ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

PRAHA 2011

Petr VAVERKA

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

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE VIA SANCTA - MĚŘICKÁ DOKUMENTACE VYBRANÝCH ZASTAVENÍ

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

květen 2011

Petr VAVERKA

ZDE VLOŽIT LIST ZADÁNÍ

Z důvodu správného číslování stránek

ABSTRAKT Předmětem této bakalářské práce je fotogrammetrická dokumentace dvou vybraných zastavení ze souboru kaplí Svaté cesty z Prahy – Vysočany do Staré Boleslavi. Projekt pojednává o zpracování 3D dat, tvorbě 3D modelů a 2D výkresů menších objektů v programech PhotoModeler Scanner, Bentley Microstation V8 XM a Geomagic Studio 11. V úvodu se práce věnuje uvedení do problematiky fotogrammetrického měření. Následuje seznámení s historií Svaté cesty a představení vybraných kaplí k dokumentaci. Vyjmenovává programy, metody a přístroje použité při zpracování 3D modelů. Dále se věnuje kalibraci fotoaparátu, postupu získání fotodokumentace, tvorbě prostorových modelů a 2D výkresů v programu Bentley Microstation V8 XM. Projekt mimo jiné zmiňuje vytvoření mračen bodů částí kaple (římsy, pilastry a pískovcové paty) v programu PhotoModeler Scanner a jeho editaci za pomoci softwaru Geomagic Studio.

KLÍČOVÁ SLOVA Via Sancta, Svatá cesta, prostorový model, stavební výkresy, PhotoModeler Scanner, Geomagic Studio, 3D PDF, stereofotogrammetrie, průseková fotogrammetrie, mračno bodů

ABSTRACT The object of this work is a photogrammetric documentation of previously chosen ecclesiastical buildings. The buildings are part of the Via Sancta from Prague – Vysočany to Stará Boleslav. The thesis focuses on processing 3D data and making 3D models of smaller objects with PhotoModeler Scanner, Bentley Microstation V8 XM and Geomagic Studio 11. In the beginning there is information about the Via Sancta and some more information concerning the chosen chapels. Furthermore the software, methods and instruments used during the process are described. The main part describes the calibration of the camera, obtaining the photodocumentation, making the three-dimensional and 2D drawing with Bentley Microstation V8 XM. In addition, making point meshes of important parts of the object with the PhotoModeler Scanner are introduced. Also necessary editing of these meshes with Geomagic Studio is described in this work.

KEYWORDS Via Sancta, three-dimensional model, structural drawing, PhotoModeler Scanner, Geomagic Studio, 3D PDF, stereofotogrammetrie, intersection photogrammetry, point mesh

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že bakalářskou práci na téma „VIA SANCTA - měřická dokumentace vybraných zastavení“ jsem vypracoval samostatně. Použitou literaturu a podkladové materiály uvádím v seznamu zdrojů.

V Praze dne

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

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

PODĚKOVÁNÍ Děkuji vedoucímu bakalářské práce Ing. Jindřichu Hodačovi, Ph.D. za jeho pomoc při zpracování této práce. Jeho připomínky a množství konzultací mi byly velkým přínosem. Děkuji Martinovi Dzurovi za poskytnuté rady při tvorbě 3D PDF. Dále bych chtěl poděkovat rodině za podporu po celou dobu studia.

Obsah Úvod

9

1 Historie pražských poutních cest

11

1.1

Poutní cesta do Staré Boleslavi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.2

Součastný stav cesty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.3

Vybrané kapličky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.3.1

Kaplička č. 24 – Nicovská . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.3.2

Kaplička č. 32 – Rokycanská . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2 Odborné konzultace

16

3 Použité fotogrammetrické metody

17

3.1

Průseková fotogrammetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.2

Optické korelační skenování OKS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

4 Technické a softwarové vybavení 4.1

4.2

20

Použité přístroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 4.1.1

Fotoaparát Nikon D200 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.1.2

Objektiv AF-S Nikkor 17-55 mm, 1 : 2,8G ED DX . . . . . . . 20

Použité programy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 4.2.1

Bentley Microstation V8 MX Edition . . . . . . . . . . . . . . 21

4.2.2

PhotoModeler Scanner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.2.3

Geomagic Studio 11

5 Práce v terénu

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 25

5.1

Snímkování - průseková fotogrammetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

5.2

Snímkování - metoda optické korelace . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

6 Kalibrace 6.1

Postup kalibrace

29 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

7 Zpracování získaných dat 7.1

7.2

7.3

32

PhotoModeler Scanner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 7.1.1

PMS Průseková metoda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

7.1.2

PMS Optické korelační skenování . . . . . . . . . . . . . . . . 34

MicroStation V8 XM Edition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 7.2.1

Tvorba prostorového modelu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

7.2.2

Export DGN do 3D PDF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

7.2.3

Tvorba 2D technických výkresů . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Geomagic Studio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 7.3.1

Očištění vstupních dat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

7.3.2

Spojení mračen bodů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

7.3.3

Zasíťování mračna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

7.3.4

Manuální úprava modelu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

7.3.5

Vyhlazení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

7.3.6

Zhodnocení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

Závěr

46

Použité zdroje

48

Seznam symbolů, veličin a zkratek

50

Seznam příloh

51

A Grafické výstupy

52

A.1 Zastavení 24 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 A.2 Zastavení 32 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 A.3 Pilastr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 A.4 Pískovcová pata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 B Výkresové hladiny souboru DGN

56

B.1 3D model - drátěny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 B.2 3D model - model s plochami . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 B.3 2D stavební výkresy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

C Nastavení kalibrace

58

C.1 1. etapa kalibrace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 C.2 2. etapa kalibrace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 D DVD

60

D.1 Obsah DVD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 E Seznam výkresů

63

E.1 Zastavení 24 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 E.2 Zastavení 32 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 F Stavební výkresy - zastavení 24

64

G Stavební výkresy - zastavení 32

65

ČVUT Praha

ÚVOD

Úvod Když jsem navštívil před lety se svým kmotrem Ing. Josefem Bělochem kostel Narození Panny Marie ve Strašíně na Šumavě, byl to pro mě zvláštní den. Cítil jsem to hlavně proto, že jsem se s ním dlouho neviděl a navíc jsme se setkali na místě, kde jsem byl pokřtěn. Roky uplynuly a já si už jako student 4. ročníku ČVUT na přednášce JUDr. Pavla Kroupy, PhDr. o Svaté cestě vzpomněl na sochy svatých, které mi můj patron při prohlídce renovovaného poutního kostela ukazoval. Byl mezi nimi i svatý Václav. Asi právě toto spojení s pozoruhodnou historickou studií, poutavě přednesenou JUDr. Kroupou, ve mně vyvolalo inspiraci k přijetí zajímavého tématu ke zpracování v bakalářské práci na závěr mého studia. Byla to pro mě nejen výzva, ale i potřeba nabídnout seriózně vytvořené dílo k dalšímu užití odborníkům i zainteresované veřejnosti. Práce je zaměřena především na tvorbu generalizovaného 3D modelu vybraných objektů ze souboru výklenkových kaplí Svaté cesty z Prahy – Vysočany do Staré Boleslavi. Pro tvorbu 3D modelu kaplí byla zvolena průseková fotogrammetrie. Prostorové modely jsou doplněny o 2D stavební výkresy v obvyklém rozsahu. Obsahem jsou tedy pohledy, půdorysy a podélné řezy objektů. Dále se práce věnuje tvorbě podrobných 3D modelů pilastru, střešních říms a pískovcové paty kaple č. 24. Pro vyhodnocení modelů byla použita metoda korelačního skenování. První kapitola bakalářské práce obsahuje popis kaple č.24 a č. 32, historii Svaté cesty a její současný stav. V druhé kapitole je popsán průběh konzultací s odborníky v oboru památkové péče. Třetí kapitola stručně pojednává o teorii použitých fotogrammetrických metodách při dokumentaci vybraných objektů. Čtvrtá kapitola se zabývá a specifikuje softwarové a přístrojové vybavení. Pátá kapitola se zaměřuje na snímkování pro jednotlivé metody využité v tomto projektu. Následuje kapitola šestá s podrobným popisem kalibrace neměřické kamery Nikon D200. V sedmé a závěrečné kapitole je sepsán postup zpracování pořízených dat v programech PhotoModeler Scanner, Bentley MicroStation V8 XM Edition a Geomagic Studio.

