ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ STUDIJNÍ PROGRAM GEODÉZIE A KARTOGRAFIE OBOR GEODÉZIE, KARTOGRAFIE A GEOINFORMATIKA

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE NOVÝ HRAD U KUNRATIC – TVORBA DETAILNÍHO 3D MODELU VYBRANÉ ČÁSTI

Vedoucí práce: Ing. Jindřich Hodač, Ph.D. Katedra geomatiky

Květen 2014

Alexandra Larina

ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ

Prohlašuji, že tuto bakalářskou práci Nový hrad u Kunratic – tvorba detailního 3D modelu vybrané části jsem vypracovala a napsala samostatně. Použitou literaturu a podkladové materiály uvádím v seznamu zdrojů.

V Praze dne (podpis autora)

PODĚKOVÁNÍ

Na tomto místě bych chtěla poděkovat vedoucímu bakalářské práce Ing. Jindřichu Hodačovi, Ph.D. za jeho pomoc při provedení měřických prací, odborné rady, poskytování podkladů a vedení v průběhu této práce. Dále bych poděkovala Olze Jasenovské za korekturu textu a morální podporu. Na závěr děkuji rodičům, sestře a kamarádům za podporu a inspiraci během studia.

ABSTRAKT Hlavním cílem této bakalářské práce je laserové skenování a následné zpracování dokumentace vybrané časti zříceniny Nového hradu u Kunratic, která se nachází v Praze. Byla provedena rekognoskace objektu zájmu a poté proběhlo podrobné zaměření pozůstatku II. věžovité hradní brány pomocí metody laserového skenování přístrojem SURPHASER 25 HSX. Pro souřadnicové připojení objektu bylo provedeno geodetické zaměření podrobných bodů totální stanicí TRIMBLE 3603 DR. Výsledná mračna bodů byla zpracována a transformována do systému S-JTSK v programu Geomagic Studio 2012. Řezy modelem se zpracovávaly v MicroStation V8i. Výsledkem práce je 3D model tvořený polygonovou vrstvou (trojúhelníkovou sítí), umístěný v souřadnicovém systému S-JTSK a ve výškovém systému Bpv. Dalším výstupem jsou řezy 3D modelem ve vhodném měřítku. Vytvořená dokumentace bude sloužit k potřebám archeologického odboru Národního památkového ústavu v Praze.

KLÍČOVÁ SLOVA: Geomagic Studio 2012, MicroStation V8i, 3D model, laserové skenování, měřická dokumentace, mračno bodů.

ABSTRACT The main goal of this Bachelor´s thesis is laser scanning and documentation of a chosen part of ruined king´s castle named “Nový hrad u Kunratic” in Prague. Terrain recognition was done at the object’s area. It was followed by scanning of the castle’s premises by laser scanner SURPHASER 25 HSX. Geodetic measuring was made by total station TRIMBLE 3603 DR to position the object into the coordinate system(SJTSK). The resulting point cloud was processed and transformed in the Geomagic Studio 2012. Cross sections of the 3D model were created in the MicroStation V8i. 3D model is a final outcome, which contains a polygon layer (triangular network). It has positional coordination system S-JTSK and vertical coordinate system Bpv. Another result includes cross sections of the model in proper scale. All documentation will be provided for use of Národní památkový ústav (Archeological department of National Heritage Institute) in Prague.

KEY WORDS: Geomagic Studio 2012, MicroStation V8i, 3D model, Laser scanning, documentation of the object, point cloud.

Obsah ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ ...................................................................................................... 2 PODĚKOVÁNÍ ..................................................................................................................... 3 ABSTRAKT .......................................................................................................................... 5 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK ................................................................................... 9 ÚVOD.................................................................................................................................. 10 1

HISTORIE NOVÉHO HRADU U KUNRATIC ......................................................... 11 1.1

2

POUŽITÉ TECHNOLOGIE A PŘÍSTROJE ............................................................... 14 2.1

3

4

Stav hradu v současné době .................................................................................. 12

Technologie laserového skenování ....................................................................... 14

2.1.1

Charakteristiky laserových skenerů ............................................................... 15

2.1.2

Výhody a nevýhody technologie 3D skenování ............................................ 17

2.2

Skenovací systém Surphaser 25 HSX ................................................................... 18

2.3

Totální stanice Trimble 3603 DR ......................................................................... 19

PRÁCE V TERÉNU .................................................................................................... 20 3.1

Rekognoskace terénu ............................................................................................ 20

3.2

Přípravné práce ..................................................................................................... 20

3.3

Měření ................................................................................................................... 21

3.3.1

Skenování objektu ......................................................................................... 21

3.3.2

Geodetické zaměření vlícovacích bodů ......................................................... 23

ZPRACOVÁNÍ PROSTOROVÉHO MODELU ......................................................... 25 4.1

Geodetické výpočty .............................................................................................. 25

4.2

Zpracování dat laserového skenování ................................................................... 26

4.2.1

Export dat ...................................................................................................... 26

4.2.2

Software Geomagic Studio 2012 .................................................................. 26

4.2.2.1

Základní ovládání ................................................................................... 27

4.2.2.2

Redukce dat ............................................................................................ 29

5

6

4.2.2.3

Spojování skenů ..................................................................................... 32

4.2.2.4

Generování trojúhelníkové sítě .............................................................. 36

4.2.2.5

Úprava polygonové vrstvy ..................................................................... 37

4.2.2.6

Vyplnění otvorů...................................................................................... 41

4.2.3

Transformace modelu do S-JTSK ................................................................. 42

4.2.4

Tisk 3D modelu do PDF ................................................................................ 45

4.2.5

Vytvořené 3D modely ................................................................................... 46

TVORBA ŘEZŮ OBJEKTEM .................................................................................... 47 5.1

Tvorba podkladu v Geomagic Studio 2012 .......................................................... 47

5.2

Zpracování řezu v MicroStation V8i .................................................................... 48

Zhodnocení jednotlivých etap zpracování.................................................................... 51

ZÁVĚR ................................................................................................................................ 52 SEZNAM OBRÁZKŮ ........................................................................................................ 54 SEZNAM ZDROJŮ ............................................................................................................ 56 SEZNAM PŘÍLOH ............................................................................................................. 58 PŘÍLOHA 1 ......................................................................................................................... 59 PŘÍLOHA 2 ......................................................................................................................... 60 PŘÍLOHA 3 ......................................................................................................................... 61 PŘÍLOHA 4 ......................................................................................................................... 62 PŘÍLOHA 5 ......................................................................................................................... 63

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK S-JTSK – souřadnicový systém jednotné trigonometrické sítě katastrální Bpv – výškový systém Balt po vyrovnání NPÚ – Národní památkový ústav ČSN – České technické normy PPBP – Podrobné polohové bodové pole ČR – Česká republika IB – identický bod

ČVUT V PRAZE

ÚVOD

ÚVOD Tato bakalářská práce se věnuje problematice sběru měřických dat a následnému zpracování dokumentace památkového objektu - Nového hradu u Kunratic. Téma bylo nabídnuto archeology z Národního památkového ústavu v rámci činností vyhodnocování a dokumentace stavu zříceniny po ukončení jedné z fází rekonstrukce. Obsah daného tématu byl rozdělen do dvou bakalářských prací, ve kterých se hrad rozděloval na dvě dílčí části a zpracovával se různými metodami (druhá část - fotogrammetrie, Monika Kutišová). Hlavním cílem této práce bylo provést laserové skenování objektu zájmu a dále vyhotovit kvalitní a podrobný prostorový model zříceniny. Výsledný 3D model bude využíván pro vyhodnocení stavu po provedení rekonstrukčních činností, a také pro následující modelování navazujících součástí objektu. Dalším cílem bylo vytvořit řezy a pohledy podle požadavků zadavatele. V úvodní kapitole jsou uvedeny historické informace o královském hradu u Kunratic od doby založení až po současnost, kdy se provádí rekonstrukční a konzervační práce. Dále jsou uvedeny teoretické informace o použité metodě laserového skenování a technické charakteristiky přístrojů, aplikovaných při měření. Třetí kapitola je věnována takovým měřickým krokům, kterými jsou rekognoskace terénu, přípravné činnosti, prostorové skenování a geodetické zaměření objektu zájmu. Nejrozsáhlejší částí práce je kapitola o vytváření 3D modelů prostřednictvím spojování mračen bodů, z jednotlivých pořízených skenů. Tím vzniká jedno celkové mračno. Dalším krokem je budování nepravidelné trojúhelníkové sítě. Veškerá zpracování spojená s tvorbou 3D modelu byla provedena s využitím programu Geomagic Studio 2012 [17]. Poslední kapitola se zabývá vyhotovením grafických výstupů v CAD prostředí a to zejména v programu MicroStation V8i [22]. Za grafické výsledky jsou považovány vektorové výkresy řezů modelu, 2D řezy s pohledem a náhled shora na celý objekt. V závěru jsou vyhodnoceny přesnosti jednotlivých fází zpracování. Výsledné prostorové modely jsou uloženy do různých formátů (např. OBJ, PDF, DGN) pro možnost jejich aplikace v jiných programech než jsou uvedeny v této práci.

10

ČVUT V PRAZE

1

HISTORIE NOVÉHO HRADU U KUNRATIC


Nový

hrad u

Kunratic

(někdy

se

také

uvádí

název

Nový

hrádek

nebo

německy Wenzelsburg) je zřícenina královského gotického hradu ležící v Kunratickém lese na lesnaté ostrožně obtékané Kunratickým potokem. Tato ostrožna se nachází v pražské městské části Kunratice.[1] Hrad nechal postavit v roce 1411 syn Karla IV. Václav IV. jako své letní sídlo, které se stalo vrcholem hradní architektury té doby, jak uvádí [2]. Nový hrad byl tvořen dvěma paláci a hranolovou věží se dvěma vstupními branami. Neopevněné předhradí bylo od hradu odděleno další hradbou s příkopem. Hrad neměl dlouhého trvání, nejdůležitější skutečností

z jeho

prosince 1420 byl

historie hrad

byla

obležen

smrt

Václava IV. (16. srpna 1419).

husitským vojskem Pražanů

a

V polovině

27. ledna 1421 byl

definitivně dobit a zdevastovaný zapálen. Žádný panovník už neprojevil zájem o jeho obnovu. Zbytky kamenných zdí byly později částečně rozebrány na okolní stavby. Od roku 1735 do konce 18. století se ve zřícenině nacházela kaple sv. Jana Nepomuckého. Na konci 19. století byl hrad srovnán se zemí do úrovně sklepů, protože zdi byly nestabilní a nebezpečné pro děti, které si sem chodili hrát. [1] Ve 20. letech 20. století proběhl v prostorách bývalého hradu archeologický výzkum, který ovšem nikdy nebyl dokončen a jeho výsledky shořely se Staroměstskou radnicí v roce 1945. Přestože byl hrad i obléhací husitský tábor v roce 1958 prohlášen kulturní památkou chráněnou zákonem, veřejností toto místo nijak respektováno nebylo. [3]

11

ČVUT V PRAZE


Obr. 1 Půdorys hradu podle T. Durdíka (čerpáno z [4])

1.1 Stav hradu v současné době Dodnes se zachovaly jen skromné zbytky zdí obdélného paláce a věže. V předhradí jsou stále patrné zbytky husitských valů z doby obléhání hradu. [1] I když význam této památky přesahuje české hranice a řada zahraničních odborníků už si pozůstatky tábora byla prohlédnout, trvalo 537 let, než byl tábor spolu s hradem vyhlášen kulturní památkou a dalších 51 let tato památka čekala na své první označení. Mnoho desetiletí se totiž pouze mluvilo a psalo na papír. Reálná pomoc neexistovala. Areál kulturní památky mizel pod koly cyklistů i nezodpovědných a neinformovaných návštěvníků. [5] Ale v roce 2009 byl projeven o zříceninu zájem a začaly se vytvářet projekty pro sanace a údržby hradu. Přes zříceninu byla vedena naučná stezka a byly postaveny informační tabule s historickými údaji a zajímavostmi o hrádku. Na konci zimy roku 2010 došlo v těsné blízkosti hradu k pokácení náletových dřevin tak, aby nebyla ohrožena stabilita zdí. V červnu byly horolezeckým způsobem pokáceny stromy v interiéru bývalého sklepení a zahájen archeologický výzkum v místech 12

ČVUT V PRAZE


budoucího mostku přes hradní příkop. [3] Od října probíhaly také přípravné práce, při kterých bylo nepatrně zarovnáno dno ve sklepení hradu. Následně byly z násypů vybírány kameny použitelné ke zpevnění hradních zdí a byl otevřen jeden ze starých kunratických lomů, kde se zbývající kámen dotěžil. [6] V roce 2013 byly provedeny další opravné práce a byl postaven dřevěný most přes hradní příkop. Projekt rekonstrukce Nového hradu u Kunratic byl úspěšně realizován Národním památkovým ústavem (Obr. 2). Díky bezbariérové dostupnosti může areál zříceniny a husitského tábora navštívit v zásadě kdokoliv.

