СОЗДАНИЕ 3D МОДЕЛЕЙ ДЕКОРАЦИЙ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ
ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ТРЕХМЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ И ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКОЙ СЪЕМКИ
ДЛЯ ФИЛЬМА «САЛЮТ-7»
ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ТРЕХМЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ И ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКОЙ СЪЕМКИ
ДЛЯ ФИЛЬМА «САЛЮТ-7»
АВТОРЫ:
Войнаровский Александр Евгеньевич, Санкт-Петербургский государственный университет, адрес: 199034, Россия, г. Санкт-Петербург, Университетская набережная, д. 7–9, должность: Доцент. Кандидат технических наук, тел.: +7-812-992-26-85, e-mail: aw@photogrammetria.ru
Тихонов Сергей Геннадьевич, Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, 190031, Россия, г. Санкт-Петербург, Московский пр., д. 9, должность: Старший преподаватель. тел.: +7-911-231-28-59, e-mail: tikhonov@photogrammetria.ru
Хрущёв Александр Сергеевич, ООО «НПП «Фотограмметрия», адрес: 190020, Россия, г. Санкт-Петербург, Старо-Петергофский проспект, д. 44, должность: ведущий инженер, тел.: +7-904-618-84-54, e-mail: hrushev@photogrammetria.ru
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: лазерное сканирование, фотограмметрия, 3D модель, кинематограф, ScanIMAGER.
АННОТАЦИЯ: Обобщается практический опыт создания трёхмерных моделей кинематографических декораций и съёмочного инвентаря по результатам различных методов сканирования.
На сегодняшний день 3D компьютерная графика имеет широкое применение при создании кинематографических спецэффектов, используется в симуляторах и на телевидении. Одной из задач, при создании виртуального мира, является перенос в цифровое пространство реальных предметов. В этом случае используется обратное моделирование, т.е. создание точной 3D модели существующего объекта.
Для решения этой задачи используются следующие основные методы:
- наземное лазерное сканирование
- ручное 3D сканирование
- фотограмметрический метод
Лазерный сканер – это геодезический прибор, широко применяемый при съёмке крупных объектов. Это могут быть здания, дороги, карьеры и пр. При этом точность измерений составляет около 2-3 мм. Данный метод подходит для создания моделей съёмочных павильонов и декораций отдельных помещений.
Ручные сканеры позволяют получить очень высокую детализацию объектов. Разрешение таких моделей может достигать сотых миллиметра. Этот метод прекрасно подходит для моделирования отдельных небольших предметов съёмочного инвентаря.
Стереофотограмметрический метод позволяет получать модели объектов практически любых размеров и форм. Это может быть как целое здание, так и небольшой объект, размер которого не превышает нескольких миллиметров. Также, используя набор фотографий, по которым строится модель, можно получить высококачественные текстуры моделируемого объекта.
Для съёмок фильма «Салют-7» была поставлена задача создания 3D моделей декораций космической орбитальной станции и набора отдельных предметов инвентаря различного размера (от нескольких сантиметров до полуметра). На начальном этапе были проведены исследования, на основании которых, определены методы и комбинации методов, оптимально подходящих для съёмки тех или иных объектов. Выполнение работ можно разделить на два основных этапа – непосредственно съёмка объекта, и дальнейшая обработка полученных данных с использованием различного программного обеспечения.
В результате были получены 3D модели декораций космической станции, переходного отсека и спускаемого модуля, а также более 30 моделей предметов съемочного инвентаря, которые использовались при съёмках фильма «Салют-7».
Сегодня трёхмерное моделирование является неотъемлемой частью современного кинематографа. Благодаря развитию технологий, можно создать целый виртуальный мир, восстановить исторические события, воплотить самые невероятные идеи режиссёра и оператора. Многие сцены с участием главных героев, актёров, снимаются на хромакей – фон однородного цвета, который легко удаляется при монтаже, и позволяет поместить актёров в виртуальную сцену. В большинстве случаев окружающее пространство, фон, отдельные элементы создаются специалистами трёхмерной компьютерной графики напрямую, т.е. с нуля, руководствуясь, как художники, собственной фантазией и описанием режиссёра для той или иной сцены, того или иного персонажа.
