Metody antropologie I Mgr. Mikoláš Jurda, Ph.D. Úvod do 3D dat Co je to 3D model DIGITÁLNÍ MODEL Trojrozměrná reprezentace skutečného či uměle vytvořeného tvaru ve formě digitálních dat Věrný - reálný Upravený Smyšlený Co je to 3D model DIGITÁLNÍ MODEL Počítačový soubor, případně více vzájemně propojených souborů Digitální záznam Obsahující informace o tvaru objektu a další Zobrazitelný ve speciálních aplikacích Co je to 3D model DIGITÁLNÍ MODEL Různé množství nesené informace Bodový oblak Nejobecnější formát 3D dat: o soubor bodů definovaných trojrozměrnými souřadnicemi (x, y, z) o body mohou být opatřeny barevnou informací o body mohou být opatřeny normálovým vektorem o může být zobrazen o mohou být měřeny vzdálenosti mezi body o nevymezuje prostor Bodový oblak Body mraku opatřené barevnou informací POLYGONÁLNÍ SÍŤ Je tvořena body, hranami, které je propojují, a jimi vymezenými ploškami (facety, angl. faces): o mnohostěn vymezující prostor o může být zobrazen o mohou být měřeny vzdálenosti mezi body o prvky mohou být opatřeny barevnou informací o model může být propojen se souborem textury o nevymezuje prostor Polygonální model (nalevo v umělém zabarvení, napravo v podobě drátěného modelu) Co je to 3D model Co je to 3D model Stínovaný model opatřený barevnou informací Nestínovaný model bez barevné informace Stínovaný model bez barevné informace Podoba závisí na metodě záznamu, editaci modelu a nastavení zobrazení Malý úvod do 3D modelování BAREVNÁ INFORMACE MODELU Přiřazení barvy přímo jednotlivým prvkům modelu Co je to 3D model? Barevná informace 5 000 vrcholů Barevná informace 30 000 vrcholů Barevná informace 70 000 vrcholů Malý úvod do 3D modelování BAREVNÁ INFORMACE MODELU Barevná textura o samostatný obrazový soubor (např. jpg formát) o kvalitní barevná informace nezávislá na rozlišení modelu o nutnost udržovat více propojených souborů Co je to 3D model? 5 000 vrcholů PŘESNOST DIGITÁLNÍCH MODELŮ Míra shody mezi vzájemnou polohou vrcholů modelu a vzájemnou polohou jim odpovídajících bodů zobrazovaného objektu ROZLIŠENÍ Počet vrcholů modelu na jednotku plochy (nejčastěji in2 nebo cm2) DETAILNOST Velikost rozlišitelných prvků 523 vrcholů/cm2 (70 Mb) 2 vrcholy/cm2 (0,2 Mb) Dáno přesností záznamových metod a následnými úpravami modelu Co je to 3D model? 60 tis. polygonů/30 tis. vrcholů 5 tis. polygonů/2,5 tis. vrcholů Se zvyšujícím se počtem polygonů modelu stoupá velikost souboru a nároky na výpočetní výkon potřebný pro jeho zpracování Rozlišení je vždy kompromisem mezi technickými možnostmi a potřebnou detailností. Co je to 3D model? .ply o Formát nese informaci nejen o geometrii modelu, ale také informaci o barvě vrcholů a polygonů o Může jít jak o mrak bodů, tak o polygonální model o Může být propojen s texturou .obj o Formát nese informaci o geometrii modelu o Může nést informaci o barvě a vlastnostech materiálu o Může být propojen s texturou o V laboratoři nejčastěji užívaný Co je to 3D model? – formáty 3D modelů .stl o Formát pro stereolitografii (3D tisk) - vyžaduje uzavřené modely. o Seznam normál a vrcholů polygonů. Neobsahuje žádnou informaci o barvě. o Dva formáty Ascii a Binary (program při exportu dovolí upřesnit formát). o Ascii se liší ve struktuře souboru (je přehlednější, ale je náročnější na velikost paměti). o Pokud polygonální sítě obsahují díry, některé programy hlásí chybu. Neexistuje jediná metoda, vhodná pro všechny typy objektů a