Fotogrammetrian, kuvatulkinnan ja kaukokartoituksen seminaari 1996
RAKENNUSTEN SISÄTILOJEN MALLINNUS KÄÄNTEISELLÄ MENETELMÄLLÄ
Teuvo Heimonen theimone@cc.hut.fi
3D-malli on kompromissi kohdeavaruudesta. Mitä todellisemman mallin haluaa, sitä enemmän yksityiskohtaisuutta vaaditaan myös mallilta. Yleistämällä puolestaan saavutetaan helpommin käsiteltävä malli.
Tässä fotogrammetrian seminaariesitelmässä pohditaan menetelmää esitystarkkuuden osalta monitasoisen rakennuksen sisätilamallin luomiseksi. Esiteltävän menetelmän ideana on tehdä jo ennen mittauksia kohdetilasta yksinkertaisista malliolioista muodostuva perusmalli, jota seuraavalla tarkkuustasolla tarkennetaan digitaalisten kuvien avulla. Tarkennus toteutetaan parantamalla jo määriteltyjen olioiden geometriaa ja luomalla uusia perusmalleja edelleen seuraavan tarkkuustason lähtöaineistoksi. Lisäksi kuvilta määritetään olioille ilmiasu.
Mallinnusmenetelmä lienee periaatteeltaan uusi, eikä sitä ole tämänkään seminaarityön puitteissa kokeiltu käytännössä. Tämä esitys onkin enemmänkin muistio seminaarin ohjaajan, professori Henrik Haggrénin ja tekijän keskusteluista kuin tutkimus alan kirjallisuudesta.
AVAINSANAT: käänteinen mallinnus, rakennusmalli, kuvamittaus
1.1 Rakennusten mallintaminen
Rakennusten mallintamisella tarkoitetaan suunniteltavan tai olemassa olevan rakennuksen kolmiulotteista kuvaamista tietokoneella (LAASONEN 1995). Mallien tarkoituksena on rakennusten suunnittelun ja ylläpidon tehostaminen sekä visualisoinnin parantaminen. Malleja voidaan käyttää lähtötietoina erilaisille rakennuslaskelmille ja erityisesti tilahallintaohjelmistoille, joiden tavoitteena puolestaan on käyttää kiinteistöjä tarkoituksenmukaisemmin ja sitä kautta saavuttaa parempi kate investoidulle pääomalle.
Rakennusmalliin talletettavat tiedot voidaan jakaa geometria-, ominaisuus- ja oheistietoihin. Rakennuksen geometria määritetään koordinaattitiedoilla eli malliin talletettavien kohteiden taso- ja korkeussijainnilla valitussa koordinaatistossa. Ominaisuustietoja ovat välittömästi kyseisiin kohteisiin liittyvät tiedot, esim. rakennusmateriaali, avautumissuunta tai väri. Oheistiedot voivat puolestaan olla mitä tahansa rakennukseen, sen ylläpitoon tai käyttöön liittyvää tietoa.
1.2 Mallinnuksen käänteinen menetelmä
Perinteisesti 3D-malleja on luotu vaiheittain. Kohteen kuvauksen jälkeen on valittu mittaamisen ja mallintamisen kannalta sopiva kuva-aineisto ja lopuksi kuvilta tai stereomalleilta on digitoitu ja tulkittu mallin geometria- ja ominaisuustiedot.
Käänteisen menetelmän ideana on muodostaa yksinkertainen, kolmiulotteinen malli kohteesta jo ennen varsinaisia mittauksia. Tämä perusmalli koostuu olioille varatuista tiloista (geometrinen osa) ja olioiden relaatioista. Tilavaraukset voidaan määrittää saatavilla olevan etukäteistiedon, kuten esim. rakennuspiirustusten tai kuva-aineiston perusteella tai olettamalla kohdetila jonkin yksinkertaisen kappalemallin esim. suorakulmaisen särmiön muotoiseksi. Kuvamittauksen perusteella olioita tarkennetaan tallentamalla niihin ominaisuustietoina poikkeamat tilavarauksesta (geometrian tarkennus) ja tiedot ilmiasusta sekä luomalla ko. olioon liittyviä aliolioita. Toisin sanoen malli tarkentuu jatkuvasti mittaustyön edetessä. (HAGGRÉN 1996).
Kuva 1: Käänteisen mallintamisen toimintokaavio
Perusmallin olioiden tilavaraukset ovat geometrialtaan mahdollisimman alkeellisia. Yksittäinen tilavaraus voidaan määritellä esim. parametrisesti (primitiivimalline), matemaattisesti (puoliavaruusmalline) tai mallielementtien (reunamallit) avulla (ks. esim. LAMMI 1995).
Rakennuksen perusmalli voidaan luoda esim. rakennuspiirustusten perusteella. Ensin tehdään tilavaraus koko rakennusta mallintavalle oliolle. Tilavaraus voi olla esim. parametreilla määritelty suorakulmainen särmiö (parametreina rakennuksen leveys, pituus ja korkeus), joka rajaa rakennuksen kokonaisuudessaan. Lisäksi jokin ko. rakennusolion nurkkapisteistä valitaan origoksi mallin koordinaattijärjestelmää varten.
Edelleen rakennuspiirustusten avulla voidaan varata tilat huoneolioille. Huonetilatkin voidaan tässä vaiheessa mallintaa suorakulmaisilla särmiöillä. Särmiöt sijoitetaan karkeasti sitomalla ne yhden nurkkapisteensä koordinaateilla (mallikoordinaatistossa) ja rakennusoliosta saatavalla orientoinnilla (huonetilojen seinien suunta sama kuin rakennuksen seinien suunta). Huoneoliot ovat esimerkki rakennusolion sisällä olevista ja sitä tarkentavista aliolioista.
