Foto lisää realismia
Kirjoittaja: Anna Erving, TKK, Fotogrammetrian ja kaukokartoituksen laboratorio
Artikkeli pdf-muodossa (Positio 1/2008)
Tietokonepelit, teollisuuden simulointisovellukset, kaupunkisuunnittelu ja Google Earth ovat vain murto-osa kolmiulotteisten mallien käyttömahdollisuuksista.
Kokonaisista kaupunkialueista on jo olemassa näyttäviä kolmiulotteisia malleja. Usein malleihin lisätään vielä pintatekstuuri, jolloin kohde voidaan esittää lähes todellisuutta vastaavasti. Jos tekstuuri tulee oikealta valokuvalta, on tulos entistä realistisemman näköinen. Tällöin puhutaan fotorealistisesta 3D-mallista.
Fotogrammetriassa, kuten maanmittauksessa yleensäkin, kohdetta kuvaavien mallien tulisi olla mittatarkkoja. Tämä mahdollistaa erilaisten mittausten tekemisen. Kun pinnalle liitetään mittatarkka tekstuuri, paranee tulkittavuus entisestään lisääntyneiden yksityiskohtien myötä. Mittatarkan tekstuurin liittäminen pinnalle ei kuitenkaan ole ihan yksinkertaista. On otettava huomioon kameran sisäinen ja ulkoinen orientointi sekä perspektiivistä johtuvat vääristymät kuvalla.
Ajatellaan esimerkkinä rakennuksen julkisivua, johon liitetään valokuvatekstuuri. Kuvaan tulee näkyviin perspektiivistä vääristymää, otettiin se sitten viistosti tai kohtisuoraan kohdepintaan nähden. Perspektiivistä johtuen pikselit ovat eri kohdissa kuvaa erikokoisia ja -muotoisia. Kuva on siis oikaistava muunnoksen avulla ns. ortokuvaksi, ennen kuin se voidaan liittää kohdemallin pintaan. Yleensä käytetään projektiivista muunnosta.
Ideaalitapauksessa teksturointiprosessi etenee seuraavasti. Tekstuurikuvat otetaan siten, että kamera on kalibroitu ja kuvanottopaikka ja suunta ovat selvillä. Tekstuuri irrotetaan kuvalta joko manuaalisesti tai piirreirrotuksen avulla. Tekstuurikuva liitetään 3D-mallin pintaan esimerkiksi projektiivisella muunnoksella, jolloin kuvan ja kohteen välille tarvitaan neljä vastinpistettä. Sekä kuvalta että kohteesta on siis tunnettava neljä yhteistä pistettä samassa koordinaatistossa, jotta yhdistämiseen tarvittava geometria saadaan selville.
Yleensä työ ei kuitenkaan ole näin yksinkertaista. Aina ei ole mahdollista saada tarkkaa tietoa kuvanottopaikasta, jolloin kuvan ulkoinen orientointi on tehtävä muita apuja käyttäen. Tällöin on turvauduttava esimerkiksi likimääräiseen gps-mittaukseen ja kompassisuuntaan, joita voidaan tarkentaa myöhemmin yhteisten piirteiden etsinnällä kohdemallilta ja kuvalta.
Yhdistelmillä eroon esteistä
Kuvaushetkellä kohteen edessä saattaa olla esteitä, jotka tulevat mukaan tekstuuriin. Tällaisia näkymäesteitä ovat muun muassa ihmiset, autot ja ympäröivä kasvillisuus. Myös kohteeseen syntyvät varjot on hyvä ottaa huomioon kuvausajankohtaa suunniteltaessa.
Näkymäesteitä on lähes mahdoton välttää erityisesti kaupunkialueilla kuvattaessa,
sillä kuvauspaikkoja on rajallisesti. Näkymäesteiden tunnistaminen ja mahdollinen eliminointi voi tapahtua prosessin eri vaiheissa, kuten jo kuvaustilanteessa tai ennen kuvien liittämistä mallin pintaan. Esteiden poistamiseksi on kehitetty monenlaisia menetelmiä. Kuvaus voidaan tehdä siten, että kuvassa esiintyy mahdollisimman pieni määrä näkymäesteitä. Toisaalta myös usean samaa kohdetta esittävän kuvan yhdistäminen poistaa esteitä.
