CC BY
126
УДК 528.721.221.6
Д.В. Комиссаров, Е.В. Миллер, М.А. Аверков, В.В. Загородний СГГ А, Новосибирск
ПОСТРОЕНИЕ ТРЕХМЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ СПОРТИВНЫХ СООРУЖЕНИЙ СРЕДСТВАМИ ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ (НА ПРИМЕРЕ НОВОСИБИРСКОГО БИАТЛОННОГО КОМПЛЕКСА)
В настоящее время технология трехмерного лазерного сканирования активно внедряется в производство и уже нашла свое применение при решении классических задач топографии, проектирования, строительства и эксплуатации инженерных сооружений, контроля качества в приборостроении и т.д. Однако преимущества, которые дает данная технология, позволяют говорить о ее применении при решении нетрадиционных задач, например при построении трехмерных моделей спортивных сооружений.
Трехмерные модели спортивных сооружений могут служить для: разработки виртуальных тренажеров с целью подготовки спортсменов к соревнованиям, ознакомления зрителей с размерами, конфигурацией и сложностью спортивных сооружений, повышения зрелищности телевизионных трансляций, оптимального выбора местоположения и ракурса теле- видеокамер, проектирования мероприятий по обеспечении безопасности зрителей и спортсменов во время проведения соревнований.
В январе 2005г. Региональным центром лазерного сканирования была построена трехмерная модель Новосибирского биатлонного комплекса (НБК) для визуализации трасс чемпионата Европы по биатлону 2005. Построение трехмерной модели Новосибирского биатлонного комплекса включало в себя следующие процессы:
1. Составление проекта;
2. Рекогносцировку местности;
3. Подготовку планово-высотного обоснования;
4. Трехмерное лазерное сканирование;
5. Предварительную обработку данных сканирования;
6. Построение трехмерной векторной модели объекта;
7. Редактирование и подготовку к визуализации трехмерной модели в среде 3D Studio MAX.
Во время проведения рекогносцировки были запланированы точки основного и рабочего съемочных обоснований, а так же точки стояния сканера. Подготовка основного планово-высотного обоснования производилась с помощью GPS-аппаратуры, так как побочным продуктом создания модели являлся цифровой топографический план биатлонного комплекса масштаба 1:500 в системе координат 1942 года. Сгущение основного планово-высотного обоснования производилось методом прокладки теодолитных ходов с помощью тахеометра Leica TCR-405.
Сканирование территории НБК выполнялось сканером Riegl LMS-360. Для увеличения площади захвата сканером и устранения мертвых зон трехмерная лазерная съемка производилась с крыши специально
оборудованной машины УАЗ. Для ориентирования сканов во внешней системе координат использовались специальные светоотражающие марки, координаты которых были определены тахеометром с точек рабочего планово-высотного обоснования. Исходя из предыдущего опыта работ, при сканировании местности использовалось угловое вертикальное и горизонтальное разрешение 0.12°. Такое разрешение обеспечивает оптимальные время съемки и плотность точек для построения цифровых моделей рельефа, с точностью соответствующей требованиям карт масштаба 1:500. Сканирование зданий и сооружений производилось с угловым разрешением 0,05-0,07° в зависимости от удаленности объекта. Увеличение разрешения было обусловлено более высокими требованиями к точности и детальности моделей инженерных сооружений.
Вся территория Новосибирского биатлонного комплекса площадью 53,5 га была отсканирована с 79 станций, с которых было получено 85 сканов («облака точек»), за 9 дней.
Предварительная обработка производилась в программном обеспечении (ПО) Riscan PRO и заключалась в фильтрации результатов сканирования и ориентировании сканов в единой внешней системе координат. Для этого перед началом обработки в программу загружался файл, в котором хранились координаты всех марок, полученные в единой внешней системе с помощью электронного тахеометра. Затем ПО Riscan PRO автоматически устанавливала соответствие между координатами марок, полученными тахеометром и сканером, вычисляла шесть элементов внешнего ориентирования каждого скана и средние квадратические ошибки (СКО) привязки по значениям невязок между координатами марок.
Среднеквадратические ошибки ориентирования сканов во внешней системе координат составили mmax=0.019м и Щр=0.011м.
После этого выполнялось экспортирование результатов сканирования в различные программные продукты с целью построения непосредственно трехмерной модели НБК. Для удобства обработки процесс построения цифровой модели биатлонного комплекса был разбит на три части: построение цифровая модель рельефа (ЦМР) всего комплекса, создание цифровой модели трасс и построение трехмерных моделей зданий и сооружений.
Цифровая модель рельефа всего комплекса строилась в соответствии со следующей технологией:
1. Разрежение облака точек с помощью пространственного фильтра ПО
Л
Ricube (плотность точек после разрежения составила 1 точка на 1 м );
2. Удаление точек, не принадлежащих поверхности земли, с помощью топографического фильтра программного продукта RealWorks Survey.
