Danci Ioana-Maria - Rezumat

8/2/2019 Danci Ioana-Maria - Rezumat

1/42

UNIVERSITATEA TEHNIC DE CONSTRUCII BUCURETI

FACULTATEA DE GEODEZIE

CATEDRA DE GEODEZIE I FOTOGRAMETRIE

CAZURI SPECIALE DE EXPLOATAREFOTOGRAMETRIC

- MODELAREA 3D A MONUMENTELOR ISTORICE-

TEZ DE DOCTORAT

CONDUCTORTIINIFIC:

prof. univ. dr. ing. mat. LUCIAN TURDEANU

DOCTORAND:

ing. IOANA MARIA DANCI (FETEA)

- 2010 -


2/42

2


3/42

3

CUPRINS

1.INTRODUCERE.................................................................................................................................................... 5

1.1 CONSIDERAII GENERALE.......................................................................................................................... 51.2 OBIECTIVELE LUCRRII .............................................................................................................................. 61.3 METODE FOTOGRAMETRICE PENTRURECONSTRUCIA OBIECTELOR .............................................. 61.4 STRUCTURA LUCRRII ................................................................................................................................ 6

2. STADIUL ACTUAL I EVOLUTIA SISTEMELOR DE RECONSTRUCIE A OBIECTELOR.................... 7

2.1 PREZENTARE GENERAL ............................................................................................................................ 72.2 STRUCTURA OBIECTELOR 3D ..................................................................................................................... 8

2.2.1 Consideraii generale................................................................................................................................. 8

2.2.2 Clasificarea modelelor 3D.......................................................................................................................... 8

2.3 TEHNICII METODE DE OBINERE A MODELELOR3D ........................................................................... 82.4 MODELAREAI REDAREAOBIECTELOR BAZAT PE IMAGINI............................................................. 92.5 SISTEMEDE PRELUARE A IMAGINII .......................................................................................................... 92.6 STRATEGII PENTRUPRELUCRAREA IMAGINII ........................................................................................ 92.7 SISTEME I METODE FOTOGRAMETRICE PENTRU RECONSTRUCIA OBIECTELOR 3D..................10

2.7.1 Consideraii generale................................................................................................................................10

2.7.2 Rectificarea imaginilor digitale .................................................................................................................10

2.7.3 Sisteme bazate pe msurare monoscopic cu imagini multiple....................................................................11

2.7.4 Sisteme bazate pe msurare stereoscopic .................................................................................................11

3. MODELUL MATEMATIC.................................................................................................................................11

3.1 SISTEME DE COORDONATE........................................................................................................................11

3.2 CONDIIA DE COLINIARITATE...................................................................................................................123.3 MODELUL MATEMATIC AL COMPENSRII N BLOC..............................................................................123.4 PRECIZIA METODEI.....................................................................................................................................133.5 CONSTRNGERI GEOMETRICE ALE OBIECTULUI ..................................................................................13

4. CALIBRAREA CAMERELOR...........................................................................................................................14

4.1 MODELUL CAMEREI ....................................................................................................................................144.2 CALIBRAREACAMERELOR CU AJUTORUL PROGRAMULUI PHOTOMODELER..................................144.3 PRELUAREA DATELOR CALIBRRII .........................................................................................................144.4 CALIBRAREA CAMEREI NIKON D50 PENTRU OBIECTIVUL NIKKOR , CU DISTANA FOCALVARIABIL F = 18-55MM...................................................................................................................................14

4.5 CALIBRAREA CAMEREI NIKON D50 PENTRU OBIECTIVUL NIKKOR, CU DISTANA FOCAL FIX,F = 24MM..............................................................................................................................................................154.6 EVALUAREAREZULTATELOR CALIBRRII ............................................................................................164.7 CONCLUZII....................................................................................................................................................18

5. STUDIU DE CAZ.................................................................................................................................................19

5.1 RECONSTRUCIA UNEI CLDIRI FOLOSIND O SUCCESIUNE DE IMAGINICONVERGENTE BISERICA SF. LADISLAU DIN ORADEA...........................................................................................................19

5.1.1 Prezentarea cldirii monument istoric .......................................................................................................19

5.1.2 Geometria reelei ......................................................................................................................................19

5.1.3 Culegerea datelor......................................................................................................................................20

5.1.4 Modelarea.................................................................................................................................................20

5.1.5 Evaluarea preciziei ...................................................................................................................................25

5.2OBINEREA MODELULUI 3D PENTRUBISERICA SF. LADISLAUDINORADEA PRIN TEHNICASCANRII LASER ...............................................................................................................................................28


4/42

4

5.2.1 Echipamente hardwarei software utilizate...............................................................................................28

5.2.2 Descrierea aplicaiei practice....................................................................................................................28

5.3 COMPARAREA REZULTATELOR OBINUTE ............................................................................................315.4 APLICAREA UNOR ALGORITMI DE MODELARE PE DETALII DE CONSTRUCIE ALE BISERICII SF.LADISLAU DIN ORADEA...................................................................................................................................345.5 ANALIZA COST BENEFICIU......................................................................................................................36

6. CONCLUZII I CONTRIBUII PERSONALE.................................................................................................37

BIBLIOGRAFIE SELECTIV......40


5/42

5

1. INTRODUCERE

1.1 CONSIDERAII GENERALEn aceast lucrare se prezint achiziia coordonatelor tridimensionale, ce definesc un obiect,

dintr-o secven de imagini precum i modelarea acestuia. Obiectul nregistrat pe succesiunea de

imagini este fix, n timp ce camera de fotografiere este mutat dup fiecare expunere.Metoda de msurare i extragere a informaiilor 3D din imagini fotografice prezentat, esteutil n cazurile speciale de reconstrucie a obiectelor (aa - numita fotogrametrie de la micdistan) cu utilizarea camerelor fotografice obinuite, nemetrice.

Aceast lucrare prezint o metod de reconstrucie pentru obiectele cu vizualizare realistic.Obiectul este reconstruit n mai muli pai i fiecare pas ntmpin diferite tipuri de probleme.Primul pas al reconstruirii modelului este achiziia imaginilor acestuia. Tipul camerei cu care vor fi

preluate imaginile i locul unde poate fi poziionat trebuie ales cu grij, astfel nct s se asigurecea mai convenabil geometrie.

O alt problem este calibrarea camerei folosite, astfel nct s putem cunoate geometriacamerei i parametrii acesteia. Imaginile obinute trebuie s fie orientate. De asemenea trebuie s fie

analizat precizia parametrilor de orientare a imaginii.Din punct de vedere practic exist doi factori de care trebuie s se in seama: posibilitile tehnice de realizare a unei anumite precizii; considerentele economice.ntre aceti doi factori exist o strns legtur, respectiv cerinele asupra preciziei care

influeneaz cheltuielile cerute.Metodele fotogrametrice i gsesc o larg aplicare n arhitectur, n special la executarea

releveelor construciilor arhitectonice i a monumentelor istorice. Ca direcii de aplicare afotogrametriei n arhitectur se amintesc: relevee ale monumentelor istorice existente, restitu iafaadelor n vederea restaurrii, nregistrarea fotogrametric a monumentelor istorice cu gradavansat de degradare i reconstituirea imaginii lor iniiale pe baza restituiei realizate, ridicareadetaliilor interioare dispuse pe cupole sau plafoane n vederea restaurrii etc. [MARTON,ZEGHERU, 1972].

Arhitecii implicai n conservare lucreaz nc n stilul tradiional, folosind msurtorimanuale sau instrumente topografice. Aceast informaie este n mod normal transferat desenelor

pe hrtie 2D: plan, seciuni i faade. Principalul inconvenient al acestei metode este faptul c toateinformaiile sunt distribuite n diferite tipuri de documente, desene 2D, texte, fotografii etc. Dinaceast cauz, este adesea dificil pentru cei implicai s dobndeasc o imagine de ansamblucomplet i clar n ce privete informaia disponibil. n plus, este foarte greu s se foloseascacest material pentru schimbul de informaii cu ali arhiteci i cercettori sau pentru prezentarea lor

publicului larg.

Deoarece muli arhiteci tind spre designul computerizat pentru cldirile noi proiectate, sencearc s se aplice metodele lor de lucru pentru restaurarea sau conservarea cldirilor. Avnd labaz un numr limitat al punctelor msurate prin metodele folosite tradiional, pot fi obinuteplanurile i seciunile 2D sau un model 3D. Astfel rezult, n mod normal, o reprezentaresimplificat a cldirii, care nu corespunde deloc standardelor ridicate privind conservarea irestaurarea. Tehnologia prezentat n aceast lucrare poate fi foarte folositoare n acest context.

Pe de alt parte, un model virtual este un cadru virtual unde pot fi observate i de unde pot fiextrase informaii ale spaiului modelat n scopuri educaionale sau de cercetare. Reconstrucia 3D,modelarea, documentarea, monitorizarea i vizualizarea diverselor obiecte cu valoare cultural potfi realizate tot prin metode fotogrametrice, cu o precizie bun i relativ ieftin, n comparaie cu altetehnologii.

O reconstrucie 3D complet servete ca o nregistrare permanent a cldirilor de patrimoniun locaiile lor originare. O asemenea reconstrucie poate fi folosit i pentru detectarea schimbriloraprute asupra acestora.


6/42

6

Formele tridimensionale sunt proiectate n mod tradiional de instrumente CAD pe sistemulde modelare. Cu toate avantajele pe care le ofer instrumentele CAD, ele nc nu pot furnizareprezentri realistice de calitate. Modelele extrase din imagini, prin metode fotogrametrice, potavea un coninut ridicat al detaliilori o reprezentare realistic a obiectului modelat. Aceste modelese pot exporta cu uurin n format CAD de unde pot fi prelucrate pentru utilizarea lor n diverse

aplicaii. Obiectele de art, sculpturile, diverse structuri industriale pot fi reconstruite din fotografiipentru obinerea realistic a modelelor 3D ale acestora.

1.2 OBIECTIVELE LUCRRIIObiectivul principal al acestei lucrri este obinerea de modele realistice ale obiectelor din

lumea real. Pentru a putea reconstrui modelele obiectelor, se dorete utilizarea unor echipamente lapreturi accesibile i compararea rezultatelor obinute cu tehnologia scanrii laser.

n general, obinerea obiectului 3D poate fi fcut prin metode active, folosind senzori ladistan ca scanerele laser sau prin metode pasive, folosind camere cu senzori CCD. Astziscanerele laser sunt folosite n mai multe aplicaii, pentru a obine forma 3D a obiectelor prin

preluarea unui nor de puncte. Chiar dac prin folosirea camerei digitale se reduc costurile

tehnologiei de obinere a modelelor 3D, ea nu este la fel de des folosit ca i scanarea laser.Deoarece unul dintre obiectivele acestei lucrri este crearea de modele 3D ale obiectelor cu

costuri ct mai mici, se va urmri modelarea unei cldiri monument istoric din succesiuni deimaginii preluate cu o camer CCD. Reconstrucia obiectelor prin aceast tehnologie relativ ieftin,comparativ cu tehnologiile uzuale poate fi atractiv pentru mai multe aplicaii.

