RealityCapture - praktické skúsenosti s mapovaním reality 1

Architekti sa obvykle živia navrhovaním budov, urbánnych celkov, interiérov, dizajnom.... Hoci za vznik našich diel je zodpovedný prioritne tvorivý, myšlienkový proces, základným špecifikom architektúry je, že navrhované objekty sú (vo väčšine prípadov) reálne diela v reálnom prostredí.

Jedným zo základných parametrov kvality dobrej architektúry (urbanizmu) je súlad výsledného diela s okolitým prostredím.

Architektúra, ktorá nerešpektuje svoje okolie nebude v praxi ani dobre fungovať.

Bez podrobného poznania terénu a jeho morfológie nie je možné urobiť ani dobrý návrh, ani fyzickú realizáciu diela

Naša práca väčšinou vyzerá tak, že pracujeme s mixom dostupných materiálov. Mapami, polohopismi, výškopismi... Východiskový stav, jeho podobu a ďalšie potrebné údaje si priebežne dopĺňame. Buď sami, alebo si objednáme službu od externých subjektov. Výsledkom je pestrá zbierka podkladov, ktoré sa nám podarí zhromaždiť.

Nakoniec si na základe heterogénneho spektra informácií a údajov vytvoríme konečné východisko pre návrh. Niekedy stačia 2D podklady. Komplexnejšiu informáciu však poskytne až trojrozmerný model.

Takýto štandardný postup je dosť pracný. Náročný na čas a financie. Optimalizácia získavania podkladov je kľúčovým prvkom zefektívnenia celého návrhového a projektového procesu.

Dá sa získať názorný obraz o stave pozemku a o jeho priestorovej podobe, vrátane povrchov a textúr jednoduchším spôsobom?

Vieme vytvoriť vierohodný model východiskovej reality, s ktorým môžeme následne pracovať v štandardných architektonických programoch? Odpoveď je áno. Jednou z možností je RealityCapture.

Prekvapením je naviac fakt, že tvorcom takéhoto nástroja nie je žiadny "svetový softvérový mamut", ale jadro autorov tvorí skupina šikovných matematikov zo Slovenska. Ich produkt nás mimoriadne zaujal.

RealityCapture je podľa nás zatiaľ najlepší program z oblasti fotogrametrie pre uplatnenie (nielen) v oblasti architektúry, urbanizmu a dizajnu

V ateliéri sa často stretávame so zadaniami, ktoré vyžadujú nekonvenčný prístup. Ako príklad môže slúžiť koncept novostavby v komplikovanej prieluke (historická časť mesta), alebo urbanistické celky osadené do zložitého terénu. V takýchto prípadoch je klasická “meračka” značným aproximovaním reality. Overenie si konceptu v 3d priestore sa stáva takmer nevyhnutnosťou.

(Nielen) z tohto dôvodu sme sa dlhší čas zaoberali myšlienkou využitia fotogrametrie, ktorá by značne uľahčila tvorivý proces, umožnila pracovať rýchlejšie a efektívnejšie. Na prvý pohľad lákavé riešenie má však množstvo úskalí, ktoré bolo potrebné prekonať, preto sa rád podelím s praktickými skúsenosťami. 

Stačí bežné vybavenie?

V zásade áno. Pri “skenovaní” interiéru alebo stavebných detailov si vystačíte s bežným fotoaparátom alebo kvalitným snímačom v mobilnom telefóne. Pri dostatočnom počte  snímok dokáže byť výstup prekvapivo kvalitný. Pre vytvorenie modelu rozsiahlejších scén, pozemkov alebo terénu (práve tu vidím najväčší prínos technológie pre našu prax) je takmer nevyhnutnosťou letecké snímkovanie. V tomto prípade ma zaujímala najmä využiteľnosť  klasického “consumer” dronu (DJI Phantom 3 SE). Keďže zariadenie má značne obmedzené autonómne režimy letu, ostal som pri manuálnej pilotáži so samospúšťou nastavenou na interval troch sekúnd. Dokáže si softvér poradiť so zhlukom snímok z “náhodnej” pozície, alebo je potrebný sofistikovaný letový plán, ktorý zabezpečí prehľadne usporiadané fotografie?

Poznámka: Profesionálne riešenia často kombinujú fotografie s laserovým skenovaním. V článku som sa zameral na bežne dostupné riešenia.

