Metody antropologie I Mgr. Mikoláš Jurda, Ph.D. Úvod do 3D dat Počítačový soubor, případně více vzájemně propojených souborů Co to je digitální model? trojrozměrná reprezentace skutečného či uměle vytvořeného tvaru ve formě digitálních dat věrný - reálný upravený smyšlený Co to je digitální model? snadné sdílení bez ohledu na geografickou vzdálenost široké vizualizační a analytické možnosti animace a náhledy měření a analýzy 3D tisk snadná archivace s ohledem na prostorové možnosti, hygienické a etické otázky vs. Proč 3D modely používáme? práce s digitálními modely ve virtuálním prostředí Nejstručnější formát a zobrazení 3D modelů: o soubor bodů definovaných trojrozměrnými souřadnicemi (x, y, z) o body mohou být opatřeny informací o barvě o body mohou být opatřeny normálovým vektorem (určuje rub a líc) o vizualizace o měření vzdáleností mezi body o nevymezuje prostor bodový oblakRůzné úrovně informace – bodový oblak o o o o o o polygonální model (nalevo v umělém zabarvení, napravo v podobě drátěného modelu) Různé úrovně informace – polygonální model polygonální model s barevnou informací nestínovaný polygonální model bez barevné informace stínovaný polygonální model aktuální podoba závisí na metodě záznamu, editaci modelu a nastavení zobrazení Různé úrovně informace – polygonální síť a barevná informace přiřazení barvy přímo jednotlivým prvkům modelu (vrcholům, hranám nebo facetám) -> závislost detailů barevného zobrazení na detailech modelu 5 000 vrcholů30 000 vrcholů70 000 vrcholů Různé úrovně informace – typy barevné informace textura – obrázek, kterým je model potažen o samostatný obrazový soubor (např. jpg formát) o barevná informace nezávislá na rozlišení modelu o model uložen ve více souborech (soubor modelu + soubor materiálu + soubor textury) Různé úrovně informace – typy barevné informace .ply o geometrie a barva o barva přiřazená vrcholům nebo ve formě textury .obj o geometrie, barva a materiálové vlastnosti o barva ve formě informace přiřazené vrcholům i ve formě textury o univerzální .stl o pouze geometrie o dva formáty – Ascii a Binary – Ascii je uspořádanější, binary menší o pokud polygonální sítě obsahují díry, některé programy hlásí chybu Formáty 3D modelů Existují velmi univerzální programy (např. Blender), ale také programy pracující s velmi omezeným množstvím formátů (např. Landmark). PŘESNOST DIGITÁLNÍCH MODELŮ Míra shody mezi vzájemnou polohou vrcholů modelu a vzájemnou polohou jim odpovídajících bodů zobrazovaného objektu ROZLIŠENÍ Počet vrcholů modelu na jednotku plochy (nejčastěji in2 nebo cm2) DETAILNOST Velikost rozlišitelných prvků 523 vrcholů/cm2 (70 Mb) 2 vrcholy/cm2 (0,2 Mb) Dáno přesností záznamových metod a následnými úpravami modelu Vlastnosti polygonální sítě 60 tis. polygonů/30 tis. vrcholů 5 tis. polygonů/2,5 tis. vrcholů se zvyšujícím se počtem polygonů modelu stoupá velikost souboru a nároky na výpočetní výkon potřebný pro jeho zpracování Rozlišení je vždy kompromisem mezi technickými možnostmi a potřebnou detailností. Vlastnosti polygonální sítě počet vrcholů (tis.) velikost souboru (Mb) neexistuje jediná metoda, vhodná pro všechny typy objektů a zaznamenávající všechny vlastnosti!!! vnitřní strukturavnější tvarbarevná informace lékařské zobrazovací přístroje(CT a MRI)povrchové skenery a fotogrammetrie Tvorba 3D modelů (3D modelování zde ignorujeme) o snímají 3D souřadnice bodů na povrchu objektů (základ polygonálního modelu) o primárním výstupem jsou přímo 3D polygonální sítě nebo bodové mraky o mohou snímat barevnost o přesnost a rozlišení skenerů jsou dány technickými možnostmi použitých metod – až setiny mm Skenery a fotogrammetrie kontaktní (dotykové) skenery fotogrammetriespecializované, optické skenery TOF triangulační laserové pasivní strukturované