ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

PRAHA 2011

Jan PETŘÍK

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ OBOR GEODÉZIE A KARTOGRAFIE

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE MĚŘICKÁ DOKUMENTACE KAPLE SV. ŠIMONA STYLITY - ČIHADLA (OKRES NYMBURK)

Vedoucí práce: Ing. Jindřich HODAČ, Ph.D. Katedra mapování a kartografie

květen 2011

Jan PETŘÍK

ZDE VLOŽIT LIST ZADÁNÍ

Z důvodu správného číslování stránek

ABSTRAKT Tato bakalářská práce je zaměřena na dokumentaci kaple sv. Šimona Stylity s využitím metod průsekové fotogrammetrie a optického korelačního systému. V textu je stručně popsána historie dokumentovaného objektu, ale především je text zaměřen na postup zpracování 3D modelu včetně popisu použitých metod, programů a zvolených nastavení či postupů. Ke zpracování snímků, tvorbě mračen a modelů objektu byly využity programy PhotoModeler Scanner, Geomagic Studio a MicroStation V8 XM Edition. Práce probíhá ve spolupráci s Národním památkovým ústavem ú.o.p. v Praze.

KLÍČOVÁ SLOVA měřická dokumentace, průseková fotogrammetrie, optické korelační systémy, PhotoModeler Scanner, Geomagic Studio, MicroStation, 3D model, mračno bodů

ABSTRACT This work is focused on documentation of St. Simon Stylity chapel using techniques of intersection photogrammetry and optical correlation system. The text briefly describes the history of the documented object, but primarily is focused on the process of 3D model including description of used methods, programs and selected settings or procedures.The image processing, cloud formation and object models were used programs PhotoModeler Scanner, Geomagic Studio and MicroStation V8 XM Edition. The work proceeds in cooperation with the Národní památkový ústav ú.o.p. v Praze.

KEYWORDS surveying documentation, intersection photogrammetry, optical correlation system, PhotoModeler Scanner, Geomagic Studio, MicroStation, 3D model, points cloud

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že bakalářskou práci na téma „Měřická dokumentace kaple sv. Šimona Stylity - Čihadla (okres Nymburk)“ jsem vypracoval samostatně. Použitou literaturu a podkladové materiály uvádím v seznamu zdrojů.

V Praze dne

...............

.................................. (podpis autora)

PODĚKOVÁNÍ Děkuji svému vedoucímu bakalářské práce Ing. Jindřichu Hodačovi, PhD. za odborné konzultace, rady a připomínky, které mi pomohly při tvorbě této práce. Dále bych rád poděkoval Bc. Janě Melicharové a Leopoldu Nevídalovi za pomoc při snímkování objektu.

Obsah Úvod

9

1 Informace o objektu

10

1.1

Poloha objektu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.2

Historie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2 Fotogrammetrické metody

13

2.1

Teoretické základy fotogrammetrie

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2

Průseková fotogrammetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3

Optické korelační systémy (OKS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3 Použité přístrojové a programové vybavení 3.1

3.2

Přístrojové vybavení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.1.1

Neměřická komora Canon EOS 1000D . . . . . . . . . . . . . 17

3.1.2

Objektiv Canon EF-S 18-55mm f/3,5-5,6 II

3.1.3

Nivelační přístroj Topcon AT-24A . . . . . . . . . . . . . . . . 18

. . . . . . . . . . 18

Programové vybavení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.2.1

PhotoModeler Scanner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.2.2

Microstation V8 XM Edition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.2.3

Geomagic Studio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4 Snímkování 4.1

17

22

Snímkování metodou průsekové fotogrammetrie . . . . . . . . . . . . 22 4.1.1

Nivelace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.2

Snímkování metodou obrazové korelace . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.3

Kalibrace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

5 Zpracování snímků 5.1

31

PhotoModeler Scanner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 5.1.1

Průseková fotogrammetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

5.1.2

Optické korelační systémy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

5.2

5.3

Microstation V8 XM Edition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 5.2.1

3D model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

5.2.2

2D technické plány . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Geomagic Studio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 5.3.1

Očištění vstupních dat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

5.3.2

Zasíťování mračna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

5.3.3

Odstranění chyb

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

6 Závěr

47

Použité zdroje

48

Seznam příloh

51

A Digitální médium (DVD)

52

A.1 Obsah DVD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 B Porovnání pohledů na 3D modely a reálné části kaple

54

B.1 Generalizovaný prostorový model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 B.2 Detail okrasné hlavice - lev . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 B.3 Detail okrasné hlavice - levý šnek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 C Kalibrace neměřické komory Canon EOS 1000D

59

C.0.1 Protokol o kalibraci digitální kamery . . . . . . . . . . . . . . 59 C.0.2 Dokumentace průběhu výpočtu kalibrace . . . . . . . . . . . . 60 D Technická nivelace

62

D.1 Zápisník technické nivelace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 D.2 Náčrt nivelačníchlovaných bodů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 E seznam vrstev souborů DGN

64

E.1 3D modely . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 E.2 Stavební výkresy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 E.2.1 Pohledy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 E.2.2 Řez . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

E.2.3 Půdorys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 F Stavební výkresy

67

ČVUT Praha

ÚVOD

Úvod Tato bakalářská práce se zabývá popisem zpracování dokumentace kaple sv. Šimona Stylity za pomocí průsekové fotogrammetrie a optických korelačních systémů. Dokumentace objektu probíhala ve spolupráci s Národním památkovým ústavem územního odborného pracoviště v Praze a jejím výsledkem jsou 3D modely, které v budoucnu mohou posloužit například pro obnovení ornamentální výzdoby či celé kaple. Z důvodu lokálních výskytů složitějších ornamentálních výzdob je model rozdělen do tří částí. První projekt je zaměřen na celý objekt a je zpracován průsekovou fotogrammetrií, výsledkem je 3D model kaple. Druhý projekt je taktéž zpracován průsekovou fotogrammetrií, ale výsledkem jsou 2D výkresy kaple. Třetí projekt se zaměřuje na detaily ornamentálních výzdob, které jsou vyhodnoceny pomocí optických korelačních systémů. Cíle práce jsou: • vytvořit celkový generalizovaný 3D model kaple • vytvořit 2D stavební výkresy ve standartním rozsahu • vytvořit podrobné 3D modely zvolených partií kaple Text je rozdělen do jednotlivých kapitol. První kapitola se věnuje seznámení s objektem a jeho historií. Dále se práce zaměřuje na teoretické představení použitých metod, postup pořizování snímků a kalibraci neměřické komory. Nejdůležitější částí práce jsou kapitoly zabývající se zpracováním pořízených snímků v programech PhotoModeler Scanner, Geomagic Studio a MicroStation V8 XM Edition. Jsou zde podrobně popsány využité funkce programů tak, aby jejich popis čtenáři ukázal dopad jednotlivých jejich nastavení a text posloužil například jako návod na zpracování podobných projektů. V závěru textu jsou shrnuty poznatky z procesu zpracování.

9

ČVUT Praha

1 1.1

1 INFORMACE O OBJEKTU

Informace o objektu Poloha objektu

Kaple sv. Šimona Stylity se nachází na okraji obce Čihadla, západně od komplexu zámku Bon Repos, na začátku aleje vedoucí k zámeckému komplexu. Dnes je kaple ze všech stran obklopena silnicí a příjezdovou cestou k zámku což umožnilo vhodné rozložení stanovisek pro snímkování.

Obr. 1.1: Poloha kaple sv. Šimona Stylity

1.2

Historie

Solitérní kapli nechal postavit v l. 1716-1717 hrabě František Antonín Špork a zasvětil ji v Čechách ne příliš obvyklému světci, starokřesťanskému asketovi Simeonu na sloupu.