Obr. 2 Současný stav vybrané části hradu

13

ČVUT V PRAZE

2

POUŽITÉ TECHNOLOGIE A PŘÍSTROJE


Předmětem zaměření byl velmi členitý zděný objekt, který by ve výsledné dokumentaci měl být představen ve tvaru prostorového modelu. Jednou z technologií, která je vhodná při práci s prostorovými daty, je metoda laserového skenování. Proto pro měření jedné části Nového hrádku u Kunratic bylo zvoleno použití metody laserového skenování. Tato technologie byla vybrána díky její časové nenáročnosti, vysoké přesnosti pořizovaných dat a relativně rychlému zpracování 3D výstupů. Pro

porovnání

přesnosti

výsledků

byla

druhá

část

zříceniny

zpracována

fotogrammetrickou metodou optické korelace (je popsána v bakalářské práci Moniky Kutišové).

2.1 Technologie laserového skenování Terestrické 3D skenovací systémy jako technologie umožňují bezkontaktní určování prostorových souřadnic, 3D modelování a vizualizaci složitých staveb a konstrukcí interiérů, podzemních prostor, libovolných terénů, historických, archeologických, památkových a dalších objektů s mimořádnou rychlostí, přesností, komplexností a bezpečností. Většina skenovacích systémů využívá nejmodernější pulzní laserovou technologii pro měření délek a určuje polohu bodů prostorovou polární metodou. [7] 3D skenování je v současné době technologií získávání prostorových dat o objektech, která se poměrně rychle rozvíjí. Na rozdíl od jiných měřických metod laserové skenování je neselektivní, což znamená, že prostorové body nejsou vybírány měřičem, ale jsou měřeny v pravidelném rastru. Velikost měřeného rastru měřič může nastavit podle požadované podrobnosti výsledného mračna bodů. Laserový skenovací systém je definován jako systém umožňující převést reálný objekt do podoby počítačového virtuálního modelu CAD. Tento systém se skládá ze 3D skeneru, řídící jednotky, vhodnému softwaru pro řízení skenování, programu pro zpracování naměřených dat a příslušenství (stativ, baterie, terče, kabely, bílé koule atd.). Při skenování se používají různé druhy laserových skenerů, které mají různé charakteristiky. Na měření této bakalářské práce byl využit polární fázový skener SURPHASER 25 HSX [12]. Základem tohoto typu skeneru je měření fázových rozdílů mezi vyslanou a přijatou vlnou, z toho se následně vypočte vzdálenost

na jednotlivé 14

ČVUT V PRAZE


body objektu. Také jsou měřeny vertikální úhly

a horizontální úhly . Na základě těchto

údajů se provádí výpočet prostorové polární metody (Obr. 3).

Obr. 3 Grafické znázornění prostorové polární metody (převzato z [7])

2.1.1 Charakteristiky laserových skenerů 3D laserový skener je takové zařízení, které je schopno po nastavení parametrů skenování obsluhující osobou automaticky provést 3D skenování. V dnešní době existuje více druhů laserových skenerů, které se dají porovnat podle různých kritérií. Základními charakteristikami těchto přístrojů je umístění přístroje, funkční princip, způsob měření vzdálenosti, tvar zorného pole, dálkový dosah, rychlost a přesnost skenování. Dále je uvedeno třídění skenerů podle jednotlivých charakteristik. Podle způsobu umístění skenery mohou být: 

Pozemní (statický - postavený na stativu)



Letecké (nesený letadlem, vrtulníkem)



Mobilní (nesený automobilem, lodí)



Ruční

Následně je možné rozdělit statické skenery podle funkčního principu: 



Polární skenery -

Měření fázového rozdílu (mají vestavěný fázový elektronický dálkoměr)

-

Měření tranzitního času (mají vestavěný impulsový elektronický dálkoměr)

Skenery se základnou (mají vestavěný optický dálkoměr) -

jedna CCD kamera

-

dvě CCD kamery 15

ČVUT V PRAZE


U skeneru přímo měřícího prostorovou vzdálenost je využito buď měření tranzitního času anebo vzniklého fázového rozdílu. U jednokamerového systému je základna tvořena CCD kamerou a středem rotace zrcátka, snímá se stopa laserového svazku na objektu. U dvoukamerového systému je základna tvořena dvěma konvergentně zamířenými CCD kamerami a projektorem se vytváří světelný řez, nebo se opět využije laseru. [7],[8] Ve skenovacích systémech je měření vzdálenosti založeno převážně na elektronickém způsobu měření nebo na optickém (triangulace ze známé základny). V současné době se u skenovacích

systémů

využívá

odrazu

přímo

od

povrchu

měřeného

objektu (tzv. pasivní odraz). [9] Podle dosahu lze skenovací systémy rozdělit do skupin: -

systémy s velmi krátkým dosahem D1 (0,1 m až 2,0 m)

-

systémy s krátkým dosahem D2 (2 m až 10 m)

-

systémy se středním dosahem D3 (10 m až 100 m)

-

systémy s dlouhým dosahem D4 (100 m až stovky m)

Dělení podle charakteristiky přesnosti: -

P1 (0,01 mm až 1 mm) platí pro D1 s malou základnou skeneru

-

P2 (0,5 mm až 2 mm) platí pro D2 s velkou základnou skeneru

-

P3 (2 mm až 6 mm) platí pro D3

-

P4 (10 mm až 100 mm) platí pro D4

Podle rychlosti měření podrobných bodů lze skenovací systémy přibližně rozdělit do čtyř skupin: -

systémy s velmi vysokou rychlostí R1 (více jak 50 000 bodů za sekundu)

-

systémy s vysokou rychlostí R2 (1 000 až 50 000 bodů za sekundu)

-

systémy se střední rychlostí R3 (10 až 1 000 bodů za sekundu)

-

systémy s nízkou rychlostí R4 (od 10 bodů za sekundu)

Rychlost skenovacího systému především závisí na tom, jestli je přístroj primárně určen na sběr velkého množství dat. Velmi vysokou rychlost mají skenery používající fázové dálkoměry.

Skenery

s impulsním

dálkoměrem

skenují

s vysokou

a

střední

rychlostí. [7],[10]

16

ČVUT V PRAZE 2.1.2


Výhody a nevýhody technologie 3D skenování

Technologie laserového skenování je v dnešní době velmi používanou metodou, ale stejně jako mnoho ostatních metod má i své klady a zápory. Mezi hlavní výhody můžeme zařadit: 

Přesné zaměření stávajícího stavu s výrazně vyšší produktivitou práce a tedy i finančními úsporami



Významné zkrácení práce v terénu při podstatně vyšší bezpečnosti



Měření může probíhat za plného provozu, popř. s výraznou redukcí délky odstávky náročných provozů na minimum

Nevýhodami použití laserových systémů jsou: 

Špatná identifikace hran předmětu měření



Nutný speciální software na export a zpracování pořízených skenů



Velmi drahé přístroje i software, které rychle zastarávají



Občas příliš velká mračna bodů, což je náročné na zpracování [9]

17

ČVUT V PRAZE


2.2 Skenovací systém Surphaser 25 HSX Zaměření objektu probíhalo pomocí skenovacího přístroje Surphaser 25 HSX (výrobní

číslo:

BS-SCHSX025858)

model

IR_X

americké

firmy

Basis

Software, Inc. (Obr. 4). Jedná se o 3D fázový hemisférický skener vykazující přesnost pod 1 mm při rychlosti skenování až 1 milion bodů za sekundu. Zorné pole je 360° x 270°, což znamená, že oblast skenování je omezená pod přístrojem, hloubkovým úhlem 45° z každé strany. Vlnová délka je 685 nm (červená) a skener je zařazen do bezpečnostní třídy 3R podle normy ČSN EN 60825. [11] Přístroj využívá vlastní software Surph Express Standard a je nabízen v pěti typech podle pracovního dosahu (SR, IR_X, MR_X, ER_XQ4, ER_XS4). Model IR_X je určen pro střední dosah 0,4 až 30 m (Tab. 1). Pro použití skeneru bylo nutné mít počítač s vhodným softwarem, externí paměť, stativ, baterie, kabely pro napojení baterie a počítače.[12]

Obr. 4 3D skener Surphaser 25 HSX

Technické charakteristiky: Konfigurace

IR_X

Nejednoznačný rozsah

70 m

Doporučený pracovní rozsah

0,4-30 m

Úroveň šumu, sigma

0,12 mm na 3 m

Hustota skenování

216 000 – 1 200 000 teček za sek.

Typ laseru

CW

Vertikální hustota

24 až 90 teček na 1°

Horizontální hustota

10 až 90teček na 1°

Váha

11 kg

Tab. 1 Technické charakteristiky skenovacího systému Surphaser 25 HSX (čerpáno z [12])

18

ČVUT V PRAZE


2.3 Totální stanice Trimble 3603 DR Geodetické

zaměření

proběhlo

pomocí

totální

stanice

Trimble

3603

DR

(číslo přístroje 501081A). Přístroj provádí měření délek v jedné poloze a umožnuje jak měření na odrazný hranol, tak i měření bez hranolu. Přesnost určení délek je 3 mm+2 ppm a úhlová přesnost je 1 mgon. Maximální vzdálenost na bezodrazový cíl je 120 m. Při práci s totální stanicí se zakládá zakázka a následně se nastavuje měřický program. Přístroj ukládá všechna data do interní paměti. [13]

Obr. 5 Trimble 3603 DR

19

ČVUT V PRAZE

3

PRÁCE V TERÉNU

PRÁCE V TERÉNU

3.1 Rekognoskace terénu Nejprve byla v lokalitě zříceniny hradu u Kunratic provedena rekognoskace terénu. Provedlo se snímkování objektu pro následné přípravné práce. Předpokládaný počet stanovisek pro skenování byl určen na 10, a 3 stanoviska na geodetické zaměření. Stanoviska pro skenování by měla být umístěna ve dvou výškových úrovních, tj. podloží zadané místnosti zříceniny a horní úroveň stěn místnosti. Předpokládaná doba provedení měřických práci by měla být jeden den. Také bylo zjištěno, že vstup do zadané místnosti je obtížný.

3.2 Přípravné práce Po rekognoskaci byla provedena příprava vlícovacích bodů pro geodetické zaměření na pořízených snímcích. Identické body se volily tak, aby byly dobře prostorově identifikovatelné (tj. ostré vystupující rohy kamenů) a zároveň aby byly umístěny rovnoměrně po celé stěně. Body se vyhledávaly na třech stěnách a jejich minimální počet byl 3. Avšak vždy bylo určováno nadbytečné množství podrobných bodů z důvodu kontroly

a

následného

vyrovnání.

