Fotogrametria w muzeum

Fotogrametria jest techniką pomiarową, która polega na wykonaniu dużej liczby zdjęć przedmiotu, pomieszczenia, elewacji czy terenu, by na ich podstawie wygenerować trójwymiarowy model, ortoobraz, ortofotomapę lub jej wariant – true ortho (inaczej prawdziwą ortofotomapę). O nich za chwilę. Chodzi o to, by poznać wymiary danego obiektu, wnętrza czy terenu bez użycia metrówki.

Aby uzyskać precyzyjne dane, zdjęcia robi się pod różnymi kątami i z wysokim wzajemnym pokryciem. Oznacza to, że jedno zdjęcie „zakrywa” drugie – nachodzą na siebie przynajmniej w 80%. W praktyce fotogrametra przesuwa się bardzo powoli np. wzdłuż ściany i rejestruje kadr po kadrze.

Cechą i celem wszystkich produktów fotogrametrycznych jest to, że można je zmierzyć. Np. ortoobraz oddaje rzeczywiste wymiary pomieszczenia – jak rzut prostokątny, czyli bez zniekształceń kątowych właściwych zwykłej fotografii. Możemy tak mierzyć odległości, powierzchnię czy – na ich podstawie – objętość miejsca lub obiektu. Aby uzyskać ten efekt, potrzebne jest specjalne oprogramowanie, które zmienia zdjęcia w gęstą chmurę punktów. Z niej następnie można wygenerować ortoobraz czy model 3D.

Ilu właściwie zdjęć potrzeba do wygenerowania chmury punktów? Jak zwykle – to zależy. Kluczowe znaczenie mają rozmiar obiektu i oczekiwana rozdzielczość. Dla przeciętnego pomieszczenia o czterech ścianach fotogrametra musi wykonać 700-800 ujęć. W przypadku rzeźby ogrodowej potrzeba ich 300-400. Podczas pracy nad Bramą Główną do wilanowskiego pałacu takich zdjęć wyszło ponad półtora tysiąca. Bywa, że liczba ta sięga kilku tysięcy.

Na całość działań związanych z fotogrametrią możemy spojrzeć jak na proces składający się z kilku etapów. Podstawą jest dobrze przygotowane stanowisko pomiarowe. Jeśli to możliwe, przygotowuje się je w kontrolowanych warunkach oświetleniowych – idealnie w atelier fotograficznym. Takie warunki są charakterystyczne dla fotogrametrii bliskiego zasięgu, czyli zdjęć wykonywanych z niewielkiej odległości. Specjaliści ustawiają lampy studyjne i namioty bezcieniowe. Ważna jest też osnowa fotogrametryczna, czyli rozmieszczenie charakterystycznych punktów i określenie ich współrzędnych.

Małe przedmioty można ustawić na stoliku obrotowym, a większe i cięższe – na kawalecie. Jeśli mamy do czynienia z obiektem, którego nie da się przenieść do atelier (np. rzeźba w parku), zdjęcia robi się na miejscu, a zmiany oświetlenia kontroluje za pomocą wzornika kolorów. W przypadku wysokich obiektów prace nabierają rozmachu. Podczas opracowania Bramy Głównej konieczne było wynajęcie podnośnika.

Fotogrametra ma w swoim instrumentarium aparaty fotograficzne oraz skanery laserowe. Połączenie dwóch technik pomiarowych pozwala na uzyskanie produktów lepszej jakości i o większej rozdzielczości. Obie prowadzą do utworzenia chmury punktów, przy czym fotogrametria potrzebuje do tego zdjęć, a skaner generuje ją od razu. Skaner działa w następujący sposób: wiązka lasera odbija się od powierzchni obiektu i wraca z informacją o współrzędnych danego punktu i odległości od urządzenia. Mierzy nie tylko odległości, ale i kąty, dzięki którym może obliczyć położenie punktu w przestrzeni trójwymiarowej. Wystarczy kilka minut, by z milionów pomiarów skaner wygenerował chmurę punktów.

Następnym krokiem jest przetworzenie zdjęć w specjalnym oprogramowaniu. Najpierw działa człowiek – przegląda i ewentualnie odrzuca gorsze lub nadmiarowe ujęcia. Po nim na scenę wkracza algorytm. Wyszukuje na każdej fotografii punkty charakterystyczne, których odpowiedniki odnajduje na pozostałych. Sprawdza i porównuje każdą możliwą parę zdjęć. Na ich podstawie program najpierw określa ich położenie w przestrzeni, a później odtwarza głębię. Po tych zabiegach finalnie tworzy wspomnianą już gęstą chmurę punktów (dense point cloud). W kolejnym kroku punkty te łączą się w maleńkie trójkąty i wszystkie razem tworzą siatkę (mesh) – wstępny model, który zostanie szczegółowo dopracowany.

Po nałożeniu tekstury na siatkę złożoną z milionów trójkątów otrzymamy model 3D, który dokładnie odwzorowuje kształt oryginalnego przedmiotu – rzeźby, mebla czy budowli. Tekstura bazuje na zdjęciach, dzięki którym model jest fotorealistyczny. Jakość końcowego produktu zależy od poziomu skomplikowania kształtu, połysku, rozdzielczości zdjęć i sposobu ich wykonania.