3. Построение регулярной сетки высот методом Кригинга в ПО SURFER.
4. Построение ЦМР в виде TIN-поверхности (поверхность представленная в виде нерегулярной сети треугольников). Этот этап выполнялся в программном обеспечении Cyclone 5.1.
Модель трасс биатлона строилась по следующей схеме:
1. Сегментация облака точек. В программном продукте cyclone в интерактивном режиме удалялись все точки, не принадлежащие поверхности трас;
2. Фильтрация облака точек, полученного на первом этапе, с целью удаления шумов;
3. Построение трассы в виде tin-поверхности и ее сглаживание;
4. Сшивка цифровой модели трассы и цифровой модели рельефа.
Внешний вид полученной модели трассы и ЦМР представлен на рис. 1.
Рис. 1. Цифровая модель рельефа и трассы НБК
Оценка точности построения модели относительно облака точек полученного сканером выполнялась следующим образом:
1. В ПО Cyclone 5.1 при помощи модуля Virtual Surveyor набирались пикеты в характерных точках рельефа и трассы;
2. Для этих же точек были определены высоты на построенной поверхности;
3. Вычисление разностей высот пикетов и точек модели;
4. Вычисление СКО по формуле:
m =
zn — zм
n — 1
)2
где zм - высоты точек модели;
zП - высоты точек пикетов;
n - количество пикетов.
Среднеквадратическая ошибка построения ЦМР для залесенных территорий составила 0.1м, а для застроенной территории 0.06м.
Построение моделей зданий и инженерных сооружений производилось в программном продукте Cyclone 5.1. Данное ПО дает возможность быстрой и качественной векторизации результатов лазерного сканирования в интерактивном режиме.
Окончательное построение и редактирование модели НБК производилось в среде 3D Studio Max, где была создана окружающая среда и растительность. Данные о положении, густоте и характеристиках деревьев были получены по результатом наземного лазерного сканирования, после чего деревья, растущие вдоль трасс, были построены как трёхмерные объекты на цифровой модели рельефа в соответствии со своим реальным местоположением. На территриях не примыкающих к трассам использовался более быстрый и простой метод создания растительности - с помощью инструмента «scatter». «Scatter» является встроенным инструментом 3D Studio Max и позволяет расставлять любые объекты на любой поверхности с требуемой густотой. Цифровая модель рельефа НБК была разделена на области с различной плотностью растительного покрова, и на каждом участке деревья были построены с заданной плотностью. По фотографиям с объекта была выбрана нужная текстура для коры деревьев. В целях экономии времени текстура коры выполнена в виде процедурной карты, имитирующей поверхность коры дерева (берёзы).
Также в программе 3D Studio Max были получены профили всех трасс. Для этого в окне ортографической проекции «сверху» были построены двумерные сплайны, описывающие трассы. Количество точек в сплайнах было увеличено до 150-200, чтобы впоследствии более точно определить параметры рельефа вдоль трассы. Затем сплайны проецировались на поверхность ЦМР вдоль её нормалей с помощью инструмента «glue». Таким образом, были получены трёхмерные профили, описывающие превышения и уклоны по трассе. Для более наглядного представления трёхмерные сплайны были «развернуты» на плоскость и их масштаб по высоте был увеличен в 4 раза.
После импорта в 3D Studio Max моделей строений на территории НБК, были выполнены следующие шаги:
1. Разбиение моделей на отдельные объекты (разделение зданий и трибун на отдельные части по материалам);
2. Подбор по фотографиям и создание материалов с необходимыми свойствами. Использовались карты отражения/преломления, диффузного рассевания и шероховатости, близкие к реальным значениям для данного материала;
3. Наложение системы координат для правильного проецирования текстур;
4. Подбор и настройка освещения и теней, глубины трассировки лучей и способа затенения;
5. Построение траекторий движения виртуальных камер, выбор выгодного их фокусного расстояния и ракурса съёмки.
После вышеописанных процессов была получена полная трёхмерная модель НБК с общим числом граней более 30 миллионов. С помощью нескольких виртуальных камер были получены видеоролики и отдельные снимки спортивного комплекса. Примеры таких снимков представлены на рис. 2.
Рис. 2. Примеры снимков трехмерной модели НБК, полученных виртуальными камерами в среде 3D Studio Max
Опыт построения трехмерной модели Новосибирского биатлонного комплекса показал высокую эффективность технологии трехмерного лазерного сканирования при съемке сооружений и территорий. В настоящее время специалистами центра лазерного сканирования СГГА отрабатываются различные варианты использования полученной модели для решения практических задач, в частности создания виртуальных тренажеров.
© Д.В. Комиссаров, Е.В. Миллер, М.А. Аверков, В.В. Загородний, 2005