Un alt obiectiv al acestei lucrri este acela de a crea modele realistice ale obiectelor.Modelului final i se poate ataa o textur real, cu ajutorul imaginilor, pentru ca atunci cnd esterotit n poziii arbitrare s produc imagini realistice noi, de bun calitate. n aceast lucrare sedorete reconstrucia unei cldiri monument istoric cu obinerea unei vizualizri realistice bune att

prin metode fotogrametrice ct i prin scanarea laser.

1.3 METODE FOTOGRAMETRICE PENTRU RECONSTRUCIA OBIECTELORn fotogrametria de la mic distan, cerinele privind precizia de msurare pot fi stabilite

pe baza preciziei cerute pentru model sau pentru buna prezentare i vizualizare a modelului. n celemai multe cazuri, obiectul nu poate fi modelat doar pe baza unei singure imagini. Astfel, suntnecesare cteva staii de preluare a imaginilor obiect. Pentru estimarea transformrilor decoordonate, seturile de date trebuie s se suprapun.

Modelul obiectului reconstruit va fi realizat din punctele obiectului extrase din imaginilepreluate. n mod obinuit, aceste puncte sunt ele nsele puncte distinctive ale obiectului model sausunt distribuite pe suprafaa obiectului, descriind ct mai bine forma obiectului model.

Orientarea poate fi efectuat cu ajutorul punctelor de reper. Pot fi utilizate i o serie de

constrngeri presupunnd anumite relaii de coliniaritate, perpendicularitate sau coplanaritate ntrepunctele obiectului de modelat. Aceast abordare nu se potrivete cu reconstrucia tuturor tipurilorde obiecte, dar poate fi utilizat cu succes n cazul cldirilor.

n etapa final, se creeaz un model, cruia i se pot ataa imaginile sub forma unor texturiale suprafeelor. Modelul obinut va putea fi vizualizat realistic, din orice perspectiv.

1.4 STRUCTURA LUCRRIILucrarea este structurat n ase capitole, ncepnd cu acest capitol introductiv. n capitolul

2 este prezentat stadiul actual i evoluia sistemelor de reconstrucie a obiectelor. Este dezvoltataici structura obiectelor 3D, tehnicile i metodele de obinere a modelelor 3D cu prezentarea maidetaliat a modelrii i redrii bazate pe imagini precum i strategiile de prelucrare a imaginilor.

Sunt prezentate sistemele de preluare a imaginilor i sistemele i metodele fotogrametrice pentrureconstrucia obiectelor 3D.


7/42

7

Capitolul 3 ofer o imagine asupra modelului matematic. Sunt prezentate sistemele decoordonate ale imaginii i ale spaiului obiect precum i realizarea legturilor dintre acestea. Totaici se face referire la realizarea proieciei perspective i la modelul matematic al compensrii n

bloc. Este de asemenea discutat precizia metodei i constrngerile aplicate obiectului geometric.n capitolul 4 au fost prezentate principiile de calibrare a camerei i modelul camerei. A mai

fost prezentat principiul de calibrare a camerelor cu ajutorul programului Photomodeler cuexemplificare pe camera Nikon D50, calibrat pentru doi obiectivi diferii.n capitolul 5 este prezentat studiul experimental. Este prezentat reconstrucia unei cldiri

monument istoric utiliznd o succesiune de imagini convergente, de la achiziia datelor, modelareaobiectului i evaluarea preciziei obinute, precum i obinerea modelului 3D pentru aceeai cldirefolosind tehnica scanrii laser. Este prezentat i o comparaie ntre cele dou metode precum i oanaliz cost beneficiu. Tot aici am studiat posibilitatea de utilizare a unor algoritmi de modelare3D, folosii de obicei n diverse aplicaii, pentru modelarea construciilor arhitecturale mari.Testarea acestora am realizat-o pe detalii de construcie ale Bisericii Sf. Ladislau din Oradea.

n capitolul 6 sunt prezentate cteva concluzii referitoare la reconstrucia obiectelor prinmetode fotogrametrice i prin metoda scanrii laser, avantajele i dezavantajele pe care le prezint

fiecare metod. Tot aici sunt evideniate contribuiile personale la realizarea acestei lucrri.

2. STADIUL ACTUAL I EVOLUTIA SISTEMELOR DE RECONSTRUCIE AOBIECTELOR

2.1 PREZENTARE GENERALExist diverse domenii de activitate pentru care sunt necesare date referitoare la geometria

obiectelor reale, att n plan, ct i n spaiu. Arhitectura, conservarea i inventarierea cldirilormonument istoric, arheologia, arhitectura peisagistic i altele prefer date 3D de tip CAD pentru

prezentarea situaiei de facto a unui obiect (cldire, teren, monument etc.) Aceste date pot fiobinute prin metode fotogrametrice cu ajutorul diverselor aplicaii dezvoltate n acest scop.

Noile tehnologii pentru preluarea (camere cu senzori CCD, scanerele laser terestre),prelucrarea (computer vision), structurarea, reprezentarea (CAD, simularea, animarea, vizualizarea)arhivarea, regsirea i analiza datelor (sisteme de informaii spaiale) duc la apariia de noi sisteme,

metode de prelucrare i produse. mbuntirea metodelor de msurare a monumentelori situriloristorice are o contribuie important n nregistrarea i monitorizarea motenirilor culturale, pentrupstrarea i restaurarea monumentelor.

Exis diverse programe de prelucrare a imaginilor destinate pentru aplicaii simple (cum arfi rectificarea imaginilori mozaicarea lor, pentru o vectorizare ulterioar a acestora) sau complexe(obinerea modelului digital, a ortoimaginilor derivate din acesta, animaii, aplicaii interactive devizualizare a realitii). Pachetul software pentru fotogrametria arhitectural poate folosi diferitetipuri de imagini, obinute direct de camera CCD, sau prin scanarea diapozitivelor metrice saunemetrice. Calitatea imaginii va influena direct produsul final obinut.

Programele folosite pe un calculator simplu poate rezolva cu succes problemele speciale dinfotogrametria arhitectural. Conform nevoilor speciale ale documentelor arhitecturale, exist

diferite tipuri de sisteme care se bazeaz fie pe rectificarea digital a imaginii, fie pe msurareastereoscopic a imaginilor, aceste programe permind att restituia ct i modelarea imaginilor.


8/42

8

n funcie de precizia cerut, exist mai multe metode de a crea modele 3D texturate, de launirea imaginilor ortorectificate cu suprafee geometrice simplificate ale faadelor, pn la a

proiecii sofisticate ale imaginilor originale cu geometria complex a unei cldiri folosind orientareainterioar i exterioar a fotogramei.

Din aceste modele 3D pot fi derivate numeroase produse. De exemplu, vizualizri grafice

ale modelului din puncte alese arbitrar, ortoimagini obinute din acesta sau produse numerice subforma listelor de coordonate ale punctelor model etc.

2.2 STRUCTURA OBIECTELOR 3D2.2.1 Consideraii generaleDescrierea unui obiect presupune, de fapt, descrierea tuturor componentelor obiectului cu

toate nsuirile i proprietile lui, precum i relaia dintre acestea i obiectul respectiv. n principiu,modelele 3D i reprezentrile n spaiul virtual nu sunt altceva dect descrierea analogic aobiectului n limbaj matematic.

Datele modelelor 3D sunt abstracii ale obiectelor sau ale fenomenelor reale. Abstraciilesunt utilizate pentru a nelege sau manipula realitatea. Singura reprezentare complet a unui obiect

real este obiectul n sine.Modelele CAD reprezint metoda ideal pentru construirea formelor, trsturilor i

funciilor unui obiect real. Datele reprezentrii, care sunt ordonate, formeaz baza pentru aplicaii.Baza de date nu este accesat direct, ci prin modele algoritmice disponibile, care permit

perfecionarea funciilor complexe, transformndu-le n funcii simple de baz potrivit algoritmuluidefinit.

2.2.2 Clasificarea modelelor 3DDiverse criterii legate de specificul aplicaiei impun de regul alegerea tipului de

reprezentare grafic pentru fiecare faz a interaciei dintre utilizator i aplicaie. Tipul dereprezentare este determinat de natura modelului vizual al aplicaiei. Grupele clasice de reprezentrisunt clasificate dup dou criterii principale: criteriul dimensional i criteriul atributelor vizuale[DOGARU, 1995].

2.3 TEHNICII METODE DE OBINERE A MODELELOR 3DPutem clasifica tehnicile de achiziie optic a formei 3D n dou grupe: metode pasive i

metode active. Tehnicile bazate pe imagini sunt metode pasive, care nu interac ioneaz cu obiectele,n timp ce tehnicile de scanare sunt metode active, care au contact cu obiectele.

Metode activeSenzorii de imagine determin profunzimea prin msurarea timpului sau prin triangularea

poziiei unui impuls laser proiectat. Rezultatul este o imagine care prezint diferene de profunzimepe o gril obinuit. n metodele stereo, o caracteristic dintr-o imagine este cutat de-a lungul

liniei epipolare din alt imagine pentru a gsi asemnri. Metodele stereo eueaz n zonele frtextur.n metodele stereo active, lumina este proiectat pe suprafaa obiectului i nregistrat de

dou sau mai multe camere. Prin proiectarea unei benzi nguste de lumin pe o suprafatridimensional a unui obiect, se obine o linie iluminat care pare distorsionat atunci cnd obiectuleste privit dintr-o perspectiv ce nu coincide cu cea a sursei de lumin. Aceast linie deformat

poate fi folosit pentru a crea o reconstrucie geometric exact a suprafeei iluminate.Aceast metod permite doar reconstruirea unei poriuni a suprafeei, pentru o reconstruire a

ntregii suprafee fiind nevoie de mai muli pai. O metod const n proiectarea pe suprafa a unuiset de benzi luminoase. Acest set de benzi luminoase poart numele de lumin structurat. nliteratura de specialitate, reconstrucia suprafeei tridimensionale a unui obiect folosind lumin

structurat, este ntlnit sub numele de FPP (Fringe Pattern Profilometry).


9/42

9

Prin uzul pasiv al luminii structurate, suprafaa obiectului este texturat cu un numr marede puncte i este evaluat prin tehnici de corelare [MAAS, 1992]. Scanarea unui obiect cu ajutorulluminii este o metod de obinere a informaiei 3D despre forma acestuia.

n viziunea stereo standard, triangulaia este efectuat pentru a calcula coordonatele 3D alepunctelor corespondente. n lumina structurat, scena este iluminat cu un tipar de lumin de

geometrie cunoscut i captat cu o singur camera CCD pentru a observa cum lumina structurateste deformat de obiecte.Pentru a obine informaii despre zona de lucru mai multe dungi sunt proiectate cu culori

codate. Suprafaa obiectului este apoi reconstruit prin combinarea caracteristicilor luminiiproiectate pentru a observa colurile din imagine.

