bilgiz.org

TariHİ ve küLTÜrel mirasin korunmasi amaçli 3 boyutlu dokümantasyonda şEKİl tarayicilarin kullanimi emre Tercan1, Erkan Beşdok2

  • Anahtar Sözcükler
  • Keywords
  • 2.SİLUET TABANLI ŞEKİL TARAYICILAR
  • Şekil 1
  • Şekil 2
  • KAYNAKLAR



  • Tarih01.10.2017
    Büyüklüğü30.17 Kb.

    Indir 30.17 Kb.

    TMMOB COĞRAFİ BİLGİ SİSTEMLERİ KONGRESİ 2011

    31 Ekim - 04 Kasım 2011, Antalya


    TARİHİ VE KÜLTÜREL MİRASIN KORUNMASI AMAÇLI 3 BOYUTLU DOKÜMANTASYONDA ŞEKİL TARAYICILARIN KULLANIMI

    Emre Tercan1, Erkan Beşdok2



    1Karayolları 13.Bölge Müdürlüğü,Etüt,Proje ve Çevre Başmühendisliği,Antalya, emretercan@windowslive.com
    2Erciyes Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Harita Mühendisliği Bölümü, Kayseri, ebesdok@erciyes.edu.tr

    ÖZET
    Bu çalışmada üç boyutlu model üretim yöntemlerinden, bir pasif modelleme yöntemi olan siluet tabanlı üç boyutlu şekil tarayıcıların çalışma prensipleri anlatılmıştır. Dünya kültür mirasının önemli bir bölümüne sahip ülkemizde, tarih öncesinden günümüze tarihsel bir miras kalmış olup bu kültürel ve tarihi mirasın korunması ve gelecek nesillere aktarılması gerekmektedir. Bu nedenle tarihi ve kültürel mirasın korunması amaçlı dokümantasyon için küçük ve orta ölçekteki nesneler siluet tabanlı 3DSom(Demo) yazılımıyla modellenmiştir.
    Anahtar Sözcükler: 3B modelleme, kültürel mirasın korunması, siluet tabanlı modelleme, 3D Som
    ABSTRACT
    THE USAGE OF SHAPE SCANNERS FOR THE PURPOSE OF PRESERVATİON OF CULTURAL AND HİSTORİCAL HERİTAGE İN 3D DOCUMENTATİON
    In this study, silhouette based three dimensional shape scanners and its operating principles, one of the passive three dimensional model production methods, are explained. Our country, Turkey, has the significant portion of the world's cultural heritage that has survived from prehistoric times and should be protected and transferred to future the generations. For this reason, small and medium sized objects are modeled with silhouette based 3DSom (demo) software to realize the documentation of the historical and cultural heritage.

    Keywords: 3D modeling, cultural heritage preservation, silhouette based modeling, 3DSom



    1.GİRİŞ
    Farklı disiplinlerde üç boyutlu dijital modellere duyulan ihtiyaç, gelişen teknolojiye bağlı olarak artmaktadır. Fotogrametri ve bilgisayarda görme alanlarının önemli bir araştırma konusu olan 3B modeller, nesnelerin 2B imgelerine göre daha anlamlı ve detaylı olması nedeniyle tercih edilmektedir. 3B model elde etmek için geliştirilmiş çok sayıda yöntem bulunmaktadır. Nesnelere ait 3B model üretiminde kullanılan yöntemler, genel olarak aktif ve pasif modelleme yöntemleri olmak üzere sınıflandırılırlar. Aktif yöntemler, nesne üzerine yansıtılan tarayıcı işaretlerden üç boyut bilgisinin çıkartılması esasına dayanmaktadır. Nesne üzerine yansıtılan işaretler, yapısallaştırılmış ışın demeti, izdüşüren bir projektör, çizgi lazer veya ışık kaynağı olabilir. Aktif yöntemler, 3 boyut bilgisini elde etmek için lazer ya da kodlanmış ışık gibi kontrollü bir ışık kaynağı kullanırlar(Fua,1997;Fua vd.,1995;Kass vd.,1988).Pasif tarama yöntemlerinde amaç ise bilgisayarlı görmenin (computer vision) temel problemi olan 2B imgelerden görüntünün üç boyutlu yapısı ile ilgili bilgi çıkarmaktır. Pasif modelleme yöntemlerinde, nesnelerin fotoğrafları kullanılmakta ve genellikle özel donanımlara ihtiyaç duyulmamaktadır. Gölgeden (shape from shadow), çift bilgiden (shape from stereo), hareketten (shape from motion), siluetten (shape from silhouette), hacimsel birimlerin renklendirilmesi (Voxel coloring), Uzay oyma (Space carving), Gölge ile erim tarama (Shadow scanning) pasif tarama yöntemleri olarak sıralanabilir (Yılmaz,2003).
    Dünya kültürel mirasının önemli bir bölümünü barındıran ülkemizde, tarih öncesinden günümüze kadar tarihsel bir miras kalmıştır. Bu nedenle tarihi ve kültürel mirasın korunması ve bu değerlerin gelecek nesillere aktarılması gerekmektedir. Ülkemizdeki bu zenginliğe rağmen tarihi ve kültürel mirasın korunması ve belgelenmesi hususunda gereken önem verilmemektedir. Tarihi ve kültürel mirasın üç boyutlu olarak dokümantasyonu ve korunması, tarihi ve kültürel mirasın zarar görme ihtimaline karşı gelecekte yapılacak çalışmalara referans olabileceği gibi, sanal gerçeklik uygulamalarına ve sanal müzeler oluşturulmasına da olanak sağlamaktadır. Özellikle küçük ve orta ölçekteki eserlerin (kâse, çanak, çömlek, para, şişe, heykel vb.) modellenmesinde siluet tabanlı model tarayıcılar kullanılabilmektedir. Ayrıca, bu alandaki donanımların yüksek maliyetleri sebebiyle, araştırmacılar pratik, ucuz, hızlı ve yüksek doğruluk sağlayan 3B nesne üretim algoritmaları araştırmaya ve geliştirmeye yönelmişlerdir. Yoğun çalışmalar sürdürülen 3B nesne üretim yöntemleri arasında Siluet imgelerinden 3B nesne üretim algoritmaları gelmektedir (Besdok vd.,2006).