Výsledná

přehledka

je

uvedena

na DVD (C_meření volbaIB).

Obr. 6 Ukázka volby podrobných bodů

20

ČVUT V PRAZE

PRÁCE V TERÉNU

Pro geodetické připojení výsledného modelu bylo nutné provést geodetické připojení na body PPBP v souřadnicovém systému S-JTSK. Proto na webových stránkách Českého úřadu zeměměřického a katastrálního bylo provedeno vyhledávání připojovacích bodů PPBP v oblasti hradu. Pro výškové připojení byly použity zjištěné výšky bodů v systému Bpv z podkladu připravených Archeologickým odborem NPÚ. [14],[15]

Obr. 7 PPBP v lokalitě hradu v geoprohlížeči ČÚZK

3.3 Měření Měření probíhalo 14. 11. 2013 od 9 hodin do 15 hodin v lokalitě Kunratického lesa v Praze. Celkově se měření podařilo. Počasí za měřických prací bylo: zataženo, občas slunce, teplota +3°C, mírný vítr. 3.3.1 Skenování objektu V první fázi se provádělo skenování zadaného objektu. Pro usnadnění následného spojování skenů na objektu bylo rozmístěno 10 bílých koulí o průměru 145 mm. Umístění bylo voleno tak, aby koule byly v rozích místnosti v horní i dolní úrovni a aby z každého stanoviska bylo vidět alespoň tři koule. Na stanovisku byl postaven stativ, tak aby jeho hlava byla ve vodorovné rovině. Na stativ byl poté připevněn skener Surphaser 25 HSX [11] pomocí upínacího šroubu, a to tak aby byl vhodně orientován vzhledem ke stěnám (vždy souběžně s jednou vybranou stěnou). 21

ČVUT V PRAZE

PRÁCE V TERÉNU

Skenovací systém byl následně pomocí kabelů připojen k počítači a ke zdroji energie. Skener se zapnul klíčem, a tím byl zprovozněn software v počítači. Použitý program Surph Express Standard je uřčen pro ovládání skenovacího systému a pro nastavení charakteristik skenování. Program slouží taky pro ukládání výsledných dat a pro jejich následné prohlížení a export. Pomocí tohoto programu bylo provedeno „parkování“ skeneru, což znamenalo, že přístroj se začínal točit kolem své osy a snažil se najít svou počáteční polohu. Poté bylo důležité provést nastavení výchozích parametrů. Ve složce Scan (Obr. 8) se vkládala požadovaná hustota skenování, v našem případě pro skenování dolní úrovni zříceniny byla nastavována stopa laserového svazku na hodnotu 4 mm na 5 m, pro horní úroveň tato hodnota byla nastavena 5 mm na 10 m.

Obr. 8 Ukázka záložky Scan v programu Surph Express Standard

Dále je možné v nastaveních určit rozsah skenování ve funkci Scan Region: 

Full volume – skenování v rozsahu 360° x 270°, oblast zájmu je celé okolí kolem skenovacího systému.



Sector scan – umožňuje nastavit rozsah měření podle vodorovného úhlu, používá se v případě, když oblast zájmu je docela malá a proto není potřeba skenovat celých 360°, což ušetří čas a zmenší datovou velikost.



Scan from preview selection – nástroj, který umožnuje skenovat území označené na ukázkovém skenu (toto umožňuje funkce rychlého skenování).

22

ČVUT V PRAZE

PRÁCE V TERÉNU

Po veškerých nastaveních program vypočítá předpokládanou dobu trvání jednoho skenu a velikost datového souboru. Při plném rozsahu 360° skenování probíhalo přibližně 12 min., proto byla na některých stanoviscích pro ušetření času použita metoda Scan from preview selection, u které bylo předběžně nutné provést rychlé skenování, a v ukázkovém okně vyznačit oblast zájmu. Na každém stanovisku se vyplňovaly výše uvedené kroky. Na třetím stanovisku došlo k tomu, že jedna koule byla posunuta, proto byly při zpracování z prvních dvou skenů vymazány body, tvořící tuto kouli a do výpočtů se nezahrnovaly. Z důvodu zaměření dostatečného počtu koulí z každého stanoviska, nezpůsobilo posunutí jedné žádnou chybu. Výsledný počet stanovisek, ze kterých se skenovalo, byl 11 (4 v dolní úrovni a 7 v horní). (Obr. 9)

Obr. 9 Náčrt stanovisek skenování

3.3.2 Geodetické zaměření vlícovacích bodů Pro umístění výsledného 3D modelu do polohového souřadnicového systému S-JTSK a výškového systému Bpv bylo nezbytné provést geodetické zaměření identických bodů objektu, které byly vyhledány během přípravných prací. Měření se realizovalo pomocí totální stanice TRIMBLE 3603 DR [13]. Během rekognoskace a přípravných prací byly identifikovány vyhovující připojovací body PPBP. V první etapě geodetického měření se určovala poloha vhodně zvoleného 23

ČVUT V PRAZE

PRÁCE V TERÉNU

volného stanoviska 4001. Přes tento bod byl veden uzavřený polygonový pořad o jednom vrcholu z bodu 725 na bod 723. Dané zaměření prováděla Monika Kutišová, v jejíž bakalářské práci je uveden podrobnější postup měřických prací a výpočtu souřadnic volného stanoviska. Pro účel dalšího měření byly souřadnice bodu 4001 převzaty z její práce a výsledný protokol z programu Groma je uveden na DVD (C_měření výpočty). Ve druhé etapě bylo provedeno zaměření podrobných bodů, které byly při dalším zpracování považovány za identické. K tomuto byl zaměřen volný jednostranně orientovaný polygonový pořád, který vycházel z bodu 4001 s orientací na body 725 a 723. Dále tento polygon procházel volnými stanovisky 5001 a 5002, poloha těchto bodů se volila s vhodnou viditelností na objekt a na sousední stanoviska. Cílem měření bylo určit polohu a výšku bodů, proto byly vždy měřeny vodorovné směry, zenitové úhly a šikmé vzdálenosti. Orientace a sousední stanoviska byla pro kontrolu zaměřována ve dvou polohách dalekohledu, vlícovací body se měřily pouze v jedné poloze. Na obrázku (Obr. 10) je zobrazeno umístění stanovisek geodetického měření. Výsledný zápisník z mého měření je uveden v záložce C_meření výpočty na DVD.

Obr. 10 Náčrt stanovisek geodetického zaměření

24

ČVUT V PRAZE

4

ZPRACOVÁNÍ PROSTOROVÉHO MODELU


4.1 Geodetické výpočty Z totální stanice Trimble 3603 DR [13] byla vyexportována zakázka s příslušným měřením ve formátu

JOB (víc

digitální

přílohy

na

DVD),

který

byl

následně

načten

do programu Groma [16]. Na začátku výpočtu v softwaru Groma bylo nastaveno délkové měřítko pomocí funkce Křovák, do které se vložily souřadnice připojovacího bodu 725. Na obrázku (Obr. 11) je uveden výsledný měřítkový koeficient. Poté byla načtena zakázka s naměřenými hodnotami. Měřené šikmé délky byly automaticky opraveny o kartografické zkreslení a z nadmořské výšky pomocí vypočteného měřítkového koeficientu. Při zpracování zápisníku byly dodrženy mezní odchylky měřených hodnot. Rozdíl vodorovných směrů na stanovisku 5002 nabýval hodnoty 1 mgon, rozdíl zenitových úhlů 0,5 mgon. Obousměrně měřené délky se od sebe lišily maximálně o 3 mm. Výsledný protokol je uveden v digitálních přílohách na DVD. Následně proběhl výpočet souřadnic stanovisek 5001 a 5002 pomocí polární metody. Na stanovisku 4001 bylo orientováno na 2 připojovací body 725 a 723. Rozdíl hodnoty směrníku na orientaci vypočtenou z měřených směrů a vypočtenou ze souřadnic je 4,1 mgon, což odpovídá požadované mezní odchylce. Dodržená přesnost byla posouzena z kontrolně měřených hodnot (délek, směrů), ze kterých byl udělán průměr. Na konci se provedl výpočet souřadnic vlícovacích bodů pomocí funkce Polární metoda dávkou. Výsledný protokol o výpočtu a souřadnice bodů jsou na DVD.

Obr. 11 Výpočet délkového zkreslení v programu Groma

25

ČVUT V PRAZE


4.2 Zpracování dat laserového skenování 4.2.1 Export dat Při skenování byly vytvářeny skeny ve formátu .c3d, avšak pro následující zpracování v programu Geomagic Studio 2012 [17] bylo nutné je převést do formátu podporovaného softwarem, a to je zejména .xya. Data byla exportována v programu pro ovládání skeneru - Surph Express Standard, který již byl zmíněn výše. V tomto softwaru bylo možné ovlivňovat výslednou oblast exportu, což bylo zcela využito. Po načtení jednotlivých skenů v programu se znázorňovalo okno s obrazovou ukázkou obsahu skenu. Dále pomocí Combo boxu byla vždy vybrána oblast zájmu a odstraněny „slepé zóny“, v nichž se nic nezobrazovalo. Export každého skenu trval přibližně 30 minut, výsledná velikost jednotlivých skenů byla v rozmezí od 200 až po 700 MB. 4.2.2 Software Geomagic Studio 2012 Pro úpravu dat získaných metodou laserového skenování, pro vytváření 3D modelu zříceniny a následnou manipulaci s ním byl použit software Geomagic Studio 2012 americké společnosti Geomagic Inc.[17]. Tento program je určen k profesionálnímu zpracování

mračna

bodu

a

převádění

ho

do

povrchového

3D

modelu.

Geomagic Studio 2012 má velkou sadu nástrojů pro práci s prostorovými daty, pro opravu a tvarování polygonových vrstev. Zvládne analyzovat a zpracovávat velké objemy dat (velikost záleží na paměťových parametrech počítače) do 100 milionů bodů.

Obr. 12 Pracovní prostředí programu Geomagic Studio 2012

26

ČVUT V PRAZE


Program má příjemné uživatelské rozhraní a má relativně jednoduché, pohodlné a intuitivní ovládání. Geomagic Studio 2012 má provedení v několika jazycích, v této bakalářské práce byl použit program v češtině (Obr. 12). 4.2.2.1 Základní ovládání Základními funkcemi ovládání v prostoru jsou: 

Posun: Alt + pravé tlačítko myši (realizuje posun vpravo – vlevo a nahoru – dolu)



Zoom: kolečko myši (realizuje přibližování a oddalování)



Rotace: Ctrl + pravé tlačítko myši (realizuje rotace kolem těžiště objektu)



Změna osvětlení: Alt + levé tlačítko myši (u kurzoru vzniká ikona slunce, otočením kolem svislé osy se mění osvětlení objektu)



Výběr prvků: tažení s udržováním levého tlačítka myši

Defaultně v programu je nastavena rotace objektu kolem jeho těžiště, ale je možnost nastavit

centrum

otáčení

na

jakýkoliv

bod

na

objektu

pomocí

funkce

Nastavit střed otáčení. Tato funkce se nachází v kontextovém menu po stisknutí prostředního tlačítka myši. Rotace v programu je originálně řešena tím, že je závislá na místě, kde dochází ke stisknutí prostředního tlačítka myši. Ve střední části orientační koule (ta se objeví po stisknutí levého tlačítka) dochází k rotaci kolem svislé a vodorovné osy v rovině obrazovky (podle směru pohybu myši). V okrajové části dochází k rotaci kolem vodorovné osy kolmé na rovinu obrazovky. Výběr oblasti zájmu se dá provádět s využitím různých nástrojů: - výběr oblasti ve tvaru obdélníku. - výběr oblasti ve tvaru kružnice. - výběr oblasti přímkou. - výběr oblasti vyznačením malířským štětcem (oblast zájmu se obarvuje pomocí štětce). - výběr oblasti ohraničené lasem (vytváří se obvod pomocí křivky, průběh křivky se určuje tažením lasa pomocí levého tlačítka myši). 27

ČVUT V PRAZE


- výběr oblasti ohraničené polygonem. - výběr oblasti pomocí uživatelského módu (kreslení hraničního obvodu pomocí definování lomových bodů). Nejvíce při zpracování se využívalo módu s lasem, který byl považován za nejpohodlnější. Pro dobrou orientaci ve virtuálním prostoru je někdy velmi vhodné zobrazit jenom zájmovou část. Toto se dá udělat využitím nástroje

Zobrazit – Pouze vybrané,

který je umístěn na hlavní liště pracovního okna programu. Vrátit do původního stavu je možné pomocí funkci Zobrazit – Celý model. Z důvodu nevyhnutelnosti práce s velkými daty bylo vhodné občas zobrazovat objekt jen částečně. K tomuto jsou v Geomagic Studio 2012 užitečná nastavení v levém panelu v záložce Zobrazit, ve které jsou dále uvedené nabídky (Obr. 13).