Metode optice pasiveMetodele pasive includ tehnicile de vizualizare pe computer, ca de exemplu reconstruc ia

formei din umbre, din micri, din focalizri/defocalizri i triangulaie stereo pentru perechi deimagini. Metodele pasive nu intr n contact direct cu obiectul scanat fizic. Acestea necesitechipamente ieftine, iar aplicarea lor general este de recunoatere a obiectelor.

2.4 MODELAREAI REDAREA OBIECTELOR BAZATPE IMAGINIGenerarea imaginilor unei scene pentru puncte noi de vedere care pot convinge observatorul

c arat realistic, n comparaie cu imaginile de intrare este un aspect important i este obiectivul debaz al modelrii realitii vizuale.

Cu ajutorul programelor dezvoltate comerciale de modelare a realitii virtuale, modelarea iredarea bazat pe imagini a devenit o alternativ a reprezentrilor 3D clasice din acest domeniu.

Imaginile ofer o mare cantitate de informaii despre obiectele din lumea real, iar utilizarealor n modelarea realitii virtuale duce la creterea calitii vizualizrii modelelor obinute.Reprezentrile geometrice ale scenei pot deriva din metode fotogrametrice, din corelarea imaginilorsau din scanarea obiectului. Geometria obinut poate fi redat apoi prin adugarea culorilor sautexturilor din imagini. Att tehnicile de scanare ct i tehnicile bazate pe imagini au avantaje idezavantaje.

Imaginile sunt obinute cu uurin cu ajutorul unor camere cu pre accesibil. Prin urmare,tehnicile bazate pe imagini sunt atractive n multe aplicaii. Imaginile sunt necesare pentru obinereatexturii obiectului. n unele domenii, cum ar fi arhitectura, unele obiecte pe care vrem s lereconstruim pot s nu mai existe; abordrile bazate pe imagini ar trebui utilizate pentru a reconstruimodelele acestor obiecte pe baza fotografiilor vechi existente ale acestora.

2.5 SISTEME DE PRELUARE A IMAGINIIDatele sub form de imagini digitale pentru fotogrametria terestr pot fi obinute direct cu

ajutorul unui senzor, de obicei CCD. Ca alternativ, datele se pot obine din imagini scanate.

n ultimii 10 ani s-au dezvoltat tot mai multe sisteme de preluare a imaginii cu senzori isunt disponibile la preturi rezonabile pe pia. Camera fotografic clasic are avantajele ei n ceeace privete calitatea materialului fotosensibil, deformaii reduse la minim, rezoluia i tehnica de

preluare a imaginii.

2.6 STRATEGII PENTRU PRELUCRAREA IMAGINIIO imagine ofer multe informaii despre obiectul cercetat; cu toate acestea nu avem

informaii suficiente pentru a reconstrui un model 3D. Acest lucru este cauzat de proiecia uneiscene 3D ntr-o scen 2D, pierznd astfel profunzimea. Punctul 3D corespondent al punctuluispecific de pe imagine trebuie constrns pe linia de vizare asociat.

Dintr-o singur imagine nu putem determina care sunt punctele acestei linii, care corespund

punctelor de pe imagine. Dac avem ns dou sau mai multe imagini, atunci punctul 3D se poateobine ca o intersecie a dou linii de vizare. Acest proces se numete triangulaie. Condiiilenecesare triangulaiei sunt:


10/42

10

puncte comune pe cele dou fotograme; cunoaterea poziiei relative a camerelor; relaia dintre punctul de pe fotogram i linia de vizare.

Relaia dintre punctul de pe fotogram i linia ei de vizare este funcie de modelul camerei,respectiv de parametrii de calibrare. Aceti parametri sunt numii adesea parametri intrinseci, n

timp ce poziia i orientarea camerei sunt numite parametri extrinseci.Pentru a realiza o restituie a unui punct 3D este necesar intersecia dintre cel puin dou

raze (de la punctul imagine la punctul obiect) n spaiu sau dintre o raz i suprafaa care includepunctul. Dac sunt disponibile mai mult de dou raze (obiectul apare n mai multe fotograme),pentru obinerea unui rezultat se pot utiliza toate msurtorile disponibile n acelai timp. Acestecazuri duc la abordri diferite pentru restituia fotogrametric a unui obiect.

n cazul n care se cunosc parametrii camerei, poziia i orientarea acesteia, punctele dinspaiul obiect se pot calcula prin intersecia razelor de la camer la suprafaa obiectului. Orientareainterioar nu nseamn numai distana focal i poziia punctului principal, ci i coeficienii

polinomului care descrie distorsiunile obiectivului (dac imaginea nu a fost preluat cu un aparatmetric). Dac orientarea i poziia camerei sunt necunoscute, sunt necesare cel puin 3 puncte de

control pe obiect (puncte cu coordonate cunoscute) pentru a determina orientarea exterioar.Dac geometria unui obiect 3D este complet necunoscut, restituia acestuia este imposibil

de realizat. n acest caz sunt necesare cel puin dou imagini.Potrivit principiului stereoscopiei dou stereo pot fi vizualizate mpreun, producnd

impresia obiectului n spaiu (stereoscopic). Acest efect se folosete la obinerea restituiei 3D afaadelor cldirilor.

Rezultatele restituiei stereoscopice pot fi:planuri 2D ale unei faade, modelul 3D reea (wireframe) i modelul suprafeei, lista de coordonate, completat eventual, cu elemente de topologie (linii, suprafee etc.).

n multe cazuri, o singur pereche de imagini nu va fi suficient pentru reconstruirea unuiobiect complex. Astfel, va fi utilizat un numr mai mare de fotograme pentru a acoperi toatsuprafaa obiectului.

Strategia de preluare a imaginilor este ca fiecare punct de determinat s fie intersectat de celpuin dou raze sub un unghi satisfctor. Acest unghi depinde de precizia cerut. Pot fi adugatedate suplimentare despre paralelismul liniilor, planeitatea suprafeelor, perpendicularitate, date careajut la reconstruirea geometriei obiectului. Determinarea parametrilor necunoscui se face prinmetoda celor mai mici ptrate.

2.7 SISTEMEI METODE FOTOGRAMETRICE PENTRU RECONSTRUCIAOBIECTELOR 3D

2.7.1 Consideraii generaleCu pachetele software pentru fotogrametria terestr i n particular cea arhitectural pot fiprelucrate diferite tipuri de fotograme: fotograme obinute direct de camera CCD sau imaginirezultate prin scanarea diapozitivelor metrice sau nemetrice mici sau medii. Calitatea imaginiiinflueneaz direct rezultatul final.

Conform cu cerinele arhitecturale s-au dezvoltat diverse pachete de programe care sebazeaz fie pe rectificarea digital a imaginii, fie pe msurarea monoscopic a imaginilor multiplefie pe msurarea stereoscopic a imaginilor.

2.7.2 Rectificarea imaginilor digitaleMulte pri ale obiectelor arhitecturale pot fi considerate plane. n acest caz, chiar dac

imaginea este nclinat, o perspectiv unic este suficient pentru a evalua o imagine metric

rectificat. Avem nevoie de cel puin 4 puncte definite de coordonatele lor sau 5 distane n planulobiectului.


11/42

11

Pachetul software Rolleimetric MSR face posibil reprezentarea la scar a obiectelor de peimaginile digitale rectificate. Datele iniiale sunt de obicei una sau mai multe fotograme care pot fiimagini preluate cu o camer nemetric, ce sunt rectificate pentru orice suprafa plan definit deutilizator. Pachetele software CAD/CAM comercializate includ i programe pentru prelucrareaimaginii i permit de asemenea transformarea sau rectificarea imaginii. Dar acestea, spre deosebire

de programele fotogrametrice, rar iau n considerare distorsiunile camerei.2.7.3 Sisteme bazate pe msurare monoscopic cu imagini multipleSistemele fotogrametrice multi-imagine sunt create pentru putea lucra cu dou sau mai

multe imagini mbinate ale unui obiect preluate din diferite unghiuri. n prezent, programelefotogrametrice destinate acestui scop prelucreaz date grafice de pe imagini analogice sau digitale(preluate cu camere metrice sau nemetrice). Pachetul software canadian PhotoModeler dezvoltat deEos Systems este un program de prelucrare n 3D, pentru aplicaii n arhitectur i arheologie.

2.7.4 Sisteme bazate pe msurare stereoscopicSistemele prezentate anterior permit msurarea pe mai mult de dou imagini, dar punctele

omologe sunt msurate monoscopic. Probleme pot aprea la obiecte cu anumite texturi care nupermit identificarea acestora doar prin vizualizare, cnd nu este folosit nici o int pentru

identificarea punctelor omoloage. n acest caz, doar vizualizarea stereo permite o msurtoare 3Dprecis. Deci, sunt necesare perechi de imagini. Sistemele pot fi asimilate cu plotterele 3D pentrumsurarea coordonatelor spaiale ale obiectului. Se cer msurtori 3D pentru definirea modelelordigitale ale suprafeelor, care sunt baza ortofotogramelor.

3. MODELUL MATEMATIC

3.1 SISTEME DE COORDONATEn scopul reconstituirii formei din imagini trebuie s cunoatem relaia ntre sistemul de

coordonate imagine i sistemul de coordonate ale spaiului obiect.Folosirea unui sistem de coordonate n fotogrametria analitic sau digital poate fi privit n

raport cu o fotogram i atunci este vorba de un sistem plan de coordonate imagine, n raport cu unstereomodel unde este vorba un sistem spaial de coordonate model sau n raport cu spaiul obiect iatunci avem de a face cu un sistem de coordonate spaiale obiect.

Fig. 3.1-Relaia intre imagine si coordonatele obiectului n proiecie central


12/42

12

unde,O - centrul de perspectiv cu coordonateleX0, Y0, Z0;po - punctul principal cu coordonatelexo, yo;

M - centrul imaginii, sau punctul mijlociu;P- punctul din spaiul obiect cu coordonatele X,Y,Z;

p - punctul imagine cu coordonatelex, yc = f - distana focal calibrat

3.2 CONDIIA DE COLINIARITATEEcuaiile coliniaritii pot fi scrise sub forma:

XR

XRfx

3

1-= iXR

XRfy

3

2-=

unde:

op xxx -= , op yyy -=

f este distana focal calibrat;

R1,R2,R3 sunt liniile matriceiR, adic:

=

3

2

1

R

R

R

R i [ ]321 ,, iiii aaaR =

iarXeste egal cu:

-

-

-

=

0

0

0

ZZ

YY

XX

X

P

P

P

Aceste ecuaii exprim legtura dintre coordonatele unui punct Pdin teren i imaginea sapde pe fotogram i conin 6 parametrii de orientare exterioar i anume:

3 rotaii (, i k) care determin matricea de rotaieR; 3 translaii (X0, Y0, Z0) care reprezint coordonatele centrului de perspectiv al

fotogramei (n sistemulX, Y,Z).Pentru determinarea acestor 6 parametrii sunt necesare cel puin 3 puncte necoliniare, avnd

coordonatele teren i coordonatele imagine cunoscute.