zaznamenávající všechny vlastnosti!!! Snímání 3D dat Vnější tvar a vnitřní struktury Vnější tvar Barevná informace Objemové snímání (CT a MRI) Povrchové skenery a fotogrammetrie Povrchové snímání – skenery a fotogrammetrie Snímání povrchových 3D dat o omezeno na povrch objektů o relativně levné a přenosné (od tisíců do jednotek milionů korun) o zdraví neohrožující o primárním výstupem jsou přímo 3D modely nebo jejich prvky o přesnost a rozlišení jsou dány technickými možnostmi použitých přístrojů - až setiny mm Kontaktní skenery o Efektivní metoda pro záznam prostorové polohy diskrétních bodů a křivek na principu fyzického kontaktu o Přesný záznam malého objemu dat o Použitelné na všechny pevné materiály o Pro snímání živých osob pomalé Snímání povrchových 3D dat Bezkontaktní metody – skenery a fotogrammetrie o Bez fyzického kontaktu s objektem zaznamenávají velké množství informací o tvaru a případně o barvě o Tvoří realistické digitální kopie objektů o Dobře zaznamenávají povrch kostí i vnější povrch těla (některé) o Záznam o rozlišení a přesnosti až desítek mikrometrů Snímání povrchových 3D dat TOF skenery Triangulační skenery Fotogrammetrie Metody snímání povrchových dat TOF a fázové skenery o Měří scénu na základě doby letu laserového paprsku nebo změny jeho fáze o Velmi rychlý záznam větších scén (až 10 000 bodů/s) o Pro kosterní pozůstatky nevhodné – designováno především pro účely mimolaboratorní 3D dokumentace Snímání povrchových 3D dat Metody snímání povrchových dat Triangulační skenery o Prostorovou polohu bodů vypočítávají na základě triangulace polohy vůči dvěma triangulačním bodům o Vhodné pro objekty ve velikostním rozmezí mm až ca 3 metrů o Povrch musí být triangulován – musí být dostupný z obou referenčních bodů Aktivní skenery Snímání povrchových 3D dat o Aktivně promítají světelný vzor a snímají jeho deformaci Pasivní skenery o Triangulují souřadnice ze dvou a více fotografií, pořízených z fixních poloh Aktivní skenery s laserovým paprskem o Promítají zpravidla jednu či více linií o Rozlišení až v řádu setin mm o Záznam zpravidla v řádu jednotek či desítek sekund Snímání povrchových 3D dat Aktivní skenery se strukturovaným světlem o Bílým světlem promítají složitější obrazce o Rozlišení až v řádu desítek mikrometrů (obecně větší než laserové) o Záznam zpravidla v řádu sekund Snímání povrchových 3D dat Snímání povrchových 3D dat Optické, pasivní skenery o Triangulují prostorové souřadnice z dvou a více snímků, pořízených synchronizovanými kamerami o Potřebují rozpoznatelné prvky o Velmi rychlé, designováno především na snímání živého člověka Skenery Vectra Soustavy synchronizovaných fotoaparátů Snímání povrchových 3D dat Přístroje designované pro snímání různě velkých pracovních oblastí Snímání povrchových 3D dat Průběh snímání o Zpravidla není možné nasnímat celý povrch najednou o Pořizuje se více skenů z více stran Ořezání o Odstranění nechtěných částí ZAROVNÁNÍ • Zarovnání dílčích skenů SLOUČENÍ SÍTÍ • Vygenerování nové sítě Snímání povrchových 3D dat Metody snímání povrchových dat Fotogrammetrie Generování 3D dat ze série fotografií pořízených jedním přístrojem, zachycujících digitalizovanou scénu z různých úhlů pohledu Snímání povrchových 3D dat + desítky dalších Software o rozezná stejné prvky na různých fotografiích o na základě vzájemné polohy uspořádá fotografie v prostoru o trianguluje trojrozměrnou podobu zaznamenaného, včetně barevné informace