Fotogrametria: 5 najlepszych programów do skanowania obiektów

Spis treści:

• Fotogrametria: podstawy i zastosowania
• Innowacyjne gry oparte na fotogrametrii: przykłady i osiągnięcia
• Najlepsze oprogramowanie do fotogrametrii: przegląd aktualnych Programy
• Przystępne cenowo rozwiązania fotogrametryczne na urządzeniach mobilnych
• Jak działa Polycam: Przewodnik krok po kroku
• Przetwarzanie skanu 3D po fotogrametrii w Blenderze
• Alternatywne programy do przetwarzania skanów 3D
• Zalety i wady fotogrametrii w grafice 3D

Fotogrametria: podstawy i zastosowania

Fotogrametria to metoda skanowania 3D, która umożliwia uzyskanie szczegółowych danych o rozmiarach i kształtach rzeczywistych obiektów na podstawie zdjęć. Proces ten polega na fotografowaniu obiektu pod różnymi kątami, co umożliwia tworzenie wielu obrazów. Obrazy te są następnie przetwarzane za pomocą specjalistycznego oprogramowania, które je analizuje, tworząc chmurę punktów i model 3D uwzględniający ukształtowanie terenu.
Chociaż fotogrametria jest potężnym narzędziem, jej wykorzystanie do skanowania ludzi jest trudniejsze. Człowiek jest istotą żywą i nawet w pozycji nieruchomej może oddychać lub mrugać, co komplikuje proces rejestrowania. Aby osiągnąć wysoką dokładność, używa się wielu kamer. Na przykład raport dotyczący tworzenia animacji twarzy do gry Marvel’s Guardians of the Galaxy szczegółowo opisuje technologie użyte do uchwycenia mimiki twarzy i jej późniejszej animacji.
Pomimo swojej nowoczesności, fotogrametria nie jest nową metodą. Zaczęła się rozwijać niemal równocześnie z wynalezieniem fotografii i od dawna jest wykorzystywana w geodezji i kartografii. Wraz z postępem technologii i wzrostem mocy obliczeniowej, jej zastosowania stały się bardziej zróżnicowane, w tym tworzenie efektów wizualnych i tworzenie gier wideo.

Innowacyjne gry oparte na fotogrametrii: przykłady i osiągnięcia

Premiera gry Zaginięcie Ethana Cartera w 2014 roku była przełomowym momentem w branży gier wideo, ponieważ projekt wykorzystał fotogrametrię do stworzenia swojego otoczenia. To rozwiązanie zapewniło niesamowity realizm i atmosferę, które w połączeniu z wciągającą fabułą i przemyślanymi zagadkami, zaowocowały licznymi pozytywnymi recenzjami i wysokimi ocenami krytyków. Gra stała się prawdziwym wzorem do naśladowania wśród niezależnych twórców gier.

Od premiery filmu „Zaginięcie Ethana Cartera” fotogrametria zyskała na popularności zarówno wśród niezależnych studiów, jak i projektów wysokobudżetowych. Według badania Digital Games Research Association (DIGRA), fotogrametria została wykorzystana przy tworzeniu co najmniej 26 gier w latach 2014–2019, spośród których wyróżniają się „The Beast Inside” i „Serious Sam 4”.
Podczas tworzenia map do Battlefield V studio DICE wykorzystało fotogrametrię, uwieczniając prawdziwe naturalne krajobrazy i obiekty architektoniczne. Proces obejmował nie tylko tradycyjną fotografię, ale także użycie dronów w celu uzyskania bardziej szczegółowych obrazów.

Najlepsze oprogramowanie do fotogrametrii: przegląd aktualnych programów

Fotogrametria to potężne narzędzie, które pozwala tworzyć trójwymiarowe modele obiektów na podstawie zdjęć. Proces pracy z oprogramowaniem fotogrametrycznym zazwyczaj obejmuje kilka kluczowych etapów:

• analizę przesłanych zdjęć;
• generowanie chmury punktów;
• generowanie modelu 3D;
• podstawowe przetwarzanie i eksport gotowego modelu.

