Доклад: Сравняване на лазерно сканиране с 3D реконструкция

По-долу са обобщени разликите и относителните достойнства между лазерното сканиране и 3D реконструкцията от снимки в контекста на запис в археологията. Той е предназначен да бъде неформална дискусия, насочена към често задаван въпрос, а именно: „Трябва ли да използвам лазерен скенер или да използвам 3D реконструкция (често наричана фотограметрични техники) за заснемане на 3D модел на X“? Относителните достойнства ще бъдат илюстрирани с пример, който използва както лазерно сканиране, така и 3D реконструкция, за да заснеме модел на скален заслон, използван от коренните австралийци. Прави се опит да се обхванат всички възможни съображения, за да се помогне на всеки, който обмисля коя от тези цифрови технологии за запис да използва.

Трябва да се отбележи, че авторът е практик на подхода за 3D реконструкция. Но ще се положат усилия да се представи сравнението справедливо, като се отбележи отново, че то се основава на действителен запис на един и същ сайт с двете технологии, тъй като такова пряко сравнение може да се направи. Също така отбелязахме, че както при всички технологии за сравняване на доклади, той може да остарее, тъй като стават все по-нови продукти и алгоритми.

Скалният заслон е разположен в регион, известен като Западен Анджелис в Западна Австралия. Той е дълъг приблизително 50 м, дълбочина 20 м и височина между 1,6 и 3 м. Интерактивна панорама 360×180 на сайта може да се опита по-долу.

Фигура 1: Интерактивен фотографски балон от скалния заслон.

Хардуерът

Използваният лазерен скенер беше Leica C10 (зелена светлина, 532 нм). За да се намалят до минимум оклузионните зони поради силно усукания характер на скалния заслон, са получени 6 сканирания, всяко от различно местоположение. Позицията на референтните маркери беше геореферирана с кинематично GPS наблюдение. След обработката се извършва със софтуера Leica Cyclone. Сканирането доведе до малко под 110 милиона точки с около 80 милиона от самия заслон и близки околности.

Фигура 2: Представяне на точковия облак от лазерното сканиране, 80 милиона точки около заслона

Фотографията за 3D реконструкцията беше Canon 5D Mk III, 20+MPixel пълна рамка и 28-милиметров обектив. Софтуерът за извършване на реконструкцията се състои от търговски пакет, наречен PhotoScan, както и тръбопровод, разработен от автора. Докато едно или другото от тези две софтуерни решения при някои обстоятелства могат да се представят по-добре от другото, за този модел резултатите до голяма степен са същите. Поради сплетения характер на пещерата са направени почти 2000 снимки. Ss за нормата за този процес, всяка снимка е направена от различно положение. Изборът за реконструкцията беше мрежа от три милиона триъгълника, това беше, за да може тя да бъде удобно използвана в реално време за навигация. За архивни цели беше създадена 5 милиона триъгълна мрежа. И в двата случая текстурите бяха създадени като четири 4K изображения.

Фигура 3: Представяне от текстурираната мрежа, произтичаща от реконструкцията

Няма съмнение, че лазерните скенери са по-точни. В зависимост от модела те са надеждно оценени с известна максимална грешка. В зависимост от точния скенер и конфигурация той може да бъде в мм диапазон или дори по-малък. Когато обсъждаме точността в този контекст, тя се отнася само за части от модела, видими от лазерния скенер, как човек оценява безкрайно неточния характер на части от модела, които не се виждат. За силно объркани обекти, като например примера, използван тук, се изискват потенциално голям брой локални лазерни станции. Въпреки че в този пример са били използвани 6 места, има много зони на оклузия. По-долу показва изглед на облачния точка от позицията на един от лазерните скенери (вляво), средното и дясното изображение са изгледи от различни позиции, показващи части от модела, които не се виждат от никоя от лазерните позиции.

Фигура 4: Илюстрация на оклузионни зони (средна и дясна), когато се гледа от позиции, които не се виждат до никоя позиция на лазерна станция.

