Praca Dyplomowa - AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza
im. Stanisława Staszica w Krakowie
Wydział Geodezji Górniczej
i Inżynierii Środowiska
Katedra Geoinformacji, Fotogrametrii i Teledetekcji
Środowiska
Praca Dyplomowa
Tytuł pracy
Modelowanie 3d dla celów wizualizacji i prezentacji obiektów za pomocą
narzędzi geoinformatycznych
Title of work
3d modeling for the visualization and presentation of objects using
geoinformatics tools
Nazwisko i imię: Gacek Magdalena
Kierunek studiów: Inżynieria Środowiska
Specjalność: Monitoring Środowiska
Ocena: ……………
Recenzent
dr inż. Andrzej Wróbel
Opiekun Pracy
dr inż. Tomasz Pirowski
Oświadczam, świadoma odpowiedzialności karnej za poświadczenie
nieprawdy, że niniejszą pracę dyplomową wykonałam osobiście i
samodzielnie i że nie korzystałam ze źródeł innych niż wymienione w pracy.
.............................
czytelny podpis autora pracy
Kraków 2011

Składam serdeczne podziękowania
Panu dr inż. Tomaszowi Pirowskiemu
za pomoc i cenne wskazówki udzielane
podczas realizacji pracy dyplomowej
2

Streszczenie:
Celem pracy było opracowanie modelu trójwymiarowego (3D) wieży ratuszowej
mieszczącej się na Rynku Głównym w Krakowie z dokładnością wystarczającą do celów
prezentacyjnych przy wykorzystaniu amatorskiego sprzętu fotograficznego
i półprofesjonalnego, ogólnodostępnego oprogramowania on-line. Kryteria te są
niezbędne, aby tego typu rozwiązania znalazły zwolenników, w przeciwieństwie do
kosztownych i skomplikowanych profesjonalnych opracowań inwentaryzacyjnych czy
architektonicznych.
Część teoretyczna stanowi opis sposobów prezentacji danych trójwymiarowych,
od standardów grafiki 3D oraz modelowania poprzez metody pozyskiwania danych do
wizualizacji i zastosowaniach gotowych produktów. Przedstawiono również informacje
historyczne i opis architektury modelowanego obiektu oraz charakterystykę sprzętu
pomiarowego.
W części praktycznej przedstawiono założenia i przebieg prac terenowych,
opisano zestaw narzędzi, którymi posługiwano się w trakcie modelowania brył, tj.
programów do tworzenia modeli 3D na bazie zdjęć cyfrowych obiektu (Photosynth,
Photofly, Google SketchUp, AutoCAD) wraz z omówieniem poszczególnych etapów ich
powstawania. Jako efekt końcowy przeprowadzonych prac uzyskano 4 modele
trójwymiarowe badanego obiektu, pokryte teksturami, a także dwie animacje powstałe
w programach AutoCAD oraz Google SketchUp. W celu kontroli możliwości
poszczególnych rozwiązań komercyjnych oprócz profesjonalnego oprogramowania
typu AutoCAD sprawdzono również, poza zakresem pracy, półprofesjonalny
ImageModeler.
Wykazano, że ogólnodostępne narzędzia dają wystarczające, a czasami nawet
lepsze wyniki niż specjalistyczne oprogramowanie komercyjne. Przedstawione
wizualizacje wykonane zostały przy zastosowaniu technik fotografii naziemnej i mogą
znaleźć zastosowanie głównie w celach edukacyjnych i prezentacyjnych, takich jak
promocja czy reklama, a także stanowić uzupełnienie dokumentacji architektonicznej.
3

Summary:
The key assumption of the diploma thesis was to make a 3D model of Town Hall
Tower, which is located in the Main Market Square in Krakow, with a precision
adequate for the purpose of presentation of making use the most unprofessional
photographic equipment and semi-professional software, widely available on-line.
These criteria are necessary for this type of tools were his supporters, in contrast to
the costly and complicated photogrammetric elaborations.
The thesis is divided into two parts: theoretical and practical respectivelly. The
theoretical part provides description of how to present three dimensional data from
3D graphics and modeling by the method of data collection and visualization
applications to finished products. It also presents the historical information and a
description of the architecture of the facility and the characteristics of measuring
equipment.
The practical part presents the assumptions and the course of fieldwork,
describes toolkit which were used during the modeling of solids, ie, programs to create
3D models based on digital images of the object (Photosynth, Photofly, Google
SketchUp, AutoCAD), along with a discussion of the various stages of its creation. As a
final result of work carried out three-dimensional models achieved 4 test object,
textured and two animations created in AutoCAD and Google SketchUp. In order to
control the possibility of different commercial solutions in addition to professional
software such as AutoCAD, also examined outside the scope of work, semiprofessional
ImageModeler.
Has been shown that public utility provide enough, and sometimes even better
results than specialized commercial software. All of presented visualizations were
created using the photographic techniques and can be use to educational and
presentational purposes, such as a promotion and an advertisement. This forms of
visualizatiosn may also be a kind of architectural documentation.
4

Spis treści
1. Wstęp. ......................................................................................................................7
2. Wizualizacja – sposób prezentacji danych 3D. ..........................................................9
2.1 Grafika trójwymiarowa i jej standardy. ..............................................................10
2.2 Modelowanie 3D. ..............................................................................................18
2.3 Metody pozyskiwania danych do wizualizacji .....................................................21
2.3.1 Dane wektorowe.........................................................................................23
2.3.2 Stereodigitalizacja zdjęć lotniczych .............................................................23
2.3.3 Stereoskopia satelitarna..............................................................................24
2.3.4 Skaning laserowy ........................................................................................25
2.3.5 Niemetryczne zobrazowania cyfrowe ..........................................................26
2.3.6 Metody łączące różne techniki ....................................................................27
2.4 Prezentacja danych – przeglądarki 3D ................................................................27
2.5 Zastosowania .....................................................................................................31
2.5.1 Miasta 3D....................................................................................................32
2.5.2 Nawigacja 3D ..............................................................................................35
2.5.3 Wirtualny Kraków .......................................................................................38
2.5.4 „Chińskie google” ........................................................................................39
2.5.5 Budownictwo i inżynieria ............................................................................40
2.5.6 3D dla branży rozrywki cyfrowej .................................................................41
2.5.7 Modelowanie 3D a możliwości GIS – przykłady ...........................................42
3. Aparaty cyfrowe .....................................................................................................45
3.1 Modelowanie budynków na podstawie zdjęć cyfrowych ....................................46
3.2 Pozyskiwanie zdjęć ............................................................................................47
3.3 Charakterystyka wykorzystanych aparatów cyfrowych ......................................48
4. Obiekt opracowania................................................................................................52
4.1 Położenie ...........................................................................................................52
4.2 Historia ..............................................................................................................52
4.3 Charakterystyka budynku ..................................................................................55
5. Przegląd oprogramowania – wybór. .......................................................................59
5.1 Program Microsoft Photosynth ..........................................................................59
5

5.1.1 Co to jest Photosynth ..................................................................................59
5.1.2 Historia .......................................................................................................59
5.1.3 Opis działania programu .............................................................................60
5.1.4 Ocena możliwości programu .......................................................................63
5.1.5 Ciekawostki .................................................................................................64
5.2 Projekt „Photofly”..............................................................................................65
5.2.1 Wprowadzenie ............................................................................................67
5.2.2 Wykonanie zdjęć .........................................................................................67
5.2.3 Tworzenie i edycja sceny .............................................................................68
5.2.4 Interfejs programu ......................................................................................72
5.2.5 Eksport........................................................................................................74
5.2.6 Podsumowanie ...........................................................................................76
5.3 Wizualizacja w programach AutoCAD i SketchUp ...............................................77
5.3.1 Google SketchUp - charakterystyka .............................................................78
5.3.2 Zestaw narzędzi Google SketchUp ...............................................................79
5.3.3 Praca w Google SketchUp ...........................................................................80
5.3.4 AutoCAD .....................................................................................................84
6. Model obiektu ........................................................................................................89
6.1 Prace terenowe .................................................................................................89
6.2 Photosynth ........................................................................................................92
6.3 Photofly .............................................................................................................97
7. Podsumowanie ..................................................................................................... 101
8. Literatura .............................................................................................................. 104
6

1. Wstęp.
Grafika komputerowa, jako dziedzina zajmująca się wykorzystaniem technik
informatycznych do celów wizualizacji, podlega ciągłemu rozwojowi. Skok
technologiczny w kierunku pozyskiwania, modelowania oraz udostępniania informacji
przestrzennej sprawił, że trójwymiarowa wizualizacja komputerowa stała się jednym
z najpopularniejszych sposobów przedstawiania obiektów oraz zjawisk rzeczywistych.
Połączenie algorytmów komputerowych, cyfrowego przetwarzania obrazów i Internetu
umożliwiło nadanie wizualizacjom fotorealizmu, co spowodowało, że prezentowanie
modeli za pośrednictwem przeglądarek, stało się standardem.
Panujący trend na modelowanie 3D motywujący producentów do tworzenia
coraz to nowszych i ciekawszych aplikacji umożliwiających pozyskanie
trójwymiarowych obiektów na drodze przetwarzania serii zdjęć 2D oraz dominacja na
rynku aparatów cyfrowych wpłynęły na podjęcie tego tematu w ramach pracy
magisterskiej. Jako założenie przyjęto analizę rozwiązań opierających się na względnie
tanich i prostych technikach, wykorzystujących zdjęcia cyfrowe, programy graficzne do
ich obróbki, a także aplikacje bazujące na uproszczonych rozwiązaniach
fotogrametrycznych, niewymagające od użytkownika fachowej wiedzy.
Rozdział 2 stanowi obszerny przegląd literaturowy wprowadzający w tematykę
wizualizacji, ze szczególnym naciskiem na sposoby prezentacji danych
trójwymiarowych. Przedstawiono tutaj wiele przykładów zastosowania w różnych
dziedzinach, m. in. planowaniu przestrzennym, budownictwie i inżynierii, rozrywce czy
GISie.
Dokładny opis aparatów użytych do pozyskania materiału zdjęciowego zawarto
w rozdziale 3. Przedmiotem opracowania była zabytkowa wieża ratuszowa znajdująca
się na Rynku Głównym w Krakowie, którą szczegółowo scharakteryzowano
i zilustrowano w rozdziale 4.
W dobie dzisiejszych rozwiązań rzadko zdarza się, aby jakiś produkt powstał
w wyniku zastosowania wyłącznie jednej technologii. Zazwyczaj mamy do czynienia
z wykorzystaniem kilku. Dotyczy to zarówno kwestii opracowania jak i pozyskiwania
danych. Ten aspekt towarzyszy części praktycznej pracy, na którą składają się rozdziały
5 oraz 6. Zawierają one analizę programów pod kątem ich przydatności, jakości
7

otrzymanych wyników, a także łatwości użytkowania, na podstawie podejmowanych
prób uzyskiwania poprawnych modeli 3D. Zastosowano dwa podejścia, z których jedno
zakładało stworzenie trójwymiarowej bryły w programach: Photosynth oraz Photofly
„od zera”, tzn. z zastosowaniem tylko i wyłącznie zdjęć wykonanych własnoręcznie.
Drugi sposób polegał na wykorzystaniu zewnętrznego źródła danych – pliku
pozyskanego z galerii trójwymiarowej Google w postaci modelu krawędziowego wieży,
istniejącego niezależnie od prac podjętych w niniejszym opracowaniu, a następnie
poddaniu go obróbce w programach: AutoCAD 2011 oraz Google SketchUp 6, czego
produktem końcowym były animacje.
W podsumowaniu, w rozdziale 7, zawarto wnioski dotyczące modelowania
w poszczególnych programach, ich wady i zalety oraz porównanie. Zweryfikowano
początkowe założenia z końcowymi ocenami wynikającymi z przeprowadzonych prac
oraz opisano problemy napotkane podczas realizacji praktycznej części pracy.
8

