Hesabat: Lazer taramasını 3D yenidən qurulması ilə müqayisə edin

Arxeologiyada qeyd etmə kontekstində fotoşəkillərdən lazer tarama və 3D yenidən qurulması arasındakı fərqləri və nisbi mənaları aşağıdakılar birləşdirir. Tez-tez verilən bir suala yönəlmiş qeyri-rəsmi bir müzakirə olmaq üçün nəzərdə tutulmuşdur, yəni “X 3D modelini çəkmək üçün lazer skanerindən istifadə etməliyəm və ya 3D rekonstruksiyasından istifadə etməliyəm?” Nisbi mənaları yerli avstraliyalılar tərəfindən istifadə olunan qaya sığınacağı modelini çəkmək üçün həm lazer tarama, həm də 3D yenidən qurulmada istifadə olunan bir nümunə ilə izah ediləcəkdir. Bu rəqəmsal səsyazma texnologiyalarından hansının istifadə ediləcəyini düşünən hər kəsə kömək etmək üçün bütün mümkün mülahizələri əhatə etməyə çalışılır.

Qeyd etmək lazımdır ki, müəllif 3D yenidənqurma yanaşmasının praktikantıdır. Lakin müqayisəni ədalətli şəkildə təqdim etmək üçün səy göstəriləcək, eyni saytın hər iki texnologiya ilə faktiki qeydinə əsaslandığını söyləmək olar, belə ki, birbaşa müqayisə aparıla bilər. Texnologiyaları müqayisə edən hər hansı bir hesabatda olduğu kimi, yeni məhsullar və alqoritmlər istifadəyə verildikcə köhnələ biləcəyini qeyd etdi.

Qaya sığınacağı Qərbi Avstraliyada Qərbi Angeles olaraq bilinən bir bölgədə yerləşir. Təxminən 50 m uzunluğundadır, 20 m dərinlikdə və 1,6 ilə 3 m arasında. Saytın interaktiv 360×180 panoraması aşağıda göstərilə bilər.

Şəkil 1: Qaya sığınacağının içərisindən interaktiv foto kabarcık.

Aparat

İstifadə olunan Lazer skaneri Leica C10 (yaşıl işıq, 532nm) idi. Qaya sığınacağının yüksək sıxılmış təbiəti səbəbindən okklüzyon zonalarını minimuma endirmək üçün hər biri fərqli bir yerdən 6 tarama alındı. İstinad markerlərinin mövqeyi kinematik GPS müşahidəsi ilə geo istinad edildi. Posta işləmə Leica Cyclone proqramı ilə həyata keçirildi. Tarama, təxminən 80 milyon sığınacaqın özünə və yaxın mühitlərə sahib olmaqla 110 milyon nöqtəyə çatdı.

Şəkil 2: Sığınacaq ətrafındakı 80 milyon nöqtəni lazer taramasından nöqtə buludunun yayılması

3D yenidən qurulması üçün çəkilmiş fotoşəkil Canon 5D Mk III, 20+MPixel tam çərçivəli kamera və 28 mm ölçülü obyektiv idi. Yenidənqurmanı həyata keçirəcək proqram, PhotoScan adlı bir ticarət paketindən və müəllif tərəfindən hazırlanmış bir boru kəmərindən ibarət idi. Bu iki proqram həllindən biri və ya digəri bəzi hallarda digərindən daha yaxşı çıxış edə bilsə də, bu model üçün nəticələr əsasən eyni idi. Mağaranın qarışıq təbiəti səbəbindən 2000-ə yaxın fotoşəkil çəkildi. Bu müddət üçün norma başına ss, hər fotoşəkil fərqli bir mövqedən alınır. Yenidənqurma üçün seçim 2 milyon üçbucaqlı bir mesh idi, bunun real vaxt rejimində naviqasiya təcrübələri içərisində rahat istifadəsi üçün edildi. Arxiv məqsədləri üçün 5 milyon üçbucaq bir mesh yaradıldı. Hər iki halda da dokular dörd 4K görüntü olaraq yaradıldı.

