Tools and methods of 3d scanning for creating phantom models of architectural objects

372 Сучасні проблеми архітектури та містобудування. Випуск 67. 2023 DOI: https://doi.org/10.32347/2077-3455.2023.67.372-381 УДК 72.02:004.92 Товбич Валерій Васильович, доктор архітектури, професор, завідувач кафедри інформаційних технологій в архітектурі, Київський національний університет будівництва і архітектури https://orcid.org/0000-0002-4794-4944 Попович Євгеній Марчелович, магістр архітектури, асистент кафедри архітектури та збереження об’єктів Всесвітньої спадщини ЮНЕСКО, Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича https://orcid.org/0000-0003-4014-2698 ЗАСОБИ ТА МЕТОДИ 3Д СКАНУВАННЯ ДЛЯ СТВОРЕННЯ ФАНТОМНИХ МОДЕЛЕЙ АРХІТЕКТУРНИХ ОБ'ЄКТІВ Анотація: стаття описує новітні інноваційні 3D технології в архітектурній діяльності з фіксації і збереження архітектурних об'єктів. Наводяться базові принципи та методи отримання фізичних даних щодо певного об’єкту за допомогою 3D сканування, фотограмметрії, тепловізійної зйомки та іншими засобами. Обробку, аналіз і інтеграцію в BIM та GIS системах. Метод використовування даних з Point Cloud (хмари точок), BIM & GIS систем під час архітектурного проєктування. В даній статті наведено також приклад використання обладнання від розробника Leica, а саме прилади наземного лазерного сканування Leica RTC 360 та BLK 360. Описано процес отримання даних існуючої споруди, обробка даних в спеціалізованих програмних засобах, виведення даних для подальшого використання їх в BIM/ CAD програмах, створення 3Д моделі в BIM / CAD програмах (Revit / Sketchup), створення фотореалістичних зображень а також створення інтерактивної віртуальної моделі на основі 3Д, з можливістю підключення VR обладнання. Ключові слова: 3Д сканування; фотограметрія; хмара точок; архітектурні об'єкти; фантомні моделі. Постановка проблеми. 24 лютого 2022 року рф почала вторгнення в Україну. Під час бойових дій зазнали руйнації об'єкти культурної спадщини. Серед втрат можна зазначити вагомі руйнування унікальних пам’яток архітектури та історії. Для подальшого вітворення втрачених архітекруних Сучасні проблеми архітектури та містобудування. Випуск 67. 2023 373 об'єктів у майбутньому необхідно створювати базу даних фантомних моделей фасадів та інтер`єів пам`яток архітектури та історії, об`єктів культурної спадщини. Зокрема превентивно зафіксувати фізичне тіло архітектурних об`єктів сучасними методами 3Д сканування. Аналіз останніх досліджень і публікацій. 3D сканування отримало широке застосування в численних проєктах реставрації та збереження об`єктів культурної спадщини, особливо на стадіях архітектурних обмірів. Серед найбільш визначних опрацьованих цим методом пам’яток Всесвітньої спадщини ЮНЕСКО можна навести приклад собору Св. Софії в Стамбулі. Сканування проводили дослідники: Fabian Stroth - Університет Альберта Людвіга у Фрайбурзі, кафедра Візантійської археології та Hasan Fırat Diker професор Університету Фатіха Султана Мехмета, факультет архітектури та дизайну. Окрім 3D сканування було використано короткохвильові радари, і відкрито та досліджено нові підземні структури та коридори.[6, 7] Найбільш яскравим прикладом практичного використання технології Scanto-BIM та Points Cloud став випадок із всесвітньо відомою пам’яткою архітектури собором Нотр Дам в Парижі. Де після пожежі та руйнувань, було прийнято рішення про реконструкцію первинного вигляду, і зараз в ході реставрації джерелом для розроблення технічної документації слугує відсканована у 2015 році істориком та архітектором Андрю Таллоном 3D модель собору, за допомогою обладнання від компанії Trimble MEP [8]. Тим самим обладнанням в 2005 році була відсканована пам’ятка ЮНЕСКО музей-заповідник «Софія Київська» (ДП «Київгеоінформатика»). Для лазерного сканування використовувався панорамний 3D сканер Callidus CS3200, а для координування точок опори сканера - безвідбивачевий електронний тахеометр Trimble 3305DR. Зовнішнє сканування було виконано з трьох точок стояння інструменту під кутом 120°, а в середині - на кожному поверсі, з кроком 0,5° × 0,5° для детальної зйомки всіх подробиць об'єкта. Метою публікації є поширення інформації щодо впровадження засобів та методів 3д сканування для фіксації архітектурних об'єктів в умовах військової агресії проти України. Основна частина. BIM-сканування - метод візуального дистанційного дослідження поверхонь об’єктів за допомогою спеціального обладнання. Обладнання використовує лазерні промені для фіксації кожної окремої точки об’єкту, що знаходиться навколо чи біля даного устаткування. Кожній цятці автоматично задається значення відстані від лазерного випромінювача до поверхні, місцезнаходження за координатами та відповідний відтінок кольору, що відповідає оригінальному відтінку на поверхні сканованого об’єкту. Кількість таких точок варіюється в залежності від технічних можливостей 374 Сучасні проблеми архітектури та містобудування. Випуск 67. 2023 обладнання та розмірів досліджуваного об’єкту, в середньому значення складає 4 млн точок за 1 секунду, з точністю до 1 мм. Для детальнішого відтворення майбутньої 3д моделі на основі даних від BIM-сканування рекомендується проводити сканування із декількох місць та ракурсів.[2] Технології BIM-сканування почали використовувати в архітектурній практиці на початку 1990 років. Перш за все, метод дозволяє отримувати за короткий термін пропорційну поверхневу модель певної споруди, на противагу традиційним архітектурним обмірам. Можливість зберегти її на портативних носіях і доступ до неї у будь-який час. Особливу роль BIM-сканування виконує в процесах реставрації і дотичних видах робіт, коли необхідно в превентивних цілях дослідити і зафіксувати історичну будівлю, пізніше - створити BIM модель, дослідити конструкції та енергоефективність після реставрації. Створення декількох BIM варіантів реконструкції чи фіксації, консервації чи ревіталізації певного об’єкту дозволяє вибрати оптимальний варіант і в подальшому прискорити процес створення технічної документації. Проте, технічний процес не досягнув такого рівня розвитку, коли штучний інтелект міг би автоматично дистанційно визначати тип тої чи іншої конструкції, визначати стиль та період будівництва заданої споруди, і головне: навряд чи буде спроможний визначати її художню, технологічну чи історичну цінність просто відсканувавши її. До недоліків (ймовірно, тимчасових) можна віднести тільки поверхневе сканування, без визначення можливих внутрішніх дефектів, складу матеріалів будівництва, типів конструкцій тощо. Приклад виконання 3Д сканування. Для 3Д опрацювання об’єкту використовується наступне обладнання: наземний лазерний 3D сканер від Leica Geosystems, варіант компактного дизайну, що виконує сканування зі швидкістю до 2 млн. точок за секунду (вдвічі швидше аналогів) з вбудованою інерційною системою VIS (Visual Inertial System), GNSS-датчиками, компасом і висотоміром, що фіксують переміщення станції сканування та виконують автоматичну прив’язку до опорних точок, тим самим суттєво спрощують обробку польових результатів в офісі - LІDAR 3D Scanner Leica RTC360, (...truncated)