světlo o prostorová poloha diskrétních bodů a křivek o přesný záznam malého objemu dat o použitelné na všechny pevné materiály o pro snímání živých osob pomalé Povrchové snímání – kontaktní skenery o na principu optiky snímají vnější tvar objektu a někdy i jeho barevnost o mohou snímat barvu o dobře zaznamenávají povrch kostí i vnější povrch těla (některé) o nevhodné pro průsvitné a průhledné objekty Povrchové snímání – bezkontaktní skenery dotykové skenery fotogrammetriespecializované skenery TOF triangulační laserové pasivní strukturované světlo o měří scénu na základě doby letu laserového paprsku od skeneru k cíli nebo změny jeho fáze během této cesty o používáno pro větší scény (archeologie, památky) o pro kosterní pozůstatky nedostatečná přesnost – designováno především pro účely mimolaboratorní 3D dokumentace Povrchové snímání – TOF a fázové skenery o prostorovou polohu bodů objektu vypočítávají na základě triangulace polohy vůči dvěma triangulačním bodům o vhodné pro objekty ve velikostním rozmezí mm až ca 3 metrů o body povrchu musí být triangulovány – musí být viditelní z obou (ze všech) referenčních bodů Povrchové snímání – triangulační skenery o z jednoho bodu promítají jednu či více linií a z druhého bodu snímají deformaci jejich obrazu na povrchu objektu o rozlišení až v řádu setin mm o záznam zpravidla v řádu jednotek či desítek sekund o v Lamorfě skener NextEngine Povrchové snímání – triangulační skenery – aktivní laserové skenery o promítají komplexní obrazce o rozlišení až v řádu desítek mikrometrů (obecně detailnější než laserové) o záznam v řádu sekund Povrchové snímání – triangulační skenery – aktivní skenery se strukturovaným sv. Povrchové snímání – triangulační skenery – pasivní/optické skenery o triangulují prostorové souřadnice z dvou a více snímků, pořízených synchronizovanými kamerami z různých úhlů o rozlišení prvků na fotografiích -> ztotožnění -> výpočet prostorové polohy s rozdílů jejich uspořádání na různých fotografiích o velmi rychlé (3,5 ms), designováno především na snímání živého člověka o problém s ochlupenými a lesklými částmi těla Vectra XT – celotělový skener o 6 kamer o záznam hlavy a horní části trupu v rozsahu busty o délka hrany polygonů v obličeji – 1,2 mm Povrchové snímání – triangulační skenery – pasivní/optické skenery Vectra H1 – ruční skener o 2 kamery o záznamové pole 270mm (V) x 165mm (Š) x 100mm (H) o pro záznam obličeje nutné kombinovat více skenů Vectra M1 – stolní obličejový skener o 2 kamery o pro záznam obličeje nutné kombinovat více skenů Povrchové snímání – triangulační skenery – pasivní/optické skenery o soustavy synchronizovaných fotoaparátů Povrchové snímání – triangulační skenery – pasivní/optické skenery o přístroje konstruované pro snímání různých detailů o na principu optiky snímají vnější tvar objektu a někdy i jeho barevnost o mohou snímat barvu o dobře zaznamenávají povrch kostí i vnější povrch těla (některé) o nevhodné pro průsvitné a průhledné objekty Povrchové snímání – bezkontaktní skenery dotykové skenery fotogrammetriespecializované skenery TOF triangulační laserové pasivní strukturované světlo o generování 3D dat ze série fotografií pořízených fotoaparátem z různých úhlů + desítky dalších Software o rozezná stejné prvky na různých fotografiích o na základě vzájemné polohy bodů na různých snímcích uspořádá fotografie v prostoru o trianguluje trojrozměrnou podobu zaznamenaného, včetně barevné informace Povrchové snímání – fotogrammetrie o vysoká míra flexibility o přesnost srovnatelná se skenery o pouze na stabilní objekty s povrchovou texturou o umožňuje tvorbu 360° modelů bez kombinování modelů (PhotoScan) Povrchové snímání –fotogrammetrie Povrchové snímání –snímky Algoritmus získává veškeré informace o poloze a orientaci