Lasersko skeniranje artefakata

SVEUILITE U ZAGREBU GEODETSKI FAKULTET

Mateo Gaparovi LASERSKO SKENIRANJE ARHEOLOKIH ARTEFAKATA Diplomski rad

Zagreb, prosinac 2009.

Gaparovi, M.:

Lasersko skeniranje arheolokih artefakata

ZahvalaZahvaljujem svom mentoru doc. dr. sc. Dubravku Gajskom na strpljenju, pomoi i vodstvu pri izradi ovog diplomskog rada. Srdano se zahvaljujem dr. sc. Goranki LipovacVrkljan znanstvenoj suradnici na Institutu za arheologiju u Zagrebu za pomo pri opisu arheolokih artefakata. Zahvaljujem se Miljenku apiu dipl. ing. geod. direktoru firme Geographica d.o.o. na ustupljenom laserskom skeneru. Takoer, zahvaljujem Muzeju grada Crikvenice na ustupljenim arheolokim artefaktima. Posebno hvala Ivi na pomoi i sugestijama prilikom izrade ovog rada. Hvala svim prijateljima i kolegama uz kojih su dani provedeni na fakultetu proli puno zabavnije. Najvee hvala mojim roditeljima i sestri Andrei na razumijevanju i podrci tokom studiranja.

2

Gaparovi, M.:


I. AutorIme i prezime: Mateo Gaparovi Datum i mjesto roenja: 6. 8. 1986., Rijeka, Hrvatska

II. Diplomski radPredmet: Fotogrametrija Naslov: Lasersko skeniranje arheolokih artefakata Mentor: doc. dr. sc. Dubravko Gajski Voditelj: doc. dr. sc. Dubravko Gajski

III. Ocjena i obranaDatum zadavanja zadatka: 1. 12. 2008. Datum obrane: 11. 12. 2009. Sastav povjerenstva pred kojim je branjen diplomski rad: 1. doc. dr. sc. Dubravko Gajski 2. mr. sc. Tomislav Ciceli 3. mr. sc. Andrija Krtali

3

Gaparovi, M.:


Lasersko skeniranje arheolokih artefakataMateo GaparoviSaetak: Nakon viegodinjih arheolokih istraivanja u Crikvenici pojavila se potreba za prezentacijom te publiciranjem dobivenih rezultata. Kada govorimo o rezultatima arheolokih istraivanja misli se dakako i o arheolokim artefaktima pronaenim na nalazitu. Podaci koji opisuju arheoloke artefakte najee su u pisanom ili slikovnom obliku. Razvoj tehnologije laserskog skeniranja otvorio je novo poglavlje u metodama prikupljanja 3D podataka te omoguio potpuno novi nain prezentacije podataka. Kako se zna da slika govori vie od 1000 rijei analogno tome moemo rei da jedan 3D model govori vie od 1000 slika. Svakako treba naglasiti da su 3D modeli dobiveni laserskim skeniranjem u potpunosti mjerljivi, zapisani u mjerilu 1:1 te visoke tonosti. Samim time skrauje se posao opisivanja te crtanja arheolokih artefakata. Kljune rijei: lasersko skeniranje, arheologija, 3D model, teksturiranje.

Laser Scanning of Archaeological ArtifactsMateo GaparoviSummary: After several years of archaeological research in Crikvenica, there is a need for presentation and publication of the results. When we talk about the results of archaeological research that is of course about archaeological artifacts found at the site. The data describing the archaeological artifacts are mostly in written or visual form. The development of laser scanning technology has opened a new chapter in the methods of collecting 3D data and enable a whole new way of presentation of data. Since you know that the picture says more than a 1000 words that is analogous to say that a 3D model says more than a 1000 pictures. Certainly, it should be noted that 3D models created by laser scanning are fully measurable, written in the scale of 1:1, and high accuracy. Thus, shorten the work of describing and drawing of archaeological artifacts. Key words: laser scanning, archaeology, 3D model, texturing.

4

Gaparovi, M.:


Lasersko skeniranje arheolokih artefakataMateo Gaparovi

Sadraj1 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 3 4 4.1 4.2 5 5.1 5.2 5.3 5.3.1 5.3.2 6 Uvod ...................................................................................................................... 7 Arheoloki artefakti .............................................................................................. 10 Jadranska amfora ravnog dna tip Crikvenica ................................................. 11 Rimska zdjelica ................................................................................................ 11 Rimski lonac .................................................................................................... 12 Rimski vr (oinohoa) ....................................................................................... 13 Rimska kadionica ............................................................................................. 13 Rimski poklopac amfore .................................................................................. 14 Rimski poklopac posua .................................................................................. 14 Rimski uteg ......................................................................................................15 Potreba za skeniranjem ......................................................................................... 16 Metode prikupljanja 3D podataka ......................................................................... 18 Pregled razliitih metoda .................................................................................. 18 Lasersko skeniranje .......................................................................................... 19 Laserski skeneri .................................................................................................... 21 Dodirni skeneri ................................................................................................ 21 Daljinski laserski skeneri.................................................................................. 21 Triangulacijski laserski skeneri ........................................................................ 22 Komercijalni triangulacijski laserski skeneri ............................................... 23 Laserski skener VIVID 9i ...........................................................................25

Skeniranje arheolokih artefakata ......................................................................... 28

5

Gaparovi, M.:


6.1 6.2 6.3 7 7.1 7.2 7.3 7.3.1 7.4 7.5 7.6 7.6.1 7.6.2 7.7 8 9 10 11 12 13

Specifinosti skeniranja.................................................................................... 28 Snimanje tekstura ............................................................................................. 28 Vanost rasvjete ............................................................................................... 31 Obrada podataka ................................................................................................... 33 Filtriranje modela i popunjavanje rupa ............................................................. 33 Relativna orijentacija ....................................................................................... 33 Apsolutna orijentacija ...................................................................................... 34 Metoda najmanjih kvadrata pri izjednaenju 3D povrina ........................... 35 Spajanje modela ............................................................................................... 39 Projiciranje tekstura (teksturiranje)................................................................... 40 Spajanje tekstura .............................................................................................. 41 Globalna korekcija ...................................................................................... 42 Lokalna korekcija ....................................................................................... 45 Rezultati...........................................................................................................46 Publiciranje i razmjena podataka .......................................................................... 50 Zakljuak.............................................................................................................. 52 Literatura .............................................................................................................. 54 Popis slika ............................................................................................................ 57 Prilozi ................................................................................................................... 59 ivotopis .............................................................................................................. 61

6

Gaparovi, M.:


1 UvodViegodinjim radom s arheolokim strunjacima na vie lokaliteta diljem Republike Hrvatske upoznao sam problematiku njihovog rada. Arheologija nije samo kopanje i pronalazak artefakata, ve i njihova dokumentacija. Dobro dokumentiranim nalazom smatramo artefakt s poznatom pozicijom i datumom njegovog pronalaska, stratigrafskom jedinicom u kojoj je naen, materijalom od kojeg je sainjen i slino. Takoer nakon pronalaska artefakta, ukoliko spada u kategoriju posebnih nalaza slijedi daljnja obrada. U takvu obradu spada prije svega pranje i suenje, crtanje, odnosno dokumentiranje izgleda artefakta. Kao to smo ve spomenuli, dokumentiranje oblika i forme samog artefakta prije se je sastojalo iskljuivo od crtanja rukom. Dananje tehnologije geodetske izmjere omoguuju prikupljanje velike koliine 3D podataka u kratkom vremenu. Prije svega, valja naglasiti fotogrametrijsku metodu prikupljanja podataka te lasersko skeniranje. Fotogrametrijska metoda pogodnija je ukoliko se radi o prikupljanju podataka s veeg podruja, primjerice fotoskice arheolokih lokaliteta i/ili njihovih dijelova (Slika 1). Poto je na zadatak bio dokumentiranje, odnosno prikupljanje velike koliine podataka o artefaktima, pogodnija i efikasnija metoda nam je bila metoda laserskog skeniranja. Lasersko skeniranje primjenjuje se za prikupljanje velike koliine 3D podataka u kratkom vremenu. Jedan od krajnjih rezultata obrade te nerijetko i cilj samog skeniranja je izrada 3D modela. Jednako dobro danas se metoda laserskog skeniranja koristi za snimanje velikih prostranstava, ruralnih odnosno urbanih sredina, podmorja, fasada proelja, statua i arheolokih artefakata. Visoko precizni 3D modeli arheolokih artefakata slue arheolokim strunjacima kao kompletna vizualna dokumentacija nalaza. Kombinacijom dviju metoda: fotogrametrijske i metodom laserskog skeniranja dobivamo fotorealistine 3D modele, odnosno 3D modele teksturirane fotografijama.

7

Gaparovi, M.:


Slika 1. Fotoskica arheolokog lokaliteta Crikvenica Igralite (Lipovac-Vrkljan G. 2007c).

Ovakvi fototeksturirani 3D modeli ne samo da su od neprocjenjivog znaaja za strunjake, ve se uvelike mogu koristiti i u prezentacijske svrhe. Dananja tehnologija omoguuje nam interaktivno prezentiranje virtualnih artefakata kako unutar sofisticiranih software-a za 3D modeliranje, tako i unutar samog internetskog preglednika. Prikazivanjem virtualnih artefakata putem interneta uvelike doprinosi boljoj promociji lokaliteta te se samim time ova tehnologija moe koristiti i u turistike propagandne i/ili kulturne svrhe, a ne samo u znanstvene. U ovom diplomskom radu dan je prikaz izrade 3D modela arheolokih artefakata primjenom visoko preciznih triangulacijskih laserskih skenera. O ovoj temi objavljeni su radovi: Akca i dr. 2006 i 2007b, Ahmon 2004, Callieri i dr. 2004, Schindler i dr. 2003. 8

Gaparovi, M.:


Kombinacijom dviju metoda, laserskog skeniranja i fotogrametrije stvara se dobar preduvjet za izradu fotorealistinih 3D modela. Neki od najpoznatijih radova objavljenih iz ovog podruja su: Agathos i Fisher 2003, Alshawabkeh i Haala 2005 te Petsa i dr. 2007, a temom teksturiranja modela: Lambers i dr. 2007, Briese i dr. 2003. U nastavku rada daje se skraeni prikaz suvremenih geodetskih metoda za prikupljanja 3D podataka, s naglaskom na metodu laserskog skeniranja. Prikazuju se vrste, tipovi i tehnike rada laserskih skenera te specifinosti skeniranja. Zatim se detaljno opisuju metode obrade, filtriranja, spajanja te izjednaenja modela LS3D (last square 3D). Takoer, govori se o danas sve popularnijoj temi, nainu publiciranja i razmjeni podataka.