10

ČVUT Praha


Barokní, hranolová kaple s osmibokou věžičkou s lucernou je na nárožích zevně zdobená pilastry s jónskými hlavicemi a lvími hlavičkami. Všechny čtyři stěny kaple jsou členěny shodným, půlkruhově zakončeným výklenkem, který je na východní straně prolomený vstupem do kaple. Na jižní straně bylo do výklenku druhotně umístěno okno. Kaple je kryta nízkou jehlancovou střechou zakončenou osmibokou věžičkou s kupolovitou stříškou a zlaceným kovovým křížkem. Uvnitř je kaple sklenuta kupolí vyvrcholenou výrazným válcovým tamburem (prstenec zdiva pod kupolí), který je vzácným a jedinečným prvkem drobných sakrálních staveb v Čechách. Podle historických pramenů byly stěny kaple zdobeny nástěnnými malbami, údajně ze života sv. Jeronýma (E. Poche uvádí fresky Ukřižování a Křest Kristův). Původně byla kaple obklopena parapetní zídkou bez sochařské dekorace. Na střeše, na vrcholu věžičky stávala socha kostlivce, která se otáčela taháním za provaz a při zastavení vždy ukazovala na příslušné symbolické nápisy. Dnes stojí okolo kaple čtyři podstavce, dva blíže k zámku jsou patrně barokní, dva zbylé jsou z doby pozdější. Dnes jsou podstavce prázdné. Po zániku kaple sv. Jeronýma u zámečku Bon Repos byly před kapli sv. Simeona, na nižší podstavce umístěny sochy dvou andělů z dílny Matyáše Bernarda Brauna. Dnes jsou uloženy ve sbírkách Národní galerie v Praze, v Jiřském klášteře. Na druhých dvou masivnějších podstavcích před zadní fasádou kaple byly později umístěny dvě velké lebky z r. 1723 (také z dílny M. Brauna), které nechal hrabě Špork obrátit směrem k brandýskému zámku.

Obr. 1.2: Odcizená socha

11

ČVUT Praha


Nechal prý tak umělecky ztvárnit svou zlobu nad tím, že císař Karel VI. odmítl jeho pozvání k návštěvě. Tyto kamenné lebky byly v 90. letech odcizeny. Socha sv. Jeronýma, z bývalé kaple sv. Jeronýma, dnes stojí na ohradní zdi kostela sv. Jana Křtitele v Lysé nad Labem. Protože byla sochařská výzdoba ze zrušené kaple sv. Jeronýma přenesena ke kapli sv. Simeona (Šimona) Stylity, bývá kaple sv. Simeona často zaměňována za kapli sv. Jeronýma. Informace o historii kaple byly získány ze zdroje [1] .

Obr. 1.3: Pohled na jiho-východní roh kaple ( rok 2011)

12

ČVUT Praha

2

2 FOTOGRAMMETRICKÉ METODY

Fotogrammetrické metody

Tato kapitola je zaměřena na teoretické základy fotogrammetrie jako vědního oboru a fotogrammetrických metod využitých při zpracovaní dokumentace kaple a ukázání jejich ideálních případů. Pro zpracování 3D modelu a 2D výkresů kaple lze využít i jiné metody, jako například geodetické zaměření či jednosnímková fotogrammetrie, ale s ohledem na stanovenou přesnost byla jako nejvhodnější metoda zvolena průseková fotogrammetrie. Pro vytvoření podrobného 3D modelu části kaple by byla nejspíš vhodnější metoda laserového skenování, ta je však finančně nákladná. Jako další metoda se nabízelo geodetické zaměření, které by však bylo pro změnu časově náročné.Jako ideální varianta byla vybrána metoda optických korelačních systémů.

2.1

Teoretické základy fotogrammetrie

Fotogrammetrie je věda, která se zabývá určováním polohy a tvaru objektu pomocí měření na obrazovém záznamu. Počátky fotogrammetrie sahají daleko před vynález fotografie až do 11. stol., kdy vznikla první dírková komora a tím první uvedení středového promítání do praxe. V průběhu času procházela fotogrammetrie různými vývojovými etapami. Od prvních pokusů s dírkovou komorou, vynález dalekohledu a fotografie, přes první letecké snímkování z balónu, objev průsekové a stereografické metody, až po první letecké snímkování, vynález analytického vyhodnocování a dnešní digitální metody. Fotogrammetrie prošla největším vývojem po roce 1980, kdy obrovský vývoj výpočetní techniky umožnil vznik nových technologií, případně inovaci a urychlení technologií původních. Výše zmíněné informace byly čerpány ze zdroje [3].

2.2

Průseková fotogrammetrie

Průseková fotogrammetrie je jednou z nejstarších fotogrammetrických metod. V podstatě se jedná o geodetickou metodu protínání vpřed řešené pomocí neměřických snímků, jejichž osy záběru svírají konvergentní úhel.

13

ČVUT Praha


Princip moderní průsekové fotogrammetrie spočívá ve snímkování objektu několika snímky, jejichž ideální úhel protnutí os záběru je mezi 45◦ až 60◦ . Pro úspěšný výpočet průsekové metody je zapotřebí na každé straně objektu vyznačit ideálně 6 – 8 spojovacích bodů, které jsou rovnoměrně rozmístěny po celém objektu. Při výpočtu podrobných bodů je potřeba, aby byla vyhodnocovaná oblast viditelná minimálně na dvou, ideálně alespoň na třech snímcích. Z tohoto důvodu by měly pořízené snímky mít co největší překryt. Výše zmíněné informace byly čerpány ze zdroje [4].

Obr. 2.1: Princip průsekové fotogrammetrie

2.3

Optické korelační systémy (OKS)

Metoda OKS využívá binokulárního přímého měření snímkových souřadnic, obyčejně v levém snímku měřické dvojice a pravý snímek se užívá pro určení horizontální paralaxy. Snímkovou dvojici lze pořídit různým způsobem. Pro kvalitní vyhodnocení je třeba dodržet vhodnou délku základny, přibližně stejné výšky obou stanovisek snímkování a nejlépe rovnoběžné osy záběru. Současné vyhodnocovací systémy však umožňují vyhodnotit téměř veškerý obrazový materiál, pořízený různým způsobem.

14

ČVUT Praha


Není obyčejně naprosto nutné dodržovat staré, přesně definované postupy, které byly založeny na omezených možnostech vyhodnocení. Kromě snahy dodržet výše zmíněné poučky, by se ideálně při pořizování snímků měl dodržet i tzv. normální případ, kdy jsou osy záběru kolmé k fotogrammetrické základně (viz. obr. 2.2 )

Obr. 2.2: Normální případ stereofotogrammetrie, zdroj [3] kde: P ... určovaný bod y ... vzdálenost od objektu b ... délka základny f ... ohnisková vzdálenost O’, O"... ohniska H’, H"... hlavní snímkové body Xp ’, Xp "... snímkové souřadnice

15

ČVUT Praha


Pro přesnost vyhodnocení je nejdůležitější, jaký je minimálně možný základnový poměr, tj. jaká je minimální délka základny bmin , ze které se určí souřadnice y s požadovanou přesností: bmin = ymax ·

y dp · dy f

(2.1)

kde: ymax ... maximální vzdálenost od objektu y dy

... požadovaná přesnost vyhodnocení jako relativní chyba

dp ... střední chyba měření horizontální paralaxy ( běžně bývá dp = 0, 01mm ) f ... ohnisková vzdálenost Pro základnu platí, že nesmí být překročena ani její maximální délka, která je důležitá pro vytvoření stereovjemu. Pro výpočet platí vztah: bmax = ymin ·

pmax f

(2.2)

kde: ymin ... minimální vzdálenost od objektu Pmax ... maximální horizontální paralaxa, při které jsou oči schopné vytvořit stereovjem (Pmax = 40-50 mm) f ... ohnisková vzdálenost Informace byly získány ze zdroje [3].

16

ČVUT Praha

3

3 POUŽITÉ PŘÍSTROJOVÉ A PROGRAMOVÉ VYBAVENÍ

Použité přístrojové a programové vybavení

V této kapitole jsou popsány pomůcky využité pro snímkování a zpracování dokumentace.

3.1 3.1.1

Přístrojové vybavení Neměřická komora Canon EOS 1000D

Obr. 3.1: Canon EOS 1000D Jedná se o amatérskou jednookou digitální zrcadlovku, která vznikla přepracováním výkonnějšího modelu EOS 450D. Canon EOS 1000D je fotoaparát se snímačem formátu APS-C (22,2 x 14,8 mm ) s 10,1 Mpx. Citlivost má v rozmezí 100 až 1600 ISO, zápis je na SD/SDHC/MMC karty a umožňuje uložení do formátů JPEG nebo RAW. Systém širokoplošného automatického ostření používá 7 samostatných zaostřovacích bodů. Měření expozice má 35 zón. Fotoaparát obsahuje i integrovaný čistící systém EOS, který omezuje tvorbu prachu uvnitř fotoaparátu, setřásá prach ze snímače při každém zapnutí či vypnutí přístroje a mapuje odolávající prachové částice, jež odstraní software Digital Photo Professional, který je součástí dodávaného softwaru.

17

ČVUT Praha


Bajonet pro objektiv je typu EF, respektive EF-S pro objektivy určené jen pro maloformátové zrcadlovky a přístroj je kompatibilní se zábleskovými jednotkami Speedlite EX. Informace a obrázek byly získány ze zdroje [5].