2. Wizualizacja – sposób prezentacji danych 3D.
Dynamiczny rozkwit techniki komputerowej przypadający na połowę XX wieku
zapoczątkował nowa erę, tworząc narzędzia towarzyszące człowiekowi w codziennej
pracy i rozrywce. Ciągły rozwój techniki, sprzętu i oprogramowania pozwala w szybkim
tempie na implementację nowych rozwiązań. Jeszcze niedawno z powodu ograniczeń
technologicznych nie do pomyślenia było oglądanie trójwymiarowych modeli na
ekranie komputera. Dziś obowiązują już standardy, pozwalające na udostępnianie
danych do użytku publicznego oraz ich łatwą wymianę pomiędzy różnorakimi
programami (Cisło, 2007a).
Prezentacja danych w przestrzeni 3D jest obecnie coraz powszechniejszym
rozwiązaniem. Wizualizacje służą już nie tylko do promocji miast, regionów, ale
również do tworzenia map hałasu, propagacji fal radiowych, korytarzy i cyrkulacji
powietrza, symulacji działań antyterrorystycznych, katastrof żywiołowych, działań
wojskowych i wielu innych. Coraz większa funkcjonalność oprogramowania 3D i jego
kompatybilność ze standardowym sprzętem komputerowym tworzy nowe możliwości,
a wraz z nimi potrzeby i zastosowania. Rozwój oprogramowania pozwala wizualizować
i analizować przestrzeń w funkcji czasu. Wykorzystanie wizualizacji 3D jest uniwersalne
i dotyczy różnych środowisk: urbanistów, architektów, projektantów i oczywiście
geodetów (Izdebski, Szadkowski, 2009).
Zadajmy sobie pytanie: „czym jest komputerowa, trójwymiarowa wizualizacja
3d”. Z jednej strony wizualizację traktuje się jako ogólną nazwę graficznych metod
tworzenia, analizy i przekazywania informacji [wikipedia.org [1]], natomiast inna prosta
definicja tłumaczy proces jako przedstawienie w rzucie prostokątnym lub
perspektywicznym sceny istniejącej w pamięci komputera. Innymi słowy scena
istniejąca w pamięci komputera to po prostu obraz, jaki widzi komputer, będący
zbiorem danych opisujących wszystkie parametry powstającej wizualizacji. Na
podstawie zadanych przez twórcę parametrów komputer "wie" jak ma wyglądać
wizualizacja i na tej podstawie generuje obraz widoczny dla człowieka. Co do rodzaju
rzutu w jakim jest wykonana wizualizacja 3d, może to być widok prostokątny lub
perspektywiczny. Z naszego punktu widzenia bardziej naturalnym widokiem jest
9

perspektywa, dlatego też jest to dominujący rodzaj rzutu w wizualizacjach
komputerowych [wizualizacje3d.blox.pl [2]].
2.1 Grafika trójwymiarowa i jej standardy.
Grafika trójwymiarowa jest jedną z głównych dziedzin grafiki komputerowej,
która w dzisiejszych czasach jest powszechnie stosowana. Obrazy i projekty
przedstawione w trzech wymiarach budzą zachwyt. Taka metoda prezentacji
umożliwia wierne i przestrzenne odzwierciedlenie obiektów w bardzo wysokiej jakości.
Te cechy sprawiają, że grafika trójwymiarowa jest obecnie najczęściej wybieraną
metodą wśród profesjonalnych grafików komputerowych na całym świecie.
Nazwa - grafika 3D, pochodzi od angielskiego słowa Three - Dimensional
Graphics. Obecnie większość kart graficznych dostępnych na rynku posiada
wbudowane funkcje ułatwiające tworzenie obrazu przestrzeni trójwymiarowej, tzw.
akceleracja 3D [www.fg-art.pl [3]], co skutkuje możliwością wyświetlania obiektów
zbudowanych z wielokątów, przy jednoczesnym wykonywaniu dużej części obliczeń
związanych z generowaniem grafiki 3D: przekształcenia geometryczne (takie jak obrót,
skalowanie, rzutowanie perspektywiczne), cieniowanie wielokątów, proste modele
oświetlenia, teksturowanie wielokątów, mapy nierówności (tj. Bump Mapping, Normal
Mapping). Współczesne GPU (Graphics Processing Unit) pozwalają dzięki tzw.
shaderom, czyli krótkim programom opisującym właściwości pikseli oraz wierzchołków,
na uzyskanie praktycznie dowolnych efektów.
Geometria obiektów trójwymiarowych może być reprezentowana na kilka
sposobów:
siatka wielokątów – obiekt jest budowany z płaskich wielokątów (najczęściej
trójkątów lub czworokątów), które mają wspólne wierzchołki i krawędzie.
W ten sposób można tworzyć proste bryły, albo – jeśli siatka jest dostatecznie
gęsta – dobrze przybliżać skomplikowane obiekty,
10

Rys. 2.1 Przykład siatki z cieniowaniem, [www.programowanie.tk.krakow.pl [4]]
voxele (woksele) – obiekt jest budowany z elementarnych komórek,
zazwyczaj sześcianów (trójwymiarowych pikseli). Tego rodzaju reprezentacja
jest rozpowszechniona szczególnie w diagnostyce medycznej (tomografia
komputerowa), gdzie uzyskuje się szereg przekrojów (obrazów bitmapowych)
ciała pacjenta i na ich podstawie tworzy trójwymiarowe modele
[pl.wikipedia.org [5]],
Rys. 2.2 Przykład reprezentacji wokselowej, [www.cs.umbc.edu [6]]
CSG (Constructive Solid Geometry) – obiekty powstają w wyniku połączenia
prymitywów (prostych figur geometrycznych, z których buduje się inne,
bardziej skomplikowane) za pomocą operatorów boolowskich (sumy, różnicy,
iloczynu), które są bezpośrednio włączone do reprezentacji. Obiekt jest
pamiętany jako drzewo z operatorami w węzłach wewnętrznych i prostymi
prymitywami w liściach. Niektóre weszły reprezentują operatory boolowskie,
inne zaś wykonują przesunięcia, obroty i skalowanie [grafika.aei.polsl.pl [7]],
11

Rys. 2.3 Przykład reprezentacji CSG obiektu, [pl.wikipedia.org [8]]
opis matematyczny – obiekty są określone równaniami. Mogą to być np. kule,
płaszczyzny oraz szczególnie użyteczne i powszechnie stosowane
powierzchnie parametryczne (płaty powierzchni), np. powierzchnie Béziera,
Hermite'a czy NURBS (Non-Uniform Rational B-Spline). Istnieją programy,
które swoje funkcjonowanie opierają głównie o właśnie taki sposób
modelowania, zaliczyć do nich można np. POV-Ray.
Rys. 2.4 Przykładowa powierzchnia NURBS wraz z siatką kontrolną, [pl.wikipedia.org [9]]
Dane trójwymiarowe mogą zostać pobrane ze świata rzeczywistego, np. za
pomocą wspomnianych tomografów komputerowych, skanerów trójwymiarowych, ze
zdjęć satelitarnych a także stereoskopowych. Obiekty 3D mogą również zostać
stworzone przez człowieka w procesie modelowania [pl.wikipedia.org [1]] .
Do tworzenia grafiki 3D zostało stworzonych wiele programów na różne
platformy sprzętowe i systemy operacyjne. Przykładowe aplikacje umożliwiające
12

tworzenie i modyfikację obiektów trójwymiarowych tzw. modelery, z których część
umożliwia również tworzenie animacji 3D to: 3ds Max, ArchiCAD, Autodesk Softimage,
Google SketchUp, Solid Edge, ImageModeler.
„Zarówno nowe technologie pozyskiwania danych geoprzestrzennych takie jak
np. skaning laserowy, ale także klasyczne już metody fotogrametrii cyfrowej
dostarczają dużej ilości danych, które nadają się do prezentacji trójwymiarowych.
Współczesny odbiorca oczekuje, aby były one dostępne również poprzez Internet
(Jędryczka, 2008), dlatego też opracowano języki zdolne do ilustrowania obiektów
w 3D na stronach internetowych. Większość popularnych pakietów użytkowych na
świecie typu CAD/GIS, umożliwia zapis modeli w nich tworzonych do formatów
obsługiwanych przez usługę WWW. Do niedawna był to głównie język VRML (rys. 2.5) -
język modelowania rzeczywistości wirtualnej (ang. Virtual Modeling Language),
mający swój początek w roku 1995, obecnie zastąpiony przez standard ISO – X3D
(Extensible 3D) [xml.coverpages.org [10]]. Do głównych zalet VRML zaliczyć należy:
„możliwość tworzenia bardzo realistycznych scen, mechanizm LoD (Level of Details)
pozwalający wyświetlać dane o różnym stopniu dokładności, wzbogacanie wirtualnego
świata elementami dźwiękowymi, animacjami czy sekwencjami wideo, opcje
wstawiania tzw. sensorów, które umożliwiają interakcje użytkownika z obiektem oraz
uniwersalność, dostępność i dobre zestandaryzowanie” (Cisło, 2007b).
Rys. 2.5 Schemat rozwoju języków opisu obiektów 3D w środowisku rzeczywistości wirtualnej,
(Cisło, 2007b)
Dzisiejszy „Geo-Web” jest atrakcyjny i wykorzystywany w wielu dziedzinach, nie
posiada jednak ujednoliconych standardów. Formaty zapisu czy wymiany danych
oparte są w większości na uniwersalnym języku formalnym XML, przeznaczonym do
reprezentacji różnych danych w strukturalizowany sposób [www.w3.org [11]]. Innymi
słowy, obecnie XML jest meta językiem do tworzenia innych języków. Na jego
podstawie powstał również standard trójwymiarowej grafiki internetowej – X3D
(rys. 2.6), o którym wspomniano wcześniej (rys. 2.5). Ten Stosunkowo mało popularny
standard, do obsługi którego niezbędna jest instalacja wtyczek posiada wiele cech
czyniących go niezwykle przydatnym. Są to m. in.:
13

dodatkowe formaty usprawniające ładowanie modeli: tradycyjny, XML oraz
binarny kodowania danych,
wykorzystywanie technik modelowania brył za pomocą wzorów
matematycznych – NURBS (rys. 2.4),
łatwość integrowania z przeglądarkami Web za pośrednictwem XML lub
innych aplikacji,
synergia statycznej grafiki płaskiej i przestrzennej z nawigacją i animacją,
wykorzystywanie technik audio i video,
umożliwienie połączeń sieciowych i interakcji,
uniwersalność oraz możliwość rozbudowywania (Cisło, 2007b).
Popularnością cieszą się też formaty takie jak np. KML czy COLLADA, które
zostaną opisane w dalszej części rozdziału.
Rys. 2.6 Przykład grafiki w formacie X3D, [www.xml.com [12]]
„W serwisach oferujących dane geoprzestrzenne na stronach WWW tzw. geoserwisach
(ang. Geospatial Web Services) często jednak dominują nadal wizualizacje
dwuwymiarowe danych wektorowych i język SVG oraz dane rastrowe. Open Geospatial
Consortium (OGC) dzieli serwisy GWS, w grupie tzw. „wolnego” oprogramowania, na
kilka rodzajów” (Jędryczka, 2008), są to m.in.:
- Web Map Service - specyfikacja OGC standaryzująca sposób udostępniania przez
serwer map, a także określania przez serwer swoich możliwości w tym zakresie.
Mapy te są obrazowane na podstawie danych geograficznych zawartych w bazie
i wyświetlane po stronie klienta w takich formatach rastrowych jak GIF, JPEG, PNG
[geosystems.pl [13]];
14