Metody snímání povrchových dat Metody Asymetrie Různí jedinci Snímání povrchových 3D dat Fotogrammetrie o Vysoká míra flexibility o Přesnost srovnatelná se skenery o Pouze na stabilní objekty s povrchovou texturou o Metody zaznamenávající rozložení hmoty ve snímaném objemu – záznam vnitřní struktury, vnější podoby, ale ne barevnosti o Produktem nejsou 3D digitální modely!!! o Relativně velké a finančně náročné o Náročné na umístění, personál... Metody snímání povrchových datSnímání objemových 3D dat Výpočetní tomografie Magnetická rezonance o Záznam s pomocí rtg o Záznam na principu změn spinů elektronů v magnetickém poli Metody snímání povrchových dat Výpočetní tomografie o Měří pracovní pole pomocí rtg paprsků – ionizující a potenciálně nebezpečné o Běžné lékařské přístroje rozlišení od ca 0,35 mm, specializované uCT a nanoCT až do desetin mikrometru o Se zvětšujícím se rozlišením klesá velikost pracovního pole (až na jednotky mm) Kováčová 2016 Jazylka CT, voxel 0,01mm Snímání objemových 3D dat Metody snímání povrchových dat Výpočetní tomografie o Obecně velmi dobrý kontrast pro kosti bez měkkých tkání i kosti kryté měkkými tkáněmi a jinými překážkami (ne kov) o Horší kontrast pro měkké tkáně o Přítomný kov může být zdrojem artefaktů – poškození záznamu Harvig et al. 2012 Snímání objemových 3D dat Výpočetní tomografie Snímání objemových 3D dat Magnetická rezonance o Běžné rozlišení až 1mm, speciální přístroje pak desetiny milimetru o Nejlepší kontrast pro látky obsahující různé podíly vody a tuku – měkké tkáně o Kosti často špatný kontrast Snímání objemových 3D dat Primárními daty jsou souřadnice povrchových bodů a případně barevná informace Primárním výstupem skenerů a fotogrammetrie jsou 3D data ve formě oblaku bodů nebo více či méně hotové polygonální modely Povrchové skenování Objemové snímání Primárním jednotkou záznamu jsou voxely, části objemu rozdělující snímaný prostor do pravidelné trojrozměrné sítě Metoda měří danou charakteristiku v objemu voxelu (dále nedělitelného) Na snímcích jsou voxely zastoupeny pixely a jejich jas vyjadřuje hodnotu dané charakteristiky voxelu Objemová a povrchová data Objemová a povrchová data Biologické objekty mají kontinuální charakter, jsou ale zaznamenány do konečného počtu voxelů Daisy Ridley Objemová data Objemová data se dají zobrazit jako tzv. multiplanární projekce nebo s pomocí metod objemového zobrazení Nejde o polygonální modely Objemová a povrchová data Maximum instensity projection Multiplanární rekonstrukce Objemová data Modely se vytvářejí procesy segmentace a renderování Objemová a povrchová data Segmentace Vymezení oblastí, které zobrazují objekt, jehož model chceme vytvořit – definujeme průběh budoucího modelu v jednotlivých řezech Renderování Vytvoření polygonálního modelu, jehož povrch kopíruje hranice vyznačení na snímcích Spolu s původním rozlišení ovlivňují přesnost a detailnost budoucího modelu!!! Zdroj chyb Vymezení 2D linie v rastrovém snímku – někudy stěna modelu vést musí, ale ve voxelech ostré hranice nejsou Segmentace a renderování Hrubé modely vytvořené skenerem mohou obsahovat řadu nedostatků: o nežádoucí části (skener snímá vše, co je v zorném poli) o nekvalitně nasnímané oblasti o defekty, artefakty skenování Segmentace a renderování MeshLab Open-source program zaměřený na zpracování a editaci polygonálních modelů. Import: PLY, STL, OFF, OBJ, 3DS, COLLADA, PTX, V3D, PTS, APTS, XYZ, GTS, TRI, ASC, X3D, X3DV, VRML, ALN