View
29
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Handleiding onderwater opnamen voor 3D fotogrammetrie
Rijksdienst voor het Cultureel Erfgoed
December 2016, Johan Opdebeeck
De meeste tijd die de archeologen momenteel gebruiken bij een onderzoek onder water is voor het
handmatig inmeten en tekenen van een vindplaats. Dit inmeten neemt 60 tot 80% van de
bodemtijd onder water in. Door het verkorten van de tijd die nodig is voor het inmeten, blijft er
meer tijd over voor een goede interpretatie van de gegevens. Daarnaast kan dit de looptijd van
een project verkorten, waardoor de kosten kunnen dalen.
De laatste jaren maakt 3D fotogrammetrie een snelle ontwikkeling door. Met deze techniek worden
met behulp van foto en/of videobeelden nauwkeurige (digitale) driedimensionale modellen
gecreëerd. Computers zijn tegenwoordig krachtig genoeg om de benodigde berekeningen aan te
kunnen. Deze zijn nodig om punten te herkennen en verbinden om tot een 3D model te komen.
Het programma “Agisoft Photoscan” dat oorspronkelijk in de mijnbouw gebruikt werd is een van de
eerste programma’s die daadwerkelijk toepasbaar was. Tegenwoordig zijn er meerdere
programma’s op de markt die dit kunnen zoal “Reality Capture”. Deze programma maken gebruikt
van foto en filmbeelden en bouwen een 3D model van het wrak/site op, waarbij op het einde de
foto’s terug over het model worden gezet. Aan de hand van deze gegevens/modellen kunnen dan
ook een plattegrond en dwarsdoorsneden van de site gemaakt worden.
Deze manier van werken zal in de toekomst het arbeidsintensieve meten en tekenen vervangen. Er
zijn verschillende manier waarop onderwater beelden kunnen opgenomen worden. Professionele
offshore bedrijven en ook Rijkswaterstaat maken gebruik van een “Remote Operated Vehicle”
(ROV). Deze ROV’s heeft men in alle soorten en maten, van grote (dure) apparaten die gebruikt
worden door professionele bedrijven tot kleinere (betaalbare) varianten die nieuw op de markt zijn.
Het voordeel van een ROV is dat men minder rekening hoeft te houden met diepte, temperatuur,
duiktijd en stroming (afhankelijk van het type ROV). Deze factoren spelen bij het “handmatig”
duiken wel een grote factor. Het grote nadeel is de kost van een ROV en de beperkte
beweeglijkheid van het apparaat. Waar een duiker soms de kleinste hoekjes van een wrak kan
inspecteren, moet een ROV op afstand blijven. Dit is belangrijk omdat bij slecht zicht opnamen van
dichter bij het object genomen dienen te worden.
Deze methode werd tijdens het maritiem programma getest op de nauwkeurigheid en de
bruikbaarheid in Nederlandse wateren gedurende de verschillende veldwerken in 2014 , 2015 en
2016. Tijdens en na het veldwerk werden een paar zaken opgemerkt die invloed hebben op het
gebruik en de resultaten van dit systeem. Deze handleiding geeft aan welke zaken belangrijk zijn
om goede data onderwater te verzamelen.
Camera
Het toestel waarmee de opnamen worden uitgevoerd heeft enorme impact op de kwaliteit van de
beelden. Veel duikers werken tegenwoordig met GoPro toestellen aangezien deze prijs/kwaliteit
goede opnamen maken. Maar zelfs een GoPro 4 Black met 4K opnamen is niet te vergelijken met
(semi) professionele toestellen zoals Sony Xd Cams. In deze handleiding wordt echter veel
verwezen naar de GoPro toestellen gezien de enorme populariteit ervan bij de sportduikers.
Foto – Video opnamen
De 3D programma maken gebruik van afbeeldingen om hun model te maken. Er zijn twee
manieren om afbeeldingen te maken:
- Het maken van foto’s
- Video opnamen
Het grote voordeel van foto’s is dat de kwaliteit van de afbeeldingen zeer hoog ligt. Dit heeft ook te
maken dat er veel betaalbare fototoestellen zijn waarbij men de instellingen zelf kan bepalen.
Video apparatuur is veel beperkter in zijn instellingen (zie Go Pro) of men moet naar toestellen van
een hogere prijsklasse gaan. Het grote nadeel is dat deze methode een stuk langzamer werkt
omdat men steeds opnieuw een foto moet trekken. Dit is deels op te vangen door gebruik te
maken van de functie: TimeLapse. Hierbij gaat het toestel series van foto’s maken met een
specifiek aangeduid interval. Door de Time Lapse op 1 seconde te zetten neemt men constant
foto’s die goed bruikbaar zijn voor de fotogrammetrie.
