Для многих задач, касающихся архитектурно ценных зданий, фотограмметрические методы показали себя наилучшим образом получить геометрическую основу. Используя фотограмметрию, трехмерная фотореалистическая модель ("Фотомодель") может быть изготовленные на основе цифровых изображений, полученных со здания.

   Фотомодель - это трехмерная модель поверхности реального объекта с информацией о текстуре, полученной из фотографий. Это можно использовать, в частности, для представления структурных проектов общественности, а также лицам, принимающим решения. Геометрическое моделирование фотомодели поддерживается предположениями о форме объекта. Эти предположения являются введены в качестве фиктивных наблюдений признаков в процесс корректировки блока гибридных пучков полученной геометрической формы.

   Затем модель наполняется текстурой путем проецирования на нее оригинальных фотографий. Подходящим форматом данных для таких целей является VRML (язык моделирования виртуальной реальности), что позволяет получить доступ к трехмерной фотомодели через Интернет. С помощью методов из области виртуальной реальности дополнительная информация может быть связанна с фотомоделью в виде текстов, звуковых последовательностей или фильмов. Даже внешние системы баз данных могут быть подключенны к сцене VRML. Таким образом, фотомодель становится ядром интерактивной пространственной информации.

  В данной статье описывается процесс создания фотомоделей и настройки информационной системы здания на практическом примере, реализованном в Москве с помощью практического примера, реализованного в Коломенском, на всем известной усадьбе.

КРАТКАЯ ИНФОРМАЦИЯ

   Для решения многих вопросов, касающихся архитектурно ценных зданий, фотограмметрические методы геодезии оказались наиболее подходящими, брали геометрическую основу для многих вопросов, касающихся архитектурно ценных зданий. Посредством фотограмметрической оценки цифровых данных, фотограмметрического анализа цифровых фотографий зданий, так может быть создана трехмерная фотореалистичная модель ("фотомодель").

  Термин "фотомодель" означает фотореалистичную трехмерную модель поверхности реального объекта.  Формально фотомодель состоит из изображения ("фотография") и геометрической информации ("модель"), которые хранятся вместе.

   Геометрическая модель создается путем гибридной настройки блока пучков с использованием информации о форме.  Наконец, текстура с фотографий проецируется на эту модель путем преобразования.

   Различная фактическая информация о здании может быть связана с этой фотомоделью. Чтобы охватить такой системой широкую аудиторию, стандартные инструменты из области компьютерных сетей используют технологии виртуального мира. Трехмерная фотомодель может быть сохранена в формате VRML. Фактическая информация - в виде HTML (Hypertext Markup Language) документы, видео- или аудиопоследовательности - пространственно привязаны к фотомодели и, следовательно, являются интерактивно доступными. Доступ к внешним базам данных из мира VRML также возможен с помощью специальных VRML методов.

   В статье описывается создание фотомоделей и разработка информационной системы здания на основе реализованного проекта в Коломенском.

1. ВВЕДЕНИЕ

   Выражение "фотомодель" используется для обозначения фотореалистичной трехмерной модели поверхности существующего объекта. Она состоит из информации об изображении ("фотография") и геометрической информации ("фотография") и геометрической информации ("модель"), которые хранятся вместе. На сайте создание фотомоделей (карты) осуществляется с помощью методов взятых из цифровой фотограмметрии. Она включает в себя процесс моделирования и проецирования фотографий на модель объекта.

   Для представления фотомоделей подходят все объекты которые хорошо текстурированы и могут состоять из разумного количества участков плоской поверхности. В наших проектах мы в основном концентрируемся на зданиях. Поэтому довольно просто сгенерировать грубый трехмерный объект в форму. Обилие деталей фасадов и крыш проявляется только за счет проецируемой текстуры. Этот принцип замены трудоемкого геометрического моделирования текстурной приводит к значительному сокращению объема работ.

   Области применения фотомоделей разнообразны. Они находятся в технической области, например, для того чтобы служить основой для архитектурного планирования. В работе с общественностью фотомодели могут быть использованы для представления структурных проектов общественности, а также лицам, принимающим решения. Как виртуальная обзорная экскурсия по городу в рекламе или музею. И последнее, но не в последнюю очередь следует упомянуть сферу образования, где иногда важно иметь реалистичное окружения в рамках компьютерной симуляции.