Export: PLY, STL, OFF, OBJ, 3DS, COLLADA, VRML, DXF, GTS, U3D, IDTF, X3D + Velké množství nástrojů pro editaci bodových mraků a polygonálních sítí jako celku. Pracuje s formáty .ply a .obj obsahujícími texturu. Časté sekání a poruchovost ve spojení s některými operačními systémy. Někdy s texturou nepracuje. Omezené možnosti lokálních úprav. Meshlab Blender (aktuálně v2.78a) Open-source program pro modelování a vykreslování počítačové grafiky + Velké množství nástrojů pro celkovou úpravu 3D modelů, editaci textur, vykreslování a široké možnosti animace. Dostupný na velkém množství platforem. Pro nezkušené uživatele až příliš složitý. Vysoká výpočetní náročnost. Meshlab Navigace LMB - otáčení Ctrl + LMB – posouvání ZOOM – přibližování/oddalování Shift + ZOOM – změna FOV (field of view) Ctrl + h – návrat k originální poloze LMB + Ctrl + Shift – ovládání osvětlení Meshlab Import dat File > Import > Import Mesh nebo přetažením z průzkumníka souborů Projekt je jednoduchý textový soubor (přípona .mlp), obsahuje pouze cesty k jednotlivým modelům, případně roto-translační matice, ne už záznamy jejich editace, definované body atp!!! V případě, že změníme cestu k modelům, projekt nenačteme!!!!! Seznam importovaných objektů a nastavení jejich vykreslování. Layer Dialog Obecné požadavky na pojmenovávání modelů: V cestě ani v názvu modelu nepoužívejte mezery a diakritiku C:\modely_cviceni\H123_superior.stl Pokud přejmenujeme vzájemně propojené soubory (např. obj s texturou), musíme změnit i odkazy (cestu) v samotných souborech. Meshlab – rozhraní a import souborů Historie příkazů Editované a neuložené modely jsou v Layer Dialog označeny hvězdičkou Export polygonálních modelů File > Export Mesh... Pokud pozměníme model, případně jej transformujeme, v Layer Dialog je onačen hvězdičkou – to znamená, že model byl změněn, ale ne uložen!!! Změny jsou uloženy pouze pokud uložíme/exportujeme samotný model, ne projekt. Zadáme formát souboru a umístění Označení prvků modelu, které budou součástí modelu Color je barevná informace přiřazená k vrcholům a facetám modelu. Pro uložení s texturou musejí být zaškrtnutá pole TexCoord. Název připojené textury (někdy při změně padá) Meshlab – import a export programů Aplikace MeshLab umožňuje exportovat náhledové okno ve vysokém rozlišení v různých formátech 2D grafiky 1) nastavíme požadovaný náhled 2) otevřeme dialogové okno Save snapshot Cílový adresář Název souboru Nastavení rozlišení výsledného snímku v násobcích rozlišení obrazovky Meshlab – export náhledů Redukce rozlišení může být provedena na začátku editace, pokud rozlišení modelu klade přílišné nároky na výpočetní výkon a čas. Zároveň by se mělo ponechat co největší, aby bylo zachováno co největší množství informace pro editační kroky. MeshLab – Redukce počtu polygonů bez přepočtu textury (Filters > Remeshing, Simplification and Reconstruction > Quadric Edge Collapse Decimation...) Optimal position of simplified vertices – výsledný model bude obsahovat pouze vrcholy, které tvořily původní objekt. Nebudou generovány nové pozice vrcholů na základě algoritmu. Specifikujeme počet polygonů výsledného modelu nebo procento redukce Preserve Normal, Preserve Topology, Preserve Boundary – volby zabraňující větším změnám v geometrii modelu. Zůstane zachováno směrování polygonů, nebudou redukovány výčnělky modelu nebo zaplňovány díry. Redukce neprobíhá rovnoměrně po celém povrchu objektu. Nejdříve jsou zjednodušeny oblasti s vyšší hustotou polygonů!!! Meshlab – redukce modelů MeshLab – Redukce počtu polygonů modelů s texturou (Filters > Remeshing, Simplification and Reconstruction > Quadric Edge Collapse Decimation (with texture)) Meshlab – redukce modelů Odstranění nežádoucích částí funguje podobně jako mazání v programech pro editaci fotografií. V prvním kroku jsou výběrovými nástroji označeny části modelu a ve druhém jsou vymazány. 