Но также, достаточно распространённой задачей в кинематографе является перенос в виртуальное пространство реальных объектов, т.е. получение их трёхмерных моделей [1]. И это могут быть как небольшие объекты, так и целый район города. Для решения таких задач используются современные геодезические и фотограмметрические методы съёмки.
- Наземное лазерное сканирование [2]
Лазерный сканер – это геодезический прибор, широко применяемый при съёмке крупных объектов. Это могут быть здания, дороги, карьеры и пр. При этом точность измерений составляет около 2-3 мм. Данный метод хорошо подходит для создания моделей съёмочных павильонов и декораций отдельных помещений.
- Ручное 3D сканирование [3,4]
Ручные сканеры позволяют получить очень высокую детализацию обмеряемых объектов. Разрешение таких моделей может достигать сотых миллиметра. Этот метод прекрасно подходит для съёмки отдельных небольших предметов съёмочного инвентаря.
- Стереофотограмметрический метод [5]
Данный метод позволяет получить модели объектов практически любых размеров и форм. Это может быть как целое здание, так и небольшой объект, размер которого не превышает нескольких миллиметров. Так же, используя набор фотографий, по которым строится модель, можно получить высококачественные текстуры моделируемого объекта.
Художественный фильм «Салют-7» основан на реальных событиях, произошедших в 1985 году. Космическая станция, находящаяся на орбите в непилотируемом режиме, полностью выходит из строя и теряет связь с центром управления полётами. Для её спасения была отправлена экспедиция в составе двух космонавтов – Владимира Джанибекова и Виктора Савиных.
Для съёмок фильма была поставлена задача о создании трёхмерных моделей созданных декораций интерьеров самой станции «Салют-7», переходного отсека и космического корабля «Союз». А также набора предметов съёмочного инвентаря, начиная от чайной ложки, и заканчивая элементом космического скафандра (всего около 30-ти предметов), и лиц главных героев фильма – Владимира Вдовиченкова и Павла Деревянко.
Декорации интерьеров
Съёмка декораций интерьеров выполнялась методом лазерного сканирования в трёх состояниях космической станции:
- замороженная – температура на станции опустилась до -40 градусов, что вывело из строя систему фильтрации воды и привело к образованию слоя наледи на всех поверхностях станции.
- оттаявшая станция – после подключения станции к системам обеспечения космического корабля «Союз», начался постепенный нагрев станции, сто привело к таянию наледи и образованию капель воды.
- станция в состоянии просушки и ремонта – после сбора основной массы жидкости были открыты все приборные панели, для их просушки и ремонта, при этом основные поверхности станции чистые и сухие.
Для каждого такого состояния выполнялось сканирование с нескольких станций, чтобы убрать мёртвые зоны и обеспечит полноту полученной информации. Затем отдельные сканы сводились в единую систему координат в программе ScanIMAGER. Также здесь выполнялась дополнительная фильтрация облаков точек, с целью убрать так называемые «краевые эффекты», которые создают множество проблем, при построении полигональной модели. Дальнейшая обработка выполнялась в программе MeshLab, где по объединенным облакам точек были построены трёхмерные модели, а затем выполнена их доработка – убирались пустоты, достраивались скрытые элементы, рассчитывалась текстура поверхности. С помощью этих моделей создавались отдельные сцены невесомости.
Моделирование предметов съёмочного инвентаря
Для получения трёхмерных моделей отдельных предметов инвентаря использовались два основных метода – ручное 3D сканирование и фотограмметрический метод. Причём в зависимости от размера, формы, физических свойств объекта, таких как жёсткость, гибкость, прозрачность, фактура поверхности, можно применить тот или иной метод как самостоятельно, так и совместно.