Obr. 13 Obsah záložky: Zobrazit

V modulu Obecné jsou tyto složky: 

World osy – zviditelní osy X, Y, Z nastaveného souřadnicového systému (defaultně je nastaven místní souřadnicový systém s počátkem v těžišti objektu)



Indikátor os – zviditelní v rohu pracovního okna směr World os



Ohraničující box – vykreslí takový rovnoběžnostěn, který vystihuje objekt zájmu



Průhlednost – je možné různě nastavovat průhlednost výsledného modelu 28

ČVUT V PRAZE 


Řez objektem – prokládá objekt rovinou řezu (podle nastaveného pohledu), umístění se dá regulovat posuvníkem. Tato funkce byla využita při tvorbě řezu, která je popsána v kapitole 5.



Maska výběru – nastavení masky pro zobrazení zájmové části



Velikost zobrazení bodu – mění velikost vykreslovaných bodů



Velikost zobrazení hrany – mění velikost vykreslovaných hran



Statické procento zobrazení – velmi důležitá funkce, která určuje poměr zobrazovaných bodů v procentech. Často ve větších modelech se využívala hodnota 33 % od celého objektu.



Procentuální hodnota dynamického zobrazení – velmi důležitá funkce, která slouží pro urychlení práce s velkými objemy dat. Tento nástroj určuje procentuální hodnotu zobrazovaných bodů v okamžiky manipulace s objektem.

V modulu Zobrazení geometrie při práci s polygonovou vrstvou jsou důležité tyto složky: 

Body



Zadní plocha – barevně rozlišuje přední a zadní strany trojúhelníků vytvořené trojúhelníkové sítě



Trojúhelníky – barevně vyplňuje plochy trojúhelníků, čímž vzniká barevný povrch objektu, tvořeného trojúhelníkovou sítí



Hrany – zdůrazňuje hrany jednotlivých trojúhelníků v trojúhelníkové síti



Otvory – vykresluje hranice otvorů, ve kterých nebyla vygenerována nepravidelná trojúhelníková síť



Hranice – zdůrazňuje linií hranice objektu

Všechny tyto nástroje umožňují pohodlnou a rychlejší práci v Geomagic Studio 2012 a byly zcela využity v průběhu tvorby 3D modelu zříceniny Nového hrádku u Kunratic. Další práce, týkající se vyhotovení prostorového modelu, se řídily podle návodu pro zpracování v Geomagic Studio od Ing. B. Kosky, Ph.D.[18] 4.2.2.2 Redukce dat Vyexportované skeny byly importovány do Geomagic Studio a bylo aplikováno stínování bodů pomocí nástroje Stínování jednotlivých

skenů

, umístěného na horní liště v záložce Body. Při načtení

vždy vznikalo

dotazové

okno

s výběrem

vzorkování

dat, 29

ČVUT V PRAZE


v tabulce (Tab. 2) je uvedena závislost počtu bodů na zvolené procentuální hodnotě vzorkování. Vzorkování

Počet bodů

Předpokládaný celkový rozměr spojeného modelu bez redukce dat

100 %

15 ml

165 ml

50 %

7 ml

77 ml

33 %

5 ml

50 ml

25 %

4 ml

40 ml

10 %

2 ml

20 ml

5%

1 ml

10 ml

2%

300 tis

3 ml

1%

150 tis

1,5 ml

Tab. 2 Závislost počtu bodů výsledného mračna na vzorkování

Byly vyzkoušeny varianty 2%, 25%, 33% a 50%. V případě 2% vzorkování bodů bylo nedostatečné množství pro vyhotovení kvalitního modelu, dále byl pokus zpracovat 50 % dat, v tomto případě data naopak byla obrovská a počítač nebyl schopen vypočítat trojúhelníkovou síť, o které bude podrobněji v kapitole 4.2.2.4 Generování trojúhelníkové sítě. Nakonec bylo použito 33 % a 25 % dat, u těchto variant byly dosaženy podobné výsledky.

Na

konzultaci

s pracovníky

archeologického

odboru

NPÚ

bylo rozhodnuto zpracování vzorkování 33 % pro větší podrobnost detailů modelu. Archeologové byli s přesností mezivýsledků spokojeni. Dále bylo provedeno postupné čištění skenů od nadbytečných bodů (Obr. 14) pro ulehčení práce podle kroků: 1. Ruční mazání – byly vybrány prvky mimo objekt zájmu a dále odstraněny klávesou Delete. Také byla odstraněna kružnice bodů, která chybně vznikala na každém stanovisku pod skenerem. Vymazány byly taktéž slepé zóny skeneru (Obr. 15).

30

ČVUT V PRAZE


2. Výběr odlehlých oblastí

- funkce je určena pro vyhledávání a odstranění

odlehlých oblastí bodů. Prostřednictvím tohoto nástroje byly vynechány případné zbytečné sady bodů. 3.

Výběr odlehlých bodů

- funkce je určena pro vyhledávání a odstranění bodů,

které jsou z důvodu hrubých chyb nebo velkého vlivu šumu odlehlé. Intenzitu opravy je možné nastavovat v políčku Citlivost. V rámci oprav skenů byla ponechána defaultní hodnota citlivosti 30,713.

Obr. 14 Mračno bodů do a po očištění

Obr. 15 Kružnice bodů na stanovisku skeneru a hranice slepé zóny

Takto upravené skeny byly zředěny, protože výsledky s nastavenou hustotou při měření byly daleko přesnější, než bylo požadováno. Zředění se realizovalo sjednocením vzorkování mračna bodů s výjimkou oblastí s velkou křivostí ve funkci Jednotné

.

Jedná se o inteligentní nástroj, který umožňuje značně snížit hustotu mračna bodů 31

ČVUT V PRAZE


se zachováním všech detailů objektu. Funkce je použitelná jak na celý model, tak i na vybrané části. Důležité bylo správně provést nastavení v levém panelu při spuštění tohoto nástroje (Obr. 16). V políčku Absolutní se navrhuje průměrná vzdálenost bodů na základě analýzy vstupních dat. Tato hodnota odpovídá požadovanému rozestupu bodů v zónách s malou křivostí. Program automaticky navrhuje hodnotu hustoty, ale ta odpovídá takové přesnosti, která je nadbytečná v oblastech s malou křivostí. Díky tomu se rozestup nastavoval pro jednotlivé stěny zříceniny na 5mm a na podloží – 15 až 20 mm, z důvodu toho, že povrch zeminy se nechával pro přehlednost a neměl mít velkou podrobnost. Dalším nastavením je Optimalizace, ve které bylo vhodné nastavit prioritu křivosti na maximální hodnotu, aby výsledná kvalita byla co nejvyšší. Tento postup byl aplikován k jednotlivým skenům, tímto byla provedena redukce nadbytečných dat pro ulehčení a urychlení zpracování.

Obr. 16 Ukázka panelu nastavení nástroje Jednotné

4.2.2.3 Spojování skenů Pro vytváření prostorového modelu bulo nezbytné spojit všechny naskenované části do jednoho

celku.

Aby

spojování

bylo

provedeno

s požadovanou

přesností,

byly při zaměření na objektu umístěny bílé koule, jejichž střed se při registraci považoval za identické body.

32

ČVUT V PRAZE


Nástroje pro spojování skenů jsou umístěny na horní liště v záložce Zarovnání. V programu jsou možnosti ruční a automatické registraci. Při výběru ruční varianty uživatelem se určují jednotlivé identické body a následně probíhá spojení páru skenů definováním navzájem odpovídajících registračních bodů. Avšak tento způsob je ovlivněn náhodnými chybami z určování polohy identických bodů, což negativně působí na výslednou přesnost celkového mračna bodů. Pro dodržení větší přesnosti byla využita funkce automatické registrace, pro niž měly být nejdřív nadefinovány registrační značky (těžiště jednotlivých bílých koulí). Ve funkci Detekovat registrační značky se dal nastavit poloměr koule pro vyhledávání v objektu oblastí se stejným poloměrem zakřivení. Aplikovalo se to takovým způsobem, že v mračnu bodů byla vyznačena oblast bodů, která odpovídala kouli. Po vybrání oblasti zájmu v panelu zprava se použilo tlačítko Nastavit parametry výběru (Obr. 17). Následně z označených bodů program vypočítával hodnotu poloměru sféry, kterou dále používal pro identifikaci ostatních koulí. Též bylo možné poupravit hranice koule pomocí posuvníků, které korespondují minimální a maximální povolenou křivostí.

Obr. 17 Výběr reprezentace kulové plochy

Nicméně při prvních pokusech automaticky vyhledat všechny koule umístěné na objektu, byla výsledná oblast chybně určena (Obr. 18). Tento problém byl způsoben tím, 33

ČVUT V PRAZE


že kameny stěn zříceniny mají také vysokou křivost, a tak program nedokázal odlišit kulové plochy od povrchu kamenů.

Obr. 18 Chybná detekce registračních značek

Řešením bylo vyznačení všech kouli a zobrazení jenom těchto částí objektu pomocí výše již popsané funkce Zobrazit pouze vybrané. Tímto byly vypočteny středy kulových ploch a označeny jako registrační značky (Obr. 19). Stejným způsobem byly zpracovány všechny skeny.

Obr. 19 vlevo: výsledek vyhledávání automatické detekce koulí; vpravo: vyznačení registračních značek

K odstranění polohového nesouladu bodových modelů bylo nezbytné aplikovat automatickou registraci mračen bodů. Z tohoto důvodu bylo do programu načteno a označeno všech 11 skenů. V nástroji Registrace

byl parametr Shodná citlivost

nastaven na maximum, což znamená, že mračna bodů by se měla vůči sobě shodovat 34

ČVUT V PRAZE


téměř ideálně. Při spuštění této funkce byly jednotlivé skeny napojovány na sebe pomocí identických bodů (středů bílých koulí), výsledkem bylo jedno celistvé mračno bodů o 22 milionech bodů. Dalším navazujícím krokem bylo provedení globální registrace. Díky tomu, že vstupní mračno je složeno z 11 dílčích částí a ty mají mezi sebou zóny překrytu, je možné provést zpřesnění registrace. Tento proces zprostředkuje nástroj Globální registrace

,

který iteračně počítá vzdálenost překrytových oblastí a snaží se ji minimalizovat. V parametrech

funkce

byla

nastavena

velikost

vzorkování.

