3 DIMENSIONAL MODELLING OF LARGE OBJECTS IN OPEN-SPACE: A COMPARISON OF RECENT METHODOLOGIES IN GEOMATICS ENGINEERING

Transkript

1 AÇIK ALANDA BULUNAN BÜYÜK OBJELERİN 3 BOYUTLU MODELLENMESİ: GÜNCEL GEOMATİK MÜHENDİSLİĞİ YÖNTEMLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI A.M. SEREN 1, H. DEMİREL 2 1 İstanbul Teknik Üniversitesi, İnşaat Fakültesi, Geomatik Mühendisliği Bölümü, İstanbul, aycanseren@gmail.com 2 İstanbul Teknik Üniversitesi, İnşaat Fakültesi, Geomatik Mühendisliği Bölümü, İstanbul, hande.demirel@itu.edu.tr Özet Teknolojinin gelişmesi ile birlikte 3 Boyutlu (3B) modellerin farklı kullanım alanları artmış, herhangi bir ölçme bilgisi altyapısı olmasa dahi 3B modeller kişiler tarafından üretilip, paylaşılır ve kullanır hale gelmiştir. Modeller, internet üzerinden açık kaynak kodlu yazılımlar yardımı ile dahi üretilmektedir. Bu modeller uzman olmayı gerektirmeden kolay, anlaşılır, standart bir kişisel bilgisayarda amatör bir resim çekme makinası ile birlikte çalışmak üzere tasarlanmıştır. Fakat üretilen 3B modellerin sınırları, kısıtlar ve doğruluk ile ilgili çalışmalar nadirdir. Bu çalışmada, 3 Boyutlu modelleme için kullanılan farklı tekniklerden hızlı ve düşük maliyetli olan açık kaynaklı kodlu yazılımlarda kullanılan yöntemin (hareket ile nesne oluşturma - Structure from Motion) görselleştirme için yeterli olup olmadığı araştırılacak, ve yöntemler yersel fotogrametri, lazer tarama yöntemleri ile karşılaştırılacaktır. Yöntemlerin karşılaştırılması ve analizi, İTÜ Ayazağa Yerleşkesi Hezârfen Heykeli nin 3B modeli üzerinden gerçekleştirilmiştir. Bu objenin seçilme sebebi açık alanlarda, büyük objelerin nokta bulutu ve buluttan 3boyutlu model oluşturan yazılımların performansları parlak yüzeyler üzerinde test edilebilmesi amaçlanmıştır. Elde edilen analiz sonuçlarına göre, hızlı ve düşük maliyetli olmasına rağmen Structure from Motion yönteminden seçilen obje için net sonuçlar alınamamıştır. Diğer yöntemlerden başarılı 3B modeller elde edilmiştir. Obje yüzeyinin yansıtıcılı, rengi ve parlaklığı 3B modelin veri kalitesini etkilediği sonuca varılmıştır. Sonuçlar detaylı olarak tartışılmış ve yöntemin verimli olarak kullanılabileceği uygulama alanları belirlenmiştir. Anahtar kelimeler: digital yüzey modelleri, 3B, laser tarama, yersel fotogrametri, hareket ile nesne oluşturma 3 DIMENSIONAL MODELLING OF LARGE OBJECTS IN OPEN-SPACE: A COMPARISON OF RECENT METHODOLOGIES IN GEOMATICS ENGINEERING Abstract Due to recent developments in technology, 3 dimensional models are automatically produced, used and shared by users, where no specific geomatics engineering measurement skills and knowledge is required for generating such models. Even internet based open-source code software are recently available to generate 3D objects. Bu concept behind these approach is generating such models via amateur cameras and on internet without specific engineering knowledge. However, the limits, constraints and accuracy of such models are rarely known. Within this study, the fast and low cost open source software methodology (structure from motion) is compared with terrestrial photogrammetry and laser scanning with respect to geo-visualization of the selected object. The analyses and comparison of methods are performed on a large

