Создание 3D-моделей архитектурных элементов

Актуальность

Мировая культура знает множество памятников архитектуры, но они, к сожалению, невечны. Очень важно сохранить эти архитектурные шедевры для потомков, если не в оригинале, то хотя бы в виде цифровой копии.  Хотя в интернете достаточно фотографий и видео, они не дают достаточной интерактивности.

Для максимальной доступности информации было решено создать сайт, на котором будут представлены 3D-модели разных архитектурных элементов зданий Москвы.

Жителям Москвы и людям, интересующимся историей этого города, проект будет полезен для просмотра или сравнения архитектурных элементов разных зданий. Вживую совершать такие действия не очень удобно, так как многие архитектурные памятники столицы находятся на большом расстоянии друг от друга.

Проект будет удобен для туристов, которые хотят посетить Москву. На сайте они могут рассмотреть 3D-модели элементов разных зданий Москвы, после чего, возможно, захотят непосредственно увидеть эти памятники архитектуры. Таким образом, проект поможет развить внутренний туризм. Если люди по каким-либо причинам не могут приехать в Москву, сайт должен максимально заменить им это путешествие.

Цель

Оцифровать архитектурные элементы разных зданий, чтобы увековечить их облик, а также создать сайт, где каждый сможет посмотреть готовые 3D-модели.

Задачи

1. С помощью 3D-моделирования научиться создавать интерактивные виртуальные копии архитектурных элементов.
2. Дать возможность рассматривать эти 3D-модели любому человеку на любом устройстве без необходимости устанавливать специальное программное обеспечение. Сделать шаг к созданию виртуальной библиотеки мирового культурного достояния.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Цифровой зеркальный фотоаппарат Nikon D90
• Ноутбук
• Программы COLMAP и MeshLab
• Движок WordPress

Описание

Проект можно условно разделить на 3 блока:

• создание банка изображений реконструируемого объекта
• конвертация серии 2D-изображений в 3D-модель
• создание сайта и загрузка 3D-моделей на сайт

Банк изображений

Для съёмки выбирались здания с уникальной архитектурой. Съёмка происходила вручную, поэтому архитектурные элементы не находились слишком высоко.

Конечно, объекты можно было бы сильно разнообразить, используя дрон с фотокамерой.

В ходе работы были выявлены основные параметры фотографий, которые позволяют достичь наилучших результатов реконструкции:

• Объект должен обладать выраженной текстурой (стоит избегать больших гладких, плоских поверхностей);
• На фотографиях объекта условия освещения должны быть приблизительно одинаковыми;
• Объект нужно фотографировать со всех возможных сторон, при этом изображения должны перекрывать друг друга;
• Фотографии должны иметь одинаковые свойства (ISO, выдержка, фокусное расстояние, диафрагма), поэтому необходим полностью ручной режим съёмки. Фотографии с телефона не подходят. В работе использовался цифровой зеркальный фотоаппарат Nikon D90.

На один реконструируемый объект необходимо около 20 изображений.

3D-реконструкция

На данный момент не существует одной программы, позволяющей решить эту задачу. Поэтому для создания 3D-реконструкций архитектурных элементов была выбрана связка из двух программ: COLMAP и MeshLab.

COLMAP – это универсальный конвейер построения структуры из движения (SfM).

MeshLab – система для обработки и редактирования трёхмерных моделей.

Сначала в программе COLMAP используется процесс Structure from Motion. Входные данные – это набор перекрывающих друг друга проекций объекта, то есть его фотографий. В результате получается облако точек, из которых состоит объект.

Плотное облако точек вручную переносится в Meshlab. В этой программе оно очищается от ненужных вершин, настраиваются нормали, создаётся полигональная сетка при помощи алгоритма Пуассона и редактируется готовая 3D-модель.

Такие 3D-модели уже можно просматривать, просто скачав специальную программу и умея работать с ней.

Программы запускались на ноутбуке, у него недостаточная мощность видеокарты, поэтому приходилось ставить самые низкие настройки реконструкции. При использовании более мощной графической системы появится возможность использовать настройки с высоким и высшим качеством.

Сайт archmos.ru

Для того чтобы сделать модели доступными всем людям в мире, их нужно разместить на сайте.

Было решено создавать сайт на движке WordPress, так как на сегодня это самая популярная платформа для создания сайтов. Для отображения моделей был найден специальный плагин.

Удалось разместить интерактивные модели на сайте. Любой пользователь в любой точке мира при наличии интернета, конечно, на любом устройстве может открыть сайт и видеть там созданные модели. Элементы можно масштабировать, поворачивать. При этом вычислительные мощности устройства пользователя не расходуются. Всю работу делает удалённый сервер. Помимо самих моделей сайт предлагает краткую историческую справку и сервис навигации по сайту.

Но пока не удалось полностью совместить форматы файлов: при конвертации теряется файл текстуры объекта, поэтому на сайте модели монохромные.

Результаты работы/выводы

Автор добился успеха в достаточной степени, чтобы доказать практическую реализуемость и перспективность проекта. За время работы изучено:

• конструирование интерактивных 3D-моделей произвольных объектов;
• размещение данных моделей в интернете, с предоставлением к ним публичного доступа.

Как результат работы был создан сайт archmos.ru.

Перспективы использования результатов работы

Проект обладает значительным потенциалом для дальнейшего развития. Ещё совсем недавно создание 3D-модели физического объекта требовало применения сложного и дорогостоящего оборудования.

Изученные технологи позволяют формировать сложные 3D-изображения без существенных материальных и финансовых затрат. Качество моделей при этом может быть весьма высоким.

Очень важно, что описанный в проекте принцип позволяет моделировать очень крупные объекты, такие как памятники и целые здания. Все, что нужно, – это поднять фотокамеру на высоту объекта с помощью дрона.

Используя навыки, полученные в ходе работы над этим проектом, не так уж сложно реконструировать целые районы Москвы.

Мнение автора

«Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» позволила мне раскрыть свой потенциал и создать действительно интересный и важный проект»