   В ходе непрерывного развития компьютерных сетей и технологий, связанных с виртуальной реальностью фотомодель может приобрести значение, выходящее далеко за пределы области геодезической фотограмметрии. Сегодня, используя стандартизированные инструменты, фотомодели могут быть распространены, визуализированы и доступны практически всем. Поскольку  имею возможности привязки дополнительной информации в виде текста, звуковых дорожек или фильмов к фотомоделям, можно создавать мультимедийные миры. Таким образом, фотомодель становится ядром интерактивной пространственной информационной системы.

   Наш подход касается рукотворных объектов, в частности зданиями. Форма дома, например, может быть приблизительно  описана сегментами примитивных поверхностей, таких как плоскости или цилиндры. Более того, мы можем предположить, что некоторые из этих сегментов вертикальны или горизонтальны, а некоторые из них параллельны или ортогональны друг друг другу соответственно. Понимая эту концепцию, мы должны знать, что наблюдения заменяются предположениями, что кажется несовместимым с традиционным фотограмметрическим принципом получения избыточности за счет наблюдений. Тем не менее, наш подход оправдан конкретной целью визуализации.

   При создании фотомодели наглядность в общем случае важнее, чем высокая точность. Кроме того, необходимо после создания модели провести окончательную проверку. В случае грубых ошибок в геометрической модели, они могут стать очевидными, как только текстура будет спроецирована на объект.

2. ПРОЦЕСС ГЕНЕРАЦИИ

   Генерация фотомоделей осуществляется на основе цифровых изображений, в которых наземные и аэрофотоснимки могут быть объединены. Это могут быть либо оцифрованные фотографии или изображения, сделанные цифровой камерой. Для наземных фотографий мы используем цифровой фотоаппарат.

   С помощью этих изображений определяется геометрия модели поверхности. Помимо пространственных координат объектов точек, геометрия также содержит топологическую информацию о соединениях линий, что позволяет описать поверхность участки, которые соединяются вместе для построения моделируемой поверхности объекта. Наконец, информация о текстуре, взятая из оригинальных фотографий, преобразуется на эти патчи. Необходимые параметры преобразования зависятот ориентации фотографий по отношению к положения геометрической модели. Определение ориентации изображения и формы объекта осуществляется одновременно с помощью гибридной блочной настройки.

2.1. Измерение изображения и информация о признаках

   На этом этапе необходимо измерить координаты гомологичных точек изображения. Отдельные точки объекта должны присутствовать как минимум на двух фотографиях, а лучи не должны пересекаться под узкими углами. Из-за сильных искажений в соответствующих частей изображения, в результате сильно сходящихся осей камер при работе на близком расстоянии, процесс измерения точки привязки не может быть автоматизирован надежно и должен выполняться интерактивно в довольно трудоемким способом. При больших сходящихся фотографиях полностью автоматические алгоритмы сопоставления не работают надежно. Количество точечных измерений для моделирования объекта может быть уменьшено за счет определенных предположений о форме объекта. В нашем подходе мы используем корректирующую геодезическую программу, поскольку эта программная система позволяет одновременно работать с изображениями наблюдениями и предположениями. Эти предположения, называемые информацией о признаках, вводятся в процесс корректировки гибридной связки как фиктивные наблюдения.

   На самом деле, они не являются реальными наблюдениями, а определяются человеческой интерпретацией и знаниями. В принципе, такие наблюдения определяют, что определенные точки объекта должны лежать на одном участке поверхности или на одной линии, как пересечение двух поверхностей. Соответствуют ли такие предположения об особенностях более или менее хорошо соответствуют конечной модели, также зависит от реальных наблюдений, в основном от измеренных координат.

   Заметим, что использование информации о признаках не только уменьшает объем измерений точек, но в некоторых ситуациях (например, скрытые точки) обеспечивает единственный способ  корректного моделирования объекта. В процессе измерения точек и определения характеристик связи между точками для определения линий и поверхностей фотомодели также фиксируются. Эта топологическая информация должна быть сохранена в наборе данных вместе с идентификаторами и координатами точек.

2.2. Регулировка блока пучка и фототекстурирование

   После измерения изображения ориентация фотографии вычисляются. В программе геодезии (интерполяции) используется вся информация о характеристиках и доступные измерения изображений используются для получения трехмерной формы объекта и ориентации изображений одновременно.

   Этот гибридный процесс корректировки обычно начинается с ориентации фотографий с использованием некоторых четко определенных привязок точек. Затем выполняется абсолютная ориентация модели с использованием измеренных расстояний, контрольных элементов, таких как вертикальные и горизонтальные плоскости и линии, а также контрольные точки если таковые имеются. Затем все точки объекта и информация об особенностях корректируются за один шаг, тем самым моделируя объект в деталях.