9

Gaparovi, M.:


2 Arheoloki artefaktiArheoloki artefakti koriteni za skeniranje pronaeni su na arheolokom lokalitetu Crikvenica "Igralite". Lokalitet se nalazi u Crikvenici na prostoru nekadanjega pomonog nogometnog igralita. Istraivanje lokaliteta zajedniki je projekt Grada Crikvenice i Instituta za arheologiju u Zagrebu. Istraivanja vodi znanstvena suradnica Instituta za arheologiju dr. sc. Goranka Lipovac-Vrkljan u sklopu znanstvenog projekta Sjeverno Hrvatsko primorje u kontekstu antikog obrambenog sustava. Istraivanja na lokalitetu Crikvenica "Igralite" zapoela su 2004. godine, iako su jo 1983. uoeni rasuti ulomci, pretpostavljalo se, rimske keramike. Iskopavanja zapoeta 2004. godine, nastavljena su 2006, 2007. i 2008. godine (Malari i Gaparovi 2009). Poetnim arheolokim istraivanjem otkriven je rimski antiki sloj u kojemu je pronaeno puno antike keramike i cigle iz 1. i 2. stoljea poslije Krista. Tijekom daljnjih istraivanja pronaeni ostaci keramiarskih pei te naznake zidova keramiarske radionice kao i velika koliina ostataka uporabne i graevinske keramike. Time su potvrene pretpostavke o postojanju veeg radionikog sklopa (Lipovac-Vrkljan 2004). Cjelokupan materijal pronaen je u fragmentiranom stanju. Prevladavaju ulomci amfora sauvanih vratova s rukama. Pronaeno je nekoliko vrsta amfora kao i novi podtip amfore ravnog dna, nazvan crikvenika amfora. Uz nalaze amfora pronaeni su ulomci stolne keramike poput dna tanjura, zdjela kao i prekrasan primjer vria oinohoe, kao i nalazi keramike tankih stijenki. Pronaeni su i ulomci s peatom. Ti su nalazi izuzetno znaajni jer donose natpis peata koji predstavlja posebnost za ovaj prostor, kao i peati koji su otkriveni 1980-tih godina u sluajnom bagerskom iskopu na prostoru pomonog nogometnog igralita u Crikvenici. Radi se o peatu koji pripada istoj antikoj radionikoj proizvodnji iji je zakupnik bio Sekst Metilije Maksim (Lipovac-Vrkljan 2007b). Od velikog broja posebnih nalaza naenih na arheolokom lokalitetu u Crikvenici potrebno je bilo odabrati mali broj onih koji e se skenirati. To je bio zaista teak posao. Naposljetku je odlueno da se skeniraju neki rekonstruirani te neki cijeli artefakti. Prije svega izborom predmeta naglaen je irok asortiman proizvodnje uporabne keramike crikvenike lokalne radionice. Tako da od odabranih predmeta imamo: Jadransku amforu ravnog dna (tip Crikvenica), rimsku zdjelicu, lonac, vr (oinohoa), kadionicu, poklopac 10

Gaparovi, M.:


amfore, poklopac posua te rimski uteg. U nastavku su dane tipoloke karakteristike, vrste fakture, naini uporabe i izrade te kratak opis odabranih arheolokih artefakata.

2.1 Jadranska amfora ravnog dna tip CrikvenicaAmfore ovakvog tipa pripadaju u grupu kasnorepublikanskih/ranocarskih amfora ravnog dna (Slika 2). U uporabi su od pol. I. st. pr. Kr. do II. st. U crikvenikoj rimskoj keramiarskoj radionici otkriven je jedan novi tip amfora ravnog dna. Posebnosti su u obliku grla i vrata, te odnos ruki prema trbuhu. Ovaj je tip amfora bio namijenjen prijevozu vina - amforae vineari (Lipovac-Vrkljan 2007a). Amfore su izraene od proiene gline uz dodatak pijeska i drobljene keramike, a unutranja stjenka premazana je slojem glinaste otopine. Boja im je naranastocrvenkasta. Sastavni dijelovi amfore su: vrat, dno, trbuh i ruke. Ti dijelovi su se naknadno spajali pomou ljepljive glinaste smjese. Izrada amfore obavljala se na brzorotirajuem lonarskom kolu.

Slika 2. Jadranska amfora ravnog dna tip Crikvenica.

2.2 Rimska zdjelicaZdjelica pripada u ranocarsko doba (I. st.) i predstavlja zamjenu za vrlo skupu i luksuznu terru sigillatu. Ukras je izraen utiskivanjem u mokru glinu pomou kotaia. Ispod oboda urezane su dvije vodoravne crte koje okruuju vrat zdjelice. Zdjelica (Slika 3) 11

Gaparovi, M.:


je izraena od iznimno kvalitetno proiene gline, a zbog nepropusnosti unutranja stjenka je premazana naranasto crvenkastim premazom (firnisom). Izraena je iz dva dijela: dna i trbuha. Koristila se za dranje namirnica. Izraena je na brzorotirajuem lonarskom kolu nonom ili runom (Lipovac-Vrkljan 2007a).

Slika 3. Rimska zdjelica.

2.3 Rimski lonacOvakav se tip posua koristi iznimno esto tijekom dueg vremenskog razdoblja rimske antike od 1. st. do 4. st. Prema morfolokim obiljejima crikvenikih primjeraka vremenski ih moemo smjestiti u 2. st. Tijelo ima vreasti oblik koji ponekad prelazi u kuglasti. Obod grla je izvijen prema vanjskoj strani zadebljana stjenka. Iza oboda slijedi vrat lonca koji je naznaen manjom profilacijom. Dno rimskog lonca (Slika 4) je ravno. U glinenu sirovinu dodano je podosta agregata (dodatka) i to kremenog pijeska. Stoga je ova fakture loije kvalitete od prethodnih primjera, ali je znatnije vra i nepropusnija. Koristi se za pripremu hrane (moe posluiti za njeno kuhanje). Izraen je na brzorotirajuem lonarskom kolu nonom ili runom (Lipovac-Vrkljan 2007a).

Slika 4. Rimski lonac.