3.1.2

Objektiv Canon EF-S 18-55mm f/3,5-5,6 II

Obr. 3.2: Canon EF-S 18-55mm f/3,5-5,6 II V kombinaci s použitým fotoaparátem zobrazuje tento zoom objektiv úhel záběru odpovídající rozsahu 28-90 mm ohniskové vzdálenosti u kinofilmu. Světelnost objektivu je f/ 3,5- 5,6 a nejkratší zaostřovací vzdálenost je 28 cm. Maximální clonové číslo dosahuje při nejkratší ohniskové vzdálenost 22 a při nejdelší ohniskové vzdálenosti 38. Informace a obrázek byly získány ze zdroje [5].

3.1.3

Nivelační přístroj Topcon AT-24A

Topcon AT-24A je nivelační přístroj s kompenzátorem. Přistroj disponuje přesností 2mm/km , zvětšením objektivu 24x a citlivostí libely 10/2mm. Informace byly získány ze zdroje [8]

18

ČVUT Praha

3.2 3.2.1


Programové vybavení PhotoModeler Scanner

Software PhotoModeler vyvinula kanadská společnost Eos Systems Inc. se sídlem ve Vancouveru, která působí v oblasti 3D modelování od roku 1990. PhotoModeler Scanner se od dřívějších verzí programu (PhotoModeler) liší především tím, že umožňuje tvorbu mračna bodů. Touto funkcí PhotoModeler Scanner nahrazuje laserové skenování levnější a dostupnější metodou optické korelace. Software k tvorbě mračen bodů využívá již zmíněné metody optické korelace, ke které jsou potřeba dva snímky s rovnoběžnou osou záběru. Kromě tvorby mračna bodů software umožňuje i jeho zasíťování, editaci a export do jiných programů. PhotoModeler Scanner nachází uplatnění například v těchto odvětvích: archeologie, architektura, film a animace, medicína, strojírenství a průmyslové měření, atd. Informace o softwaru byly získány ze zdroje [6]

Obr. 3.3: Pracovní prostředí PhotoModeler Scanner

19

ČVUT Praha

3.2.2


Microstation V8 XM Edition

MicroStation od společnosti Bentley je program, který slouží k vytváření 2D a 3D modelů objektů a budov. Po importu jinde určených souřadnic bodů (2D případně 3D) umožňuje pomocí linií jejich propojení a vytvoření drátového modelu, který je možné následně „zaplochovat“ a vytvořit tak 3D model objektu. MicroStation používá svůj vlastní formát dat zvaný DGN, MicroStation V8 ovšem není pevně spojen s formátem DGN, ale dokáže otevřít a uložit i soubory jiných formátů. Jednou z výhod technologie uvnitř MicroStationu V8, která pro podporu různých formátů využívá princip slovníků, je možnost přímo pracovat s DWG výkresy vytvořené programem AutoCAD. Samotný MicroStation V8 může interpretovat větší rozsah informací, než jaké jsou obsaženy v DWG a DGN souborech, takže oba formáty mohou být při práci formou referenčních výkresů libovolně kombinovány. Informace o softwaru byly získány ze zdroje [2].

Obr. 3.4: Pracovní prostředí MicroStation V8 XM Edition

20

ČVUT Praha

3.2.3


Geomagic Studio

Geomagic Studio je univerzální program na zpracování mračna bodů, který vyvinula americká společnost Geomagic Inc.. Program umožňuje tvorbu trojúhelníkových sítí a obsahuje velké množství funkcí, které umožňují sjednocení a editaci mračen, trojúhelníkových sítí i výsledných 3D modelů. Informace o softwaru byly získány ze zdroje [9]

Obr. 3.5: Pracovní prostředí Geomagic Studio

21

ČVUT Praha

4

4 SNÍMKOVÁNÍ

Snímkování

V kapitole Snímkování jsou popsány veškeré práce v terénu a je rozdělena do tří hlavních podkapitol. První podkapitola se zabývá snímkováním kaple pro účel vytvoření plánů kaple a celkového 3D modelu s využitím metody průsekové fotogrammetrie. V druhé podkapitole je pak popsáno snímkování detailu ornamentální výzdoby za účelem vytvoření podrobného 3D modelu. Poslední podkapitola se zabývá kalibrací neměřické komory.

4.1

Snímkování metodou průsekové fotogrammetrie

Před samotným snímkováním je potřeba si připravit značky (v mém případě se jednalo o černo-bílé papírové terče o rozměrech 5x5 cm (viz. obr. 4.1)), jejichž pomocí se signalizují vlícovací body na snímkovaném objektu. Jsou případy, kdy je na objektu dostatek přirozeně signalizovaných bodů a umělá signalizace zde není nezbytně nutná. Použitím signalizačních terčů se však urychlí následné vyhodnocovací práce a především se zmenšuje riziko chybné identifikace bodu na snímku.

Obr. 4.1: Umělá signalizace vlícovacího bodu Dalším krokem před snímkováním je rekognoskace terénu. V rámci rekognoskace se určí nejvhodnější počet a rozmístění stanovisek. Při určování stanovisek pro snímkování se musí dbát na fakt, že každý bod ve vyhodnocované oblasti musí být viditelný minimálně na dvou, ideálně na třech snímcích a záměrné osy snímků by měly svírat úhel mezi 45◦ a 60◦ . Dále je důležitá správná volba vzdálenosti stanoviska od

22

ČVUT Praha

4 SNÍMKOVÁNÍ

objektu, která by měla být u všech stanovisek přibližně stejná a musí se volit s ohledem na velikost snímkovaného objektu a použité ohniskové vzdálenosti. Ideálně by měla vyhodnocovaná oblast zabírat co největší část plochy na snímku. Při snímkování prostorových objektů je obvykle voleno 8 stanovisek (4 frontální a 4 diagonální). U kaple sv. Šimona Stylity bylo z důvodu členitosti fasády nutno snímkovat ze 16-ti stanovicek (viz. obr. 4.2).

Obr. 4.2: Schéma rozmístění stanovisek s označením snímků z nich pořízených Závěrečným krokem před snímkováním je vhodné rozmístění signalizačních terčů na objekt, vyznačení svislice (pomocí olovnice nebo dvou bodů zařazených do svislice) a změření délek mezi několika vybranými body, případně geodetické zaměření vlícovacích bodů (takto změřené vzdálenosti později slouží k definování rozměru modelu a jako kontrolně oměrné délky). Posledním krokem je samotné snímkování objektu ze všech stanovisek. Aby snímky byly použitelné pro měřické účely, je nutné alespoň částečně simulovat měřickou komoru se stálými prvky vnitřní orientace. To znamená, že se při snímkování musí vyvarovat změně ohniskové vzdálenosti a přeostření. Toho docílíme zafixováním objektivu v jedné poloze a vypnutím funkce auto-fokus (automatické ostření). Mnou

23

ČVUT Praha

4 SNÍMKOVÁNÍ

použitá neměřická komora Canon EOS 1000D lze přepnout do plně manuálního režimu, takže jsem snadno docílil toho, že po celou dobu snímkování byly všechny parametry nastaveny na konstantní hodnotu. Objektiv jsem nastavil do krajní polohy na ohniskovou vzdálenost 55 mm (po přepočtu na kinofilmové pole f= 88 mm) a na přístroji nastavil tyto hodnoty: ISO 100, závěrku clony f/10 a délku expozice 1/320 s až 1/160 s. Pro získání co nejvíce kvalitních snímků byly snímky ukládány do formátu RAW a následně v PC převedeny s minimální možnou komprimací na formát JPG.

4.1.1

Nivelace

V rámcí terénních prací při snímkování průsekovou fotogrammetrií byl technickou nivelací v místní soustavě zaměřen průnik objektu s terénem. Mezi nejnižším a nejvyšším bodem byl naměřen rozdíl 8 cm. Nivelační zápisník a náčrt bodů je v příloze D.

