بخشی از مقاله
چکیده
توسعۀ صنعت گردشگری و کمک به اقتصاد کشور مستلزم حفظ و مرمت آثار باستانی است. به همین دلیل تولید بانک اطالعات منسجم از این آثار که قابلیت ذخیره سازی و بازیابی داشته باشد را الزامی میسازد. از اینرو با توجه به پیشرفتهای اخیر در حوزۀ فتوگرامتری برد کوتاه و گشایشهای بسیاری که این علم در زمینۀ تولید مدلهای سطحی سه بعدی ایجاد کرده ، امکان ساخت این بانک اطالعاتی از آثار تاریخی ممکن میسازد. برای دستیابی به یک مدل سه بعدی کامل و بدون گپ، نیاز به عکس برداری از سطوح جانبی و فوقانی از آن عارضه ضروری مینماید. بدلیل وسعت سایتها و ساختمانهای باستانی استفاده از عکسهای هوایی کمک بسیار زیادی در راه رسیدن به هدف خواهد بود.
فلذا، این روند با ظهور پهپادها آسانتر و سریعتر شده است. در این پژوهش روشی برای استخراج ضخامت دیوارها و سقفها که مبتنی بر تلفیق عکسهای هوایی و زمینی میباشد، پیشنهاد شده است. روش پیشنهادی بر مبنای اتصال دقیق عکسهای گرفته شده از داخل و خارج مدل و به طبع آن اتصال ابر نقاط آنها به استوار است. به منظور اجرایی شدن این هدف، اهمیت نحوۀ عکسبرداری از مناطق مرزی که حد فاصل محیط درونی و بیرونی است، دو چندان میشود.
یعنی عکسی که از داخل مدل اخذ میشود، باید عالوه بر اینکه قسمتی از محیط داخلی و ناحیه مرزی را در بر بگیرد، باید قسمتی از منطقهی بیرونی را هم تحت پوشش قرار دهد و بلعکس. هدف از اجرای این نوع عکسبرداری ایجاد نقاط مشترک بین هر دو منطقه - داخل و خارج مدل - برای تلفیق عکسها و ابر نقاط میباشد. نتایج بدست آمده از این روش راضی کننده میباشد، به نحوی که دقتی در حدود چهارده میلیمتر را در پی داشته است.
-1مقدمه
امروزه حفظ آثار باستانی برای کشورها یکی از اهداف بنیادی محسوب میشود چرا که قدمت، تاریخچه و تمدن آن سرزمین را نشان میدهد. کشور جمهوری اسالمی ایران با توجه به سابقه طوالنی و داشتن آثار باستانی متعدد از این قاعده مستثنا نیست. تا کنون برای حفظ این آثار تالشهای زیادی صورت گرفته است، اما همانطوری که از وضعیت کنونی آثار باستانی استنباط می-شود، کاستیهای فراوانی در این زمینه وجود دارد که یکی از آنها عدم ارتباط مناسب بین رشتههای بنیادی همچون نقشه برداری با علم باستان شناسی میباشد.
از علل این جدایی میتوان به نبود و یا کمبود افرادی که در هر دو زمینه دارای تخصص باشند، اشاره کرد. با توجه به پیشرفتهای اخیر که در علم فتوگرامتری برد کوتاه که قابلیت استفاده را برای هر کاربر غیر حرفه-ای با حداقل دانش فتوگرامتری مقدور میسازد، تا حدودی این مشکل مرتفع شده است. هدف از این تحقیق، استخراج اطالعات بسیار دقیق، همچون قطر دیوارها و سقفها از مدل سه بعدی سطحی از ساختمانها با استفاده از روشهای نوین فتوگرامتری میباشد.
با این روش، معماران و باستانشناسان امکان تولید مجدد آن اثر را در هر زمان و مکان و مقیاس مختلف را بدست میآورند. در این مقاله به رویکرد جدیدی در زمینه ترکیب مدلهای سه بعدی داخلی و خارجی با یکدیگر به منظور بازسازی سه بعدی سطحی از ساختمان پرداخته خواهد شد. همچنین در ادامه با کمک از این مدل میتوانیم به جزئیات تشکیل دهنده آن بنا دست پیدا کنیم. اطالعات رقومي1 که به روش عکسبرداري حاصل ميگردد با تکنیك فتوگرامتري و پس از اعمال تصحیحات الزم، تبدیل به مدل سه بعدي مي شود که با لحاظ کردن مقیاس، مي توان تمام اجزاء ابنیه واقعي را از مدل تشکیل شده استخراج کرد و سپس اطالعات بدست آمده را در فضاي اتوکد وارد نموده و به اهداف مورد نظر رسید.
