4.3. Thực nghiệm ứng dụng quét laser 3D mặt đối với tuyến phố cổ
4.3.3. Phương án đặt máyquét và thi công thu thập số liệu
Q trình thu thập số liệu cần xác định chính xác hệ thống tọa độ chung cho
cả dự án. Việc này rất quan trọng trong việc nắn ghép và cập nhật chính xác vị trí nếu cần cập nhật dữ liệu, khu vực mới. Ngoài ra việc này giúp cho việc tính tốn hồn cơng chính xác sau nhiều lần cập nhật khác nhau [17].
Hình 4.16. Đánh dấu điểm tiêu trực tiếp trên thiết bị để nắn ghép
Q trình này cần sự chính xác của máy tồn đạc. Các vị trí mốc dẫn tới vị trí máy quét đo bằng máy tồn đạc cần có độ sai số thấp. u cầu 1 lần cập nhật cần có tối thiểu 4 điểm đặt máy có tọa độ chi tiết.
S1 S2 S3 S4
Hình 4.17. Tên trạm máy sử dụng
Việc đo bằng máy quét cũng dựa vào phương pháp đo toàn đạc, sử dụng phương pháp đo Backside và ForeSide
Hình 4.18. Vị trí đặt tiêu so với vị trí máy quét Chọn tiêu quét quét Chọn tiêu quét
- Theo mặc định, có thể chỉ cần 3 điểm trên 2 trạm là có thể nắn chỉnh được, tuy nhiên để chính xác cao, chúng ta cần thêm 2 điểm phụ nữa trên trạm qt vì vậy cần ít nhất 5 tiêu qt để q trình ghép hồn chỉnh.
117
-Khi cần tạo thêm điểm phụ chúng ta sử dụng phương pháp chọn thủ công các điểm trùng giữa 2 trạm quét.
- Sau đó trước khi sang trạm tiếp theo cần Export và import các tọa độ của các tiêu để dùng cho trạm tiếp.
Đo trạm tiếp theo
Di chuyển máy sang trạm S2, lúc này S2 sẽ làm điểm Station, S1 làm điểm BackSight. Và sẽ có một điểm mới S3 làm điểm ForeSight
Hình 4.19. Cách thức di chuyển trạm máy quét
- Đầu tiên tạo một New Station để có thể đo trạm tiếp theo, nhập độ cao máy và Station ID là S2.
- Tiến hành chụp ảnh cho trạm này.
- Với 2 trạm đo một sẽ có 1 phần Registration để liên kết 2 trạm với nhau, ví dụ để đo lưới đường truyền kín gồm 8 điểm đặt máy thì cần 8 cái Registration nhưng đo lưới gồm 8 điểm khơng kín thì chỉ cần 7 cái Registration
Hình 4.20. Sơ đồ vị trí đặt trạm máy trên tuyến phố 4.3.4. Kiểm tra đánh giá độ chính xác và sai số nắn ghép phố 4.3.4. Kiểm tra đánh giá độ chính xác và sai số nắn ghép
Đối với đối tượng dạng tuyến, lựa chọn máy quét phù hợp là ưu tiên hàng đầu. Quét dạng tuyến sử dụng phương pháp Traverse để thực hiện.
Thơng số thiết bị phù hợp cho độ chính xác cao:
Bảng 4.1. Thơng số thiết bị qt laser 3D mặt đất – Faro Focus S350
Danh mục
Loại
Phạm vi hoạt động
Độ chính xác của phép đo đơn lẻ Độ chính xác khi đo góc
Cảm biến cân bằng Mật độ quét
Một điểm hết sức quan trọng đó là việc độ chính xác ± 5mm chỉ có thể đạt được với một điều kiện tiên quyết đó là khoảng cách quét giữa các trạm quét liên tục chỉ nằm trong giới hạn từ 10m đến 15m và chỉ như vậy mới có thể đảm bảo được yêu cầu đặt ra. Tuy nhiên việc rút ngắn khoảng cách quét giữa các trạm liên tiếp cũng đồng nghĩa với việc số lượng các trạm quét tăng lên và thời gian thu thập số liệu sẽ kéo dài hơn.
Để hỗ trợ việc kiểm tra ngẫu nhiên và đảm bảo độ chính xác số liệu quét laser 3D thu được từ máy quét, tác giả sẽ sử dụng máy toàn đạc điện tử để kiểm tra, đánh giá độ chính xác. Đồng thời cũng sẽ sử dụng phần mềm chuyên dụng có khả năng kiểm sốt sai số của từng trạm qt trong q trình nắn ghép.