   Наконец, после обнаружения ошибок путем применения надежной оценки, может быть выполнена тонкая настройка. Во время этого гибридного процесса настройки все наблюдения изображения и фиктивные наблюдения корректируются одновременно. В результате этой гибридной блочной настройки пространственное положение всех смоделированных участков поверхности, а также ориентации фотографий по отношению к модели объекта, станут известны в локальной или глобальной системе координат. На последнем этапе необходимо найти фототекстуру каждого участка поверхности для преобразования текстурной информации оригинальных фотографий в модель объекта локальная система координат определяется для каждого участка поверхности

   В плоскости xy локальной системы координат очень плотный двумерный квадратный растр текстурных элементов. Этот растр затем преобразуется в исходное изображение, и значения серого цвета для фототекстуры получаются путем билинейной интерполяции исходных значений серого. Помимо других параметров texel-size определяет разрешение фотомодели и, кроме того  физическая память, необходимая для хранения фотомодели. Для уменьшения размера файлов изображения текстур хранятся в формате JPEG в сжатом виде. Потеря информации в результате является приемлемой, поскольку изображения используются для визуализации и анимации, а не для геометрических или радиометрических измерений.

3. ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ VRML

Трехмерная фотомодель хранится в формате VRML формате. Это международный стандарт (ISO/IEC 14772) формат файлов для описания интерактивных трехмерных миров и объектов в Интернете. Это фактически 3D аналогом HTML. Это означает, что VRML служит в этом качестве - простым, многоплатформенным языком для публикации трехмерных веб-страниц. Для визуализации VRML-файла используется VRML-Viewer. Этот просмотрщик может быть либо отдельной программой или интегрироваться как плагин в HTML-браузер.

   На рынке существует множество таких программ просмотра для каждой современной операционной системы (Windows, Unix, MacOs, ...), большинство из них являются бесплатными. Поэтому никаких дополнительных затрат для конечного пользователя не возникает. Используя возможности распространения мира VRML через Интернет, продукт "Фотомодель" может быть доступен широкой публике. Каждый человек, имеющий доступ к Интернету, может рассматриваться как потенциальный клиент. Распространяя модели на CD или DVD, это число может быть даже увеличить.

   С помощью фотомоделей сложные пространственные объекты можно быть визуализированы действительно впечатляющим образом. Помимо чистого визуализации, для создания информационной системы необходимо иметь возможность реагировать на вводимые пользователем данные. Этими входными данными могут быть щелчки мыши в пределах или за пределами VRML-мира или просто движение виртуального пользователя проходящего по VRML-сцене. С помощью специальных объектов - называемых узлами - VRML предоставляет различные методы реагировать на команды пользователя. В связи с информационной системой наиболее важными узлами являются "Якорь", "Инлайн", "Сенсор", "Сценарий" и внешний интерфейс EAI (External Authoring Interface).

3.1. Якорь

   Подобно HTML VRML также позволяет обращаться к другим файлам используя узел Anchor, который служит гиперссылкой. Каждый Каждый объект VRML-сцены может быть использован в качестве Anchor. При щелчке на таком объекте сцена заменяется на выбранный веб-адрес (HTML-файл, другой VRML-мир, ...).

   В трехмерной информационной системе щелчок мыши на входе магазина, например, может смениться на фотомодель интерьера магазина. Гиперссылка может одновременно одновременно открывать HTML-страницу с дополнительной информацией о часах работы, номере телефона, товарах и так далее.

3.2. Inline

   Узел Inline позволяет включить другой файл VRML хранящегося в любом месте в Интернете, в текущую VRML сцену. Таким образом, очень большие и сложные фотомодели могут быть разделены на более мелкие части, что приводит к повышению производительности во время визуализации и упрощает проблемы обновления модели. Кроме того, фотомодели, созданные в разных временных метках, могут быть визуализированы одновременно для сравнения переменных состояний объекта.

3.3. Сенсор

Датчики - это специальные VRML-узлы, которые генерируют события когда пользователь взаимодействует с ними. Это может происходить при щелчком мыши или перемещением курсора по объекту VRML-сцены. Это событие затем передается другим узлам (например, скриптам), которые затем запускают некоторые действия (запуск анимации, воспроизведение аудио- или видеороликов). События также могут генерироваться просто движениями виртуального пользователя в пределах сцены. В качестве реакции на такие перемещения могут быть загружены различные уровни разрешения объектов, в зависимости от расстояния и видимости части модели по отношению к текущей позиции виртуального пользователя.