Perusmallia luotaessa määritetään myös sen olioiden välisiä relaatioita. Rakennuksen tapauksessa tämä tarkoittaa esim. huoneiden liittymistä toisiinsa tai itse rakennukseen. Huoneolioon voidaan liittää tieto esim. pääsystä toiseen huoneeseen tai tiettyyn rakennusolion seinään kuuluvan ikkunan sijoittumisesta ko. huoneolion kohdalle.
3 MALLIN PARANTAMINEN KUVIEN AVULLA
Perusmalli on siis geometrialtaan yksinkertaisista olioista koottu karkea kolmiulotteinen kuvaus kohdetilasta. Mallia voidaan tarkentaa niin geometrian kuin ilmiasunkin osalta digitaalisten kuvien avulla.
3.1 Geometrian tarkennus
Mallin parannustyö tehdään oliokohtaisesti eri tarkkuustasoilla. Tietylle tarkkuustasolle saadaan eräänlaisena referenssinä karkeamman tarkkuuden tasolta olio, jota tarkennetaan geometrian osalta kolmella tavoin:
1) Määritetään referenssiolion ulottuvuudet
järkeviksi
2) Ratkaistaan olion perusgeometrian poikkeamat referenssistä
3) Luodaan tarvittavat ko. oliota tarkentavat alioliot
Olion perusgeometriaa tarkennetaan mittaamalla kuvilta kohteen poikkeamia referenssioliosta. Poikkeamien määrittämisen ja käsittelyn helpottamiseksi voi olla syytä muuttaa alemmalta tarkkuustasolta saadun referenssiolion mittoja esim. siten, että poikkeamat ovat kaikki samanmerkkisiä. Referenssiolion muutokset päivitetään myös ko. olion karkeamman tarkkuustason esitykseen, kun sen sijaan poikkeamat korjaavat oliota vain tarkkuustason sisällä. Jos oliolla kuvattavassa tilassa on kohteita, joita ei voi mallintaa perusgeometriaa muuttamalla, on oliota tarkennettava aliolioilla. Aliolioille tehdään tilavaraukset ja nämä varukset siirretään referensseinä seuraaville, esitystarkkuuden osalta korkeammille tasoille.
Rakennusmallin tapauksessa alimmalle tarkkuustasolle (perusmalli) voisi siis kuulua koko rakennusta kuvaava olio aliolioinaan mm. huoneoliot. Seuraavalle tasolle saataisiin siten referenssioliona huonetta kuvaava suorakulmainen särmiö, joka voitaisiin mitoittaa esim. siten, että olio rajoittaisi joka suunnassa vaikkapa 5 cm todellista huonetta suuremman tilan. Huoneesta otetuista kuvista valmistetaan ja tasoitetaan kuvablokki, jolta mitataan tarkemmin huoneen perusgeometria. Mittauksesta saadut särmiön poikkeamat referenssiin talletaan olioon ominaisuustietoina. Huoneessa oleville kohteille, joita ei voi mallintaa olion perusgeometrian poikkeamilla (esim. ikkunasyvennykset, kirjahyllyt, pilarit jne.), tehdään tilavaraukset ja nämä siirretään tarkennettaviksi seuraaville tarkkuustasoille.
Kuva 2: Mallin monitasoisuus esitystarkkuuden suhteen. Alemmalla tarkkuustasolla tehdyt tilavaraukset (aliolioiden luonti) siirtyvät ylemmälle referenssiolioiksi.
3.2 Ilmiasun liittäminen
Digitaalisten kuvien avulla mallin olioihin voidaan lisätä neljäs ulottuvuus eli kohteen ilmiasu. Kuhunkin kuvapikseliin tallentuu kohdepisteen heijastusominaisuuden perusteella värisävyarvo, joka voidaan kuvalla olevan kohteen ja sitä mallintavan olion yhteensovittamisen jälkeen liittää ko. olion tekstuuriksi. Käänteisessä mallinnuksessa kullekin tarkkuustasolle haetaan ilmiasu seuraavilta esitykseltään tarkemmilta tasoilta.
Ilmiasun liittäminen automaattisesti tekstuurikartalta (kuvaan sovitetun olion rajoittama pikselialue kuvalla) malliin ei ole kuitenkaan ongelmatonta. Ensinnäkin geometriselta mallilta voi puuttua kohteita, jotka vaikuttavat tekstuurikartan arvoihin (esim. seinällä oleva juliste). Lisäksi kohteen valot ja varjot sekä heijastusominaisuudet voivat muuttaa kuvapikseleiden arvoja todellisesta. Nykyisin ilmiasu viimeistelläänkin manuaalisesti.
Rakennusten sisätilat muodostuvat yleensä useista suorakulmaisista tiloista. Monet rakennukset voidaan yleispiirteisesti mallintaa näitä tiloja kuvaavilla ja geometrialtaan yksinkertaisilla olioilla. Tässä esitelmässä on hahmoteltu mallinnusmenetelmää, jolla karkeasta perusmallista voidaan digitaalisten kuvien avulla luoda oliopohjainen, portaittain tarkentuva rakennusmalli.
Menetelmässä varataan mallin muodostaville erillisille olioille geometrialtaan yksinkertaisia tiloja, joita tarkennetaan kohteesta hankitun kuvainformaation avulla. Kuvien ja malliolioiden yhteensovituksen jälkeen olioihin voidaan liittää myös ilmiasu.