4.2

Snímkování metodou obrazové korelace

Přípravné práce před snímkováním jsou obdobné jako při snímkování průsekovou metodou. Také je potřeba na objektu rovnoměrně rozmístit a signalizovat spojovací body, změřit vzdálenost mezi vybranými body, i vyznačit svislici. Oproti předchozí metodě je rozdíl ve volbě stanovisek a snímkování, tak aby byl zaručen vznik stereovjemu. Ovšem obdobně jako u předchozího snímkování je důležité, aby při snímkování nebyly změněny prvky vnitřní orientace. Velký důraz by měl být kladen na osvětlení fotografovaného objektu. Při práci v interiéru je důležité rovnoměrné nasvícení tak, aby se zamezilo stínům ve vyhodnocované oblasti. Při práci v exteriéru je ideální snímkovat při zatažené obloze, kdy je osvit sluncem měkký a nevznikají téměř žádné stíny. Metodu obrazové korelace jsem při dokumentování kaple sv. Šimona Stylity využil při snímkování detailu hlavice (viz. obr. 4.3). K signalizaci spojovacích bodů jsem použil samolepící terče o velikosti 14 mm. Z důvodů nevyhovujících výsledků bylo snímkování, s pozměněným postupem, několikrát opakováno. Při snímkování

24

ČVUT Praha

4 SNÍMKOVÁNÍ

je dobré se pomocí histogramu, nebo pouhou pohledovou kontrolou, vyvarovat pořízení snímků s podexponovanými (velmi tmavými), nebo naopak přeexponovanými (velmi světlými) oblastmi s minimem kresby. V takovýchto oblastech není možné vygenerovat mračno bodů.

Obr. 4.3: Pohled z východní strany s vy- Obr. 4.4: Rozmístění a signalizace spojoznačenou vyhodnocovanou hlavicí

vacích bodů

25

ČVUT Praha

4 SNÍMKOVÁNÍ

První snímkování bylo prováděno ze vzdálenosti cca 6 metrů ze stativu se základnovou latí, která zaručovala dodržení podmínky rovnoběžnosti záměrných os snímků a díky vestavěné libele i konstantní výšku přístroje. Byly pořízeny tři dvojice snímků (jedna frontální a dvě diagonální) ve stejné výškové úrovni jako vyhodnocovaný objekt. Objektiv byl v krajní poloze na f= 55mm, snímky byly uloženy ve formátu RAW a na přístroji byly nastaveny tyto hodnoty: ISO 200, závěrka clony f/8 a délka expozice 1/160 s. Výsledný model ovšem neobsahoval všechny detaily, kvůli kterým se hlavice snímkovala (viz. obr. 4.5). Jako příčina nevyhovujícího modelu byla určena nedostatečná podrobnost pořízených snímků. Z tohoto důvodu se hlavice musela nasnímkovat znovu, z menší vzdálenosti.

Obr. 4.5: Model vyhodnocený na základě prvního snímkování Druhé snímkování jsem prováděl ze vzdálenosti jednoho metru, ve stejné výškové úrovni jako snímkovaný objekt a bez použití stativu se základnovou latí. Pro získání podrobnějších snímků byla hlavice fotografována z osmi stanovisek, přičemž z každého stanoviska bylo snímkování zaměřeno pouze na část z celkové vyhodnocované oblasti. Tomu se také muselo podřídit rozmístění spojovacích bodů (signalizačních značek), které muselo být hustější než u předchozího snímkování. Zároveň jsem také pořídil na každém stanovisku místo dvou snímků, tři (ke dvěma snímkům pořízených z krajních poloh základny dlouhé cca 25 cm jsem přidal jeden snímek ze středu základny), což se při následném vyhodnocení ukázalo jako prospěšné. Zároveň se také ukázalo, že použití stativu se základnovou latí není nezbytně nutné (jelikož se snímkovaná hlavice nachází ve výšce 4 metrů je manipulace se stativem obtížná a tak jeho absence snímkování podstatně ulehčila). Objektiv byl v krajní poloze na

26

ČVUT Praha

4 SNÍMKOVÁNÍ

f= 55 mm, snímky byly uloženy ve formátu RAW a na přístroji byly nastaveny tyto hodnoty: ISO 100, závěrka clony f/7,1 a délka expozice 1/160 s. Model, vytvořený ze snímků z druhého snímkování, již obsahoval potřebné detaily, ale stále obsahoval zásadní chyby. Po „zaplochování“ mračna bodů zůstala na modelu prázdná místa, která z pořízených snímků nebylo možné vyhodnotit. (viz. obr. 4.6)

Obr. 4.6: Model vyhodnocený na základě druhého snímkování Třetí snímkování probíhalo obdobně jako druhé, ale vyhodnocovaná oblast byla snímkována ze tří různých výškových úrovní (nad, pod a ve výšce vyhodnocované oblasti) z 22 stanovisek. Objektiv byl v krajní poloze na f= 55 mm, snímky byly uloženy ve formátu RAW a na přístroji byly nastaveny tyto hodnoty: pro snímkování detailů - ISO 100, závěrka clony f/7,1, délka expozice 1/250 s až 1/160 s a pro snímkování celé hlavice- ISO 200, závěrka clony f/6,3 a délka expozice 1/500 s až 1/400 s. Z tohoto snímkování bylo pro následné vygenerování mračna bodů využito 47 snímků. Díky snímkování z podhledu i nadhledu bylo možné vyhodnotit body na celém modelu. Výsledné modely už byly dostatečně podrobné a obsahovaly pouze minimum malých, nevyhodnocených částí (viz. obr. 4.7 a 4.8).

4.3

Kalibrace

Neměřickou komoru Canon EOS 1000D s objektivem Canon EF-S 18-55mm f/3,5-5,6 II jsem kalibroval pomocí programu PhotoModeler Scanner a rovinného kalibračního pole. Ke kalibraci bylo potřeba nasnímkovat kalibrační pole ze všech 4 stran, přičemž na každé straně byly pořízeny 3 snímky (po vyfotografování prvního snímku se

27

ČVUT Praha

4 SNÍMKOVÁNÍ

Obr. 4.7: Detail (3. snímkování)

Obr. 4.8: Detail (3. snímkování)

přístroj otočil o 90◦ kolem osy záběru a vyfotografoval se další snímek atd.). Během snímkování nesmí být, stejně jako při snímkování v terénu, změněny prvky vnitřní orientace. Ohnisková vzdálenost objektivu byla nastavena, stejně jako při snímkování v terénu, na krajní hodnotu 55 mm a na fotoaparátu byly nastaveny tyto hodnoty: ISO200, závěrka clony f/9 a délka expozice 1/30 s. Jak byly snímky pořízeny je patrné z obr. 4.9

Obr. 4.9: Stanoviska při snímkování kalibračního pole

28

ČVUT Praha

4 SNÍMKOVÁNÍ

Po nahrání fotografií do počítače je výhodné snímky upravit. Já jsem posunem úrovní barev a kontrastu docílil podstatného zvýraznění bodů na kalibračním poli (viz obr. 4.10 a 4.11 ).

Obr. 4.10: Pořízený snímek

Obr. 4.11: Upravený snímek

Po spuštění programu PhotoModeler Scanner byl založen nový projekt kalibrace Getting Started.../ Camera Calibration project. V následující nabídce byly vybrány upravené snímky kalibračního pole. Dalším krokem je zadání přibližných parametrů použitého fotografického přístroje, které se nastavují v menu Project/Cameras/Camera Viewer (nastavené hodnoty jsou zobrazeny na obr. 4.12 a byly zjištěny ze zdroje [5]). Následuje spuštění samotné kalibrace, která se provede v menu Project/Camera Calibration. Zde se v záložce Options označí parametry vnitřní orientace, které se mají vypočítat a jejich odsouhlasením se spustí kalibrace. Výsledky kalibrace jsou patrné z obr. 4.13

29

ČVUT Praha

4 SNÍMKOVÁNÍ

Obr. 4.12: Nastavení PVO před kalibrací

Obr. 4.13: PVO po kalibraci

30

ČVUT Praha

5

5 ZPRACOVÁNÍ SNÍMKŮ

Zpracování snímků

V této kapitole je popsán celý postup zpracování snímků, od získávání jednotlivých bodů, až po tvorbu generalizovaného, či detailního 3D modelu a 2D výkresů. Kapitola je rozdělena na tři části, podle využitých softwarů.