Jakość Jakość finalnego modelu 3D zależy od wielu czynników, w tym rozdzielczości i liczby zdjęć wykonanych pod różnymi kątami. Chociaż proces jest podobny, każdy program oferuje unikalne funkcje, takie jak optymalizacja siatki, redukcja wielokątów i obsługa różnych formatów eksportu.

• Meshroom

Programista: AliceVision
Licencja: Bezpłatna
Meshroom to świetny wybór dla osób, które chcą rozpocząć przygodę z fotogrametrią. Jest darmowy i dobrze sprawdza się w skanowaniu obiektów statycznych. Dostępnych jest wiele samouczków wideo, które pomogą Ci szybko opanować podstawy. Warto jednak zauważyć, że początkowo program był zoptymalizowany pod kątem kart graficznych Nvidia, ale można to naprawić, instalując rozszerzenie MeshroomCL, które obsługuje inne procesory graficzne.

• Metashape

Programista: Agisoft
Cenalicencji: od 179 do 3499 USD; dostępny jest 30-dniowy okres próbny.
Metashape oferuje rozbudowane możliwości tworzenia modeli 3D z fotorealistycznymi teksturami i umożliwia przetwarzanie zdjęć z różnych aparatów. Obsługuje również tworzenie obrazów panoramicznych 360°. Użytkownicy zwracają jednak uwagę na złożoność interfejsu i długi czas przetwarzania danych.

• 3DF Zephyr

Programista: 3Dflow
Koszt licencji: od 0 do 4200 euro.
3DF Zephyr oferuje darmową wersję, która pozwala przesłać do 50 zdjęć w jednej sesji, co jest idealne do tworzenia prostych obiektów 3D. W przypadku bardziej złożonych zadań można rozważyć wersje płatne, które nie ograniczają liczby przesyłanych zdjęć. Należy pamiętać, że program jest zoptymalizowany do użytku z kartami graficznymi Nvidia.

• RealityCapture

Producent: Capturing Reality, Epic Games
Koszt licencji: od 10 do 3750 dolarów.
RealityCapture różni się od innych programów tym, że użytkownik płaci za liczbę ujęć i ich rozdzielczość. Pozwala to na bardziej elastyczne zarządzanie kosztami. Podgląd i optymalizacja wyników fotogrametrii są bezpłatne, a płaci się tylko za eksport gotowego modelu. Do optymalnej wydajności wymagana jest również karta graficzna Nvidia.
RealityScan, darmowa aplikacja na iOS wydana w 2022 roku, pozwala użytkownikom robić zdjęcia obiektów pod różnymi kątami i generować modele 3D do integracji z Unreal Engine. Choć aplikacja jest łatwa w użyciu, wciąż znajduje się w fazie beta, a użytkownicy zgłaszali problemy z analizą danych.
Wybór odpowiedniego programu zależy od Twoich potrzeb i poziomu umiejętności. Te narzędzia otwierają nowe horyzonty w tworzeniu modeli 3D i mogą znacznie uprościć proces pracy projektantów i programistów.

Przystępne cenowo rozwiązania dla fotogrametrii na urządzeniach mobilnych

Popularność fotogrametrii mobilnej rośnie z roku na rok dzięki udoskonalaniu aparatów w smartfonach i wprowadzaniu zaawansowanych technologii. Na przykład wraz z premierą modeli iPhone 12 Pro i iPad Pro technologia LiDAR weszła na rynek, znacznie poprawiając jakość skanowania 3D. Obecnie istnieje wiele darmowych i płatnych aplikacji na Androida i iOS, które ułatwiają tworzenie wysokiej jakości modeli 3D obiektów na potrzeby różnych projektów.
Jedną z najbardziej wszechstronnych i popularnych aplikacji w tej dziedzinie jest Polycam. Oferuje użytkownikom darmową obróbkę zdjęć i integrację z renomowanym portalem Sketchfab, umożliwiając im dzielenie się swoimi dziełami z szerszą publicznością. Funkcja LiDAR w Polycam umożliwia fotografowanie dużych przestrzeni, co doprowadziło do pojawienia się w sieci licznych modeli 3D wnętrz stworzonych przez użytkowników, które stały się czymś w rodzaju internetowych memów.