De meeste sportduikers gebruiken echter de videofunctie van hun camera (GoPro). Video opnamen
kunnen ook gebruik worden voor 3D modellen als de video opnamen van voldoende hoge kwaliteit
zijn (zie instellingen). Men kan “stills” nemen van de videobeelden waarbij men de video opknipt
als zijnde één grote foto. Het voordeel is dat men heel veel materiaal heeft (afhankelijk van het
model en de instellingen nemen video’s tussen de 25 en 300 frames oftewel foto’s per seconde).
Het grote nadeel is echter dat de kwaliteit van beelden een pak lager ligt dan gewone foto’s
camera instellingen
Het advies dat wij kunnen geven is: LEES DE HANDLEIDING van het toestel. Het klinkt nogal
belerend en misschien ook grappig, maar de praktijk leert ons dat veel gebruikers geen idee
hebben wat de mogelijkheden en ook nadelen zijn hun toestel. De instellingen van de camera
moeten geschikt zijn voor het water waar men in duikt (donker-licht, zicht, stroming..) om
degelijke data te produceren die men kan gebruiken voor het bouwen van 3D modellen.
Welke functie zijn het belangrijkste? Eigenlijk vooral de sluitertijd (shutter) en het diafragma
(Aperture) van de camera. Afbeelding 1 geeft goed weer welke effecten deze functionaliteiten
hebben op de kwaliteit van de foto’s. Door ervaring leert men wat de goede balans is onder water
tussen sluitertijd (scherpe beelden) en diafragma (licht inval).
Figuur 1: Memo voor camera gebruikers1
Ook voor video opnamen heeft men soortgelijke functionaliteiten. Wat voor video belangrijk is, is
een goed evenwicht vinden tussen de resolutie en het aantal frames dat het toestel maakt (.fps).
Hoe hoger het aantal frames van de video, hoe meer kans dat de afbeeldingen van de opnamen
scherper zullen zijn. Het nadeel is dan wel dat de resolutie omlaag gaat (zie afbeelding 2).
1 http://www.boredpanda.com/photography-shutter-speed-aperture-iso-cheat-sheet-
chart-fotoblog-hamburg-daniel-peters/
Figuur 2: Handleiding GoPro 4 Black
Onze ervaring leert ons dat scherpe beelden belangrijker zijn dat hoge resolutie. Dat wil zeggen
dat de video’s minimaal 50 frames (fps) moeten hebben en liefst meer. Voor de GoPro 4 Back
houdt dit in dat wij van de RCE opnamen maken met de instelling: 2.7k resolutie met 50 frames.
Veel camera’s zoals de GoPro hebben een ook “low light” functionaliteit. Deze functie verzekert
dat het toestel automatisch het aantal frames aanpast in een omgeving met weinig licht zodat
optimale belichting de beste resultaten garandeert. Ook hier is het advies: lees de handleiding. Er
staat ook dat de functionaliteit NIET werkt bij 240 fps en 30 fps (of minder). Dat wil zeggen dat de
low light niet werkt bij 4K opnamen. Vandaar ook het advies om 2.7K te filmen.
Belichting
Belichting is een wezenlijk onderdeel bij het nemen van foto’s. Afhankelijk van het zicht en de
diepte van de site, kan er ook gefilmd worden zonder extra verlichting. Dit omdat verschillende
camera’s een “low light” functionaliteit hebben (zie hierboven). Ervaring leert ons ook dat het beter
is om te filmen met verlichting aangezien de foto’s scherper zijn en ook de kleur van de objecten
natuurlijker (zonder verlichting wordt een onderwaterfilm al snel uniform groen).
Ook hier moet de verlichting aangepast zijn aan de water omstandigheden: als er veel materiaal in
suspensie is (er drijft alle soorten wier en andere delen rond) en de zichtbaarheid laag, is het
onnodig om een 10.000 lumen verlichting boven te halen omdat de zwevende deeltjes het licht
reflecteren en daarmee de foto verpesten. De vorm van verlichting is echter heel belangrijk voor de
kwaliteit van de opnamen voor het gebruik van 3D. De belichting van de video opnamen moeten
heel diffuus zijn. Dit kan men bekomen door gebruik te maken van filter en het gebruik “wide
angle” lampen. “Narrow beam” verlichting (wat het geval is voor de meeste duiklampen) geven een
te geconcentreerde lichtstraal waardoor het beeld overbelicht is in het midden en onderbelicht aan
de zijkanten (zie afbeelding 3).