9

ČVUT Praha

ÚVOD

Stejnému předmětu se věnuje kolega Ondřej Pospíšil. Ten zpracovává téma prezentace cesty - tvorba informačního systému o poutní cestě. Spojené výsledky budou mít jistě široký okruh uplatnění a díky internetu i neomezený rozsah. Předkládám tuto práci s pokorou a díkem všem, z jejichž vědomostí, archivů a dat jsem mohl vycházet

10

ČVUT Praha

1

1. HISTORIE PRAŽSKÝCH POUTNÍCH CEST

Historie pražských poutních cest Je známo, že Praha byla vždy křižovatkou dálkových cest. Již ve 13. století vedlo

z Prahy hned několik hlavních tahů do všech světových stran. Dvě z těchto cest byly od počátku 18. století zdobeny řetězem kapliček, které značí poutní cesty do Staré Boleslavi a do Hájku u Unhoště. Pražskými poutními cestami se zabýval Jiří Dvořák v knižní publikaci Historická geografie 11 z roku 1973 [1], který dokázal určit průběh cest a zajistit podstatné informace o vzhledu kapliček a jejich historii. Jeho práce vychází z mapových podkladů vojenského mapovaní, tedy od roku 1780 do roku 1880. Zajímavé je, že kapličky na cestě do Staré Boleslavi, které byly vystavěny kolem roku 1674 nákladem církevních hodnostářů a zemských úředníků, nejsou zaneseny v Müllerově mapě Čech z roku 1720. Poutní cesta do Hájku byla vybudována v letech 1720-26. Text této kapitoly a následujících podkapitol byl čerpán z J. Dvořák (1973) [1] a [13]. Většina textu byla převzata a upravena.

1.1

Poutní cesta do Staré Boleslavi

Přes mnoho rozporů ve výkladech historiků panuje obecné povědomí o poslední cestě knížete Václava, který byl jako český vladař u moci do roku 935. Podle legendy Václav odjel do Staré Boleslavi, kde před kostelem sv. Kosmy a Damiána došlo 28.září 935 ke konfliktu, při kterém byl vlastním bratrem Boleslavem a jeho družinou úkladně zabit. Jeho ostatky byly později slavnostně převezeny zpět do Prahy a kníže Václav prohlášen za svatého. Proto byla tato poutní Obr. 1.1: Původní výzdoba zasta-

trasa nazvána jako Svatá cesta.

Via Sancta začínala v místech dnešního Kar- vení 32, foto: Eva Očenášková lína, procházela Hloubětínem, Prosekem, a po-

11

ČVUT Praha


kračovala dále do Kbel, Vinoře, Podolanky, Dřevčic a Brandýsa nad Labem. Její konec byl na hranicích katastru města Stará Boleslav.

Obr. 1.2: Pražská poutní cesta do Staré Boleslavi [2] Kapličky jsou všechny stejného tvaru. Postaveno bylo 44 kapliček a jejich počet určoval počet invokací Panny Marie v tehdejší verzi loretánské litanie. Vzdálenost mezi kapličkami je přibližně 479 metrů, což bylo dáno délkou Karlova mostu. Každá kaplička měla svého tzv. donátora, jehož jméno stavitelé umístili do pravé horní části stavby. V levé části nahoře byl namalován erb. Dominantu kapliček tvořila barevně zdobená nika. Horní půlkruhové části přední stěny nesly namalovanou Madonu s latinským názvem místa a kraje, kde byl obraz chován. Hlavní pole niky sloužilo pro malovaný výjev ze svatováclavské legendy. Pro texty motliteb posloužily vnitřní boční stěny.

12

ČVUT Praha

1.2


Součastný stav cesty

Před samotnou dokumentací byla cesta důkladně prozkoumána. V terénu jsem nalezl již pouze 19 kaplí, ostatní se do dnešních dnů nedochovaly. Jejich stav je od velice zachovalých až po naprosto zdemolované a hroutící se trosky. Počátkem cesty je dnes kaplička č. 14 - Jeníkovská viz. Obr. 1.3, která stojí za garážemi ČSAD v polích vlevo od ulice Mladoboleslavské ve směru Kbely. Cesta pak končí kapličkou č. 42 - Vyšehradská, jenž se nachází v Brandýse nad Labem vlevo před železničním přejezdem.

Obr. 1.3: Zastavení 14


Žádná z kapliček už nenese dobovou malbu. Několik objektů již bylo v předešlé době rekonstruováno. Opravy se převážně týkaly objektů v obcích. Bohužel se během rekonstrukcí často nepodařilo zachovat tvary říms a ani střech. Místo původních kamenných desek, které tvořily střechu, byly v některých případech použity pálené střešní tašky. Na některých kapličkách chybí kříž, části omítky nebo dokonce celé pískovcové římsy. V dnešní době je nejlépe opravená a zároveň nejlépe odpovídající skutečnosti kaplička č. 14 – Jeníkovská viz. Obr. 1.3 na začátku poutní cesty. Zde chybí pouze kamený křížek, který je nahrazený křížkem kovovým. Naopak kaplička č. 38 - Strašínská viz. Obr. 1.4, která stojí vlevo od silnice zhruba 550 metrů za vesnicí Dřevčice

13

ČVUT Praha


ve směru ke Staré Boleslavi je v dezolátním stavu. Objekt byl preventivně svázán ocelovými dráty a podepřen trámy, které jej jistí před pádem do vozovky.

1.3

Vybrané kapličky

Výběr kapliček pro fotogrammetrické zpracování byl konzultován s doc. Michaelem Ryklem z Fakulty architektury ČVUT, který potvrdil, že mnou vybrané objekty jsou nejvhodnějšími kandidáty pro dokumentaci z hlediska stavebně-historického významu. Při výběru byl brán zřetel především na autentičnost objektu, výrazné hrany vhodné pro přesné fotogrammetrické vyhodnocení a v neposlední řadě přístup umožňující fotodokumentaci. Pro tuto práci byla nakonec zvolena kaplička č. 24 – Nicovská a kaplička č. 32 – Rokycanská. Následující text byl čerpán z [4] a [3].

1.3.1

Kaplička č. 24 – Nicovská

Kaple se nachází na levé straně silnice asi 1 kilometr za obcí Kbely směrem ke Staré Boleslavi. Svojí frontální částí je orientovaná k jihu. Jako základní materiál posloužily cihly, opuka a tesaný pískovec. Stavba je v rozích ukončena nárožními pilastry a kompozitními hlavicemi. Střechu kryjí prejzové tašky, její vrchol ukončuje křížek se zvýrazněnými patkami. Tato kaple je omítnutá a natřena na bílo. Opracovaný pískovec má černošedou barvu. Zkosený bankál uvnitř niky postrádá kamenné obložení a je krytý omítkou. V hlavním poli niky byla vyobrazena scéna, kde sv. Václav posílá posly do Říma k papeži s prosbou, aby mohl vstoupit do řádu sv. Benedikta a odevzdat vládu bratru Boleslavovi. Visátor

14


ČVUT Praha


benediktinského řádu Tomáš Sartoria nechal na vlastní náklady vystavět tuto kapli a zasvěcena byla invokaci „Nádobo Poctivá“ Panně Marii uctívané v Nicově.

1.3.2

Kaplička č. 32 – Rokycanská

Kaple stojí vlevo na vrcholu stoupání za obcí Podolanka ve směru do Staré Boleslavi. Jedná se o výklenkovou stavbu obdélníkového půdorysu s nikou uzavřenou půlkruhem. Po stranách výklenku jsou zdvojené nárožní pilastry. Pro krytí střechy byl použit kámen. Kaple je zděná z cihel a omítnutá. Vrchol kaple zdobí kamenný hladký kříž s rozšířeným zakončením břeven. Tato kaple jeví znaky silné zchátralosti, s otlučenou omítkou bez malby. Zadní strana je naprosto hladká. Kaplička byla vystavěna na přání barona Jana Pavla Leopolda z Walderode a zasvěcena invokací "Bráno Nebeská"Panně Marii uctívané v kostele sv. Mikuláše na Malé Straně v Praze. Svatováclav-


ská část vyobrazovala výjev ze života blahoslaveného Podivena, Václavova služebníka. Ten byl oběšen z rozkazu knížete Boleslava a po tři roky zůstal prý viset s neporušeným tělem.

15

ČVUT Praha

2

2. ODBORNÉ KONZULTACE

Odborné konzultace Se Svatou cestou nás jako první seznámil pracovník Národního památkového

ústavu (NPÚ) JUDr. PhDr. Pavel Kroupa, který nám vysvětlil význam cesty a její historický vývoj. Jeho výklad byl velice poutavý a zajímavý. Našel jsem v něm inspiraci pro svoji práci. Podle mého názoru by měl též velký význam pro studenty historie nebo teologie. Následovala schůzka s Ing. Alfrédem Šubrtem, bývalým zaměstnancem NPÚ, který se zabýval zejména Cestou do Hájku. Právě on nám poskytl informace o tom, na co se při zpracování objektů zaměřit a co by NPÚ ocenil. Po konzultaci s doc. Ing. Michaelem Ryklem, o schůzce jsem se zmínil v kapitole 1.3, jsem kontaktoval pana Mgr. Petra Váchu z NPÚ pro Střední Čechy a Prahu a pana bc. Petra Baláčka. Na obou pracovištích jsem byl seznámen se systémem evidence nemovitých památek a způsobem jejich archivace. Část cesty ležící na území středočeského kraje je kompletně v evidenci NPÚ a je řádně dokumentována. Naopak evidence druhého úseku na území Prahy je neúplná.

