Отчет: Сравнение лазерного сканирования с 3D-реконструкцией

Фотосъемка для 3D-реконструкции сделана на Canon 5D Mk III — полнокадровой 20-мегапиксельной камере с 28-миллиметровым объективом. Программное обеспечение для реконструкции состояло из коммерческого пакета под названием PhotoScan и пайплайна разработанного автором. Тогда как при некоторых обстоятельствах каждый из указанных программных решений может работать лучше другого; в случае с данной моделью результаты были по большей части одинаковыми. Учитывая извилистость пещеры, было сделано почти 2 000 фотографий. Как и всегда при подобном процессе, каждая фотография была сделана под новым углом. Для реконструкции был выбрана треугольная сеть в 2 миллиона ячеек, для того, чтобы было удобно совершать навигацию в реальном времени. Для архивных целей был создан треугольник в 5 миллионов ячеек. В обоих случаях текстуры были созданы с разрешением 4K.

Изображение 3: Визуализация из текстурированной сетки как результат реконструкции.

Нет сомнений в том, что лазерные сканеры являются более точными. В зависимости от модели они надежны и обладают известной оптимальной погрешностью. В зависимости от конкретного сканера и настроек, она может составлять 1 мм или даже меньше. Если рассматривать точность в данном контексте, то это касается исключительно видимых сканером частей модели, так как невозможно оценить бесконечную неточность невидимых частей модели. Для крайне извилистых объектов, таких как на примерах здесь, требуется большое количество размещений лазерной установки. Даже при том, что в указанном примере использовалось 6 позиций, присутствует множество зон окклюзии. Ниже показан вид облака точек с места расположения одного из лазерных сканеров (изображение слева); изображения посередине и справа — это виды, сделанные с других позиций, демонстрирующие части модели, не видные с других мест расположения лазера.

Изображение 4: Пример зон окклюзии (посередине и справа) при просмотре из положений, которые не видно ни из одной из позиций лазерной установки.

У 3D-реконструкции, выполненной оптимально, камера располагается в новой позиции для каждого фото, что приводит к гораздо меньшему числу областей окклюзии. Тем не менее, искажения 3D-реконструкции более вариативны, в большей степени зависят от размера объекта и количества сделанных снимков, а также от мастерства фотографа (см. ниже). 3D-реконструкция может привести к глобальным искажениям масштаба и формы, то есть к искажению в масштабе всего объекта. Подобные искажения масштаба и формы можно решить с помощью более точных методов включая геолокационные контрольные отметки или известные пространственные расстояния. Этот способ не представлен здесь ввиду отрицательного воздействия на прочие желаемые качества 3D-реконструкции, а именно, скорости захвата и ограниченности оборудования.

Качество текстур поверхностей, полученных с помощью 3D-реконструкции, считается лучшим, чем у тех, что получены при помощи лазерных сканеров. В первом случае все зависит от разрешения камеры и размера фотографируемых участков. Качество текстур также зависит от мастерства фотографа, тогда как в случае с лазерным сканированием оно более однородное. Полученная в результате сетка может содержать искажения, что приводит к алгоритму перепроецирования изображений с камер и необходимости блендить изображения 3D-сетки. Это похоже на искажения, возникающие из-за искривления и блендинга в панорамной фотосъемке.

При лазерном сканировании расчет цветового разрешения идет на одну точку. Обычно камера для лазерного сканера смещена относительно сканирующего луча, поэтому могут появляться искажения в плане параллакса.

Сравнение того, как указанные две технологии работают в разных условиях освещения, является более сложным и зависит от используемого лазерного сканера. Для мест с кромешной тьмой будет использоваться лазерный сканер с меньшей продуктивностью, тогда как совершение фотосъемки станет проблематичным, особенно если важна та работа, которую фотограф выполняет вручную для того, чтобы сделать кадр. Для сравнения, у лазерных сканеров, как правило, больше проблем с сильно засвеченными местами, такими как прямые солнечные лучи, в то время как фотосъемка от этого выигрывает, потому что использует небольшие апертуры и более совершенную глубину фокуса.

В обоих случаях различия в освещении влияют на финальный цвет и это обычно более заметно в случае с 3D-реконструкцией.

Каждый из методов тяжело переносит определенные типов материалов. 3D-реконструкция терпит неудачу с отражающими поверхностями, поскольку в отражении — на этапе определения характерной точки — распознаются объекты, а это дает на выходе неверный расчет глубины. Это вдвойне проблематично для изогнутых отражающих поверхностей, где глубины характерных точек расходятся. Лазерное сканирование тоже тяжело переносит отражающие поверхности, но с 3D-реконструкцией проблемы возникнут на более раннем этапе. У обоих методов могут возникнуть проблемы с абсолютно темными (светопоглощающими) поверхностями: лазерный сканер не получает ответного сигнала, а в случае с 3D-реконструкцией на снимках не получается определить характерные точки.

Ключевое различие между указанными двумя методами заключается в типе данных, который они предоставляют. В одном случае — это облако цветных точек (x, y, z, r, g, b), в другом — текстурированная поверхность сетки. Хотя облако точек после лазерного сканирования все еще можно преобразовать в сетку, задача все же сложнее, чем получение сетки в ходе 3D-реконструкции, ввиду меньшего количества доступной информации. Текстура сетки также окажется хуже из-за характера информации о цвете.

Существует ряд способов применения, где текстурированная сетка поверхности более полезна или даже необходима. К ним относятся 3D-модели при разработке 3D-рендеринга или в качестве интерактивных сред виртуальной реальности. Их не только легче поддерживать, но они также “истончаются” по мере приближения. Цветные облака точек могут казаться сплошными, если по сравнению с разрешением экрана они находятся далеко. Или, если они достаточно плотные, но тут возникает вопрос об объеме данных и о том, насколько эффективно отображается поверхность. Например, 110 миллионов точек обычно не считается плотным лазерным сканированием, но вот интерактивная навигация в таком облаке точек значительно выше, чем в треугольной сетке на 2 миллиона точек, — а последняя обладает значительно большей зрелищностью.

Изображение 5: Пример разрежения точек при приближении или увеличении масштаба облака точек.

Увеличение масштаба в текстурированной сетке 3D-реконструкции приводит к обычному размытому изображению, возникающему при увеличении любого изображения, где пиксель изображения начинает охватывать более одного отображаемого пикселя.

Изображение 6: Увеличение масштаба поверхности сетки приводит лишь к размытию текстуры.

Покрытие

Преимущество лазеров заключается в том, что они будут захватывать больше сцены, чем требуется. Фотосъемка при 3D-реконструкции больше ориентирована на рассматриваемый предмет. В примере, показанном ниже, запечатлены деревья и обширный участок. Хотя деревья и не являются настоящими трехмерными объектами, они, тем не менее, являются частью фона места раскопок. Обратите внимание, что на изображении ниже облако точек было обрезано, а некоторые даже более отдаленные объекты были запечатлены.

Изображение 7: Более широкий захват окружающей среды с помощью лазерного сканирования (слева) по сравнению с реконструкцией (справа).