3.3 MODELUL MATEMATIC AL COMPENSRII N BLOCModelul matematic al compens

rii poate fi reprezentat conform metodei celor mai mici

ptrate astfel [TURDEANU, 1997]:

=-D

=-D

=-D+D

''''

''

Vl

Vl

VlBB

&

&&

&&&&&&

unde prima ecuaie provine din condiia de coliniaritate i se scrie pentru toate punctelemsurate, a doua condiie se scrie pentru punctele de reper msurate n teren, iar cea de a treia,

pentru parametri de orientare msurai. Acest sistem de ecuaii matriceale poate fi scris simplificatsub forma:

VlB =-D

Aplicnd metoda ptratelor minime rezult urmtorul sistem de ecuaii normale:( ) lPBBPB TT =D

unde P este matricea ponderilor corespunztoare celor trei ecuaii matriciale.


13/42

13

Notnd cuNmatricea simetric BPB T i cuL vectorul lPBT rezult:

LN =Dde unde se obine:

LN1-=D

3.4 PRECIZIA METODEIPrecizia metodei de reconstrucie a obiectelor 3D, dintr-o succesiune de imagini, depinde n

cea mai mare parte de configuraia camerei; cel mai bun rezultat poate fi realizat n cazul n careimaginile sunt preluate sub un unghi de convergen de 90o. Aceasta nu e o cerin strict , daravnd un unghi incident de intersectare a razelor imaginii ntre 60 o 90o din dou sau mai multeimagini [HEIKKINEN, 2005], vor putea fi determinate cu precizie toate cele trei coordonate ale

punctului. Din pcate, n practic este uneori greu de realizat acest lucru. Precizia la care se poateajunge depinde de poziionarea i distribuia punctelor de control sau a atributelor de control carevor fi folosite.

Ca indicator a preciziei punctului de triangulaie ntr-o convergen fotogrametric din mai

multe staii, [HEIKKINEN, 2005] d urmtoarea formul:

ac dek

qe

k

q== ls

Din ecuaie putem vedea c abaterea standard a coordonatelor unui punct al unui obiect cs

este dependent de: eroarea standard a coordonatelor imagine, factorul de scar l , care e o relaie ntre distana medie la obiect i constanta

camerei, termenul q , care exprim precizia geometriei reelei.

Precizia punctului unui obiect este invers proporional cu rdcina ptrat a lui k (numrulde imagini), presupunnd c imaginile adiionale nu mbuntesc n mod esenial geometria reelei.

3.5 CONSTRNGERI GEOMETRICE ALE OBIECTULUIPentru a mbuntii precizia rezultatelor se pot introduce o serie de constrngeri pe baza

proprietilor obiectului msurat. Constrngerile se stabilesc ntre punctele obiectului, cunoscndgeometria acestuia. Majoritatea cldirilor conin elemente liniare. Acestea se prezint sub form decoloane, intersecii de ziduri, mbinri ale acoperiului etc. Planele mpreun cu liniile definescspaiul arhitectural [CANTZLER, 2003]. Relaiile spaiale dintre ele determin cldirea nansamblul ei.

Exist dou tipuri de constrngeri geometrice ale unui obiect: constrngerile necesare pentru un obiect poliedric i descrierea acestuia, (de ex:

constrngerile care foreaz punctele obiectului s fie pe suprafaa obiectului de care aparine); constrngerile care rezult din informaiile bazate pe geometria obiectului; acestea

sunt constrngeri care afecteaz forma obiectului poliedric rezultat (de ex. paralelismul sauperpendicularitatea planelor obiectului).


14/42

14

4. CALIBRAREA CAMERELOR

4.1 MODELUL CAMEREIDeformaiile modelului sunt datorate distorsiunii radiale i tangeniale. Distorsiunea radial

determin punctele imaginii s se ndeprteze de punctul principal (distorsiune negativ) sau nspre

punctul principal (distorsiune pozitiv).Aceast distorsiune este cunoscut ca fiind circular simetric n raport cu punctul de cea maibun simetrie. Aceast distorsiune poate fi descris printr-un polinom de gradul trei [HEIKKINEN,2005]:

-+-+--+=

-+-+--+=

))rr(k)rr(k)rr(k()yy(yy

))rr(k)rr(k)rr(k()xx(xx

cccpii

'

cccpii

'

60

63

40

42

20

21

60

63

40

42

20

21

Aici 22 )()( pipic yyxxr -+-= iar 0r indic distana radial de la punctul de cea mai

bun simetrie. Distorsiunea radial este 0 n punctul de cea mai bun simetrie, dar poate s fieforat s fie 0, n oricare raz aleas 0r .

Alegerea diferit a lui 0r va avea un efect asupra valorilor coeficienilor i constanteicamerei, dar efectul total al valorilor parametrilor modificai va compensa distorsiunea radial.Distorsiunea tangenial se datoreaz unei alinieri incorecte a lentilelor, aflate n

componena obiectivului, corecia ei fiind dat de:

-++--+=

-++--+=

))(2()()(2

))(2()()(222

22''

2212

''

oicoioii

oicoioii

xyrpyyxxpyy

xxrpyyxxpxx

n mod normal, la calibrarea camerei, toi aceti parametri sunt determinai simultan.Trebuie luate n considerare distorsiunile lentilelor, nainte de a fi corectat distorsiunea aprut nimagine [HEIKKINEN, 2005].

4.2 CALIBRAREA CAMERELOR CU AJUTORUL PROGRAMULUIPHOTOMODELER

Photomodeler este un soft de fotogrametrie care a fost folosit pentru prelucrarea datelor dinaceast lucrare. Acest program a fost conceput pentru fotogrametria terestr i este folosit pentru amsura o varietate de obiecte, de la cldiri mari i excavaii, pn la obiecte de mici dimensiuni.Programul permite calibrarea camerelor, modelarea 3D a obiectelor din imaginile acestora i poateexporta datele prelucrate n cteva formate uzuale.

4.3 PRELUAREA DATELOR CALIBRRIIFotografiind reeaua de calibrare n acelai mediu n care s-au preluat imaginile asupra

obiectului, sunt compensate efectele de temperatur i umiditate ale camerei. Pentru 6 i 12 imaginiale reelei de calibrare Photomodeler poate s identifice automat punctele acesteia i s calculeze

parametrii camerei.Pentru preluarea datelor fotogrametrice, n aceast lucrare am folosit o camer nemetricdigital DSLR, NIKON D50 cu doi obiectivi diferii, unul cu distan focal variabil, setat pentrutoate imaginile preluate la distana focal de 18 mm i unul fix cu distana focal de 24 mm. Pentrudeterminarea calibrrii acestora, s-a folosit reeaua de puncte de calibrare a camerei. Aceasta secompune din 100 de puncte n plan. Imaginile au fost luate din 4 poziii diferite, cte dou pentrufiecare poziie.

4.4 CALIBRAREA CAMEREI NIKON D50 PENTRU OBIECTIVUL NIKKOR , CUDISTANA FOCALVARIABILF = 18-55MM

Camera este nemetric, cu dimensiunile imagini de 3008 x 2000 pixeli. Preluarea

imaginilor i calibrarea s-au fcut pentru distana focal de 18mm, calibrarea efectundu-se cuajutorul softului de calibrare Photomodeler.


15/42

15

Fig. 4.1 - Rezultatele calibrrii camerei Nikon D50, f=18 mm, cu ajutorul programului

Photomodeler

4.5 CALIBRAREA CAMEREI NIKON D50 PENTRU OBIECTIVUL NIKKOR, CUDISTANA FOCALFIX, F = 24MM

Pentru calibrarea camerei Nikon D50 cu acest obiectiv, s-au preluat 8 imagini ale grilei decalibrare. Obiectivul folosit a fost unul de tip NIKKOR 24mm f/2.8D, cu distana focal fix de

24mm.

Fig. 4.2 - Rezultatele calibrrii camerei Nikon D50, f=24mm, cu ajutorul programului

Photomodeler


16/42

16

4.6 EVALUAREA REZULTATELOR CALIBRRIIPrelucrarea statistic a preciziilor punctelor modelului camerei Nikon D50, pentru

obiectivul Nikkor, f = 18 mm.

Fig.4.3 Distribuia spaial a punctelor grilei. Reprezentare prin culori n funcie de dX

(n mm), conform legendei din dreapta imaginii

Fig.4.4 Distribuia spaial a punctelor grilei. Reprezentare prin culori n funcie de dY



17/42

17

Fig.4.5 Distribuia spaial a punctelor grilei. Reprezentare prin culori n funcie de dZ

(n mm) , conform legendei din dreapta imaginii

Prelucrarea statistic a preciziilor punctelor modelului camerei Nikon D50, pentru

obiectivul Nikkor, f = 24 mm.

Fig.4.6 Distribuia spaial a punctelor grilei. Reprezentare prin culori n funcie de dX(n mm), conform legendei din dreapta imaginii


18/42

18

Fig.4.7 Distribuia spaial a punctelor grilei. Reprezentare prin culori n funcie de dY


Fig.4.8 Distribuia spaial a punctelor grilei. Reprezentare prin culori n funcie de dZ


4.7 CONCLUZII Estimarea calibrrii camerelor s-a fcut cu ajutorul programului MathCad, pe aceleai

intervale de precizie. Se observ c precizia calibrrii camerei Nikon D50 pentru obiectivul cudistana focal de 18 mm este mai bun dect pentru obiectivul cu distana focal de 24 mm.Diferenele dintre acestea sunt, totui, de ordinul sutimilor de milimetru.


19/42

19

5. STUDIU DE CAZ

n acest capitol sunt prezentate cercetrile experimentale efectuate asupra unei cldirimonument istoric, Biserica Sf. Ladislau din Oradea. Modelul 3D al cldirii a fost obinut printr-ometod fotogrametric i prin metoda scanrii laser.

Reconstrucia cldirii monument istoric prin metoda fotogrametric s-a fcut dintr-osuccesiune de imagini convergente preluate cu o camer cu senzor CCD nemetric, respectiv NikonD50. Prelucrarea datelor s-a realizat cu programul Photomodeler iar pentru prezentarea modelului3D s-a folosit programul AutoCad. Sunt prezentate etapele de realizare a modelului 3D, rezultatelei preciziile obinute. Evaluarea statistic a preciziilor coordonatelor model obinute s-a fcut cu

programul MathCad.Modelul 3D al cldirii monument istoric a fost obinut i prin metoda scanrii laser. Cele

dou modele ale obiectului au fost comparate din puncte de vedere al gradului de realism, aldeterminrilor ce pot fi fcute pe acestea i al gradului de reprezentare a detaliilor obiect. Deasemenea am fcut o analiz cost beneficii asupra celor dou metode prezentate.