    2.SİLUET TABANLI ŞEKİL TARAYICILAR
    Pasif tarama yöntemlerinden siluet tabanlı şekil tarayıcılar, nesnelerin siluet imgelerini kullanarak, bir nesnenin 3B modelinin üretimini sağlayan, pasif tarama yöntemlerindendir. Pasif tarama yöntemlerinde, modellenecek nesneler ile ilgili bilgi çekilen fotoğraflardan çıkarılmaya çalışılır. Kamera kalibrasyon yöntemlerinden uygun olan bir yöntem yardımıyla karşılıklı yöneltmeleri gerçekleştirilen siluet imgeleri kullanılarak tanımlanan siluet konilerinin kesişimi olan görsel zarfı üretmek siluet tabanlı 3B nesne üretim yöntemlerinin temelini oluşturmaktadır. Siluet tabanlı (shape from silhouette) tarayıcılarda, kamera kalibrasyonu ile elde edilen izdüşüm merkezlerinden siluet kenarlarına doğru tanımlanan doğruların sınırlandırdığı siluet konilerinin kesiştirilmesi ile 3B modele ulaşılması açısından kalibrasyon aşaması önemlidir(Besdok vd.,2006).Kamera parametrelerinin bulunması, bir cismin tanımlanmasından önceki ilk aşamadır. Nesnelere ait üç boyutlu modellerin oluşturulabilmesi için; iki boyutlu (u,v) resim düzlemi ile üç boyutlu (X,Y,Z) dünya koordinat sistemi arasındaki dönüşümü tanımlayan kamera kalibrasyonu yapılmalıdır. Kamera kalibrasyon işleminde iki boyutlu resim düzlemi ile üç boyutlu dünya koordinat sistemi arasındaki ilişki modellenerek kameralara ait parametreler hesaplanır (Kasap vd.,2006).Bu yöntemde, modellenecek nesneye ait fotoğrafların elde edilmesi ve kamera kalibrasyonu, model geometrisinin çıkarılması ya da siluet çıkartımı ve modelin yüzey görüntüsünün çıkarılması gibi işlemler gerçekleştirilmektedir. Farklı görüntülerden nesnenin fotoğraflarının elde edilmesinden sonraki aşama siluet çıkartılmasıdır. Siluet, mevcut imgeler içerisinde, nesnenin dış yüzeyleridir. Siluetler daha sonra gerçek bir nesneyi tanımlayan üç boyutlu modeli üretmede kullanılmaktadır. Tüm siluet konilerinin kesişimi, Görsel Zarf (Visual-Hull) olarak adlandırılan bir hacim tanımlar (Besdok vd.,2006).Görsel zarf nesne şeklinin üç boyutlu kestirimidir. Görsel zarf iyi bir kestirim olmasına rağmen, nesneyi tam olarak kuşatamamakta ya da kapsayamamaktadır. Bu eksikliğe karşın, çok sayıda araştırmacı tarafından basit donanımlar içermesi, maliyetinin düşük olması açısından nesnelerinin 3 boyutlu modellerini üretmekte kullanılmaktadır. Görsel zarfın üretilmesinde hacim kesiştirme işlemi Şekil 1’de gösterilmiştir(Kuzu,2004).