2 2 object in open space being, Hezârfen statue in the Istanbul Technical University Campus. Hence, the performance of the approach on metallic surfaces and in open-space is tested. According to the achieved results, the rapid and low cost structure from motion approach is not that successful on the test object, when compared with the other two methods, being terrestrial photogrammetry and laser scanning, due to the shining and discontinues surface of the object. Results are discussed in detail and efficient application areas for this approach is proposed. Keywords: digital surface model, 3D, laser scanning, terrestrial photogrammetry, structure from motion 1. Giriş Kullanım alanlarının artması ile birlikte amatör kullanıcıların üç boyutlu model oluşturmaya ilgisi artmış ve fotogrametrinin konusu olan resimlerden cisimlerin 3 Boyutlu modelleri oluşturulmaya oldukça hızlı ve basit biçimde gerçekleştirilmektedir. Özellikle internet üzerinden kolay ulaşılabilecek, amatör kullanıcıların var olan cisimlerin 3 Boyutlu modeli elde edilmesinde yararlanılacak açık kaynaklı yazılımlar geliştirilmiştir. Fakat mühendislik bilgisi gerektirmeyen bu yöntemler ile elde edilen modellerin kullanım alanları, kısıtları ve doğruluğu hakkında çalışmalar nadirdir. Bilgisayar ile görüdeki gelişmeler, 3B model üretimi için farklı yaklaşımların kullanılmasına sebep olmaktadır bunlardan en sık olarak kullanılan hareket ile nesne oluşturma-structure From Motion yöntemidir. Bu yöntemde ki amaç yeniden oluşturmaya dayanmakta olduğu için haritalama için değil daha çok 3B görselleştirme için kullanılmaktadır. Changchang Wu tarafından geliştirilen Visual SFM yazılım sistemi görüntülerden 3B modellerin üretimi için uygulanan grafik kullanıcı ara yüzüdür. (Visual Sfm, 2016) (Westboy et al., 2012) Visual SFM daha önce geliştirilen SiftGPU ve Multicore demet dengelemesi algoritmasının geliştirilmiş bir versiyonudur. Ayrıca diğer açık kaynak kodlu yazılımların çalışması için bir ara yüz içerir. Visual SFM açık kaynak kodlu yazılımda objelerin yeniden oluşturtulması işlemleri eşleştirme, demet dengelemesi ve yoğunlaştırılmış nokta bulutu oluşturulması ve buna bağlı olarak nokta bulutunun elde edilmesi vardır. (Demirel ve Şeker, 2015) Bu çalışmada, internet üzerinden çalışan açık kaynak kodlu yazılımların tercih ettiği hareket ile nesne oluşturma - Structure from Motion yöntemi ile yersel fotogrametri ve laser tarama ile karşılaştırılacaktır. 2. Veri ve Yöntem 3B nokta bulutu oluşturabilmek için aynı objeye ait üç farklı yöntem kullanılmıştır. Bu yöntemler, arazide total station ile yapılan ölçmeler, laser tarama ve amatör resim çekme makinaları yardımı ile elde edilen fotoğraflardan elde edilen görüntüler yardımı ile fotogrametrik olarak üç boyutlu nokta bulutu elde

3 3 etmektir. Yöntemleri karşılaştırmak ve test edebilmek için, çalışmada Şekil 1 de sunulan yaklaşım tasarlanmıştır. Şekil 1. Çalışmada kullanılan yaklaşım Proje için obje olarak 10x10 metrelik heykel seçilmiştir. Bu objenin seçilme sebebi açık alanlarda, büyük objelerin nokta bulutu ve buluttan 3boyutlu model oluşturan yazılımların performansları parlak yüzeyler üzerinde test edilebilmesi amaçlanmıştır. Hezârfen Heykeli, Hezârfen Ahmed Çelebi uçma anının sembolü olarak Heykeltıraş Mahmut Aksoy tarafından yapılmış olup, İstanbul Teknik Üniversitesi Ayazağa Yerleşkesinde Mustafa İnan Kütüphanesi önünde bulunmaktadır.(şekil 2)

4 4 Şekil 2. İTÜ Ayazağa Yerleşkesi Hezârfen Heykeli Öncelikle çalışma objesi olarak seçilen heykelin etrafına 4 adet noktadan oluşan bir kapalı poligon dizisi oluşturulmuştur. Oluşturulan kapalı dizisinde yatay doğrultu, düşey açı ve kenar okumaları İTÜ Jeodezi ve Fotogrametri Mühendisliği Bölümü Ölçme Donanımları Laboratuvarından alınan seri numaralı Geomax ZTS 603 SR Total Station ile kenarlar ve açılar, seri numaralı Kern GKO Nivo ile yükseklikler ölçülmüş ve kapalı poligon noktaların koordinat sistemi hesaplanmıştır. Heykel üzerinde homojen dağılacak şekilde, resimde kolaylıkla ayırt edilebilecek 146 adet detay noktaları belirlenmiştir. Oluşturulmuş olan poligon dizisinde kontrol noktalarına yatay doğrultu, düşey açı ölçmeleri yapılmış ve ileriden kestirme yöntemi ile kontrol noktaların koordinatları oluşturulmuş ve lokal sistemde hesaplanmıştır. RÇM olarak da Canon IXUS 105 modeli seçilmiştir. Bu RÇM nin seçilme sebebi piyasadaki daha yüksek fiyatlı RÇM lere göre daha küçük piksel boyutuna sahip olması ve herkesin elinde bulunabilecek bir amatör kamera olmasıdır. 3. Sonuç ve Öneriler Visual SFM yazılımı çok basit, internet üzerinden, kendi web sayfasından indirildikten sonra bilgisayara kurulum olmadan çalıştırılan bir programdır. Hareket ile nesne oluşturma - Structure from Motion prensibi ile hareket etmektedir. RÇM ile çekilen 67 adet resim programa eklenmiş ve resimler üzerinde eşleştirmeler yapılmıştır. (Şekil 3) (Seren, 2016)