5.1 RECONSTRUCIA UNEI CLDIRI FOLOSIND O SUCCESIUNE DE IMAGINICONVERGENTE BISERICA SF. LADISLAU DIN ORADEA

5.1.1 Prezentarea cldirii monument istoricBiserica romano-catolic, monument istoric din Oradea, cu hramul Sfntul Ladislau, este

una dintre cele mai vechi edificii ecleziastice ale oraului. n biserica Sf. Ladislau din Oradea segsete cel mai vechi altar bisericesc din Oradea, ce dateaz din secolul al XVIII-lea. Lucrrile deconstrucie a bisericii, care o vreme a ndeplinit funcia de catedral episcopal au fost ncepute n

jurul anului 1720 i au fost finalizate n 1741.5.1.2 Geometria reelein fotogrametria de la mic distan un aspect important l are distribuia spaial optim a

poziiilor camerei din momentul prelurii imaginilor [OLAGUE, 2001]. Generarea poziiilor 3D alepunctelor modelului se realizeaz prin proiectarea liniilor drepte dintre poziiile camerei, puncteleimagine i punctele din spaiul obiect. Intersecia acestor fascicule genereaz poziiile punctelorobiect.

Aplicaia principal a acestei lucrri este generarea modelului 3D din imaginile preluateasupra obiectului. Pentru aceast aplicaie s-a folosit aceeai camer Nikon D50 SLR cu obiectividiferii.

Fig.5.1 Modelul obinuti poziiile camerei


20/42

20

Fotografierea obiectului s-a fcut din 20 de staii cu unghiuri de convergen ntre 20o i 90o

dispuse circular n jurul obiectului. Datorit formei obiectului i prezenei unor obstacole n zona desud a cldirii am folosit pentru preluarea imaginilor doi obiectivi cu distane focale diferite. De jurmprejurul cldirii au fost preluate 14 imagini cu camera Nikon D50, cu obiectivul de 18mm. n

partea de est i sud-est au fost preluate 6 imagini cu aceeai camer dar cu obiectivul de 24mm.

Toate imaginile au fost preluate avnd n vedere respectarea unghiurilor de convergen ,acoperirilor dintre imagini i a distanelor fa de obiect. Distanele fa de obiect au fost stabilite nfuncie de rezoluia final pentru modelul obiect care a fost stabilit la 5cm.

5.1.3 Culegerea datelorDatele necesare reconstruirii acestui model se mpart n dou categorii: date geodezice, necesare pentru realizarea aducerii modelului n scar; date fotogrametrice necesare pentru msurarea punctelor modelului.Pentru achiziia datelor din teren s-au msurat, pe conturul cldirii puncte caracteristice, trei

dintre acestea folosindu-se ca puncte de reper.Au fost folosite n modelarea obiectului 20 de imagini. Imaginile au fost fotografiate numai

din locurile accesibile la sol i pn la aproximativ 2m nlime. Prin urmare, multe pri ale cldirii

nu au putut fi fotografiate din aceste poziii aprnd necesitatea de a utiliza principiul interseciei,pentru determinarea poziiei punctelor ascunse ale cldirii. Aceste puncte nu au fost incluse nprelucrare, coordonatele lor fiind obinute prin intersecia muchiilor vizibile ale cldirii.

n partea de sud a bisericii nu a fost posibil preluarea imaginilor cu cele mai bune unghiuride convergen datorit numrului mare de obstacole care nu permitea extragerea punctelor obiect,n aceast zon existnd o osea, un prcule cu arbuti, ntreaga zon fiind foarte circulat.

5.1.4 ModelareaToate fotografiile au fost configurate s foloseasc setul de parametri ai orientrii interioare

corespunztor camerei cu care au fost preluate. Aceti parametri au fost determinai dup calibrareacamerei Nikon D50 pentru obiectivii cu distanele focale de 18mm i 24mm aa cum au fost

prezentai n capitolul anterior.Pentru obinerea modelului 3D al Bisericii Sf. Ladislau nu s-au folosit puncte de control.

Toate punctele modelului obinut corespund sistemului de coordonate teren prin folosirea a 3 punctede reperi a distanelor determinate n spaiul obiect. Au fost definite att constrngeri de distane

precum i constrngeri geometrice, innd cont de forma obiectului de modelat (deperpendicularitate, de coliniaritate i de coplanaritate).

Toate punctele modelului au fost marcate pe fotogramele alturate i s-a fcut refereniereaacestora (fig.5.3). Procesul de refereniere presupune stabilirea corespondenelor ntre aceleai

puncte coninute pe dou sau mai multe imagini (fig.5.4). Dup prelucrare se poate construimodelul din linii i suprafee caracteristice.

Fig.5.2 Succesiunea de imagini orientate


21/42

21

Fig.5.3 Marcarea punctelor caracteristice pe fiecare imagine

Fig.5.4 Referenierea punctelor pe trei imagini (detaliu)

Fig.5.5 Construirea modelului din linii


22/42

22

Fig.5.6 Construirea modelului din suprafee

Fig.5.7 Asocierea texturii corespunztoare pentru o suprafa

Rezultatele modelrii obiectului se pot prezenta fie sub form grafic, fie sub formnumeric. Programul permite vizualizarea ambelor tipuri de date, exportul acestora sub diverseformate, precum i intervenia asupra acestora cu scopul unor modificri ulterioare. Modelul poatefi reprezentat sub form de puncte, de linii, model reea (wireframe) sau model texturat, prinasocierea imaginii corespunztoare fiecrei suprafee model.


23/42

23

a) vedere SE

b) vedere NV

Fig.5.8 Modelul Bisericii Sf. Ladislau (reprezentri prin suprafee, n Photomodeler)


24/42

24

a) vedere N b) vedere NE

a) vedere SE b) vedere SEE

Fig.5.9 Modelul Bisericii Sf. Ladislau (reprezentare prin suprafee texturate preluate din

imagini, vederi laterale, n Photomodeler)

Exportul datelor (fig.5.10) sub format AutoCad 3D, 2D (.dxf), 3Dstudio (.3ds), VMRL(.wrl), Rhino (.3dm), Maya Script (.ma) permite transferarea modelului ntr-un program demodelare i desenare 3D, de unde poate fi folosit pentru diverse scopuri, de la modelarea realitiivirtuale destinate paginilor de internet i pn la realizarea unui GIS urban. Exist mai multe


25/42

25

programe care opereaz cu manipularea modelelor 3D; majoritatea dintre acestea suport fiiereleexportate de Photomodeler.

Fig.5.10 Modelul Bisericii Sf. Ladislau prelucrat cu ajutorul funciei render n AutoCAD (la

dimensiunile de 1024x768 pixeli)

Fig.5.11 Ortofotoimagine realizat cu Photomodeler

Photomodeler permite, dup obinerea modelului 3D, exportul de imagini ortofoto.Ortofotoimaginile sunt imagini la care a fost nlturat efectul variaiei suprafeei i au fost aduse n

perspectiv normal. Aceste imagini se obin la o anumit scar i pot fi folosite pentru diversemsurtori asupra obiectului reprezentat.

O imagine ortofoto este o proiecie a unui model 3D n plan. Toate razele proieciei suntparalele ntre ele i sunt perpendiculare pe planul proieciei. Folosirea imaginilor ortofoto ajut lambuntirea efectului de realism la redarea acestor modele.

5.1.5 Evaluarea precizieiPhotomodeler permite afiarea i exportul coordonatelor modelului obinut i a preciziilor

acestuia. Sunt afiate n listele de coordonate diferenele obinute pe X, Y i Z, erorile medii


26/42

26

ptratice obinute n pixeli, cele mai mari erori nregistrate i numrul imaginilor pe care au fostobinute, precum i vectorul preciziilor pentru fiecare punct determinat.

Prelucrarea statistic a preciziilor obinuteToate preciziile afiate de Photomodeler pentru coordonatele punctelor model au fost

prelucrate n MathCad pentru a se prezenta sub forma frecvenelor de apariie ale fiecrei mrimi

obinute. Analiza statistic s-a realizat prin elaborarea unui program n mediul de programareMathCad, versiunea 11.

Fig.5.12 Distribuia spaial a clusterilor de precizie dX.Reprezentare n planul dYdZ. Codificarea culorilor este realizat n

funcie de dX, conform legendei din dreapta

Fig.5.13 Distribuia spaial a clusterilor de precizie dY.

Reprezentare n planul dXdZ. Codificarea culorilor este realizatn funcie de dY, conform legendei din dreapta


27/42

27

Fig.5.14 Distribuia spaial a clusterilor de precizie dZ.

Reprezentare n planul dXdY. Codificarea culorilor este realizat

n funcie de dZ, conform legendei din dreapta

Fig.5.15 Distribuia spaial a clusterilor de precizie dX, dY,

dZ (mm). Codificarea culorilor este realizat n funcie de dX, dY,

dZ simultan (a se vedea planele de proiecie din fundal), conform

legendei din dreapta imaginii.


28/42

28

Din analiza preciziilor dX, dY i dZ observm c din totalul de 737 de puncte un majoritateaau sub 50mm precizie. Astfel, pentru dX avem 695 de puncte, pentru dY, 737 puncte iar pentru dZ,737 puncte determinate cu precizii sub 50mm. Pentru dX exist un numr de 42 de puncte pentrucare preciziile ajung la 57mm.

Distribuia spaial a acestor precizii este neuniform. Astfel, se observ c majoritatea

acestor puncte sunt situate pe latura de sud a cldirii sau pe turn. Metoda de obinere a modelului3D permite obinerea de precizii bune pentru coordonatele acestuia. Problemele care pot s apar sedatoreaz unghiurilor de convergen slabe sau distanelor crescute pn la obiect.

5.2 OBINEREA MODELULUI 3D PENTRU BISERICA SF. LADISLAU DINORADEA PRIN TEHNICA SCANRII LASER

Pentru obinerea modelului 3D al Bisericii Sf. Ladislau din Oradea am folosit aparatulTrimble VX. Tehnologia folosit de acest aparat este similar cu tehnologia Direct Reflexfolosit i la staiile totale. Totui diferena dintre modulul de scanare de la Trimble VX itehnologia Direct Reflex, folosit la staiile totale este viteza de lucru. Trimble VX poate msura

pn la 15 puncte/secund. Aceast vitez de msurare nu este comparabil cu viteza de lucru a

scanerelor specializate, cu ajutorul crora se poate obine un numr foarte mare de puncte pesuprafaa obiectului (unele ajungnd i la 500.000 de puncte/secund).

