ΧΩΡΙΚΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ - ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ
Σύστημα Πολυεπίπεδης Τεκμηρίωσης Θρησκευτικών Τόπων & Ιστορικών Συμπλεγμάτων, Ακρωνύμιο: Μετέωρα
Δημιουργία 3D μοντέλων υψηλής ανάλυσης:
Για την δημιουργία του 3D μοντέλου όλου του Ιερού Χώρου των Μετεώρων από τις 2200 κατακόρυφες και πλάγιες εναέριες εικόνες που λήφθηκαν από επανδρωμένο αεροσκάφος αξιοποιήθηκαν οι εξής τεχνικές: (i) Structure from Motion – SfM (Υπολογισμού δομής από κίνηση), (ii) Πυκνή συνταύτιση εικόνων και Multiple View Stereo – MVS, καθώς και (iii) Απόδοση υφής από εικόνες. Αντίστοιχες τεχνικές χρησιμοποιηθήκαν για τα λεπτομερή 3D μοντέλα των βράχων Μόδι και Άλυσος για τις εικόνες που λήφθηκαν από το μη επανδρωμένο αεροσκάφος (UAV) DJI Phantom 4 RTK. Η διαδικασία παραγωγής των τελικών 3D επιφανειών και λοιπών μετρητικών προϊόντων πραγματοποιήθηκε μέσω των λογισμικών Reality Capture, Agisoft Metashape και Geomagic για ερευνητικούς λόγους και για λόγους σύγκρισης των αποτελεσμάτων.
Περιγραφή διαδικασίας 3D μοντελοποίησης:
Η μέθοδος SfM περιλαμβάνει τον ταυτόχρονο προσδιορισμό του εσωτερικού και σχετικού προσανατολισμού των εικόνων (με όρους συμβατικής φωτογραμμετρίας) και τη δημιουργία αραιού νέφους σημείων. Οι θέσεις των εικόνων και η γεωμετρία του αντικειμένου υπολογίζονται μέσω αυτόματου εντοπισμού κοινών χαρακτηριστικών σημείων (σημείων σύνδεσης) αλληλεπικαλυπτόμενων εικόνων. Για την εξαγωγή των χαρακτηριστικών σημείων χρησιμοποιείται κυρίως ο αλγόριθμος SIFT ή παραλλαγές αυτού. Για κάθε σημείο υπολογίζεται ένα διάνυσμα περιγραφικών χαρακτηριστικών (descriptor) ο οποίος βασίζεται στη «γειτονιά» κάθε σημείου. Για τον εντοπισμό και απαλοιφή εσφαλμένων ομολογιών και τη βελτίωση του επιπέδου επιτυχίας της μεθόδου, εφαρμόζεται ο επαναληπτικός αλγόριθμος RANSAC ή βελτιωμένες τροποποιήσεις αυτού, ενώ προϋποτίθεται η ύπαρξη μεγάλων επικαλύψεων μεταξύ των εικόνων. Στο πλαίσιο του έργου, για τη γεωαναφορά του αραιού νέφους σημείων και τον υπολογισμό εξωτερικού προσανατολισμού, χρησιμοποιήθηκαν φωτοσταθερά σημεία που μετρήθηκαν στο πεδίο.
Στη συνέχεια, πραγματοποιείται πύκνωση του νέφους σημείων, μέσω διαδικασίας πυκνής συνταύτισης εικόνας (dense image matching). Για τη διεκπεραίωση της εν λόγω διαδικασίας, εφαρμόζονται αλγόριθμοι της όρασης υπολογιστών (π.χ. Semi-Global Matching), για τον υπολογισμό των 3D συντεταγμένων χώρου για κάθε pixel εικόνας, και όχι μόνο για τα χαρακτηριστικά σημεία. Έτσι, προκύπτει ένα ιδιαίτερα πυκνό νέφος σημείων, που καλύπτει όλα τα τμήματα του αντικειμένου που απεικονίζονται σε τουλάχιστον τρεις εικόνες. Κατά το τελευταίο στάδιο της διαδικασίας τρισδιάστατης μοντελοποίησης, παράγεται το τρισδιάστατο μοντέλο του αντικειμένου ως συνεχής επιφάνεια, με τη μορφή τριγώνων (TIN) ή άλλων πιο εξελιγμένων μορφών προσέγγισης της επιφάνειας (curves, nurbs). Το τελικό τρισδιάστατο μοντέλο μπορεί να εμπλουτιστεί ακόμη περισσότερο και με την απόδοση υφής (texture mapping), περιλαμβάνοντας τη μέγιστη δυνατή πληροφορία, ώστε να αξιοποιηθεί ανάλογα με τις διαφορετικές απαιτήσεις του κάθε τελικού χρήστη.