Podle

nápovědy

se doporučovalo vložit hodnotu, která by odpovídala nejméně 10% bodů v jednotlivých skenech, což by se rovnalo 300 tisícům bodů. Při pokusu dosazování této hodnoty během dvou minut program přestával odpovídat. Předpokládám, že to bylo z důvodu velké námahy na paměť počítače. Dále byly nastavovány různé hodnoty vzorkování a nakonec optimální bylo 20 000 bodů. Doba trvání výpočtu byla přibližně 20 minut, počet iterací – 14 a výsledná odchylka vzdálenosti byla 0,012m (Obr. 20).

Obr. 20 Výsledek globální registrace

35

ČVUT V PRAZE


Aby bylo možné převést takto zpracované mračno bodů do polygonové fáze, bylo nezbytné sloučit jednotlivá mračna do celku funkcí Kombinovat bodové objekty

.

Tímto vzniklo jedno mračno a v levém panelu se zobrazoval jeden úplný sken. Potom byla bodová vrstva znovu zředěna s rozestupem 5 mm kvůli zvýšení hustoty v důsledku spojování 11 skenů s oblastmi překrytí. 4.2.2.4 Generování trojúhelníkové sítě Pro vytvoření prostorového spojitého modelu bylo důležitým krokem převést mračno bodů do polygonového tvaru. K tomu bylo nutno v Geomagic Studio vygenerovat nepravidelnou trojúhelníkovou síť. Zasíťování probíhalo prostřednictvím funkce Wrap

.V parametrech

tohoto nástroje jsou možnosti nastavení redukce nerovnosti, zachování původních dat, odstranění malých komponentů a volba vzorkování podle maximálního výsledného počtu trojúhelníků nebo podle mezer mezi body. Při volbě políčka Mezery mezi body program rozvrhuje body podle imaginární mřížky o nastavené vzdálenosti a provádí zasíťování podle bodů, které jsou nejblíže středu každé buňky. Avšak za více přehledný způsob vzorkování se považovala volba maximálního počtu trojúhelníků ve výsledné síti. V našem případě byla funkce nastavena tak, jak je uvedeno na obrázku (Obr. 21). Při zpracování byla vyzkoušena různá vzorkování.

Obr. 21 Okno nastavení funkce Wrap

Po dohodě se zadavateli byly vyrobeny dvě varianty modelů. První model měl přes 37 milionů trojúhelníků a obsahoval dostatečně velkou podrobnost detailů, avšak byl příliš 36

ČVUT V PRAZE


veliký, tudíž byl náročný na zpracování. Doba zasíťování varianty s takovou přesností byla kolem hodiny a půl. Takto vytvořený celkový model nebylo možné zobrazit se 100% statickou hodnotou (viz strana 29) zobrazení kvůli velkému nároku na paměť počítače, proto se pro celý model používala procentuální hodnota 33 anebo se vybírala oblast s maximálně 15 miliony trojúhelníků a zobrazovala na 100 %. Také byl vytvořen jednodušší model, který obsahoval pouze 4 miliony bodů, a využíval se pro vyzkoušení funkcí a pro některé grafické výstupy. Tvorba nepravidelné trojúhelníkové sítě v tomto případě trvala 20 min (Obr. 22). Vytvořené trojúhelníkové sítě nebyly ideální, obsahovaly velké množství nevyplněných děr. Povrch kamenů byl hodně zalomený kvůli ostrým tvarům navržených trojúhelníků, které bylo potřeba opravit pomocí dalších nástrojů. Upravování obou prostorových modelů bylo stejné, proto zde uvádím pouze výsledky toho podrobnějšího.

Obr. 22 Porovnání dvou modelů: vlevo - 4 miliony bodů, vpravo - 37 milionů bodů

4.2.2.5 Úprava polygonové vrstvy Při práci s polygony vytvořeného prostorového modelu je v programu pár důležitých přepínačů: 

Vybrat zadní plochy

- umožňuje výběr trojúhelníků včetně zadní strany.

Každý trojúhelník je definován normálou, následně má přední a zadní stranu. Obě strany

mají

odlišnou

barvu

při

volbě

obarvování

objektu.

Defaultně je v programu nastavena modrá barva pro přední část trojúhelníku a žlutá pro zádní část. 

Vybrat viditelné

- nástroj pro výběr zobrazených prvků. 37

ČVUT V PRAZE




Vybrat skrz vše

- umožňuje výběr prvků včetně těch nezobrazených

v pracovním okně programu. Po vizuálním vyhodnocení vytvořené sítě jsou možnosti různých tvarování polygonů a přetvoření trojúhelníkové sítě: 

Nová síť

- slouží k opětovnému vytvoření sítě polygonů za účelem

jednotnější hustoty. 

Zjemnit

- zvyšuje počet polygonů na objektu nebo ve zvolené oblasti,

rozdělením polygonů faktorem vymezeným uživatelem. 

Opětovná tvorba sítě

- vybudování polygonové sítě objektu nebo jeho části.



Optimalizovat hrany

- znovu vytváří síť nebo její část, aniž by byly přesunuty

výchozí body s úmyslem zvýraznit hrany a jiné detaily. 

Vylepšit síť pro tvorbu ploch

- připravuje síť pro tvorbu ploch,

jejím zjednodušením v plochých oblastech a přidáním bodů do oblastí s vyšším zakřivením, aniž by musel být změněn tvar. 

Nástroje pro opravu je úprava

- sada funkcí pro zlepšování sítí. Jednou z důležitých

polygonů,

(Upravit polygony

ve

které

se

dá

manuálně

vkládat

trojúhelníky

přidat trojúhelníky). Tato funkce byla užitečná při vyplnění

otvorů, což bude popsáno níže. 

Deformovat



Manifold trojúhelníky

- vymaže označené trojúhelníky a vyplní vzniklou díru. - sada nástrojů, která odstraňuje non-manifold

trojúhelníky. Manifold trojúhelník je takový trojúhelník, který je spojen s ostatními na všech stranách anebo na dvou, jestli se jedná o okrajové oblasti. 

Oříznutí

- rozděluje nebo ořezává síť pomocí definované roviny,

vytváří umělou hranici v místě průniku. 

Zjednodušit

- nástroj, který provádí zjednodušování polygonové sítě

prostřednictvím zmenšení počtu trojúhelníků.

38

ČVUT V PRAZE 


Opravit polygony (Mesh Doctor)

- automaticky opravuje nedokonalosti

vytvořené polygonové sítě, zejména odstraňuje příliš štíhlé trojúhelníky. Nedostatkem této funkce je to, že je možná aplikace pouze na celý model a ne jen na vybranou oblast. Kvůli tomu byla nepoužitelná pro vytvořený podrobný model. Bohužel většinou tyto funkce nebyly schopné pracovat s celým modelem (37 milionů trojúhelníků). V některých situacích bylo řešením zpracování modelu po jednotlivých částech anebo aplikace těchto funkcí na zjednodušeném modelu. V bodové fázi nebyla provedena redukce šumu z důvodu nepřehlednosti výsledků, jejichž přesnost a míru zachování detailů nelze objektivně ohodnotit. Proto ji bylo potřeba provést v polygonové fázi, ve které se to již dalo regulovat vizuálně. Pro tento účel jsou určeny následovné nástroje: 

Odstranění hrotů hladkost

povrchu,

- hroty jsou ostré útvary trojúhelníkové sítě, které přerušují a

tato

funkce

je

určena

pro

jejich

odstraňování.

V důsledku použití funkce se model podrobuje vyhlazení. Důležitým nastavením této funkce je úroveň vyhlazení, která se řídí posuvníkem od 0 až do 100%. 

Vyhladit

- tato funkce odstraňuje šum trojúhelníkové sítě minimalizováním

úhlů mezi jednotlivými polygony. Nástroj se ovládá sadou posuvníků: Úroveň vyhlazení,

Intenzita,

Priorita

křivosti.

Každý

parametr

má

8 výběrových úrovní. Během opravy prostorových modelů byla testována různá nastavení těchto funkcí. Odstraňování ostrých útvarů sítě bylo vyzkoušeno při 3 různých procentuálních hodnotách vyhlazení: 30%, 50%, 80%. Při jejich bližším porovnání se zjistilo, že u hodnoty 80 % jsou patrné ztráty podrobností modelu (červeně označena oblast Obr. 23). Volbou 50 % byla data poměrně zachována, ale s ohledem na to, že se předpokládala aplikace dalších nástrojů pro vyhlazení, bylo rozhodnuto nastavit 30% úroveň odstraňování hrotů.

39

ČVUT V PRAZE


Obr. 23Porovnání nastavení při odstranění hrotů: vlevo nahoře 0%, vpravo nahoře 30%, vlevo dolu 50%, vpravo dolu 80%

V nástroji Vyhladit po zkouškách přesouvání přepínače úrovní vyhlazení byla za nejoptimálnější považována hodnota 4. Priorita křivosti byla nastavována na maximum pro uchování podrobnosti detailů objektu, intenzita vyhlazení byla aplikována minimální dle doporučení uvedených v manuálu [18].

Obr. 24 Stav před a po vyhlazení

40

ČVUT V PRAZE


4.2.2.6 Vyplnění otvorů Při vytvoření polygonové sítě vznikl nedokonalý prostorový model se spoustou nevyplněných děr. Na odstranění takového druhu chyb v Geomagic Studio 2012 existuje sada nástrojů: 

Vyplnit vše

– funkce, která vyhledá v celém objektu anebo označené oblasti

všechny nevyplněné otvory a vyplní je. V tomto nástroji je možnost nastavení způsobu

vyplňování

otvoru:

kterou má okolí), tangenta plochá

křivost

(dodržuje

stejnou

křivost,

(má se navazovat tečně na okolní oblasti),

(vyplňuje otvory vytvořením roviny). Pro zpracování otvorů

s nekvalitními okraji, je vhodné nechat vyčistit tyto oblastí. 

Vyplnit jednotlivě

– má stejný účinek jako funkce předtím, jenom vyplnění

děr se provádí po jednotlivých otvorech. 

Vyplnit částečně

– umožňuje vyplnění částečně neuzavřených otvorů

definováním jejich hranic. 

Most



Čištění otvorů – funkce, která odstraní nadbytečné trojúhelníky uvnitř nebo

– umožnuje zaplnění oblastí, které jsou neuzavřené na dvou stranách.

na hranicích otvorů. Před začátkem takovýchto úprav byla provedena konzultace s odborníky z NPÚ a bylo dohodnuto, že některé předem určené otvory se nebudou vyplňovat. Důvodem byla snaha podchytit vytváření novotvarů v modelu. Při hromadném vyplnění otvorů proložením křivosti

je velká pravděpodobnost,

že vzniknou chybné štíhlé trojúhelníky, jejichž automatické odstranění je umožněno aplikací funkce Opravit polygony. Avšak oprava polygonů pomocí tohoto nástroje je použitelná pouze pro celý model a při pokusu o zpracování modelu o 37 milionech trojúhelníků selhala a program přestával odpovídat. Proto pro tento model byla vybrána varianta vyplnění děr plochou rovinou

i přesto, že zjednodušovala průběh povrchu

modelu a zaváděla nepřesnosti. Před prvním výpočtem bylo také nastaveno, aby se automaticky aplikovalo čištění otvorů, ale bylo zjištěno, že tato funkce nevhodně 41

ČVUT V PRAZE


odstraňuje okraje oblastí a poté už je ani nepovažuje za otvory (Obr. 25). Následkem je to, že podloží objektu zůstává nevyplněné, což je nepřípustné podle domluvy se zákazníky. Kvůli tomu byla funkce čištění otvorů vypnuta. Nakonec byly otvory řešeny částečně automaticky a částečně manuálně. Po vyplnění otvorů se zvýšil počet trojúhelníků ve vyhlazených modelech na 39 miliony resp. 4,5 miliony u méně podrobného modelu.