Şəkil 3: Yenidənqurma nəticəsində yaranan toxumalı meshdan çıxarın

Lazer skanerlərinin daha dəqiq olmasına dair kiçik bir sual yoxdur. Modeldən asılı olaraq, məlum maksimum səhv ilə etibarlı şəkildə qiymətləndirilirlər. Dəqiq skanerdən və konfiqurasiyadan asılı olaraq mm aralığında və ya daha az ola bilər. Bu kontekstdə dəqiqliyi müzakirə edərkən yalnız modelin lazer skanerindən görünən hissələrinə aiddir, modelin görünməyən hissələrinin sonsuz qeyri-dəqiq təbiətini necə qiymətləndirir. Burada istifadə olunan nümunə kimi yüksək sıxılmış obyektlər üçün potensial çox sayda lazer stansiyasının yerləşməsi tələb olunur. Bu nümunədə 6 yer işlətsə də, bir çox okklüzyon zonası var. Aşağıda lazer skanerlərindən birinin mövqeyindən nöqtə buludunun görünüşü (solda), orta və sağ görüntü, modelin lazer mövqelərinin heç birindən görünməyən hissələrini göstərən fərqli mövqelərdən görünüşlərdir.

Şəkil 4: Hər hansı bir lazer stansiyasının mövqeyinə görünməyən mövqelərdən baxarkən okklyuziya zonalarının illüstrasiyası (orta və sağ).

Optik olaraq həyata keçirilən 3D yenidənqurma, daha az okluziya bölgələri ilə nəticələnən hər fotoşəkil üçün fərqli bir kamera yerinə malikdir. Yenidən qurulmuş 3D modellərdə səhv daha dəyişkəndir, obyektin ölçüsünə və çəkilən fotoşəkillərin sayına və fotoqrafın bacarığına bağlıdır (bax). 3D yenidən qurulması qlobal miqyasda və təhrif səhvləri ilə nəticələnə bilər, yəni bütün obyektin miqyasında təhrif. Belə miqyaslı və təhrifedici məsələlər geo yerləşən istinad markerləri və ya məlum ölçülü uzunluqlar da daxil olmaqla daha sərt üsullarla həll edilə bilər. 3D yenidən qurulmağın digər arzuolunan xüsusiyyətlərinə mənfi təsir göstərdiyinə görə, yəni sürət və avadanlıq məhdudiyyətlərinə görə burada əməliyyat edilmədi.

Yenidən qurulmuş 3D səthlərin toxuma keyfiyyəti lazer skanerlərindən üstündür. Əvvəlcədən kameranın qətnaməsinə və fotoşəkillərin çəkildiyi yamaqların ölçüsünə bağlıdır. Doku keyfiyyəti də asılıdır bacarıq bir lazer daha uyğundur scan üçün isə, fotoqraf. Yaranan meshdakı toxumada səhvlər yarana bilər, bunlar ümumiyyətlə kameralardan gələn fotoşəkillərin və seçilmiş hissələrin 3D mesh boyunca qarışdırılmasının lazım olduğu alqoritmin yenidən proyeksiya mərhələsi ilə təqdim olunur. Bu, panoramik fotoşəkillərdə qarışıqlıq və qarışıqdan yaranan səhvlərə bənzəyir.

Lazer taraması üçün rəng həlli nöqtəyə bərabərdir. Ümumiyyətlə lazer skaneri üçün kamera tarama şüasından qopur, buna görə paralaks səbəbiylə səhvlər baş verə bilər.

İki texnikanın fərqli işıqlandırma şəraitində necə apardığını müqayisə etmək daha çətindir və istifadə olunan lazer skanerindən asılıdır. Müəllif saxlayır keçirilən əl üçün vacibdir, xüsusilə də əgər fotoşəkillər problemli olacaq halbuki pitch black fəzalarında üçün lazer skaner, az məsələləri ilə fəaliyyət göstərəcək dəfə ələ tələb olunur. Müqayisə lazer skanerlər ümumiyyətlə belə birbaşa günəş işığı kimi güclü yanan fəzalarında ilə daha məsələləri isə kiçik apertures və diqqət təkmilləşdirilmiş dərinliyi işə bu fotoqrafiya faydaları.

Hər iki halda da işıqlandırma dəyişmələri son nəticənin rənginə təsir göstərir, ümumiyyətlə 3D yenidən qurulması vəziyyətində daha çox qeyd olunur.