Figuur 3: Opname van een wrakdeel met dataverlies in de lichtstraal (te licht) en
zijkanten van de foto (te donker)
Zicht onder water
Het zicht speelt een cruciale rol bij deze techniek. Zelfs zeer goede camera’s zullen geen goede
beelden schieten wanneer het zicht minder dan 30 cm is, iets dat regelmatig voorkomt in
Nederlandse wateren. Het is zeer moeilijk om opnamen te maken die geschikt zijn voor het maken
van een 3D model als het zicht minder dan een halve meter is. Indien het zicht slechter wordt,
moet de camera dichter bij het te filmen object gebracht worden om scherpe beelden te schieten.
De moeilijkheid ligt in verbinden van de verschillende foto’s. Bij 3D fotogrammetrie en ook foto
mozaïeken moet er voldoende overlap zijn tussen de verschillende afbeeldingen om een geheel te
vormen. Indien het programma te weinig herkenningspunten vindt, dan is dit niet mogelijk. Een
mogelijke oplossing is het gebruik van zogenoemde “markers” die worden aangebracht op het
oppervlakte van het object en de bodem. Hiermee kan het programma verschillende delen aan
elkaar linken. Het gebruik van deze markers hoeft zich niet alleen te beperken bij slecht zicht, ook
het gebruik bij goed zicht vergemakkelijkt het bouwen van een 3D model.
Figuur 4: Afzonderlijke foto's worden tot 1 geheel gemaakt2
2 http://www.3hconsulting.com/techniques/TechPhotomosaics.html
Hoe te filmen
Men heeft ervaren en goede duikers nodig om mooie foto’s en/of video beelden te leveren. Echter
niet alle ervaren duikers zijn per definitie goede cameramensen. Alhoewel men zich veel van
vaardigheden eigen kan maken door veel te oefenen, hebben topfotografen net dat zintuig meer
dat men “fingerspitzengefühl” kan noemen. Het leveren van voldoende afbeeldingen met afdoende
kwaliteit is ook iets dat enige kunde vereist, maar is wel aan te leren.
Een paar belangrijke aandachtspunten waarop gelet kan worden voor het maken van goede
fotogrammetrie afbeeldingen:
- Houdt de camera in de handen:
veel sportduikers hebben een Go Pro gemonteerd op hun helm. Een duiker moet onder
water steeds tal van dingen in het oog hebben (de omgeving, buddy, gevaren,
klokjes…). Door het gebruik van een duikmasker is het zicht van je ogen beperkt en
moet de duiker het hoofd draaien waar op land de ogen deze functie verrichten. Gevolg
hier van is dat het hoofd veel (onbewuste) snelle en scherpe bewegingen maakt, wat
de scherpte van afbeeldingen op video’s niet te goede komt (Afbeelding 5)
Figuur 5: onscherp beeld door te snelle bewegingen van de camera
- Houdt de handen weg voor de camera:
Ervaren duikers zijn goed uitgebalanceerd, maar toch is het soms eens makkelijk om
de handen te zetten. Afbeeldingen met andere objecten moeten verwerkt worden
omdat deze objecten niet mee genomen kunnen worden in het 3D programma. Dit kost
veel tijd en lijdt soms ook tot verlies van gegevens omdat de camera meestal scherp
stelt op het object dichterbij dan op de achtergrond (zie figuur 6). Een ander
verschijnsel is dat duikers die geen statief hebben de camera soms zo vastnemen dat
een gedeelte van de lens geblokkeerd wordt (een gekend fenomeen is de vinger voor
de lens van de Iphone). Ook dit geeft moeilijkheden bij het maken van een 3D model
en moet dus eerst aangepast worden.
Figuur 6: Camerafocus op de hand ipv het wrak
- Film het object/wrak zonder obstructies
Bij expedities gaan de filmers meestal als eerste in het water. Niet alleen is de
zichtbaarheid dan het beste (niet iedereen heeft even goede buoyancy controle), maar
het aantal duikers dat fotomodel wil spelen onder water is ook beperkter. Duikers in het
zicht zijn zeer funest voor goede bronafbeeldingen om een 3D model te maken. Zoals
handen die in beeld komen, zullen deze “objecten” manueel verwijderd moeten worden
van de afbeeldingen voordat men ze kan verwerken in het programma. Dit leidt
meestal tot dataverlies van gedeelten van het object oppervlakte.
Figuur 7: Duiker en kwal prominent in beeld +hand deels voor de lens
- Film eenzelfde omgeving zonder veranderingen
Veel wrakduikers zijn echte wroeters onder water. Dit is niet alleen slecht voor de
zichtbaarheid, maar de veranderingen in de omgeving maken dat de afbeeldingen niet
gebruikt kunnen worden voor fotogrammetrie. Het verplaatsen van objecten maakt het
onmogelijk voor het programma om het object te plaatsen.