Jak działa Polycam: Przewodnik krok po kroku

Aby rozpocząć, musisz pobrać aplikację i założyć konto. Polycam oferuje obecnie trzy tryby skanowania 3D, które umożliwiają użytkownikom łatwe przechwytywanie obiektów i tworzenie ich cyfrowych kopii.

• LiDAR (dla urządzeń iPhone/iPad) — zaprojektowany do skanowania dużych przestrzeni z dużą szczegółowością;
• Room (również dla iPhone/iPad) — przechwytuje układ pomieszczeń, w tym narożniki, okna i drzwi, podczas nagrywania wideo;
• Photo (dostępny na iOS i Android) — tryb fotogrametryczny znany jako przechwytywanie zdjęć, w którym aplikacja automatycznie robi zdjęcia obiektu z różnych kątów.

Zanim zaczniesz pracę w trybie fotograficznym, ważne jest przygotowanie. Podstawowe wymagania dotyczące fotografowania obiektów na potrzeby fotogrametrii są takie same, jak te stosowane przy tworzeniu tekstur PBR.

• W przypadku obiektów na zewnątrz najlepiej wybrać pochmurną pogodę, a w przypadku obiektów wewnątrz – światło rozproszone.
• Przesuwaj smartfon powoli i równomiernie wokół obiektu, aby uniknąć zniekształceń. Upewnij się, że ostrość jest ustawiona prawidłowo: 1x lub 2,5x w zależności od rozmiaru obiektu.
• Unikaj powierzchni odblaskowych i przezroczystych, ponieważ program ich nie rozpozna.
• Zrób więcej klatek z różnych kątów. Im większe nakładanie się (co najmniej 50%), tym dokładniejsze będzie przetwarzanie.

Po zakończeniu fotografowania kliknij przycisk „Gotowe”. Przed wysłaniem do chmury wybierz jakość przetwarzania (zazwyczaj RAW). Przeciętnie proces przetwarzania trwa od 5 do 10 minut.
Darmowa wersja Polycam oferuje ograniczoną liczbę zdjęć, ale możesz zdobyć dodatkowe, wykonując zadania. Jeśli zasubskrybujesz, ograniczenia zostaną zniesione.

Po zakończeniu przetwarzania zobaczysz obiekt 3D utworzony ze swoich zdjęć.

Polycam ma wbudowany mini-edytor, który umożliwia wykonywanie podstawowych manipulacji modelem: usuwanie niepotrzebnych fragmentów, dodawanie dodatkowych klatek, zmianę rozmiarów i nagrywanie wideo. Tryb AR jest również dostępny do oglądania modelu w rzeczywistym środowisku.

Po edycji zapisz obiekt (ikona w prawym rogu) i przejdź do ustawień eksportu. W sekcji „Eksportuj do” wybierz oprogramowanie, z którym chcesz zintegrować model. Na przykład, do dalszego przetwarzania używamy Blendera.

Tylko Format .GLTF jest dostępny w wersji darmowej. Następnie możesz wybrać, gdzie przesłać obiekt: do komunikatora czy do chmury, aby później pobrać go na dysk twardy.

Przetwarzanie skanu 3D po fotogrametrii w Blenderze

Fotogrametria pozwala tworzyć szczegółowe modele 3D, ale nawet skany najwyższej jakości wymagają dalszego udoskonalenia. Na pierwszym etapie ważne jest skorygowanie topologii, ponieważ program zawsze ma obszary, których nie jest w stanie poprawnie przetworzyć, co prowadzi do defektów w siatce wielokątów.
Skanowane obiekty często mają zbyt dużą liczbę wielokątów, co czyni je nieodpowiednimi do wykorzystania w grach. Niektóre programy (Metashape) pozwalają na ustawienie liczby wielokątów na etapie skanowania, ale nawet w tym przypadku konieczne jest ręczne dopracowanie.
1. Uruchom Blendera, aby zaimportować zeskanowany model. Po wyśrodkowaniu musisz przeanalizować, jakie działania należy podjąć. Może być konieczne usunięcie niepotrzebnych części, oczyszczenie siatki wielokątów i praca nad teksturami.
2. Pierwszym krokiem jest usunięcie zbędnych elementów geometrycznych. Blender oferuje wiele narzędzi do tego zadania. W zależności od siatki źródłowej możesz przycinać wierzchołki ręcznie lub użyć funkcji przycinania pudełkowego w trybie rzeźbienia.
Spróbujmy użyć modyfikatora Boole'a w celu uzyskania bardziej precyzyjnego usuwania. Tworzymy kostkę i dostosowujemy jej kształt do modelu, aby wykluczyć zbędne części.