Παραγωγή 3D μοντέλων των βράχων Μόδι και Άλυσος στο Reality Capture:
Όπως στα περισσότερα λογισμικά που χρησιμοποιούν την τεχνική Structure from Motion (SfM), έτσι και στο RC τα βήματα που περιλαμβάνει η αλληλουχία επεξεργασίας του λογισμικού είναι:
- Προσδιορισμός εξωτερικό προσανατολισμό των εικόνων με αυτοβαθμονόμηση (εσωτερικός προσανατολισμός), δηλαδή εύρεση των στοιχείων που καθορίζουν τη θέση κάθε λήψης στο χώρο, τον προσανατολισμό της λήψης και τα χαρακτηριστικά του συστήματος φακού/αισθητήρα. Αυτό το στάδιο στο RC αναφέρεται ως “Align”.
- Δημιουργία του 3D μοντέλου, το RC ουσιαστικά εκτελεί δύο βήματα σε ένα, δηλαδή εκτελεί ταυτόχρονα τις διαδικασίες πυκνής συνταύτησης σημείων (dense matching) και meshing, και δημιουργεί απευθείας το τρισδιάστατο μοντέλο του αντικειμένου σε μορφή πλέγματος τριγώνων. Έτσι, ο μόνος τρόπος να εξαχθεί πυκνό νέφος σημείων από το RC είναι εξάγοντας αρχείο με τις κορυφές όλων των τριγώνων του μοντέλου. Τη διαδικασία αυτή το RC την αναφέρει ως “Reconstruction”.
- Δημιουργία υφής στο τρισδιάστατο μοντέλο. Το RC, σε αυτό το βήμα, δημιουργεί αλγοριθμικά ένα ανάπτυγμα του 3D Μοντέλου (unwrapping) και κατόπιν υπολογίζει πληροφορία υφής σε μορφή εικόνων προβαλλόμενων πάνω στο ανάπτυγμα και κατ’ επέκταση στο τελικό 3D μοντέλο. Έτσι, το 3D μοντέλο αποκτά φωτορεαλιστική υφή.
- Στο τελικό στάδιο έχοντας το τρισδιάστατο μοντέλο με φωτορεαλιστική υφή, ο χρήστης μπορεί να εξάγει κι άλλα παράγωγα, όπως ορθοεικόνες με προβολή του μοντέλου σε κατάλληλο επίπεδο, ψηφιακό μοντέλο εδάφους, αρχεία ποσοτικών και ποιοτικών αναφορών για όλα τα ενδιάμεσα στάδια της διαδικασίας κ.λ.π.
Πραγματοποιήθηκαν διάφορες δοκιμές κατά τον ορισμό των παραμέτρων στα στάδια του “Align” και “Reconstruction” ώστε να αποφευχθούν λάθη στην ανακατασκευή της γεωμετρίας της σκηνής (Εικόνα 2).