5.1 5.1.1

PhotoModeler Scanner Průseková fotogrammetrie

Založení projektu Po spuštění programu byl založen tzv. bodový projekt Getting Started.../Pointsbased project. Následně byly do projektu nahrány snímky pořízené za účelem vyhodnocení metodou průsekové fotogrammetrie. Není nezbytně nutné nahrát všechny pořízené snímky, já jsem zakládal projekt s 8 snímky (4 diagonální a 4 frontální). Dále program vyžaduje zadání fotoaparátu, s kterým byly snímky pořízeny. Z nabídky byl vybrán přístroj, který byl již v předchozím kroku kalibrován (viz kapitola 4.3). Idealizace projektu Během tohoto kroku se ze snímků odstraní vliv zkreslení objektivu. Funkce se spouští z menu Project/Idealize Project. Před samotnou idealizací se program zeptá, na jaké snímky se bude idealizace uplatňovat. Po potvrzení výběru snímků se spustí samotná idealizace, která na základě již uskutečněné kalibrace komory (viz kapitola 4.3) vypočítá vliv distorze objektivu a snímky o vliv distorze opraví (viz obr. 5.1 , 5.2), takže v reálu rovné linie budou na idealizovaném snímku také rovné. Takto zkreslení zbavené snímky jsou pod novým názvem uloženy (ke stávajícímu názvu je přidáno IDEAL) a v projektu se dále pracuje jen s nimi. Po idealizaci se musí dbát na to, aby se současně nepracovalo s idealizovanými i neidealizovanými snímky.

31

ČVUT Praha


Obr. 5.1: Pořízený snímek

Obr. 5.2: Idealizovaný snímek

Orientace snímků Pro získávání prostorových souřadnic je potřebné všechny snímky naorientovat. To se provádí identifikací spojovacích bodů na všech snímcích. Na jednom snímku se pomocí funkce Mark Points Mode označí pomocí Referencing Mode

označí vlícovací body, které se na dalším snímku a tím dojde k propojení snímků. Referencovat

lze najednou pouze dvojici snímků. Po propojení všech snímků se provede výpočet modelu. To se prování funkcí Project/Process

. Při výpočtu modelu se hlídají

hodnoty, které udávají kvalitu vyhodnocení. Tyto hodnoty jsou Largest Residual, což je maximální chyba a Maximum RMS, což je tzv. zbytková chyba projektu. K výpočtu dochází během tvorby modelu několikrát a velikost těchto hodnot se musí stále kontrolovat v menu view/Point Table - Quality. Výpočet a orientování snímků se provádí pouze se snímky, které mají ve vlastnostech snímků u parametru Proccesing Action nastaveno Use and adjust. Další možnosti nastavení tohoto parametru jsou Do not use in processing, kdy body na snímku nejsou zahrnuty do výpočtu 3D modelu a parametr Use but not adjustment, kdy je snímek nastavený jako fixní a hodnoty se nevyrovnávájí.

Obr. 5.3: Náhled snímků s nastavením Use and adjust, Do not use in processing a Use but not adjustment

32

ČVUT Praha


Rozměr a orientace projektu Aby měl model správné měřítko a orientaci, je nutné geodeticky zaměřit vlícovací body nebo definovat jeho rozměr a natočení v prostoru. To se provádí v menu Project/Scale/Rotate

. V záložce Units and Scale se definuje pomocí dvou, již refe-

rencovaných bodů, vzdálenost a v záložce Rotate se definuje orientace projektu (viz obr. 5.4). Při definování orientace je důležité sledovat nápovědu a osy definovat ve správném směru (osu Z zespoda nahoru atd.)

Obr. 5.4: Definování rozměru a orientace projektu

Vyhodnocení podrobných bodů Podrobné vyhodnocení lze provádět pouze na již orientovaných snímcích. Postup při vyhodnocování bodů je obdobný jako u orientování snímků. Opět se pomocí funkce Mark Point cing

označí body, které se na dalších snímcích funkcí Referen-

referencují. Šikovné nástroje při vyhodnocování podrobných bodů jsou v

menu Marking a jedná se o Mark Lines Mode Through Points

, Mark Curves Mode

a Curve

, kterými lze mezi body rovnou vytvářet linie a křivky. Tyto

funkce se vyplatí používat, jelikož při větším počtu vyhodnocených bodů se jinak model stává nepřehledným. Při určování bodu na více než dvou snímcích, se při

33

ČVUT Praha


referencování objevují epipolární linie, na kterých by měl referencovaný bod ležet. Tato funkce velmi urychluje práci, ale také okamžitě upozorní na hrubou chybu při identifikaci bodů.

Obr. 5.5: Exportovaný model z programu PhotoModeler Scanner

Export modelu Podrobně vyhodnocený model se exportoval do formánu DXF, který je kompatibilní s CAD programy. Vyexportovaný model, který je součástí přiloženého DVD obsahuje 1229 bodů, 1102 linií a 54 křivek. Maximální chyba projektu je 1,98 px a zbytková chyba projektu je 1,63 px. Na vyhodnocovaném objektu se nachází několik velmi poškozených částí (viz obr. 5.6), které se obtížně referencovaly a zhoršovaly kvalitu projektu. Body s nevyhovující kvalitou vyhodnocení byly v následném zpracovávání projektu editovány.

34

ČVUT Praha


Obr. 5.6: Římsa s defekty

5.1.2

Optické korelační systémy

Založení projektu, nahrání snímků, idealizace, orientace a definování rozměru se provádí stejným způsobem jako u předchozího vyhodnocování. Podstatný rozdíl je však v podrobném vyhodnocování, to se u metody OKS provádí pomocí nástroje Dense Surface/Create Dense Surface

. Po jeho spuštění

se objeví panel se dvěma záložkami, jehož prostřednictvím se nastavují kritéria pro tvorbu mračna bodů. Create Dense Surface - záložka DSM Option V této záložce se definuje rozsah a citlivost „skenu“. V horní části záložky je popsána kvalita projektu (Max Residual a RMS ), počet oblastí určených pro tvorbu mračen (DMT Trim

) a základnový poměr snímků stereodvojice. (viz obr. 5.7)

V prostřední části se vybírají dvojice snímků, ze kterých se budou mračna bodů počítat. (viz obr. 5.8 ) V poslední části se definují parametry, na základě kterých je mračno generováno. Ve složce Basic se nastavuje rozestup bodů na povrchu objektu, oblast ze

35

ČVUT Praha


Obr. 5.7: DSM Option - horní část

Obr. 5.8: DSM Option - prostřední část které bude mračno generováno (buď z celých snímků nebo jen z předem definovaného DSM polygonu) a vzdálenost nad a pod povrchem v rámci které bude mračno vyhodnocováno.

Obr. 5.9: DSM Option - Basic

Obr. 5.10: DSM Option - Advance

Složka Advanced slouží k definování povrchu vyhodnocovaného objektu (míra zvlnění, opakující se textura) a oblasti ve které dochází ke korelaci obrazu. Výsledky generování mračen bodů Při generování mračen bylo snahou docílit takového mračna, které bude obsahovat veškeré detaily povrchu vyhodnocovaného objektu a zároveň bude obsahovat minimální šum. Vygenerování takového „ideálního“ mračna bodů je zřejmě nereálné. Pro další zpracování se osvědčilo jako nejlepší takové nastavení (viz obr. 5.11), při

36

ČVUT Praha


kterém docházelo ke značnému výskytu šumu, ale zároveň zobrazení povrchu vyhodnocovaného objektu bylo dostatečně zahuštěné a obsahovalo veškeré detaily. Mračno s takto velkým šumem se zdálo zprvu jako nevhodné pro další zpracování, ale po bližším prozkoumání se dalo, od hustě znázorněného povrchu objektu, šum rozeznat a při následné editaci odstranit. Jak takové mračno vypadá je znázorněno na obr. 5.12 a 5.13.

Obr. 5.11: Nejčastější nastavení parametrů generování mračna bodů

37

ČVUT Praha


Obr. 5.12: Vygenerované mračno

Obr. 5.13: Přiblížení mračna z obr. 5.12 Postřehy ze zpracování Při generování mračna bodů byl nejčastějším problémem výskyt šumu v těsné blízkosti povrchu vyhodnoceného modelu. Na jeho redukci měla největší vliv změna parametru Matching region Radius, který udává velikost oblasti ve které dochází ke korelaci obrazu. Já jsem nejčastěji využíval nastavení na hodnotu 10 (viz obr. 5.11), což vedlo k výsledkům viditelných na obrázcích 5.12 a 5.13. Pro představu, jaký má změna nastavení tohoto parametru dopad na výsledné mračno jsou na obrázcích 5.14 a 5.15 ukázána mračna vygenerovaná s nastavením na hodnoty 5 a 30. Při nastavení

38

ČVUT Praha


na hodnotu 5 obsahovalo mračno velký šum, proto bylo pro další vyhodnocení nevhodné. Naopak při nastavení na hodnotu 30 bylo po časově zdlouhavém výpočtu vygenerováno mračno s minimálním šumem ,ale zároveň s nedostatečnou kresbou.