Rys. 2.7 Przykłady wykorzystania WMS w różnych aplikacjach, (Malinowski, Pawłowski, 2008)
- Web Coverage Service (WCS) – definiuje sposób dostępu do danych geograficznych
pokrywających pewien obszar terenu (modele terenu, zdjęcia lotnicze, satelitarne),
dane są zwracane jako obiekty geograficzne i można wykonywać na nich określone
operacje [kngk.agh.edu.pl [14]];
- Web Feature Service - „specyfikacja definiująca interfejsy dla dostępu do danych
i operacji, jakie można wykonywać na obiektach geograficznych. Pozwala na
pobieranie i wykonywanie operacji na danych zakodowanych w GML, dostępnych na
serwerach typu Web Feature. Usługa opiera się na protokole http”
[geosystems.pl [13]].
Z tych bardziej znanych wśród nich to przykładowo: aplikacje typu klient jak np.,
Dapple (rys. 2.8) [dapple.geosoft.com [15]], Intergraph OGC Viewer (rys. 2.9)
[www.intergraph.com [16]] oraz MapBuilder [www.mapbuilder.net [17]], czy
z serwisów map (WMS) ESRI, GEOBIT GEO - SYSTEM, czy INTERGRAPH, gdzie mapę
traktuje się jako graficzną reprezentację danych, nie zaś jako same dane
geoprzestrzenne. Przykłady wykorzystania WMS w różnych aplikacjach przedstawia
rysunek 2.7.
15

Rys. 2.8 Przykład reprezentacji danych w aplikacji Dapple
W serwisach internetowych rzadko spotyka się prezentacje trójwymiarowe
rzeźby terenu, widoku krajobrazu czy obiektów infrastruktury. Wymaga to z reguły
zainstalowania „wtyczki” (ang. plug - in) do przeglądarki stron WWW.
Najczęściej używane aplikacje na świecie, przenoszące użytkownika w świat
trzech wymiarów to Google Earth, Virtual Earth oraz World Wind. Ich popularność
wynika z faktu bycia szybką formą prezentacji zbliżoną do oglądu rzeczywistego,
przeznaczonej dla szerokiego kręgu odbiorców. Ponadto dużą zaletą jest możliwość
zamieszczania swoich własnych danych.
Rys. 2.9 Zrzut ekranu Intergraph OGC Viewer
Język KML wprowadzony przez Google jako otwarty standard do opisu
i wizualizacji danych geograficznych w serwisach WWW, został zaakceptowany
16

i zatwierdzony przez Open Geospatial Consortium (OGC). „Umożliwia on użytkownikom
między innymi dołączanie do map, posiadających pokrycie zdjęciami satelitarnymi (lub
lokalnie lotniczymi), także modele trójwymiarowe (rys. 2.10). Wiele aplikacji do
budowy takich modeli wprowadza obecnie standard X3D lub implementuje format
wymiany danych COLLADA (the Collaborative Design Activity) (Jędryczka, 2008).
Rys. 2.10 Przykład danych w formacie KML, Google Earth
Format COLLADA, został ogłoszony przez grupę Khronos w 2006 roku jako
standard przemysłowy. Został stworzony jako rodzaj swoistego „pomostu” – wymiany
„między aplikacjami, graficznymi, a narzędziami DCC (ang. Digital Content Creation),
służącymi do tworzenia szeroko pojętych treści cyfrowych (grafika, animacje, dźwięki
itp.). COLLADA została zaadoptowana także w wielu innych narzędziach, które
wyposażono w opcję exportu modeli 3D do GoogleEarth takich jak np. w RealViz,
Autocad, PhotoModeler. Generalnie format ten jest zgodny z ogólnym profilem
aplikacji Google Earth. Ponadto w połączeniu z językiem KML w pełni obsługuje
technologię LOD, co jest istotne np. dla danych wykorzystujących obrazy
wysokorozdzielcze” (Jędryczka, 2008). Rysunek 2.11 przedstawia sposób połączenia
standardu COLLADA i języka KML w celach prezentacji modelu budynku w Google
Earth.
Rys. 2.11 Połączenie standardu COLLADA z językiem KML, Jędryczka, 2008
17

Pierwszym standardem wymiany, przechowywania i prezentacji
trójwymiarowych modeli wirtualnych miast jest CityGML – ogólno dostępny system
informacji, służący do ukazywania obiektów w przestrzeni 3D. Został zaprezentowany
przez Open Geospatial Consortium (OGC) w 2008 r., a jego pojawienie przyspieszyło
zarówno rozwój, jak i wdrażanie współdziałającej technologii GeoVe – Geo-Virual
Environment. Językiem służącym do przechowywania i wymiany danych wirtualnych,
dotyczących miast 3D jest XML. GeoVe jest oprogramowaniem służącym do analiz
i prezentacji wirtualnych modeli miast 3D. Procesy związane z generowaniem
i zaopatrywaniem trójwymiarowych modeli miast są automatyczne. Najmocniejszą
stroną GeoVe jest możliwość łączenia różnych geoinformacji w całość.
Oprogramowanie urzeczywistnia ideę „cyfrowych miast” czyli wirtualnych
odpowiedników obszarów zabudowanych w prawdziwym świecie [citygml.org [18]],
Dollner J., 2009). Językiem CityGML jest GML – Geography Markup Language oraz
KML. Języki te powstały w oparciu o meta język XML. GML jest stworzony dla
systemów geograficznych. Dzięki niemu możliwa jest wymiana danych geograficznych
przez Internet. KML został uznany za standard w wizualizacjach map 2D oraz
przeglądarek 3D powierzchni Ziemi. Cechami wspólnymi GML i KML jest możliwość
opisania cech geometrycznych obiektów, posługując się punktami i wielobokami.
Różnicuje je fakt, iż język KML nie posiada możliwości zapisu cech semantycznych
obiektów, które posiada GML. Dodatkowo język KML używa układu odniesienia
WGS84, a obiekty w CityGML mogą być zapisywane zarówno w systemie globalnym,
jak i lokalnym. Przeglądarka Google Earth obsługuje format KML zapisany w formacie
CityGML (Jędryczka, 2009; www.opengeospatial.org [19]).
2.2 Modelowanie 3D.
Modelowanie trójwymiarowe, jak sama nazwa wskazuje jest podstawowym
procesem wykorzystywanym w grafice i polega na tworzeniu oraz edycji obiektów
w standardzie 3D [www.fg-art.pl [20]]. Tworzenie modelu komputerowego wymaga
zrozumienia zasad, za pomocą których przekazujemy programowi obraz tworzonej
przestrzeni. Musimy nauczyć się "komputerowego" sposobu myślenia
o trójwymiarowych obiektach. Budowa modelu jest zazwyczaj najbardziej
18

czasochłonnym etapem tworzenia wizualizacji. Zanim przystąpimy do wykonania
modelu, musimy wziąć pod uwagę wiele czynników, które będą miały wpływ na jego
dokładność, wykonanie oraz eksport do programu renderującego [www.sztukaarchitektury.pl
[21]]. Tego rodzaju procesy przeprowadzane są przez wyspecjalizowane
oraz przystosowane do tego celu aplikacje komputerowe, noszące nazwę modelerów.
Do obsługi tego rodzaju oprogramowania potrzeba znajomości podstawowych
zagadnień z dziedziny grafiki trójwymiarowej. Tradycyjna grafika trójwymiarowa
wykorzystuje do projektowania obiektów 3D siatki graficzne. W przypadku
modelowania, oprócz tego rodzaju siatek wykorzystuje się również właściwości
powierzchni parametrycznych. To pozwala na dokładniejsze oraz bardziej precyzyjne
modelowanie obiektów mniej lub bardziej skomplikowanych. Dzięki metodzie
modelowania trójwymiarowego powstają projekty graficzne zapierające dech
w piersiach [cad.reh.home.pl [22]].
W procesie modelowania trójwymiarowego określa się kilka rodzajów oraz
procesów, dzięki którym powstają coraz to ciekawsze oraz bardziej skomplikowane
konstrukcje oraz grafiki komputerowe. Wszystko oczywiście odbywa się w standardzie
grafiki trójwymiarowej, która w tym przypadku jest metodą wyjściowa dla wszystkich
rodzajów modelowania trójwymiarowego [www.fg-art.pl [20]].
Obiekty 3D są przeważnie budowane z siatek wielokątów lub definiowane przy
pomocy krzywych bądź powierzchni parametrycznych (np. płaty Beziera, NURBS),
modelery używają obu reprezentacji. Siatka wielokątów ma tę przewagę, że łatwo
można deformować obiekt (np. skręcać, wyginać, stosować system kości), z kolei
krzywe parametryczne w naturalny sposób tworzą gładkie powierzchnie
[pl.wikipedia.org [23]].
Wyróżnia się siedem rodzajów modelowania 3D:
wykorzystywanie przekrojów poprzecznych modelów,
wykorzystywanie w procesie modelowania L – systemów, czyli systemów
Lindenmayera będących zbiorem symboli i reguł ich przetwarzania, który
znajduje szerokie zastosowanie w grafice komputerowej do tworzenia fraktali
i realistycznie wyglądających form roślinnych (Orzeł, 2007), przykład na
rysunku 2.12,
19

metakule, rys. 2.13,
Rys. 2.12. Drzewo fraktalne, [wikipedia.org[24]]
Rys. 2.13. Metakule, [wikipedia.org[23]]
wykorzystanie do projektowania modeli terenów map wysokości,
Rys. 2.14. Przykład modelowania mapy wysokościowej, [wikipedia.org[23]]
zarysy obiektu, z których w późniejszym etapie powstaje gotowy obiekt,
bryły obrotowe,
20

