CC BY
70
УДК 528.48
О.А. Дементьева, В.А. Середович, Д.В. Комиссаров СГГ А, Новосибирск
ПОСТРОЕНИЕ ТРЕХМЕРНОЙ МОДЕЛИ НОВОСИБИРСКОГО ОБЛАСТНОГО ТЕАТРА КУКОЛ
Одной из наиболее перспективных областей применения технологии лазерного сканирования является построение трехмерных моделей памятников культуры и архитектуры. Обычно такие модели используются для разработки проектов реставрации памятников. Однако информационный потенциал, заложенный в трехмерном представлении объекта, позволяет использовать 3D модель для решения более широкого спектра задач.
В марте 2006 года Региональным центром лазерного сканирования СГГА выполнено сканирование Новосибирского областного Театра кукол. Цель данного проекта построение трехмерной модели зрительного зала театра с отображением всех осветителей и прожекторов. Освещение в Театре кукол играет одну из ключевых ролей в ходе проведения спектаклей, поэтому, модель зрительного зала необходима заказчику в формате программного продукта (ПП) 3DStudioMax для дальнейшего моделирования постановки света и проектирования декораций. Также для демонстрации интерьеров театра и разработки виртуального навигатора построены трехмерные модели фойе и музея кукол.
Сканирование помещений Театра кукол выполнялось в течении 7 часов, наземным лазерным сканером Riegl LMS-Z360 (точность единичного измерения 12 мм). Весь интерьер театра был отснят с 18 станций в режиме двукратного сканирования. Для связки сканов использовались круглые световозвращающие марки, с возможностью разворота вокруг своей оси без изменения положения координат их центра. Определение координат марок осуществлялась электронным тахеометром Leica TCR405 в условной системе координат. Сшивка сканерных данных выполнялась в ПП RiSCAN PRO с использованием специальных инструментальных средств. Оценка качества внешнего ориентирования сканов во внешней системе координат производилась по разностям координат марок, средняя величина которой по всем 18 станциям составила 7,8 мм. Далее осуществлялось осреднение результатов многократного сканирования и экспорт данных в формат программного обеспечения (ПО) Leica HDS Cyclone 5.2 для дальнейшей обработки.
Программа Cyclone позволяет векторизовать облака точек несколькими методами:
- Вписывание геометрических примитивов в автоматическом режиме;
- Вписывание геометрических примитивов в полуавтоматическом режиме;
- Встраивание примитива в интерактивном режиме.
При использовании автоматической функции оператор из всего облака точек указывает одну, которая принадлежит поверхности встраиваемого элемента. После вызова функции Region Grow программа анализирует соседние точки и выделяет те, которые максимально соответствуют примитиву, после чего в выделенные точки встраивается сам примитив в соответствии с некоторым критерием (например, по методу наименьших квадратов). Качество построения примитива можно оценить по средней квадратической ошибке (СКО) встраивания. Однако данная функция построения требует, чтобы величина шума измерений была на порядок ниже по отношению к размеру самого объекта.
Функция вписывания примитива в «облако» точек в полуавтоматическом режиме является более гибкой, но и трудоемкой, поскольку задачу фильтрации «облака точек» (удаления точек, не принадлежащих примитиву), в которое будет вписываться примитив, решает оператор.
Для некоторых элементов объекта по результатам лазерного сканирования можно определить положение, ориентацию и размер, но величина шума измерений сопоставима или больше размера самого элемента, в связи с чем программа не в состоянии корректно вписать в облако точек нужный примитив. Поэтому такие элементы строились в интерактивном режиме, и точность их встраивания в облако точек оценивалась визуально.
Для построения модели внутренних помещений Театра кукол использовались все перечисленные режимы построения примитивов в той или иной комбинации. Более детально рассмотрим построение модели зрительного зала.
