Cíle práce

Zadání

Cílem bakalářské práce je sestavit seznam doporučení pro přípravu fotogrammetrických dat pro 3D tiskový model. Autor se bude detailně zabývat převodem 2D fotogrammetrických dat na 3D tiskový model. Bude řešit odstranění veškerých chyb, které by znemožňovaly plnohodnotný 3D tisk. V případě použití 3D papírové tiskárny se bude také zabývat texturami modelu.

Koncept pracovní postupu

Dílčím cílem je sestavení konceptu pracovního postupu. Vytvořený postup bude zahrnovat kroky od doporučení pro sběr dat po předtiskovou přípravu modelu. Autor svůj pracovní postup ověří na několika případových studiích.

Výstupy

Hlavním cílem je sestavit seznam doporučení pro přípravu fotogrammetrických dat pro 3D tiskový model. Seznam bude zpracován ve formě přehledného textového dokumentu. Současně bude vypracováno instruktážní video. Tyto výstupy zájemcům poskytnou možnost aplikovat postup na vlastní projekty.

Free and open source

Vedlejším cílem práce je sestavit pracovní postup v největší možné míře ve free and open source řešeních. Takový postup umožní nízkonákladově vytvářet 3D modely z reálných objektů. Uplatnění by mohl najít zejména jako alternativa modelování.

kamen

Metody

Semi Global Matching

Populární metoda extrakce 3D informací z 2D obrazu. Poskytuje dobrý poměr mezi přesností a dobou výpočtu.

Noise
Filter

Algoritmus je funkcí softwaru CloudCompare a umožňuje odstranit body vyhodnocené jako šum mračna.

Stat. Outlier Removal

SOR je funkcí softwaru CloudCompare. Lze jí odstranit šum, ale na odlišeném principu než Noise Filter.

Poissonova rekonstrukce

Metoda tvorby vodotěsného povrchu z orientovaného mračna bodů. Je robustní a odolná vůči šumu.


Použitá data

Jednoduchý objekt

V tomto případě byly snímány jednoduché objekty s vlastnostmi ideálními pro fotogrammetrické snímání (tzn. dostatečně texturované, nekomplexní, neodrazivé). Objekty byly nasnímány autorem za pomoci kamery mobilního telefonu. Oba pořízené datasety obsahovaly okolo 60 snímků. Rozlišení odpovídalo 15,9 Mpx.

jednoduchy objekt
budova

Budova

V případě budovy byly snímky poskytnuty vedoucím práce, který je jejich autorem. Snímání proběhlo bezpilotním systémem DJI Phantom 4 Pro. Snímanou budovou byl poutní kostel v obci Dub nad Moravou. Dataset obsahoval 406 snímků a rozlišení jednotlivých fotografií odpovídalo 17,7 Mpx.

Část města

Pro rekonstrukci části města byly použity svislé letecké snímky, poskytnuté vedoucím práce. Snímaným územím je centrum Olomouce a městská část Neředín. Snímky byly pořízeny měřičskou kamerou z pilotovaného letadla, v rozlišení 80 Mpx. První dataset obsahoval 9 snímků, druhý 16 snímků.

cast mesta

Případové studie

Součástí zadání práce bylo otestovat sestavený postup na několika případových studiích. Studie byly rozděleny do 3 kategorií podle typu snímaného objektu. Na jejich základě byl koncept pracovního postupu optimalizován do finální podoby.

studie1A
Studie č. 1A

Studie provedená na dekoračním kameni proběhla bez problému. Zpracovaný digitální model byl vytištěn na 3D tiskárně.

studie1B
Studie č. 1B

Studie dřevěného špalku proběhla rovněž bez komplikací. Špatné světelné podmínky se na výsledném modelu nijak neprojevily.

studie2
Studie č. 2

Během zpracování se projevily určité chyby, které se ale sestaveným postupem podařilo redukovat nebo plně eliminovat.

studie3A
Studie č. 3A

Na studii ze svislých snímků se projevily neopravitelné chyby. První chybou je zvrásnění na stěnách a druhou hrboly na střechách.

studie3B
Studie č. 3B

Vzniku chyb se nepodařilo zamezit ani při použití snímků s 2x větším prostorovým rozlišením a studie byla označena za neúspěšnou.


Výsledky

Sestavený postup

Hlavním výsledkem práce je seznam doporučených postupů v podobě sestaveného návodu na tvorbu 3D tiskového modelu z fotogrammetrických dat. Postupu předchází obecná doporučení pro sběr fotogrammetrického materiálu, uvedená v kapitole 3.3. Samotný pracovní postup tvorby 3D modelu ze snímků byl rozdělen do 4 na sebe navazujících fází, skládajících se celkově z 20 kroků.

postup

Snímatelné objekty

Vizuálním posouzením digitálních modelů případových studií bylo zjištěno, které typy objektů jsou z hlediska geometrické přesnosti pro fotogrammetrické snímání vhodné a které nikoliv. Vhodnými objekty jsou zejména mnohotvárné nepravidelné objekty, na kterých se šum a nepřesnosti vizuálně neprojeví ve vysoké míře. Nežádoucími jsou naopak objekty s rovnými stěnami a ostrými hranami (např. budova).

snimatelne objekty

Textový návod

Postup byl sepsán do podoby přehledného textového návodu o rozsahu 45 stran a doplněn množstvím obrázků a ilustrací. S použitím návodu by měl být čtenář schopen postup aplikovat na vlastní projekty.

textovy navod

Instruktážní video

Jako druhá forma návodu bylo vytvořeno instruktážní video. Videonávod se skládá z 10 samostatných videí a zobrazuje kroky od generování mračna po úpravu textury. Celková doba trvání je 40 min 15 sekund.

instruktazni video

Závěr

Hlavním cílem práce bylo sestavit seznam doporučení pro přípravu fotogrammetrických dat pro 3D tiskové technologie. Jako vhodná forma seznamu doporučení byla zvolena tvorba pracovního postupu zahrnující kroky od doporučení pro sběr dat po předtiskovou přípravu modelu. Samotné práci předcházela rešerše specifik a chyb fotogrammetricky tvořených modelů, od nichž se odvíjel další postup. Byly zkoumány softwarové možnosti automatické detekce a odstranění těchto chyb. Současně proběhl výběr vyhovujících souborových formátů.