Rys. 2.15. Przykład modelowania w systemie CAD - CATIA, [ipbmvr.simr.pw.edu.pl [25]]
oraz najtrudniejszy rodzaj modelowania trójwymiarowego - CSG (ang.
Constructive Solid Geometry) - definiowanie brył przez operacje boolowskie
(suma, różnica, iloczyn) na innych bryłach [cad.reh.home.pl [22]].
2.3 Metody pozyskiwania danych do wizualizacji
Wybór metody, według której będzie generowany obiekt, zależy od jego
przeznaczenia. Część rozwiązań pozwala uzyskać budynki o dużym poziomie
szczegółowości, natomiast inne dostarczają dane zgeneralizowane, ale w bardzo
krótkim czasie. Wyróżnia się kilka metod pozyskiwania danych do wizualizacji
trójwymiarowej, z czego najpopularniejsze to: stereodigitalizacja oraz korzystanie
z danych ewidencyjnych. W przypadku przedsięwzięć na szeroką skalę, gdzie powstają
całe miasta 3D, często stosuje się metody połączone. W efekcie takiego postępowania
uzyskuje się modele na poziomie szczegółowości LoD 2 (Tabela 1). Niestety bardzo
często powstałe obiekty wymagają poprawy, a nawet całkowitego przerobienia. Przy
niewielkich indywidualnych pracach nad modelem 3D korzysta się zazwyczaj z danych
wektorowych pochodzących z ewidencji. Dane ewidencyjne, posiadające obrysy
budynków, importuje się do dowolnego oprogramowania umożliwiającego poruszanie
się w 3D, gdzie wykonywany jest model. Do nakładania tekstur wykorzystuje się zdjęcia
wykonane kamerami niemetrycznymi. W efekcie takich zabiegów powstają obiekty na
poziomie szczegółowości LoD 2 i LoD 3 (Izdebski, Szadkowski, 2009).
Tabela 1 przedstawia skalę CityGML LoD będącą wymiernikiem
stopnia/poziomów szczegółowości modeli budynków, mających na celu
uporządkowanie i zhierarchizowanie pojęcia „Model 3D”. Taka standaryzacja zwraca
21

uwagę na rozróżnienie zarówno produktów jak i potrzeb stojących za każdym
z poziomów dokładności. Wyróżniono w tym celu pięć głównych poziomów
dokładności LoD (Level of Detail), w zależności od złożoności geometrycznej,
dokładności i kompletności obiektów 3D.
Tabela 1: Skala poziomów dokładności, Kolbe, 2005; Szadkowski 2009; citygml.org [18]
Ilustracja
Dokładność
poziomu
Charakterystyka
Sytuacyjna Wysokościowa
szczegółowości
LoD 0
Numeryczny model terenu pokryty
ortofotomapą. Obiekty pozbawione
dachów. Prezentacja wymiarowa 2D+H
(2,5 D).
XY: ≥ 5m
H: ≥ 5m
LoD 1
Model blokowy posiadający proste
bryły. Budynki posiadają kształt
przyziemia a wysokość szacuje się z
ilości kondygnacji. Model nie posiada
realistycznych struktur dachów,
wszystkie są płaskie. Do jego
wykonania wystarczą dane katastralne.
LoD 2
Model posiadający rozróżnione
struktury dachów. Elewacje pokryte są
strukturami. Budynki powstają poprzez
zrzutowanie dachów prostopadle na
powierzchnię terenu.
LoD 3
Model zawiera dokładny, rzeczywisty
kształt i wygląd dachu a także
rzeczywiste, wysokorozdzielcze i
fotorealistyczne tekstury elewacji.
Modele bardzo złożone geometrycznie.
LoD 4
Model architektoniczny. Zawiera
strukturę wewnętrzną i zewnętrzną.
Posiada drzwi, ściany a nawet meble.
Model złożony geometrycznie o
realistycznych wysokorozdzielczych
strukturach.
XY: 5m H: 5m
XY: 2m H: 1m
XY: 0,5m H: 0,5m
XY: 0,2m H: 0,2m
22

2.3.1 Dane wektorowe
Do modelowania budynków 3D bardzo często wykorzystywane są dane
pochodzące z Topograficznej Bazy Danych (TBD) oraz Ewidencji Gruntów i Budynków
(EGIB). TBD jest krajowym, publicznym systemem gromadzenia, zarządzania
oraz udostępniania danych topograficznych, który ma na celu uniknięcie
wielokrotnego pozyskiwania i aktualizacji tych samych danych (Pyka, 2009). EGiB pełni
funkcję katastru nieruchomości. Ma na celu dostarczenie informacji o gruntach,
budynkach i lokalach, umożliwiających wykonanie zadań służących m.in. do
planowania przestrzennego, gospodarki i obrotu nieruchomościami. Zakres danych
przedstawia faktyczny stan prawny w aspekcie struktury przestrzennej i opisowej
(Hycner, 2010). Dane TBD są w dużym stopniu zestandaryzowane. Dokładność TBD jest
na poziomie dokładności mapy topograficznej w skali 1 : 10 000. W topograficznej
bazie danych budynki są zawarte w klasie budowle i urządzenia. Z klasy tej można
skorzystać przy modelowaniu budynków 3D. W atrybutach budynków dopisywana jest
liczba kondygnacji i na jej podstawie należy oszacować wysokość budynków. Dane
pochodzące z EGIB również są przydatne, ale rzadziej wykorzystywane (Różycki, 2007).
Rys. 2.16. Wizualizacja warstwy „Budynki
mieszkalne” z TBD dla obszaru centrum
Warszawy, źródło: opracowanie firmy
Geo-System.
Rys. 2.17. Wizualizacja warstwy „Budynki”
z EGiB dla dzielnicy Żoliborz w Warszawie,
źródło: opracowanie firmy Geo-System.
2.3.2 Stereodigitalizacja zdjęć lotniczych
Stereodigitalizacja zdjęć lotniczych jest procesem pozyskiwania danych
geometrycznych w 3D o obiektach znajdujących się a powierzchni terenu. Proces ten
23

polega na rekonstrukcji modelu przestrzennego zrealizowanej na autografie
analogowym, analitycznym lub cyfrowym. Rekonstrukcja modelu oparta jest o parę
zdjęć tworzącą stereogram. Na podstawie współrzędnych uzyskanych w układzie
modelu drogą transformacji uzyskuje się współrzędne szczegółów terenowych
w układzie geodezyjnym (Izdebski, 2010). Uzyskany w wyniku pomiaru
stereoskopowego obiekt jest wektoryzowany - powstaje szkielet. Kolejny etap to
utworzenie całościowego modelu szkieletowego, który następnie pokrywany jest
teksturami. Stereodigitalizacja należy do metod półautomatycznych.
2.3.3 Stereoskopia satelitarna
Współczesne systemy satelitarne umożliwiają obrazowanie stereoskopowe
i możliwość tworzenia obiektów 3D. Wysokorozdzielcze systemy satelitarne
charakteryzują się możliwością wychylenia układu optycznego w przód i wstecz, czego
efektem jest tzw. stereoskopia z jednej orbity (Rys. 2.18). System obrazuje dany obszar
dwa razy: raz wychylając układ optyczny do przodu, a drugi raz wstecz, z opóźnieniem
około 50 sekund. W rezultacie otrzymuje się stereo-pary o bardzo dobrych warunkach
pomiaru wysokości. Ten sposób stereoskopii zdecydowanie przewyższa stereoskopię
z sąsiednich orbit. Potencjał kartograficzny wysokorozdzielczych obrazów satelitarnych
typu Ikonos czy QuickBird z pikselem zbliżonym do 1 metra odpowiada potencjałowi
zdjęć lotniczych w skali 1 : 25000 – 1 : 35000 (Kurczyński, 2004).
Rys. 2.18. IKONOS - zasada wykonywania zdjęć stereo, [www.satimagingcorp.com [26]]
Stereo - pary z Ikonosa są dobrym materiałem do tworzenia prostych
metrycznych modeli budynków. Efekty może nie są tak widowiskowe jak
24

w przypadków modeli stworzonych z danych o lepszej jakości. Jednak w przypadku
bazowania na danych z Ikonosa znamy dokładność wysokościową (ok. 1 - 2 m)
stworzonych modeli budynków, a co za tym idzie możemy wykorzystywać je nie tylko
do prostych wizualizacji (Różycki, 2007).
2.3.4 Skaning laserowy
Technologia skaningu laserowego LiDAR (Light Detection and Ranging),
wykorzystuje promieniowanie elektromagnetyczne, stanowiąc dzięki temu jedną
z najnowocześniejszych fotogrametrycznych metod pomiarowych. Technologia ta
może być stosowana zarówno w pomiarach naziemnych TSL (Terrestrial Laser
Scanning) jak i z pokładu samolotu, czy śmigłowca ASL (Airborne Laser Scanning)
(Brożek M., 2010).
Zasada działania metody ASL polega na mierzeniu odległości pomiędzy samolotem,
a powierzchnią terenu. Obliczenia bazują na określeniu różnicy czasu, jaka następuje
między wysłaniem impulsu lasera, a jego odbiorem. Cały system składa się z dalmierza
laserowego z systemem skanującym umieszczonego na pokładzie samolotu, GPS –
Globalnego Systemu Pozycjonowania (Global Positioning System), INS – Inercjalnego
Systemu Nawigacyjnego (Inertial Navigation System), naziemnych stacji referencyjnych
GPS, stacji do przetwarzania danych, systemu planowania i zarządzania lotem oraz
kamery cyfrowej (Rys. 2.19).
Rys. 2.19 Schemat pomiaru w Lotniczym Skaningu Laserowym, [www.searchmesh.net [27]]
25

„Zintegrowanie systemów GPS/INS pozwala rejestrować położenie
z dokładnością lepszą niż 10 cm oraz kąty orientacji z dokładnością ok. 10", tj. 0,003°”
(Pyka, 2008). Dzięki współpracy systemów GPS i INS otrzymuje się chmurę punktów
z georeferencją, dzięki której uzyskuje się powierzchnię 3D oraz pokrycie terenu
(Borowiecki I., 2009). Tekstury w metodzie lidarowej powstają często w oparciu
o pictometry, czyli zdjęcia ukośne, wykonane z niskiego pułapu, zazwyczaj pod kątem
40 stopni [miasta3d.blox.pl [28]]. Dane otrzymywane z LiDAR-a charakteryzuje:
szybkość ich pozyskiwania, bardzo duża rozdzielczość przestrzenna oraz wysokie
dokładności pomiaru. Szczegółowość danych jest dużo większa, w stosunku do
pozyskiwanych tradycyjnymi technikami pomiarowymi. Przykładowo ok. 5 lat temu w
ciągu godziny lotu można było zobrazować teren o powierzchni ok. 50 km 2 przy
zagęszczeniu 1 - 2 punktów pomiarowych na 1 m 2 (czyli ok. 50 - 100 mln) (Dudzińska-
Nowak J., Wężyk P. 2006), natomiast skanery dostępne obecnie rejestrują do 266 tys.
punktów i 200 linii na sekundę, tak jak w przypadku systemu stosowanego w MGGP
Aero – RIEGL Laser Scanner LMS-Q680i [www.riegl.com [29]].
Idea metody TSL jest taka sama jak w przypadku skaningu lotniczego, z tym, że
pomiar odległości wykonuje się ze stanowisk naziemnych: statycznych lub mobilnych
(MMS). Mobilny System Inwentaryzacyjny pozwala efektywnie, zwykle w trybie
automatycznym, zbierać i przetwarzać informację o kształcie i wyglądzie budowli
(Szadkowski A., 2009).
2.3.5 Niemetryczne zobrazowania cyfrowe
Znakomitym źródłem danych do tworzenia modeli 3D są naziemne zdjęcia
cyfrowe, których pozyskanie jest szybkie, tanie i łatwe w realizacji. Do wielu aplikacji
nie jest konieczny specjalistyczny sprzęt i wystarcza średniej klasy aparat cyfrowy,
którego posiadaczem jest obecnie niemal każdy. Wymagania sprzętowe wynikają
z założenia celu oraz dokładności projektu. Istnieje wiele pakietów oprogramowania
komercyjnego pozwalającego na tworzenie przestrzennych modeli obiektów.
Wymagają one najczęściej znajomości chociażby podstawowych zagadnień
fotogrametrii, pozwalając użytkownikowi na świadome budowanie modelu.
Rozwijające się równolegle programy darmowe, mimo że mniej funkcjonalne, mogą
być także przydatne w budowie przestrzennej reprezentacji obiektów. W szczególności
26