16

ČVUT Praha

3

3. POUŽITÉ FOTOGRAMMETRICKÉ METODY

Použité fotogrammetrické metody Při zpracování měřické dokumentace kaplí byla využita průseková fotogramme-

trie a metoda obrazové korelace. Při použití průsekové fotogrammetrie dostaneme reálný prostorový model, tedy získáme polohu i výšku bodů. Bylo by možné využít i geodetické nebo jednosnímkové fotogrammetrie. Dosažené výsledky by ale neodpovídaly definovaným cílům práce. Metoda optické korelace byla zvolena pro relativně malou ekonomickou a časovou náročnost. Prostorové i 2D modely by bylo možné zpracovat geodeticky (časově náročné), nebo laserovým skenováním (ekonomicky nevýhodné). Následující podkapitoly se zabývají teoretickými základy obou metod. Metody pořízení fotodokumentace jsou popsány v kapitole 5.1 a 5.2. Jako zdroj informací jsem v následujícím textu použil [5] a [6].

3.1

Průseková fotogrammetrie

Průseková fotogrammetrie je jednou z nejstarších fotogrammetrických metod. Určení polohy bodů řeší pomocí protínání vpřed. Snímky pro zpracování metodami průsekové fotogrammetrie je vhodné pořídit z dostatečně velké základny, tedy tak, aby se osy záběrů protínaly pod dostatečně velkým úhlem. Tím se rozumí rozpětí alespoň 45∘ - 60∘ . Princip průsekové fotogrammetrie je znázorněn na Obr. 3.1.

Obr. 3.1: Schéma snímků pro průsekové fotogrammetrie [5] Pro správné vyhodnocení průsekové metody je potřeba zvolit rovnoměrně roz-

17

ČVUT Praha


místit na každou stěnu objektu 6 až 8 řádně viditelných spojovacích bodů. Správný výpočet podrobných bodů zajistí alespoň 50% překryt snímků. Prostorové vyhodnocení lze provést ze dvou snímků, ale bez kontroly výpočtu. Vyhodnocení ze tří a více konvergentních snímků nám dává možnost kontroly a vyrovnání. Správnou orientaci zajistí zvolení dvou vodorovných a svislých bodů na jedné stěně objektu. Orientaci je také možné určit olovnicí. Podrobnější popis technologie je uveden v kapitole 5.1.

3.2

Optické korelační skenování OKS

Pro sběr mračen bodů jsou dnes stále nejvíce používané laserové skenery. Jejich vysoké pořizovací náklady ale omezují jejich častější využití. V dnešní době je snaha více užívat metodu optického skenování. Ta se začíná rozšiřovat velice rychle z důvodu nízké náročnosti na technické vybavení a také pro své nízké finanční a časové náklady. Při pořizování snímků pro tuto metodu je potřeba, aby osy záběru byly přibližně rovnoběžné a kolmé na základnu a výšky stanovišť, odkud jsou snímky pořizovány ( dále jen stanovisek) by měly být shodné. Velice důležité je, aby nebyla překročena maximální délka základny, která je pro vytvoření stereovjemu nepostradatelná. Pro její výpočet platí:

𝑏𝑚𝑎𝑥 = 𝑦𝑚𝑖𝑛 ·

𝑃𝑚𝑎𝑥 , 𝑘𝑑𝑒 𝑓

(3.1)

𝑦𝑚𝑖𝑛 ... minimální vzdálenost od objektu 𝑃𝑚𝑎𝑥 ... maximální horizontální pralaxa, při které jsou oči schopné vytvořit stereovjem (𝑃𝑚𝑎𝑥 = 40-50 mm) 𝑓 ... ohnisková vzdálenost Je tedy možné říci, že je vhodné řídit se normálním případem pozemní stereofotogrammetrie. Při splnění daných podmínek je pak možné ze snímku vytvořit digitální prostorový model objektu. Po výpočtech a zpracováním dat je výsledkem mračno bodů, které nese informace o textuře povrchu a kopíruje reálný tvar objektu.

18

ČVUT Praha


Princip metody stereofotogrammetrie je znázorněn na Obr. 3.2, 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 souoadnice

Obr. 3.2: Schéma pozemní stereofotogrammetrie [5]

19

ČVUT Praha

4

4. TECHNICKÉ A SOFTWAROVÉ VYBAVENÍ

Technické a softwarové vybavení Soubor výklenkových kaplí Via Sancta byl dokumentován digitální zrcadlovkou

Nikon D200, verze fw 1.01 a objektivem AF-S Nikkor 17-55 mm, 1 : 2,8G ED DX. Fotoaparát byl zapůjčen společností Prima LT s r.o., Nerudova 16, Litoměřice. Zde je používán spolu s další technikou k podvodní dokumentaci. Pro zpracování dat byl zvolen CAD program Bentley MicroStation V8 XM Editon, PhotoModeler Scanner a Geomagic Studio 11. Se všemi programy jsem se seznámil již během studia a proto jsem je využil i pro zpracování tohoto projektu. Jako zdroj informací jsem použil [7], [8], [9], [10], [11].

4.1 4.1.1

Použité přístroje Fotoaparát Nikon D200

Nikon D200 je profesionální zrcadlovka používána především rekreačními fotografy. Začala se prodávat v roce 2006 a v dnešní době jej na trhu vystřídala nová řada D300. Nikon D200 je vybaven DX CCD čipem o rozměrech 23,6 x 1,8 mm s 10,2 milióny efektních pixelů. Čip je zatížen crop faktorem 1,5. V nastavení je možné vybrat si ze dvou formátů výstupu – NEF (RAW) nebo JPEG a to ve třech možných rozměrech. Při nastavení vysokého rozlišení (JPEG Large/Fine) má pak snímek rozměr 3872 x 2592 px a dosahuje cca 4,8 MB. Výhodou je třífázový volič režimu ostření, který umožňuje jak plně manuální tak i automatické a automatické s průběžným zaostřováním. Uživatel má celkem 4 možnosti nastavení expozice – plně automatická, s prioritou clony, s prioritou času a manuální.

4.1.2

Objektiv AF-S Nikkor 17-55 mm, 1 : 2,8G ED DX

Objektiv Nikkor se ve světě profesionálních fotografů prosadil především díky širokému rozsahu ohniskových vzdáleností 17-55 mm a výtečnou světelností f/2,8. Svými parametry obrazového úhlu odpovídá ekvivalentu ohniskovým vzdálenostem

20

ČVUT Praha


Obr. 4.1: Nikon D200 25,5-82,5 mm u kinofilmu. Na levé straně objektivu je tlačítko pro nastavení manuálního (pozice M) a automatického ostření (pozice M/A), které je umožněno ultrazvukovým zaostřovacím motorem Nikon Silent Wave Motor (SWM). Při nastavení na automatický režim je objektiv schopný zaostřit na objekt z 36 cm. Objektiv je opatřen dvěma prstenci. Prstenec blíže k tělu fotoaparátu slouží jako zoom, druhý prstenec se používá v manuálním režimu k ostření.

Obr. 4.2: AF-S Nikkor 17-55 mm, 1 : 2,8G ED DX

4.2 4.2.1

Použité programy Bentley Microstation V8 MX Edition

Software Bentley MicroStation byl vyvinut zejména pro potřeby stavebních inženýrů a architektů. Uplatnění najde dokonce i v státní správě a samosprávě a inženýrských a při projektování telekomunikačních sítí. MicroStation umožňuje svým

21

ČVUT Praha


uživatelům vytvářet 3D modely objektů a 2D technické výkresy. Teprve od roku 2001 podporuje kromě souborů DGN i více rozšířené AutoCAD soubory DWG. Touto novou schopností se firma Bentley dotáhla na špičku CAD programů. Tvorbě 3D modelů a 2D výkresů s následným exportem do DWG je věnována kapitola 7.2.

Obr. 4.3: Prostředí programu Bentley MicroStation V8 XM Edition Dalším pokrokem je spolupráce se společností Adobe. Díky propojení MicroStation V8 XM a Adobe Acrobat Professional je nyní možné provést export DGN souboru do formátu U3D a následně jej editovat právě v Adobe Acrobat Profesional a uložit jako 3D PDF. Tím je možné prezentovat vytvořené 3D modely široké veřejnosti bez vysokých nároků na software – 3D PDF je kompatibilní s Adobe Reader. V dnešní době je již v oběhu nejnovější verze programu MicroStation V8i. Detailní postup tvorby 3D PDF je popsán v kapitole 7.2.2.