- Houdt eenzelfde afstand aan
Probeer zoveel mogelijk dezelfde afstand tot het object/wrak te houden. Volg het dek of
de lijnen van het wrak indien mogelijk. Veranderingen in afstand zorgt ervoor dat de
camera anders gaat focussen (tast dus de scherpte aan) en minder of meer licht krijgt
(tast kleurprofiel aan) . Dit laatste zorgt zeker bij de GoPro voor veranderingen doordat
er een automatische low light functie is.
Object volledig in beeld brengen
Bij de duikplanning moet rekening gehouden worden met het werk van de cameraman die zal
proberen om gelijkmatig alle delen van de site op te nemen. De duikbuddy van de cameraman en
ook de andere duikers moeten zo min mogelijk in het beeld komen.
Voor een goed 3D model moet het object/wrak eerst schoongemaakt worden van alle rotzooi en
begroeiing. Als men dit van plan is, moet dit gebeuren VOOR de eerste opnamen, NIET TIJDENS!
Om het object/wrak volledig dekkend op te nemen, moet me zich voorstellen dat de cameraman
alles wil verven met een spuitbus. Om alles vlakdekkend te verven moet er niet te snel bewogen
worden en een oppervlakte is goed bedekt als er heen en weer terug over gegaan is. De duiker die
de beelden schiet moet dus een regelmatig patroon zwemmen en mag geen plotselinge
bewegingen maken. Dit laatste houdt in dat er zo rustig mogelijk gezwommen moet worden en zo
min mogelijk afgeweken van het patroon om het wrak op te nemen (d.w.z., niet achter elke grote
vis aan gaan zwemmen). Zorg ervoor dat het volledige oppervlakte van het object/wrak op de
gevoelige plaat ligt met genoeg overlap! (zie afbeelding 8)
Figuur 8: De verschillende hoeken om een wrak in beeld te brengen
Dit vereist niet alleen concentratie van de duiker, maar ook een goede voorbereiding. Een wrak kan
men best opnemen via de lengterichting omdat er dan minder gedraaid moet worden (zie
afbeelding 9).
Figuur 9: voorbeeld van opname patroon op een wrak
Dit is echter geen verplichting, iedere duiker gebruikt het patroon die hem het best ligt en ook het
veiligst is! Welk patroon ook gebruikt wordt, wees consequent en zorg dat men achteraf ook weet
hoe men gezwommen heeft. Als men de data zelf niet verwerkt, is het advies om een snelle schets
van het wrak met de zwemlijnen erop mee te geven.
Gegevensverwerking
Er moet een goede krachtige computer zijn om de beelden te (voor)verwerken. Om het 3D
programma goed te laten lopen, heeft men zowel een krachtige CPU en videokaart nodig en
minimaal 16 gig geheugen. Ook is een zekere expertise en computerkennis nodig om de
verschillende programma’s te gebruiken die nodig zijn voor het maken van bruikbare 3D beelden.
Als gevolg van de wisselende omstandigheden onder water, kan de kwaliteit van de beelden
verschillen. Het bewerken en verwerken van de data tot een goed 3D model kan een
tijdverslindend proces worden, doordat men regelmatig de instellingen constant moeten
veranderen.
Voorverwerking: triage en opschonen van de beelden
Dataverwerking: verwerken van de data al dan niet in chunks
Een goed 3D model geeft een weergave van het object op dat moment. Dit kan gebruikt worden
als een monitoring tool. Het model is een nulmeting van dat moment en verdere degradatie kan
afgeleid worden van deze gegevens. Het model kan ook gebruikt worden voor
onderzoeksdoeleinden: indien er vaste maten gekend zijn van het model kunnen deze worden
ingevoerd in het programma. Dit leidt tot exacte maten voor het gehele object. Om vaste maten te
bekomen kan men een maatstok/staf meenemen en op verscheidene plaatsen bij het object
leggen. Deze komen dan mee op te afbeeldingen en kunnen ook gebruikt worden in het proces als
“marker”. Een andere mogelijkheid is het handmatig meten van een prominent kenmerk dat dan
later in het 3D model kan worden geduid. Het gebruik van 3D fotogrammetrie is niet alleen een
toekomst voor professionele archeologen, maar zijn zeker een wezenlijk onderdeel waar
vrijwilligers en sportduikers een belangrijke rol in kunnen spelen.
Figuur 10: 3D model HMS E53
3 https://sketchfab.com/models/3aa4b1e992af4fe0b0f628aa5296aeed
Recommended