dotyczy to prac, w których tworzenie modelu nie jest celem głównym, ale służy jedynie
jako materiał pomocniczy. Proces rekonstrukcji geometrii obiektu odbywa się często
bez możliwości ingerencji użytkownika, który jedynie podaje zbiór zdjęć podlegających
opracowaniu (Kolecki J., Kolecka N., 2010), tak dzieje się w przypadku stosowania
oprogramowania typu Photosynth, ARC3D czy Photo Scene Editor. Większe pole do
popisu oferują programy, w których użytkownik na podstawie zdjęć konstruuje model
w sposób półautomatyczny. Są to m. in. PhotoModeler, Orpheus, Topcon PI 3000,
ImageModeler. Programy te umożliwiają kompletne opracowanie modelu
trójwymiarowego na podstawie zdjęć bez obserwacji stereo i uzyskanie jak najlepszego
efektu wizualizacji. Tego typu techniki dotyczą niewielkich obiektów tzn. pojedynczej
budowli lub mniejszej grupy budynków.
2.3.6 Metody łączące różne techniki
W zależności od wymaganego poziomu szczegółowości oraz stopnia
automatyzacji modelowania, stosuje się obecnie integracje wybranych technik.
Przykładowo, w celu pozyskania kształtu budynków, łączone są dane z lotniczego
skaningu lub automatycznej korelacji lotniczych obrazów cyfrowych z przyziemiami
otrzymanymi z baz danych ewidencyjnych (EGiB) oraz baz danych topograficznych
(TBD) (Bujakiewicz, Preuss, 2009). W przypadku przedsięwzięć na szeroką skalę
wykorzystuje się połączenie stereodigitalizacji zdjęć lotniczych pochodzących
z lotniczego skaningu oraz danych wektorowych (Szadkowski, Izdebski, 2009).
2.4 Prezentacja danych – przeglądarki 3D
Dzisiaj, w dobie wirtualnej rzeczywistości, przeglądarki internetowe umożliwiają
prezentacje wyników, badań i analiz w trójwymiarze. Poniżej, w tabeli nr 2 zestawiono
i porównano dostępne przeglądarki internetowe 3D.
Google Earth - program komputerowy, którego producentem jest
amerykańska firma Keyhole Inc. kupiona w 2004 roku przez Google.
Umożliwia wyświetlanie na trójwymiarowym modelu kuli ziemskiej zdjęć
satelitarnych, lotniczych, panoram zrobionych z poziomu ulicy, oraz różnego
rodzaju informacji geograficznych i turystycznych [wikipedia.org [30]].
27

Rys. 2.20. Mapa tras lotniczych USA, [www.barnabu.co.uk [31]]
Virtual Earth 3D – wytwór firmy Microsoft - kontrolka do przeglądarek
Internet Explorer oraz Firefox oparta na technologii ActiveX, umożliwia
oglądanie map w środowisku trójwymiarowym. Aplikacja pozwala na
nawigację w trzech wymiarach (zmiana położenia, wysokości oraz kąta
widzenia podobnie jak Google Earth i NASA World Wind), posiada dane oraz
funkcje mapy 2D, dodatkowo dostępne są dane dotyczące ukształtowania
terenu (góry, doliny, itp. na które nałożono cieniowanie) oraz modele całych
miast [wikipedia.org [32]].
Rys. 2.21. Nowy York, [www.aboutmyplanet.com [33]]
28

ArcGIS Explorer – bezpłatna aplikacja umożliwiająca szybki dostęp do usług
i zasobów Systemów Informacji Geograficznej, obsługująca serwisy mapowe
2D i 3D, oferuje również wsparcie dla usług geoprzetwarzania i prowadzenia
analiz przestrzennych. Od niedawna daje użytkownikom więcej możliwości
dostosowania map do potrzeb, wykorzystania efektywnych metod
przekazywania informacji o właściwościach obiektów na mapach i szybkiego
przemieszczania się do obszarów docelowych na całym globie
[esripolska.com.pl [34]].
Rys. 2.22. Zdjęcie oraz kształty budynków 3D w centrum Bostonu, [esri.com [35]]
World Wind – program komputerowy stworzony przez NASA, który
wyświetla wysokiej jakości zdjęcia satelitarne i lotnicze, mapy topograficzne
oraz publicznie dostępne dane geograficzne na trójwymiarowych modelach
Ziemi, Księżyca oraz Marsa (dostępne są również Wenus oraz Jowisz wraz
z 4 księżycami, jednak już bez danych 3D, a także mapy gwiazd i galaktyk
z projektu Sloan Digital Sky Survey).
29

Rys. 2.23. Powierzchnia Marsa w oknie World Wind, [gopaultech.com [36]]
Skyline Globe – kartograficzny portal internetowy wyprodukowany przez
amerykańską firmę Skyline Software Systems Inc, zawierający
trójwymiarowy model Ziemi. Do jego stworzenia wykorzystano
wysokorozdzielcze zobrazowania satelitarne, zdjęcia lotnicze, dane
kartograficzne oraz technologie do trójwymiarowej wizualizacji
[skylineglobe.com [37]].
Rys. 2.24. Panorama Manhattanu Skyline Globe, [www.flickr.com [38]]
30

Tabela 2: Dostępne przeglądarki internetowe 3D, (Szadkowski, Izdebski, 2009)
Virtual ArcGIS NASA World Skyline
Google Earth
Earth 3D Explorer Wind Globe
Rodzaj
aplikacji
Samodzielna
aplikacja lub
Plugin Active-
X
Plugin
Active-X
Samodzielna
aplikacja
Samodzielna
aplikacja
Plugin
Active-X
Wersja
językowa
polski (i inne) angielska angielska angielska angielska
Wydajność 5 4 2 3 3
Użycie zdjęć
VHR
5 4 1 2 4
Współpraca
Tak *.shp i
z
inne
danymi GIS
Tak, *.shp Tak, *.shp Tak, *.shp Tak, *.shp
Możliwość
importu Tak Tak Tak Tak Tak
KML
Możliwość
importu CAD
Tak Tak Nie Nie Nie
Modele 3D
wbudowane
Tak Tak Tak Nie Tak
Modele 3D Tak, format Tak, format
zewnętrzne „SketchUp” „3DVia”
Nie Nie Nie
DTM
Tak, DTED
Level 2
(1”x1”)
Tak, DTED
Level 1
(3”x3”)
Tak, DTED
Level 1
(3”x3”)
Tak, DTED
Level 1 (3”x3”)
Tak, DTED
Level 1
(3”x3”)
Modele powstałe w tego typu programach mogą być publikowane w określonej
przestrzeni geograficznej, gdyż posiadają georeferencje.
2.5 Zastosowania
Człowiek efektywniej analizuje i przyswaja informacje w formie wizualnej. Fakt
ten, znany od wieków, stał się motorem do rozwoju różnych form wizualizacji, co
obecnie czyni nas świadkami jej rozkwitu. Już w dawnych czasach posługiwano się
symbolami graficznymi, które miały na celu odwzorowanie poszczególnych elementów
rzeczywistości. Klasyczny przykład stanowią szkice sytuacyjne i mapy – prezentacja
informacji przestrzennej i geograficznej.
Szybki rozwój technologii graficznych rozszerzył znaczenie wizualizacji
w różnych dziedzinach życia i nauki. Stosowana jest nie tylko jako technika
31

przekazywania informacji za pomocą obrazów, ale także do poznania danych, ich
struktur i badania alternatywnych rozwiązań – wizualną analizę danych i wyników.
2.5.1 Miasta 3D
„Miasta 3D” – wytwór, którego powstanie zawdzięczamy Google Earth,
przeniósł zabudowę miast z realnego świata do środowiska wirtualnego. Dane do miast
3D w postaci Numerycznego Modelu Terenu, ortofotomap, zdjęć lotniczych oraz brył
budynków dostarczają głównie agencje rządowe i organizacje sektora publicznego.
Taka forma rozpowszechniania danych umożliwia rozwój turystyki, gospodarki, wpływa
na poprawę bezpieczeństwa, a także przynosi korzyści dla sektorów lokalnych.
Trójwymiarowe bryły budynków, znajdują się w większości miast 3D na świecie.
W niektórych z nich modele tworzą zwartą zabudowę, co jest efektem pracy większych
firm opierających się na procesach automatyzacji lub półautomatyzacji. Jednakże
zdecydowana większość miast zbudowana jest przez użytkowników indywidualnych –
w wyniku ręcznej pracy powstają pojedyncze bryły budynków lub ich zespołów. Takie
modele podnoszą realizm budowli ze względu na materiał bazowy - zdjęcie
umożliwiające odtworzenie szczegółów geometrycznych. Niestety, własnoręczne
opracowywanie budynków jest wyjątkowo pracochłonne.
Prezentacja danych w formacie trójwymiarowym jest bardzo opłacalną ścieżką
promocji miast. Praca w oparciu o miasta 3D umożliwia wykonywanie podkładów do
wszelkiej wizualizacji analiz i badań. W taki sposób powstają: mapy hałasu, cyrkulacji
powietrza, rozchodzenia różnorodnego rodzaju fal, katastrof żywiołowych, a nawet
działań antyterrorystycznych. Dzięki temu można efektywniej wprowadzać środki
zapobiegawcze np. zapobiegać powodziom, przewidywać ich skutki lub zasięg. Do
analiz tego typu generowane się modele z wprowadzeniem odpowiednich
parametrów. Zbudowanie np. modelu fizycznego pogody (siła i kierunek wiatru,
wilgotność powietrza) w połączeniu z modelem miasta pozwala na dokładne i szybkie
przewidzenie skutków rozchodzenia się gazu, lub innych niebezpiecznych środków,
przykład ilustruje rys. 2.25.
32

Rys. 2.25. Nowy Jork, symulacja rozprzestrzeniania się gazu, źródło: Virtual Earth 3D
W Polsce istnieje grupa firm i osób intensywnie tworzących charakterystyczne
modele z poszczególnych miast. Należą do nich m. in.:
Geo-System Sp. z.o.o. – podstawowe produkty firmy istniejącej od 1990 roku to
System Informacji o Terenie GEO-MAP, jego internetowa wersja iGeoMap oraz
stronę poświęconą tematyce 3d - polskiemiasta3d.pl
Rys. 2.26. Fragment mapy warszawskich inwestycji, [polskiemiasta3d.pl [39]]
FotoKart Sp. z.o.o. – firma oferująca usługi w dziedzinie fotogrametrii od 1997 roku,
tworzy serwis miasta3d.pl [40].
33

