Handleiding onderwater opnamen voor 3D fotogrammetrie

Rijksdienst voor het Cultureel Erfgoed

December 2016, Johan Opdebeeck

De meeste tijd die de archeologen momenteel gebruiken bij een onderzoek onder water is voor het

handmatig inmeten en tekenen van een vindplaats. Dit inmeten neemt 60 tot 80% van de

bodemtijd onder water in. Door het verkorten van de tijd die nodig is voor het inmeten, blijft er

meer tijd over voor een goede interpretatie van de gegevens. Daarnaast kan dit de looptijd van

een project verkorten, waardoor de kosten kunnen dalen.

De laatste jaren maakt 3D fotogrammetrie een snelle ontwikkeling door. Met deze techniek worden

met behulp van foto en/of videobeelden nauwkeurige (digitale) driedimensionale modellen

gecreëerd. Computers zijn tegenwoordig krachtig genoeg om de benodigde berekeningen aan te

kunnen. Deze zijn nodig om punten te herkennen en verbinden om tot een 3D model te komen.

Het programma “Agisoft Photoscan” dat oorspronkelijk in de mijnbouw gebruikt werd is een van de

eerste programma’s die daadwerkelijk toepasbaar was. Tegenwoordig zijn er meerdere

programma’s op de markt die dit kunnen zoal “Reality Capture”. Deze programma maken gebruikt

van foto en filmbeelden en bouwen een 3D model van het wrak/site op, waarbij op het einde de

foto’s terug over het model worden gezet. Aan de hand van deze gegevens/modellen kunnen dan

ook een plattegrond en dwarsdoorsneden van de site gemaakt worden.

Deze manier van werken zal in de toekomst het arbeidsintensieve meten en tekenen vervangen. Er

zijn verschillende manier waarop onderwater beelden kunnen opgenomen worden. Professionele

offshore bedrijven en ook Rijkswaterstaat maken gebruik van een “Remote Operated Vehicle”

(ROV). Deze ROV’s heeft men in alle soorten en maten, van grote (dure) apparaten die gebruikt

worden door professionele bedrijven tot kleinere (betaalbare) varianten die nieuw op de markt zijn.

Het voordeel van een ROV is dat men minder rekening hoeft te houden met diepte, temperatuur,

duiktijd en stroming (afhankelijk van het type ROV). Deze factoren spelen bij het “handmatig”

duiken wel een grote factor. Het grote nadeel is de kost van een ROV en de beperkte

beweeglijkheid van het apparaat. Waar een duiker soms de kleinste hoekjes van een wrak kan

inspecteren, moet een ROV op afstand blijven. Dit is belangrijk omdat bij slecht zicht opnamen van

dichter bij het object genomen dienen te worden.

Deze methode werd tijdens het maritiem programma getest op de nauwkeurigheid en de

bruikbaarheid in Nederlandse wateren gedurende de verschillende veldwerken in 2014 , 2015 en

2016. Tijdens en na het veldwerk werden een paar zaken opgemerkt die invloed hebben op het

gebruik en de resultaten van dit systeem. Deze handleiding geeft aan welke zaken belangrijk zijn

om goede data onderwater te verzamelen.

Camera

Het toestel waarmee de opnamen worden uitgevoerd heeft enorme impact op de kwaliteit van de

beelden. Veel duikers werken tegenwoordig met GoPro toestellen aangezien deze prijs/kwaliteit

goede opnamen maken. Maar zelfs een GoPro 4 Black met 4K opnamen is niet te vergelijken met

(semi) professionele toestellen zoals Sony Xd Cams. In deze handleiding wordt echter veel

verwezen naar de GoPro toestellen gezien de enorme populariteit ervan bij de sportduikers.

Foto – Video opnamen

De 3D programma maken gebruik van afbeeldingen om hun model te maken. Er zijn twee

manieren om afbeeldingen te maken:

- Het maken van foto’s

- Video opnamen

Het grote voordeel van foto’s is dat de kwaliteit van de afbeeldingen zeer hoog ligt. Dit heeft ook te

maken dat er veel betaalbare fototoestellen zijn waarbij men de instellingen zelf kan bepalen.

Video apparatuur is veel beperkter in zijn instellingen (zie Go Pro) of men moet naar toestellen van

een hogere prijsklasse gaan. Het grote nadeel is dat deze methode een stuk langzamer werkt

omdat men steeds opnieuw een foto moet trekken. Dit is deels op te vangen door gebruik te

maken van de functie: TimeLapse. Hierbij gaat het toestel series van foto’s maken met een

specifiek aangeduid interval. Door de Time Lapse op 1 seconde te zetten neemt men constant

foto’s die goed bruikbaar zijn voor de fotogrammetrie.