12

Gaparovi, M.:


2.4 Rimski vr (oinohoa)Ovakav tip posua odlikuje vretenasto tijelo, naglaeni vrat i ljevkasto izveden izljev grla te ravno dno. Moe imati jednu ili dvije ruke (kanelirane) koje povezuju vrat i tijelo vra. Vremenski se mogu odrediti od poetka 1. st do kraja 2. st. i poetka 3. st. Sastav oinohoe je kvalitetno proiena glina uz manji dodatak pijeska. Ovom se tipu posua premazivala unutranja stjenka. Rimski vr (Slika 5) se koristio za prijenos tekuina (vino, voda, a ponekad i maslinovo ulje). Izraen je na brzorotirajuem lonarskom kolu nonom ili runom (Lipovac-Vrkljan 2007a).

Slika 5. Rimski vr (oinohoa).

2.5 Rimska kadionicaNije u potpunosti razjanjena namjena ovog predmeta. S obzirom da se vrlo esto nalazi kao grobni prilog, smatra se da ovaj tip pripada predmetu koji se koristi u pogrebnom ritualu. Meutim kako se pronalazi i izvan navedenog konteksta, ovaj je predmet imao i druge namjene vezane uz potrebu paljenja zahvalnica, zavjetnica ali i obinih miomirisnih proiivaa prostorija (Lipovac-Vrkljan 2006). Na visokoj valjkastoj nozi (iji se stranice suavaju prema unutra) postavljen je recipijent s izrazito naglaeno izvijenim rubom. Rub posude je izvrnut po obodu i dvostruko profiliran. Vremenski se mogu odrediti od poetka 1. st do poetka 3. st. Unutranjosti je ukraena okomitim urezima. Na trbuhu kadionice (Slika 6) nalaze se tri ukrasne vodoravne (reljefne) trake s kosim urezima. Faktura kadionice je kvalitetno proiena glina. Stjenka recipijenta kadionice znatnije je debljine kako bi podnijela vie

13

Gaparovi, M.:


temperature koje su se, prilikom gorenja, razvijale unutar njega. Izraen je na brzorotirajuem lonarskom kolu nonom ili runom (Lipovac-Vrkljan 2007a).

Slika 6. Rimska kadionica.

2.6 Rimski poklopac amforeOvaj poklopac (Slika 7) je pristajao uz amforu. U uporabi je tijekom cijelog vremenskog razdoblja tijekom koga se proizvode i amfore. Na sredini krune plohe nalazi se profilirani, izdignuti dra za podizanje. Od njega se lepezasto, prema rubu, ire crtovni ukrasi. Rub poklopca blago je zaobljen kako bi pristajao na grlo amfore. Izraen je u kalupu ili runo (Lipovac-Vrkljan 2007a).

Slika 7. Rimski poklopac amfore.

2.7 Rimski poklopac posuaRimski poklopac (Slika 8) pristajao je uz razno rimsko posue: zdjele, vreve, manje plitice. U uporabi je tijekom dueg vremenskog razdoblja rimske antike. Na sredini krune plohe nalazi se profilirani, izdignuti dra za podizanje (Lipovac-Vrkljan 2007a).

Slika 8. Rimski poklopac posua.

14

Gaparovi, M.:


2.8 Rimski utegRimski uteg trapezoidnog je oblika. Na sredini gornjeg ruba ponekad se nalazi manji kruni otvor koji slui za provlaenje ueta (Slika 9). Koristi se kao mjernik: u kuanstvu i graditeljstvu, ali i u ribarstvu. Veliina utega ovisila je o mjernoj jedinici koju su predstavljali ili o nekoj drugoj potrebi. Koristi se tijekom cijele rimske antike. Izraen je pomou kalupa (Lipovac-Vrkljan 2007a).

Slika 9. Rimski uteg.

15

Gaparovi, M.:


3 Potreba za skeniranjemOdreivanje poloaja, dimenzija i oblika skeniranog objekta neophodan je dio gotovo svakog projekta vezanog uz ouvanje kulturne batine, kao sastavni dio cjelokupne dokumentacije projekta i podloge za potrebne analize. Uvoenjem novih metoda prikupljanja 3D podataka te poveanjem raunalne pismenosti korisnika, raste potranja za 3D podacima. Upoznavanjem metodologije rada arheolokih istraivanja, obrade te

rekonstrukcije arheolokih artefakata pojavila se potreba za laserskim skeniranjem te prikupljanjem velike koliine grafikih i tekstualnih podataka o artefaktima. Prije svega, u prostorunom crtanju arheolokih predmeta, moe doi do pogreaka uslijed ljudskog faktora. Tonost 3D modela dobivenih laserskim skenerom reda je veliine 0,1 do 0,01 mm, to je mnogo vea tonost od prostorunog crtanja profesionalnih crtaa arheolokih predmeta. Primjer arheolokog crtea za dokumentiranje amfore tipa Dressel 2-4 Catalan prostorunim crtanjem te fotografija iste nalazi se u nastavku (Slika 10).

Slika 10. Arheoloki crte i fotografija amfore tipa Dressel 2-4 Catalan (URL 6).

16

Gaparovi, M.:


Rijedak je sluaj da se arheoloki predmeti nau u cijelosti sauvani u izvornom obliku. Nerijetko se pronalaze fragmenti, vei ili manji, iz kojih treba naknadnom obradom spojiti pa rekonstruirati cijeli predmet. Kod lonarskih predmeta, koji su se izraivali pomou lonarskih kola, dovoljno je poznavati profil predmeta kako bi se mogao rekonstruirati. Od velike pomoi pri rekonstrukciji su 3D modeli fragmenata arheolokih predmeta. Virtualna rekonstrukcija od presudne je vanosti prilikom rekonstrukcije velikih arheolokih graevina i njihovih dijelova, npr. rekonstrukcija svodova kod kojih su naeni samo uruenih kameni blokovi. Najjednostavnije je takve kamene blokove skenirati te ih virtualnom rekonstrukcijom spojiti u cjelinu.

