Сравнение лазерного сканирования и фотограмметрии при съемке объектов культурного наследия

В этой статье мы сравнили разные лазерные сканеры и фотограмметрию с точки зрения качества полученных снимков, стоимости и скорости съемки. Целевыми объектами стали культурно-исторические здания и крупные объекты. Две комнаты в музее под открытым небом выбрали из-за наличия деталей и отражательных поверхностей. Сравнили уровень шума и отклонения. Главный результат исследования показывает, что качество зависит от цены оборудования, а также, что можно получить хорошие снимки без использования контрольных точек.

Использовали следующие сканеры:

• FARO Fokus s70
• Leica BLK360
• Leica RTC360
• Leica BLK2GO
• Trimble X7

Также мы использовали фотограмметрию при помощи фотоаппарата Nikon D800 и  объектив с постоянным фокусным расстоянием и фотоаппарата Olympus Mk10 с  объективом с переменным фокусным расстоянием.

Введение

Технология лазерного сканирования зданий получила большое распространение. На данный момент на рынке представлено множество компаний, работающих в этой области, однако преимущественно со специализацией на промышленность, строительство, горные работы и т. д. Очень мало компаний специализируются на культурно-исторических объектах, где крайне важны мельчайшие детали, высокое разрешение, а также хорошие текстуры. Так как сфера культуры получает недостаточно средств, а оборудование дорогостоящее, крайне важно сразу выбрать правильный инструмент. Мы решили сравнить лазерные сканеры и системы фотограмметрии разных производителей, чтобы оценить рентабельность и качество снимков, а также временные затраты на обработку и стоимость аппаратного оборудования и программного обеспечения. Для культурно-исторических объектов всегда разрабатывают качественную документацию, поэтому результат должен быть не только внешне эстетически привлекательным, но еще важно, чтобы можно было извлечь, к примеру, профиль плинтуса под столом.

Цель и поставленные вопросы

Цель данной работы заключается в том, чтобы представить объективный обзор сканеров разных производителей и моделей для документирования, прежде всего, культурно-исторических зданий, но также и других крупных объектов. Изучаемые параметры: уровень шума, отклонение, простота применения и стоимость. Каким методом проводится сравнение? Мы планируем сравнивать результаты лазерного сканирования и результаты фотограмметрии и оценивать разницу между ними, используя объектив с фиксированным фокусным расстоянием и ручной фокусировкой (рекомендуется) и объектив с переменным фокусным расстоянием и автофокусом (не рекомендуется).

Метод

Местоположение
В качестве объекта была выбрана небольшая столовая в доме и кабинет в здании рудной фермы, расположенном в музее. Мы выбрали именно эти помещения из-за их формы в виде подковы, что может представлять определенные трудности при работе. Кроме того, деревянные панели имеют достаточно высокую отражательную поверхность, в результате чего сложнее получить хороший отраженный сигнал. Наконец, в этих помещениях множество деталей, которые нужно подробно зафиксировать. При работе со слишком простым объектом можно получить хороший результат даже с плохим сканером, а с слишком сложным объектом есть риск не получить никаких измеримых результатов. Поэтому мы выбрали золотую середину.
На плане ниже стены помещений помечены буквами A-F.

Шум

Обычно перед созданием сетки облако точек нужно почистить. Однако для этого исследования мы не чистили облако точек, чтобы визуализировать шум на каждом скане. Гладкая mesh-сетка отражает шум облака. Большая часть ПО позволяет почистить лишние точки при регистрации. Ниже представлены изображения в порядке увеличения уровня шума.

Faro Focus s70

Leica RTC360

Очень чистая и четкая модель с минимальным уровнем шума. Наблюдаются трудные области, например боковая часть часов с маятником, дверной проем в стене В и нижняя часть двери в стене G. 

Trimble x7

Работая со сканером Trimble, мы не использовали самое высокое разрешение, а выбрали четырехминутное сканирование. Мы не исключаем, что уровень шума был бы меньше, если бы мы выбрали более высокое разрешение. Точность была одинаковой при всех настройках. Результат неплохой, но не идеальный.  

Leica BLK360

Здесь уже наблюдается более высокий уровень шума. Но так как это более бюджетный вариант сканера, то результат был ожидаемым. 

Модель, построенная по фотограмметрии, использовался объектив с постоянным фокусным расстоянием:

У фотограмметрической модели очень неравномерное качество. Съемка очень яркого окна на стене С, а также отражения на стене А стали причиной высокого уровня шума. А стены D и G, наоборот, имеют неплохое качество.

Фотограмметрическая модель, объектив с переменным фокусным расстоянием:

При использовании объектива с переменным фокусным расстоянием, мы столкнулись с такими же проблемами, только результат получился еще хуже из-за более широкого объектива и меньшего количества пикселей.  