Obr. 25 Před a po vyplnění otvorů s předběžným využitím čistění hranic otvorů

4.2.3 Transformace modelu do S-JTSK Cílem vytvoření 3D modelů zříceniny Nového hrádku u Kunratic v programu Geomagic Studio 2012 bylo předzpracování dat pro jejich využití v dalších grafických programech, jaké jsou například MicroStation, AutoCad atd. Za tímto účelem bylo nutné transformovat výsledné prostorové modely z místního souřadnicového systému softwaru Geomagic Studio 2012 do souřadnicového a výškového systému používaného na území ČR, a to je S-JTSK a Bpv. Souřadnice identických bodů v systému S-JTSK byly zjištěny v kapitole 4.1 25Geodetické výpočty. Sejmutí souřadnic bodů v místním systému v programu Geomagic Studio 2012 se provádělo pomocí funkce Souřadnice bodů v záložce Analýza na hlavní horní liště. Z důvodu toho, že při vyexportování skenů na začátku nebylo nastavené správné natočení souřadnicových os (Osa Z měla odpovídat výšce stěny zříceniny), v programu byla provedena předběžná orientace os ve funkci Nástroje Transformovat Upravit. 42

ČVUT V PRAZE


V důsledku toho, že systém S-JTSK má orientace os jinou než většina CAD programů, bylo nezbytné natočit osy tak, aby v takovýchto softwarech výsledný model byl načten správně. Systém S-JSTK má orientaci osy X na jih a orientaci osy Y na západ, aby byl v programu MicroStation model zříceniny zobrazen vhodně, bylo nutno vyměnit osy X a Y mezi sebou a dát je do záporných hodnot (Y směřuje na sever, X směřuje na východ). Následně změněné rotační prvky jsou: X= -90°, Y=90°a Z=180°. Určení souřadnic v místním systému bylo zatíženo náhodnými chybami z identifikace těchto bodů ve 3D modelu, což způsobilo určitou nepřesnost. Po vyhledání všech zaměřených podrobných bodů byl proveden export tabulky se souřadnicemi do textového formátu, což je umožněno v programu stisknutím tlačítka Export (Příloha 4). Následně se posuzoval výběr druhu transformace. Afinní transformace byla nevhodná kvůli tomu, že nezachovává původní rozměr, což bylo nechtěné. Shodností transformace zachovává stejné délky ale napasování dvou soustav v této metodě je horší než při použití podobnostní transformace, která jako jeden z parametrů obsahuje délkové měřítko. Následně za nejvhodnější variantu transformace byla považována podobnostní prostorová transformace, která má 7 parametrů: 3 rotace kolem třech os ( 3 osám (

), 3 translace vůči

) a jedno délkové měřítko (q). Pro výpočet byly požadovány nejméně

3 identické body, při zaměření jich bylo určeno více jednak pro kontrolu a jednak pro výpočet vyrovnání metodou nejmenších čtverců. Vyrovnané hodnoty parametrů se určí tak, aby součet oprav na identických bodech místního a hlavního souřadnicového systému byl minimální. Transformace souřadnic byla provedena s využitím programu XYZTrans, jehož autorem je Doc. Ing. Martin ŠTRONER, Ph.D. [19]. Tento program má velice příjemné rozhraní a jeho ovládání je velmi jednoduché a pohodlné. Vstupem do této aplikace je textový soubor, obsahem kterého je: 

počet použitých identických bodů na prvním řádku



řádky obsahující souřadnice identických bodů ve tvaru: [

], kde X, Y, Z jsou souřadnice IB v hlavním

souřadnicovém systému. Hodnoty x, y, z odpovídají místní soustavě.

43

ČVUT V PRAZE 


řádky obsahující souřadnice určovaných bodů [

], kde jsou uvedeny souřadnice bodů v místní soustavě.

Při úspěšném načtení vstupního souboru do aplikace je možné vybrat druh transformace a vpravo jsou uvedeny identické body s hodnotami poklesu směrodatné odchylky v případě jejich vyloučení (Obr. 26). Výpočet transformačního klíče se spustí tlačítkem Přepočítat klíč, a po použití vedlejší ikony bylo možné zobrazit protokol výpočtu s volbou jejího uložení. Výsledný transformační klíč obsahuje parametry matice rotace, vektoru translace, délkového měřítka a střední jednotkové chyby. Testováním bylo určeno, že je vhodné z výpočtu vyloučit body 40 a 47 pravděpodobně chybně zaměřené.

Obr. 26 Hlavní okno programu XYZTrans

Při transformaci do S-JTSK a Bpv v programu Geomagic Studio 2012 bylo zjištěno, že program nepracuje korektně s tak velkými souřadnicemi. Optimální souřadnice, do nichž by to mělo být transformováno, jsou v řadách stovek metrů. Proto kvůli kontrole správnosti transformace byly nejdříve vyzkoušeny redukované souřadnice identických bodů (byl vypočten nový transformační klíč). Redukované souřadnice v hlavní souřadnicové soustavě byly zjištěny následujícím způsobem (Osy X a Y byly vyměněny mezi sebou a položeny do záporných hodnot): Yred = Y + 1051000 Xred= Y + 740290 44

ČVUT V PRAZE


Přičemž při výpočtu takto upravených hodnot se výsledek transformace vůči variantě s neredukovanými hodnotami liší pouze v translačních parametrech. V tabulce (Tab. 3) jsou pro přehlednost uvedeny hodnoty transformačního klíče. Měřítko

Osa

Rotace

Translace

X

89,403166°

4,6345 m (redukce) -740285.3655 m

19,716712°

Y

-2,9183 m (redukce)

1.001129

-1051002.9183 m Z

-0,094394°

289,8930 m

Tab. 3 Transformační klíč do systému S-JTSK

Matice rotace vypočtená v programu XYZTrans byla vložena do nové transformační matice pro načtení do Geomagic Studio. Obsah transformační matice pro další použití je následující: translace osy X Matice rotace

translace osy Y translace osy Z

0

0

délkové měřítko

0

Schéma 1 Transformační matice

Tato matice byla importována do Geomagic Studio pomocí funkce Transformovat Načíst. Nejdřív

byla

transformace

zkontrolována

na

redukovaných

souřadnicích.

Po ověření správnosti výsledných souřadnic identických bodů byl model znovu transformován na neredukované hodnoty. 4.2.4 Tisk 3D modelu do PDF Jako jeden z výstupů byl požadován vyhotovený 3D model zříceniny ve formátu PDF. Optimální velikost vytvořeného PDF souboru pro manipulaci by neměla přesahovat cca 100 MB, proto bylo třeba pro jeho vytvoření použít jednodušší model. Pro tento účel byl vyhotoven další model, který vznikl zjednodušováním již vytvořeného modelu, obsahujícího 4 miliony trojúhelníků. Výsledný zjednodušený model obsahoval 1,2 milionu trojúhelníků a z něj již bylo vytvořeno 3D PDF.

45

ČVUT V PRAZE


Do PDF se dalo tisknout přímo z programu Geomagic Studio, ale po vyzkoušení tohoto nástroje bylo posouzeno, že kvalita výstupů je nedostačující a tudíž nepřijatelná (model byl až příliš zjednodušený). Následovná tvorba 3D PDF se řešila v programu Adobe Acrobat [20] pomocí nadstavby 3D PDF Creator [21]. Tento program umožnoval zpracovat soubor ve formátu OBJ, který Geomagic Studio 2012 dokáže vytvořit. Avšak při převádění OBJ do PDF přehazuje software osy Y a Z mezi sebou, proto byl tisk proveden ještě před transformací objektu do S-JTSK. Výsledný soubor měl velikost kolem 80MB a prokazoval dostatečně dobrou kvalitu zobrazení. Model ve 3D PDF je uložen na DVD (víc obsah DVD na str. 59). 4.2.5 Vytvořené 3D modely V programu Geomagic Studio 2012 byly vytvořeny 3 prostorové modely části zříceniny: 

Podrobný model, obsahující 39 milionů trojúhelníků



Zjednodušený model, obsahující 4 miliony trojúhelníků



Velmi zjednodušený model, obsahující 1,2 milionu trojúhelníků

První dva modely byly uloženy ve formátech WRP, OBJ, DWG a jsou uvedeny na DVD (D_model polygonová fáze). Velmi zjednodušený model byl použit pro tvorbu 3D PDF a je uveden ve formátech OBJ a PDF na DVD ve složce E_3D_PDF.

46

ČVUT V PRAZE

5

TVORBA ŘEZŮ OBJEKTEM


5.1 Tvorba podkladu v Geomagic Studio 2012 Jedním z výstupů po domluvě s NPÚ byla sada řezů modelem vytvořených v programu MicroStation V8i [22]. V programu Geomagic Studio byl vyhotoven podklad ve tvaru řezové křivky prostřednictvím funkce Vytvořit pomocí řezu Protože objekt

byl

již

umístěn

v polohovém

v sekci Křivky na hlavní liště. souřadnicovém

systému

S-JTSK,

který je stočený k defaultnímu World souřadnicovému systému, bylo nutné natočit model do správné polohy ručně. Řezy byly pořízeny v modelu s redukovanými souřadnicemi S-JTSK pro kompatibilitu souřadnic s programem Geomagic Studio 2012. Při tvorbě byla rovina řezu definována přímkou, tj. v pracovním okně programu se manuálně definovaly 2 body, mezi nimiž se následně proložila přímka (Obr. 27). V nastaveních funkce se taktéž zvolil typ křivky na Spline a způsob její tvorby na Tolerance s maximální možnou přesností vystižení

3D modelu, což odpovídalo

hodnotě 0,01mm.

Obr. 27 Rovina řezu modelem; červeně - délka, kterou se prokládá rovina řezu, modrá čára - řezová křivka

47

ČVUT V PRAZE


Z důvodu omezení použité verze programu Geomagic Studio, nebylo možné vyexportovat linii řezu ve formátu IGS. Řešením tohoto problému bylo převést křivku na bodovou vrstvu pomocí nástroje Vytvořit body

. Hustota vytvořených bodů se nastavila 0,05mm.

Následně tato bodová vrstva byla vyexportována do formátu DXF, který již je podporován v MicroStation V8i. Pro tvorbu řezů s pohledem bylo nutné vytvořit oblasti viditelné za řezovou rovinou, jejichž umístění bylo domluveno se zadavateli. Prostorový model byl vždy ručně natočen souběžně s předpokládanou řezovou rovinou. Řezy se prokládaly podrobným modelem, obsahujícím 38 milionů trojúhelníku, pomocí funkce Řez objektem v záložce Zobrazit (Obr. 13). V parametrech tohoto nástroje bylo možné nezakreslovat rovinu řezu, čímž se zobrazovala pouze oblast zájmu. Avšak takto vytvořená část objektu obsahovala příliš velké množství trojúhelníků, což bylo náročné na další zpracování. Proto se rozhodlo provést zjednodušování vybrané části 3D modelu. Maximální počet trojúhelníků sítě by neměl přesáhnout 7,5 milionů. Následně se takto vytvořený model řezu uložil jako nový objekt ve formátu OBJ pro načtení do programu Microstation V8i.