4.2.2

PhotoModeler Scanner

Program PhotoModeler byl vyvinut v Kanadě společností Eos Systems Inc. Slouží k tvorbě přesných a skutečnosti odpovídajících 3D modelů, kde vstupem je pouze soubor fotografií objektu a není potřeba téměř žádného přístroje kromě

22

ČVUT Praha


digitálního fotoaparátu. K přednostem softwaru patří zejména tvorba 3D mračen bodů, založené na metodě snímkové korelace vyhodnocované budovy nebo objektu. Tento pracovní postup přináší podobné výsledky jako laserové skenery a v některých případech je dokonce předčí.

Obr. 4.4: Prostředí programu PhotoModeler Scanner PhotoModeler Scanner je nadstavbou sloužící k tvorbě mračen bodů (DNS) a kalibrací neměřických komor. Zasíťováním mračen bodů vznikne reálný 3D model dokumentovaného objektu. Program nabízí možnost vyhodnotit model s texturou nebo pouze vytvořený povrch nabarví neutrální barvou. PhotoModeler Scanner se využívá hlavně v archeologii a architektuře pro dokumentaci staveb. Jeho uplatnění se ale najde i v medicíně (např. při vyšetření páteře) nebo v muzeích a galeriích. Zde se využívá ke skenování povrchu obrazů nebo soch. Problematika tvorby mračen bodů je rozebrána v kapitole 7.1.2.

4.2.3

Geomagic Studio 11

Geomagic Studio 11 je software, který byl vyvinut v USA společností Raindrop Geomagic Inc. Řadí se na špičku mezi programy pro tvorbu digitálního modelu jakéhokoliv objektu, který je možné fotograficky zdokumentovat.

23

ČVUT Praha


Geomagic Studio 11 automaticky vytvoří z mračna bodů polygonovou síť, která přesně kopíruje tvar objektu. V programu najdeme například funkce pro zjednodušení polygonové sítě, vyhlazování a plátování děr. Geomagic umožňuje výsledky exportovat do formátu OBJ nebo U3D, z kterého je pak možné vytvořit 3D PDF. Pro export je možné použít také funkci, která rovnou vytvoří 3D PDF. To se sebou ovšem nese nevýhodu, že na výstupním dokumentu bude zobrazeno logo Geomagic Studio.

Obr. 4.5: Prostředí programu Geomagic Studio 11

24

ČVUT Praha

5

5. PRÁCE V TERÉNU

Práce v terénu I když cesta z Prahy do Staré Boleslavi byla již několikrát před námi zmapována,

bylo potřeba se do terénu vydat znovu a ověřit si přesnost jednotlivých tvrzení. Svatou cestu jsem prošel již 26. 2. 2011 a zjistil, kde přesně kaple jsou, kolik jich opravdu je a v jakém jsou stavu. Pořízená fotodokumentace nám sloužila při schůzkách s pracovníky Národního památkového ústavu v Praze, kterým se věnuji v kap. 2. Snímky pořízené pro vyhodnocení byly získány během několika dalších výprav ke kaplím. Následující podkapitoly se věnují přípravě snímkování a přípravě před snímkováním. První podkapitola pojednává o snímkování objektu pro potřeby průsekové metody. Druhá podkapitola se zabývá postupem při snímkování detailů kaple pro tvorbu prostorového modelu optickou korelací.

5.1

Snímkování - průseková fotogrammetrie

Snímkování předchází rekognoskace terénu. Při rekognoskaci je potřeba zaměřit se na dva důležité faktory. Prvním je volba postavení a počtu stanovisek, druhým pak vhodné rozmístění spojovacích bodů (dále jen body). Při volbě počtu stanovisek je potřeba brát v úvahu členitost objektu. V případě výklenkové kaple č. 24 bylo zvoleno 8 snímků (4 frontální a 4 diagonální). U kaple č. 32 bylo zvoleno snímků 9 (4 frontální a 5 diagonálních) z důvodu špatného přístupu k objektu z východní strany. Důležité bylo, aby body byly viditelné alespoň ze dvou stanovisek. To v tomto případě nebyl problém a jednotlivé body byly viditelné i na třetím kontrolním snímku. Při volbě stanovisek jsem dbal na přibližně stejně dlouhé záměry. Délka záměr byla volena tak, aby vyhodnocovaný objekt zabíral co největší plochu snímku. Délka záměr byla minimálně 6 metrů a nikdy nepřesáhla hranici 6,3 metrů. Jako spojovací body byly zvoleny černobíle čtvercové terčíky o straně 80 mm. Body se používají pro snadnější a rychlejší vyhodnoceni. Pro každou kapli bylo použito 17 spojovacích bodů, které byly rovnoměrně rozmístěny na všechny stěny. Mezi několika body byla změřena pásmem kontrolní délka. Měřené délky jsou k nalezení

25

ČVUT Praha

5. PRÁCE V TERÉNU

Obr. 5.1: Zastavení 24 - ukázka rozmístění vlícovacích bodů v polních náčrtech v příloze E a F. Po připravení všech náležitostí jsem přistoupil ke snímkování. Pořizování snímků kaple č. 24 proběhlo ze štaflí z výšky 150cm. U kaple č. 32 nebylo technicky možné štafle použít. Důvodem použití tohoto způsobu snímkování bylo snížení zkreslení objektu na snímku. Fotoaparát byl nastaven na plné manuální ovládání. Tím bylo znemožněno automatické ostření a nastavení času a clony. Objekt byl fotografován při nastavení ohniskové vzdálenosti 17 mm, clonou f/8 až f/10, délkou expozice 1/160 s až 1/200. Citlivost jsem ve vztahu k předešlým hodnotám nastavil na ISO 400. Změna v určení clony a expozice byla způsobena častou změnou slunečního osvitu. Všechny pořízené snímky kaplí jsou v příloze D na DVD.

5.2

Snímkování - metoda optické korelace

Z důvodu podobnosti kaplí byly optickým korelačním skenováním vyhodnoceny pouze detaily říms, pilastrů a pískovcových patek kaple č 24. Příprava před snímkováním je shodná s metodou průsekovou. V tomto případě byly zvoleny menší terčíky, a to bíle kruhové samolepky s černým křížkem o průměru 14 mm. Spojovací body

26

ČVUT Praha

5. PRÁCE V TERÉNU

byly rozmístěny rovnoměrně po vyhodnocované oblasti v dostatečném množství. To se nakonec ukázalo jako velice výhodné řešení. Podmínky pro snímkování jsou ale rozdílné od průsekové metody. Stanoviska byla volena 40 – 50 cm od dokumentované části a délka základny byla přibližně 20 cm. Pro fotografování jsem zvolil metodu takzvaně z ruky, protože při použití širokého úhlu záběru objektivu bylo zapotřebí být u dokumentovaných částí kaple v těsné blízkosti. Pilastry a římsy jsou navíc ve výšce 3,5 – 4,5 metrů. Proto by použití stativu bylo nemožné. Další podmínkou je zachovat osy záběrů dvojic snímků rovnoběžné a zároveň kolmo na základnu. Nejlépe přístupná pro dokumentaci byla pískovcová patka v dolní části kaple. Bylo pořízeno 5 dvojic snímků. Přístroj jsem nastavil na hodnoty f/9, 1/80, ISO 400. Při dokumentaci pilastru bylo pořízeno 10 dvojic snímků (5 dvojic v pohledu shora a 5 dvojic v pohledu zdola). Nastavení fotoaparátu je m.j. patrné z EXIF parametrů, které jsou součástí každého snímku. Složku se snímky pro vyhodnocení optickou korelací najdete v příloze D na DVD.

Obr. 5.2: Zastavení 24 - rozmístění vlícovacích bodů Poslední snímkovanou oblastí byla střešní římsa. Detail ve výšce téměř 4,5 metrů bylo velice obtížné fotografovat. I přes veškerou snahu zajistit ideální podmínky, tedy vodorovné osy záběru a stejnou výškovou hladinu stanovisek, to bylo téměř nemožné.

27

ČVUT Praha

5. PRÁCE V TERÉNU

Jistým nedostatkem, vyplývajícím z těchto objektivních důvodů, byl malý počet stereodvojic. V tomto případě byly pořízeny pouze 3 dvojce snímků ve špatných světelných podmínkách viz. Obr. 5.3. Proto bych doporučoval nové a kvalitnější snímkování včetně nového vyhodnocení prostorového modelu. Dosažené výsledky jsou uvedeny v kapitole 7.3. Velikou výhodou by za špatných světelných podmínek mohlo být použití externích blesků. Pro snímkování byl fotoaparát nastaven takto: clona f/8 – 10, délka expozice 1/40 s až 1/100 s, ISO 400. Objektiv zůstal po celou dobu snímkování v manuálním režimu s nastavením ohniskové vzdálenosti 17 mm.

Obr. 5.3: Ukázka dobře a špatně exponovaného snímku

28

ČVUT Praha

6

6. KALIBRACE

Kalibrace Důležité parametry kamery používané ve fotogrammetrii jsou typ objektivu, jeho

kvalita a velikost čipu kamery. Kalibrace se u neměřické komory provádí se záměrem zjistit prvky vnitřní orientace (PVO). Prvky vnitřní orientace se rozumí: konstanta komory, distorze objektivu a snímkové souřadnice hlavního snímkovacího bodu. Hlavní složkou distorze je její radiální část, tedy radiální distorze. V další podkapitole jsou popsány pracovní kroky, které vedou k úspěšnému zkalibrování přístroje.

