DE LANGE WEG VAN OBJECT TOT 3D-MODEL

Transcriptie

1 DE LANGE WEG VAN OBJECT TOT 3D-MODEL Twee methodes Een bruikbaar 3D-model kan op twee manieren tot stand komen. Beide methodes kunnen echter ook gecombineerd worden. Bij een eerste methode wordt een model handmatig getekend. Dit kan gebeuren naar een reëel model of vanuit een verbeelding. De werkwijze volgt hetzelfde principe als het tekenen met pen op papier, alleen worden punten, lijnen, vlakken en volumes vastgelegd en bewerkt in een virtueel coördinatenstelsel. Het voordeel van deze methode is dat het relatief snel en betrouwbaar kan gebeuren, op voorwaarde dat het om een eerder beperkt aantal eenvoudige objecten gaat. Als nadeel geldt dat het bij een complexe modellen en grote aantallen objecten een erg arbeidsintensief proces is. Het houdt immers in dat de dimensies van objecten eerst worden opgetekend en vervolgens handmatig tot een puntenwolk worden omgezet. Gelukkig bestaan er enkele methodes om dit te omzeilen: De techniek van het Photomodelling (ook wel photomatching) maakt het mogelijk om een bestaande foto de vorm en afmetingen van objecten, gebouwen en andere omgevingselementen af te leiden. Het gaat hier altijd om benadering van posities, afstanden en volumes. Dankzij speciale plug-ins is het mogelijk om gegevens uit te wisselen tussen rekenbladen en 3Dtekenprogramma s. Zo kunnen de opgemeten dimensies (enkel hoogte, breedte en lengte) van een groot aantal objecten worden ingegeven in en rekenblad en automatisch worden omgezet in 3D-modellen. De tweede methode houdt in dat je een object of een omgeving scant. De computer genereert dan automatisch een puntenwolk die vervolgens bewerkt kan worden. Ten aanzien van het handmatig tekenen biedt dit enkele belangrijke voordelen. Voor een waarheidsgetrouw vastleggen van complexe en gedetailleerde voorwerpen biedt dit een snelle en nauwkeurige oplossing. We bekijken hier stap voor stap de weg van scan tot 3D-model. Stap voor stap Er is een hele weg te gaan tussen het vastleggen van een puntenwolk en een bruikbaar 3D-model. Hier speelt vaak een groot verschil tussen de dure commerciële software en de gratis open-source programma s. Terwijl die eersten het traject in een keer mogelijk maken is de tweede enkel in staat om slechts een deel van de klus te klaren en is een complexer parcours nodig.

2 Stap 1: Van object tot puntenwolk In een eerste stap wordt informatie verzameld over het object. Daarmee wordt een puntenwolk gecreëerd. Er zijn ruwweg twee verschillende manieren om dit te doen: Scanning van het object vanuit verschillende invalshoeken. Dit gebeurt bijvoorbeeld met behulp van een speciale laserscanner. De puntenwolk die deze oplevert is uiterst gedetailleerd en nauwkeurig. Scannen kan op verschillende wijzen gebeuren: - Manuele meting; - Tactiele meting met een coördinatenmeetmachine; - Fotogrammetrie, waarbij foto s vanuit diverse standpunten worden gemaakt en samengevoegd; - Witlichtscanning, en meer recent blauwlichtscanning; - Laserscanning; - CT-scanning met röntgenstralen (niet geschikt voor elk materiaal); - Massaspectrometrie, om materialen te onderscheiden. Er zijn verschillende toestellen om object te scannen, waaronder: - Handscanner; - Scanner met vaste meetarm; - Traditionele meter en schuifmaat; - Fototoestel. De verkregen informatie over het gescande object wordt door middel van softwareprogramma s weergegeven als een puntenwolk. 3D-laserscanneraan het werk in Roterij, vlassite D'Hondt Fotogrammetrie of Dense Image Matching (DIM): Dit is niet te verwarren met de eerder genoemde photomodelling/photomatching, dat een handmatige proces is.

3 Bij Dense Image Matching wordt de beeldinformatie van twee of meerdere foto s van eenzelfde object of locatie vergeleken. Aan de hand van overeenkomsten en verschillen tussen de foto s wordt ruimtelijke informatie afgeleid. Dit is het principe van stereoscopische beeldvorming, waarmee ook de mens in staat is om diepte waar te nemen in zijn gezichtsveld. Fotogrammetrie kan worden toegepast met een eenvoudig digitaal fototoestel zijn waarmee je systematisch verschillende zijden van een voorwerp fotografeert. Die beelden worden dan door specifieke software verwerkt tot een puntenwolk. Je kan verschillende manieren: - Een stand-alone programma dat de hele verwerking op je computer uitvoert. - De verwerking uitbesteden aan een externe server. Je laadt foto s en krijgt een puntenwolk aangeleverd. De interactie met die server gebeurt ofwel online ofwel via een kleine applicatie die op je pc downloadt. DIM levert in de praktijk vaak gaten in de puntenwolk. Het resultaat is eerder hoekig en wazig. Foto s met hoge resolutie kunnen wel een goed beeld geven van de kleur en bijgevolg de textuur van het object. Textured mesh met Agisoft Photoscan van een hopplukmachine (Hopmuseum Poperingen) Stap 2: Connecting dots. Van puntenwolk tot mesh Een puntenwolk bevat op zichzelf geen informatie over de structuur en samenhang van een object. Hiervoor moeten de punten onderling verbonden worden tot lijnen, vlakken en tenslotte ook volumes. Vergelijk dit met de zogenaamde verbind-de-punten-tekening. Hierbij verschijnt ook slechts een tekening wanneer de juiste punten op de juiste manier worden moeten verbonden. Het creëren van een mesh is in grote mate een geautomatiseerd proces.