5 5 Şekil 3. Visual SfM yazılımı ile eşleştirme işlemi Leica Scanstation C10 marka yersel lazer tarayıcı seçilmiştir. Taramadan önce çözünürlük yüksek dereceye ayarlanmıştır ve objemizi tarama süresi toplam 20 dakika sürmüştür. İlk olarak koordinatları bilinen nokta olan A 1 noktasına lazer tarama sistemi kurularak bilinen bir başka nokta olan A 2 noktasına hedef konarak noktaların koordinat ve uzaklıkları kontrol edilmiştir, bu işlem sonucu 5 milimetre fark çıkmıştır hatanın milimetre mertebesinde çıkması hatayı tölere etmemizde sorun yoktur. Lazer tarama sistemini 5 farklı noktaya kurarak heykelimizin her açıdan taranmasını sağlanmıştır. Canon IXUS 195 markalı RÇM ile çekilen hazerfan heykelin resimleri oluşturulan projede değerlendirilmek üzere eklenmiştir. Programda heykele ait 2 ön cephe, 2 arka cepheden olmak üzere 4 adet çekilmiş resim üzerinde çalışılmıştır.(şekil 4) Visual SFM programı çalıştırılmaya başlanıp resimler yüklenip, 3B model elde edilinceye kadar geçen süresi 30 dakikadır. Bu süre RÇM kalitesine, fotoğrafların boyutuna ve çözünürlüğüne bağlıdır. Hızlı bir program olmasına rağmen elde edilen modelin doğruluğu hakkında bir değer vermemektedir. Hezârfen heykeli metal ve gri olmasından dolayı çok parlaktır. Bu yüzden kullanılan açık kaynaklı yazılımda, fotoğraf çekerken güneşten kaynaklı parlaklıktan dolayı resimler arasında tam bir eşleşme oluşamamış ve elde edilen 3B model, yeterli kalitede değildir. Elde edilen model Şekil 5 de sunulmaktadır. Laser tarayıcı ile elde edilen model görselleştirme açısından en başarılı modeldir.

6 6 Şekil 4. Yersel Fotogrametri Yöntemi ile Kontrol Noktalarının Ölçülmesi Şekil 5. Visual SfM ile Elde Edilen 3B Nokta Modeli Hızlı ve düşük maliyetli olmasına rağmen bu obje için SfM yöntemi ile yüksek kalitede sonuçlar elde edilememiştir. Kulanılan yazılımların kısa bir karşılaştırması Tablo 1 de sunulmaktadır. Seçilen objenin yüzeyinin yansıtıcılı, rengi ve parlaklığı 3B modelin veri kalitesini etkilediği sonuca varılmıştır. Veriler değerlendirilirken, obje yüzeylerinin özelliğine göre farklılık gösterebilen 3B nokta bulutunun düzensiz veya yanlış olabileceği, objeyi birebir yansıtmayacağı göz ardı edilmemelidir.

7 7 Tablo 1. Kullanılan Yazılımların Kısa Karşılaştırılması (Seren, 2016) Cyclone Yazılımı Yersel Fotogrametri için kullanılır Lisanslı Yazılım Lazer Tarama ile elde edilen nokta bulutundan 3B model elde etme Hızlı bir yazılım Hata payını gösterir Nokta koordinatı gerekli Yüksek maliyetli Başka programlarla uyumlu (AutoCAD,Meshlab vb) Çizgisel model elde edilir Visual SFM Yazılımı Yersel Fotogrametri için kullanılır İnternetten Erişim Basit RÇM ile elde edilen resimlerden 3B model elde etme Hızlı bir yazılım Hata payını göstermez Nokta koordinatina gerek yok Düşük maliyetli Çizgisel model elde edilmez Pictran Yazılımı Hava ve yersel fotogrametri için kullanılır Lisanslı Yazılım Basit RÇM ile elde edilen resimlerden 3B model elde etme Yavaş bir yazılım Hata payını gösterir Nokta koordinati gerekli Düşük maliyetli Çizgisel model elde edilir Kaynaklar Demirel, H., Şeker, D.Z. (2015) Fotogrametrik Açık Kaynak Kodlu Yazılımlar: Yeni Bir Dönem, VIII. TUFUAB Teknik Sempozyumu, ISBN: , , Konya, Türkiye Seren, A.M. (2016) Farklı Yersel Fotogrametrik yazılımlar ile açık alanda bulunan büyük objelerin 3 Boyulu modellenmesi, Tez Çalışması VisualSFM : A Visual Structure from Motion System (2015) Westoby, M.J., Brasington, J., Glasser, N.F., Hambrey, M.J., Reynolds, J.M. (2012) Structure-from- Motion photogrammetry: A low-cost, effective tool for geoscience applications, Geomorphology, Volume 179, Pages