6.1

Postup kalibrace

Pole bylo snímáno ze všech 4 stran třemi snímky pod úhlem přibližně 45∘ při nastavení objektivu na ohniskovou vzdálenost 17 mm. Při každém snímku je kamera natočena o 90∘ . Pro kalibraci fotoaparátu je potřeba kalibrační rovinné pole a program PhotoModeler Scanner, v kterém je možné založit samotný projekt kalibrace.

Obr. 6.1: Konfigurace fotoaparátu při snímkování kalibračního pole Nabídka vytvoření projektu pro kalibraci se ukáže hned po spuštění softwaru

29

ČVUT Praha

6. KALIBRACE

(Create Calibration project). Kalibrován byl přístroj Nikon D200 s objektivem AF-S Nikkor 17-55 mm, 1 : 2,8G ED DX. Pro spuštění výpočtu kalibrace je nutné mít 12 snímků kalibračního pole. Konfiguraci polohy fotoaparátu je vidět na Obr. C.2. Pole musí zaplňovat co největší plochu snímku. Při focení snímku na výšku je přípustné, aby snímek ořízl kalibrační pole a tím ztratil několik okrajových bodů. V žádném případě, ale nesmí dojít ke ztrátě hlavních bodů označených kódovými značkami. Snímky pole nebyly žádným způsobem upraveny a jsou v příloze D na DVD.

1. kalibrace 2. kalibrace Expozice

1/80 s

1/80 s

Clona

f/8

f/8

ISO

400

400

Ohnisko

17

17

K1

5,479E-005

5,615E-005

K2

6,700E-007

6,622E-007

K3

0

0

P1

5,410E-006

5,410E-006

P2

1,997E-006

1,997E-006

Overall RMS [px]

0,209

0,151

Average Point Coverage

89%

90%

Largest residual [px]

2,749

0,976

Tab. 6.1: Porovnání prvního a druhého kola kalibrace fotoaparátu Nikon D200

Po založení kalibračního projektu a nahrání snímků byly v záložce Camera Viewer nastaveny prvky vnitřní orientace přístroje, podle známých údajů z [7]. Samotná kalibrace fotoaparátu proběhla ve dvou fázích. V první fázi proběhl pouze přibližný výpočet, který proběhl automatickou metodou. Výsledkem jsou body umístěné na bodech kalibračního pole. V této části jsou vypočteny jen přibližné prvky vnitřní orientace. Automatický proces, ale může označit například hlavičky špendlíku, které napínají kalibrační pole na podložce.

30

ČVUT Praha

6. KALIBRACE

Špatně určené body se odstraní a případně se kalibrační pole doplní o body, které nebyly vyhodnocené. V druhé fázi se pro kalibraci použije kalibrační pole s opravenými body. Tentokrát byly vypočteny konečné prvky vnitřní orientace. Nastavení jednotlivých etap je součástí přílohy C. V tabulce 6.1 je možné porovnat vliv druhého kalibrace. Overall RMS dosahuje rozdílu 0,57 px a v případě Largest residual nastala změna o 1,773 px. Overall RMS je tzv. zbytková chyba z vyrovnání a chyba vztahuje se na celou metodu kalibrace. Hodnotou largest residual se označuje střední chyba určení bodů na kalibračním poli.

31

ČVUT Praha

7

7. ZPRACOVÁNÍ ZÍSKANÝCH DAT

Zpracování získaných dat Následujících podkapitoly se věnují zpracování pořízených digitálních dat. Data

byla zpracována v programech PhotoModeler Scanner, Bentley MicroStation V8 XM Edition a Geomagic studi 11. Výběr programů byl založen na jejich dostupnosti a na základě schopností pracovat s 3D daty a tvorbou prostorových modelů. Ve výběru byly důležité také osobní preference a znalost softwaru z dřívější tvorby.

7.1


Pro výpočet kalibrace fotoaparátu jsem použil program PhotoModeler Scanner (PMS) viz. kap. 6. Tento program byl v projektu také použitý pro zpracování 3D modelu průsekovou fotogrammetrií a poté také pro získání vstupních 3D dat pro software Geomagic Studio 11. Informace o pracovních postupech v programu PhotoModeler Scanner jsem čerpal ze zdrojů [6] a [12].

7.1.1

PMS Průseková metoda

Pořízené snímky se nahrají spolu s kalibrací přístroje do prostředí PMS zvolením Points-based project z uvítací nabídky, jenž se zobrazí po spuštění programu. Před označením spojovacích bodů je potřeba idealizovat projekt funkcí Idealize project. Tzv. idealizací projektu se ze snímků odstraní vliv zkreslení objektivu. V průběhu zpracování projektu je pak důležité pracovat pouze s idealizovanými snímky. Při kombinaci idealizovaných a neidealizovaných dochází ke kolizi a výpočet je chybný. Spojovací body byly na prvním snímku vytvořeny funkcí Mark Points Mode. Pro propojení bodů mezi prvním a druhým snímkem jsem použil funkci Referencing Mode. PhotoModeler Scanner vyžaduje pro výpočet označení alespoň pěti bodů na každém snímku. Pro kontrolu a vyšší přesnost se ale požívá bodů více. Pro vytvoření modelu jsem aplikoval především předem připravené spojovací body. V některých případech bylo potřeba tuto síť bodů doplnit o body přirozeně signalizované na fasádě stavby. Výpočet modelu jsem dokončil funkcí Process. U kaple č. 24 bylo dosaženo maximální chyby 0,52 px a u kaple č. 32 byla maximální chyba 0,82 px.

32

ČVUT Praha


Obr. 7.1: Konfigurace kamery a spojovacích bodů pro kapli č. 32 Před podrobným vyhodnocením bylo důležité nastavit měřítko a orientaci modelu. Po spuštění Scale and Rotate jsem zvolil záložku Units and Scale, kde po zadání délky v centimetrech (zvolená délka je zobrazena na Obr. 7.2) jsem v kartě Rotate určil svislici Z (body je nutno označit shora dolů) a vodorovnou osu X (v tomto případě se body označí zleva doprava). Při prohození bodů se pak model špatně zobrazí v CAD programech. Nyní bylo možné začít s podrobným vyhodnocováním. Na kapli č. 24 bylo podrobným vyhodnocením získáno 489 bodů a 108 liniových prvků. Ve výsledku se pak ukázalo, že takto podrobně vyhodnocený model je velice nepřehledný při tvorbě prostorového modelu v programu MicroStation V8 XM Edition. Proto při tvorbě bodové sítě u kaple č. 32 bylo označeno pouze 150 bodů a 46 linií. Tento počet se jeví naprosto ideální při práci v CAD programu a tvorba 3D modelu proběhla mnohem rychleji. Podrobně vyhodnocený model jsem pak exportoval do formátu DXF, který podporuje právě Microstation V8 XM Edition. Tvorbou prostorového modelu v tomto programu se podrobně zabývá kapitola 7.

33

ČVUT Praha


Obr. 7.2: Nastavení měřítka a orientace modelu

7.1.2

PMS Optické korelační skenování

Základní postup při tvorbě mračen bodů metodou optické korelace v PMS je naprosto shodný s předchozí metodou. Snímky se nahrají spolu se souborem kalibrace fotoaparátu a proběhne idealizace projektu. Stejným postupem jako v kapitole 7.1.1 se spojí snímky. Pro názorné ukázky jsem zvolil pilastr, který byl na snímkování nejvíce náročný (bylo pořízeno 10 dvojic snímků). K propojení všech snímku bylo použito 41 spojovacích bodů z větší části volených na lepicích značkách. U pilastru bylo dosaženo maximální chyby 0,69 px. Dosažená přesnost je při použití 20 snímku dostačující. Dalším krokem bylo určit oblast skenu. K tomu byla použita funkce DMS Trim Mode, která pomocí uzavřeného polygonu ohraničí zájmové území. V mém případě byla skenovaná oblast menších rozměrů a proto nebylo potřeba se příliš přimykat k římsám pilastru. Po splnění tohoto kroku bylo možné přistoupit k výpočtu mračna bodů. Za použití funkce Create Dense Surface je možné vygenerovat velké množství bodů, které se nazývá mračnem bodů. Před výpočtem bylo potřeba správně nastavit parametry použité funkce. Volba vhodných parametrů vznikla testováním. Nastavení funkce pro vytvoření mračna bodů je patrné z tabulky 7.1. Vyšší hodnota parametru Matching region radius vytváří výrazně nižší šum kolem vyhodnocované oblasti.