Трехмерное сканирование выполнялось ручным сканером Artec Spider, а последующая обработка и построение полигональных моделей в программе Artec Studio 9. Фотограмметрическая съёмка выполнялась обычной зеркальной фотокамерой Canon 600D, а полученные снимки обрабатывались в программе Agisoft Photoscan. Сегодня аналогичные возможности доступны также в стереофотограмметрическом модуле ScanIMAGER Photo. Как раз комбинирование методов трехмерного сканирования и фотограмметрии часто даёт наилучший результат. Это обусловлено тем, что ручное 3D сканирование позволяет очень быстро получить полигональную модель объекта отличного качества с высокой степенью детализации. Но, несмотря на встроенную камеру, достаточно сложно получить хорошую текстуру объекта, да и сам процесс создания текстурного атласа занимает достаточно длительное время.
В случае с фотограмметрической съёмкой, наоборот – для получения полигональной модели высокого разрешения необходимо большое количество фотографий, а их последующая обработка – определение параметров камеры, построение плотного облака точек и создание модели – очень требовательны к аппаратным ресурсам компьютера, и, как следствие, на это затрачивается много времени. С другой стороны, для получения текстуры в Photoscan или ScanIMAGER Photo нет необходимости в большом количестве фотографий, и если использовать в качестве основы модель, полученную путём ручного 3D сканирования, то вся обработка сводится к трём процессам: выравнивание фотографий – привязка блока фотографий к существующей модели – создание текстурного атласа.
Для привязки фотографий необходимо указать опорные точки на полученной в Artec Studio модели и экспортировать измеренные координаты. Затем указать соответствующие маркеры на фотографиях и выполнить привязку блока фотографий. После чего загрузить в Photoscan или ScanIMAGER Photo 3D модель объекта и создать текстурный атлас. Таким образом, можно получить модели с точной геометрией полигональной сетки и фотореалистической передачей цвета объекта.
Но, безусловно, есть отдельные случаи, в которых разумнее использовать тот или иной метод отдельно. К примеру, небольшие объекты с матовой поверхностью не нуждаются в текстурировании по набору дополнительных фотографий, в таких случаях достаточно снимков, полученных в процессе ручного сканирования. Или вовсе, объект может быть одного цвета, в этом случае достаточно самой модели, которой можно задать тот, или иной цвет. С другой стороны, есть объекты, получить модель которых при помощи ручного 3D сканирования невозможно. Это обусловлено физическими свойствами материалов и фактурой объекта – прозрачные и полупрозрачные поверхности (стекло, полиэтилен, жидкости), мех, шерсть, вата и пр. В таких случаях, получение полигональной модели полностью основывается на стереофотограмметрическом методе съёмки. Безусловно, модели таких объектов получаются не идеальными, и требуют дополнительной ручной доработки – удаление выбросов, сглаживание модели, понижение шума, но, тем не менее, они сохраняют общую геометрию объекта, что позволяет выполнить корректное текстурирование поверхности.
Заключение
В рамках проекта по созданию цифровых трёхмерных моделей для съёмок фильма «Салют-7» применялись все вышеперечисленные методы сканирования и стереофотограмметрической съёмки, как отдельно, так и в различных комбинациях. Были получены модели объектов различных по размеру, геометрии, фактуре, пластике. Данные методы в полной мере соответствуют требованиям современного кинематографа при постановке задачи получения цифровых моделей реальных объектов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. С.Г. Тихонов, А.С. Хрущев. Создание 3D моделей декораций космической станции по результатам трёхмерного сканирования и фотограмметрической съёмки для фильма «Салют-7» // Геодезия, картография, геоинформатика и кадастры. От идеи до внедрения. Сборник материалов II международной научно-практической конференции. 8-10 ноября 2017 г., Санкт-Петербург. – СПб., 2017. –С. 166-167;
2. Середович В. А., Комиссаров А. В., Комиссаров Д. В., Широкова Т. А. Наземное лазерное сканирование. Новосибирск: СГГА, 2009. – 261 с.