Rys. 2.27. Fragment opracowania „Warszawa 3D”, [miasta3d.pl [40]]
COMPASS S.A. – krakowska firma geodezyjno – informatyczna od kilku lat
specjalizująca się w budowaniu trójwymiarowych modeli miast (np. Kraków,
Warszawa) wraz z ich wizualizacją.
Rys. 2.28. Kadr „Wizualizacja 3D Krakowa, [compass.pl [41]]
iDolina.pl – serwis w formie gry online, stworzony przy wykorzystaniu
najnowocześniejszych rozwiązań technologicznych, w oparciu o silnik Unity 3D,
dzięki czemu dostępny jest z poziomu przeglądarki bez konieczności pobierania
i instalacji. Jest to wirtualny świat 3D, zbudowany w oparciu o wygląd prawdziwych
polskich miast. Autorzy projektu twierdzą, że jest to technologia stosowana przy
tworzeniu największych obecnie na świecie aplikacji przeglądarkowych i gier typu
MMO. Projekt dofinansowany ze środków UE, w ramach Programu Operacyjnego
Innowacyjna Gospodarka. Zasadą korzystania z serwisu jest uprzednia rejestracja,
w wyniku której otrzymujemy własnego awatara. Przy pomocy swojej postaci
można rozpocząć zwiedzanie wirtualnego świata, który bazuje na wyglądzie
Polskich miast (na razie dostępny jest Sopot oraz Kraków, następne przygotowane
miasta to m.in.: Warszawa, Wrocław). Dodatkowymi atrakcjami są zbudowane
34

unikalne lokalizacje, możemy na przykład pójść na plażę, potańczyć w klubie, czy
wspiąć się na szczyt latarni morskiej. Przygotowane animacje pozwalają wchodzić
w bezpośrednie interakcje z innymi użytkownikami, a w chwilach przerwy można
pograć we wbudowane gry (np. wyścigi motorówek), czy wziąć udział w konkursach
z nagrodami (tech.wp.pl [42], idolina.pl [43]].
Rys. 2.29. Screen - Rynek krakowski, [idolina.pl [43]]
2.5.2 Nawigacja 3D
„Coraz częściej odbiorcą modeli 3D są także firmy tworzące oprogramowania
do odbiorników GPS. Obecnie standardem są już bryły budynków (na poziomie LoD 1)
widoczne podczas podróży przez większe miasta. Kwestią czasu jest, kiedy urządzenie
nawigacyjne będzie posiadało we własnej pamięci lub pobierało z internetu
realistyczne modele mijanych budynków. W tym celu niezbędna jest świadomość, iż
taki model musi być realistyczny, ale i przy tym mieć najmniejszy z możliwych
rozmiarów. Zatem jeśli mówimy o globalnej czy centralnej skali opracowania 3D nie
możemy oczekiwać modeli na poziomie architektonicznym o wiernie oddanych
elewacjach często pozyskiwanych metodami fotogrametrii bliskiego zasięgu czy
w procesie naziemnego skaningu laserowego. Odpowiedni kompromis pomiędzy
realizmem, a kosztami wytworzenia i rozmiarami plików jest niezbędny” (Izdebski,
Szadkowski, 2009).
35

Rys. 2.30. Nawigacje GPS wykorzystujące teksturowane modele 3D, (Szadkowski,
Izdebski, 2009)
Firma Sygic wprowadziła na polski rynek program Sygic AURA Professional,
który łączy zalety nawigacji GPS 3D z sieciami społecznościowymi. Sygic AURA oferuje
profesjonalne wskazówki nawigacyjne zarówno dla kierowców samochodów i pieszych
z widoku pierwszej osoby. Produkt przeznaczony jest dla użytkowników smartphonów
i osobistych urządzeń nawigacyjnych i będzie dostępny dla użytkowników telefonii
komórkowej na całym świecie.
Rys. 2.31. Nawigacja Sygic AURA, [telepolis.pl [44]]
Sygic AURA zapewnia użytkownikom znakomite odczucie otaczającej
przestrzeni w 3D, w tym fotorealistyczne elewacje budynków i krajobrazów. AURA
wykorzystuje mapy Tele Atlas oraz wszystkie ich treści, w tym przede wszystkim
„Advanced City Models”. Niestety tylko większe miasta Europejskie posiadają
fotorealistyczne modele 3D i są to głównie modele zabytków lub charakterystycznych
budynków dla danego otoczenia co wydaje się być aktualnie najlepszym rozwiązaniem.
36

Tele Atlas do wykonywania map i modeli 3D wykorzystuje fuzję technologii
fotogrametrii lotniczej i MMS. Sygic AURA posiada również prosty Numeryczny Model
Terenu by jeszcze dokładniej oddać otaczającą nas rzeczywistość. Oczywiście
wyposażona jest w pozycje fotoradarów i miliony punktów użyteczności publicznej
(POI) co jest już standardem. AURA zapewnia także połączenie z najpopularniejszymi
portalami internetowymi w tym głównie społecznościowymi „social networking”.
W połączeniu ze zdolnością do wysyłania informacji w czasie rzeczywistym o aktualnym
położeniu pozwala to obserwować aktualną lokalizację przyjaciół, sprawdzić lokalne
prognozy pogody czy informacje o ruchu drogowym [miasta3d.blox.pl [45],
tech.wp.pl [46]].
Rys. 2.32. Sygic AURA – centrum Londynu, [miasta3d.blox.pl [45]]
Nokia uruchomiła przeglądarkę trójwymiarowych modeli miast 3D
w internetowej wersji Ovi Map 3D. Ta atrakcyjna i bezpłatna funkcja wzbogaca Ovi
Mapy o nowy wymiar i umożliwia poznawanie miejsc w dotychczas niespotykany i inny
sposób niż dostępne aktualnie przeglądarki w tym Google Earth / Maps. Co ważne, nie
ogranicza użytkownika do przeglądania wybranych obszarów miast 3D i ich budynków,
lecz obejmuje całe miasta wraz z przedmieściami. Począwszy od widoku z lotu ptaka,
obraz na komputerze można powiększać i pomniejszać oraz poruszać się wokół
budynków, drzew i innych obiektów, uzyskując w ten sposób wirtualny, lecz niezwykle
realistyczny widok nowych miejsc. Możliwości map dopełnia szczegółowa, 360 -
stopniowa panorama ulic z pełną funkcjonalnością Google Street View. Modele
wykonała firma C3 Technologies, bazując na zdjęciach ukośnych, wykonanych przez
firmę TerraTec AS. Liczba miast, które można przeglądać w Ovi Map ciągle wzrasta.
37

Wzrasta również funkcjonalność przeglądarek. Dostępna jest już nawigacja Ovi Mapy.
Taka nawigacja funkcjonuje w 93 krajach i jest dostępna w 29 językach. Rysunek 2.33
przedstawia widok Sztokholmu z przeglądarki Ovi Maps3D [miasta3d.blox.pl [47]].
Rys. 2.33. Widok centrum Sztokholmu, [maps.nokia.com/3D/ [48]]
2.5.3 Wirtualny Kraków
Wirtualny spacer po Krakowie jest nową aplikacją, dzięki której można zwiedzać
miasto bez konieczności wychodzenia z domu. Obejmuje ponad 850 sferycznych
panoram do przeglądania online.
Rys. 2.34. Rynek Główny nocą, [wirtualnyspacer.krakow.pl [49]]
Aplikacja zawiera opisy w formie tekstowej oraz audio przetłumaczone na język
angielski i norweski, jest podzielona na cztery spacery: Stare Miasto, Kazimierz,
Podgórze i Planty. Poszczególne spacery prowadzą zarówno ulicami miasta, jak
i odkrywają przed wirtualnymi turystami wnętrza najatrakcyjniejszych obiektów
w Krakowie. Aplikacja zawiera również panoramy ciekawych miejsc, które nie znajdują
38

się na trasach spacerów. Dodatkową atrakcję stanowią nocne zdjęcia iluminowanych
zabytków Krakowa. Aplikacja jest częścią projektu realizowanego przez Urząd Miasta
Krakowa pn. „Budowa i wdrożenie dedykowanego systemu informatycznego dla
świadczenia nowoczesnych usług administracji samorządowej w Krakowie”. Ma on na
celu zwiększenie zakresu i możliwości już istniejących serwisów internetowych
i systemów informatycznych: „Proces inwestycyjny”, „Miejska Platforma Internetowa
Magiczny Kraków”, „Biuletyn Informacji Publicznej”, „Zintegrowany System
Zarządzania Oświatą” i „Miejski System Informacji Przestrzennej”. Ponadto zakłada
utworzenie elektronicznych formularzy usług publicznych dla szeroko pojętego procesu
inwestora oraz udostępnienie ich poprzez platformę ePUAP. Projekt otrzymał wsparcie
ze środków Mechanizmu Finansowego Europejskiego Obszaru Gospodarczego
udzielone przez Islandię, Liechtenstein oraz Norwegię. Realizowany jest przy udziale
partnera z Norwegii – miasta Baerum. Wartość projektu to 2,8 mln zł (z czego 15% to
wkład własny) (UM Krakowa, geoforum.pl [50]).
Rys. 2.35. Rynek Główny z Wieży Mariackiej, [wirtualnyspacer.krakow.pl [49]]
2.5.4 „Chińskie google”
Najpopularniejsza wyszukiwarka internetowa w Chinach - Baidu, której udział
w miejscowym rynku wynosi 64% prezentuje udoskonalony serwis Map.Baidu.com, za
pomocą którego można podziwiać chińskie miasta w trzech wymiarach.
Portal założony przez dwóch Chińczyków (Robina Li i Erica Xu) w 2000 roku,
Baidu, obecnie składa się z ponad 50 modułów (w tym mapowego) i jest
najpopularniejszą witryną internetową w Chinach. Ta wyszukiwarka była
39

popularniejsza niż chińskojęzyczna wersja Google (30,9%). Po wycofaniu się Google
z chińskiego rynku z powodu cenzury popularność Baidu gwałtownie wzrosła.
Rys. 2.36. Screen z Map.Baidu.com
Wizualizacje dwuwymiarowych map dostępne na Map.Baidu.com do złudzenia
przypominają Google Maps. Zupełnie inaczej prezentuje się jednak trójwymiarowa
wersja serwisu, która – zdaniem wielu gazet i portali – bardziej przypomina grę SimCity
niż np. Google Earth [geoforum.pl [51]].
Rys. 2.37. Widok na centrum miasta – kadr z Baidu Maps, [refresh.net [52]]
2.5.5 Budownictwo i inżynieria
Trójwymiarowe animacje i wizualizacje komputerowe są doskonałym sposobem
prezentacji i promocji inwestycji budowlanych. Wiele przedsiębiorstw, deweloperów,
biur architektonicznych i projektowych wykorzystuje wizualizacje 3D w swojej
działalności. Przy pomocy modelowania 3D możliwe jest przedstawienie wyglądu
dowolnego wnętrza lub obiektu, np. budynku mieszkalnego, osiedla, domu
jednorodzinnego a także otoczenia, w którym dany obiekt się znajduje. Na podstawie
40