17

Gaparovi, M.:


4 Metode prikupljanja 3D podatakaPostoji velik broj metoda za prikupljanje 3D koordinata. Na slici 11 prikazan je izbor metoda prikupljanja 3D koordinata u ovisnosti o veliini objekta te broju toaka.

4.1 Pregled razliitih metodaRuna mjerenja mogu dati zadovoljavajue rezultate za objekte veliine do nekoliko metara, no to se ne moe kazati za vee i nepristupanije objekte. Takoer, prikupljanje velike koliine toaka (1000 i vie) ovom metodom postaje suvie dugotrajno i gotovo nemogue. Fotogrametrija i lasersko skeniranje mogu prikupiti vei broj mjerenja za objekte sline veliine, stoga su pogodne za sloenije objekte. Fotogrametrija i lasersko skeniranje moe takoer biti primijenjeno i iz zraka, tako da mjerenja daju podatke koji obuhvaaju mnogo vea podruja. GPS se koristi za mjerenja velikih podruja, a broj snimljenih toaka detalja ogranien je u odnosu na snimanje iz zraka ili svemira. U ovom radu detaljno je obraeno na terestriko lasersko skeniranje, iako treba uvijek imati na umu da i neke druge metode mogu pruiti potrebne informacije.

Slika 11. Izbor geodetske metode izmjere (Bhler i Heinz 1999).

18

Gaparovi, M.:


4.2 Lasersko skeniranjeLasersko skeniranje u potpunosti je automatizirana te veoma efikasna metoda prikupljanja prostornih podataka. Uobiajen naziv za ovu metodu prikupljanja podataka je LiDAR (engl. Light Detection and Ranging). LiDAR je: potpuno automatiziran, aktivan, optiko-mehaniki postupak prikupljanja prostornih podataka dostupnih s aktualnih snimalita (Gajski 2007). Zrano lasersko skeniranje esto se naziva LiDAR, iako se termin LiDAR odnosi na odreeni princip rada, to ukljuuje i lasersko skeniranje sa zemlje. Lasersko skeniranje moe se izvesti iz statikog poloaja ili s pokretne platforme, kao to je zrakoplov, helikopter, automobil i dr. Openito se dijeli na: lasersko skeniranje iz zraka (eng. Airborne Laser Scanning ALS) i lasersko skeniranje sa zemlje (eng. Terrestrial Laser Scanning TLS). Rezultat laserskog skeniranja je oblak toaka (point cloud). Oblak toaka je niz XYZ koordinata u jedinstvenom koordinatnom sustavu koje prikazuju objekt snimanja. Podaci dobiveni laserskim skeniranjem, esto uz oblak toaka ukljuuju i dodatne informacije, kao to su npr. RGB vrijednosti za svaki piksel (toku). Oblak toaka s pridruenom vrijednou boja svake toke preduvjet je za kasniju izradu fotorealistinih 3D modela. Lasersko skeniranje moe se koristiti u bilo kojoj fazi izrade projekta. Zadaci koje je mogue metodom laserskog skeniranja obaviti ukljuuju: izradu potpune dokumentacije objekata ili struktura koje mogu zauvijek biti izgubljene ili promijenjene, npr. slojevi prilikom arheolokih istraivanja praenje promjena te izrada 3D modela terena izrada 3D modela razliitih predmeta

19

Gaparovi, M.:

Lasersko skeniranje arheolokih artefakata izrada 2D presjeka, profila, planova i karata, izrada fotorealistinih modela terena i predmeta, itd.

20

Gaparovi, M.:


5 Laserski skeneriPojam laserskog skenera odnosi se na instrumente koji rade na razliitim principima, u razliitim okruenjima te s razliitim razinama tonosti. Definicija laserskog skenera, prema Bhler i Marbs 2002: "Laserski skener je ureaj koji automatski prikuplja 3D koordinate odreenog podruja ili objekta, na sustavan nain, visokom brzinom (stotinama ili tisuama toaka u sekundi) u realnom vremenu". Laserski skener je ureaj, odnosno sustav, koji prikuplja podatke o objektu, njegovom obliku i izgledu (tekstura). Laserski skeneri dijele se na: dodirne (contact) i daljinske (non-contact).

5.1 Dodirni skeneriKao to sam njihov naziv govori, dodirni skeneri rade na principu dodira objekta. Objekt se skenira dodirom i pretvara u 3D model podataka. Ovakav nain je dugotrajniji od naina skeniranja daljinskih skenera. Ponekad su objekti skeniranja poprilino nepristupani tako da je ovakva metoda skeniranja gotovo neupotrebljiva (npr. skeniranje crkvenih tornjeva, visokih graevina, itd.). Takoer, neki objekti suvie su krhki i vrijedni da bismo ih skenirali ovom metodom (npr. arheoloki artefakti).

5.2 Daljinski laserski skeneriDaljinski laserski skeneri skeniraju udaljeni objekt bez dodira s njim. Ovi skeneri rade na principu: triangulacije, mjerenja vremena (impulsni), fazne usporedbe i dr.

21

Gaparovi, M.:


5.3 Triangulacijski laserski skeneriTriangulacijski laserski skeneri prikupljaju 3D koordinate po matematikim pravilima triangulacije. Laserski snop projicira se u vertikalnu ravninu na objekt. Zatim se projekcija te teksture na objektu snima kamerom (centralna projekcija). Poznavanjem elemenata unutarnje orijentacije kamere moe se rekonstruirati laserski snop te tako dobiti 3D koordinate. Princip rada triangulacijskih laserskih skenera prikazan je na slici 12.