Leica BLK2GO

Очень высокий уровень шума, что можно было ожидать от ручного сканера. Также наблюдаются расплывчатые пятна. Преимущество ручного сканера в его скорости, но не точности. С его помощью можно добраться до труднодоступных мест.

Отклонения

Масштабирование модели. Объектив с переменным фокусным расстоянием.

Масштабирование модели. Объектив с постоянным фокусным расстоянием.

Leica RTC360

Точность до миллиметра.

Leica BLK2GO

Хотя этот скан самый шумный из всех, он очень точный с точки зрения геометрии. Точность до нескольких миллиметров. 

Trimble X7

Немного хуже предыдущего скана, отклонение составляет 8-9 мм в двух углах. Но в 90 % точность скана достигает нескольких миллиметров. Стена Е немного сдвинулась по оси и привела к сдвигу стен D и F. Если бы это была исключительно ошибка регистрации между двумя комнатами, то, скорее всего, произошло бы вращение и мы бы увидели также отклонение стены Е.

Leica BLK360

На этом скане хорошая геометрия, но мы видим, что полностью отодвинулись стены A и F. Это означает, что масштабирование по одной оси смещено на 10 мм, с двумя другими осями все в порядке. 

Фотограмметрия, объектив с постоянным фокусным расстоянием. 

Масштабирование отключено, поэтому ничего нельзя сказать о результате. Это говорит о том, что использование складного метра не дает точные результаты.  

Фотограмметрия, объектив с переменным фокусным расстоянием. Масштабирование.

После масштабирования пол и потолок хорошо выровнены в пределах нескольких миллиметров. Однако стены оказались вне масштаба. 

Шум

Результаты исследования показали, что уровень шума зависит от стоимости оборудования. Исключением можно назвать сканер BLK2GO, так как он ручной. Незапланированное использование объектива 50 мм с фиксированным фокусным расстоянием для фотограмметрии привело к множеству проблем. Пришлось выбирать максимально большое расстояние от объекта, чтобы захватить как можно большую площадь. В связи с этим было непрактично использовать ручной фокус, так как расстояние постоянно менялось. При съемке небольшой площади очень многие изображения нужно было перекрывать. Наша лицензия на Reality Capture ограничена 1000 изображений, а у нас было их 1060. После сортировки мы убрали 60 изображений, но в результате сбилось выравнивание и в модели оказалось только 868 изображений. Поэтому некоторые части оказались неудачными и не подлежат оценке.

Отклонение

Сканы RTC360 и BLK2GO точно соответствуют образцу FARO focus s70. Это, по всей видимости, подтверждает, что скан FARO действительно правильный. Качество сканов с точки зрения отклонения также зависит от стоимости сканера.

С помощью фотограмметрии и ручного сканера можно сделать снимки областей, недоступных для других сканеров. Однако надежный результат фотограмметрии во многом зависит от умений и знаний фотографа. Кроме того, результат фотограмметрии трудно оценить, если нет облака точек. Использование складного метра или любого другого метра недостаточно для масштабирования больших площадей. Потребуются какие-то опорные точки для правильного масштабирования и фиксации модели. Для этого  можно использовать RTK ровер, лазерный сканер или тахеометр. Модель с объективом с переменным фокусным расстоянием и автофокусом не позволила выровнять снимки даже после масштабирования. Лазерные сканеры, с другой стороны, могут быть очень надежным инструментом, но при работе с ними также потребуется геопривязка, если речь идет о большом пространстве. Размещение марок не вызывает проблем при работе с экстерьером. Но если разместить марки в интерьере, то они могут заблокировать часть сканируемого объекта.

Время

Когда мы делали всего несколько сканов небольшого помещения, то разница во времени была незначительной. Особенно если учесть, что на сканирование уходит всего один день, но потребуются недели в офисе для последующей обработки облаков точек, в зависимости от характера проекта. Если же речь идет об удаленных областях или сканировании крупного объекта или местности, открытой для свободного посещения, то время сканирования может варьироваться от одного до трех дней на одном объекте.

Стоимость

Для того чтобы окупить стоимость приборов и программного обеспечения, нужно очень много сканировать. Особенно если для работы ПО необходимо оплачивать подписку, так как платить за нее придется, даже если вы не пользуетесь сканером. А учреждения культуры, как правило, получают финансирование под конкретный проект, а не на долгосрочные затраты. Даже аренда сканера может стоить намного дороже, чем пригласить специалиста, который сделает для вас сканирование, так как вам придется самостоятельно приехать забрать сканер, затем вернуть его, а также заплатить за аренду ПО. Стоит лишь надеяться, что производители изменят свой подход и покупатели смогут купить сканер, даже если не планируют пользоваться им постоянно. Ведь если у вас есть сканер, то применение ему всегда найдется. 

Понравилась наша статья? Читайте другие статьи нашего блога по ссылке.