W przypadku wnętrz czy elewacji można wygenerować nie tylko modele, ale i ortoobrazy (muzeum w Wilanowie stawia na te drugie). Są to zdjęcia oddające rzeczywiste wymiary powierzchni. Sprawdzają się jako podkład do wydzielenia elementów dekoracji architektoniczno-dekoracyjnych, a następnie do wykonywania ich obrysów i tworzenia szczegółowej dokumentacji 2D (rzecz w muzeum bezcenna). Przykładowe ortoobrazy można obejrzeć w geoportalu w zakładce „Elewacje”, „Wnętrza” lub na stronie www.wmuzeach.pl – w kolekcji Muzeum Pałacu Króla Jana III w zakładce „Wnętrza”.

Odrębnymi produktami fotogrametrii są ortofotomapa i tzw. prawdziwa ortofotomapa (z ang. true ortho). Obie są w pełni mierzalnym cyfrowym odwzorowaniem terenu widzianym z lotu ptaka. Różnica między nimi polega na tym, że prawdziwa ortofotomapa nie zawiera cieni padających od budynków, co oznacza brak efektu ich „pochylania się”. W związku z tym nie ma na niej „blind spotów”, czyli powierzchni zakrytej przez efekt kładzenia się budynków. Dobrze widać to na poniższym zdjęciu.

Muzeum Pałacu Króla Jana III w Wilanowie opracowało kilka prawdziwych ortofotomap na podstawie zdjęć wykonanych z drona. Dokumentują one układ przestrzenny terenu w danym momencie i są bazą dla GIS (więcej o GIS przeczytasz w artykule „GIS, geoportal i inne geo-sprawy”).

Jak wspomnieliśmy we wstępie, muzeum czerpie pełnymi garściami z rozwiązań fotogrametrii. Jej produkty mają wiele zastosowań i ułatwiają pracę m.in. konserwatorom sztuki. Przede wszystkim jest to forma dokumentacji zasobów i kolekcji z dokładnością do jednego milimetra lub większą. Po modele 3D i ortoobrazy sięgają muzealnicy różnych specjalności. Badania archeologiczne, analizy konserwatorskie, prace remontowe, rozmieszczenie obiektów na wystawie – to tylko niektóre sytuacje, w których potrzebne są wymiary budynków czy pomieszczeń. 

Równie ważna jest popularyzacja wiedzy w Internecie. Muzeum zamieszcza trójwymiarowe modele w popularnym serwisie Sketchfab, skąd każdy może je pobrać za darmo. Z kolei ortoobrazy są ważnym elementem systemu informacji geograficznej, który obejmuje rozmaite dane o instytucji i prezentuje je w kontekście czasowym i przestrzennym.

Nasze muzeum skorzystało z możliwości techniki fotogrametrycznej ponad dziesięć lat temu, kiedy zleciło opracowanie elewacji pałacu. W pierwszej edycji projektu www.muzeach (2019–2022) pomiary wykonano w wybranych wnętrzach. Obecnie, w ramach projektu www.muzeach 2.0, pomiary wraz ze skanowaniem laserowym objęły 15 pomieszczeń, w tym najwyższą w pałacu Salę Białą, pokoje księżnej Lubomirskiej i skomplikowane klatki schodowe. Równolegle sfotografowano zabytkowe drewniane dekoracje i maszkarony zdobiące niegdyś dach pałacu. Na ich podstawie powstaną realistyczne modele 3D.

Nad całością prac związanych z pomiarami czuwa Marta Jarzyna, specjalistka ds. dokumentacji fotogrametrycznej i GIS, pracowniczka Działu Cyfryzacji i Digitalizacji Muzeum Pałacu Króla Jana III w Wilanowie. Na pytanie, po co muzeom fotogrametria, odpowiada tak: 

„Nowoczesne geodezyjne techniki pomiarowe, takie jak skaning laserowy i fotogrametria, pozwalają utrwalić w wersji cyfrowej to, co nam, wielbicielom sztuki, najbardziej leży na sercu – zabytki. Dzięki tak szczegółowej dokumentacji, czy to w postaci modeli, czy ortoobrazów, możemy zatrzymywać obiekty w czasie. Utrwalamy dla przyszłych pokoleń stan zachowania zabytku tu i teraz, do tego w wysokiej rozdzielczości. Jest to niezwykle ważne szczególnie w obecnych czasach, gdy zmagamy się z katastrofami klimatycznymi i narastającymi konfliktami na świecie.”

Dzięki projektowi www.muzeach 2.0 z efektów tej pracy będą mogli skorzystać nie tylko muzealnicy, ale wszyscy zainteresowani, którzy wejdą na www.wmuzeach.pl. 

Joanna Żabowska

Projekt został dofinansowany z Funduszy Europejskich oraz środków Ministra Kultury i Dziedzictwa Narodowego, i jest realizowany w ramach Programu Fundusze Europejskie na Rozwój Cyfrowy 2021–2027, Działanie 2.3 Cyfrowa dostępność i ponowne wykorzystanie informacji, Poddziałanie 3. Cyfrowe udostępnienie zasobów kultury. Wysokość wkładu Funduszy Europejskich wynosi 22 135 585,49 zł, Ministerstwa Kultury i Dziedzictwa Narodowego – 5 948 023,00 zł, a wkład własny – 7 875 804,12 zł.

#FunduszeEuropejskie #FunduszeUE #NaRozwójCyfrowy