Obr. 5.14: Mračno vygenerované s nastavením Matching region Radius : 5

Obr. 5.15: Mračno vygenerované s nastavením Matching region Radius : 30 Dalším aspektem, který ovlivňuje výsledek generování mračna bodů, je způsob exponování snímků. Na snímku by neměly být žádné stíny, jelikož v zastíněných oblastech software vyhodnotí jen minimum bodů. Snímky by také neměly být příliš podexponované (tmavé) nebo naopak přeexponované (světlé). Stejně jako u stínů, tak i u podexponovaných snímků software vyhodnocuje podstatně menší počet bodů

39

ČVUT Praha


než u správně exponovaného snímku. U snímků přeexponovaných, při generování mračna vzniká velký šum, který je v bezprostřední blízkosti povrchu modelu. Při vyhodnocovaní detailu lví hlavy zobrazené na obrázku 5.16 se vyskytl problém ve vyhodnocení vyznačených částí. Jedná se o různé prohlubně, které byly lehce zastíněné a zčernalé vlivem působení povětrnostních podmínek a stářím kaple. Tento problém se mi podařilo vyřešit použitím HRD technologie (High Dynamic Range), které se věnuji v následující podkapitole 5.1.2.

Obr. 5.16: Vyznačení problémových oblastí pro generování mračna bodů

Technologie High Dynamic Range HDR je technologie, která umožňuje větší dynamický rozsah expozice než při pořízení snímku standardním způsobem. Technologie spočívá v postprodukčním zpracováním snímku. Tvorba HDR snímku je možná dvěma způsoby snímkování. První způsob spočívá v pořízení více snímků s různou expozicí a ze stejného místa (ze stativu a s neměnnou kompozicí). Při druhém způsobu stačí pořídit jediný snímek ve formátu RAW a v postprodukčním zpracování vytvořit více snímků s různým

40

ČVUT Praha


nastavením kroku expozice. Snímky se následně softwarově spojí a vznikne jediný, jasově vyvážený snímek. Při tvorbě HDR snímku, za účelem použití při generování mračna bodů, byl využitý postup tvorby z jednoho RAW snímku, z kterého jsem vytvořil tři snímky s expozicí 0 EV, +1/2 EV a +3/2 EV. Vznik HDR snímku je znázorněný na obr 5.17.

Obr. 5.17: Schéma tvorby HDR snímku V tomto projektu bylo využití HDR technologie výhodné a přispělo k lepším výsledkům. O využití této technologie ve fotogrammetrii se mi však nepodařilo získat žádné informace, ani to, zda je tento způsob pořizování snímků pro měřické

41

ČVUT Praha


účely korektní. Jelikož se na obou snímcích ze stereodvojice nedá zaručit naprosto stejný dopad HDR technologie (každý snímek se zpracovává zvlášť), nabízí se otázka, zda je následně vygenerované mračno vyhodnoceno správně. Pro zodpovězení této otázky by bylo zapotřebí podstatně více výsledků než jen jedno úspěšně vygenerované mračno. To však není předmětem této bakalářské práce. Export prostorových souřadnic bodů Vygenerované body je dále možné nástroji v záložce Create Dense Surface/Meshing Options editovat. Pro další práci s body byl však zvolen vhodnější software Geomagic Studio, který například oproti programu PhotoModeler Scanner obsahuje větší množství nástrojů a umožňuje okamžitý náhled vlivu jejich nastavení na vyhodnocovaný model. Práce v programu Geomagic Studio je popsána v kapitole 5.3. Převod vygenerovaných mračen bodů do softwaru Geomagic Studio byl zajištěn uložením prostorových souřadnic bodů (včetně informace o barvě) ve formátu TXT a následným otevřením v programu Geomagic Studio. Informace o softwaru PhotoModeler Scanner byly získány ze zdrojů [6] a [7].

5.2

Microstation V8 XM Edition

Tento software byl využit pro tvorbu celkového 3D modelu a technických plánů kaple. Vstupem byl soubor exportovaný z programu PhotoModeler Scanner obsahující prostorové souřadnice a linie ve formátu DXF. Prvním krokem po nahrání bodů do programu MicroStation bylo nastavení hlavních a vedlejší pracovních jednotek na metry a centimetry.

5.2.1

3D model

Tvorba prostorového modelu spočívala ve spojování bodů liniemi a křivkami, jejich kopírováním a následným „zaplochováním“. Při tvorbě vnější části modelu byly v maximální možné míře respektovány body získané z programu PhotoModeler Scanner, ale v částech se složitým členěním bylo zapotřebí model generalizovat, aby ve

42

ČVUT Praha


výsledku co nejvíce vystihoval reálný tvar kaple. Interiér modelu kaple byl vytvořen na základě konstrukčních oměrných.

Obr. 5.18: Výchozí body a linie

Obr. 5.19: Drátový model

Obr. 5.20: Výsledný model

Pro tvorbu tzv. drátového modelu byly nejčastěji používané nástroje umístit úsečku číku

, umístit bodovou nebo proudovou křivku , kopírovat

uzavřený řetězec

, prodloužit prvek k průse-

. Pro tvorbu ploch byly použity nástroje vytvořit útvar nebo a konstrukce plochy hranami

. Nástroj vytvořit útvar nebo

uzavřený řetězec je určen pro tvorbu rovných ploch, naopak konstrukce plochy hranami se využívá pro tvorbu ploch, které tvoří křivky. Výsledný model je rozdělen do patnácti barevně odlišených vrstev. Seznam vrstev je uveden v příloze E. Jelikož software MicroStation V8 XM Edition pracuje s formátem dat nazvaný DGN, který není moc rozšířen, byl výsledný model exportován do formátů DWG a 3D PDF. Veškeré výstupy jsou součástí přiloženého DVD.

5.2.2

2D technické plány

Při tvorbě technických plánů se vycházelo z prostorového drátového modelu, který se po natočení do správného pohledu a odstranění hran v zákrytu exportoval do 2D projektu. Ke každému plánu byla přidána popisová tabulka a každý výkres je rozdělen do vrstev. Seznam těchto vrstev je uveden v příloze E. Veškeré plány jsou v měřítku 1:20 vytištěné na formát papíru A2 a přiložené jako příloha F.

43

ČVUT Praha


Pohledy Pohledové plány byly tvořeny ze čtyř frontálních pohledů a byly vyvedeny ve dvou verzích (ideální stav kaple a stav aktuální v době snímkování s vyznačenými defekty). Výkres byl doplněn o výškové kóty. Půdorys Rovina vodorovného řezu byla vedena ve výšce 150 cm tak, aby protnula všechny otvory kaple. Výkres je doplněn o rozměrové kóty a výškové kóty v místní soustavě. Řez Rovina svislého řezu je vedena středem kaple ze západu na východ. Pohled je situován směrem na jižní stěnu s oknem. Výkres obsahuje výškové i rozměrové kóty.

5.3

Geomagic Studio

V programu Geomagic Studio byla zpracována mračna bodů vygenerovaná z programu PhotoModeler Scanner. Tvorba prostorového modelu okrasné hlavice byla v softwaru Geomagic Studio rozdělena do tří projektů vyhodnocující jen detaily hlavice, které byly na závěr spojeny a doplněny o zbylou, méně podrobnou část hlavice.

5.3.1

Očištění vstupních dat

Po založení projektu se nahrála mračna bodů ve formátu TXT a nastavily stejné jednotky jako při práci ve PhotoModeler Scanner, tedy centimetry. Prvním krokem bylo manuální očištění mračna od odlehlých bodů. K vybrání a odstranění bodů se použil nástroj Laso

neboŠtětec

nástroje Points/Repair/Select Disconnected Components

. Dále byly pomocí vybrány a odstraněny

body nacházející se mimo povrch vyhodnocovaného objektu. Dalším krokem byla redukce šumu. Ta se provedla nástrojem Points/Repair/Reduce Noise

44

. Posledním

ČVUT Praha


krokem při kterém se editoval počet bodů bylo sjednocení vzorkování pomocí ná. Tato funkce odstraní nadbytečné body

stroje Points/Sample/Uniform Sample z rovných ploch.

Obr. 5.21: Nahrané mračno z PhotoMo- Obr. 5.22: Očištěné mračno připravené deler Scanner

5.3.2

pro zasíťování

Zasíťování mračna

K vytvoření trojúhelníkové sítě slouží nástroj Points/Wrap/Wrap

. Funkce Wrap

nabízí dva režimy zasíťování s ohledem na to, zda vyhodnocovaný objekt obsahuje vnitřní části nebo ne. Při tvorbě detailů hlavice byla vždy volena varianta Surface, tedy objekt bez vnitřních částí.