Po wybraniu modelu i dodaniu modyfikatora logicznego określamy sześcian jako obiekt do przycinania, używając opcji Przecięcie. Proces można powtarzać, zmieniając rozmiar i położenie kostki, aby uzyskać najlepszy efekt.

3. Po modyfikacji sprawdź shadery w oknie widoku. Na powierzchni mogą pojawić się artefakty w postaci zniekształceń normalnych. Aby je skorygować, użyj modyfikatora „Weighted Normal”.
Małe elementy można skorygować za pomocą edycji logicznej lub ręcznej. Chociaż ta metoda jest bardziej czasochłonna, zapewnia dokładniejszą korektę.
4. W trybie rzeźbienia popraw szczegóły, usuń szumy wynikające z fotogrametrii i dostosuj kształt. Po zakończeniu wszystkich manipulacji ponownie zastosuj modyfikator Weighted Normal.

5. Po zakończeniu tworzenia siatki mogą pozostać dodatkowe krawędzie. Aby oczyścić siatkę, użyj trybu edycji: Siatka – Oczyszczanie – Rozpuść zdegenerowane elementy. Następnie zastosuj opcję Scal według odległości.
6. W trybie obiektowym zduplikuj siatkę (Shift + D) i zmień nazwy obu modeli dla wygody. Ukryj model wielokątny, aby uniknąć pomyłek.
7. Teraz utwórzmy nową topologię modelu za pomocą automatycznego generowania. Ważne jest, aby osiągnąć równowagę między liczbą wielokątów a jakością siatki.

• Ponowne siatkowanie wokseli. Włącz parametr „Ponowne siatkowanie”, wybierz „Woksel” i dostosuj „Rozmiar woksela”. Spowoduje to znaczne zmniejszenie liczby wielokątów i utworzenie nowej siatki kwadratów.

• QuadriFlow. Ten tryb pozwala również na utworzenie nowej siatki z zachowaniem ostrości i granic modelu. Ustawiamy oczekiwaną liczbę faset i przeglądamy wyniki.

Wadą tych metod jest to, że tworzą kwadratową siatkę, co może powodować problemy w niektórych silnikach gier.

• Używanie modyfikatora Decimate w celu zmniejszenia liczby wielokątów przy jednoczesnym zachowaniu objętości.
• Zintegrowane podejście. Najpierw stosujemy metodę Quad, a następnie dodajemy trójkąty za pomocą modyfikatora Triangulation.

8. Po zakończeniu pracy nad siatką przechodzimy do ważnego etapu – korygowania rozwinięcia UV.
W sekcji edycji UV można zobaczyć chaotyczny rozkład wysp UV. Aby ulepszyć strukturę, konieczna będzie nowa mapa UV.

Proste modele można przetwarzać za pomocą inteligentnego mapowania UV, ale bardziej złożone obiekty będą wymagały ręcznego rozmieszczania szwów.
9. Po utworzeniu mapowania UV przystępujemy do wypalania tekstur.
W trybie cieniowania sprawdzamy tekstury, które mogą stracić na jakości z powodu nowego mapowania UV. Usuwamy stary materiał i tworzymy nowy dla siatki low-poly, dodając tekstury dla dyfuzji i normalnych.

Ustaw renderer na Cycles, określ obliczenia GPU i minimalną liczbę próbek do wypiekania.
Przenieś normalne do modelu low-poly za pomocą modyfikatorów Multi-Size i Shrink. Upewnij się, że szczegóły zostały przeniesione poprawnie i zastosuj Smooth Shading.

10. Przejdź do trybu pieczenia, wybierz żądane parametry i upiecz mapy normalne i rozproszone. Zaleca się zapisanie powstałych tekstur do późniejszego wykorzystania.