5.2 Zpracování řezu v MicroStation V8i Po načtení výkresu ve formátu DXF, o kterém již bylo zmíněno, bylo provedeno uložení do formátu DGN pro možnost upravování a doplňování grafických dat. Následovně byl výkres převeden z prostorového 3D formátu do rovinného 2D, a to se zachováním souřadnicové složky Z. Tím vznikl zájmový vektorový řez objektem. Dále se pouze doplňovaly výškové kóty, popisná pole, situační náčrtek, síť křížků podle šablony poskytnuté Ing. Jindřichem Hodačem, Ph.D.. Tímto způsobem proběhla tvorba dvou vektorových řezů objektem, které jsou uvedeny ve volných tištěných přílohách této bakalářské práce a na DVD ve formátech DWG a DGN. Dalším druhem příčného řezu objektem byl řez s pohledem, o který projevili zájem archeologové NPÚ. Podklad vytvořený v programu Geomagic Studio 2012 (viz předchozí podkapitola) byl načten do Microstation V8i a byl převeden do formátu DGN. Poté se prostorový model vhodně natočil vůči obrazové rovině programu a pod model byla přehledně vykreslena červená zdůrazněná čára určité délky (4, 6, 8 m podle velikosti zobrazované stěny). Pro lepší výstupní kvalitu řezu byla provedena nastavení světla a jasu modelu nástrojem Rendering (Obr. 28). 48

ČVUT V PRAZE


Obr. 28 Pracovní okno nástroje Rendering (Microstation V8i)

V dalším kroku byl sejmut obrázek ve vysokém rozlišení, a byl načten přes Raster manager do již připravené šablony. Avšak rozměr načteného obrázku neodpovídal skutečným rozměrům, proto bylo potřeba změnit jeho velikost. Na obrázku se nakreslila žlutá čára s příslušnou skutečnou velikosti (4, 6,8 m), která vycházela z počátečního bodu již nakreslené červené čáry.

Poté se pomocí Raster manager zvolila operace změny

velikosti obrázků podle třech bodů: první bod se umístil do počátku obou přímek, druhý bod se umístil na konec červené přímky a třetí bod se umístil do konce nově nakreslené žluté přímky. Tím se obrázek zvětšil na správnou velikost. Z toho vyplynulo, že výškové hodnoty řezu odpovídají skutečným hodnotám. Dále se pouze doplnily výškové kóty, popisné pole, situační náčrtek a síť křížků. Takovou metodou byly vytvořeny 3 pohledové příčné řezy: 

pohled na západní část pozůstatku II. věžovité hradní brány



pohled na jižní část pozůstatku II. věžovité hradní brány



pohled na východní část pozůstatku II. věžovité hradní brány

49

ČVUT V PRAZE


Stejným způsobem zmíněným výše, byl zpracován i pohled shora na zadanou část zříceniny hrádku s tím rozdílem, že se do výkresu nepřidávaly kóty, protože objekt byl obecně natočen. Všechny výkresy jsou uvedeny ve volně tištěných přílohách a také jsou součástí digitálních příloh na DVD (F_příčné_řezy).

50

ČVUT V PRAZE

6

Zhodnocení jednotlivých etap zpracování

Zhodnocení jednotlivých etap zpracování

Zpracování výsledného

3D modelu pozůstatku II. věžovité hradební brány je možné

rozdělit na několik důležitých etap, ve kterých byly vyhodnocovány přesnosti mezivýsledků: 

Laserové skenování objektu měření – hustota skenování byla nastavována v terénu na 4mm na 5 m na stanoviscích v dolní úrovni zříceniny a 5mm na 10 m pro stanoviska umístěna v horní častí objektu.



Geodetické měření identických bodů – měření se provádělo totální stanicí s délkovou přesností 3 mm+2 ppm a s úhlovou přesností 1 mgon. Souřadnicové připojení se provádělo na body PPBP, které jsou určené s přesnosti 0,06 m.



Výpočet identických bodů geodetického zaměření – příslušné výpočty se prováděly v programu Groma [16]. Při zpracování obousměrně měřených délek, vodorovných a zenitových úhlů ve dvou polohách dalekohledu byly v zápisníku měření dodrženy požadované přesnosti. Maximální rozdíly nabývaly hodnot: 

1 mgon ve vodorovných směrech



0,5 mgon v zenitových úhlech



0,003 m v délkách

Polohová odchylka určování souřadnic stanoviska 4001 dosáhla hodnoty 0,028 m (převzato z protokolu o výpočtu Moniky Kutišové). Při výpočtu souřadnic stanovisek 5001 a 5002 polární metodou oprava orientačního směru na stanovisku 4001 měla hodnotu 4,1 mgon, což také odpovídá stanovené mezní odchylce měření. 

Vzorkování a redukce dat v programu Geomagic Studio – bylo zvoleno 33% vzorkování dat po dohodě s pracovníky NPÚ. Zředění dat se provádělo s intervalem 5 mm pro povrch stěn zříceniny a 10 až 15 mm pro její podloží.



Globální transformace 11 mračen bodů - výsledná přesnost spojování skenů do jednoho celku pomocí metody globální transformace dosáhla hodnoty 0,012 m při počtu iterací – 14.



Výpočet prostorové podobnostní transformace z místního systému programu Geomagic Studio 2012 do souřadnicového systému S-JTSK -

střední chyba

jednotková vypočteného transformačního klíče nabývá hodnoty 0,010 m. 51

ČVUT V PRAZE

ZÁVĚR

ZÁVĚR Tato bakalářská práce se zabývá vyhotovením dokumentace pozůstatku II. věžovité hradební brány Nového hrádku u Kunratic v Praze. Hlavním cílem bylo vytvořit kvalitní prostorové modely zadané části zříceniny a sadu řezů objektem pro potřeby archeologů z Národního památkového ústavu v Praze. Součástí výstupů by měly být: různě podrobné 3D modely části zříceniny, vektorové řezy objektem a příčné řezy s pohledem. V lokalitě Nového hrádku u Kunratic byly provedeny přípravné práce a rekognoskace terénu. Poté byl domluven den měření a provádělo se zaměření objektu zájmu metodou laserového skenování a geodeticky byly zaměřeny předem identifikované vlícovací body. Dále následovala fáze zpracování, která byla započata výpočtem souřadnic identických bodů v programu Groma. Zpracování pokračovalo prací s mračny bodů v programu Geomagic Studio 2012. Jednotlivá mračna byla realizována z 33 % získaných dat, což bylo považováno za dostačující při konzultaci s pracovníky NPÚ v Praze. Celkové mračno bodů vzniklo spojováním 11 skenů, pořízených s nadbytečnými hustotami skenování 4mm na 5 m a 5mm na 10 m. Při použití globální transformace bylo provedeno zpřesnění polohy oblastí překrytí jednotlivých skenů s přesností 0,012 m. Následně se už pracovalo v polygonové vrstvě. Bylo vytvořeno několik variant modelů. První model podrobně zachycuje detaily pozůstatku bývalé věže královského hrádku u Kunratic a je složen z 39 milionů trojúhelníků. Druhý 3D model je tvořen 4 miliony trojúhelníků a je zjednodušenou verzí prvního, důvodem k jeho vyhotovení byla nutnost zmenšení velikosti koncového souboru pro urychlenou a zlehčenou práci v jiných programech než Geomagic Studio 2012. Vytvořené modely jsou transformovány do polohového souřadnicového systému S-JTSK a do výškového systému Bpv. Za nejoptimálnější transformaci byla považována prostorová podobnostní, která byla spočtena pomocí 12 geodeticky zaměřených identických bodů. Střední chyba jednotková určení transformačního klíče je 0,010 m, což bylo posouzeno za přijatelné. Transformace byla taktéž provedena do redukovaných souřadnic S-JTSK pro kompatibilitu transformovaných souřadnic v programu Geomagic Studio 2012 (tento software chybně pracuje s velkými hodnotami souřadnic, optimálními jsou souřadnice do tisíce metrů).

52

ČVUT V PRAZE

ZÁVĚR

Prostorové modely byly uloženy do třech datových formátů: WRP (Geomagic Studio), OBJ (univerzální formát), DGN (MicroStation). Dále byl proveden tisk zjednodušeného 3D modelu, obsahujícího 1,2 milionu trojúhelníků, do PDF formátu prostřednictvím programu Adobe Acrobat a jeho nadstavby 3D PDF Converter. Výsledný podrobný 3D model pozůstatku bývalé věže bude spojen do jednoho celku s modelem části zříceniny vypracované v bakalářské práci Moniky Kutišové. Spojení modelů již přesahuje rámec této bakalářské práce. Dalším výstupem byla graficky zpracovaná sada řezů objektem. V programu Geomagic Studio se vyhotovovaly podklady pro navazující zpracování, a to zejména křivky tvořící příční řezy objektem a pohledy na objekt za řezovou rovinou. Následující fáze zpracování se prováděla v programu MicroStation V8i. Vytvořená dokumentace bude sloužit archeologům Národního památkového ústavu jako podklad pro vyhodnocování stavu po rekonstrukci objektu. Taktéž bude použita jako podklad pro modelování dalších konstrukčních fází. V rámci této bakalářské práce byly dosaženy cíle stanovené na začátku. Byla vyhotovena požadovaná dokumentace Nového hrádku u Kunratic. Výsledky práce byly zpracovány s dostatečně vysokou přesností. Avšak v průběhu zpracování 3D modelů byly objevovány jiné způsoby redukce šumu dat, které by pravděpodobně prokázaly lepší vyhlazení výsledné trojúhelníkové sítě. Na konci práce nebylo provedeno spojování dvou částí pozůstatku hradu zpracovaných dvěma různými metodami (laserové skenování a fotogrammetrická metoda optické korelace) do jednoho celku z důvodu časových omezení. Při vypracování této práce byl vytvořen a popsán vlastní postup pro vyhotovení podkladů a dokumentace dat pořízených laserovým skenováním.

53

ČVUT V PRAZE

SEZNAM OBRÁZKŮ

SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1 Půdorys hradu podle T. Durdíka (čerpáno z [4])...................................................... 12 Obr. 2 Současný stav vybrané části hradu ........................................................................... 13 Obr. 3 Grafické znázornění prostorové polární metody (převzato z [7]) ............................ 15 Obr. 4 3D skener Surphaser 25 HSX ................................................................................... 18 Obr. 5 Trimble 3603 DR ..................................................................................................... 19 Obr. 6 Ukázka volby podrobných bodů .............................................................................. 20 Obr. 7 PPBP v lokalitě hradu v geoprohlížeči ČÚZK ......................................................... 21 Obr. 8 Ukázka záložky Scan v programu Surph Express Standard .................................... 22 Obr. 9 Náčrt stanovisek skenování ...................................................................................... 23 Obr. 10 Náčrt stanovisek geodetického zaměření ............................................................... 24 Obr. 11 Výpočet délkového zkreslení v programu Groma .................................................. 25 Obr. 12 Pracovní prostředí programu Geomagic Studio 2012 ............................................ 26 Obr. 13 Obsah záložky: Zobrazit ......................................................................................... 28 Obr. 14 Mračno bodů do a po očištění ................................................................................ 31 Obr. 15 Kružnice bodů na stanovisku skeneru a hranice slepé zóny .................................. 31 Obr. 16 Ukázka panelu nastavení nástroje Jednotné ........................................................... 32 Obr. 17 Výběr reprezentace kulové plochy ......................................................................... 33 Obr. 18 Chybná detekce registračních značek..................................................................... 34 Obr. 19 Výsledek vyhledávání automatické detekce koulí; vyznačení registračních značek ............................................................................................................................................. 34 Obr. 20 Výsledek globální registrace .................................................................................. 35 Obr. 21 Okno nastavení funkce Wrap ................................................................................. 36 Obr. 22 Porovnání dvou modelů: 4 miliony bodů, 37 milionů bodů .................................. 37 Obr. 23Porovnání nastavení při odstranění hrotů: ............................................................... 40 54

ČVUT V PRAZE

SEZNAM OBRÁZKŮ

Obr. 24 Stav před a po vyhlazení ........................................................................................ 40 Obr. 25 Před a po vyplnění otvorů s předběžným využitím čistění hranic otvorů .............. 42 Obr. 26 Hlavní okno programu XYZTrans ......................................................................... 44 Obr. 27 Rovina řezu modelem;............................................................................................ 47 Obr. 28 Pracovní okno nástroje Rendering (Microstation V8i) .......................................... 49

55

ČVUT V PRAZE

SEZNAM ZDROJŮ

SEZNAM ZDROJŮ 1.