Na základě rešerše autor sestavil koncept pracovního postupu a jednotlivým krokům s ohledem na funkcionalitu, uživatelskou přívětivost a licenční řešení přiřadil vhodný software. Cílem bylo sestavit časově nenáročný a uživatelsky přívětivý postup. Vedlejším cílem bylo sestavení vývojové linie kompletně ve free and open source řešeních, čehož vzhledem k současným softwarovým možnostem nebylo zcela dosaženo a mohlo by být námětem na další práci. Koncept byl ověřen na několika případových studiích a optimalizován pro dosažení vyšší geometrické přesnosti a lepší uživatelské zkušenosti.

Studie byly podle typu snímaného objektu a vlastností fotogrammetrického materiálu rozděleny do třech kategorií. Předmětem studie první kategorie byly dva jednoduché objekty s ideálními vlastnostmi. Během zpracování těchto objektů nebyl pozorován žádný nedostatek a byly vytvořeny plnohodnotné 3D modely. Druhou kategorií objektu byla budova. U této studie se objevilo několik nedostatků v geometrii, které se ale sestaveným postupem podařilo ve větší míře odstranit nebo zcela opravit. V poslední studii byla jako zájmová oblast zvolena část města, při jejíž rekonstrukci byly použity pouze svislé letecké snímky. Svislé snímky ale neposkytují dostatečnou obrazovou informaci pro generování bodů po celém povrchu zájmové oblasti (zejména stěny budov) a během rekonstrukce se objevily chyby, jejichž časová náročnost oprav a kvalita výsledné polygonové sítě nedosahovaly požadované úrovně. Studie třetího typu byla vyhodnocena jako neúspěšná.

Vizuálním posouzením digitálních 3D modelů případových studií bylo zjištěno, které typy objektů jsou z hlediska geometrické přesnosti pro fotogrammetrické snímání vhodné a které nikoliv. Vhodnými objekty jsou zejména mnohotvárné nepravidelné objekty, na kterých se šum a nepřesnosti neprojeví ve vysoké míře. Příkladem takového objektu jsou kameny, kmeny stromů nebo sochy. Nežádoucími jsou naopak pravidelné geometrické objekty (např. budova). U tohoto typu objektu je ve vyšší míře patrná geometrická nepřesnost projevená především hrbolatými stěnami a zaoblenými hranami.

Výsledný a otestovaný postup byl sepsán do textového step-by-step návodu a doplněn množstvím ilustrací a obrázků. S jeho pomocí by měl být čtenář schopen postup aplikovat na vlastní projekty a z fotogrammetrického materiálu vytvořit plnohodnotný tiskový model. Sloužit by mohl například zájemcům vlastnícím 3D tiskárny jako alternativa modelování nebo studentům jako výukový materiál. Návod byl rovněž zpracován do formy instruktážního videa. Jako volné přílohy práce byly vytištěny dva fyzické modely. Cílem tisku bylo především ověřit kompatibilitu fotogrammetrických modelů s dostupnými metodami 3D tisku a potvrdit tak jejich tisknutelnost.


Summary

The aim of this thesis is to compile a list of recommendations for preparation of photogrammetric data which will be used in 3D printing applications. The main focus will be the conversion of 2D pictures into a fully-fledged 3D print model. The aim is to eliminate any obstacles preventing 3D printing and to compile a complete work guide for a relevant software. The development pipeline goes through 8 different pieces of software, selected on the basis of their functionality, user friendliness and free and open source licensing. The list of software used is as follows: Agisoft Metashape, CloudCompare, MeshLab, Autodesk Meshmixer, Instant Meshes, Blender, GIMP and Cura. The work guide will especially focus on production and editing of point clouds and reconstruction of a mesh.

The case studies used to test this concept were divided into three following categories, depending on type of the object and properties of the photogrammetric material: a simple shape, a building and a part of a city reconstructed using only vertical aerial imagery. The results of said case studies were then used to optimize the geometric accuracy of these models, as well as user friendliness of the work guide into its final iteration. Also, a list of objects suitable for reconstruction using photogrammetric reconstruction was created.

The result of this thesis is a compiled and tested guide to creation of 3D print models using photogrammetric data, written down as a step by step guide, aided by a number of illustrations and pictures. The secondary result is a video guide, which describes steps necessary in the process, from production of point clouds to texturing of the model.


Ke stažení

Text práce

Finální verze bakalářské práce ve formátu PDF, celkový rozsah 50 stran (4 MB)

Plakát

Plakát jako povinná příloha bakalářské práce ve formátu PDF (5 MB)

Textový návod

Textový návod na tvorbu tiskového 3D modelu z FTGM dat (17 MB)

Videonávod

Instruktážní video zachycující tvorbu od zarovnání snímků po úpravu textury