34

ČVUT Praha


Obr. 7.3: Podrobné vyhodnocení modelu v programu PMS Tato vlastnost se pak ale projeví na nízké hustotě bodů v místech, kde jsou potřeba. Rozdíl je možné sledovat na Obr. 7.6 Výpočet byl velice časově náročný (v řádu hodin). Pro tento model je výsledkem 10 mračen zapsaných v textovém souboru. Na každém řádku je souřadnice a údaje barvě jednoho bodu. Editace a následná tvorba prostorového modelu je možná i v programu PhotoModeler Scanner. Bohužel pro jeho nevhodně volené prostředí a editační funkce jsem raději zvolil software od kanadské společnosti Raindrop Geomagic Studio 11. O tvorbě a editaci 3D modelu v programu Geomagic Studio 11 je věnována kapitola 7.3. Všechny snímky a soubory TXT a PMR jsou v příloze D na DVD. Identifikátor

Použitá hodnota

Sampling rate

2

Sampling rate units

mm

Depth range

10 cm / 10 cm

Super-sampling radius

4

Matching region radius

5

Texture type

1

Tab. 7.1: Nastavení funkce Create Dense Surface

35

ČVUT Praha


Obr. 7.4: Konfigurace stanovisek pri optickém korelačním skenování

7.2

MicroStation V8 XM Edition

Program MicroStation V8 XM Edition byl zvolen pro zpracování prostorového modelu a 2D výkresu obou vybraných kaplí. Jeho základním výstupem jsou soubory ve formátu DGN. Pro doplnění projektu byly původní soubory exportovány do rozšířenějšího CAD formátu DWG. Kompatibilita mezi softwarem od společnosti Bentley a soubory DWG není ještě úplně bez chyb. Při otevření exportovaného DWG souboru například v programu AutoCAD chybí některé náležitosti, jako například barva vrstev. Atributy linií dokonce se ztrácí části zaplochovaného modelu. V dalších podkapitolách se práce věnuje tvorbě 3D modelování, exportu prostorového modelu do 3D PDF a v neposlední řadě i 2D technickým výkresům.

7.2.1

Tvorba prostorového modelu

Prvním krokem zpracování dat z PMS byl export DXF souboru do DGN. Po otevření exportovaného souboru DGN jsem nastavil pracovní jednotky na centimetry, stejně tak byly nastaveny také atributy pohledu. Prostorový plošný model vychází z tzv. drátěného modelu. Drátěný model je jen vektorově sestrojený model objektu. Při jeho tvorbě jsem postupoval od větších

36

ČVUT Praha


Obr. 7.5: Ukázka ohraničení zájmové oblasti skenu

Obr. 7.6: Množství šumu při nastavení Matching region radius 5 (vlevo) 15 (vpravo) prvků po menší, tedy od hran stěn až po břevna křížků na střeše. Během konstrukce drátěného výkresu jsem maximálně respektoval vstupní body a linie z PMS. K vytvoření modelu byly použity klasické funkce z palety nástrojů (tvorba linie, oblouku, kopírování a přesouvání prvků, dotahy linii apod.). Po dokončení drátěné podoby kaple bylo možné přistoupit k zaplochování modelu. Software Microstation V8 MX Edition nabízí dvě možnosti jak plochy vymodelovat. Je tedy možné využít funkce Konstrukce plochy hranami, a nebo Vytvořit útvar nebo uzavřený řetězec. V mém případě byla využita kombinace obou metod. Zaoblené plochy bylo zpravidla výhodnější pokrýt první ze jmenovaných funkcí. Naopak rovné a členité plochy byly konstruovány funkcí druhou. Při plochování byla použita

37

ČVUT Praha


Obr. 7.7: Drátěný model kaple č. 24 metoda, kdy se jednotlivé hrany plochy vybírají postupně v protisměru hodinových ručiček. Je to z toho důvodu, že při výběru hran v opačném směru a následném exportu například do PDF dochází ke ztrátě plochy. V případě této komplikace stačí použít funkci Změnit směr normály a kliknout na problémové místo. Během plochování nenastaly žádné komplikace, vyjíma zmiňovaném exportu do DWG. Prostorový model je rozdělen do šesti barevně rozlišených vrstev. Barva vrstvy byla vždy volena tak, aby připomínala fasádu kaple. Seznam vrstev je v příloze B.

7.2.2

Export DGN do 3D PDF

Program MicroStation V8 MX Edition umožňuje export souboru do U3D. To je typ souboru převzatý společností ECMA International a je určen především pro účely vizualizace. Dnes je téměř běžné, že většina CAD programů podporuje právě typ souborů U3D. Jeho výhody spočívají především v podpoře animace a možnosti upravovat jej v aplikaci Adobe Acrobat. Před exportem do U3D je dobré mít správně nastavené atributy pohledu, rendering. Nejdůležitější je však mít správně zaplochovaný model. Po otevření souboru

38

ČVUT Praha


Obr. 7.8: Zaplochovaný model kaple č. 24 v Adobe Acrobat Professional je možné nastavit vzhled výstupního PDF. V možnostech je například volba otevření panelů nástrojů hned po otevření souboru nebo až po kliknutí na model viz. Obr. 7.9. Nadstandardní nastavení je zejména v na-

Obr. 7.9: Menu pro ovládání 3D PDF bídce osvětlení. Zde můžeme nastavit světlo ze vstupního CAD souboru, denní světlo, noční lampy, modré nebo červené osvícení atd. Možnosti osvětlení jsou vidět na Obr. 7.10. Pro tento projekt byly vyhotoveny dva prostorové modely kaplí, které byly uloženy jako 3D PDF. Výstupy v digitální podobě jsou v příloze D na DVD.

7.2.3

Tvorba 2D technických výkresů

Při tvorbě 2D výkresů jsem vycházel z drátěného modelu kaple. Model byl natočen do požadovaného pohledu a neviditelné hrany objektu byly umazány. Případné

39

ČVUT Praha


Obr. 7.10: Možnosti nastavení osvětlení v Adobe Acrobat Pro chyby jako přetažené nebo nedotažené čáry byly opraveny. Výkresy jsem doplněny o technické náležitosti jako je popisové pole, výškové kóty a naznačení terénu Pro úplnou dokumentaci objektů byl zhotoven půdorys a jeden podélný řez. Také tyto výkresy obsahují všechny technické náležitosti. Navíc je půdorys i řez doplněn rozměrovými kótami. Pro tisk výkresů jsem použil měřítko 1:20 na formát A3. Volba měřítka 1:20 je z důvodu zachování všech detailů kaplí. Výkresy jsou přiloženy jako příloha E a F.

7.3

Geomagic Studio

Největším přínosem pro zpracování dat z PMS v programu Geomagic Studio jsou funkce specializující se přímo na úpravu mračen bodů. Software od společnosti Raindrop je ve svém oboru špičkou a je celosvětově používaný. V následujícím textu jsou rozebrány použité nástroje pro tvorbu zadaných částí kaple.

7.3.1

Očištění vstupních dat

Geomagic Studio podporuje soubory TXT obsahující souřadnice a hodnoty RGB jednotlivých bodů. Není tedy potřeba žádného dalšího exportu a soubory se souřadnicemi je možné rovnou otevřít. Program se při otvírání dat dotáže na pracovní jednotky modelu. Jelikož v programu PMS bylo měřítko udané v centimetrech, zvolil jsem i zde stejné jednotky.

40

ČVUT Praha


Jak již bylo řečeno v kapitole 7.1.2, mračna bodů vykazovala značnou míru šumu. V počátku zpracování bylo zajištěno důkladné očištění od odlehlých bodů. Odstranění proběhlo manuálně pomocí funkce laso a následně byly vybrané body smazány. Na Obr. 7.11 je vidět redukce šumu výběrovou funkcí laso a nástrojem Select Disconnected Components. Tato funkce byla využita několikrát za sebou. V nabídce nastavení bylo možné zvolit vzdálenost do jaké je možné odlehlé body označit. Změna nastavení probíhala vždy podle náhledu, který program nabízel. Očištěním dat se počet bodů u největšího zpracovávaného modelu snížil přibližně o sto tisíc bodů. Celkový počet bodů u modelu pilastru je nakonec přibližně 550 tisíc bodů.

Obr. 7.11: Porovnání mračna před a po manualní redukci šumu

7.3.2

Spojení mračen bodů

Každá zpracovávaná část byla složena z několika mračen. Římsa střechy měla rozsah 3 mračen, pilastr byl zpracován 10 mračny a pískovcová pata kaple se skládala z 5 souborů mračen bodů. Pro správné zasíťování bylo potřeba jednotlivá mračna spojit v jeden komplexní celek. K tomu byla použita funkce Combine Point Objects. Při této funkci nebylo možné nic nastavit.