Зрительный зал Театра кукол имеет овальную форму. На стенах зала присутствуют разнообразные элементы декора. Потолок помещения имеет сложную поверхность, на которой расположены осветители различного типа. Пол зрительного зала плоский с наклоном к сцене. В плоскости пола имеются выемки, в которых установлены ряды кресел для зрителей.
Работа по построению модели началась со стен. Для отрисовки рельефной части стены в произвольной точке задавалась базовая плоскость параллельная плоскости X-Y локальной системы координат (функция Set Reference Plane to X-Y Plane). С помощью инструментов визуализации «облако точек» представлялось в ортогональной проекции, т.е. задавался вид сверху (Top View) и ортогональная проекция (Orthographic). Инструмент Limit Box ограничивал необходимый на данный момент работы фрагмент «облака точек», т. е. участок стены, чтобы четко «прочитать» ее форму. Для векторизации использовался инструмент Draw Polygon - построение полигона, с помощью которого прорисовывались все декоративные элементы. Затем по построенной полилинии строилась плоскость (From Curves\Patch), далее она «выдавливалась» на нужное расстояние (функция Extrude). По такому же принципу строились нижняя часть стен и различные декоративные элементы. Плоскости стен строились с небольшим перекрытием, чтобы можно было редактировать модель в AutoCAD для исключения «зазоров» между плоскостями.
Потолок зрительного зала имеет сложную форму, средствами ПО Cyclone построить его поверхность затруднительно. Поэтому, построение этой архитектурной части театра выполнялась в ПП Rapid Form 2004, где потолок был представлен в виде NURBS - поверхности. Затем модель потолка преобразовывалась в формат AutoCad, где она автоматически представлялась в виде Mesh поверхности с необходимым уровнем детализации. Освещение, расположенное на потолке, представлялось в виде примитивов, построенных средствами Cyclone.
Пол помещения представлен двумя плоскостями. Первая плоскость, совпадающая с поверхностью пола, построена в автоматическом режиме. На ней отрисованы полилинии, указывающие места углублений для рядов кресел. На основе данных полилиний исходная плоскость превращена в перфорированную (инструмент Patch\Subtract from Patch). Затем полученная плоскость с помощью функции Extrude «выдавливалась» на расстояние, совпадающее с высотой углублений. Чтобы закрыть полученные «отверстия» строилась вторая плоскость, идентичная первой, но не перфорированная, далее она «выдавливалась» на произвольную «глубину» и устанавливалась с небольшим перекрытием относительно первой плоскости. Это необходимо для редактирования модели в AutoCAD: исключения зазоров между плоскостями и их дальнейшего объединения.
Места в зрительном зале расположены следующим образом: каждый ряд кресел расположен по дуге, кресла в ряде расположены каждое под своим углом разворота. Для решения задачи моделирования кресел было полностью построено одно кресло из набора примитивов. Построенная модель кресла каждый раз копировалось и с помощью функции поворота и смещения вписывалось в «облако точек» в интерактивном режиме.
Множество прожекторов, находящихся вокруг сцены, обозначались условно (посредством примитива «шар»), так как важно указать именно центр освещения. Затем при дальнейшей работе с моделью в ПП 3DStudioMax примитивы заменят объектами «прожектор». Также построены штанги, на которых крепятся прожекторы.
Следующим этапом работы являлся экспорт модели зала в формат AutoCADs В AutoCADе проводилось косметическое редактирование модели и дальнейший ее экспорт в ПП 3D-Max. В программном комплексе 3DStudioMax проводилось окончательное редактирование модели (наложение текстур по фотографиям, создание демонстрационных видеороликов и т. д.) и разработка подпрограммы для виртуального управления осветителями сцены с возможностью управления такими параметрами прожекторов, как их направленность, угол поля зрения, сила освещения и цвет используемого светофильтра.
Представленный пример демонстрирует, что трехмерные метрические модели в сочетании с алгоритмами имитационного моделирования в значительной степени позволяют расширить спектр решаемых задач.
© О.А. Дементьева, В.А. Середович, Д.В. Комиссаров, 2006