3D реконструкция, извършена оптимално, е на различно място фотоапарат за всеки снимка води до много по-малко оклузия региони. Въпреки това в 3D модели реконструиран грешката е по-различно, по-зависима от големината на обекта, а броят на снимките, направени и уменията на фотографа (виж по-късно). 3D реконструкция може да доведе до глобален мащаб и грешки изкривяване, което е изкривяване на мащаба на целия обект. Такива мащаб и изкривяване проблеми могат да бъдат решени с по-строги техники, включително географско намира модели маркери или известни оразмерени дължини. Това не е извършено тук поради отрицателното въздействие върху други желани характеристики на 3D реконструкция, а именно улавянето на скоростта и оборудване ограничения.

Текстура качество на 3D реконструиран повърхности се приемат като превъзхожда лазерни скенери. В първия тя зависи от разделителната способност на камерата и на размера на кръпки, докато е снимана. Качеството на текстурите също е зависима от уменията на фотографа, докато за лазерно сканиране е по-последователен. Грешки в текстурата на може да възникне в резултат на окото, те обикновено са въведени от етапа на повторно проекция на алгоритъма където снимките от камерите и необходимостта да се слее избраните части на снимките през 3D окото. Това е подобно на грешките, произтичащи от основи и блендиране в панорамна фотография.

За лазерно сканиране цветовата резолюция е на точка. По принцип камерата за лазерен скенер е изместена от сканиращия лъч, така че могат да възникнат грешки поради паралакса.

Сравнявайки как двете техники се представят в различни светлинни условия е по-трудно и зависи от използването на лазерен скенер. За тъмно пространства лазерен скенер ще функционира с по-малко проблеми, докато фотографии ще бъдат проблематични, особено ако ръчни които авторът твърди, е важно за времето , необходимо за улавяне. За сравнение лазерни скенери обикновено имат повече проблеми с силно осветени пространства като пряка слънчева светлина, докато фотография ползи от това чрез използване на малки отвори и подобрена дълбочина на фокус.

И в двата случая отклоненията в осветлението влияят върху цвета на крайния резултат, това обикновено е по-ясно изразено в случай на 3D реконструкция.

И двете техники страдат от определени видове материали. 3D реконструкцията не успява с отразяващи повърхности, тъй като етапът на характеристиката ще идентифицира характеристики в отраженията, като резултатът е неправилно изчисление на дълбочината. Това е двойно проблематично за извити светлоотразителни повърхности, при които дълбочината на точките се различава. Лазерното сканиране също страда от светлоотразителни повърхности, но проблемите ще възникнат по-рано при 3D реконструкция. И двете техники могат да имат проблеми с много тъмни (поглъщащи светлината) повърхности, лазерният скенер не получава сигнал за връщане и в случай на 3D реконструкции не могат да бъдат открити точки на характеристиките между снимките.

Ключова разлика между двете техники е типът данни, който те предоставят. В единия случай облак от цветни точки (x,y,z,r,g,b), в другия – текстурирана мрежеста повърхност. Докато облачният ток от лазерно сканиране все още може да бъде преобразуван в мрежа, проблемът е по-труден от получаването на мрежа по време на процеса на 3D реконструкция поради по-малко налична информация. Текстурата на мрежата също би била по-ниска поради естеството на цвета на информацията за точка.

Има редица приложения, за които текстурирана повърхностна мрежа е по-полезна или дори е необходима. Те включват използването на 3D модела в тръбопроводи за 3D визуализация или като интерактивни среди за виртуална реалност. Текстурираните мрежи не само се поддържат по-лесно, но и имат предимството да не стават „по-тънки“, когато се подходи. Цветните облачни точки могат да изглеждат плътни, когато са достатъчно далеч в сравнение с резолюцията на екрана. Или когато те са подходящо плътни, но това повдига въпроса за обема на данни и колко ефективно се представя повърхността. Например, 110 милиона точки тук обикновено не се считат за особено гъсто лазерно сканиране, но интерактивната навигация в такъв облачен ток е значително по-голямо графично натоварване от 2 милиона триъгълна мрежа, като по-късно има значително повече визуална привлекателност.

Фигура 5: Илюстрация на изтъняване на точката при придвижване по-близо или увеличение в облачен точка.

Мащабирането в текстурирана мрежа от 3D реконструкция води до обичайния замъглено изображение, което се получава при приближаване до всяко изображение, когато пикселът на изображение започне да обхваща повече от един пиксел на дисплея.