plików *.dwg możliwe jest zbudowanie wirtualnego budynku, a także wykończenie go
materiałami, które będą wyglądać analogicznie jak prawdziwe. Wraz z rozwojem
technologii komputerowych oraz oprogramowania do wytwarzania grafiki 3D,
wizualizacje 3D, animacje 3D oraz projekty 3D stają się coraz bardziej fotorealistyczne
i trudniejsze do odróżnienia od fotografii [animacje3d.blox.pl [53]]. Liczne przykłady
można znaleźć na stronach firm zajmujących się ich wykonywaniem. Przykład
wizualizacji inwestycji drogowej przedstawia ilustracja 2.38.
Rys. 2.38. Wizualizacja przebudowy węzła Gdynia Wzgórze Świętego Maksymiliana - widok od
skweru Plymouth, [fmd3d.pl [54]]
W związku z powszechnością wykorzystywania numerycznych modeli obiektów
i ich przydatności dla różnych dziedzin gospodarki, wykształciło się pojęcie tzw.
„inżynierii odwrotnej” (Kościanowski i in., 2005), w której dane pochodzące ze
skanowania laserowego, optycznego lub tomografów elektromagnetycznych obiektów
fizycznych wykorzystywane są do projektowania i generowania kształtów modeli
inżynierskich, maszyn, urządzeń w środowiskach CAD (np. w mechanice do
odtworzenia uszkodzonej części maszyny).
2.5.6 3D dla branży rozrywki cyfrowej
Mówiąc o rozrywce w kontekście rzeczywistości wirtualnej, na myśl nasuwają
się oczywiście gry komputerowe, mniej lub bardziej odzwierciedlające rzeczywistość.
Część gier ma swój rodowód w zastosowaniach użytkowych, które z czasem zawitały
w świecie rozrywki multimedialnej. Do takich należą przede wszystkim wszelkiego
rodzaju symulatory lotu, zarówno jednostkami militarnymi jak i cywilnymi. Ale
41

symulatory nie ograniczają się do lotnictwa. Powstały już praktycznie symulatory
wszelkich pojazdów, maszyn, a nawet całych systemów - takich jak lotniska, dworce,
parki rozrywki. Inną formą są produkty wykorzystujące perspektywę FPP. Są to głównie
tzw. shootery, czyli (w większości) masakryczne historie sprowadzające się do
wystrzelania wszystkiego, co się rusza w naszym wirtualnym otoczeniu. Kolejną formą
są gry MMORPG realizujące wizje całych światów, po których poruszają się postaci
(awatary) nawet kilku tysięcy graczy, realizujących swoje cele wyznaczane przez fabułę
(przykładem takiej gry jest serwis iDolina.pl opisany w podrozdziale 2.5.1.).
Inną formą wirtualnego relaksu mogą być specjalnie stworzone środowiska,
kreujące otoczenie wirtualnej oazy, w której można uspokoić umysł przy pomocy
obrazów, muzyki, czy nawet kojących zapachów. Coraz częściej swoje modele
w świecie rzeczywistości wirtualnej przygotowują instytucje i organizacje pragnące
w ten sposób zainteresować środowiska konsumenckie ich odpowiednikiem w świecie
realnym i w ten sposób zwiększyć atrakcyjność oferty oraz nakłonić do wizyty raz
w świecie wirtualnym i – po raz drugi w naturze. Powstają więc wirtualne modele
najciekawszych fragmentów miast (centra kulturalne i handlowe), czy słynnych
budowli (np. Zakazane Miasto w Pekinie). Niektóre funkcjonują w postaci oddzielnych
aplikacji, inne stają się częścią ogólnoświatowych projektów (Google Earth, Second
Life) stale rozwijanych i udoskonalanych [pl.wikipedia.org[55]).
2.5.7 Modelowanie 3D a możliwości GIS – przykłady
Użytkownicy systemów GIS bardzo często wykorzystują modele 3D oraz inne
produkty fotogrametryczne do zasilania różnego rodzaju baz danych. Modernizacja
fotogrametrycznych stacji cyfrowych, pod kątem ich bezpośredniego połączenia
z bazami 3D GIS, prowadzi do szybszego zasilania tych baz danymi fotogrametrycznymi
i umożliwia, w trybie on-line, analizę danych w bazie z jednoczesnym pomiarem
uzupełniającym na modelu fotogrametrycznym (np. wtyczka ArcGIS 3D). Przechowując
dane w bazie GIS można je na bieżąco aktualizować.
Jednym z ciekawszych przykładów integracji modelowania 3D z narzędziami GIS
jest projekt badawczy realizowany na Politechnice Warszawskiej, pt. „Numeryczne
modelowanie fragmentów rzeźb w celu rekonstrukcji oryginalnego kontekstu zabytku”
kierowany przez prof. Aleksandrę Bujakiewicz, którego przedmiotem było zbadanie
42

możliwości zastosowania metody fotogrametrycznej dla precyzyjnej rekonstrukcji
fragmentów rzeźb, ich powierzchni przełamań, w celu numerycznego dopasowywania
ich do siebie. W ramach tego przedsięwzięcia uczelnia nawiązała współpracę
z Muzeum Narodowym w Warszawie i Muzeum Egipskim w Kairze. Działania skupiały
się na sprawdzaniu czy fragmenty zabytków znajdujące się w różnych muzeach do
siebie pasują. W tym celu należało opisać przełamane powierzchnie w sposób
matematyczny, wykorzystując do tego fotogrametrię. Następnie trzeba było stworzyć
bazę danych, która - przy wykorzystaniu opisów, zdjęć, modeli przestrzennych
powierzchni przełamań - byłaby pomocna w dopasowaniu tych elementów. W ten
sposób można było odpowiedzieć archeologom na pytanie, czy oba elementy
znajdujące się w różnych muzeach stanowiły kiedyś jedną całość.
Innym przykładem powiązania fotogrametrii z GIS - em jest projekt, realizowany
pod kierownictwem dr Doroty Zawieskiej w Kościele Świętego Krzyża w Warszawie.
Grupa uczestnicząca w projekcie została włączona w rekonstrukcję zniszczonego
podczas Powstania Warszawskiego Ołtarza pw. Najświętszego Sakramentu i Świętej
Trójcy, (obecnie noszącego nazwę Ołtarza Ojczyzny). Prace fotogrametryczne miały
kilka etapów. Na początku opracowano model szkieletowy ołtarza bliźniaczego św.
Felicissimy, na podstawie zdjęć wykonanych kamerą fotogrametryczną. Następnie
w oparciu o te dane, wykorzystano zdjęcia archiwalne do stworzenia szkieletu 3D
nowobudowanego ołtarza. Do dyspozycji były tylko 3 - 4 zdjęcia archiwalne,
pochodzące z różnych okresów. Kolejnym etapem było wykonanie modeli 3D
i zwymiarowanie rzeźb świętych postaci, będących częścią ołtarza. Te informacje
stanowiły dane wyjściowe dla rzeźbiarzy i architektów do tworzenia replik zniszczonych
detali elementów ołtarza. Wykorzystując fakt posiadania cyfrowej stacji
fotogrametrycznej, współpracującej z ArcGIS 3D, opracowano geobazę, do której
wprowadzono dane wektorowe archiwalnego ołtarza oraz inne opracowane produkty
fotogrametryczne, a następnie zweryfikowano ich jakość w trybie on-line.
Kolejną ciekawostką związaną z Ołtarzem Ojczyzny była konieczność określenia
powierzchni złoceń całego ołtarza. Wykorzystano do tego możliwości ArcGIS, który
umożliwił sprawny i szybki sposób obliczenia tych powierzchni. Dzięki tym amalizom
konserwatorzy ołtarza mogli oszacować koszt płatków złota niezbędny do pokrycia
całej powierzchni.
43

Ciekawe jest również wykorzystanie zdjęć archiwalnych posągu Wielkiego
Buddy do opracowania modelu 3D. Zdjęcia wykonano w 1974 roku podczas studenckiej
wyprawy azjatyckiej. Przeleżały ponad 30 lat, a teraz, kiedy nie ma już Posągu Buddy,
wygenerowany model 3D może być wprowadzony do bazy danych, bądź wykorzystany
do rekonstrukcji tego zabytkowego obiektu [esripolska.com.pl [56]].
Rys. 2.39. Tworzenie produktu wektorowego i modelu VRM ze zdjęć archiwalnych – posąg
Wielkiego Buddy, [esripolska.com.pl [56]]
Pakiety GIS w połączeniu z różnymi technikami multimedialnymi stanowią
formę prezentacji multimedialnej. W praktyce jedną ze stosowanych metod jest
wzbogacenie modelu w elementy rzeczywistości, np. mapa posiadająca daną postać
multimediów (dźwięk, zdjęcia, wideo, itp.). W ten sposób działają internetowe serwisy
danych przestrzennych (Baranowski, 2006).
44

3. Aparaty cyfrowe
Szybki rozwój technologiczny daje możliwość wykorzystania cyfrowych
aparatów fotograficznych jako prostej i taniej metody pozyskania danych do
wizualizacji. Tym samym staje się alternatywą dla skomplikowanych metod
fotogrametrycznych, niosących wprawdzie wysokiej dokładności informacje o obiekcie,
ale wymagających zbyt dużego nakładu czasu i środków dla celów czysto
prezentacyjnych, jak proste modelowanie 3D.
Materiał zdjęciowy używany do wizualizacji zawiera wiele przydatnych
informacji użytecznych w późniejszych fazach opracowania ogólnej informacji
o obiekcie. Aparaty cyfrowe zapisują oprócz samego obrazu w formacie JPG, TIFF czy
RAW, informacje techniczne na jego temat, czyli metadane w standardzie EXIF
(Exchangeable Image File Format). Są to m. in.:
· nazwa aparatu, którym wykonano zdjęcie,
· ustawienia aparatu podczas wykonywania zdjęcia (czas naświetlenia, wartość
przysłony, ogniskowa obiektywu, czułość ISO czy balans bieli),
· data wykonania zdjęcia a także późniejszej edycji, wraz z podaniem nazwy
programu, w którym zdjęcie został edytowane,
· wielkość pliku, rozdzielczość w pikselach,
· profil kolorów,
· miniatura obrazka,
· lokalizacja zdjęcia w przypadku, gdy korzystamy z przystawki GPS,
· informacje o danych autorskich (jeśli aparat ma taką funkcję).
Informacje te odczytuje się najprostszą metodą w systemie Windows poprzez kliknięcie
prawym przyciskiem na plik, wybranie właściwości, a następnie zaawansowane
w zakładce podsumowanie lub za pomocą dowolnego programu zewnętrznego.
Większość programów do przeglądania, segregowania i edycji zdjęć posiada funkcję
pozwalającą na przeglądanie danych EXIF. Programy takie, jak IrfanView, Google
Picasa, Nikon View NX czy Adobe Bridge pozwalają na podgląd metadanych podczas
przeglądania fotografii. Alternatywą są osobne, specjalne programy do sprawdzania
danych EXIF. Zazwyczaj pokazują one wszystkie informacje, a nie tylko najważniejsze,
45