Παραγωγή 3D μοντέλων των βράχων Μόδι και Άλυσος στο Metashape Agisoft:
Αρχικά, από το σύνολο των εικόνων που καλύπτει τους δύο βράχους (Μόδι και Άλυσσο) πραγματοποιήθηκε απομάκρυνση πλεοναζουσών ή/και θολών εικόνων καθώς και εικόνων με κακή ραδιομετρία, έντονες μεταβολές φωτισμού και πολλαπλές σκιές. Επιπλέον, κρίθηκε αναγκαία η εισαγωγή και χρήση μασκών για τμήματα εικόνων με σκιές, κακό φωτισμό και ουρανό, αλλά και για τμήματα εικόνων που δεν απεικονίζονται με καλή ανάλυση ή απεικονίζονται με καλύτερη ανάλυση σε άλλες εικόνες. Λαμβάνοντας υπόψη τα αποτελέσματα πολλαπλών δοκιμών, κρίθηκε απαραίτητος ο ξεχωριστός προσανατολισμός των εικόνων που αντιστοιχούν σε καθέναν από τους δύο βράχους (Μόδι και Άλυσος), με μείωση του αριθμού τους και με εισαγωγή μασκών. Διαχωρίστηκαν οι εικόνες που απεικονίζουν την Άλυσο και δημιουργήθηκαν τρεις διαφορετικές επιλύσεις (projects) στο λογισμικό Agisoft Metashape, που αντιστοιχούν σε κάθε μία πτήση που κάλυψε το βράχο. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν συνολικά 2.111 εικόνες με τις μάσκες που είχαν δημιουργηθεί στο πλαίσιο των αρχικών δοκιμών. Η τρέχουσα δοκιμή έγινε με επιλογή παραμετροποίησης του Agisoft Metashape που αντιστοιχεί σε προσανατολισμό εικόνων (alignment) “high accuracy”, δηλαδή εξαγωγή χαρακτηριστικών σημείων σε εικόνες αρχικού μεγέθους. Έπειτα από τον επιτυχή προσανατολισμό των εικόνων, η διαδικασία της τρισδιάστατης μοντελοποίησης συνεχίστηκε με την παραγωγή πυκνού νέφους σημείων.
Και στις τρεις επιλύσεις, σκοπεύτηκαν συνολικά 20 φωτοσταθερά σημεία στις εικόνες όπου εμφανίζονται. Μέσω των φωτοσταθερών σημείων έγινε η συγχώνευση των τριών αυτών επιλύσεων, που αντιμετωπίστηκαν ως “chunks” στο λογισμικό Agisoft Metashape. Μετά τη συνένωση των τριών επιλύσεων, εκτελέστηκε εκ νέου η διαδικασία της πυκνής συνταύτισης εικόνων (Εικόνα 3). Παρόμοια διαδικασία ακολουθήθηκε και με τις εικόνες του βράχου Μόδι. Δημιουργήθηκαν τέσσερις διαφορετικές επιλύσεις (projects) στο λογισμικό Agisoft Metashape, που αντιστοιχούν σε κάθε μία πτήση που κάλυψε το Μόδι. Στις μεμονωμένες αυτές επιλύσεις, ο προσανατολισμός όλων των εικόνων ήταν σωστός και δεν υπήρχαν λάθη στην ανακατασκευή της γεωμετρίας του βράχου. Σκοπεύτηκαν συνολικά 17 φωτοσταθερά σημεία στις εικόνες όπου εμφανίζονται και μέσω αυτών συγχωνεύτηκαν οι επιμέρους επιλύσεις και εκτελέστηκε εκ νέου η πυκνή συνταύτιση (Εικόνα 4). Η μετατροπή των πυκνών νεφών σημείων των δύο βράχων σε 3D πλέγματα (meshes) έγινε στο περιβάλλον του λογισμικού Geomagic με μείωση του θορύβου, εξάλειψη των διπλών επιφανειών και χειροκίνητη διόρθωση των λανθασμένων τριγώνων. Τέλος, η υφή από εικόνες (texture mapping) αποδόθηκε και πάλι, στο Agisoft Metashape με αξιολόγηση και επιλογή των ραδιομετρικά βέλτιστων εικόνων για το εκάστοτε τμήμα του μοντέλου. Η εξαγωγή της υφής έγινε σε πολλαπλά αρχεία JPG διαστάσεων 10000x10000 pixels για την αποφυγή των περιορισμών της μνήμης RAM και την επίτευξη της καλύτερης δυνατής ανάλυσης.