DJI Phantom 3SE ako nástroj na letecké snímkovanie. Integrovaná kamera disponuje 12 Mpx snímačom. Na zhotovenie testovacích scén boli použité fotografie zhotovené behom jedného vzletu (kapacita batérie obmedzuje letový čas na cca. 20 minút). Automatické nastavenie fotoaparátu znamenalo v prípade slnečného dňa značne preexponované fotografie. 

Poznámka: snímkovanie je vhodné realizovať v podmienkach bez ostrých tieňov

Softvér

Tu mám pomerne jasno. Vyskúšal som množstvo riešení, vrátane balíkov od (pre architektov) známych spoločností. Výsledok pre tento špecifický účel bol vždy rozpačitý, alebo nepoužiteľný. Výpočet zabral enormné množstvo času. Myslím, že tieto prípady nie je potrebné na príkladoch ilustrovať. 

Čo sa osvedčilo? Softvér s príznačným názvom RealityCapture, na ktorom pracuje slovenský vývojársky tím. Prvá vec, ktorá ma zaujala bola doba spracovania fotografií. Vytvorenie prezentovaného modelu zabralo niečo viac ako pol hodiny. 

Surový výstup - mračno bodov. Model vytvorený zo stošesťdesiatich snímkov (.jpg bez dodatočnej úpravy alebo určenia poradia). 

RealityCapture poskytuje množstvo nástrojov na úpravu a optimalizáciu modelu. V prezentovanom prípade nám nešlo o dokonalý výstup, model primárne slúžil na overenie priestorových vzťahov a osadenie objektu do terénu. Po spracovaní je možné model s textúrami exportovať vo viacerých 2D a 3D formátoch. Pre ďalšie úpravy a použitie som zvolil široko podporovaný formát .obj.

Model v prostredí RealityCapture. Za povšimnutie stoja body "vzášajúce sa" nad modelom, ktoré označujú polohu jednotlivých snímok.

Nároky na hardvér

Ako som spomenul, samotný výpočet modelu je pomerne rýchly proces, zvládne ho aj bežný HP prenosný počítač (core i5 siedmej generácie, 8gb ram). Model je pred exportom potrebné zjednodušiť na “rozumnú” veľkosť (mne sa osvedčilo rozpätie jedného až dvoch miliónov polygónov). Model aj s textúrami (napríklad súbor vo formáte .obj) následne otvorí štandardný modelovací softvér - najlepšie poslúžil obľúbený Rhinoceros. Následná úprava modelu vyžaduje určité skúsenosti (úprava importovaného mesh-u). 

Čo ďalej? Dokáže takýto model nahradiť meračku?

Áno. Prostredie sa stáva oveľa prehľadnejším, nemusím spätne identifikovať body zamerané na výkrese. Vyexportovaný model zodpovedá reálnej mierke. S modelom môžem ďalej pracovať.

Profil terénu, alebo schematické rezy územím? Oveľa jednoduchšie to už nemôže byť.

Stojí to za to?

Rozhodne. Ako som spomínal, nejde len o silný nástroj, ktorý pomôže pri tvorbe a následnom overení vzťahov v 3D prostredí. Sila fotogrametrie spočíva aj v možnosti názornej prezentácie návrhu klientovi.  Ako sa stavba začlení do mestskej štruktúry? Ako bude vyzerať silueta z diaľkových pohľadov? Zapadne fasáda do uličnej čiary? Na tieto, aj mnoho ďalších otázok je možné zodpovedať už v návrhovej fáze. 

Model  reálneho prostredia umožňuje názornú prezentáciu objemového konceptu. 

Problematika fotogrametrie a jej praktického využitia pre našu tvorbu je naozaj obsiahla téma. Tento článok má byť iba stručným úvodom, a sumárom niekoľkých postrehov. K téme sa vrátime v sérii nadväzujúcich článkov.

P.S.: V priebehu testovania (3. októbra 2019) nás potešila správa, že spoločnosť Capturing Reality získala slovenského technologického "Oskara" v kategórii IT NEO v rámci ocenení IT GALA.  Ocenenie je aj po našich skúsenostiach z testovania určite zaslúžené. Gratulujeme.

P.P.S.: Hardvérové výpočty sme robili na zariadeniach od HP.

Distribútorom DJI zariadení pre Slovenskú a Českú republiku je Stablecam.
Snímkovanie sme robili DJI dronom od DroneRepublic.