    Şekil 1: Görsel Zarf İçin Hacim Kesiştirme

    3. 3DSOM SİSTEMİ VE DENEYLER

    Çalışma kapsamında nesnelerin 3B modellerinin üretilmesinde pasif tarama yöntemlerinden olan siluet tabanlı (shape from silhouette) tarayıcılardan 3DSom(Demo) yazılımı kullanılmıştır. Mevcut çok sayıdaki pasif üç boyutlu modelleme sistemleri, taranacak nesnenin boyutlarını sınırlandıran yüksek maliyetli döner levhaya(turntable) ihtiyaç duyarlar. Ayrıca bu sistemler nesnenin doku modelini çıkarmak için profosyonel ışıklandırmaya ihtiyaç duyarlar. Bu bakımdan 3B model üretim yazılımlarından 3DSom hem maliyet açısından hem de nesnelerini modelleme açısından güçlü bir teknolojidir. Herhangi bir objenin üç boyutlu modellerinin hızlı, ucuz bir şekilde üretilmesi ve rakip teknolojilere göre daha az teknik beceri ve daha ucuz donanım imkânı sunması açısından 3DSom yazılımı önem kazanmaktadır.

    3DSom sisteminde, 3 boyutlu modelin üretiminde öncelikle nesnenin fotoğrafları farklı açılardan çekilir, kamera kalibrasyonu gerçekleştirir ve nesne arka plandan ayrılarak bölütlenir. Mevcut imgeler içerisinde, nesnenin dış yüzeyleri yani siluetleri çıkartılır. Elde edilen siluetler kesiştirilerek bir yüzey elde edilir ve nesnenin doku haritası ya da 3 boyutlu modeli elde edilir. Sistem, düz bir zemin üzerine yerleştirilmiş bir kalibrasyon paterni, nesneyi yükselterek gölge etkisini engelleyen arka plan ve zeminle aynı renkte olan bir destek, 3B modeli üretilecek nesne ve sabit bir kameradan oluşmaktadır. Nesnenin 3B modelinin üretimi için, nesne, özel olarak tasarlanmış fotoğrafın her açıdan çekilmesine olanak sağlayan üzerinde özel işaretler bulunan kâğıt bir katman olan ve modellenecek nesnenin boyutuna göre değişen kalibrasyon paterninin üzerine yerleştirilen destek üzerine konumlandırılır. Bir sabit kamera yardımıyla patern üzerine konumlandırılmış nesnenin fotoğrafları çeşitli açılardan çekilir. Elde edilen fotoğraflar 3DSom yazılımına aktarılıp maskeleme ve düzeltme işlemleri yapıldığında görüntülerden otomatik olarak bir 3B doku modeli oluşturulur.

    Görüntüleri projeye ekledikten sonraki adım maskeleme işlemidir. Maskeleme işleminden sonra cismi çevreleyen arka plan kaybolur. Cismin her tarafının maske ile kaplanması önemli bir unsurdur.3DSom programı maskeleme işlemini otomatik olarak gerçekleştirmektedir. Ancak otomatik maskeleme yapıldığında bölütlemeden istenilen sonuç alınamamaktadır. Bu sebeple uygulamada manuel maskeleme gerçekleştirilmiştir. Manuel maskeleme işleminden sonra modellenecek nesne arka plandan ayırt edilmiş olur. Siluetlerin hassas olarak üretilmesi nesnenin 3B modelinin hassasiyeti açısından önemlidir. İki boyutlu imgelerden elde edilen siluetlerin kesiştirilmesi yoluyla üç boyutlu modele ulaşılmasından dolayı siluetlerinin çıkartılmasında siluet sınırlarının doğru ve hassas bir şekilde belirlenmesi ve nesne bölgesindeki eksik piksellerin minimize edilmesi gerekmektedir Bölütleme işleminde yapılan hatalar istenilen sonuçların elde edilememesini ortaya çıkaracaktır. Yani nesnenin arka plandaki desenden doğru bir şekilde ayrılmaması üretilecek modelin doğruluğunu olumsuz etkileyecektir. Maskelenmiş resimlerden elde edilen nesnelerin siluetlerini kullanarak 3B modelin üretimi için bir nesne yüzeyi üretilir. Yüzey örgüsü çıkarıldıktan sonra elde edilen yüzey üzerinde basit görüntü işleme operasyonları uygulanır. Sistem, siluetlerdeki üretilen yüzeyi pürüzleştirilir. Siluetler işlenir, yüzey yumuşatılır ve yüzey en uygun hale getirilir. Sistem tarafından yüzey örgüsü çıkarılıp tanımlandıktan sonra doku haritası(Texture Map) çıkarılır.