Slika 12. Princip rada triangulacijskih laserskih skenera (URL 5).

Kod nekih triangulacijskih laserskih skenera potrebno je da se objekt nalazi na pokretnoj platformi koja rotira oko svoje vertikalne osi ispred skenera, koji je u ovom sluaju statian (Slika 13).

Slika 13. Koncept laserskog skeniranja s rotirajuom platformom (URL 1).

Projiciranjem laserskog snopa u vertikalnoj ravnini prema objektu te istovremenim snimanjem kamerom linije presjeka vertikalne ravnine i povrine objekta 22

Gaparovi, M.:


dobivamo virtualnu presjenicu (linija) objekta s vertikalnom ravninom. Vano je naglasiti da kamera i izvor laserskog snopa moraju u prostoru biti statini, dok objekt rotira oko vertikalne osi konstantnom brzinom. Svakako da bi se model mogao rekonstruirati centralnom projekcijom snimljenih presjenica, no moraju biti poznati elementi unutarnje orijentacije kamere. Prednost ovakvog naina skeniranja predmeta svakako je cijena, jer je ovakav laserski skener relativno jeftin. Svakako najvea mana ovakvih metoda skeniranja je nemogunost primjene na vee, kompleksnije predmete odnosno zgrade (objekte koje ne moemo rotirati). Limitirani smo prije svega veliinom i jainom nae podnone platforme, ali i arinom daljinom kamere. Tako da se ovakav nain skeniranja danas koristi najee za skeniranje malih predmeta ili pak u znanstvene svrhe.

5.3.1 Komercijalni triangulacijski laserski skeneriNajee koriteni triangulacijski sustavi za skeniranje svakako su komercijalni laserski sustavi. To su sustavi koji koristei mehanizirane prizme i ogledala projiciraju snopove laserskih zraka na predmet. U samom sustavu implementirane su statine kamere koje prikupljaju podatke o projiciranim laserskim snopovima. Na kraju, metodom triangulacije, dobije se set 3D koordinata za skenirani objekt. Ovaj princip slian je stereoskopskom promatranju u fotogrametriji. Kod stereopromatranja koristimo dvije snimke te iz njih kolinearnim pravcima, odnosno prostornim presjekom naprijed dobivamo XYZ koordinate traene toke. Razlika je u tome to kod laserskog skeniranja ovim sustavima koristimo jednu snimku projiciranog (poznatog) laserskog snopa. Tonost ovakvih sustava ovisi o bazisnom omjeru, odnosno omjeru duljine baze i udaljenosti od predmeta. Baza triangulacijskih laserskih skenera je udaljenosti izmeu glavne toke kamere i pola laserskog skenera. Kako je baza kod ovakvih sustava konstantne duljine, ogranieno je podruje skeniranja. Ono iznosi od 0,52,5 m, a tonost skeniranja ovakvim skenerima je vrlo velika, oko 50 m. Ovakvi sustavi jednostavno se prijenose i transportiraju pa su stoga idealni za snimanje malih predmeta (arheoloki nalazi, kipovi, itd.) te malih arhitektonskih znaajki (dijelovi fasada, tukature, rezbarije u stijenama, itd.).

23

Gaparovi, M.:


Neki sustavi bazirani na triangulaciji omoguuju mjerenja na udaljenosti do maksimalno 25 m od objekta, a s udaljenou objekta od skenera opada tonost skeniranja. Triangulacijske skenere obino nije mogue koristiti na dnevnom suncu, tako da njihovo koritenje zahtijeva postavljanje nadstrenica ili atora, kako bi se predmet nalazio u sjeni (Slika 14).

Slika 14. Lasersko skeniranje stijene, sa atorom koji umanjuje utjecaj Sunca (URL 5)

Triangulacijski sustavi mogu biti montirani i na mehaniku ruku (Slika 15). Ovakav sustav esto pronalazi svoju primjenu u specijalistikim studijima ili laboratorijima. Kod ovakve vrste skenera udaljenost skener-objekt manja je od 0,5 m i tonost mjerenja iznosi 0,1 m.

Slika 15. Triangulacijski laserski skener na mehanikoj ruci (URL 5)

24

Gaparovi, M.:


5.3.2 Laserski skener VIVID 9iU naem sluaju koriten je linijski skener baziran na triangulacijskoj metodi, tvrtke Konika Minolta, VIVID 9i (Slika 16). To je daljinski skener koji predmet skenira 4 puta uzastopce te postie tonost i do 50 m. Duina trajanja skeniranja je 2,5 s po skenu, to znai 10 s za skeniranje objekta u maksimalnoj rezoluciji. U kompletu sa VIVID 9i skenerom dolaze standardno tri objektiva za kameru i to: TELE objektiv arine daljine 25 mm, MIDDLE objektiv arine daljine 14 mm i WIDE objektiv arine daljine 8 mm.

Slika 16. Triangulacijski laserski skener VIVID 9i (URL 2).

Skenirani predmeti mogu biti dimenzija od 93 mm 69 mm 26 mm do maksimalno 1495 mm 1121 mm 1750 mm (duina visina irina). Tehnologija AF/AE (auto focus, auto exposure), automatski mjeri udaljenost do predmeta te tako sustavu omoguuje automatsko podeavanje optimalne snage lasera projiciranog na objekt. Podruje skeniranja u standardnom nainu rada je od 0,6-1,0 m, dok je u proirenom modu 25

Gaparovi, M.:


podruje skeniranja od 0,5-2,5 m. Takoer je vano naglasiti kako laserski skener VIVID 9i u potpunosti podrava ISO9000 standard (URL 2). Komplet osim skenera i objektiva sainjavaju: stativ za skener, kalibracijska baza s predlokom za skeniranje, SCSI-USB kabel za povezivanje raunala i skenera, kabel za napajanje, program Polygon Editing tool te popratni zatitni klju (hardlock).