Δημιουργία μοντέλων πολλαπλής ανάλυσης:
Τα τρισδιάστατα μοντέλα του Ιερού Χώρου των Μετεώρων και των βράχων Μόδι και Άλυσος μετατράπηκαν σε δομές πολλαπλής ανάλυσης πριν την φόρτωσή τους στο σύστημα προβολής 3DHOP της εμπρόσθιας διεπαφής. Αυτό το στάδιο προ-επεξεργασίας επιτυγχάνει αφενός γρήγορη μεταφορά των δεδομένων στο δίκτυο αφετέρου ποιοτική και υψηλής ανάλυσης οπτικοποίηση. Γενικά, τα συστήματα πολλαπλής ανάλυσης διαιρούν τη γεωμετρία σε μικρότερα τμήματα (patches). Σε κάθε τμήμα αντιστοιχεί ένα διαφορετικό επίπεδο λεπτομέρειας. Η μεταφορά τους στον ιστό γίνεται κατ’ απαίτηση, δηλαδή φορτώνονται και αποδίδονται μόνο τα τμήματα του μοντέλου που είναι απολύτως απαραίτητα για τη σύνθεση της εκάστοτε προβολής. Η τμηματοποίηση της πληροφορίας που μεταφέρεται είναι εξίσου αποτελεσματική σε συνθήκες αργού δικτύου.
Τα πλεονεκτήματα αυτής της μεθόδου συνοψίζονται στο γρήγορο χρόνο εκκίνησης και στο μειωμένο φόρτο δικτύου. Το μοντέλο είναι άμεσα διαθέσιμο για περιήγηση σε χαμηλή ανάλυση η οποία σταδιακά βελτιώνεται καθώς νέα δεδομένα φορτώνονται προοδευτικά ανάλογα με την εκάστοτε θέση προβολής. Η θέση προβολής εξαρτάται κάθε φορά από τη θέση και τον προσανατολισμό της κάμερας και την κλίμακα απεικόνισης. Χρησιμοποιήθηκε η βιβλιοθήκη JavaScript Nexus.js του Visual Computing Lab του CNR-ISTI, η οποία πέρα από τη μετατροπή των τρισδιάστατων μοντέλων σε δομές πολλαπλής ανάλυσης τύπου NXS, παρέχει επιλογές συμπίεσης ή/και απλοποίησης, ελέγχοντας τους παραμέτρους κωδικοποίησης και αφαιρώντας τα πιο «αδρά» επίπεδα λεπτομέρειας. Τα τελικά αρχεία με τα συναφή μεταδεδομένα τους μπορούν να οπτικοποιηθούν στο εγγενές σύστημα προβολής της Nexus (Εικόνα 5, Εικόνα 6).
Φωτογραμμετρική επεξεργασία δεδομένων LiDAR και αεροφωτογραφιών που λήφθηκαν από το σύστημα RIEGL VQ-1560i-DW:
Όσον αφορά στην επεξεργασία των εικόνων, αρχικά οι RAW RGB εικόνες μετατράπηκαν σε εικόνες tif. Στη συνέχεια, εισήχθησαν τα στοιχεία της φωτομηχανής Phase One IXU 1000RS στο λογισμικό Erdas Imagine Professional και συλλέχθηκαν αυτόματα σημεία σύνδεσης που απαιτούνται για τη διαδικασία του αεροτριγωνισμού, η οποία ακολούθησε. Η επεξεργασία των δεδομένων LiDAR περιλαμβάνει τη μετατροπή των LiDAR νεφών σημείων στο μορφότυπο .las και την οργάνωση των δεδομένων σε μπλοκ διαστάσεων 500m ×500m για την ευκολία της διαχείρισής τους. Εφαρμόστηκαν δύο διαδικασίες για την ευθυγράμμιση των δύο λωρίδων (strip alignment) μέσω του λογισμικού Terrasolid Terrascan (Εικόνα 7):
- 1η εφαρμογή: ευθυγράμμιση λωρίδων ανά scanner.
- 2η εφαρμογή: ευθυγράμμιση λωρίδων ανά flightline.