Metoda tradiional de scanare presupune msurarea unui numr de inte comune sauobiecte de forme regulate ale obiectului scanat. Dup ce scanarea a fost fcut urmeazdeterminarea punctelor cu ajutorul tehnologiei GPS sau cu ajutorul unei staii totale pentru a puteaface registraia i georeferenierea. Folosind instrumentrul Trimble VX aceast problem, ageoreferenierii este nlturat.

5.2.1 Echipamente hardware i software utilizateInstrumentul Trimble VXTrimble VX permite scanarea 3D i tehnici tradiionale de msurare pentru preluarea datelor

exacte de poziionare. Seturile de date preiau forma, mrimea i poziia intei cu o bun precizie demsurare. Tehnologia de poziionare, de scanare precum i tehnologia video integrat permiteculegerea de informaii utile pentru modelarea realistic a obiectelor.

Aparatul Trimble VX permite combinarea scanrilor cu rezoluie standard 3D i imaginiledigitale, cu msurri precise de coordonate i imagini 2D. Msurtorile sunt completate deimaginile preluate n teren.

La scanarea Bisericii Sf. Ladislau au fost preluate imaginile din 6 staii dispuse circular njurul acesteia i au fost determinai 6 nori de puncte pe obiect. Coordonatele punctelor de staie iimaginile sunt ncrcate n programul Trimble Realworks.

Fiecare imagine este orientat folosind punctele preluate de pe aceeai suprafa aobiectului. Imaginile orientate sunt combinate pentru a obine un model 3D al cldirii. Pe acest

model pot fi determinate coordonatele 3D pentru oricare punct de pe modelul obiect. De asemenea,se pot face determinri de distane, arii sau volume.Trimble RealWorksPrelucrarea datelor s-a realizat cu programul Trimble RealWorks care permite suprapunerea

scanrilor cu imaginile preluate i prelucrarea datelor spaiale n mod unitar. Trimble RealWorkspermite folosirea unui set de subprograme pentru procesarea norului de puncte 3D i a imaginilorpreluate pentru obinerea modelului. Rezultatele pot fi exportate n format CAD. De asemenea, potfi generate suprafee reea mesh, pe care se pot face determinri de distane, determinri devolume sau arii pe seciuni.

5.2.2 Descrierea aplicaiei practicenainte de a ncepe scanarea trebuie fcute toate operaiile ce sunt necesare unei proceduri de

msurare: centrare, calare i cel mai important setarea punctului de staie. Pot fi introdusecoordonatele punctului de staie ct i a punctului pe care facem orientarea. Aceste coordonate vorfi calculate cu ajutorul staiei spaiale, ceea ce nseamn c reeaua de ridicare scanare este
http://icetech.ro/test4/?x=produse&rad=14&rad2=17&rad3=17&id_c=17&submenu=&arata=42http://icetech.ro/test4/?x=produse&rad=14&rad2=17&rad3=17&id_c=17&submenu=&arata=42


29/42

29

georefereniat nc din teren. n final, toate scanrile vor fi n acelai sistem de referin. Programulde calcul va afia precizia de determinare a punctelor la fiecare staie.

Culegerea datelorAparatul Trimble VX permite scanarea obiectelor cu o vitez de pn la 15 puncte pe

secund. Pe monitorul touchscreen s-a ales metoda de selectare poligonal a suprafeei de scanat

evitnd pe ct posibil scanarea zonelor din afara obiectului sau a zonelor ce nu prezint interes.Intervalul de scanare a fost de 15 cm. Datorit faptului c zona n care se situeaz Biserica Sf.Ladislau este una foarte circulat am fcut scanarea n timpul nopii.

Rezultatul scanrilor a fost vizualizat n timp real pe monitor i au fost fcute verificrinainte de deplasarea n staia urmtoare pentru a avea sigurana c a fost acoperit ntreagasuprafa obiect. Trimble VX permite, nc din teren, previzualizarea informaiilor privind preciziileobinute.

Registraia i georeferenierea datelorTrimble VX prezint avantajul c permite determinarea coordonatelor punctelor de staie

prin metoda clasic i astfel, toate determinrile pe suprafaa obiectului sunt aduse n acelai sistemde referin. Nu mai este nevoie de utilizarea intelor sau de registraia ulterioar a norilor de

puncte obinui.Msurarea reelei s-a fcut cu acelai aparat iar coordonatele obinute pentru fiecare staie au

fost introduse la staionarea fiecrui punct n vederea scanrii obiectului.Procesarea datelorProdusul final al acestei operaii este reprezentat de modelul 3D al obiectului. Rezultatele

finale se pot prezenta n mai multe forme: nor de puncte curat de zgomot, reprezentri 2D saumodele 3D. Modelarea obiectelor scanate este un proces mare consumator de timp.

Etapa de procesare se refer la evaluarea i filtrarea datelor. n urma filtrrii acestora sereduce zgomotul pentru o mai bun reprezentare a norului de puncte i n final a modeluluiobiect.

Fig. 5.16 Norul de puncte (vedere S)

Modelarea pe baza suprafeelor genereaz o reea poligonal sub form de triunghiuri saupatrulatere, modelul obiect obinndu-se prin conectarea tuturor punctelor din norul de puncte.

Pentru obinerea acestei reele este necesar mbuntirea informaiilor din norul depuncte, prima etap fiind aceea de nlturare a impuritilor (aa numitul zgomot) din setul dedate. De asemenea trebuie terse punctele scanate care nu sunt situate pe obiect.


30/42

30

Dup nlturarea punctelor care nu sunt necesare sunt reselectate punctele i dup oprevizualizare a acestora cu suprapunerea imaginilor preluate din staiile corespunztoare se poatetrece la urmtorul pas acela de generare a reelei poligonale.

Produsul final al procesului de modelare 3D este un model reea de suprafa obinut prinunirea tuturor punctelor din norul de puncte. Urmtorul pas este acela de a optimiza i de a netezi

reeaua poligonal. Cu opiunea Mesh Editing Tool se pot terge linii, triunghiuri, puncte i se potaplica filtre de rafinare, i de netezire a suprafeei.Obinerea modeluluiExist o serie de algoritmi folosii pentru a crea modele 3D, din norul de puncte. Cei mai

folosii sunt: Nonuniform Rational B-Splines (NURBS), Radial Basic Function (RBS), suprafeepoligonale (mesh), etc.

Pentru modelul 3D al Bisericii Sf. Ladislau din Oradea am folosit o modelare de tip reeapoligonal mesh. Modelul poate fi reprezentat n diverse moduri: model reea (wireframe),model suprafa n tonuri de gri sau model realistic cu aplicarea texturii din imaginile orientate pesuprafaa model.

Fig. 5.17 Reprezentare realistic (vedere NV)


31/42

31

Fig. 5.18 Reprezentare realistic (vedere SV)

Fig. 5.19 Reprezentare realistic (vedere V)

5.3 COMPARAREA REZULTATELOR OBINUTEO comparaie ntre acest model i cel obinut prin metode fotogrametrice se poate face n

funcie de: gradul de realism,

determinrile ce se pot face pe cele dou modele, detaliile obiect obinute.


32/42

32

n ceea ce privete gradul de realism ambele modele au o reprezentare realistic bun.Modelarea acestora s-a fcut n mod diferit i din acest motiv exist unele diferene. Pe ambelemodele se pot face determinri de distane, arii sau volume.

a) distan msurat pe modelul obinut prin scanare (d = 2,53m)

b) distan msurat pe modelul fotogrametric (d = 2,511m)Fig. 5.20 Distan msurat pe una din ferestre (pe cele dou modele)


33/42

33

a) distan msurat pe modelul obinut prin scanare (d = 1,89m)

b) distan msurat pe modelul fotogrametric (d = 1,934m)Fig. 5.21 Distan msurat pe ua de la intrare (pe cele dou modele)

O alt comparaie se poate face n funcie de numrul de puncte i de triunghiuri de

suprafa reea (wireframe) ce definesc detaliile obiectului. Pentru modelul fotogrametric,detaliile sunt obinute prin alegerea punctelor ce definesc conturul acestuia. Numrul acestor punctei de triunghiuri este dat de geometria detaliului.

Tabel 5.1 Tehnologia folosit i datele obinute

Date Instrument Numrul depuncte

Numrul deimagini

Precizia

Laser Trimble VX 62.486 53 3mm /100mFotogrametrice Nikon D50 814 20 5cm/50m


34/42

34

5.4 APLICAREA UNOR ALGORITMI DE MODELARE PE DETALII DECONSTRUCIE ALE BISERICII SF. LADISLAU DIN ORADEA

Pentru studiu, am analizat turla Bisericii Sf. Ladislau i un detaliu de pe latura de nord aacesteia prin aplicarea diferitor metode de modelare 3D: modelare prin suprafee poligonale(mesh), RBF (Radial Basis Function), i modelare NURBS (Nonuniform rational B-splines).

Modelarea 3D folosind suprafeele poligonale (mesh)Acest tip de modelare a fost folosit, n aceast lucrare, pentru obinerea modelului 3D al

Bisericii Sf. Ladislau cu reprezentare realistic. Modelarea 3D se realizeaz pe baza punctelor 3D(vrfurilor reelei). Trei puncte legate prin linii formeaz un triunghi, adic un poligon simplu. Maimute triunghiuri legate ntre ele formeaz poligoane care, la rndul lor prin conectare definescreeaua poligonal.

Fig. 5.22 Detaliu de constructie pe Biserica Sf. Ladislau (modelare poligonala cuprogramul Geomagic versiunea 10)

Modelarea 3D folosind algoritmii funciei radiale de baz (RBF)Pentru modelarea turlei Bisericii Sf. Ladislau am ales varianta de interpolare 2D cu

ajutorul funciilor radiale, metod numit generic RBF (radial basis function). Aceast metodconst n gsirea coeficienilor pentru o baz de funcii radiale i a coeficienilor pentru un set de

polinoame de ajustare, astfel nct aceast funcie de interpolare s treac prin valorile de definiie.Metoda de interpolare RBF este una de tip exact, dar are dezavantajul c norul de puncte scanatetrebuie s fie definit univoc. Modelarea s-a realizat cu ajutorul programului MathCad.


35/42

35

Fig. 5.23 a) Interpolarea punctelor scanate, b) rezultatul

modelrii suprafeei RBF

Modelarea 3D folosind algoritmul NURBS (Nonuniform rational B-splines)NURBS (Nonuniform rational B-splines) este un model matematic folosit n infografic

pentru generarea i reprezentarea suprafeelor cu un grad mare de flexibilitate i precizie pentru

obiecte cu forme complexe. Acest algoritm permite reprezentarea geometriei formei ntr-o formcompact.Suprafeele NURBS sunt funcii de doi parametri de cartografiere pentru o suprafa n

spaiul tridimensional. Forma suprafeei este determinat de puncte de control.