3. 3D-сканирование в интересах 3D-моделирования [Электронный ресурс] / URL: http://www.comprice.ru/articles/detail.php?ID=40134 — Загл. с экрана. (дата обращения: 02.04.2018).
4. Лысыч М. Н., Шабанов М. Л., Жадобкина В. В. Современные системы 3D сканирования // Молодой ученый. — 2014. — №20. — С. 167-171. — URL https://moluch.ru/archive/79/12581/ (дата обращения: 16.04.2018).
5. Лобанов А.Н. Фотограмметрия: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. – М., Недра, 1984, 552с.
---
Работы, проведенные на объекте НПП «Фотограмметрия»:
В результате были получены 3D модели декораций интерьеров космической станции, переходного отсека и спускаемого модуля «Союз», а также более 30 моделей предметов съемочного инвентаря (начиная от чайной ложки, и заканчивая элементом космического скафандра), которые использовались при съёмках фильма «Салют-7».
---
CREATION OF SPACE STATION 3D MODELS BY RESULTS OF THREE-DIMENSIONAL SCANNING AND PHOTOGRAMMETRIC SURVEY FOR THE FILM "SALYUT-7"
AUTHORS:
Wojnarowski Alexander
Saint-Petersburg State University, address: 13B Universitetskaya Emb., Saint-Petersburg 199034, Russia, position: Associate Professor.
Doctor of Philosophy, tel.: +7-812-992-26-85, e-mail: aw@photogrammetria.ru
Tikhonov Sergei
"Photogrammetria" Ltd., address: 44 Staro-Peregofsky prospect, Saint-Petersburg, 190020, Russia, position: Executive Director.
Emperor Alexander I Saint-Petersburg State Transport University, 190031, Saint Petersburg, 9 Moskovsky prospect, position: Senior lecturer.
tel.: +7-911-231-28-59, e-mail: tikhonov@photogrammetria.ru
Khrushchev Alexander
"Photogrammetria" Ltd., address: 44 Staro-Peregofsky prospect, Saint-Petersburg, 190020, Russia, position: Leading Engineer, tel.: +7-904-618-84-54, e-mail: hrushev@photogrammetria.ru
KEY WORDS: laser scanning, photogrammetry, 3D model, cinema, ScanIMAGER.
ANNOTATION: Summarizes the experience of creating three-dimensional models of film sets and props based on results of different scanning techniques.
Today 3D computer graphics is widely applied in the creation of special effects used in film, television and simulator industries. When virtual world is creating the representation of real objects in the digital space is one of the tasks. In this case, the inverse modeling is used, i.e. creating an accurate 3D model of an existing object.
To solve this problem, there are the following basic methods:
- laser scanning
- manual 3D scanning
- photogrammetric method
The laser scanner is a geodesic instrument that is widely used while scanning large objects. It can be buildings, roads, quarries, etc. The accuracy of the measurements is about 2-3 mm. This method is suitable to create models of film set.
Manual scanners allow very high detail of objects. The resolution of such models can achieve hundredths of a millimeter. This method is ideal for modeling small subject of the film props.
Photogrammetric method allows getting object model almost of any size and shapes. It can be either a whole building, or a small object, the size of which does not exceed a few millimeters. Using a set of object photographs you can obtain high-quality texture of the modeled object.
For the film "Salyut-7" was tasked to create 3D models of the space orbital station decorations and props of various sizes (from several centimeters to half a meter). At the initial stage, research was performed which let to define methods and combinations of methods suitable for modeling certain objects. Work execution can be divided into two main stages: directly shooting of the object, and further data processing using different software.
In the result, was created the 3D model of the space station decorations, transfer compartment, descent module, and more than 30 models of props items that was used during the shooting of the film "Salyut-7".
---
Программный комплекс ScanIMAGER предназначен для обработки результатов трехмерного лазерного сканирования применительно к архитектурным обмерам. Он построен по модульному принципу и поставляется в различных модификациях.