Изработване на 3D модел за целите на реставрацията
Екип за лазерно сканиране към „ГЕОКАД 93″ ЕООД
Инж. Габриела Митева, инж. Милуш Благоев
Реставрацията на паметника на Цар Освободител предизвика широка дискусия, като основно се обсъждаше сумата за реставрирането, строежа на скелето около паметника, демонтажа, превоза и реставрацията на самия паметник. Разбира се, тези дейности са важни, финансирането е ключово, обектът е важен и ценен и за това е интересно как точно ще се демонтира, по какъв начин ще бъде превозен до мястото, как ще бъде извършена реставрацията му. В тази статия ще опишем друга дейност, извършена за нуждите на тази така широко обсъждана реставрация – 3D лазерно сканиране. Става въпрос за инженерната дейност, която е тясно специализирана, и тъй като не е толкова зрелищна и популярна, остана в сянката на вниманието.
Лазерното сканиране на паметника бе извършено преди неговото демонтиране. В резултат на сканирането е получен дигитален триизмерен модел – с реални размери и местоположение. Списание „Геомедия“ е публикувало няколко статии, в които подробно се описва принципа на лазерното сканиране, така че тук съвсем накратко ще опишем процеса и ще се опитаме да дадем нещо като дефиниция на процеса.
Какво е лазерното сканиране
Лазерното сканиране представлява безконтактно заснемане на обекти и изобразяването им с облак от точки. Неговите преимущества са висока скорост на сканиране, голяма точност при изобразяване на детайлите и пълнота на информацията за изследвания обект. Използва се като основа за изработване на ортофотопланове, създаване на 3D графични модели или интерактивни представяния на обектите. Те могат да послужат при реконструкции на сгради или реставрации на паметници на културата, архив на културното наследство, заснемане на археологически обекти, изработване на екзекутиви на сгради с изгубена документация и т.н.
За да се получи пълен и детайлен модел, обектът трябва да бъде сканиран от няколко станции. Данните от отделните станции се обединяват посредством специализиран софтуер. Моделът може да бъде в локална координатна система или да бъде георефериран. Благодарение на получения по този начин триизмерен модел (облак от точки), може да се извлича информация за размери, координати, форми на сканирания обект.
Скенерът, който извършва заснемането, има вградена камера. По време на сканирането, обектът се фотографира с тази камера. Цветът на отделните точки от облака се получава като снимките, направени от лазерния скенер, се ориентират и наложат върху облака и за съответното местоположение се извлече нужната ни цветова информация. По този начин облакът добива вид, който е напълно съпоставим с реалния обект. Така моделът може да се представи по доста реалистични начини като например перспективни изгледи, видеоклипове и т.н.
Ортофотопланове и 3D модел
Основният начин на представяне, който възложителите предпочитат, са ортофоплановете. Това са ортогонални проекции на фасадите на сградите (или в случая – изгледите на паметника). Представляват метрични TIFF файлове, които могат да се ползват и обработват например в среда на AutoCAD с голяма лекота и от неспециалисти в областта на лазерното сканиране.
От 3D моделът могат да се създават планове на желана от нас кота, разрези и сечения през произволни точки и направления, извършване на разнообразни оразмерявания по височина, ширина, дължина, площ, обем или произволни отстояния на точки една от друга.
Облакът от точки може да бъде импортиран и в специализирани софтуерни пакети и трансформиран в т.нар. „mesh“. Този полигонален модел за разлика от милионите отделни точки в облака е един цялостен обект с произтичащите от това предимства. Той много успешно се ползва, когато става дума за такива сложни като конфигурация обекти като статуи, барелефи и т.н.
На терена
Лазерното сканиране на Паметника на Цар Освободител беше едно предизвикателство за нас, имайки предвид местоположението му, сложността на фигурите и важността на паметника в новата българска история, както и противоречивите мнения и споровете за неговото местоположение, възникнали напоследък в българското обществено пространство.
Самото сканиране беше извършено с лазерен скенер Leica ScanStation C10 от осем станции (местоположения) на скенера. Четири от тях бяха в близост до паметника и разположени до ъглите на постамента, а другите четири – отдалечени на максималното възможно разстояние и разположени фронтално на четирите изгледа на паметника. Това може би на пръв поглед странно решение, беше продиктувано от нуждата за възможно най-пълно заснемане на специфичния и сложен орелеф на обекта.
