Создание 3D моделей бюстов с аллеи МГУ методом фотограмметрии

История фотограмметрии насчитывает то ли 150 то ли 250 лет в зависимости от того с какого момента начинается отсчет. В Википедии точка отсчета зависит от языка. Самая длинная история в испанском варианте, однако некоторые важные, на мой взгляд моменты в ней отсутствуют.  Поэтому я выбрал реперные точки из всех доступных источников.Итак, в 1767 году Мориц Антон Каппллер ( Moritz Anton Cappeller) по двум рисункам горы Пилатус восстановил ее форму с очень высокой точностью. Следующей реперной точкой отмечу 1849 год, когда уже появилась фотография и французский офицер Эме Лосседа (Aimé Laussedat ) по снимкам фасада Дома инвалидов восстановил его форму и опубликовал своей работе Метрофотография в 1851 году. Немецкий архитектор Альбрехт Мейденбауэр (Albrecht Meydenbauer)  опубликовал свой фотограмметрический метод измерения зданий в 1858 году, он же и дал название фотограмметрия в статье 1867 года.Следующий ключевой фигурой является Феликс Турнашон (Félix Tournachon), более известный как Надар, который в восьмидесятых годах XIX века поднялся на воздушном шаре, чтобы сфотографировать Париж и многие другие города. Он же делал  снимки со всех сторон от объекта, что позволяет сегодня получить вполне  современную круговую анимацию. Следующей точкой, которую следует отметить, является 1896 год, когда Эдуард Гастон Даниель Девиль (Édouard-Gaston Daniel Deville)  изобрел стереопланиграф. Оптико-механические приборы определяют развитие фотограмметрии фактически в течение всего XX века. Сначала это так называемая аналоговая фотограмметрия, потом, когда к оптико-механическим прибором добавили вычислительные машины, стали называть аналитической фотограмметрией. На рубеже  XXI века появляется цифровая фотография и, соответственно, цифровая фотограмметрия.Фотограмметрия XIX века сегодня доступна всем, другой вопрос, что мало кому хватит терпение довести работу до конечного результата. Фотограмметрия XX века требует наличия оптико-механических приборов, которые придется искать сегодня уже в музеях, поэтому о доступности сегодня стоит говорить только для цифровой фотограмметрии.

Аппаратно цифровая фотограмметрия состоит из камеры или камер, которыми снимается объект, и компьютера, на котором рассчитывается 3D модель. В зависимости от объекта,  с которым мы работаем, пожелания к камерам могут различаться, однако, в большинстве случаев это будут всего лишь пожелания, а не требования. Даже самая простая из них позволит решить задачу, возможно, с меньшей точностью, чем оптимальная, или потребует большего количества снимков.

Бюсты ученых на аллее перед главным зданием МГУ были сфотографированы камерой Sony NEX-5. Для съемки с верхней точки использовалась штанга длиной 1,8 м и пульт дистанционного управления. Для обработки использовался компьютер c i5 11400F и GPU NVIDIA GeForce GTX 1650 ОС manjaro и программы с открытым исходным кодом Meshroom и COLMAP +  OpenMVS. Подробно об установке программ и работе с ними в моей статье Доступная фотограмметрия.

Meshroom является графическим интерфейсом для AliceVision и  требует наличия GPU NVIDIA.

COLMAP  имеет возможность отключить использование GPU. Возможна совместная работа с OpenMVS (Multi-View Stereo), которая в свою очередь поддерживает работу как с графическим процессором так и без.

Meshroom и COLMAP+OpenMVS  дали за разумное время модели, которые после минимальной ретуши в Blender удалось качественно представить в интернете и отпечатать на 3D принтере. Обработка программами COLMAP+OpenMVS CUDA-ON 54 снимков заняла 41 минуту, из которых 31 минута это счет OpenMVS. Несмотря на то что программа COLMAP скомпилирована с (CUDA_ENABLED "Whether to enable CUDA, if available" OFF ), она использует GPU, и если в Processing/Feature extraction и Processing/Feature matching/ снять галочку в use_gpu, то время обработки увеличится с 10 до 16 минут. OpenMVS без CUDA увеличил время счета с 31 минуты до 53. Размер файла превышает гигабайт и необходима оптимизация, например, с помощью программы MeshLab и ретушь в Blender. С Meshroom на эту задачу потребовалось 49 минут при внешне с практически идентичным качеством. При этом сетка была значительно лучше отфильтрована и файл был 160 МБ, а вот файлы с текстурами были в два раза больше. Т.е. количество вершин отнюдь не пропорционально качеству модели. 

Для демонстрации в интернете результат был сильно упрощен для уменьшения размера файла до 6 МБ. Детально рассмотреть бюст Лобачевского со всех сторон можно в моей галереи  с помощью программы model-viewer. 

Разрезание на слои проводилось в программе Cura 4.13 в Special Modes Spiralize Outer Contour соплом диаметром 1 мм с толщиной слоя 0,15 мм с 5 слоями в основании. В последней версии Cura 5 добиться более одного слоя в основании в этом режиме не удалось. Время печати 10 см бюстика 2 часа. Результат на фото ниже. 

Время создания сканирующих систем, призванных обеспечить сканирование за счет оптических систем подсветки и механических систем перемещения ради использования слабого по нынешним временам компьютера, прошло. Использование описанных мною ранее сканеров более не целесообразно. Можно разбирать на запчасти или отправлять в музей. Имеющееся программное обеспечение с открытым исходным кодом обеспечивает результат с произвольной цифровой камерой. Создание специализированных аппаратных комплексов для сканирования имеет смысл для повышения скорости и качества, а не ради облегчения нагрузки на компьютер. Метки и проекция сетки останутся актуальными для сканирования объектов с идеально гладкой поверхностью, на которой невозможно найти контрольные точки. Многокамерные системы актуальны при необходимости сканировать движущиеся объекты.