Hình 4.21. Sai số dữ liệu quét theo tuyến 4.3.5. Trích xuất sản phẩm 3D thực nghiệm tuyến 4.3.5. Trích xuất sản phẩm 3D thực nghiệm
Sản phẩm sau khi xử lý số liệu đa dạng, tùy thuộc vào yêu cầu. Một số sản phẩm trong quá trình thử nghiệm:
- Cơ sở dữ liệu đám mây điểm 3D thể hiện chi tiết toàn bộ khu vực khảo sát đã qua xử lý nhiễu và nắn ghép các trạm quét rời rạc;
Hình 4.22. Mơ hình đám mây điểm của tuyến phố Tạ Hiện
- Mơ hình 3D đám mây điểm có gắn ảnh (màu hóa) thể hiện chi tiết hiện trạng cơng trình trong tuyến.
Hình 4.23. Mơ hình đám mây điểm (đã gán màu thực) của tuyến phố Đinh Liệt
- Mơ hình 3D từ ảnh tồn cảnh 360 độ chia sẻ qua Internet phục vụ báo cáo trực tiếp hoặc đo đạc đơn giản khi có u cầu.
Hình 4.24. Ảnh 3600 của tuyến phố Tạ Hiện
120 - Các bản vẽ CAD 2D và 3D tuyến phố.
Hình 4.25. Bản vẽ cấu trúc trên phần mềm Auto Cad của tuyến phố thực nghiệm
- Các báo cáo đánh giá tình trạng hiện thời của các đối tượng trong khu vực khảo sát.
Hình 4.26. Báo cáo trực quan của tuyến phố thực nghiệm Tạ Hiện
4.4. Thực nghiệm quét laser 3D mặt đất đối với đối tượng di sản văn hóa
Thực tế những năm qua cho chúng ta thấy rõ những mối đe doạ tiềm tàng và ngày càng nguy hiểm hơn mà tồn bộ các cơng trình di sản phải đương đầu. Không chỉ chịu sự đe doạ của tự nhiên, các cơng trình di sản đó cịn phải chống chọi với sự bào mòn theo thời gian và những tác động trực tiếp trong hoạt động thường ngày của con người. Có thể liệt kê ra đây những ví dụ điển hình như:
Lũ lụt: Các cơng trình di sản chịu tác động lớn của các trận lụt hàng năm, đặc biệt là những trận lụt lịch sử gần đây do tác động của các hiện tượng thời tiết bất thường. Có thể nói đây là mối đe doạ lớn nhất mà rất nhiều các cơng trình di sản văn hóa phải chịu hàng năm;
Bào mòn và xuống cấp: Dưới tác động của tự nhiên và con người, tất cả những gì tồn tại trên mặt đất đều chịu sự bào mịn và xuống cấp, các đơ thị cổ cũng
không phải là trường hợp ngoại lệ. Theo thời gian chúng ta đang nhận thấy ngày càng rõ hơn sự thay đổi, biến dạng của các cơng trình.
Tác động của con người: rất nhiều các cơng trình dù đặc thù là Di sản UNESCO có con người sinh sống trực tiếp, điều này cũng mang lại những thuận lợi to lớn cho Di sản, tuy nhiên nó cũng mang lại khơng ít nguy cơ đe doạ như cháy nổ, nhu cầu sửa chữa cải tạo để phù hợp với nhu cầu của cuộc sống mới hiện đại hơn …
Bên cạnh đó, chúng ta cũng chưa có những cơng cụ quản lý hạ tầng một cách hữu hiệu, các mơ hình đánh giá tác động trực quan, các phương án giải lập để đối phó với đe doạ của tự nhiên một cách hữu hiệu, các cơng cụ xây dựng hình ảnh và quảng bá thương hiệu. Thực tiễn cho thấy các cơng trình khảo cổ là những cơng trình mang tính văn hóa, lịch sử cao,...
Việc bảo tồn và số hóa các cơng trình này có vai trị rất quan trọng. Để có được số liệu chi tiết phục vụ cho việc lập cơ sở dữ liệu bảo tồn dưới dạng số thì cơng nghệ thu thập số liệu bề mặt bằng quét laser 3D mặt đất có nhiều lợi thế, thời điểm hiện tại chưa có phương án kỹ thuật và thiết bị nào có thể thay thế.
Trong phạm vi thực nghiệm, trên cơ sở quy trình cơng nghệ nêu trên tác giả tiến hành thực nghiệm thu thập các đối tượng di sản văn hóa, cụ thể là Chùa Bửu Long, thành phố Hồ Chí Minh và một số bảo vật trong chùa.