De meeste sportduikers gebruiken echter de videofunctie van hun camera (GoPro). Video opnamen

kunnen ook gebruik worden voor 3D modellen als de video opnamen van voldoende hoge kwaliteit

zijn (zie instellingen). Men kan “stills” nemen van de videobeelden waarbij men de video opknipt

als zijnde één grote foto. Het voordeel is dat men heel veel materiaal heeft (afhankelijk van het

model en de instellingen nemen video’s tussen de 25 en 300 frames oftewel foto’s per seconde).

Het grote nadeel is echter dat de kwaliteit van beelden een pak lager ligt dan gewone foto’s

camera instellingen

Het advies dat wij kunnen geven is: LEES DE HANDLEIDING van het toestel. Het klinkt nogal

belerend en misschien ook grappig, maar de praktijk leert ons dat veel gebruikers geen idee

hebben wat de mogelijkheden en ook nadelen zijn hun toestel. De instellingen van de camera

moeten geschikt zijn voor het water waar men in duikt (donker-licht, zicht, stroming..) om

degelijke data te produceren die men kan gebruiken voor het bouwen van 3D modellen.

Welke functie zijn het belangrijkste? Eigenlijk vooral de sluitertijd (shutter) en het diafragma

(Aperture) van de camera. Afbeelding 1 geeft goed weer welke effecten deze functionaliteiten

hebben op de kwaliteit van de foto’s. Door ervaring leert men wat de goede balans is onder water

tussen sluitertijd (scherpe beelden) en diafragma (licht inval).

Figuur 1: Memo voor camera gebruikers1

Ook voor video opnamen heeft men soortgelijke functionaliteiten. Wat voor video belangrijk is, is

een goed evenwicht vinden tussen de resolutie en het aantal frames dat het toestel maakt (.fps).

Hoe hoger het aantal frames van de video, hoe meer kans dat de afbeeldingen van de opnamen

scherper zullen zijn. Het nadeel is dan wel dat de resolutie omlaag gaat (zie afbeelding 2).

1 http://www.boredpanda.com/photography-shutter-speed-aperture-iso-cheat-sheet-

chart-fotoblog-hamburg-daniel-peters/

Figuur 2: Handleiding GoPro 4 Black

Onze ervaring leert ons dat scherpe beelden belangrijker zijn dat hoge resolutie. Dat wil zeggen

dat de video’s minimaal 50 frames (fps) moeten hebben en liefst meer. Voor de GoPro 4 Back

houdt dit in dat wij van de RCE opnamen maken met de instelling: 2.7k resolutie met 50 frames.

Veel camera’s zoals de GoPro hebben een ook “low light” functionaliteit. Deze functie verzekert

dat het toestel automatisch het aantal frames aanpast in een omgeving met weinig licht zodat

optimale belichting de beste resultaten garandeert. Ook hier is het advies: lees de handleiding. Er

staat ook dat de functionaliteit NIET werkt bij 240 fps en 30 fps (of minder). Dat wil zeggen dat de

low light niet werkt bij 4K opnamen. Vandaar ook het advies om 2.7K te filmen.

Belichting

Belichting is een wezenlijk onderdeel bij het nemen van foto’s. Afhankelijk van het zicht en de

diepte van de site, kan er ook gefilmd worden zonder extra verlichting. Dit omdat verschillende

camera’s een “low light” functionaliteit hebben (zie hierboven). Ervaring leert ons ook dat het beter

is om te filmen met verlichting aangezien de foto’s scherper zijn en ook de kleur van de objecten

natuurlijker (zonder verlichting wordt een onderwaterfilm al snel uniform groen).

Ook hier moet de verlichting aangepast zijn aan de water omstandigheden: als er veel materiaal in

suspensie is (er drijft alle soorten wier en andere delen rond) en de zichtbaarheid laag, is het

onnodig om een 10.000 lumen verlichting boven te halen omdat de zwevende deeltjes het licht

reflecteren en daarmee de foto verpesten. De vorm van verlichting is echter heel belangrijk voor de

kwaliteit van de opnamen voor het gebruik van 3D. De belichting van de video opnamen moeten

heel diffuus zijn. Dit kan men bekomen door gebruik te maken van filter en het gebruik “wide

angle” lampen. “Narrow beam” verlichting (wat het geval is voor de meeste duiklampen) geven een

te geconcentreerde lichtstraal waardoor het beeld overbelicht is in het midden en onderbelicht aan

de zijkanten (zie afbeelding 3).