Hər iki üsul müəyyən material növlərindən əziyyət çəkir. 3D rekonstruksiya yansıtıcı səthlərlə uğursuzdur, çünki xüsusiyyət nöqtəsi mərhələdə əks nöqtələrin xüsusiyyətləri səhv dərinlik hesablanması ilə müəyyənləşdiriləcəkdir. Xüsusiyyət nöqtəsi dərinliklərinin ayrıldığı əyri əks səthlər üçün bu ikiqat problemlidir. Lazer tarama, yansıtıcı səthlərdən də əziyyət çəkir, lakin 3D yenidən qurulması ilə problemlər daha əvvəl ortaya çıxacaq. Hər iki texnikada da çox qaranlıq (işığa hopan) səthlər, lazer skaneri geri dönmə siqnalını almır və 3D yenidən qurulması halında fotoşəkillər arasında heç bir nöqtə aşkar edilə bilməz.

İki texnik arasındakı əsas fərq, çatdırdıqları məlumat tipləridir. Bir vəziyyətdə rəngli nöqtələrin bir buludu (x, y, z, r, g, b), digərində toxumalı bir mesh səthi. Bir lazer tarama nöqtəsi buludu hələ də meshə çevrilə bilsə də, daha az məlumatın olması səbəbindən 3D yenidənqurma prosesində bir mesh əldə etməkdən daha çətindir. Meshun toxuması rəng məlumatlarının nöqtə xarakterinə görə də aşağı olacaqdır.

Dokulu bir səth meshinin daha faydalı olduğu və ya hətta tələb olunduğu bir sıra tətbiqlər var. Bunlara 3D modelinin 3D göstərici boru kəmərlərində və ya interaktiv virtual reallıq mühitində istifadəsi daxildir. Dokulu meshlar daha asanlıqla dəstəklənir, eyni zamanda bir yanaşmada “incə” olmamaq üstünlükləri var. Rəngli nöqtə buludları ekran qətnaməsinə nisbətən kifayət qədər uzaq olduqda möhkəm görünə bilər. Və ya onlar kifayət qədər sıx olduqda, lakin bu məlumatların həcmi və səthin nə qədər səmərəli şəkildə təmsil olunması məsələlərini qaldırır. Məsələn, buradakı 110 milyon nöqtə, xüsusilə sıx bir lazer tarama hesab edilməz, lakin belə bir nöqtəli buludda interaktiv naviqasiya, daha sonra daha vizual cazibəyə sahib olan 2 milyon üçbucaq hörgüdən daha yüksək qrafik yüküdür.

Şəkil 5: Yaxınlaşarkən və ya nöqtə buluduna böyüdükdə nöqtələrin incələnməsinin illüstrasiyası.

3D rekonstruksiyasından toxumalı bir meshə böyütmək, görüntü pikseli birdən çox ekran pikselini uzatmağa başladıqda istənilən görüntüyə böyüdükdə yaranan adi görüntünün bulanıq görünüşünə səbəb olur.

Şəkil 6: Səth toruna böyütmək yalnız toxumanın qaralması ilə nəticələnir

Əhatə dairəsi

Lazer taramalarının bir üstünlüyü, ümumiyyətlə səhnənin tələb olunduğundan daha çoxunu çəkməsidir. 3D yenidən qurulması üçün fotoşəkil daha çox müzakirə olunan mövzuya yönəldilmişdir. Burada və aşağıda göstərilən nümunədə ağaclar və sığınacaqın önündəki daha geniş bir sahə qeyd edildi. Ağaclar əsl 3D obyekt olmasa da, lakin saytın kontekstinin bir hissəsini təşkil edir. Qeyd edək ki, nöqtənin altındakı şəkildə bulud kəsilib, daha da uzaq obyektlər qeydə alınıb.

Şəkil 7: Yenidənqurma (sağda) ilə müqayisədə (solda) lazer tarama ilə ətraf mühitin daha geniş tutulması

Ön plana, təcrid olunmuş tıxaclar, bu vəziyyətdə sığınacaqların girişindəki bir ağac gövdəsi deyirlər. Lazer taraması, hər tərəfdən şəklini çəkmək üçün tük ətrafındakı bir sıra lazer tarama mövqeyini tələb edir. 3D yenidən qurulması üçün hədd daha çox alqoritmlərə və tıxacı səhnənin qalan hissəsinə bağlayan xüsusiyyət nöqtələri yaratmaq qabiliyyətinə aiddir.