Hình 4.27. Sơ đồ thực nghiệm khu vực di tích chùa Bửu Long
Về cơ bản quy trình cũng tương tư như quét tuyến phố hay hang động, tuy nhiên cần lưu ý các điểm sau:
122
4.4.1. Khảo sát thực địa và phương án thi công
Qua khảo sát hiện trạng và quét thử nghiệm số liệu tại Chùa Bửu Long, tác giả nhận thấy buộc phải sử dụng tới thang nâng (hoặc UAV) nhằm đảm bảo phủ trùm số liệu cũng như độ chính xác theo u cầu.
Có thể lấy một ví dụ điển hình để thấy rõ việc cần thiết phải sử dụng tới thang nâng và tăng số trạm quét. Tường xây của chùa rất dày, theo đó hèm cửa sổ cũng đặc biệt sâu và có kết cấu khá phức tạp, nếu chỉ sử dụng các trạm quét mặt đất, chắc chắn sẽ không thể làm nổi bật và đầy đủ hết các góc cạnh của các cửa sổ của Chùa. Tương tự như vậy là hệ thống mái vòm và các họa tiết bên trong Chùa, gác chuông và nhiều hợp phần cấu thành khác được đặt trên cao. Việc sử dụng thang nâng sẽ được tính tốn ở độ cao hợp lý để có thể vừa đảm bảo được chi tiết của cơng trình, độ chính xác đồng thời vẫn đảm bảo được an tồn cũng như thời gian triển khai.
Với chiều cao lên tới hơn 60m, việc sử dụng máy quét có khoảng cách trên 300 mét hồn tồn có thể phủ trùm đối tượng, tuy nhiên làm giảm mức độ chi tiết.
4.4.2. Quá trình thu thập dữ liệu chi tiết bảo vật tại các di sản văn hóa
Sử dụng kết hợp một số kỹ thuật cơng nghệ xây dựng mơ hình 3D đối tượng cao cấp nhất hiện nay như kỹ thuật quét laser 3D, kỹ thuật dựng mơ hình 3D sử dụng phần mềm đồ họa cao cấp, kỹ thuật hình ảnh độ phân giải cao, kỹ thuật trích xuất thơng tin kích thước từ các mơ hình 3D…để tái hiện được một cách chính xác, đầy đủ và hoàn chỉnh nhất của các bảo vật.
Đối với các bảo vật, giải pháp này đặc biệt phù hợp để áp dụng trong việc khơi phục, phục dựng lại chính xác mơ hình của các bảo vật. Theo đó các trạm quét laser 3D sẽ được thực hiện cả bên trong và bên ngồi của các đối tượng, đồng thời phải tìmđược phương án kết nối kết quả quét bên ngồi và bên trong để từ đó trích xuất được chính xác các chi tiết kỹ thuật cấu thành, kích thước chính xác nhất của bất kỳ hợp phần nào gắn liền với đối tượng và chỉ khi đó các báo cáo kỹ thuật mới được thể hiện một cách đầy đủ, chính xác và thuyết phục dựa trên kỹ thuật đo cao cấp với hàng trăm triệu điểm đo.
Tuy nhiên kỹ thuật quét laser 3D mới chỉ giải quyết được triệt để phần hình khối kích thước khơng gian của bảo vật chứ chưa thể hiện được vẻ đẹp theo thời gian của vật liệu đồng chế tác lên các bộ bảo vật này cũng như những chi tiết chạm khắc tinh xảo trên đó. Để giải quyết phần hình ảnh nghệ thuật, tác giả sẽ sử dụng máy ảnh độ phân giải cao tích hợp sẵn trong bộ phận quang học của máy quét laser 3D để thu nhận các bức ảnh tham chiếu không gian chuẩn dựa trên mơ hình hình học 3D do máy quét laser tái dựng được, bước tiếp theo sẽ sử dụng máy ảnh DSLR chuyên nghiệp để chụp chi tiết cả chi tiết và hoa văn sau đó tích hợp cả hai nguồn ảnh này với mơ hình 3D do máy qt laser cung cấp để đưa ra mơ hình 3D cuối cùng thể hiện chân thực nhất tất cả các bảo vật.
