadu 2011]. Dostupný na WWW:
. 3. EMGÅRD, K. L., ZLATANOVA, S.: Design of an integrated 3D information model [on-line]. 2008. [cit. 5. prosince 2011]. Dostupný na WWW: . 4. GRAPHISOFT: IFC Support [on-line]. 2011. [cit. 1. prosince 2011]. Dostupný na WWW: . 5. KONECNY, G.: Geoinformation Remote Sensing, Photogrammetry and Geographic Information Systems, Taylor & Francis, London, 2003, ISBN 0-415-23795-5. 6. KOUSSA, C., KOEHL. M.: A simlified geometric a topological modelling of 3D buildings enriched by semantic data: combination of surface-base and solidbased representations In HORÁK, J., HALOUNOVÁ, L., KUSENDOVÁ, D., RAPANT, P., VOŽENÍLEK, V.: Advances in Geoinformation Technologies, VŠB-TU Ostrava, 2009, ISBN 978-80-248-2145-0. 7. KRAAK, M., ORMELING, F.: Cartography: visualisation of geospatial data. 1st ed. Harlow: Prentice Hall, 2003. 205 s. ISBN 0-13-088890-7. 8. LOIDOLD, M.: Three-dimensional GIS. In KEMP, K. K.: Encyclopedia of Geographic information science. Los Angeles. SAGE Publications, Inc., 2008. s. 470-474. ISBN 978-1-4129-1313-3. 9. LONGLEY, P. A., GOODCHILD, M., F., MAGUIRE, D. J., RHIND, D. W.: Geographic Information Systems and Science. John Wiley and Sons, Chichester, 2001. 454 s. ISBN 0-471-89275-0. 10. POMASKA, G.: Web-Visualisierung mit Open Source, Vom CAD-Modell zur Real-Time-Animation, Herbert Wichmann Verlag, Heidelberg, 2007, ISBN 978-3-87907-450-1. 11. REDDY, M.: Three-dimensional Visualization. In KEMP, K. K.: Encyclopedia of Geographic information science. Los Angeles. SAGE Publications, Inc., 2008a. s. 474-477. ISBN 978-1-4129-1313-3. 12. STOTER, J., ZLATANOVA, S.: 3D GIS, where are we standing? [on-line], 2003. [cit. 1. prosince 2011]. Dostupný na WWW: . 13. ZLATANOVA, S.: 3D model [on-line]. In Geospatial Today, 2009. [cit. 3. ledna 2012]. Dostupný na WWW: . 14. ŽÁRA, J., BENEŠ, B., SOCHOR, J., FELKEL, P.: Moderní počítačová grafika, Computer Press, Brno, 2004, ISBN 80-251-0454-0.