Figuur 3: Opname van een wrakdeel met dataverlies in de lichtstraal (te licht) en

zijkanten van de foto (te donker)

Zicht onder water

Het zicht speelt een cruciale rol bij deze techniek. Zelfs zeer goede camera’s zullen geen goede

beelden schieten wanneer het zicht minder dan 30 cm is, iets dat regelmatig voorkomt in

Nederlandse wateren. Het is zeer moeilijk om opnamen te maken die geschikt zijn voor het maken

van een 3D model als het zicht minder dan een halve meter is. Indien het zicht slechter wordt,

moet de camera dichter bij het te filmen object gebracht worden om scherpe beelden te schieten.

De moeilijkheid ligt in verbinden van de verschillende foto’s. Bij 3D fotogrammetrie en ook foto

mozaïeken moet er voldoende overlap zijn tussen de verschillende afbeeldingen om een geheel te

vormen. Indien het programma te weinig herkenningspunten vindt, dan is dit niet mogelijk. Een

mogelijke oplossing is het gebruik van zogenoemde “markers” die worden aangebracht op het

oppervlakte van het object en de bodem. Hiermee kan het programma verschillende delen aan

elkaar linken. Het gebruik van deze markers hoeft zich niet alleen te beperken bij slecht zicht, ook

het gebruik bij goed zicht vergemakkelijkt het bouwen van een 3D model.

Figuur 4: Afzonderlijke foto's worden tot 1 geheel gemaakt2

2 http://www.3hconsulting.com/techniques/TechPhotomosaics.html

Hoe te filmen

Men heeft ervaren en goede duikers nodig om mooie foto’s en/of video beelden te leveren. Echter

niet alle ervaren duikers zijn per definitie goede cameramensen. Alhoewel men zich veel van

vaardigheden eigen kan maken door veel te oefenen, hebben topfotografen net dat zintuig meer

dat men “fingerspitzengefühl” kan noemen. Het leveren van voldoende afbeeldingen met afdoende

kwaliteit is ook iets dat enige kunde vereist, maar is wel aan te leren.

Een paar belangrijke aandachtspunten waarop gelet kan worden voor het maken van goede

fotogrammetrie afbeeldingen:

- Houdt de camera in de handen:

veel sportduikers hebben een Go Pro gemonteerd op hun helm. Een duiker moet onder

water steeds tal van dingen in het oog hebben (de omgeving, buddy, gevaren,

klokjes…). Door het gebruik van een duikmasker is het zicht van je ogen beperkt en

moet de duiker het hoofd draaien waar op land de ogen deze functie verrichten. Gevolg

hier van is dat het hoofd veel (onbewuste) snelle en scherpe bewegingen maakt, wat

de scherpte van afbeeldingen op video’s niet te goede komt (Afbeelding 5)

Figuur 5: onscherp beeld door te snelle bewegingen van de camera

- Houdt de handen weg voor de camera:

Ervaren duikers zijn goed uitgebalanceerd, maar toch is het soms eens makkelijk om

de handen te zetten. Afbeeldingen met andere objecten moeten verwerkt worden

omdat deze objecten niet mee genomen kunnen worden in het 3D programma. Dit kost

veel tijd en lijdt soms ook tot verlies van gegevens omdat de camera meestal scherp

stelt op het object dichterbij dan op de achtergrond (zie figuur 6). Een ander

verschijnsel is dat duikers die geen statief hebben de camera soms zo vastnemen dat

een gedeelte van de lens geblokkeerd wordt (een gekend fenomeen is de vinger voor

de lens van de Iphone). Ook dit geeft moeilijkheden bij het maken van een 3D model

en moet dus eerst aangepast worden.

Figuur 6: Camerafocus op de hand ipv het wrak

- Film het object/wrak zonder obstructies

Bij expedities gaan de filmers meestal als eerste in het water. Niet alleen is de

zichtbaarheid dan het beste (niet iedereen heeft even goede buoyancy controle), maar

het aantal duikers dat fotomodel wil spelen onder water is ook beperkter. Duikers in het

zicht zijn zeer funest voor goede bronafbeeldingen om een 3D model te maken. Zoals

handen die in beeld komen, zullen deze “objecten” manueel verwijderd moeten worden

van de afbeeldingen voordat men ze kan verwerken in het programma. Dit leidt

meestal tot dataverlies van gedeelten van het object oppervlakte.

Figuur 7: Duiker en kwal prominent in beeld +hand deels voor de lens

- Film eenzelfde omgeving zonder veranderingen

Veel wrakduikers zijn echte wroeters onder water. Dit is niet alleen slecht voor de

zichtbaarheid, maar de veranderingen in de omgeving maken dat de afbeeldingen niet

gebruikt kunnen worden voor fotogrammetrie. Het verplaatsen van objecten maakt het

onmogelijk voor het programma om het object te plaatsen.