3D yenidən qurulmasına uyğun yaxşı bir SLR kamera və əsas obyektiv lazer skanerindən xeyli ucuz başa gəlir.

Buradakı nümunədə, qaya sığınacağının sıxılmış formasını əhatə etmək üçün, kor ləkələrin minimuma endirilməsinə yönəldilmiş mövqelərdən 6 tarama aparıldı. Fotoqrafiya 30 dəqiqədən az çəkdi, hər bir lazer tarama mövqeyi qurulma və kalibrləmə vaxtı daxil edildikdən sonra 1 saat çəkdi. Bir sözlə, bir günlə müqayisədə 30 dəqiqə.

Yazı işləmə müddəti iki texnika arasında müqayisə edilə bilər, hər ikisi də əhəmiyyətli ola bilər.

Xüsusilə kobud ərazi boyunca məsafədən yerləşdirmə üçün lazer skanerlərinin və əlaqəli aparatların (ağır tripodlar, batareyalar) ağırlığı olduqca çətin ola bilər. 3D yenidən qurulması yalnız bir SLR kamera və təvazökar bir lens tələb edir. 3D yenidən qurulması üçün fotoqrafiya üçün Tripodlar nadir hallarda istisna olmaqla istifadə olunur işıq etiraz mühit və sığınacaq ərzində kölgə birbaşa günəş işığı güclü işıqlandırma variasiya olan mövzu baxmayaraq bu nümunə lazım deyil.

İnvazivlik

Hər iki üsul qeyri-invaziv hesab olunur. İkisi də kosmosda bir insan operatoru tələb edir, lazer tarama əlavə bir tripod tələb edir. Lazer şüasının tutulan səthə zərər verə biləcəyi hallar ola bilər, lakin bu nadir haldır və əlbətdəki nümunədə nəzərə alınmır. Lazer şüasının yaxınlıqdakı insanlarla təhlükəsizliyi məsələsi var. Eyni şəkildə 3D yenidən qurulması üçün insanların məkanda hərəkət etməsini istəmirlər. Hər iki üsul ya ətrafdakı hərəkət dərəcəsini idarə edə bilər, ya da mövcud tarama istiqamətində və ya hazırda fotoşəkildə olan ərazidə deyil.

Lazer skaneri, ümumiyyətlə düzgün işləmə kursunu başa vurmuş biri tərəfindən həyata keçirilir. Bunun əksinə olaraq, 3D yenidən qurulmasına cəhd edilə bilən mütəxəssis cihazının təsadüfü və olmaması, tez-tez fotoşəkilin optimallaşdırılmadığı anlamına gəlir. Birinin texnikaları öyrəndiyi çox az kurs var və fotoqrafiyanın digər sahələri kimi təcrübə yolu ilə əldə edilən bir bacarıq var. Məsələn, fərqli operatorlar tərəfindən iki fotoşəkildə əldə edilmiş model, iki fərqli lazer tarama operatoru tərəfindən alınan modelə nisbətən keyfiyyətdə daha çox dəyişiklik göstərəcəkdir. 3D yenidən qurulmasının qeyri-mütəxəssis tərəfi bir üstünlük hesab edilə bilər, lakin bir nəticəsi tez-tez zəif foto texnikanın tətbiq edilməsidir. Bu, yalnız qeyri-optimal 3D modellərlə nəticələnmir, həm də lazer tarama ilə müqayisədə qərəz yarada bilər.

Bir və ya digər ələ keçirmə texnologiyasının uğursuz olduğu mühitləri və ya səthləri bir kənara qoyaraq, fotoşəkil əsasında 3D yenidən qurulması bir çox üstünlüklərə malikdir. Müəlliflərin fikrincə, qərar verən amil 3D modelinin məqsədidir. Niyyət real vaxt təcrübəsi üçün və ya bir yer və ya obyekt hissi verən bir 3D modeldirsə, onda toxumalı meshes olduqca üstündür. Niyyət bəzi etibarlı səhvlərə dözümlülük çərçivəsində ölçmə aparmaq qabiliyyəti ilə bir araşdırma keyfiyyəti təmsilidirsə, lazer tarama aydın seçimdir. Əlbəttə alternativ qaya sığınacaqlarının qeyd edilməsi üçün baş verən hər iki texnikanı istifadə etməkdir, bunlardan biri nümunə kimi təqdim edilmişdir.