23.2.2022
Arttu Julina, Hannu Hyyppäa,b, Juho-Pekka Virtanenc, Juha Hyyppäd, Matti T Vaajaa
aAalto-yliopisto, Rakennetun ympäristön laitos
bMetropolia AMK, Rakentaminen ja arkkitehtuuri
cForum Virium Helsinki Oy
dMML, Paikkatietokeskus FGI
Kaupunkien fotorealistisista 3D-malleista on tullut yhä arvokkaampia ja kysytympiä työkaluja kasvavien ja tiivistyvien kaupunkiympäristöjen visualisoinnissa, hallinnoinnissa, kehittämisessä ja ymmärtämisessä. Erityisesti lähifotogrammetria ja maalaserkeilaus kykenevät tuottamaan tarkkoja, yksityiskohtaisia ja fotorealistisia 3D-malleja monimutkaisista kaupunkiympäristöistä. Nämä 3D-mittausmenetelmät ovat toisiaan täydentäviä ja tarkkoja, mutta niillä tuotettujen 3D-mallien ulkonäön laatua oli tutkittu yllättävän vähän fotorealististen sovellusten näkökulmasta. Lisäksi sovellusalustat ovat 3D-mallien hyödyntämisen kannalta merkittävässä roolissa.
Arttu Julinin väitöskirjatyössä ensin tunnistettiin olennaiset sovellusalustat tutkimalla maailmalla käynnissä olevia 3D-kaupunkimallinnushankkeita. Sen jälkeen tehokasta mallintuotantoa testattiin kaupunkiympäristön fotorealistista verkkosovellusta varten. Eri mallinnusmenetelmiä ja prosesseja verrattiin toisiinsa arvioimalla mallien geometrian ja teksturoinnin laatua. Lopuksi maalaserkeilainten tuottaman pistepilven värjäyksen laatua analysoitiin värien ja yksityiskohtien toistokyvyn näkökulmasta.
Tulokset osoittivat 3D-grafiikan reaaliaikaiseen renderöintiin perustuvien alustojen, joita ovat pelimoottorit ja virtual globe –alustat, olevan olennaisimpia sovellusalustoja fotorealististen 3D-kaupunkimallien hyödyntämiseen. Lähifotogrammetrian ja maalaserkeilauksen välisen integroinnin havaittiin olevan hyvä kompromissi, jossa yhdistyvät toisaalta lähifotogrammetrian parempi teksturoinnin laatu sekä maalaserkeilauksen parempi geometrinen laatu. Lopuksi maalaserkeilainten tuottaman pistepilven värjäyksen laadun arviointiin kehitettiin uusi menetelmä, joka paljasti fotorealististen sovellusten kannalta merkittäviä laatueroja kaikkien menetelmällä testattujen kaupallisten laserkeilainten ja asetusten välillä.
Tulokset osoittivat, että pistepilven värjäyksen laatua on mahdollista arvioida jopa ”mustina laatikoina” pidettävien kaupallisten laserkeilainjärjestelmien ja niiden käyttämien tuntemattomien algoritmien tapauksessa. Lisäksi kehitettyä menetelmää voidaan soveltaa käytännöllisesti katsoen minkä tahansa värillisen 3D-pistepilven värjäyslaadun arvioimiseen. Mallin ulkonäön laatu näkyi mittauslaitteen kyvystä toistaa värit ja yksityiskohdat. Lisäksi kokeissa havaittiin laatueroja testattujen instrumenttien ja asetusten välillä. Tätä voidaan pitää merkittävinä erityisesti sovelluksissa, joissa tarvitaan laadukkaasta ja luotettavaa väritietoa. Löydökset viittaavat siihen, että mitattuja ja visuaalisesti havaittavissa olevia värintoistoon liittyviä ongelmia (eli eroja värissä, valkotasapainossa ja valotuksessa) voitiin lieventää aineistoa käsittelemällä, kun taas yksityiskohtien toistoon (eli terävyyteen ja kohinaan) liittyviä laatuongelmia oli vaikeampi korjata.
Kehitetty arviointimenetelmä perustui osaltaan vakiintuneisiin ja standardoituihin objektiivisiin kuvanlaadun metriikoihin, jotka liittyvät joko yksityiskohtien tai värien toistokykyvyn mittaamiseen. Näitä mm. värien tarkkuuden (engl. color accuracy, ISO/CIE 11664-6), terävyyden (engl. sharpness, ISO 12233) ja signaali-kohinasuhteen (engl. signal-to-noise ratio, ISO 15739) laatumetriikoita mitattiin standardoitujen testikuvien (X-Rite ColorChecker, Siemens-tähti ja kohinatestikaavio) avulla.
Väitöskirjatyö lisää testattujen 3D-mittausmenetelmien hyödyntämismahdollisuuksia fotorealistisen 3D-kaupunkimallinnuksen tarpeisiin sekä tarjoaa uutta tietoa niiden tehokkuudesta ja laadusta. Fotorealistisissa sovelluksissa on tärkeää ymmärtää 3D-mallin laatu kokonaisvaltaisesti sekä mallin geometrian että ulkonäön kannalta.
Yksityiskohtainen ja fotorealistinen todellisten ympäristöjen 3D-mallinnus perustuu edelleen usein manuaalisiin mallinnusmenetelmiin, mikä voi olla kallista, työvoimavaltaista ja jopa esteenä kehittäjille, yrityksille ja organisaatioille. Väitöskirja osaltaan paransi tietämystä siitä, kuinka sekä mittatarkkaa että visuaalisesti tarkkaa reaalimaailmaan perustuvaa 3D-tietoa voidaan luoda ja hyödyntää tehokkaasti. Kaupunkien 3D-mallinnuksen mahdollisten etujen ymmärtäminen ei kuitenkaan ole vain teknologinen haaste; se sisältää usein myös taloudellisia ja sosiaalisia näkökohtia, jotka ovat hyödyllisiä tunnistaa.
Saadut tulokset auttavat ja motivoivat kehittäjiä, asiantuntijoita ja käyttäjiä luomaan ja soveltamaan näitä menetelmiä sekä uusilla että vakiintuneilla aloilla, kuten maanmittauksessa, suunnittelussa ja kulttuuriperinnössä, mutta myös avaavat mahdollisuuksia uusille ja nouseville sovellusalueille, kuten 3D-sisällön luomiseen videopeleihin ja mukaansatempaaviin kokemuksiin tai elokuvateollisuuden virtuaalituotannossa.
LISÄTIETOJA
Linkki väitöskirjan e-versioon: http://urn.fi/URN:ISBN: 978-952-64-0407-3
Julin, Arttu. 2021. Improving the utilization of close-range photogrammetry and terrestrial laser scanning for photorealistic urban 3D modeling. Aalto-yliopisto