jak niektóre przeglądarki. Jedną z najlepszych, darmowych aplikacji tego typu jest
Opanda iExif - w tym programie zdjęcie nie ma żadnych tajemnic [fotoblogia.pl [57]].
W praktycznym opracowaniu modelu ważne jest, aby przed przystąpieniem do
jakichkolwiek działań, pozyskać dobrej jakości materiał zdjęciowy i informacje o nim.
Od tego zależeć będzie jakość i końcowy efekt wizualizacji. Istotne są przede wszystkim
dane takie jak: rodzaj kamery, rozdzielczość, ogniskowa, zoom czy parametry
oświetlenia, które znacznie ułatwiają wybór odpowiednich zabiegów korekcyjnych,
podnoszących dokładność modelu. Przydatność poszczególnych danych szerzej
omówiono w rozdziale 6.
3.1 Modelowanie budynków na podstawie zdjęć cyfrowych
Własnoręcznie wykonane zdjęcia naziemne znajdują zastosowanie
w modelowaniu budynków. Modelowanie tego typu klasyfikować można według
sposobów: półautomatycznego oraz automatycznego. Pierwsze podejście polega na
uzyskaniu modeli 3D w sposób automatyczny, gdzie wykorzystywane są zdjęcia
nieskalibrowane. Takie opracowania umożliwia odpowiednie oprogramowanie typu
Photosynth czy Photo Scene Editor, opisane w rozdziale 5. Procedura automatyzacji
najlepiej działa w przypadku zdjęć mało różniących się od siebie, wykonanych w
krótkich odstępach czasu. System wybiera charakterystyczne punkty (narożniki, drzwi,
okna), oblicza parametry kamery oraz położenie przestrzenne punktów.
Drugie podejście – półautomatyczne, pozwala na pozyskiwanie modeli ze zdjęć
zorientowanych. Zdjęcia są kalibrowane i orientowane automatycznie, po czym
następuje modelowanie manualne. Podejście półautomatyczne sprawdza się lepiej
w przypadku obiektów o skomplikowanej geometrii. Zbudowane w ten sposób modele
często umieszcza się na „udrapowanym” numerycznym modelu terenu,
ortofotogramie lub zdjęciu lotniczym, przez co przyjmują przybliżoną skalę i orientację
(Skuza, 2007). W tej grupie warto wyróżnić programy ImageModeler, PhotoModeler
czy Orpheus.
Przedstawione powyżej oba rozwiązania, poza przystępnością dla zwykłego
użytkownika, tańszym pozyskaniem materiałów, mają także mniejsze wymagania
sprzętowe. Modelowanie ze zdjęć cyfrowych wykonanych średniej jakości aparatami
46

jest dużo prostsze, szybsze w wykonaniu, a zastosowane w programach algorytmy
obliczeniowe pozwalają na dokładną kalibrację i wzajemną orientację wykonanych
zdjęć, prowadząc do stworzenia dokładnych modeli trójwymiarowych.
Użycie do rejestracji amatorskich aparatów fotograficznych nie musi oznaczać
obniżenia dokładności opracowania. Wprowadzając odpowiednie elementy kontrolne,
a następnie przeprowadzając obliczenia i wyrównania sieci zdjęć można uzyskać
satysfakcjonujące dokładności (Kosecka, Tokarczyk, 2005).
3.2 Pozyskiwanie zdjęć
Obrazy cyfrowe pozyskuje się w dwojaki sposób: pośrednio - poprzez
skanowanie analogowych materiałów fotograficznych lub bezpośrednio – wykonując
zdjęcia kamerą cyfrową. Pierwszy przypadek opisuje tradycyjną formę rejestracji
opartą o światłoczułe halogenki srebra, gdzie dopiero materiał negatywowy bądź
odbitkę można zamienić na postać cyfrową w wyniku skanowania. Nie da się ukryć, że
proces wymaga nakładu finansowego oraz dużej ilości czasu. Dlatego też dużym
ułatwieniem jest druga ścieżka pozyskiwania obrazów – aparat cyfrowy. Tutaj
rejestracja obrazu następuje na światłoczułej matrycy CCD lub CMOS. Zdjęcie można
od razu przesłać do komputera i rozpocząć pracę. Przewaga stosowania „cyfrówek” nie
jest jednak tak oczywista. Wynika to z faktu możliwości uzyskania większych
rozdzielczości poprzez skanowanie materiałów tradycyjnych. W przypadku opracowań
o wysokiej dokładności konieczne jest wykorzystywanie obrazów o większej
rozdzielczości, pozyskiwanych za pomocą wysokorozdzielczych skanerów lub droższych
aparatów cyfrowych. Jednakże w następstwie szybkiego rozwoju technologicznego
mamy do czynienia ze zjawiskiem niwelacji przepaści cenowych, dzięki którym
dostępność urządzeń dobrej jakości wzrasta. Trójwymiarowa wizualizacja obiektu
architektonicznego nie wymaga dokładności, jak te w przypadku opracowań
inżynierskich, dlatego wystarcza użycie tańszych modeli aparatów cyfrowych.
Poza szybkością pozyskania obrazu, aparaty cyfrowe posiadają również inne
zalety, dzięki którym z powodzeniem mogą być stosowane jako kamery niemetryczne.
Cyfrowe kamery niemetryczne to aktualnie najczęściej stosowane narzędzie akwizycji
obrazów w fotogrametrii bliskiego zasięgu. Do obrazowania wykorzystuje się zazwyczaj
47

wysokorozdzielcze lustrzanki ze stałoogniskowymi obiektywami i manualnym
sposobem ogniskowania, ale stosuje się również aparaty kompaktowe, w różny sposób
pokonując problem ich kalibracji związany z funkcją autofocus
(Boroń, Tokarczyk, 2000). Rejestracja na matrycy eliminuje zniekształcenia, jakie
towarzyszą rejestracji na tradycyjnym filmie, a narożniki zdjęcia cyfrowego
jednoznacznie określają układ odniesienia (Stanios, Tokarczyk, 2004).
3.3 Charakterystyka wykorzystanych aparatów cyfrowych
Biorąc pod uwagę wady i zalety przedstawionych wyżej metod pozyskiwania
materiału zdjęciowego, dla celów niniejszej pracy zdecydowano, iż najlepszym
rozwiązaniem będzie wykorzystanie nieprofesjonalnego sprzętu fotograficznego,
w postaci kompaktowych aparatów cyfrowych. Za obraniem tej ścieżki postępowania
przemawia przede wszystkim cena oraz łatwość pozyskiwania danych niezbędnych do
realizacji projektu.
Jednym z dwóch narzędzi wykorzystanych w praktycznej części pracy jest
kompaktowy aparat cyfrowy Sony Cyber - shot DSC-W115, którego opis techniczny
zamieszczono poniżej w tabeli 3. Aparat bardzo prosty w użytkowaniu, wyposażony
w matrycę typu CCD wielkości 1/2,5 cala o rozdzielczości 7,2 miliona pikseli. Wysoki
ekwiwalent czułości matrycy ułatwia wykonanie ostrego, nieporuszonego zdjęcia przy
ograniczonym oświetleniu. Ogniskowa obiektywu odpowiadająca zakresowi 32 - 128
milimetrów dla filmu 35 mm daje szeroki kąt widzenia, co ułatwia fotografowanie
dużych grup w pomieszczeniach oraz zmieszczenie w kadrze wysokich lub długich
budynków.
Rys. 3.1. Sony Cyber - shot DSC-W115, [sony.pl [58]]
48

Sony Cyber - shot DSC-W115 z racji swoich zalet i łatwości obsługi, został
wykorzystany do rejestracji kompletnego materiału zdjęciowego z poziomu terenu, bez
użycia zoomu. Więcej informacji zawarto w rozdziale 6.
Tabela 3: Wybrane dane techniczne aparatu Sony DSC-W115 [sony.pl [58]]
Przetwornik obrazu
Super HAD CCD
Sensor optyczny
1/2.5 cala
· 3072 x 2304 (7.2 mln pikseli)
· 2592 x 1944 (5.0 mln pikseli)
Rozmiar obrazu
· 2048 x 1536 (3.1 mln pikseli)
wyjściowego
· 640 x 480 (VGA)
(rozdzielczość)
· 1920 x 1080 (tryb 16:9)
· 3072 x 2048 (tryb 3:2)
Wyświetlacz/Wizjer
Monitor LCD
Wizjer
Zoom
typ TFT
optyczny
Obiektyw
Czterokrotny Zoom optyczny
Precyzyjny zoom cyfrowy 8x (całkowity)
Inteligentny zoom do 19x (w trybie VGA)
Ogniskowa
(f = mm) 5,35 – 21,4
(odpowiednik dla obiektywu 35mm) 32 – 128 mm
Ostrość
Autofocus
Światło wspomagające autofokus - AF Illuminator
Obszar ogniskowania:
- tryb jednokrotny
- monitorowanie
Obszar autofokusu:
- wielopunktowy
- centralno - ważony
- punktowy
Brak możliwości ręcznego ustawiania ostrości
Ekspozycja
Automatyczna przysłona
Tryb ekspozycji
Sterowanie ekspozycją: +/-2,0 EV, co 1/3 EV
Funkcja redukcji szumów przy długich czasach ekspozycji
Czasy otwarcia migawki w trybie automatycznym (s):
1/8 – 1/1600
Migawka
Funkcja redukcji szumów przy długich czasach otwarcia
migawki
Czułość ISO (Auto, 100, 200, 400, 800, 1600, 3200)
Przechowywanie obrazów
Pamięć wewnętrzna 15 MB
Memory Stick Duo
Memory Stick PRO Duo
Pamięć wymienna
Memory Stick PRO Duo High Speed
Memory Stick PRO-HG Duo
49

Formaty zapisu
Gniazda
JPEG, MPEG1
Wielofunkcyjne złącze z HD
Wielozłącze
USB 2.0 Hi-Speed
Cyfrowy aparat kompaktowy klasy superzoom Canon PowerShot S3 IS jest
drugim aparatem wykorzystanym w opracowaniu części praktycznej. Jest to cyfrówka
posiadająca matrycę o rozdzielczości 6 mln pikseli, z ruchomym 2 – calowym
wyświetlaczem LCD i przedziałem czułości ISO 80 – 800. Największą jednak zaletą
Canona jest 12 - krotny zoom o imponującym zakresie odpowiadającym ogniskowym
od 36 do 432 mm oraz rozbudowany tryb filmowy pozwalający na rejestrację sekwencji
w jakości VGA z prędkością 30 kl./s z dźwiękiem stereo. Użyta w obiektywie soczewka
UD (o Ultra niskiej Dyspersji) minimalizuje aberrację chromatyczną. Stabilizator obrazu
IS wmontowany w obiektyw (zwany dlatego optycznym stabilizatorem) zapewnia
nieporuszone zdjęcia przy czasach otwarcia migawki do 8 razy krótszych niż bez użycia
stabilizatora. Jest to szczególnie cenne przy fotografowaniu z długą ogniskową
[fotopolis.pl [73]]. Wybrane dane techniczne przedstawia tabela 4.
Rys. 3.2. Canon PowerShot S3 IS, [fotopolis.pl [59]]
Tabela 4: Wybrane dane techniczne aparatu Canon PowerShot IS [fotopolis.pl [59]]
Przetwornik obrazu
1/2,5 cala CCD
Sensor optyczny
filtr kolorów podstawowych
· 2816 X 2112
Rozmiar obrazu
· 2272 X 1704
wyjściowego
· 1600 x 1200
(rozdzielczość)
· 640 x 480
· 2816 x 1584
Wyświetlacz/Wizjer
Monitor LCD
Wizjer
ruchomy 2" P-Si TFT
elektroniczny
50