Используйте съемку для создания цифровой модели, если объект слишком сложен для моделирования

Городская площадь смоделирована с помощью технологии съемки реальности (изображение предоставлено Leica Geosystems)

Съемка реальности — это термин для технологии, использующей съемку объектов физического мира для создания их трехмерных цифровых моделей, как альтернативы моделированию их формы.

Съемка реальности начинается с изображений (фотографий и видео с камер) и цифровых входных данных, например, облаков точек, полученных с помощью лазерных сканеров (лидаров).

Где используется съемка реальности?

Съемка реальности находит применение в нескольких отраслях и процессах, таких как реверс-инжиниринг, медицинская визуализация, метрология, AEC (архитектура, инженерия и строительство).

Применимость и преимущества съемки реальности возрастают с увеличением масштаба и сложности создаваемой 3D-модели. Сравните простоту моделирования городской площади с помощью технологии съемки реальности, как показано выше, с усилиями по созданию ее 3D-модели с нуля с использованием CAD и BIM.

Система съемки реальности с помощью дронов с камерами или наземных лазерных сканеров просто «снимает» сцену, получая каждую видимую архитектурную деталь в виде миллиардов пикселей и точек. Неважно, как выглядят фасады зданий, — сканирование сложных элементов занимает такое же количество времени и генерирует такое же количество пикселей и точек, как и для простых форм. Вот почему провайдеры съемки реальности говорят, что сложность бесплатна, в то время как проработка деталей в моделях CAD и BIM требует много времени, немалых усилий и большого мастерства.

Хотя «съемка сцены» звучит просто на уровне концепции, на практике для сканирования реальности может потребоваться дорогостоящее оборудование и если не опыт работы в CAD, то навыки работы с большими файлами данных и визуально неоднозначными облаками точек и сетками.

Зачем нужна съемка реальности?

За несколько десятилетий создания зданий и сооружений с помощью 3D CAD и BIM был выполнен значительный объем работы, но до сих пор удалось создать только цифровые острова в море сотворенного строителями мира. Так что решение вендоров CAD и BIM начать наступление на море и наполнить его, оцифровав большую часть застроенной среды, было лишь вопросом времени. И почему бы не пойти дальше и не показать построенные объекты в контексте их окружения, ландшафта, деревьев и прочего?

Google пришел, Google ушел

Автомобиль Google Earth с круговой камерой (картинка из видео на YouTube)

Идея добавить мир построенных объектов к естественному миру — и все это в цифровом виде — воплотилась в жизнь, став успешным «полетом на Луну» компании Google. Google удалось оцифровать всю Землю, соединив в одно целое спутниковые и аэрофотоснимки. А потом автомобили компании с 360-градусными камерами проехали 10 миллионов миль по улицам, чтобы отснять большую часть застроенной среды.

Эта была монументальная задача, не принесшая финансовой выгоды, и, возможно, крупнейший в истории проект по картированию и сбору данных. Но его результаты не давали детализации объектов, достаточной для того, чтобы быть использованными для строительных целей. Точность от Google Earth была плюс-минус 15 метров в некоторых местах. Как можно вести строительство с этими данными?

Google надеялся найти решение с помощью краудсорсинга, требуя от всех отправлять в Google Earth модели с высоким разрешением. Для этой цели они приобрели SketchUp, в то время (2006 г.) самую простую в использовании 3D AEC CAD программу; впрочем, она остается такой и сегодня.

Но моделирование зданий и сооружений — занятие, подходящее не каждому, и Google потерял интерес к заселению своей Земли детализированными зданиями и трехмерными городскими пейзажами. В 2012 году SketchUp была продала компании Trimble, у которой возникла срочная потребность в точном моделировании ландшафтов.

Разделенные миры: CAD-модели и реальный мир

Эволюция оцифровки реального мира и оцифровки объектов, созданных людьми, пошла совершенно разными путями. Форма рукотворных объектов стала функцией инструментов, используемых для их проектирования и создания. Проекты выполнялись с помощью линейки и циркуля на чертежных досках мужчинами (преимущественно), которые гордились идеальными линиями и обозначениями. CAD с его точностью дошел до совершенства — его линии идеально горизонтальны и вертикальны, он точно рисует окружности — и таким образом расширил эстетику геометрического совершенства, поскольку геометрия состояла из нескольких примитивных форм, линий, дуг и прямоугольников в 2D и параллелепипедов, цилиндров и других более сложных форм в 3D. Твердотельное моделирование может выполнять растягивание для выдавливания и поворот произвольного сечения, но ломается при попытке сделать что-то нестандартное.

Наши методы производства достигли вершин в создании прямого и круглого. Фрезерные, токарные и лазерные станки разрезают идеально изготовленные прутья, трубы и листы на безукоризненно квадратные детали и элементы зданий. Строительный материал, вместо того чтобы подчиняться воле дизайнера, стал подчинять дизайнера, поскольку в дома закладывались размеры, кратные 4 футам — длине короткой стороны листа фанеры размером 4 фута на 8 футов. Единообразие и повторяемость были золотым стандартом индустриальной эпохи. Винт гарантированно подходит к гайке, а каждая дверь — к дверной раме.

Изнутри нашего идеально выровненного по отвесу дома мы смотрим на природу или на то, что от нее осталось. Мы видим природу и все ее несовершенные творения. Деревья со стволами, которые не являются цилиндрами, и листьями, имеющими совершенно разные размеры, извилистый ручей.

Природа, кажется, совсем неумеха. Нет двух одинаковых вещей — ни листьев, ни снежинок, ни облаков, ни глаз, которыми мы все это видим.

И теперь у нас есть проблема. Поскольку природа не использует CAD и позволяет формам вещей быть какой угодно, для нас стало невозможным документировать ее творения с помощью примитивных объектов, которые мы использовали для проектирования наших продуктов и зданий.

Что нельзя смоделировать, то можно отсканировать

«Статуя уже сотворена в куске мрамора, перед тем как я начинаю свою работу. Она уже там, я просто должен отсечь все лишнее».
— Микеланджело

Съемка реальности в мраморе. Пьета Микеланджело Буонарроти. Фото Станислава Трайко.

Я смотрел во Флоренции на статую Давида, произведение великого скульптора эпохи Возрождения, так долго, что моя жена забеспокоилась. И так же долго я стоял у Пьеты в базилике Святого Петра в Ватикане. Человеческая фигура, задрапированная тканью, с руками, такими живыми, вырезана из каррарского мрамора. Как?

Талант, конечно. Молодому Микеланджело (ему было всего двадцать) понадобилось менее двух лет, чтобы извлечь Пьету из цельного куска камня.

Оцифровка Давида. Компания Hexagon Italia использовала сканер StereoScan Neo и лазерный трекер Leica Absolute Tracker AT960 (не показан) для создания цифровой модели Давида работы Микеланджело для показа на выставке Expo 2020 Dubai (изображение предоставлено Hexagon)

Почему что-то подобное Давиду нельзя создать с помощью САПР? Ведь у пользователя САПР, безусловно, больше инструментов для работы, чем резец.

Но с помощью призматических форм и булевых операций, основы современных приложений твердотельного моделирования, невозможно описать ни анатомию Давида, ни складки одеяния Девы Марии. И никто не пожертвовал двумя годами своей жизни в попытках сделать это. Сканирование статуи Давида для создания 3D-модели заняло всего 10 дней.

Мелкая сетка. Треугольная сеточная модель Давида работы Микеланджело, созданная для научно-фантастического фильма ужасов Ридли Скотта «Чужой: Завет» (изображение из 3D-скана компании Plowman Craven в посте блога Музея Виктории и Альберта)