3.4. Скрипт

Узлы сценария позволяют создателю мира определять произвольное Поведение, определенное на любом поддерживаемом языке сценариев. В спецификации VRML  определены привязки узлов сценариев для языков Java и JavaScript . Сценарии используются в анимации, где положение и ориентация камеры должны быть интерполированы в зависимости от предопределенных временных меток. При измерении координат или расстояний на фотомодели скрипты используются для выполнения преобразования типов, которые становятся необходимыми для отображения измеренных значений на экране.

3.5. EAI

До сих пор все упомянутые возможности ограничивались взаимодействиями внутри VRML-сцены. Что касается информационных систем также необходимо иметь возможность управлять сценой извне. Это можно сделать с помощью EAI (External Authoring Interface). Этот интерфейс позволяет программистам установить связь между веб-страницей страницей и встроенным окном браузера VRML, таким образом предоставляя возможность манипулировать VRML-сценой в зависимости от запросов пользователя на веб-странице. Вопросы такие как "Где я могу найти ...?" или "Как мне добраться до ...?" передаются направляются во внешние системы баз данных, а результаты используются для генерации новых объектов в VRML-сцене, например, мигающей точки или для запуска анимации.

   Целью данного проекта было создание информационной системы для магазинов, расположенных на главной площади города Царицыно не далеко от усадьбы Коломенское. В этом проекте необходимо было совместить 40 наземных и 2 аэрофотоснимка . Сначала был смоделирован пейзаж крыши с помощью цифрового воздушной стереореставрации. Затем, используя измеренные карнизы как ограничение, наземные фотографии были использованы для моделирования фасадов.

   Всего было определено 130 участков поверхности для крыши и 181 патч для фасадов и деталей, покрывающие площадь 2707 м² и 2583 м², соответственно. Для улучшения визуализации модель была наложена на геодезичсекую сетку высот главной площади, используя ортофотоснимок в качестве источника текстуры.

   После загрузки модели пользователь стоит на главной площади Царицыно и смотрит в сторону  усадьбы. Теперь пользователь может начать свой виртуальный поход по витринам. Все входы в магазины настроены как Anchor-nodes. При нажатии на вход открывается новое HTML окно содержащее информацию о магазине и его товарах. Эта информация хранится в отдельных файлах, чтобы каждый владелец может изменять и обновлять содержимое самостоятельно, не нуждаясь в доступе ко всей информационной системе. Таким же образом на витрине магазина есть ссылки на фирмы представленных продукции.

   Для получения более реалистичного окружения входные колонны были также был смоделированы. Фон был представлен облаками, а деревья были помещены в сцену. Используя левую часть главной HTML страницы пользователь может также получить информацию о магазинах или парке Коломенское. При выборе названия из списка запускается анимация, которая ведет виртуального пользователя в сопровождении гида к этому зданию.

5. ВЫВОДЫ

   Трехмерные фотомодели лучше всего подходят для того, чтобы дать четкое и детальное впечатление от существующих и планируемых ситуации. Для их создания необходимы цифровые изображения. Для получения геометрической модели гибридная блочная корректировка служит ценным инструментом.

   Сама геометрическая модель состоит из поверхностных патчей. Поскольку в фотограмметрии патчи располагаются по-разному, что часто приводит к серьезным искажениям в соответствующих частях изображения, определение патчей в значительной степени зависит от интерактивной работы. Для того чтобы минимизировать количество точечных измерений и - как следствие - сократить время и затраты на создания трехмерной фотомодели, дополнительные наблюдения признаков, описывающих форму объекта, могут быть успешно использованны. Текстура, наносимая на трехмерную модель объекта, берется с фотографий и искусственно создается только в областях, не покрытых существующими изображениями.

   При использовании VRML для интерактивной визуализации дополнительная информация, помимо геометрии и текстуры, может быть связана с трехмерной фотомоделью. Сложные пространственные и тематические ситуации могут быть показаны действительно ярким образом с помощью анимации. Использование EAI позволяет установить тесную связь между веб-сайтами и VRML-сценами. Таким образом, внешние системы баз данных могут быть доступны для пользователю из VRML-сцены.

   Опыт доказывает резко возрастающую важность интерактивных виртуальных миров в будущем. Следовательно, трехмерная фотомодель в сочетании с VRML несет в себе потенциал для создания новых привлекательных продуктов в области планирования и документации.