Tất cả quy trình xử lý hình khối tốn học đối tượng, gắn kết hình ảnh với mơ hình tốn học, tính tốn trích xuất thơng tin kỹ thuật về sau…được tiến hành thông qua việc sử dụng các phần mềm đặc biệt được thiết kế riêng cho lĩnh vực ứng dụng mang tính đặc thù cao này. Thực tiễn triển khai cho tác giả thấy rõ rằng không thể sử dụng một phần mềm đơn thuần là sẽ giải quyết được các bài toán phức tạp đã nêu ở trên, bắt buộc phải sử dụng một tập hợp các phần mềm chuyên dụng để có được kết quả cuối cùng như mong muốn. Các phần mềm điển hình gồm FARO SCENE, GEXCEL JRC Recontructor, LFM Pointcloud Management, AutoDesk 3D…
Qua khảo sát thực tế các bảo vật, để q trình triển khai diễn ra an tồn, thuận lợi và đảm bảo đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật phức tạp đã đề ra, tác giả cũng đề xuất một số điểm như dưới đây:
- Làm vệ sinh sạch sẽ tất cả các bảo vật. Tạm thời dỡ bỏ hàng rào bảo vệ, các hợp phần gây ảnh hưởng tới quá trình triển khai thu thập số liệu thực địa cũng như chất lượng số liệu thu và hoàn trả sau khi kết thúc nhiệm vụ;
- Sử dụng phương tiện nâng trong quá trình triển khai thu thập số liệu;
- Dưới sự giám sát chặt chẽ của các cán bộ kỹ thuật Trung tâm Bảo tồn Di tích và trụ trì chùa, đảm bảo an ninh và an toàn tuyệt đối cho các hiện vật quý trong tồn bộ q trình triển khai.
124
Theo quy trình kỹ thuật đã kiểm chứng trong giai đoạn thử nghiệm dựng mơ hình 3D hiện vật, bắt buộc phải thực hiện tích hợp các phương pháp kỹ thuật khác nhau nhằm tạo ra mơ hình 3D cuối cùng đảm bảo những tiêu chí cơ bản dưới đây:
- Mơ hình 3D cuối cùng là mơ hình thể hiện đúng chính xác chi tiết, màu sắc, hình dạng của các hiện vật dưới định dạng 3D;
- Mô hình đám mây điểm 3D (Point Cloud) của các hiện vật có khả năng đo đạc xác định các thơng số khi có u cầu với độ chính xác nằm trong giới hạn milimet;
- Có khả năng tích hợp mơ hình 3D đám mây điểm với mơ hình 3D hình ảnh hiển thị để tạo ra mơ hình nghệ thuật tối ưu phục vụ cho đa mục đích ứng dụng.
Hình 4.28. Mơ hình Phật Bà Quan Âm nghìn mắt nghìn tay – chùa Bút Tháp 4.4.3. Kiểm tra dữ liệu các trạm máy tại thực địa Tháp 4.4.3. Kiểm tra dữ liệu các trạm máy tại thực địa
Kỹ thuật quét laser 3D chịu ảnh hưởng lớn của các đối tượng chuyển động khi thiết bị đang làm việc. Vì vậy sẽ phải tiến hành hạn chế tạm thời các đối tượng di chuyển tới gần khu vực hoạt động của máy quét, đây là nhiệm vụ hết sức quan trọng có ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng số liệu thu được cũng như tính thẩm mỹ của các dạng số liệu liên quan khác như ảnh chụp toàn cảnh.
Số lượng khách tham quan đến các cơng trình di tích hàng ngày thường rất đơng, đây cũng sẽ là vấn đề khá phức tạp trong quá trình triển khai theo đó chúng ta sẽ cần có kế hoạch và phương án cụ thể trong quá trình triển khai để hạn chế tối đa ảnh hưởng của khách tham quan du lịch tới chất lượng số liệu quét laser 3D.
Một số hợp phần cấu thành của các cơng trình sẽ khơng dễ dàng cho kỹ thuật quét laser 3D, đặc biệt phải kể đến như các kết cấu được xây dựng bằng kính (trong suốt hoặc màu), các bức tượng và phù điêu chi tiết... theo đó số liệu quét thu được từ tất cả các loại máy qt laser 3D cạnh dài (khơng riêng gì với máy qt FARO FOCUS3D S350) khó thể hiện một cách chi tiết các cấu trúc này. Tác giả sẽ sử dụng kết hợp với kỹ thuật chụp đo vẽ ảnh để bổ sung số liệu cho các đối tượng đặc biệt này để có thể làm nổi bật những đối tượng và hợp phần mang tính nghệ thuật.
Các mơ hình 3D mang tính mỹ thuật cao có thể được sử dụng cho nhiều mục đích ứng dụng sau này, tuy nhiên đây chỉ là đề xuất mang tính chủ động từ phía tác giả đưa ra và cần sự cho phép cũng như các điều kiện triển khai trong thực tiễn để có thể đưa ra các mẫu thử nghiệm và kiểm tra chất lượng.
4.4.4. Trích xuất sản phẩm 3D thực nghiệmCơ sở dữ liệu 3D: Cơ sở dữ liệu 3D:
Có thể coi đây là cơ sở dữ liệu bảo tồn di sản dưới dạng số hoàn chỉnh, là nền tảng để tạo ra các sản phẩm dẫn xuất, sản phẩm ứng dụng đa dạng.