Nowatorskie metody rekonstrukcji 3D mogą się przydać opiekunom i konserwatorom obiektów dziedzictwa kulturowego
Wielkopowierzchniowe obiekty dziedzictwa kulturowego to nie tylko skomplikowane „kształty”, ale układy łączące w sobie zarówno obiekty w dowolnej formie (grunty, drzewa), jak i niezliczone obiekty, które charakteryzują się zależnościami strukturalnymi oraz znaczeniami semantycznymi (na przykład ściany, dachy, fasady). Jedna z dostępnych kategorii technologii pozwala na generowanie wiernych modeli miast wzbogaconych o informacje strukturalne i semantyczne, dostarczając wielu znaczących poziomów szczegółowości. Tworzenie modeli przestrzeni miejskiej tą metodą wymaga jednak wielu pracochłonnych operacji modelowania i edytowania mających na celu przypisanie etykiet semantycznych do poszczególnych danych, a następnie rekonstrukcję. W ramach finansowanego ze środków unijnych projektu TITANIUM (Software Components for Robust Geometry Processing) zmierzono się z problemem trójwymiarowego odwzorowania miast i uproszczenia danych pochodzących z nieprzetworzonych pomiarów geometrycznych, jak również powiązanych metod konwersji specjalnie dostosowanych do modelowania miast w 3D. Surowe dane to chmury punktów 3D pochodzące z pomiarów skanerami laserowymi lub wygenerowane za pomocą gęstych algorytmów fotogrametrycznych (które przekształcają zbiór zdjęć w chmury punktów 3D z kolorowymi oznaczeniami). Jak wyjaśnia główny badacz Dr Pierre Alliez, pracujący w agencji rządowej Institut national de recherche en informatique et en automatique (INRIA) we Francji: „Biorąc pod uwagę istniejące algorytmy prototypowe badań, naszym celem jest opracowanie wersji demonstracyjnej oprogramowania do przetwarzania geometrii i trójwymiarowego modelowania przestrzeni miejskiej, aby ułatwić wstępną komercjalizację nowatorskich komponentów oprogramowania CGAL (Computational Geometry Algorithms Library), czyli biblioteki algorytmów geometrii obliczeniowej”. Pionierskie opracowania W odniesieniu do modelowania złożonych obiektów dr Alliez wyjaśnia, że rozwiązaniem są innowacyjne i pierwsze tego typu opracowania oparte na zagadnieniu optymalnego transportu. W ramach tej metody wejściowe pomiary geometryczne (surowe zbiory punktów) to miary dyskretne (rozkład masy). Problem rekonstrukcji został zatem przeformułowany na problem transportu masy pomiędzy wspomnianymi punktami ciężkości a odwzorowywanymi powierzchniami. „Problem zmiennego przestrzennie szumu, coraz powszechniejszego w tańszych czujnikach geometrycznych, został rozwiązany dzięki innowacyjnej metodzie automatycznej selekcji skali, która opiera się na wyłącznym założeniu, że generowane kształty po połączeniu ze sobą tworzą znany wymiar”. Uczestnicy projektu wybrali te metody, ponieważ oferują one niezrównaną odporność na szum i obserwacje odstające. Jeśli chodzi o stale obecny problem dotyczący precyzyjnego oddania obiektu, w ramach projektu TITANIUM opracowano innowacyjne podejście, dzięki któremu można zmniejszyć geometryczną złożoność danego obiektu, nie wychodząc poza granice tolerowanych wielkości i zapewniając gwarantowane wyniki topologiczne. „To podejście najlepiej ilustruje nasz pierwotny cel, jakim jest opracowanie metod, które mogą wykorzystywać dane obciążone błędami jako dane wejściowe, a jednocześnie zapewniają gwarantowane dane wyjściowe”, zaznacza dr Alliez. I dodaje: „Mimo że kierunki naszych badań pozostawały w obszarze informatyki, rozszerzyliśmy ten zakres o problematykę typową dla dziedziny robotyki i rozpoznawania obrazu”. Korzyści dla społeczeństwa Jednym ze społecznie użytecznych rezultatów projektu jest możliwość wspierania zrównoważonego planowania zagospodarowania przestrzennego, ponieważ inżynieria obliczeniowa ma również zastosowanie do symulacji zjawisk fizycznych w skali całych miast. Wpływ proponowanej wersji demonstracyjnej będzie znaczący w zastosowaniach, w których główną rolę odgrywa pozyskiwanie i przetwarzanie danych geometrycznych (np. w systemach informacji geograficznej, inżynierii obliczeniowej i inżynierii odwrotnej). Dr Alliez wyjaśnia ponadto: „Nasi partnerzy z branży przemysłowej donoszą, że proces konwersji nieprzetworzonych danych w gotowe do symulacji modele pozbawione błędów jest zdecydowanie najbardziej pracochłonną częścią cyklu projektowania (stanowi 85% czasu w porównaniu z 15% czasu poświęconego na symulację). Nasza wersja demonstracyjna może znacznie skrócić czas trwania tego procesu, przyczyniając się tym samym do zwiększenia konkurencyjności gospodarczej”. Wyniki projektu mogą również zostać wykorzystane w pracach renowacyjnych. Wykrywanie i egzekwowanie zależności strukturalnych przekłada się na wykrywanie bliskich przyległości i zależności kanonicznych, a następnie ich wzmacnianie poprzez kwantyzację w celu uzyskania dokładnych zależności. Informacje strukturalne i semantyczne są następnie wykorzystywane do odzyskiwania stopni szczegółowości. „Poprawiłoby to skanowanie zarówno obiektu historycznego, jak i całego zbioru, którego fragmenty są potencjalnie udostępniane”, podkreśla na koniec dr Alliez. W dalszej perspektywie wyniki projektu TITANIUM mogą doprowadzić do opracowania koncepcji współpracy w zakresie digitalizacji i aktywnych zasobów cyfrowych. W kontekście współpracy multidyscyplinarnej celem jest zaprojektowanie systemów hybrydowych, w których wspólnie działają grupy ludzi (za pośrednictwem serwisów społecznościowych) oraz sieci czujników.
Słowa kluczowe
TITANIUM, rekonstrukcja 3D, dziedzictwo, zachowanie dziedzictwa kulturowego, inżynieria obliczeniowa, modelowanie miast 3D