- Houdt eenzelfde afstand aan

Probeer zoveel mogelijk dezelfde afstand tot het object/wrak te houden. Volg het dek of

de lijnen van het wrak indien mogelijk. Veranderingen in afstand zorgt ervoor dat de

camera anders gaat focussen (tast dus de scherpte aan) en minder of meer licht krijgt

(tast kleurprofiel aan) . Dit laatste zorgt zeker bij de GoPro voor veranderingen doordat

er een automatische low light functie is.

Object volledig in beeld brengen

Bij de duikplanning moet rekening gehouden worden met het werk van de cameraman die zal

proberen om gelijkmatig alle delen van de site op te nemen. De duikbuddy van de cameraman en

ook de andere duikers moeten zo min mogelijk in het beeld komen.

Voor een goed 3D model moet het object/wrak eerst schoongemaakt worden van alle rotzooi en

begroeiing. Als men dit van plan is, moet dit gebeuren VOOR de eerste opnamen, NIET TIJDENS!

Om het object/wrak volledig dekkend op te nemen, moet me zich voorstellen dat de cameraman

alles wil verven met een spuitbus. Om alles vlakdekkend te verven moet er niet te snel bewogen

worden en een oppervlakte is goed bedekt als er heen en weer terug over gegaan is. De duiker die

de beelden schiet moet dus een regelmatig patroon zwemmen en mag geen plotselinge

bewegingen maken. Dit laatste houdt in dat er zo rustig mogelijk gezwommen moet worden en zo

min mogelijk afgeweken van het patroon om het wrak op te nemen (d.w.z., niet achter elke grote

vis aan gaan zwemmen). Zorg ervoor dat het volledige oppervlakte van het object/wrak op de

gevoelige plaat ligt met genoeg overlap! (zie afbeelding 8)

Figuur 8: De verschillende hoeken om een wrak in beeld te brengen

Dit vereist niet alleen concentratie van de duiker, maar ook een goede voorbereiding. Een wrak kan

men best opnemen via de lengterichting omdat er dan minder gedraaid moet worden (zie

afbeelding 9).

Figuur 9: voorbeeld van opname patroon op een wrak

Dit is echter geen verplichting, iedere duiker gebruikt het patroon die hem het best ligt en ook het

veiligst is! Welk patroon ook gebruikt wordt, wees consequent en zorg dat men achteraf ook weet

hoe men gezwommen heeft. Als men de data zelf niet verwerkt, is het advies om een snelle schets

van het wrak met de zwemlijnen erop mee te geven.

Gegevensverwerking

Er moet een goede krachtige computer zijn om de beelden te (voor)verwerken. Om het 3D

programma goed te laten lopen, heeft men zowel een krachtige CPU en videokaart nodig en

minimaal 16 gig geheugen. Ook is een zekere expertise en computerkennis nodig om de

verschillende programma’s te gebruiken die nodig zijn voor het maken van bruikbare 3D beelden.

Als gevolg van de wisselende omstandigheden onder water, kan de kwaliteit van de beelden

verschillen. Het bewerken en verwerken van de data tot een goed 3D model kan een

tijdverslindend proces worden, doordat men regelmatig de instellingen constant moeten

veranderen.

Voorverwerking: triage en opschonen van de beelden

Dataverwerking: verwerken van de data al dan niet in chunks

Een goed 3D model geeft een weergave van het object op dat moment. Dit kan gebruikt worden

als een monitoring tool. Het model is een nulmeting van dat moment en verdere degradatie kan

afgeleid worden van deze gegevens. Het model kan ook gebruikt worden voor

onderzoeksdoeleinden: indien er vaste maten gekend zijn van het model kunnen deze worden

ingevoerd in het programma. Dit leidt tot exacte maten voor het gehele object. Om vaste maten te

bekomen kan men een maatstok/staf meenemen en op verscheidene plaatsen bij het object

leggen. Deze komen dan mee op te afbeeldingen en kunnen ook gebruikt worden in het proces als

“marker”. Een andere mogelijkheid is het handmatig meten van een prominent kenmerk dat dan

later in het 3D model kan worden geduid. Het gebruik van 3D fotogrammetrie is niet alleen een

toekomst voor professionele archeologen, maar zijn zeker een wezenlijk onderdeel waar

vrijwilligers en sportduikers een belangrijke rol in kunnen spelen.

Figuur 10: 3D model HMS E53

3 https://sketchfab.com/models/3aa4b1e992af4fe0b0f628aa5296aeed