41

ČVUT Praha

7.3.3


Zasíťování mračna

Zasíťování proběhlo za pomoci funkce Wrap. Po provedení výpočtů se v prostředí Geomagic vygeneruje trojúhelníková síť modelu. Funkce Wrap má dva způsoby zasíťování, pro všechny modely byl zvolen typ Surface. Nejrozsáhlejší model pilastru přímo po zasíťování obsahoval 1,1 milionů trojúhelníku. Tento počet není nikterak velký a pro operace s takto podrobným modelem stačí běžně výkonný počítač. Ukázka zasíťovaného modelu je vidět na Obr. 7.12.

Obr. 7.12: Zaplochovaný model pilastru pokrytý texturou (vlevo) a bez textury (vpravo) Zasíťované modely částí kaple obsahovaly bezprostředně po výpočtu značné množství chyb jako například díry, ostré výstupky (Spikes) a odlehlé oblasti. Pro jejich částečné automatické odstranění byla použita funkce Mesh Doctor. Výhodou funkce byla redukce značného počtu chyb. Při manuální editaci by práce zabrala i několik hodin. Funkci je možné korigovat nastavením, ale přímému vyhodnocení modelů bylo vždy ponecháno nastavení původní.

7.3.4

Manuální úprava modelu

Při ruční editaci modelu šlo především o očištění problémových míst (umazání některých trojúhelníků viz. Obr. 7.13) a následné zaplnění vzniklých děr. K tomu

42

ČVUT Praha


Obr. 7.13: Očiště problémových míst byla použita funkce Fill Single. Dále bylo možné vybrat způsob vyplnění plochy. Větší díry byly nejdříve doplněné nástrojem Fill Partial a následně program provedl zaplnění zbylé plochy vykonáním příkazu Complete. Ukázka takto editované plochy je patrná z Obr. 7.14.

Obr. 7.14: Postupné zaplnění díry funkcí Fill Single

7.3.5

Vyhlazení

Finální úpravou 3D modelů částí kaple bylo jejich vyhlazení. Došlo tedy k odstranění ostrých výstupků tzv. Spikes z povrchu modelů. Pro tento krok bylo možné zvolit funkci Relax nebo Remove Spikes. V mém případě byla zvolena první ze

43

ČVUT Praha


jmenovaných funkcí. Nabízí totiž větší uživatelské nastavení o lepší kontrolu nad výstupem výpočtu. Využití možnosti vyhlazení je patrné z Obr. 7.15.

Obr. 7.15: Porovnání modelu po použití funkce Relax

7.3.6

Zhodnocení

Program Geomagic Studio je velice silným nástrojem v oblasti úpravy mračen bodů. Nevýhodou ale nadále zůstává vysoká hardwarová náročnost při zpracování náročnějšího objektu.

Obr. 7.16: Srovnání modelu římsy se skutečností Při vyhodnocení jednoho z modelů jsem se vydal špatným směrem a výsledky mají omezenou použitelnost. Model je málo přesný a nedostatečně vystihuje detaily střešní římsy. Špatné výsledky se dostavily díky několika faktorům.

44

ČVUT Praha


Největším nedostatkem byla špatná fotodokumentace. Snímků bylo málo a jejich nízká kvalita ještě více model znehodnotila. Díky takovým snímkům bylo potom nepřesně vyhodnoceno mračno bodů v programu PMS. Při exportu mračna do softwaru Geomagic Studio a jeho následném zaplochování vznikly velké díry a hrany říms byly slabě viditelné. Výsledek zpracování modelu je možné vidět na Obr. 7.16. Proto bych doporučil po novém snímkování detailu římsy znovu vypracovat 3D model této části kaple. Všechny vstupní snímky a výstupní soubory z programu PMS a Geomagic Studio jsou spolu se soubory 3D PDF a OBJ v přiloze D na DVD.

45

ČVUT Praha

ZÁVĚR

Závěr Cílem této bakalářské práce byla především tvorba generalizovaného prostorového modelu vybraných objektů ze souboru výklenkových kaplí Svaté cesty z Prahy – Vysočany do Staré Boleslavi. Prostorové modely jsou doplněny o 2D stavební výkresy. Stejně důležitou částí byla tvorba podrobných 3D modelů pilastru, střešních říms a pískovcové paty kaple č. 24. Dle mého názoru byly uvedené cíle splněny. V první části projektu byly metodou průsekové fotogrammetrie vytvořeny prostorové modely kaplí č. 24 a č. 32. Druhá část projektu detailně definuje metodou OKS celkem tři modely (pilastr, římsy v horní části kaple a pískovcová pata objektu). Přesnost zpracování prostorových modelů odpovídá žádaným výsledkům a je pro stanovené potřeby je dostačující. Problémy při zpracování projektu nastaly pouze v případě tvorby 3D modelu říms v horní časti kaple. Model byl úspěšně vytvořen, ale jeho kvalitu a přesnost navrhuji ještě vylepšit. Pro získání věrnějšího výstupu je potřeba dodat další sadu snímků. Výsledky dokumentace v tištěné i digitální podobě budou archivovány na Fakultě stavební ČVUT v Praze a v Národním památkovém ústavu v Praze. Mohu-li se vyjádřit k pocitům z předkládané bakalářské práce, musím konstatovat, že postupné seznamování se souvislostmi a historií mi velmi rozšířilo vědomosti a dál mě vedlo k prohlubujícímu zájmu o dané téma. Na tomto příkladu zpracování jsem si, jako osobně zúčastněný, uvědomil úžasné propojení využití historických faktů ve spojení s moderními technologiemi. Pořizování snímků jednotlivých objektů zvětšilo moje zkušenosti s dokonalou fotografickou technikou a hodiny strávené u počítače znásobily praxi, kterou, jak doufám, v budoucnu ještě využiji. Při práci na tématu a především debatami s odborníky i laiky bylo zajímavé pozorovat, jak jinak nenápadné malé stavby na krajích silnice nebo daleko v poli, kterých si velká většina lidí ani nevšimne, najednou při znalosti pár detailů nabudou na významu a derou se do popředí pozornosti. To se samozřejmě týkalo i mě a s pokračujícím studiem a zpracováváním získaných materiálů mě víc a víc vrhalo do závislosti na tématu. Na setkáních s odborníky z Národního památkového ústavu v Praze a při kon-

46

ČVUT Praha

ZÁVĚR

zultacích s nimi mě potěšilo, že výsledek mojí práce má šanci na využití při dalších bádáních. Bude pro mě jen potěšením, najde-li toto dílo v budoucnu uplatnění. To, co z něj zůstává ve mně, je však zásadním rozměrem.

47

ČVUT Praha

POUŽITÉ ZDROJE

Použité zdroje [1] DVOŘÁK, Jiří. Historická Geografie 11 : Příspěvky k problematice středověkého osídlení a cest. Praha : Komise pro historickou geografii při Ústavu československých a světových dějin ČSAV, 1973. Dvě pražské pozdně středověké cesty, s. 139–161. [2] DVOŘÁK, Jiří. Historická Geografie 11 : Příspěvky k problematice středověkého osídlení a cest - Mapové přílohy. Praha : Komise pro historickou geografii při Ústavu československých a světových dějin ČSAV, 1973. Dvě pražské pozdně středověké cesty. [3] Městská část Praha - Vinoř

[online]. 8. 2. 2010 [cit. 2011-05-07].

MČ Praha - Vinoř, Památky. Dostupné z WWW: . [4] Oficiální stránky obce Dřevčice [online]. c2008 [cit. 2011-05-07]. Via Sancta Svatá cesta . Dostupné z WWW: . [5] Dr. Ing. PAVELKA, Karel. Fotogrametrie 10 druhé přepracované vydání. Praha : ČVUT, 2003. 191 s. [6] B REJNÍKOVÁ, Lucie. Měřická dokumentace klenby kaple zámku Brnky u Prahy - 2. etapa. Praha, 2010. 85 s. Diplomová práce. České vysoké učení technické, Stavební fakulta. [7] ASKEY, Phil. Digital Cameras: Digital Photography Review, News, Reviews, Forums, FAQ [online]. February, 2006 [cit. 2011-05-07]. Nikon D200 Review: 1. Introduction: Digital Photography Review. Dostupné z WWW: . [8] Thom Hogan’s Nikon Field Guide and Nikon Flash Guide [online]. April 15, 2009 [cit. 2011-05-07]. 17-55mm AF-S DX Lens Review by Thom Hogan:. Dostupné z WWW: .

48

ČVUT Praha

POUŽITÉ ZDROJE

[9] GISoft - CAD, GIS, systémy pro správu infrastruktury, projekční systémy [www.gisoft.cz] [online]. c2011 [cit. 2011-05-07]. MicroStation [www.gisoft.cz]. Dostupné z WWW: . [10] PhotoModeler - accurate and affordable 3D photogrammetry measurement and scanning [online]. 4. 10. 2010 [cit. 2011-05-07]. PhotoModeler - Products Page. Dostupné z WWW: . [11] Industry-leading [online]. Create

c2011 3D

3D

Reverse

[cit.

2011-05-07].

Models

from

3D

Engineering Geomagic

Scanner

and 3D

Data.