یکي از مزایاي این متد این است که مي توان جزئیاتي از ابنیه اي که مدل شده و قابل دسترسي براي اندازه گیري مستقیم - روش سنتي - نیست را سنجش و بررسي نمود .همچنین، مدل حاصل شده درمواقعي که ابنیه باستاني بر اثر آتش سوزي، زلزله و سایر حوادث طبیعي و غیر طبیعي آسیب جدي مي بیند، مي تواند مبناي احیاي آثار باستاني قرار گیرد. یکي از مزایاي بدیل و غیر قابل مقایسه این تکنیك مدرن با روشهاي جاري در کشور این است که مي توان مدلهاي تهیه شده از یك بنا و در زمانهاي گوناکون را به کمك یك سیستم هوشمند مقایسه نموده و از حادثه اي که در شرف تکوین بوده که با چشم معمولي قابل رؤیت نبوده ولي ميرود تا موجبات آسیب رساني بنا را فراهم کند مطلع و چاره جوئي کرد.
از این تکنیك براي مستند نگاري میراث فرهنگي نیز استفاده مي شود. [1 ] مدل سازی سه بعدی از اشیاء و صحنهها، یک تحقیق فشرده و طوالنی مدت در گرافیک کامپیوتری ، بینایی ماشین و علم فتوگرامتری است و به دلیل3 پیچیدگی صحنههای طبیعی و عدم عملکرد الگوریتمهای درک تصویر، روشهای کامال اتوماتیک نمیتوانند تضمین کننده نتایج پایدار و قابل اطمینان برای استفاده عملی باشند .[2] تولید خودکار مدل سه بعدی برای بسیاری از رشتهها از جمله هدایت رباتها، کامپیوتر گرافیک واقعیت مجازی ، ارتباطات، بازرسیهای بصری4 به منظور ارزیابی کیفیت در زمان تولید و بازسازی سه بعدی ساختمانها بسیار مفید و کاربردی است.
[3] با توجه به هدف تدوین این مقاله، به تعدادی از مزایای بازسازی سه بعدی ساختمانها از جمله کاربرد در معماری، برنامه ریزیهای شهری ، ارزیابی خسارتهای ناشی از عوامل طبیعی و یا غیر طبیعی، حفاظت از ابنیهی باستانی و گردشگری دیجیتال با استفاده از شبیه سازی سه بعدی میتوان اشاره کرد. مهمترین هدفی که در این مقاله دنبال میشود، تولید مدل سراسری سه بعدی از داخل و خارج یک ساختمان و استخراج ضخامت سقفها و دیوارها به منظور امکان بازسازی مجدد آن بنا خواه بود، که در صورت صدمات طبیعی و غیر طبیعی و همچنین تولید آن با مقیاسهای مختلف را امکان پذیر خواهد ساخت.
فتوگرامتري رقومی با برد کوتاه از ویژگيهاي منحصر به فردي نسبت به سایر روشها در مستند سازي آثار باستاني برخوردار است. عدم نیاز به تماس با عارضه، امکان اخذ اطالعات بافت، رنگ و انطباق این ویژگيها بر روي دادههاي خروجي سه بعدي، انعطاف پذیري باالي این روش در بحث دستیابي به دقتهاي مورد نیاز در اندازهگیريها و پتانسیل آن در دستیابي به دقتهایي در حد میلیمتر، قابلیت اخذ کم هزینه مشاهدات و آرشیو تصاویر تا زمان نیاز به استخراج اطالعات کمي از آنها، همگي از پارامترهایي هستند که بکارگیري این شیوه را در مدلسازي محوطههاي باستاني و ابنیههای تاریخی بیشتر مورد استفاده قرار میدهد.
روشهای بازسازی بر مبنای اخذ تصویر با استفاده از دوربینهای عکسبرداری که تولید اطالعات دیجیتالی مینماید، منجر به تولید مدلهای دقیق و مستحکم هندسی سهبعدی قابل مقایسه با روشهای لیدار شده است .[4] ولي شیوههاي5 معمول فتوگرامتري در برخي از موارد مانند عدم دسترسي به عوارض، با محدودیتهایي مواجه هستند .[5] نمونهای از این محدودیتها که در زمینهی تولید مدل سه بعدی ساختمانها با آن روبرو هستیم، عدم دسترسی مناسب به قسمتهای پرخطر و دور از دسترس مثل سقف ساختمانها است که در این حالت باعث ایجاد گپ اطالعاتی و در نهایت وجود نقص در تولید مدل سه بعدی سراسری از یک ساختمان میشود . یکی از روشهای حل این مشکل استفاده از پهپاد 6 - UAV7 - است.