Liikkuvien näkymäesteiden tapauksessa kuvia kannattaa ottaa useita samasta paikasta, jolloin liikkeessä olevat esteet vaihtavat paikkaa. Näkymäesteetön julkisivu saadaan kokoamalla uusi kuva sellaisista pikseleistä, joissa este ei ole näkyvissä. Paikallaan olevat näkymäesteet puolestaan saadaan poistettua ottamalla kuvia eri suunnista, muuntamalla ne ortokuviksi ja samaan koordinaatistoon, ja valitsemalla jälleen esteettömät pikselit loppukuvaan.
Edellä kuvatut näkymäesteet ovat lähes aina mallintamattomia, eli niiden geometriasta tai sijainnista ei ole mitään etukäteistietoa. Mallinnetut näkymäesteet taas voivat olla vaikkapa itse kohdemalliin kuuluvia muiden rakennusten osia. Ne on helpompi tunnistaa ja tällöin myös sopivimmat tekstuurikuvat on mahdollista valita pintakuvioksi. Täysin automaattista ja joka tilanteessa toimivaa menetelmää näkymäesteiden poistoon ei kuitenkaan vielä ole. Tämä aiheuttaakin usein pullonkaulan koko teksturointiprosessin automatisoinnille.
Neljän tuulen kuva
Teksturointiprosessin automatisointia kaivataan erityisesti laajojen aineistojen, kuten kokonaisten kaupunkialueiden, käsittelyssä. Periaatteessa työ voidaan toteuttaa täysin automaattisesti, jos kuvien ja kohdemallin välinen orientointi on tarkasti tiedossa ja jos kuvilla ei ole mallintamattomia näkymäesteitä.
Täysin automaattisen menetelmän toteuttaminen on kuitenkin erittäin haastavaa tai jopa mahdotonta tapauksissa, joissa tarvittavat lähtötiedot ovat puutteelliset, tekstuurikuvat sisältävät näkymäesteitä tai prosessissa on muita ongelmatilanteita.
Edellä esitetyissä menetelmissä kohteiden visualisointiin voidaan käyttää sekä maa- että ilmakuvia. Ilmakuvat ovat kuitenkin melko sopimattomia pystysuuntaisten julkisivujen teksturointiin. Normaalisti kattotekstuurit otetaan ilmakuvilta ja seinätekstuurit maakuvilta. Myös viistoilmakuvia voidaan käyttää teksturointiin, jolloin koko kuva-aluetta voidaan hyödyntää tekstuurin hankinnassa. Kuvia pitää kuitenkin ottaa viistosti eri puolilta rakennusta, jotta jokainen sivu saadaan näkyviin.
Virtual Earth (http://www.virtualearth.com) sisältää erilaisia ilmakuva-aineistoja ympäri maailmaa. Matalalta kuvattuja viistoilmakuvia löytyy suurimmista kaupungeista, Suomestakin esimerkiksi Helsingistä, Turusta ja Tampereelta. Viistokuvat on eritelty sen mukaan, mistä suunnasta kuva on otettu. Jokainen rakennus näkyy periaatteessa neljästä eri ilmansuunnasta, jolloin myös suurin osa julkisivuista löytyy kuvilta.
Ilmakuvien käyttö on erityisen sopivaa laajoille aineistoille, jolloin kohdemallit koostuvat yleensä mahdollisimman yksinkertaisista tasoista. Manuaalisuus pyritään vähentämään minimiin, jotta työmäärä ei kasvaisi liian suureksi. Tällöin automaattiset menetelmät ovat erittäin tervetulleita. Vastaavasti manuaalista työtä voidaan keskittää yksilöllisiin ja vaativampiin kohteisiin, kuten kirkkoihin ja muihin merkittäviin rakennuksiin.
Fotorealististen mallien massatuotanto on jo mahdollista, sillä osa työvaiheista voidaan jo täysin automatisoida. Automaattisuus tekee tuotantoprosessista kuitenkin myös kankeamman, sillä silloin ei voida erikseen käsitellä kaikkia erikoistilanteita.
Kirjoittaja teki diplomityön (Julkisivutekstuurin liittäminen 3D-malliin) aiheeseen liittyen VTT:n 3D-Maasto -projektissa. Sähköposti: anna.erving[at]tkk.fi
Virtual Earth www.virtualearth.com
30.6.2010 08:26