Inspection

software

Scanning

Software:

Dostupné

z

WWW:

. [12] Nápověda programu PhotoModeler Scanner v.6 [13] Svatý Václav. In Wikipedia : the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida) : Wikipedia Foundation, 16. 9. 2005, last modified on 5. 6. 2011 [cit. 201106-10]. Dostupné z WWW: .

49

ČVUT Praha

SEZNAM SYMBOLŮ, VELIČIN A ZKRATEK

Seznam symbolů, veličin a zkratek OKS

Optické korelační skenování

PMS


NPÚ

Národní památkový ústav

50

ČVUT Praha

SEZNAM PŘÍLOH

Seznam příloh A Grafické výstupy

52

A.1 Zastavení 24 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 A.2 Zastavení 32 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 A.3 Pilastr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 A.4 Pískovcová pata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 B Výkresové hladiny souboru DGN

56

B.1 3D model - drátěny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 B.2 3D model - model s plochami . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 B.3 2D stavební výkresy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 C Nastavení kalibrace

58

C.1 1. etapa kalibrace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 C.2 2. etapa kalibrace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 D DVD

60

D.1 Obsah DVD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 E Seznam výkresů

63

E.1 Zastavení 24 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 E.2 Zastavení 32 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 F Stavební výkresy - zastavení 24

64

G Stavební výkresy - zastavení 32

65

51

ČVUT Praha

A A.1

A. GRAFICKÉ VÝSTUPY

Grafické výstupy Zastavení 24

52

ČVUT Praha

A.2


Zastavení 32

53

ČVUT Praha

A.3


Pilastr

54

ČVUT Praha

A.4


Pískovcová pata

55

ČVUT Praha

B

B. VÝKRESOVÉ HLADINY SOUBORU DGN

Výkresové hladiny souboru DGN

B.1

3D model - drátěny

∙ Kameny ∙ Kriz ∙ Rimsy ∙ Strecha ∙ Zdi

B.2

3D model - model s plochami

∙ Kameny_plochy ∙ Kriz_plochy ∙ Rimsy_plochy ∙ Strecha_plochy ∙ Teren ∙ Zdi_plochy

B.3

2D stavební výkresy

∙ Koty ∙ Kriz ∙ Krizky ∙ Nad_rovinou_rezu ∙ Pod_rovinou_rezu

56

ČVUT Praha

B. VÝKRESOVÉ HLADINY SOUBORU DGN

∙ Pohled ∙ Pohled_rimsy ∙ Rezova_rovina ∙ Rezy ∙ Tabulka ∙ Teren

57

ČVUT Praha

C C.1

C. NASTAVENÍ KALIBRACE

Nastavení kalibrace 1. etapa kalibrace

58

ČVUT Praha

C.2

C. NASTAVENÍ KALIBRACE

2. etapa kalibrace

59

ČVUT Praha

D

D. DVD

DVD

D.1

Obsah DVD

∙ 00.bakalarska_prace_text - kompletní text ve formátu PDF ∙ 01.zastaveni_24 – 01.PhotoModeler * modely_detailu · kamen – snímky ve formátu JPEG a soubory PMR · rimsa – snímky ve formátu JPEG a soubory PMR · strecha – snímky ve formátu JPEG a soubory PMR * model_objektu - snímky ve formátu JPEG a soubory PMR – 02.Microstation * vystup_DGN · 2D – stavební výkresy zastavení 24, formát DGN · 3D - 3d_dratovy_model.dgn – 3D drátový model zastavení 24, formát DGN, 3d_plochy.dgn – 3D plošný model zastavení 24, formát DGN · vystup_DWG · 2D – stavební výkresy zastavení 24, formát DWG · 3D - 3d_dratovy_model.dwg – 3D drátový model zastavení 24, formát DWG, 3d_plochy.dwg – 3D plošný model zastavení 24, formát DWG · vystup_PDF · 2D – stavební výkresy zastavení 24, formát PDF · 3D - 3d_zastaveni_24.pdf – 3D plošný model zastavení 24, formát PDF, 3d_zastaveni_24.pdf – 3D plošný model zastavení 24, formát PDF

60

ČVUT Praha

D. DVD

– 03.Geomagic * kamen – výstupy 3D modelu ve formátech DWG, PDF, OBJ, U3D a WRP · mracna – TXT soubory se souřadnicemi bodů mračen * rimsa – výstupy 3D modelu ve formátech DWG, PDF, OBJ, U3D a WRP · mracna – TXT soubory se souřadnicemi bodů mračen * strecha– výstupy 3D modelu ve formátech DWG, PDF, OBJ, U3D a WRP · mracna – TXT soubory se souřadnicemi bodů mračen – 04.Snimky – detailní snímky kaple ve format JPEG ∙ 02.zastaveni_32 – 01.PhotoModeler - snímky ve formátu JPEG a soubory PMR – 02.Micsrostation * vystup_DGN · 2D – stavební výkresy zastavení 32, formát DGN · 3D - 3d_dratovy_model.dgn – 3D drátový model zastavení 32, formát DGN, 3d_plochy.dgn – 3D plošný model zastavení 32, formát DGN · vystup_DWG · 2D – stavební výkresy zastavení 32, formát DWG · 3D - 3d_dratovy_model.dwg – 3D drátový model zastavení 32, formát DWG, 3d_plochy.dwg – 3D plošný model zastavení 32, formát DWG · vystup_PDF · 2D – stavební výkresy zastavení 32, formát PDF · 3D - 3d_zastaveni_32.pdf – 3D plošný model zastavení 32, formát PDF, 3d_zastaveni_32.pdf – 3D plošný model zastavení 32, formát PDF

61

ČVUT Praha

D. DVD

– 03.Snimky - detailní snímky kaple ve format JPEG ∙ 03.kalibrace – snímky ve format JPEG, soubor PMR a protokoly o provedení kalibrace ve formátu TXT ∙ 04.ostatni_zastaveni – obsahuje 16 složek se snímky kapliček ve format JPEG, které představují jednotlivá zastavení na Svaté cestě ∙ 05.prilohy_bp – 01.nastaveni_kalibrace – printscreen z okna PhotoModeler Scanner – 02.graficke_vystupy – grafické výstupy z programů MicroStation V8 XM Edition a Geomagic Studio ve formátu PDF ∙ 06.meshlab – MeshLab_v130a.exe (instalace programu MeshLab)

62

ČVUT Praha

E

E. SEZNAM VÝKRESŮ

Seznam výkresů

E.1

Zastavení 24 Číslo

Název

Měřítko Formát

Soubor

1

Jižní pohled

1 : 20

A3

K24_P1.DWG

2

Východní pohled

1 : 20

A3

K24_P2.DWG

3

Severní pohled

1 : 20

A3

K24_P3.DWG

4

Západní pohled

1 : 20

A3

K24_P4.DWG

5

Řez - A-A’

1 : 20

A3

K24_R1.DWG

6

Půdorys

1 : 20

A3

K24_R2.DWG

Polní náčrt

-

A4

-

Příloha č. 1

E.2

Zastavení 32 Číslo

Název

Měřítko Formát

Soubor

1

Jižní pohled

1 : 20

A3

K32_P1.DWG

2

Východní pohled

1 : 20

A3

K32_P2.DWG

3

Severní pohled

1 : 20

A3

K32_P3.DWG

4

Západní pohled

1 : 20

A3

K32_P4.DWG

5

Řez - A-A’

1 : 20

A3

K32_R1.DWG

6

Půdorys

1 : 20

A3

K32_R2.DWG

Polní náčrt

-

A4

-

Příloha č. 1

63

ČVUT Praha

F

F. STAVEBNÍ VÝKRESY - ZASTAVENÍ 24

Stavební výkresy - zastavení 24 Číslo

Název

Měřítko Formát

Soubor

1

Jižní pohled

1 : 20

A3

K24_P1.DWG

2

Východní pohled

1 : 20

A3

K24_P2.DWG

3

Severní pohled

1 : 20

A3

K24_P3.DWG

4

Západní pohled

1 : 20

A3

K24_P4.DWG

5

Řez - A-A’

1 : 20

A3

K24_R1.DWG

6

Půdorys

1 : 20

A3

K24_R2.DWG

Polní náčrt

-

A4

-

Příloha č. 1

64

ČVUT Praha

G

G. STAVEBNÍ VÝKRESY - ZASTAVENÍ 32

Stavební výkresy - zastavení 32 Číslo

Název

Měřítko Formát

Soubor

1

Jižní pohled

1 : 20

A3

K32_P1.DWG

2

Východní pohled

1 : 20

A3

K32_P2.DWG

3

Severní pohled

1 : 20

A3

K32_P3.DWG

4

Západní pohled

1 : 20

A3

K32_P4.DWG

5

Řez - A-A’

1 : 20

A3

K32_R1.DWG

6

Půdorys

1 : 20

A3

K32_R2.DWG

Polní náčrt

-

A4

-

Příloha č. 1

65

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Recommend Documents