11. Po upieczeniu włącz mapy w shaderze i dostosuj ich parametry.
12. Przełącz się na tryb malowania tekstur, aby naprawić artefakty graficzne. Używamy narzędzia Klonowanie i dodajemy niezbędne szczegóły za pomocą pędzla.

13. Porównanie ostatecznego modelu z oryginalnym, zeskanowanym w 3D. Powstały model low-poly można wykorzystać w różnych projektach, takich jak wizualizacje i animacje, podlegających prawu autorskiemu.

Alternatywne programy do przetwarzania skanów 3D

Blender to świetne narzędzie, ale nie jedyne. Istnieje wiele alternatywnych programów, które mogą pomóc na różnych etapach przetwarzania skanów 3D.

• Czyszczenie siatki. Do wstępnego przetwarzania modeli 3D można użyć różnych programów do modelowania 3D, w tym Autodesk Meshmixer. Chociaż rozwój tego narzędzia został przerwany na rzecz Fusion 360, jego funkcjonalność i możliwość bezpłatnego pobrania sprawiają, że nadal jest popularne.
• Wygładzanie reliefu. ZBrush, Autodesk Mudbox i 3DCoat to doskonałe narzędzia do usuwania niechcianych detali i szumów. Programy te oferują tryb rzeźbienia, który pozwala na precyzyjne dostrojenie powierzchni modelu.
• Retopologia. Instant Meshes to popularne narzędzie, które może znacznie uprościć proces retopologii. Wiele programów do modelowania 3D ma wbudowane funkcje do tego zadania.
• Normalne do wypieku. Do tego zadania nadają się Substance Designer i Marmoset Toolbag, które zapewniają wysokiej jakości wypiek.
• Teksturowanie. Substance Painter i 3DCoat to doskonałe rozwiązania do pracy z teksturami w czasie rzeczywistym, pozwalające z łatwością tworzyć szczegółowe tekstury.

Zalety i wady fotogrametrii w grafice 3D

Fotogrametria to rewolucyjna technologia, która nie tylko dodaje realizmu grafice 3D, ale także ożywia stylizowane obiekty (zabawki, wyroby rękodzielnicze). Te elementy można łatwo zintegrować z grami i wizualizacjami, nadając im niepowtarzalny charakter.

• Dostępność technologii. Dzięki poprawie jakości aparatów w nowoczesnych smartfonach, fotogrametria stała się dostępna dla szerszego grona odbiorców.
• Dokładne odwzorowanie wymiarów. Technologia ta umożliwia precyzyjny pomiar obiektów, co jest szczególnie ważne w przypadku elementów architektonicznych. Na przykład, jeśli zeskanujesz schody, będą one odpowiadały rzeczywistym proporcjom.
• Tworzenie unikalnych treści. Wykorzystanie rzemiosła lub obiektów kulturowych jako prototypów może znacząco zwiększyć zainteresowanie Twoim projektem.
• Możliwość uzyskania dodatkowego dochodu. Wiele zasobów stworzonych przy użyciu fotogrametrii można znaleźć na rynkach, które mogą być dość drogie.

• Niedoskonała dokładność. W porównaniu ze skanowaniem laserowym, fotogrametria może dawać mniej dokładne wyniki.
• Wymagana inwestycja. Aby uzyskać wysokiej jakości model 3D, potrzebny jest dobry aparat i odpowiednie oprogramowanie, co wiąże się z dodatkowymi kosztami.
• Złożony proces przetwarzania. Oryginalny skan często wymaga dopracowania, usunięcia zbędnych elementów i optymalizacji geometrii.
• Wymagane są umiejętności artystyczne. Proces teksturowania może być skomplikowany, ponieważ na modelu mogą pojawić się artefakty wymagające ręcznego dopracowania.

Pomimo swoich wad, fotogrametria pozostaje jedną z najskuteczniejszych metod tworzenia realistycznej grafiki, zwłaszcza przy ograniczonym budżecie. Technologia ta znajduje również zastosowanie w projektach niezwiązanych z grami, takich jak wizualizacje i wystawy interaktywne, ponieważ pozwala zachować nawet najbardziej delikatne obiekty. Dzięki rozwojowi technologii fotogrametria może stać się codzienną praktyką w różnych dziedzinach.