jednotlivých snímků v prostoru, distorzi optické soustavy a morfologii snímaných objektů z fotografií o každá část modelovaného povrchu musí být zobrazena na třech a více snímcích (https://www.agisoft.com /support/tips-tricks/) o každá část modelovaného povrchu musí být zobrazena na třech a více snímcích Algoritmus získává veškeré informace o poloze a orientaci jednotlivých snímků v prostoru, distorzi optické soustavy a morfologii snímaných objektů z fotografií Povrchové snímání –snímky ca 110 fotografií spojené sady mumifikovaný levý palec Povrchové snímání –snímky o každá část modelovaného povrchu musí být zobrazena na třech a více snímcích Algoritmus získává veškeré informace o poloze a orientaci jednotlivých snímků v prostoru, distorzi optické soustavy a morfologii snímaných objektů z fotografií o největší rozlišení o co nejvíce místa na snímku Povrchové snímání –snímky Algoritmus získává veškeré informace o poloze a orientaci jednotlivých snímků v prostoru, distorzi optické soustavy a morfologii snímaných objektů z fotografií o snímky by měly být co nejdetailnější, nejostřejší a nejhomogennější o manuální ostření o vysoká hloubka ostrosti (clona) o stativ nebo velmi rychlá závěrka o dálkové ovládání nebo předsklopení zrcátka Povrchové snímání –snímky Algoritmus získává veškeré informace o poloze a orientaci jednotlivých snímků v prostoru, distorzi optické soustavy a morfologii snímaných objektů z fotografií o snímky by měly být co nejdetailnější, nejostřejší a nejhomogennější Povrchové snímání –snímky Algoritmus získává veškeré informace o poloze a orientaci jednotlivých snímků v prostoru, distorzi optické soustavy a morfologii snímaných objektů z fotografií o bez lesklých a průsvitných předmětů o bez pohybu na scéně o manuální nastavení snímání o bez zoomování o bez pohyblivého a proměnlivého osvětlení o bez úprav! o metody zaznamenávají rozložení hmoty ve snímaném objemu o záznam vnitřní struktury, vnější podoby, ale ne barevnosti o produktem nejsou 3D digitální modely, ale objemový záznam o relativně velké a finančně náročné (umístění, personál atd.) výpočetní tomografie magnetická rezonance Objemové snímání snímání řezů modelem Agisoft Metashape o samostatný, komerční software, který fotogrammetricky zpracovává digitální snímky do podoby 3D polygonálních modelů o přesný, uživatelsky příjemný, spolehlivý o verze Standard – zpracování snímků, generování mraku bodů a polygonálních modelů o verze Pro – tvorba výškových modelů, georeferencování, škálování a měření, zpracování snímků mimo viditelné spektrum, 4D modelování, Postup zpracování – příprava snímků vstup vzájemné uspořádání fotografií v prostoru distorze fotografií 3D zaměření bodů na snímaném povrchu tvorba 3D polygonální sítě nasnímání povrchové barevnosti snímky splňující určité podmínky objektu splňujícího určité podmínky celkem 142, s přiloženým měřítkem o odstranění nevhodných a rozmazaných fotografií o maskování fotografií – umožňuje zpracovat snímky s porušenými předpoklady výstup KDY? o pohyb na scéně o rušivé předměty o 360° skenování JAK? o ručně (intelligent scissors – ctrl + LMB) o automaticky (například podle snímku pozadí) Postup zpracování – příprava snímků Maskování Povrchové snímání – fotogrammetrie vstup vzájemné uspořádání fotografií v prostoru distorze fotografií 3D zaměření bodů na snímaném povrchu tvorba 3D polygonální sítě nasnímání povrchové barevnosti snímky splňující určité podmínky objektu splňujícího určité podmínky výstup o workflow > align photos Povrchové snímání – fotogrammetrie vstup vzájemné uspořádání fotografií v prostoru distorze fotografií 3D zaměření bodů na snímaném povrchu tvorba 3D polygonální sítě nasnímání povrchové barevnosti snímky splňující určité podmínky objektu splňujícího určité podmínky