Kalibracija skenera Prije poetka samog skeniranja obavlja se kalibracija skenera, kako bi se postigla visoka tonost i pouzdanost svih parametara. Takoer, dobiva se i a priori ocjena tonosti skeniranja. Skeniranjem na kalibracijskoj bazi u potpunosti ukidamo degradaciju tonosti uslijed promjene objektiva. Za kalibriranje ovog skenera potrebna je kalibracijska baza i predloak za skeniranje (Slika 17). Sav pribor potreban za kalibriranje dolazi u standardnom paketu. Kalibracijska baza duljine je 2 m, te se najprije postavi horizontalno na pod. Ima vertikalno pomine noice pomou kojih postavimo bazu tako da bolje prianja podu. U zato predviene utore, na jednoj strani kalibracijske baze, postavimo predloak za skeniranje. Ovisno da li kalibriramo skener sa irokokutnim, normalnim ili teleobjektivom, postavimo odgovarajui predloak. U utore na drugoj strani kalibracijske baze postavimo skener. Kako je prilikom skeniranja koriten samo irokokutni objektiv na kameri skenera, stoga je skener kalibriran pomou predloka za irokokutni objektiv. Skener je SCSI kabelom spojen s raunalom.

26

Gaparovi, M.:


Programskim paketom Polygon Editing tool skeniran je predloak i obavljena je kalibracija skenera. Kao izlazni rezultat kalibracije dobivena je a priori ocjena tonosti skenera VIVID 9i od 0,05 mm.

Slika 17. Proces kalibracije laserskog skenera VIVID 9i (URL 2).

27

Gaparovi, M.:


6 Skeniranje arheolokih artefakata6.1 Specifinosti skeniranjaU pripremi za skeniranje vano je voditi rauna o: osvjetljenju, blizini raunala, blizini izvora elektrine energije, itd. Prilikom skeniranja arheolokih artefakata potrebno je voditi rauna o njihovoj veliini, jer time je odreena udaljenost skenera od samog artefakta. U ovom sluaju svi predmeti su skenirani skenerom VIVID 9i, na udaljenosti od 0,7-1,5 m. Skeniranje je obavljeno u prostorijama katedre za Fotogrametriju i daljinska istraivanja Geodetskog fakulteta Sveuilita u Zagrebu. Na raspolaganju je bio stakleni stol na koji su postavljeni artefakti za skeniranje. Iza predmeta postavljena je zatitna ploha (Slika 18a,b) kako ne bismo skenirali nepotrebne detalje. Koriteni laserski skener ima uz mogunost zapisa podataka o obliku predmeta i mogunost prikupljanja podataka o boji predmeta. Skener uz geometrijske (XYZ koordinate) podatke svake snimljene toke, pohranjuje i podatke o boji (RGB vrijednosti). Koritenjem ovakvog naina pohrane podataka o geometriji i boji skeniranog predmeta, skener daje mogunost za kasniju izradu fotorealistinih (fototeksturiranih) 3D modela. Fotorealistini 3D modeli najbolji su nain za prezentaciju i vizualizaciju kako prostora, tako i predmeta.

6.2 Snimanje teksturaTreba naglasiti kako teksture dobivene laserskim skenerom nisu adekvatne ni po boji ni po rezoluciji. Stoga na skeneru postoji mogunost podeavanja toplina boja (white balance) tekstura. Ona se moe podesiti automatski, ili kalibracijom za odreeni sluaj. Takoer, program za skeniranje nudi dodatne mogunosti za podeavanje svjetlosti i boja (Slika 18a,b).

28

Gaparovi, M.:


Slika 18a,b. Proces skeniranja i rad u programu Polygon Editing tool.

Rezolucija tekstura probnih 3D modela nije bila zadovoljavajua (Slika 19) iz razloga to skener koristi CCD kameru sa senzorom od samo 640 px 460 px. Tonost izraenih 3D modela vie je nego dovoljna i unutar je tonosti skenera od 50 m. Moemo zakljuiti da implementacijom dviju metoda: laserskog skeniranja i fotogrametrije dobivamo visoko tone 3D modele, teksturirane vrhunskim fotografijama koje su izraene digitalnom kamerom.

Slika 19. Fotografija nalaza i sken s RGB vrijednostima svake skenirane toke.

29

Gaparovi, M.:


Paralelno sa skeniranjem arheolokih artefakata laserskim skenerom, izvedeno je i njihovo fotogrametrijsko snimanje digitalnom kamerom. Fotogrametrijsko snimanje obavljeno je kamerom FinePixS2Pro i objektivom Sigma s nepromjenjivom arinom daljinom od 20 mm. Za kameru i objektiv prije su odreeni elementi unutarnje orijentacije. Rezolucija snimaka, koji e se koristiti za teksturiranje 3D modela vrlo je visoka, 4256 px 2848 px. Kamera je prilikom snimanja postavljena na stativ, to blie laserskom skeneru, kako bi perspektive skenera i kamere bile to slinije (Slika 20a,b). Fotografije su snimljene pomou daljinskog okidanja direktno sa raunala. Osnovne postavke kamere prilikom snimanja odabrane su direktno na raunalu: maksimalan otvor blende: F/16, ISO vrijednost: 100, metoda snimanja: prioritet otvora blende (aperture priority), format snimanja: RAW. Duljina trajanja ekspozicije najee je iznosila 2 s. Izotravanje je napravljeno runo na objektivu te se nije mijenjalo tijekom procesa skeniranja i snimanja jednog arheolokog artefakta. Kako bi u procesu obrade odredili elemente vanjske orijentacije svakog snimka, postavili smo ispod i iza skeniranog predmeta adresirani raster s egzaktno odreenim tokama. Poloaj arheolokog artefakta i referentnog rastera nepromijenjen je za svaku fotografiju i laserski sken. Minimalno 5 identinih toaka sa snimke te 3D modela potrebno je za odreivanje elemenata vanjske orijentacije snimke. Time imamo sve to je potrebno za rekonstrukciju snopa snimke, odnosno projiciranja snimke na 3D model skena. Na taj nain dobivamo fotorealistian 3D model jednog skena.

30

Gaparovi, M.:


Slika 20a,b. Proces skeniranja i snimanja.

6.3 Vanost rasvjeteVe je naglaeno kako rad triangulacijskih laserskih skenera mnogo ovisi o rasvjeti. Cilj probnih skeniranja bio je prije svega pronalaenje najbolje rasvjete, to direktno utjee na kvalitetu dobivenih 3D modela. Od rasvjetnih tijela imali smo mogunost koritenje stropne i/ili bone rasvjete, prirodnog svjetla kroz prozor te stolne pomine halogene svjetiljke. Najbolje nam se pokazala varijanta sa ugaenom stropnom, ali upaljenom bonom rasvjetom. Uz bonu rasvjetu koritena je i halogena pomina lampa. Kada je povrina artefakta suvie reflektirajua javlja se odsjaj te je iz tog razloga korisno imati rasvjetu s potenciometrom (mogunost pojaavanja i stiavanja). Koritenjem polarizirajueg filtra za objektiv problem refleksije povrine objekta bi bio rijeen. U buduim sluajevima svakako bi trebalo ispitati neke oblike difuzne rasvjete. Treba spomenuti sluaj koritenja reflektora i bijelog kiobrana. Postoji i metoda kada se difuzno osvjetljenje dobije reflektiranjem od stropa prostorije. To se postie koritenjem vie jakih reflektora uperenih s poda u strop. Koritenjem difuzne rasvjete, s vie izvora svjetlosti, postiemo odline rezultate. Profesionalni iluminacijski sustav, s dva difuzna izvora svjetlosti smjetena na stalku, potpuno uklanja sjene s artefakata (Slika 21). Time se dobivaju vrlo dobre teksture za 3D modele (Akca 2007b).

31

Gaparovi, M.:


Slika 21. Sustav difuzne rasvjete (Akca 2007b).

32

Gaparovi, M.:


7 Obrada podatakaObrada podataka je napravljena koritenjem programskog paketa Polygon Editing tool. Rezultat teksturiranih 3D podataka laserskog skenera je *.vvd datoteka, koja uz geometrijske podatke sadrava i podatke vezane uz boju snimljenog objekta.

7.1 Filtriranje modela i popunjavanje rupaPrva faza obrade dakako je filtriranje, odnosno brisanje nebitnih detalja dobivenih laserskim skenerom (AOI area of interesting). To podrazumijeva brisanje svega to ne predstavlja arheoloki artefakt. U programu imamo vie naina skeniranja i promjena perspektive objekta. Na slici 22a,b je prikazan rezultat filtriranja *.vvd datoteke. Svakako u prvu fazu spada i popunjavanje rupa i zaglaivanje povrine pojedinog skena. Gruba odstupanja povrine objekta jednostavno se briu.

Slika 22a,b. Filtriranje modela.

7.2 Relativna orijentacijaDruga faza obrade je relativna orijentacija 3D pojedinanih skenova. Svi skenovi koji su prethodno oieni od nebitnih detalja i zaglaeni trebaju se pomou najmanje 3 identine toke dovesti u meusobno relativan odnos. Relativna orijentacija radi se u parovima, tako da se relativno orijentiraju svaka 2 susjedna modela. Nakon odabira identinih toaka, program izraunava parametre i daje ocjenu tonosti relativne orijentacije. Ocjena tonosti dana je standardnim odstupanjem, koje je uvijek iznosilo

33

Gaparovi, M.:


manje od 0,5 mm. Tijek relativne orijentacije modela (lijevi i desni model), identine toke i konaan rezultat prikazani su na slici 23.

Slika 23. Postupak relativne orijentacije.

7.3 Apsolutna orijentacijaNakon obavljene relativne orijentacije svih susjednih modela slijedi postupak apsolutne orijentacije modela. Taj se proces rjeava metodom prostornog izjednaenja. U procesu izjednaenja program pronalazi to slinije plohe susjednih modela i dovodi ih u meusobno odgovarajui poloaj. Matematiki model za uspostavljanje veze izmeu susjednih modela dan je u Akca 2007 i zove se izjednaenje 3D povrina metodom najmanjih kvadrata (LS3D Least Squares 3D Surface Matching). Ovakvim izjednaenjem dobiveni su preklopljeni 3D modeli sastavljeni od pojedinanih modela koji su dobiveni laserskim skeniranjem. Metoda najmanjih kvadrata ima jo jednu znaajnu karakteristiku, a to je ocjena tonosti. Nakon obavljenog

34

Gaparovi, M.:


izjednaenja, dobiveni su podaci o broju iteracija te o postignutoj tonosti nakon izjednaenja (a posteriori). U naem sluaju broj iteracija n bio je mali (n

Documents

Lasersko skeniranje artefakata