Методы полета БПЛА для создания 3D-моделей и печати культурного наследия

В рамках курса по геопространственной науке в университете Stephen F. Austin были проведены три миссии с применением беспилотных летательных аппаратов на историческом памятнике Caddo Mounds State с использованием беспилотного летательного аппарата DJI Phantom 4 Pro UAS. Этот БПЛА был выбран из-за высокоточной камеры и способности проводить предварительно запланированные полеты.

 

Изображение Caddo House и центра для посетителей

После выполнения этих полетов все сырые изображения были проверены и организованы в группы. Первая группа из 324 изображений состояла из двойных снимков сетки. Вторая группа включала 313 изображений из миссии свободного полета. Третья группа состояла только из 137 изображений, выбранных из миссии свободного полета, где верх Caddo House не пересекается с горизонтом. Пересечение структуры (Caddo House) и горизонта на фотографии увеличивает вероятность ошибочной классификации небесных пикселей как части объекта, Caddo House, в ходе процесса совмещения, когда похожие пиксели группируются вместе. Это связано с общим принципом SfM и тем, как 3D-модели разрабатываются из 2D-изображений. Как альтернатива можно выбрать исключение таких изображений из входных данных или аннотировать небо/облака на этих фотографиях, если программное обеспечение обработки имеет соответствующую опцию. Последняя группа состояла из 136 фотографий, включающих фотографии из первой и третьей групп, на которых можно увидеть части Caddo House в кадре.

Для печати созданной 3D-модели использовался 3D-принтер потребительского класса QIDI Tech X-Max. Принтер стоит около 1000 долларов и имеет печатную форму 300 мм на 250 мм с высотой печати 300 мм. Он имеет полноцветный сенсорный экран с диагональю 89 мм и флэш-накопитель, который можно напрямую подключить к входной модели для печати (подключение к компьютеру не требуется). В принтере можно использовать PLA (полимолочную кислоту), ABS (акрилонитрилбутадиенстирол), TPU (термопластичный полиуретан) и нейлоновую нить. PLA — это термопласт на основе кукурузного крахмала, обладающий высокой прочностью и жесткостью, другими словами, это очень экологически чистый материал для 3D-печати. Один кг филамента PLA стоит около 20 долларов, а небольшая модель использует всего 40-80 граммов. Ниже показана распечатанная модель Caddo House.

 

(а) Сетка 3D OBJ после удаления артефактов; (б) Сетка 3D OBJ с ее текстурой после удаления артефактов

 

3D-печатная модель Caddo House

Наилучший метод создания 3D-модели объекта с наименьшим количеством очистки после съемки — это захват объекта на орбитальных ярусах с объектом в качестве фокуса без включения каких-либо изображений, на которых объект пересекает линию горизонта. Вполне возможно, что чрезвычайно точная модель может быть создана с изображениями, где объект пересекает линию горизонта, но время, затрачиваемое на удаление артефактов и дефектов в программном обеспечении для 3D, значительно возрастет. Более широко используемый метод полета по двойной сетке даст хорошую модель с наименьшими артефактами, создаваемыми процессом алгоритма SFM, но текстура будет менее четкой, а поверхность будет более обобщенной. Это может быть вызвано большим расстоянием от камеры до объекта. Однако, если объект содержит выступы, уступы или дверные проемы, полет с двойной сеткой будет иметь значительные трудности с точным захватом этих особенностей, в зависимости от угла камеры на протяжении всего полета. Результаты этого исследования позволяют предположить, что, если целью является создание реалистичной 3D-модели объекта с использованием БПЛА, лучшим методом будет метод, используемый в группе изображений 3, включая изображения, выбранные из миссии свободного полета, где верхняя часть объекта не пересекала линию горизонта. Будущие исследования, безусловно, могут быть проведены путем стандартизации различий в углах, расстояниях и высотах для каждого уровня или создания более качественной количественной «наилучшей практики» для орбитальной методологии.

Это исследование заключалось в создании действительно пригодной для печати 3D-модели по цене, которую могут себе позволить обычные пользователи беспилотных летательных аппаратов. Результаты данного исследования показывают, что, если целью является создание реалистичной 3D-модели одного объекта с использованием БПЛА, систематическая миссия предпочтительнее, и большее количество изображений не обязательно приводит к лучшим моделям. Следует учитывать и погодные условия. Например, солнечный и ясный день может создать тень, а облачный день может вызвать проблемы с алгоритмом сопоставления точек, как это наблюдалось в этом исследовании. Постобработка изображения также играет важную роль при печати 3D-модели.

Таким образом, в работе были сформированы рекомендации по восстановлению твердотельных моделей на основании видеоизображений с БПЛА. Это позволяет расширить сферу применения БПЛА с точки зрения выполнения мониторинга и исследования различных объектов.