اخیرا از پهپادها در طیفهای بسیار گستردهای استفاده میشود که یکی از این کاربردها، بازسازی سه بعدی از سطوح ساختمانها است .[3] تحقیق حاضر در شش قسمت تنظیم شده که بجز بخش اول که شامل مقدمه بود، در بخش دوم به صورت خالصه، پیشینه و کارها انجام شده را بر خواهیم شمرد. در قسمت سوم به روش و محل جمع آوری اطالعات در این تحقیق نگاهی خواهیم کرد. سپس به شیوهی پیشنهادی و پیاده سازی آن در بخش چهارم خواهیم پرداخت، در قسمت پنجم به ارزیابی نتایج میپردازیم. در نهایت در بخش ششم ارزیابی نتایج و نتیجه گیری در این تحقیق مورد توجه قرار خواهد گرفت.
-2پیشینه تحقیق
دو روش مرسوم برای تولید مدل سه بعدی ساختمانها وجود دارد؛ یکی از این روشها بازسازی با استفاده از دادههای لیدار و دیگری استفاده از تصاویر اخذ شده به کمک دوربین عکسبرداری رقومی است. بسیاری از این روشها بر اساس مدلسازی سه بعدی با کمک لیدار متمرکز شده بودند. [6 ] ولی امروزه تولید مدل سه بعدی از تصاویر یک حقیقتی است که مزایای بیشتری نسبت به لیزر اسکنرها دارند. [7 ] از معایب دیگر اسکنرهای لیزری میتوان به وزن باالی این دستگاهها اشاره کرد، که هنوز امکان نصبشان بر روی پهپادها وجود ندارد تا بتوانیم یک مدل یکپارچه و کامل از تمامی قسمتهای ساختمان علیالخصوص سقف ساختمان داشته باشیم. هرچند اسکنرها که خود در تولید نویز که اطالعات غلط را تولید میکنند نیز دارای معایب هستند.
[8] ولی ما میتوانیم با نصب یک دوربین مناسب بر روی پهپاد که دقت مورد نظر را تامین نماید و یا استفاده از پهپادهای دوربیندار، شرایط مناسب را برای عکسبرداری و در نهایت رسیدن به یک مدل سه بعدی کارآمد سازیم. در سال 2012 وستوبی و همکاران الگوریتم ساختار حرکت - SfM8 - که بسیار کم هزینه، موثر و دارای این قابلیت که جایگزینی برای نقشه برداری یا فتوگرامتری کالسیک باشد، ارائه دادند. این الگوریتم، عکسهای نامرتب که توسط دوربین تهیه شده را مرتب نموده و تولید ابر نقاط سه بعدی را امکان پذیر ساخته و در نهایت یک دید استریواسکپی از چندین منظر تولید میشود. [99] امروزه با استفاده از روش فتوگرامتری رقومی برد کوتاه و بهره گیری از این الگوریتم که باعث بهبود در نتایج میشود، بهرهوری مناسب میگردد.
نمای ساختمان با استفاده از عکسهای زمینی مدل میشود، ولی امکان مدلسازی قسمتهای فوقانی و سقف به کمک این دادهها خالی از اشکال نیست. [10] با ظهور پهپادها در سالهای اخیر دستیابی به عکسهای هوایی راحتتر شده است. ترکیب این شیوه از اخذ اطالعات و روش زمینی سبب شده پوششهای کاملتری از یک ساختمان و بویژه قسمتهای باالیی و سقف حاصل شود. بنابراین از یک اثر باستانی بدون آنکه کمترین نقصان اطالعاتی به وجود آید میتوان یک مدل0سه بعدی تولید کرد. پروژههای زیادی ثابت کردهاند که استفاده از پهپاد میتواند روشی مناسب برای مستند نگاری از آثار باستانی باشد. [11, 12, 13 ] در سال 1998 یک روش برای مدلسازی سه بعدی از تصاویر توسعه داده شد و مدل سه بعدی تاج محل را تولید گردید.
[14] همچنین در سال 2009 سوهن و همکاران، یک مدل سه بعدی از فضای باز دانشگاه یورک را تولید کردند. آنها از تصاویر و عکسهای هوایی برای ایجاد مدل سه بعدی مجازی استفاده کردند. هدف اصلی این پروژه ایجاد یک مدل مجازی سه بعدی از فضای باز دانشگاه یورک بود. برای این پروژه، آنها از تصاویر هوایی و عکسهای زمینی با دادههای لیدار استفاده کردند و آنها اشکال سه بعدی ساخته شده توسط انسان و طبیعت را ایجاد نمودند. در این پروژه همچنین روشهای موجود و جدیدی را برای بررسی ساختمانها، درختان و بازسازی زمین و نقشهبرداری بافتهای اشیاء مورد بررسی قرار دادند.