5.3.3

Odstranění chyb

Po vytvoření trojúhelníkové sítě obsahoval model velké množství drobných chyb (malé díry, ostré vrcholy, průsečíky trojúhelníků), které bylo zapotřebí odstranit. Nejdříve byly na model použity automatické opravy a následně manuálně odstraněny zbylé chyby. Automatické odstranění chyb K automatickému vyhledání a opravení chyb slouží nástroj Polygons/Mesh Doctor

, který má široké možnosti nastavení. Při opravě modelu hlavice byla nasta-

vena funkce Auto-Repair, která se při detekci a odstranění chyb dobře osvědčila.

45

ČVUT Praha


Manuální odstranění chyb Manuální odstranění chyb spočívalo v odstranění volných konců a vyplnění děr. Odstranění volných konců spočívalo v jejich označení nástrojem štětec a následným odstraněním. Vyplnění děr se provádělo funkcí Polygons/Fill Holes/Fill Single

. Tento ná-

stroj disponuje třemi režimy vyplnění děr. První režim umožňuje zaplnění celé díry, druhý vyplní díru jen částečně a třetí vytváří tzv. most přes danou díru. Vyhlazení modelu Posledním krokem při tvorbě modelu bylo jeho vyhlazení, na které byly použity dva nástroje. Prvním z nich byl nástroj Polygons/Smooth/Remove Spikes

, který z

modelu odstranil ostré vrcholky (viz obr. 5.24). Druhou funkcí využitou při vyhlazení byla funkce Polygons/Smooth/Relax

, která odstranila poslední zbytky šumu (viz

obr. 5.26)

Obr. 5.23: Model před použitím Re- Obr. 5.24: Model po použití Remove Spimove Spikes

kes

Obr. 5.25: Model před použitím Relax

Obr. 5.26: Model po použitím Relax

46

ČVUT Praha

6

6 ZÁVĚR

Závěr

Cílem této bakalářské práce bylo vytvoření měřické dokumentace kaple sv. Šimona Stylity, která se nachází u obce Čihadla v okrese Nymburk. Jako výstupy dokumentace byly zvoleny technické výkresy v tištěné i digitální formě ( formáty DGN a DWG), generalizovaný prostorový model ve formátech DGN, DWG a 3D PDF a podrobný prostorový model detailu hlavice ve formátech PRJ, OBJ a 3D PDF. S ohledem na časové a finanční možnosti byly pro zaměření kaple zvoleny fotogrammetrické metody průseková fotogrammetrie a metoda optických korelačních systémů. Vnitřek kaple byl zdokumentován geodetickou metodou konstrukčních oměrných. Záměrem práce bylo vytvořit takovou měřickou dokumentaci, která by mohla být v budoucnu využita jako předloha pro rekonstrukci kaple. Výsledné výkresy a modely obsahují veškeré charakteristické rysy kaple (římsy, ornamentální hlavice, atd.) . Generalizovaný model vytvořený za využití metody průsekové fotogrammetrie obsahuje veškeré vystouplé části kaple větší než 2 cm vyjma okrasných hlavic, které byly vyhodnoceny metodou optických korelačních systémů s podstatně vyšší přesností (cca 0,5 cm). Při pořizování snímků metodou průsekové fotogrammetrie a jejich následném zpracování se nevyskytly žádné větší problémy. Komplikace však nastaly při zpracování snímků pořízených metodou optických korelačních systémů. Z důvodu nezkušenosti byl objekt opakovaně chybně nasnímkován. Požadovaných kvalitních výsledů bylo dosaženo až po třetím snímkování s podstatně větším počtem pořízených snímků než u předchozích snímkování (první snímkování proběhlo ze tří stanovisek, druhé snímkování z osmi stanovisek a třetí snímkování z dvaceti dvou stanovisek). Veškeré výsledky této práce budou předány NPÚ územního odborného pracoviště v Praze, které je dle potřeb plánuje využít pro interní potřeby, popřípadě model umístit do veřejné databáze https://iispp.npu.cz/mis/homepage.htm .

47

ČVUT Praha

POUŽITÉ ZDROJE

Použité zdroje [1] SVK v Kladně Kaple sv. Simeona Stylity (Čihadla, Česko). In Kaple sv. Simeona Stylity (Čihadla, Česko)[online]. Kladno : SVK v Kladně, 200? [cit. 201105-02]. Dostupné z URL: . [6] PhotoModeler

PhotoModeler Scanner - 3D Scanner for dense sur-

face 3d scanning

[online]. 2011 [cit. 2011-05-02]. Dostupné z URL:

. [7] Nápověda programu PhotoModeler Scanner. [8] Absolute Accuracy Inc AT-24A [online]. 2011 [cit. 2011-05-20]. Dostupné z URL: . [9] Geomagic Studio Geomagic Studio: Rapidly Create 3D CAD Surface Models from 3D Point Cloud and Scanner Data [online]. 2011 [cit. 2011-05-20]. Dostupné z URL: . [10] LABORATORY OF PHOTOGRAMMETRY lfgm.fsv.cvut.cz - photogrammetry web site [online]. 2011 [cit. 2010-10-09]. Dostupné z URL: .

48

Seznam obrázků 1.1

Poloha kaple sv. Šimona Stylity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.2

Odcizená socha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.3

Pohled na jiho-východní roh kaple ( rok 2011) . . . . . . . . . . . . . 12

2.1

Princip průsekové fotogrammetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.2

Normální případ stereofotogrammetrie, zdroj [3] . . . . . . . . . . . . 15

3.1

Canon EOS 1000D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.2

Canon EF-S 18-55mm f/3,5-5,6 II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.3

Pracovní prostředí PhotoModeler Scanner . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.4

Pracovní prostředí MicroStation V8 XM Edition . . . . . . . . . . . . 20

3.5

Pracovní prostředí Geomagic Studio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.1

Umělá signalizace vlícovacího bodu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.2

Schéma rozmístění stanovisek s označením snímků z nich pořízených . 23

4.3

Pohled z východní strany s vyznačenou vyhodnocovanou hlavicí . . . 25

4.4

Rozmístění a signalizace spojovacích bodů . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.5

Model vyhodnocený na základě prvního snímkování . . . . . . . . . . 26

4.6

Model vyhodnocený na základě druhého snímkování . . . . . . . . . . 27

4.7

Detail (3. snímkování) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.8

Detail (3. snímkování) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.9

Stanoviska při snímkování kalibračního pole . . . . . . . . . . . . . . 28

4.10 Pořízený snímek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4.11 Upravený snímek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4.12 Nastavení PVO před kalibrací . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.13 PVO po kalibraci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 5.1

Pořízený snímek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

5.2

Idealizovaný snímek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

5.3

Náhled snímků s nastavením Use and adjust, Do not use in processing a Use but not adjustment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

5.4

Definování rozměru a orientace projektu . . . . . . . . . . . . . . . . 33

5.5

Exportovaný model z programu PhotoModeler Scanner . . . . . . . . 34

5.6

Římsa s defekty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

5.7

DSM Option - horní část . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

5.8

DSM Option - prostřední část . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

5.9

DSM Option - Basic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

5.10 DSM Option - Advance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 5.11 Nejčastější nastavení parametrů generování mračna bodů . . . . . . . 37 5.12 Vygenerované mračno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 5.13 Přiblížení mračna z obr. 5.12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 5.14 Mračno vygenerované s nastavením Matching region Radius : 5 . . . . 39 5.15 Mračno vygenerované s nastavením Matching region Radius : 30 . . . 39 5.16 Vyznačení problémových oblastí pro generování mračna bodů . . . . . 40 5.17 Schéma tvorby HDR snímku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 5.18 Výchozí body a linie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5.19 Drátový model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5.20 Výsledný model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5.21 Nahrané mračno z PhotoModeler Scanner . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.22 Očištěné mračno připravené pro zasíťování . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.23 Model před použitím Remove Spikes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 5.24 Model po použití Remove Spikes 5.25 Model před použitím Relax

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5.26 Model po použitím Relax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 B.1 Generalizovaný prostorový model kaple sv. Šimona Stylity . . . . . . 54 B.2 Reálný pohled na kaply sv. Šimona Stylity . . . . . . . . . . . . . . . 55 B.3 Prostorový model lva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 B.4 Reálný pohled na okrasnou hlavici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 B.5 Prostorový model levého šneka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 B.6 Reálný pohled na okrasnou hlavici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