Една от отдалечените станции се намира пред самия главен вход на сградата на Народното събрание и нейното осъществяване за известен период от време беше поставено под въпрос. В резултат на проведените кратки преговори с охраната на парламента и даденото от тях разрешение, тази ключова като местоположение станция беше осъществена успешно.
Едновременно със сканирането, определен брой точки бяха измерени с тотална станция. На по-късен етап от работата тези измерени точки бяха използвани, за да се получат координатите на обекта в т.нар. Софийска координатна система и Балтийска височинна система. По този начин моделът на паметника е напълно координиран и ориентиран в пространството.
Данните от сканирането със ScanStation C10 се обработват със специализиран софтуер Leica Cyclone 7. Полученият като резултат от сканирането 3D модел на паметника е съставен от около 20 милиона точки. Всяка една от тях има дефинирани пространствени координати (X, Y, Z), интензитет на материала и реален цвят. От този модел са създадени ортофотоплановете на изгледите и видеоклип представящ състоянието на Паметника на Цар Освободител преди демонтирането му, който можете видите на адреса на нашата видео галерия: https://www.youtube.com/user/Geocad93.
Предимства на метода – детайли и пропорции
Може би е важно да посочим предимствата на лазерното сканиране като метод за заснемане, дигитализиране и архивиране на обектите от заобикалящата ни реалност. За момента методът изглежда екзотичен и сложен, но когато човек се запознае с резултантните продукти и най-вече свикне да мисли в три измерения (което за съжаление в България все още е рядко срещано и почти не се търси и изисква от възложители, проектанти, институции и ползватели), осъзнава, че лазерното сканиране дава почти неограничени възможности за извличане на информация за обектите и представяне по атрактивен и интересен начин. Не на последно място трябва да се отбележи, че може да се използва за архивиране и съхраняване на ценни обекти и запазването им за бъдещите поколения.
Лазерното сканиране тепърва навлиза у нас – съвсем бавно и почти неусетно, но присъства. Приложението му може да бъде най-разнообразно и да бъде в помощ на различни специалисти. Чрез сканирането получаваме модел, от който винаги могат да бъдат визуализирани, измерени и възстановени всички детайли и елементи.
В случая със сканирания паметник – той вече е демонтиран, неговата цялост е нарушена – при транспортирането му поради големите размери и тежест е бил разделен на отделни части. Реално – има много снимков материал на паметника, натрупан през годините, от който ясно се вижда как изглежда той, но от тях няма как да бъде извлечена точна информация за детайлите – да, могат да бъдат разглеждани, но не и измерени точно. От триизмерния модел, получен в резултат на сканирането обаче, може да бъде не само разгледан всеки елемент, а най-важното – може да бъде измерен, което прави неговото възстановяване при евентуална повреда много по-лесно и близо до първоначалния му изглед.
Перспективите
Могат да бъдат изброени още много приложения на лазерното сканиране.
Например един от обектите ни беше сканиране на машинното отделение на кораб. Целта беше да се получи триизмерен модел на съществуващите тръби и съоръжения, върху който да се проектират новите необходими допълнения. Разбира се, такова проектиране може да бъде извършено както е правено досега, но триизмерният модел със сигурност ще бъде в помощ на проектантите. Това е едно от предимствата на лазерното сканиране – улеснява работата на специалистите като им дава допълнителна информация, която може да се извлече много по-бързо и лесно в сравнение с използваните досега методи.
Интересно приложение е използването на триизмерния модел при ремонтиране и обзавеждане на апартамент. Ползвайки модела, проектанти и дизайнери могат да развиват идеите си, тъй като с лекота могат да разглеждат обекта и да проектират решенията си.
Най-често лазерното сканиране се използва за фасади на сгради, които ще бъдат реставрирани. Чрез този метод всеки детайл от фасадата ще може да бъде разгледан, измерван и ремонтиран много по-лесно, отколкото досега.
Добре би било лазерното сканиране да се използва при проектирането на нови сгради. Ако се сканира мястото, на което се предвижда нова сграда, архитекти и проектанти ще имат представа какви са обектите в района – сгради, зеленина, улици. По този начин ще могат така да създадат сградата, че тя да се вписва добре и да разкрасява общия изглед, а не да изглежда като някакъв самотен елемент, напълно неподходящ за мястото, където е поставен.
Много са приложенията на лазерното сканиране, много са ползите за специалистите, които биха го използвали. Да се надяваме, че тази нова технология ще намери широко приложение у нас, защото тя е от този тип иновации, които не заместват мисълта на специалиста, а му помагат да развива идеите си.