    Siluet Tabanlı 3DSom sistemi ile farklı açılardan fotoğrafları çekilen tarihi ve kültürel miras sayılabilecek nesnelerin siluet imgeleri kullanılarak elde edilen üç boyutlu modelleri Şekil 2’de gösterilmiştir.



    Şekil 2:3DSom sistemi ile elde edilmiş üç boyutlu nesne modelleri

    3.SONUÇLAR
    Pek çok bilimsel dalın katkılarından oluşan kültürel mirasın belgelenmesi açısından, üç boyutlu dijital modellere gereksinim duyulmaktadır. Üç boyutlu modellerinin üretimi için geliştirilmiş çok sayıda donanım bulunmaktadır ancak bu donanımlar genel olarak yüksek maliyet ve uzmanlık gerektirmektedir. Bu bakımdan herhangi bir objenin üç boyutlu modellerini hızlı, ucuz bir şekilde üretmesi ve rakip teknolojilere göre daha az teknik beceri ve daha ucuz donanım imkânı sunması açısından 3DSom yazılımı önem kazanmaktadır.Siluet tabanlı 3DSom sistemi ile orta ölçekteki eserlerin siluet imgeleri kullanılarak üç boyutlu modelleri elde edilmiştir.Bu sistemde cismin geometrik detaylarının elde edilmesi görüntü sayısıyla orantılı olduğundan kullanılan görüntü sayısının artırılması nesnenin 3B modelin kalitesi açısından önemlidir.Ayrıca siluetlerin hassas bir biçimde çıkarılması ve siluetlerin kesişiminde elde edilen görsel zarfın doğruluğu modelin kalitesi açısından kritik bir rol oynamaktadır. Gerçekleştirilen deneylerden elde edilen sonuçlar görsel olarak yüksek kalitede olmasına karşın görsel zarf yöntemi, nesneyi tam olarak kuşatamamakta ve iç bükey yüzeydeki ayrıntıları elde edememektedir.Buna rağmen siluet tabanlı şekil tarayıcılar basit donanımlar içermesi, maliyetinin düşük olması açısından nesnelerin tarihi ve kültürel mirasın korunması açısından orta ölçekteki eserlerin üç boyutlu modellerinin üretilmesinde kullanılmaktadır. Ayrıca endüstriyel ürün tasarımı, sanal müze tasarımı gibi alanlarda uygulanabildiği gibi daha çok görsel ve düşük doğruluk isteyen 3B ölçmelerde ve hareketli ve durağan nesnelerin modellenmesinde de kullanım olanağı bulmaktadır.
    KAYNAKLAR

    Fua,P., 1997. From multiple stereo views to multiple 3d surfaces. International Journal of Computer Vision, 24-1:19–35.


    Fua,P., Leclerc Y.G., 1995. Object-centered surface reconstruction: Combining multi-image stereo and shading. International Journal of Computer Vision, 16-1:35–56.
    Kass,M.,Witkin A., Terzopoulos,D.,1988.Snakes: Active contour models. International Journal of Computer Vision, 1:321–332
    Yılmaz,U.,2003.İnternette üçüncü boyut ve üç boyutlu model üretimi,TMMOBEMO Dergisi, 418: 52-55.
    Beşdok,E.,Özkan,C.,Palancıoğlu,H.M.,2006.Fotogrametrik siluet imgelerinden 3d model geri-çatımı,Akademik Bilişim & Bilgi Teknolojileri Kongresi, Şubat 9-11, 2006, Denizli.
    Kuzu,Y.,2004.Volumetric Object Reconstruction by Means of Photogrammetry,Faculty of Civil Engineering an Applied Geosciences,Division of Photogrammetry and Cartography, Berlin Tecnical University, Ph.D Thesis, Germany,131pp.
    Beşdok,E.,Kasap,B.,2006.3DNesne modellemeye yönelik lazerli bir tarayıcı sistemin tasarımı ve gerçekleştirilmesi, Eleco'2006,Elektrik-Elektronik-Bilgisayar Mühendisliği Sempozyumu ve Fuarı Bildirileri, Aralık 6-10, Bursa.









        Ana sayfa


    TariHİ ve küLTÜrel mirasin korunmasi amaçli 3 boyutlu dokümantasyonda şEKİl tarayicilarin kullanimi emre Tercan1, Erkan Beşdok2

    Indir 30.17 Kb.