ČVUT Praha

SEZNAM PŘÍLOH

Seznam příloh A Digitální médium (DVD)

52

A.1 Obsah DVD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 B Porovnání pohledů na 3D modely a reálné části kaple

54

B.1 Generalizovaný prostorový model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 B.2 Detail okrasné hlavice - lev . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 B.3 Detail okrasné hlavice - levý šnek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 C Kalibrace neměřické komory Canon EOS 1000D

59

C.0.1 Protokol o kalibraci digitální kamery . . . . . . . . . . . . . . 59 C.0.2 Dokumentace průběhu výpočtu kalibrace . . . . . . . . . . . . 60 D Technická nivelace

62

D.1 Zápisník technické nivelace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 D.2 Náčrt nivelačníchlovaných bodů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 E seznam vrstev souborů DGN

64

E.1 3D modely . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 E.2 Stavební výkresy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 E.2.1 Pohledy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 E.2.2 Řez . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 E.2.3 Půdorys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 F Stavební výkresy

67

51

ČVUT Praha

A

A. DIGITÁLNÍ MÉDIUM (DVD)

Digitální médium (DVD)

A.1

Obsah DVD

• 2D stavebni plany – DGN - stavební plány ve formátu DGN – DWG - stavební plány ve formátu DWG – PDF - stavební plány ve formátu PDF • 3D model detail – celek - soubory modelu orasné hlavice ve formátech PMR, TXT, WRP, OBJ a PDF – lev - soubory modelu lva ve formátech PMR, TXT, WRP, OBJ a PDF – snek L - soubory modelu levého šneka ve formátech PMR, TXT, WRP, OBJ a PDF – snek P - soubory modelu pravého šneka ve formátech PMR, TXT, WRP, OBJ a PDF • 3D model general - soubory generalizovaného modelu ve formátech PMR, DXF, DGN, DWG a PDF • kalibrace - projekt kalibrace ve formátu PMR a protokol ve formátu TXT • snimky – kalibrace - snímky kalibračního pole ve formátu JPEG – oks ∗ celek - původní a idealizované snímky okrasné hlavice ve formátu JPEG ∗ lev - původní a idealizované snímky lva ve formátu JPEG ∗ snek L - původní a idealizované snímky levého šneka ve formátu JPEG

52

ČVUT Praha

A. DIGITÁLNÍ MÉDIUM (DVD)

∗ snek P - původní a idealizované snímky pravého šneka ve formátu JPEG – prusekova ftg - původní a idealizované snímky kaple ve formátu JPEG • BP_ Petrik.PDF - text bakalářské práce ve formátu PDF • MeshLab - program na zobrazení OBJ souborů

53

ČVUT Praha B. POROVNÁNÍ POHLEDŮ NA 3D MODELY A REÁLNÉ ČÁSTI KAPLE

B

Porovnání pohledů na 3D modely a reálné části kaple

B.1

Generalizovaný prostorový model

Obr. B.1: Generalizovaný prostorový model kaple sv. Šimona Stylity

54


Obr. B.2: Reálný pohled na kaply sv. Šimona Stylity

55


B.2

Detail okrasné hlavice - lev

Obr. B.3: Prostorový model lva

Obr. B.4: Reálný pohled na okrasnou hlavici

56


B.3

Detail okrasné hlavice - levý šnek

Obr. B.5: Prostorový model levého šneka

Obr. B.6: Reálný pohled na okrasnou hlavici

57


58

ČVUT Praha

C

C. KALIBRACE NEMĚŘICKÉ KOMORY CANON EOS 1000D

Kalibrace neměřické komory Canon EOS 1000D

C.0.1

Protokol o kalibraci digitální kamery

kamera - typ

Canon EOS D1000

objektiv - typ

AF Canon

konstanta komory (mm)

55

kalibraþní pole

LFGM

konfigurace

5 snímkĤ

pozn.:

image quality - JPG normal; fixovaná hodnota - H

kalibraci provedl/a

Jan PetĜík

dne

9.10.2010

PhotoModeler - výsledky f /mm/

53,4315

velikost þipu /palce/

W /mm/

22,1823

Crop faktor

1,6

H /mm/

14,8082

f ekvivaletní KF /mm/

85,5

pp x /mm/

11,1530

posun hlavního bodu

pp y /mm/

709849,0000

K1

-0,00003703

úhel zábČru

1,05´´

0,062

10,8

-709841,596

-124417401,5

/mm/

/pixely/

K2

0,00000002

horizontální /stupnČ/

23,5

P1

-0,00001278

vertikální /stupnČ/

15,8

W /pixely/

3888

P2

0,00000333

velikost pixelu /mm/

0,0057

H /pixely/

2592

r max /mm/

13,335

r /mm/

dr /µm/

dr max

0

0,00

0,5

-0,01

1

-0,04

2

-0,15

3

-0,33

4

-0,59

-2,0

5

-0,91

-3,0

6

-1,31

7

-1,77

8

-2,29

9

-2,88

10

-3,51

11

-4,21

12

-4,94

13

-5,72

14

-6,53

/µm/

/pixely/

6,53

1,1

pomČr þipu (W : H) 1,5

1,4980

z pixelĤ

z vyrovnání

Graf - prĤbČh radiální distorze objektivu v diagonále 0,0 0

5

10

dr (µ µm)

-1,0

-4,0 -5,0 -6,0 -7,0 r (mm)

59

15

ČVUT Praha

C.0.2


Dokumentace průběhu výpočtu kalibrace

1.

vypoþtené hodnoty PvniO

2.

vizualizace prĤbČhu distorze

Šablona kalibračního protokolu byla získána ze zdroje [10]

60

ČVUT Praha


61

ČVUT Praha

D

D. TECHNICKÁ NIVELACE

Technická nivelace

D.1

Zápisník technické nivelace

Zápisník pro technickou a plošnou nivelaci MČĜil:

Jan PetĜík

ýíslo bodu (ID) PĜestavového

Boþního

Dne:

13.3.2011

ýtení na lati vzad +

vpĜed -

boþnČ -

Poþasí: NadmoĜská výška horizontu stroje

polojasno

PĜístroj:

NadmoĜská výška bodu pĜestavového

Topcon AT-24A (T18227) Délka zámČry [m]

urþeného boþnČ

Délka poĜadu [m] ∆ mezní [mm]

Poznámka

0,000

1

1,693

1,693

2 3 4 5

8,0

1,662

0,031

8,0

1,658

0,035

8,0

1,684

0,009

8,0

1,614

0,079

8,0

1,614

0,079

1,648 6 7

0,020

18,0

1,703

0,024

18,0

1,728

-0,001 1,609

0,029

1,638

4,980 Σz

6,0 6,0

1,638

8

13,0

1,707

1,639

1

5,0 5,0

1,727

0,000

24,0 30,0

10,0

40,0

4,980 Σp

62

ČVUT Praha

D.2

D. TECHNICKÁ NIVELACE

Náčrt nivelačníchlovaných bodů

63

ČVUT Praha

E

E. SEZNAM VRSTEV SOUBORŮ DGN

seznam vrstev souborů DGN E.1

3D modely

• dvere • hlavy • okno • paty • podlaha • rimsa_ horni • rimsa_ spodni • rimsa_ stredni • rohy • steny • strecha • uvnitr • zem • zvonice • zvonice_ kopule • zvonice_ uvnitr

64

ČVUT Praha


E.2

Stavební výkresy E.2.1

Pohledy

• defekty • koty • kresba-defekty • kresba-pohled • popiska • zem

E.2.2

Řez

• koty-rozmerove • koty-vyskove • pohled • popiska • rez • zem

E.2.3

Půdorys

• koty-rozmerove • koty-vyskove • krizky • nad rovinou rezu • nad rovinou rezu-klenby

65

ČVUT Praha


• otvory • pod rovinou rezu • popiska • rez

66

ČVUT Praha

F. STAVEBNÍ VÝKRESY

F

Stavební výkresy

• výkres č. 1 - VÝCHODNÍ POHLED • výkres č. 2 - JÍŽNÍ POHLED • výkres č. 3 - ZÁPADNÍ POHLED • výkres č. 4 - SEVERNÍ POHLED • výkres č. 5 - ŘEZ • výkres č. 6 - PŮDORYS • výkres č. 7 - VÝCHODNÍ POHLED - DEFEKTY • výkres č. 8 - JÍŽNÍ POHLED - DEFEKTY • výkres č. 9 - ZÁPADNÍ POHLED - DEFEKTY • výkres č. 10 - SEVERNÍ POHLED - DEFEKTY

67

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Recommend Documents