4 Puntenwolk met ruis van spinmachine Mule Jenny (MIAT) Stap 3: Opschonen van een mesh Een ruwe mesh is zelden of nooit het eindproduct. Een mesh moet in veel gevallen nog worden gecorrigeerd. Dat is veelal expertenwerk. Er zijn verschillende fouten die moeten worden weggewerkt: Ruis: Dit is overtollige informatie die aanwezig is in het object, maar te wijten is aan de informatieoverdracht vastleggen van de puntenwolk. Vergelijk het met ruis op een televisiescherm. Overtollige informatie: Dit kan te wijten zijn aan verschillende factoren: - Je scant immers niet enkel het object, maar meteen ook de omgeving van het object. Dit is vaak overbodige informatie die extra rekenkracht vereist. - Het herkennen van een mesh in een puntenwolk is een geautomatiseerd proces. De computer meent vormen te herkennen, maar dit komt niet altijd overeen met de realiteit. Dit leidt tot overbodige verbindingen en herhalingen van verbindingen. Onvolmaaktheden en lacunes: Er wordt niet alleen te veel informatie vastgelegd. Vaak wordt er te weinig data geregistreerd. Dit heeft tot resultaat dat er verkeerde of onvolmaakte verbindingen worden gelegd tussen punten. In sommige gevallen worden er geen verbindingen gelegd, hoewel die er in het object wel zijn. Dit resulteert in gaten in het 3Dmodel, die gedicht kunnen worden. Stap 4: Van een mesh tot model De mesh kan vervolgens worden gemanipuleerd. De puntenwolk kan worden aangepast. Punten kunnen worden weggelaten maar ook aangevuld. Wat voorheen een verzameling punten was die enkel ruimtelijke informatie omvatte kan er aan het model een betekenisvolle structuur en onderverdeling worden toegekend. Een object kan in verschillende onderdelen opgedeeld worden die dan elk verder bewerkt kunnen worden. In bepaalde gevallen wordt een model afgeleid van een mesh. Een model wordt dan als het ware overgetekend van het mesh. Het dergelijk afleiden van een model uit een mesh kan handmatig gebeuren maar kan ook gedeeltelijk automatische gegenereerd worden. Sommige software is immers in staat om

5 zelfs in gebrekkige meshes bepaalde vormen te herkennen. Stap 5. Betekenis toevoegen aan een 3D-model Uit de voorgaande stappen blijkt dat een 3D-model nooit zomaar een vastleggen is van een object, gebouw of omgeving an sich. Het gaat altijd gepaard met interpretaties, van vorm, van structuren, samenhang... Het is dus het resultaat van keuzes die betekenis geven. Het proces waarbij ruimtelijke informatie gecombineerd wordt met bijkomende gegevens, zoals materiaaltypes en lichtinval, heet rendering. Dit kan bijzonder fotorealistische afbeeldingen opleveren, maar die vergroten wel de rekenkracht die noodzakelijk is. Voor bewerkingen is een ruw-model praktischer, voor presentatie- of controledoeleinden kan een driedimensionaal model wel met de volledige mogelijkheden getoond worden. Dankzij ontwikkelingen in software kan dit proces van betekenis geven in grote mate geautomatiseerd worden. Volgende zaken kunnen het model meer betekenis geven: Onderscheiden van object en omgeving; Onderscheiden en/of groeperen van onderdelen van een model; Toekennen kleur, textuur en materiaaleigenschappen; Opleggen van gedragsregels (bouwfysica en fysica) en simuleren van gedragingen; Metadata aan de tekening meegeven, zoals het koppelen van objecten, het toevoegen van beschrijvingen, relaties vastleggen tussen voorwerpen Hierdoor scheppen we zelf een virtuele realiteit. Er is dus een grote vrijheid om te experimenteren met vormen en structuren. Stap 6: Back to reality: 3D-printing. Hoewel de technologie van het 3D-printen al even bestaat, was het aanvankelijk een duur. Het werd ingezet in prototypes voor auto- en vliegtuigindustrie, medische toepassingen intussen is de technologie ook voor een groot publiek beschikbaar. Printers zijn in een kleiner formaat en aan een relatief goedkope kostprijs te verkrijgen. 3D-printing is eigenlijk een verzamelnaam voor nu al zo n 15 technieken. Een betere term is misschien wel layer manufacturing. Dankzij 3D-printing kunnen virtuele modellen van erfgoedobjecten, of specifieke onderdelen daarvan, worden uitgeprint. De printmethodes zijn erg uiteenlopend, elk met hun verdiensten en hun tekortkomingen. Het principe is steeds hetzelfde: virtuele modellen worden in haarfijne laagjes ingedeeld en vervolgens laag per laag geprint. De ontwikkeling staat niet stil. Daarbij zit de grote evolutie vooral in de update van software, eerder dan in de printmachines zelf. De software wordt steeds toegankelijker en biedt steeds meer functionaliteiten. Daarnaast neemt het aantal printbare materialen toe. De kwaliteit wordt over het algemeen steeds beter al kan het resultaat toch verschillen door een aantal factoren: De resolutie : - de dikte van de printlagen (hoe dunner, hoe beter) - De dikte van de printpen. De kwaliteit materiaal waarmee geprint kan worden De mogelijkheid om meer kleuren te printen