výstup o generování bodového mraku workflow -> build dense cloud point cloud Povrchové snímání – fotogrammetrie vstup vzájemné uspořádání fotografií v prostoru distorze fotografií 3D zaměření bodů na snímaném povrchu tvorba 3D polygonální sítě nasnímání povrchové barevnosti snímky splňující určité podmínky objektu splňujícího určité podmínky výstup o vytvoření polygonálního modelu – propojení bodů hranami a redukce na požadovaný počet facet Workflow -> Build mesh... Povrchové snímání – fotogrammetrie vstup vzájemné uspořádání fotografií v prostoru distorze fotografií 3D zaměření bodů na snímaném povrchu tvorba 3D polygonální sítě nasnímání povrchové barevnosti škálování snímky splňující určité podmínky objektu splňujícího určité podmínky výstup o generování textury ze vstupních fotografií Workflow -> Build Texture... Povrchové snímání – fotogrammetrie o import se provádí přetažením snímků do okna programu přetažením do náhledového okna se snímky přidají do aktivního chunku přetažením do stromu projektu se snímky přidají do nového chunku Povrchové snímání – fotogrammetrie o maskovací nástroje umožňují vyloučit ze zpracování konkrétní oblasti snímků KDY? o pohyb na scéně o rušivé předměty o 360° skenování JAK? o ručně (intelligent scissors – ctrl + LMB) o automaticky (například podle snímku pozadí) Svobodný a otevřený software pro modelování a vykreslování třírozměrné počítačové grafiky a animací s využitím různých technik. Blender o editace a tvorba polygonálních modelů a jejich prvků o virtuální modelování o tvorba a editace textury o animace o tvorba statických a dynamických náhledů o zvuk, střih a efekty o na poprvé trochu moc... Základní orientace MMB – rotace scroll – ZOOM MMB + Shift – posun Num , – přiblížení okna na aktivní model Import modelu volba split (v případě obj), zadaná defaultně, s některými modely nefunguje importované soubory v pracovním okně importované soubory ve stromu projektu File > Import > ...volba podle typu souboru... > ...vyhledání souboru... > Import Změna polohy modelu nastavení náhledu není změna polohy, pouze pohyb kamerou aktivovaný nástroj Move gizmo pro posun šipky – posun podél dané osy plošky – posun rovnoběžně s rovinou střed – posun kolmo na pohled zkratky G – aktivace posunu G > x, y nebo z – specifikace osy posunu Rotace modelu aktivovaný nástroj Rotate gizmo pro rotaci vnitřní kružnice – rotace kolem osy vnější – rotace kolem osy náhledu zkratky R – aktivace posunu R > x, y nebo z – specifikace osy posunu Změna středu rotace (Origin) 3D kurzor specifikuje bod, se kterým různé nástroje pracují – Shift + RMB specifikace počátku 3D Cursor – otáčení kolem 3D kurzoru většina ostatních – otáčení okolo středu soustavy souřadnic modelu Změna počátku soustavy modelu – různé možnosti, nejintuitivnější asi Center of mass. Export modelu Podstatné volby Selection only – vyexportuje pouze aktivní model. Pokud není zatrženo, vybere vše. File > Export > ...volba podle typu souboru... > ...vyhledání umístění... > Export (je dobré vybrat předem model pro export) Include UVs a White Materials – pokud je zatrženo, vyexportuje také .mtl soubor. Virtual sculpting o vyberte model, který chcete editovat o přepněte do sochařského módu (Sculpt mode) nabídka sochařských nástrojů modelování probíhá LMB na povrch modelu Důležité volby Nástroj Mask umožňuje označit oblasti modelu, které nemají být editovány Důležité volby vlastnosti aktivního nástroje Radius – rozsah editované plochy Strength – síla nástroje Direction – přidávání (Add) nebo ubírání (Substract) hmoty/masky atd. Symmetry – defaultně je nastaveno zrcadlení editace, je potřeba jej odznačit Acumulate – při jednom „tahu“ akumuluje změnu geometrie Front Faces Only – edituje pouze ty facety, které jsou přivráceny k uživateli