Fig. 5.24 Model 3D al turlei obinut prin suprafee NURBS


36/42

36

5.5 ANALIZA COST BENEFICIUn domeniul arhitecturii, inventarierii cldirilor monument istoric i cel de conservare i

restaurare se pune accentul tot mai mare pe obinerea modelelor tridimensionale prin metodefotogrametrice, parial datorit reducerii costurilor de achiziionare a aparatelor pentru preluare i

prelucrare a informaiilor. Un alt motiv ar fi cel legat de cerinele de precizie, care n acest domeniu

nu sunt foarte stricte.n urma analizelor de precizie a celor dou modele 3D, metoda scanrii laser a oferitrezultate mai precise calitativ dect n cazul metodei fotogrametrice. n continuare vom analizaimplicaiile de cost - beneficiu ale celor dou metode.

Metoda fotogrametric Camera NikonD50 cost de achiziie: 1000 euro Program de prelucrare Photomodeler cost de achiziie: 1000 euro Numr de imagini necesare pentru obinerea modelului 3D - 20 Numr de puncte folosite la obinerea modelului 814 Numr de linii trasate: 1234 Calibrarea camerei pentru cei doi obiectivi folosii 2 ore

Timp de culegere a datelor 20 minute Timp de obinere a modelului 10 zile

Scanarea obiectului cu Trimble VX Trimble VX 60000 euro Program de prelucrare Trimble Realworks 11500 euro Numr de staii - 6 Numr de puncte folosite pentru obinerea modelului - 62.486 Numr de imagini folosite pentru textura suprafeei - 53 Timp de msurare 14 ore Timp de prelucrare 20 zileProcesul de msurare propriuzis este de asemenea consumator de resurse. Analiza

comparativ de cost am realizat-o asupra procesului de modelare 3D a Bisericii Sf. Ladislau.Dac n cazul modelrii prin metoda fotogrametric, timpul de culegere a datelor a fost de

20 de minute la care s-au adugat 2 ore, timpul necesar calibrrii camerei pentru cei doi obiectivifolosii, pentru scanarea laser timpul necesar msurrii a fost de 14 ore.

Tabel 5.2 Costurile de achiziie iniiale

Metoda Cost echipamente(Euro )

Cost licene(Euro )

TOTAL(Euro )

Fotogrametric 1000 1000 2000Scanare laser 60000 11500 71500

Dotrile de investiie iniiale constnd n achiziionarea echipamentelor specifice precum ia soft-urilor specifice, sunt mult mai ridicate n cazul metodei de scanare laser.

Diferene mari de timp s-au sesizat i n cazul prelucrrii datelor, astfel: n cazul datelorculese prin metoda fotogrametric timpul necesar prelucrrii datelor a fost de 10 zile comparativ cutimpul necesar prelucrrii punctelor scanate care a fost de 20 de zile.

Analiznd costurile financiare implicate n procesul de msurare i prelucrare, constnd ncostul forei de munc, rezult un cost mult mai ridicat n cazul scanrii. Lund n considerare preulorar de manoper la 8 Ron (la salariul mediu pe economie), costul forei de munc, necesareobinerii modelului 3D al bisericii Sf. Ladislau din Oradea, corespunztoare metodei scanrii estede 1392, comparativ cu costul determinrii prin metoda fotogrametric care este de 660 Ron.

Aceste costuri au fost calculate pentru o singur persoan.


37/42

37

n cazul metodei fotogrametrice este suficient o singur persoan att la culegerea ct i laprelucrarea datelor. Pentru metoda scanrii, n etapa de msurare este nevoie dou persoane. Laaceste costuri se adaug 8 Ron/or pentru cea de-a doua persoan.

Tabel 5.3 Costuri pentru procesul de msurarei prelucrare

Metoda

Timp necesar de

colectare(ore)

Timp deprelucrare

(ore)

Cost

manopera( RON)

Fotogrametric 2,5 80 660Scanare laser 14+14 160 1504

n concluzie, comparativ cu metoda de scanare laser folosit, modelarea obiectelor prinmetoda fotogrametric este mai rapid i implic costuri mult mai mici. Reconstrucia geometrieiobiectului din imaginile preluate precum i atribuirea texturilor din imagini, pentru suprafeelemodel obinute, duc la o reprezentare realistic a obiectului modelat cu o precizie suficient pentrudomenii diverse inclusiv pentru arhitectur i inventarierea monumentelor. Metoda de scanare laserofer o precizie mult mai ridicat dect metoda fotogrametric ns costurile necesare sunt mult

prea mari pentru piaa actual.

6. CONCLUZII I CONTRIBUII PERSONALE

Datorit dezvoltrii rapide a tehnologiei digitale, se pot obine modele 3D ale unui obiectutiliznd scanere laser sau msurtori executate pe imagini digitale. Dispozitive precum cameradigital sau scanerul laser utilizate pe teren permit msurarea detaliat a obiectelor.

Cu toat aceast evoluie a tehnologiei, a crescut nevoia realizrii unui model 3D custructuri reale ntr-un timp mai scurt. n domenii ca urbanismul, arhitectura, conservareamonumentelori siturilor sau inventarierea cldirilor monument istoric se pune aceast problem derealizare a acestor modele 3D, nu att foarte precis ct foarte repede.

n prezent, pentru a crea un model 3D, de bun calitate, este nevoie de mult munc i timp.

Dezvoltarea unor programe comerciale, special destinate fotogrametriei arhitecturale reduceconsiderabil acest efort. De asemenea, aceste programe sunt mai puin costisitoare i permitpreluarea imaginilor obiectului cu camere obinuite, nemetrice, acest lucru reducnd considerabilcosturile metodei.

Datorit interesului dezvoltat de ctre organisme internaionale pentru nregistrareacldirilor monument istoric, i pentru inventarierea acestora n scopul conservrii i restaurrii

patrimoniului, metodele fotogrametrice de reconstrucie i modelare 3D i gsesc aplicaii i nacest domeniu.

Tehnologiile fotogrametrice folosesc imagini preluate din diferite unghiuri pentru a obinemodelul 3D al obiectului. Obiectul este identificat n aceste imagini iar forma geometric a acestuiaeste obinut printr-o succesiune de operaii care presupun marcarea punctelor, unirea punctelor

caracteristice i construirea suprafeelor obiectului.Comparativ cu metoda tehnicii laser, modelarea obiectelor prin aceast metodfotogrametric este mai rapid i implic costuri mult mai mici. Reconstrucia geometriei obiectului


38/42

38

din imaginile preluate precum i atribuirea texturilor din aceste imagini, pentru suprafe ele modelobinute, duc la o reprezentare realistic a obiectului modelat.

n cazul utilizrii tehnologiei scanrii laser fiecare punct scanat pe suprafaa obiectului estedeterminat cu precizie. Numrul acestor puncte determinate pe suprafaa obiectului este foarte mareiar densitatea acestor puncte d gradul de realism al obiectului modelat. Din norul de puncte

obinut se pot crea suprafee poligonale care definesc forma obiectului.Aceast lucrare ofer o nou abordare a reconstruciei obiectului cu ajutorul fotogrametrieide la mic distan, folosind camere fotografice nemetrice i prezint utilizarea unei tehnologii devrf, aparatul Trimble VX, special destinat pentru determinrile de precizie din domeniularhitectural i de urbanism.

Modelul 3D al Bisericii Sf. Ladislau din Oradea a fost obinut att printr-o metodfotogrametric, folosind o succesiune de imagini convergente preluate cu o camer nemetric, ct i

prin tehnica scanrii laser folosind aparatul Trimble VX.Modelul obinut prin tehnica scanrii este definit de norii de puncte care prezint

geometria obiectului cu un grad ridicat de precizie. Este evident c aceste precizii sunt superioaredeterminrilor fotogrametrice. Utilizarea tehnologiei laser pentru reconstrucia obiectelor

arhitecturale asigur un grad ridicat de precizie i permite obinerea de modelele realistice.Metoda fotogrametric de reconstrucie a obiectelor, prezentat n aceast lucrare presupune

utilizarea unei succesiuni de imagini ale obiectului. Aceast metod este util pentru reconstruciaobiectelor, cu ajutorul unei camere care preia imaginile din diverse poziii, rotindu-se n jurulobiectului. A fost prezentat modelul matematic al reconstruciei, precum i aplicarea practic ametodei.

Metoda fotogrametric propus permite extragerea formei i geometriei obiectului demodelat, iar conceptul metodei aplicate pentru modelarea Bisericii Sf. Ladislau din Oradea poate fifolosit i pentru modelarea altor cldiri sau obiecte.

Rezultatele practice obinute, prin metoda fotogrametric, asigur precizia necesar pentrureconstrucia obiectelor, cu aplicare n arhitectur i conservarea cldirilor monument istoric.Desigur c aceste rezultate au un grad de precizie mai mic comparativ cu cele obinute printehnologia scanrii laser.

Cu toate acestea, n cazul aplicaiilor arhitecturale nu precizia ridicat a acestor determinrieste esenial ct timpul de obinere a modelului. Metodele fotogrametrice asigur obinereamodelului 3D al obiectului ntr-un timp mult mai scurt.

Pentru a asigura precizia necesar pentru modelul obinut prin metode fotogrametrice a fostrealizat o calibrare a camerei pe o gril de testare. Calibrarea s-a fcut pentru doi obiectivi diferii,ce au fost folosii la preluarea imaginilor obiectului. Datele calibrrii au fost folosite n procesul demodelare a obiectului.

Modelul fotogrametric obinut permite o vizualizare bun, realistic, sub unghiuri de

perspectiv diferite. Prin exportul acestuia n alte programe de editare grafic poate fi folosit cusucces la diverse aplicaii sau poate fi importat ntr-un GIS urban.Precizia obinerii modelelor fotogrametrice depinde de tipul camerei folosite i de

caracteristicile ei (rezoluie, caracteristicile obiectivilor, deformaiile acestora), de geometria reeleide puncte de preluare a imaginilori de precizia de determinare a punctelor din spaiul obiect.

Nu ntotdeauna se pot respecta condiiile privind geometria reelei punctelor de preluare aimaginilor. Mai ales pentru aplicaiile n arhitectur i restaurare, cldirile monument istoric segsesc, de obicei, n zonele centrale ale oraelor care sunt foarte circulate, prezint n jurul lordiverse obstacole (arbuti, statui, alte construcii apropiate etc.) care nu permit preluarea imaginilordin punctele dorite. Este totui important de a asigura o preluare a imaginilor sub unghiuri deconvergen care s permit modelarea obiectului cu precizia aleas i cu o acoperire

corespunztoare extragerii informaiilor 3D.Cu ajutorul aplicaiei practice prezentate a fost verificat funcionalitatea tehnologiei.Rezultatele pot fi considerate a fi adecvate n mai multe aplica ii pentru achiziia datelor 3D.


39/42

39

Coordonatele model sunt obinute ntr-un sistem de referin spaial, pentru toate punctelemodelului. Acest lucru poate fi considerat un avantaj real, deoarece transformrile de coordonatede la un submodel la altul nu mai sunt necesare.