Nový hrad u Kunratic. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA):

Wikimedia

Foundation,

2001-

[cit.

Dostupné

2014-03-26].

z:

http://cs.wikipedia.org/wiki/Nov%C3%BD_hrad_u_Kunratic 2. vznikne

KOŘÍNEK, Ondřej a Lucie POŠTOLKOVÁ. Nový hrad u Kunratic čeká oživení, v lese také

naučná

stezka.

[online].

[cit.

2014-03-26].

Dostupné

z:

http://www.novinky.cz/cestovani/283516-novy-hrad-u-kunratic-ceka-oziveni-v-lese-vznikne-takenaucna-stezka.html 3.

KROBOVÁ, Adriana. Výzkum s jedním střepem. [online]. [cit. 2014-03-27]. Dostupné z:

http://www.rozhlas.cz/leonardo/historie/_zprava/vyzkum-s-jednim-strepem--1077258 4.

Nový Hrad u Kunratic. Facebook [online]. 2010 [cit. 2014-05-27]. Dostupné z:

https://www.facebook.com/pages/Nov%C3%BD-Hrad-u-Kunratic/204045919685 5.

KROBOVÁ, Adriana. Husité znovu získávají tvář. [online]. 2009-11-4 [cit. 2014-03-27].

Dostupné z: http://www.rozhlas.cz/leonardo/historie/_zprava/husite-znovu-ziskavaji-tvar--653612 6.

KROBOVÁ, Adriana. Návrat Nového hradu. [online]. [cit. 2014-03-27]. Dostupné z:

http://www.rozhlas.cz/leonardo/historie/_zprava/navrat-noveho-hradu--1153523 7.

PROSPÍŠIL, Jiří a Martin ŠTRONER. Terestrické skenovací systémy. 1. vyd. Praha: Česká

technika – nakladatelství ČVUT, 2008. ISBN 978-80-01-04141-3. 8.

FIALA,

Radek. Laserové

skenování

-

principy.

Plzeň,

2011.

Dostupné

z:

http://www.gis.zcu.cz/projekty/Geomatika_multimedialne/FGM/fgm-lls-principy.pdf. Prezentace. ZČU. 9.

Metoda Laserové skenování. La-ma: Land Management [online]. 2011, 3. 07. 2011 [cit.

2014-03-28]. Dostupné z: http://www.la-ma.cz/?p=88 10.

ŠTRONER, Martin. Přehled terestrických skenovacích systémů. Praha, 2013. Dostupné z:

http://k154.fsv.cvut.cz/vyuka/geodezie/lsk.php. Prezentace. ČVUT. 11.

ČSN EN 60825: Bezpečnost záření laserových zařízení, klasifikace zařízení, požadavky a

návod k používání. Český normalizační institut, 1997. 12.

Surphaser. BASIS SOFTWARE, Inc. Surphaser [online]. 2010 [cit. 2014-04-05].

Dostupné z: http://www.surphaser.com/ 13.

Trimble: User Guide. TRIMBLE. Trimble 3600-series: User Guide [online]. 2010 [cit.

2014-04-05]. Dostupné z: ftp://ftp.geoteam.dk/Manualer/Trimble%203600/3600_1e.pdf 14.

Národní

památkový

ústav [online].

2010

[cit.

2014-04-05].

Dostupné

z:

http://www.npu.cz/ 15.

Geoportál ČÚZK: Geoprohlížeč. ČÚZK. Geoportál ČÚZK [online]. 2013 [cit. 2014-04-

05]. Dostupné z: http://geoportal.cuzk.cz/geoprohlizec/

56

ČVUT V PRAZE 16.

GEOLINE,

SEZNAM ZDROJŮ

spol.

s.r.o. Groma [online].

2014

[cit.

2014-06-01].

Dostupné

z: http://www.groma.cz/cz/ 17.

GEOMAGIC INC. Geomagic Studio 2012 [online]. 1997 [cit. 2014-05-10]. Dostupné

z: http://www.geomagic.com/en/ 18.

KOSKA, Bronislav. Vytvoření modelu sochy. In: Vytvoření modelu sochy [online]. 2010

[cit. 2014-05-10]. Dostupné z: http://k154.fsv.cvut.cz/~koska/vyuka/ostatni/navod_socha.pdf 19.

ŠTRONER, Martin. Projekt XYZTrans. Projekt XYZTrans [online]. 2011 [cit. 2014-05-

13]. Dostupné z:http://k154.fsv.cvut.cz/~stroner/XYZTrans/index.html 20.

ADOBE. Adobe

Acrobat:

Pro

XI [online].

2014

[cit.

2014-05-14].

Dostupné

z:http://www.adobe.com/cz/products/acrobatpro.html 21.

3D PDF Converter. TETRA4D. Tetra4D [online]. 2010 [cit. 2014-05-23]. Dostupné

z: http://www.tetra4d.com/products 22.

BENTLEY SYSTEMS. Microstation V8i [online]. 2014 [cit. 2014-06-04]. Dostupné

z: http://www.bentley.com/cs-CZ/

57

ČVUT V PRAZE

SEZNAM PŘÍLOH

SEZNAM PŘÍLOH Příloha 1 – DVD Příloha 2 – Seznam souřadnic identických bodů v systému S-JTSK Příloha 3 - Seznam redukovaných souřadnic identických bodů v systému S-JTSK Příloha 4 - Seznam souřadnic identických bodů v místním souřadnicovém systému odečtených v programu Geomagic Studio 2012 Příloha 5 – Protokol programu TransXYZ s vypočteným transformačním klíčem a) Protokol pro neredukované souřadnice vlícovacích bodů b) Protokol pro redukované souřadnice vlícovacích bodů Příloha 6 – Pohled shora na vyhotovený model (volné tištěné přílohy) Příloha 7 – Příčné řezy objektem (volné tištěné přílohy)

58

ČVUT V PRAZE

PŘÍLOHA 1

PŘÍLOHA 1 Obsah DVD: 

Export - složka s vyexportovanými skeny do formátu .xya



Vstupní foto – soubor s fotografiemi pořízenými v době rekognoskace



Měření: 

Volba IB – přehledky volby identických bodů na stěnách objektu



Výkresy stanovisek skenování a geodetického zaměřeni ve formátu PDF



Výpočet – obsahem je soubor s původním měřením, vypracovaný zápisník měření, výpočty a protokoly z programu Groma

 

Vypočtené

souřadnice

v systému

S-JTSK a Bpv

-

seznam

souřadnic

identických

bodů

Model: 

Mračno bodů – celkové mračno bodu ve formátu WRP + protokol o globální registraci



Polygonová fáze – obsahem jsou vytvořené prostorové modely ve dvou rozlišeních 4 mil. a 39 mil. a ve třech formátech WRP,OBJ,DGN + protokol o vyhlazení



Transformace do S-JTSK – soubory souřadnic IB v místním a hlavním souřadnicovém

systému,

transformační

klíč,

protokol

o

výpočtu,

vstupní transformační matice do Geomagic Studio 

3D PDF – zjednodušený model 1,2mil ve formátu OBJ, výsledné 3D PDF



Řezy objektem – vyhotovené řezy ve formátech DGN a PDF



Digitální verze bakalářské práce

59

ČVUT V PRAZE

PŘÍLOHA 2

PŘÍLOHA 2 Seznam souřadnic identických bodů v systému S-JTSK a Bpv Č.B. 19 21 23 24 26 35 36 39 40 41 42 43 46 47 49 50

Y[m] 740284.605 740283.875 740284.433 740285.382 740285.563 740290.437 740290.598 740291.421 740291.557 740291.991 740291.984 740284.235 740283.446 740283.336 740282.902 740282.749

X[m] 1051005.284 1051005.065 1051005.250 1051005.597 1051005.736 1051002.282 1051001.839 1050999.864 1050999.639 1050998.610 1050998.555 1050995.725 1050997.332 1050997.604 1050998.364 1050998.941

Z[m] 291.756 288.995 290.565 292.017 288.957 290.062 289.114 288.870 290.153 289.525 290.751 290.896 288.613 291.491 288.723 291.429

60

ČVUT V PRAZE

PŘÍLOHA 3

PŘÍLOHA 3 Seznam redukovaných souřadnic identických bodů v systému S-JTSK a Bpv Č.B. 19 21 23 24 26 35 36 39 40 41 42 43 46 47 49 50

X[m] 5.3950 6.1250 5.5670 4.6180 4.4370 -0.4370 -0.5980 -1.4210 -1.5570 -1.9910 -1.9840 5.7650 6.5540 6.6640 7.0980 7.2510

Y[m] -5.2840 -5.0650 -5.2500 -5.5970 -5.7360 -2.2820 -1.8390 0.1360 0.3610 1.3900 1.4450 4.2750 2.6680 2.3960 1.6360 1.0590

Z[m] 291.756 288.995 290.565 292.017 288.957 290.062 289.114 288.870 290.153 289.525 290.751 290.896 288.613 291.491 288.723 291.429

61

ČVUT V PRAZE

PŘÍLOHA 4

PŘÍLOHA 4 Seznam souřadnic identických bodů v místním souřadnicovém systému (Souřadnice místního souřadnicového systému sejmuté v programu Geomagic Studio 2012) Č.B. 19 21 23 24 26 35 36 39 40 41 42 43 46 47 50

X[m] 2.5095 2.5228 2.5306 2.5483 2.5465 -2.3112 -2.7944 -4.9154 -5.1283 -6.2828 -6.3231 -6.3603 -4.6117 -4.2639 -2.8479

Y[m] -0.0865 0.6858 0.0939 -0.9295 -1.1413 -4.5602 -4.5367 -4.6737 -4.6267 -4.7795 -4.7578 3.4775 3.6837 3.6646 3.7910

Z[m] 2.1568 -0.6027 0.9724 2.4248 -0.6400 0.4828 -0.4605 -0.6796 0.5990 -0.0022 1.2139 1.3970 -0.8899 1.9920 1.9072

62

ČVUT V PRAZE

PŘÍLOHA 5

PŘÍLOHA 5 a) Program XYZTrans v 2.0, Protokol o výpočtu (neredukované souřadnice). Podobnostní transformace Použité identické body: 19,21,23,24,26,35,36,39,41,43,46,50 Transformační klíč: Matice Rotace: 0,337369859660231 0,941370900616653

0,00155089168819624

-0,941321105407

0,0109722944474846

0,009805830306

0,337333937322822 -0,00516160851619815

0,999938599859776

Vektor Translace: -740285,365537931000 -1051002,918345570000 289,890959001228 Měřítka v jednotlivých osách (x,y,z): 1,001128648381 1,001128648381 1,001128648381 Střední chyba jednotková: 0,01010692

63

ČVUT V PRAZE

PŘÍLOHA 5

b) Program XYZTrans v 2.0, Protokol o výpočtu (redukované souřadnice). Podobnostní transformace Použité identické body: 19,21,23,24,26,35,36,39,41,43,46,50 Transformační klíč: Matice Rotace: 0,337369859660231 0,941370900616653

0,00155089168819624

-0,941321105407

0,0109722944474846

0,009805830306

0,337333937322822 -0,00516160851619815

0,999938599859776

Vektor Translace: 4,634462068990 -2,918345567681 289,872959001228 Měřítka v jednotlivých osách (x,y,z): 1,001128648381 1,001128648381 1,001128648381 Střední chyba jednotková: 0,01010692

64

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Recommend Documents