Фигура 6: Мащабирането в повърхностна мрежа води само до замъгляване на текстурата

Обхват

Предимство на лазерните сканирания е, че като цяло те ще заснемат повече от сцената, отколкото се изисква. Фотографията за 3D реконструкция е по-насочена към въпросния предмет. В примера тук и показан по-долу, се записват дървета и по-широка зона пред заслона. Въпреки че дърветата не са истински 3D обекти, те все пак представляват част от контекста на сайта. Обърнете внимание, че на фигурата под облачността на точки е изрязан някои дори по-далечни обекти.

iФигура 7: По-широко заснемане на околната среда с лазерно сканиране (вляво) в сравнение с реконструкция (вдясно)

И двете технологии се борят за справяне с преден план, изолирани оклудери, в случая казват дървесен ствол във входа на приютите. Лазерното сканиране ще изисква редица позиции за лазерно сканиране около оклудера, за да улови формата от всички страни. За 3D реконструкцията лимитът е свързан повече с алгоритмите и тяхната способност да създават характеристики на точки, свързващи оклудера с останалата част от сцената.

Добрата SLR камера и основният обектив, подходящ за 3D реконструкция, струват значително по-малко от лазерния скенер.

примера тук, за да се постигне покритие за усуканата форма на скалния заслон, бяха извършени 6 сканирания от позиции, насочени към минимизиране на слепи петна. Фотографията отне по-малко от 30 минути, всяка позиция на лазерното сканиране отне около 1 час след включване на настройката и времето за калибриране. Накратко, 30 минути в сравнение с ден.

Времената за обработка след публикуване са сравними между двете техники, като и двете могат да бъдат значителни.

Тъгата на лазерни скенери и свързаните с хардуер (тежки стативи, батерии) за дистанционно разгръщане, и специално на неравен терен, може да бъде доста предизвикателна. 3D реконструкция се нуждае само от един-единствен огледално-рефлексен фотоапарат и скромен обектив, или две. Стативи за фото за 3D реконструкция се използват рядко, освен в леки оспорва среда и не са необходими в този пример, въпреки предмета на която има силно осветление вариация от пряка слънчева светлина, да обменят опит в приюта.

Инвазивност

И двете техники се считат за неинвазивни. И двамата изискват човешки оператор в пространството, лазерното сканиране допълнително изисква статив. Може да има случаи, когато лазерният лъч може да повреди заснетата повърхност, но това е рядко и със сигурност не е съобразено в примера тук. Има предвид безопасността на лазерния лъч с хора в непосредствена близост. Еднакво за 3D реконструкции човек не иска хората да се движат в пространството. И двете техники могат да се справят със степен на движение в околната среда, при условие че не са или в текущата посока на сканиране, нито в зоната, която в момента се снима.

Лазерният скенер обикновено се извършва от някой, който е завършил курс за правилната операция. За разлика от тях небрежността и липсата на специализиран хардуер, с който може да се опита 3D реконструкция, означава, че често фотографията не се извършва оптимално. Има много малко курсове, в които човек усвоява техниките и подобно на други области на фотографията има умение, което се придобива чрез практика. Например, два фотографски придобити модела от различни оператори ще покажат много повече вариации в качеството от модела, придобити от два различни оператора за лазерно сканиране. Неспециализираният аспект на 3D реконструкцията може да се счита за предимство, но едно от последствията е, че често се използва лоша фотографска техника. Това води не само до неоптимални триизмерни модели, но също така може да отклони сравнението с лазерното сканиране.

Оставяйки настрана среда или повърхности, при които една или друга технология за заснемане може да се провали, фотографската 3D реконструкция има много предимства. Според авторите решаващият фактор е предназначението на 3D модела. Ако намерението е 3D модел за преживявания в реално време или даване на усещане за мястото или обекта, тогава текстурираните мрежи са значително по-добри. Ако намерението е представяне на качеството на изследването с възможност за извършване на измервания в рамките на известна толерантна грешка, тогава ясният избор е лазерното сканиране. Алтернативата разбира се е да се разгърнат и двете техники, както се е случило при записването на скалните заслони, като една от тях беше представена като пример.