Utilizarea metodelor fotogrametriei de la mic distan permite modelarea i vizualizarearealistic a obiectelor modelate. Datele iniiale pentru modelarea obiectelor sunt determinate de

coordonatele punctelor ce definesc aceste obiecte. Obinerea formei i a geometriei modeluluipresupune determinarea coordonatelor acestor puncte al cror numr crete n funcie de mrimea icomplexitatea obiectului. Punctele caracteristice pot fi extrase din imaginile preluate asupraobiectului. Pentru obinerea modelului 3D al Bisericii Sf. Ladislau din Oradea au fost extrase dinimagini un numr de 814 puncte.

Fotogrametria ofer posibilitatea de a obine coordonatele 3D ale unui obiect din imaginiledigitale 2D ale acestuia n mod rapid i cu costuri reduse. Aceste coordonate sunt folosite pentrumodelarea obiectului cu rezultate bune, n ceea ce privete reprezentarea realistic.

Fiecare metod de obinere a modelului 3D pentru obiectul studiat prezint avantaje idezavantaje.

Scanarea laser cu ajutorul instrumentului Trimble VXAvantaje:

ofer o precizie ridicat permite obinerea norului de punctedirect n coordonatele sistemului de

referin al staiilor de scanare nu este necesar utilizarea intelor pentru georefereniere permite obinerea de modele realistice

Dezavantaje:

programele comerciale de prelucrare a datelor sunt complexe i dificil deutilizat

vitez de scanare mic i din aceast cauz, timpul de culegere a datelor dinteren este ridicat modelarea obiectului este greoaie i este consumatoare de timp cost ridicat att pentru instrumentul de msurare ct i pentru programul de

prelucrare a datelor

Metoda fotogrametricAvantaje:

timp scurt de culegere a datelor din teren permite utilizarea camerelor fotografice digitale nemetrice modelarea obiectului se poate face ntr-un timp mai scurt

permite obinerea de modele realistice costuri reduse pentru camer i pentru programul de prelucrare

Dezavantaje:

obinerea de precizii mai mici comparativ cu scanarea laser necesit calibrarea camerei, precizia de obinere a modelului depinznd de

acest lucru extragerea punctelor caracteristice se face manual

Fiecare dintre cele dou metode i gsesc aplicaie n domeniul arhitectural. Metodascanrii laser este util la obinerea modelelor pentru:

obiectele ce pot fi descrise printr-o modelare de suprafa;

obiecte cu geometrie complex; obiecte fr textur; obiecte a cror vizibilitate nu este ngreunat de obstacole.


40/42

40

Metoda fotogrametric se poate folosi cu succes la obinerea modelelor pentru: obiecte cu textur; obiecte care pot fi descrise printr-o modelare bazat pe suprafee construite

din linii; obiecte cu geometrie simpl.

Metodele fotogrametrice i cele ale scanrii laser au abordri diferite n ceea ce privetedeterminrile din domeniul arhitectural i cel al inventarierii cldirilor monument istoric. Principaladiferen dintre cele dou metode este dat de costurile pe care le implic fiecare dintre ele.

Metoda fotogrametric prezentat este mult mai ieftin dar, dei prelucrrile datelor se facautomat, procesul de extragere a informaiilor din imagini este manual. De asemenea preciziileobinute sunt mai mici, comparativ cu metoda scanrii laser. Pentru aplicaiile arhitecturale, unde nuse pune foarte strict problema preciziei, important fiind realizarea modelelor ntr-un timp ct maiscurt, poate fi utilizat metoda fotogrametric.

Tehnologia scanrii laser este foarte costisitoare iar programele de obinere a modelului suntgreoaie, necesitnd foarte mult timp pentru obinerea unui model obiect cu reprezentare realistic

bun.

Contribuiile personale, n aceast lucrare, se refer n principal la compararea celor doumetode, prin obinerea i studierea modelului 3D al aceluiai obiect. Au fost prezentate i analizatecele dou metode precum i tehnologia folosit pentru obinerea modelului 3D al obiectului. nacest sens, am fcut o analiz privind costurile i beneficiile pe care le presupune fiecare metodfolosit.

Am comparat cele dou modele obinute din punct de vedere al gradului de realism, dereprezentare a detaliilor obiect i al elementelor msurabile pe acestea. Am studiat posibilitateaobinerii modelelor 3D ale obiectelor arhitecturale mari prin anumii algoritmi de modelare folosiide obicei n diverse aplicaii i am testat aplicabilitatea lor pe detalii de construcie ale Bisericii Sf.Ladislau din Oradea.

BIBLIOGRAFIE SELECTIV

1. Abdelhaviz A., 2009, Integrating digital photogrametry and terestrial laser scaning,Deutsche Geodatische Kommission bei der Akademie der Wissenschaften

2. Ackermann, F., 2001, Digital Image Correlation: performance and potential aplication inphotogrammery, Thompson symposium, Birmingham

3. Baltsavias, E., Waegli, B., 1996, Quality analysis and calibration of DTP scanners,International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing

4. Baumgart B., 1975, Winged-Edge Polyhedron Representation for Computer Vision,National Computer Conference, Standford University, California

5. Cantzler Helmut, 2003, Improving architectural 3D reconstruction by constrainedmodelling, Institute of Perception, Action and Behaviour School of Informatics University ofEdinburgh

6. Coarc C., 2009, Sisteme de msurare n industrie, Ed. Conspress, Bucureti7. Cramer M., 2003, Eurosdr network on digital camera calibration, Institute forPhotogrammetry, University of Stuttgart


41/42

41

8. Curless B., 1997, New methods for Surface Reconstruction from Range Images, Ph.D.Thesis, Stanford University

9. Dogaru Dorian, 1995, Grafica pe calculator. Elemente de geometrie computaional, vol. I,Editura Didactic i Pedagogic R.A., Bucureti

10. Fetea (Danci) I., 2008, Aplicaii ale fotogrametriei pentru inventarierea cldirilor

monument istoric, Analele Universitii din Oradea, Fascicula Construcii i instalaiihidroedilitare, vol XI11. Fetea (Danci) I., 2008, Fotogrametria n arhitectur, Analele Universitii din Oradea,

Fascicula Construcii i instalaii hidroedilitare, vol XI12. Fetea (Danci) I., 2009, Evaluation of a digital non metric camera (Nikon D50) to use in

close range photogrammetry, Annals of University of Oradea, Constructions and installationsfascicle, vol XII

13. Fetea (Danci) I., 2009, Reconstruction of a building using a succesion of convergent images St. Ladislau church from Oradea, Annals of University of Oradea, Constructions andinstallations fascicle, vol XII

14. Fetea (Danci) I., 2010, Metode fotogrametrice pentru reconstrucia monumentelor

arhitecturale, Conferina Valorificarea patrimoniului cultural Biserici de lemn din Bihor,Biserici de lemn n Bazinul Criul Repede, Ed. Durans, Oradea

15. Glykos T., Karras, G.E., Voulgaridis, G., 1999, Close-Range Photogrammetry within aCommercial CAD Package, International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing,Vol. XXXII

16. Grussenmeyer P., Landes T., Voetgle T., Ringle K., 2008, Comparison methods of terrestriallaser scanning, photogrammetry and tacheometry data for recording of cultural heritagebuildings, The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and SpatialInformation Sciences. Vol. XXXVII. Part B5. Beijing

17. Heikkinen Jussi, 2005, The circular imaging block in closerange photogrammetry, TKK Institute of Photogrammetry and Remote Sensing Publication

18. Imbroane A.M., Moore D., 1999, Iniiere n GIS i Teledetecie, Presa universitar clujean19. Maas H. G., 1992, Robust Automatic Surface Reconstruction with Structured Light,

International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing20. Marton G., Zegheru N., 1972, Fotogrammetrie, Ed.Ceres, Bucureti21. Olague Gustavo, 2001, Autonomous Photogrammetric Network Design Using Genetic

Algorithms, Departamento de Ciencias de la Computacion, Division de Fisica Aplicada, Centrode Investigacion Cientca y de Educacion Superior de Ensenada, Mexico

22. Photomodeler Pro 5.0, 2003, User Manual. Eos Systems Inc, http://www.photomodeler.com23. Pollefeys M. 2000, Visual 3D Modeling from Images, University of North Carolina Chapel

Hill, USA

24. Prada M., Teudea A., Fetea (Danci) I., uba ., 2009, Radial basis function interpolation ofnon-matching grids surfaces for volume calculation, Annals of DAAAM for 2009 &proceedings of The 20th international, Viena

25. Reinhard Koch, Marc Pollefeys, Luc Van Gool, 2000, Realistic Surface Reconstruction of 3DScenes from Uncalibrated Image Sequences, Department of Computer Science, TheUniversity of North Carolina at Chaper Hill

26. Rusinkiewicz S., 2001, Sensing for Graphics, http://www.cs.princeton.edu/courses27. Turdeanu L., 1997, Fotogrammetrie analitic, Editura Academiei, Bucureti28. Uffenkamp V., 1993, State of the art of high precision industrial photogrammetry,

Electronic Conference Proceedings Archive29. Van den Heuvel F.A., 1997, Exterior Orientation using Coplanar Parallel Lines,

Proceedings of the 10th Scandinavian Conference on Image Analysis, Lappeenranta30. Van den Heuvel F.A., 1998, Vanishing point detection for architectural photogrammetry,International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing
http://www.photomodeler.com/http://www.cs.princeton.edu/courseshttp://www.cs.princeton.edu/courseshttp://www.photomodeler.com/


42/42

31. Van den Heuvel F.A., 1999 Estimation of interior orientation parameters from constraintson line measurements in a single image, International Archives of Photogrammetry andRemote Sensing, Vol. 32

32. Van den Heuvel F.A., 1999, A line-photogrammetric mathematical model for thereconstruction of polyhedral objects, Delft University of Technology Faculty of Civil

Engineering and Geosciences, Delft33. Van den Heuvel F.A., 2000, Trends in CAD-based photogrammetric measurement,International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing

34. Van den Heuvel F.A., 2001, Object Reconstruction from a Single Architectural ImageTaken with an Uncalibrated Camera, Photogrammetrie Fernerkundung Geoinformation,Jahrgang, Heft

35. Van den Heuvel F.A., 2002, Towards automatic relative orientation for architecturalphotogrammetry, International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, Vol. 34

36. Van den Heuvel F.A., Vosselman G., 1997, Efficient 3D-modeling of buildings using apriori geometric object information, International Institute for GeoInformation Science and Earth Observation

37. Wilfried Karel, 2005, Erstellung eines photorealistischen 3D-Modells der Kirche San Juandel Hospital in Valencia, Technische Universitt Wien

38. Xie Wenhan, Zhou Guoqing, 2006, Urban 3D Building Model Applied to True OrthoimageGeneration, 1st EARSeL Workshop of the SIG Urban Remote Sensing Humboldt-Universittzu Berlin

Documents

Danci Ioana-Maria - Rezumat