1) K označení polygonů a vrcholů pro jakoukoliv editaci slouží nástroje: „Select vertexes“ a „Select Faces in Rectangular region“ Označení prvků rámečkem. „Z-Painting“ Označení štětcem, od ruky. 2) Vybrané části modelu odstraníme nástrojem pro smazání polygonů a vrcholů Na některých počítačích tyto nástroje nefungují správně – počítač se zasekává. Meshlab – odstranění nežádoucích částí modelu Každý model je umístěn na konkrétním místě vzhledem ke svému souřadnicovému systému (dáno hodnotou souřadnic bodů) Při nastavování zobrazení se pohybuje kamerou, resp. modelem včetně jeho souřadnicového systému – pozice modelu se nemění MeshLab – Manipulators Tools • T, R, S – zvolíme požadovanou transformaci • transformujeme při stisknutém LMB • transformaci potvrdíme Enter Tranformací je na objekt aplikována tzv. roto-transformační matice Matice je součást projektu. Při načtení je objekt podle ní orientován, ale samotné souřadnice jeho vrcholů zůstávají nezměněny!!! Změna musí být na objekt aplikována (LMB na název objektu v Layer Dialog > Freeze Current Matrix) Meshlab – odstranění nežádoucích částí modelu Measuring tool Kliknutím LMB na model definujeme dva body definující vzdálenost Během měření se s modelem nedá otáčet Nástroj zobrazí hodnotu jejich přímé vzdálenosti Data se nikam neexportují a při opětovném použití původní hodnota zmizí Meshlab – měření vzdálenosti Digitální modely nemusejí mít reálné rozměry (např. modely z fotogrammetrie)  pokud mají být využity pro měření, musejí obsahovat měřítko (přip. známý rozměr), podle kterého můžeme transformovat jejich velikost Nastavení měřítka 1) za pomoci nástroje Measuring Tool změříme známý rozměr na modelu koeficient změny velikosti = skutečná vzdálenost naměřená vzdálenost Skutečná vzdálenost – 17 mm Naměřená vzdálenost – 16,02 mm Poměr = 1,06 Meshlab – kalibrace Landmark Freeware - http://www.idav.ucdavis.edu/research/EvoMorph) Aplikace pro analýzu, interpretaci a vizualizaci morfometrických dat. Export tvaru a polohy bodů, křivek nebo definovaných ploch (XYZ souřadnice) na importovaných 3D modelech a export jejich prostorových souřadnic. Prvky jsou označeny jako tzv. primitives Vstupním formátem je ply Program pracuje s tzv. projekty. Nativními soubory programu (.land), do kterých jsou importovány trojrozměrné modely (.ply) nebo soubory obsahující souřadnice bodů (NTS - .dat, .pts) a jejichž součástí jsou i všechny výstupy. Všechna data jsou inkorporována v souboru projektu – máme jediný soubor! Importovaná data mohou být zobrazena v jednom ze dvou náhledových oken (RMB na daný soubor ve stromu > Load into...). Importovaná data jsou vypsána ve stromu projektu Landmark Landmark RMB na data ve stromu projektu > Export Body i vzdálenosti se exportují pouze v podobě souřadnic bodů Landmark Landmark – export dat Prostřednictvím vlastností vzdáleností (Edit primitives) můžeme model kalibrovat. 1. definujeme vzdálenost 2. V edit primitives definujeme skutečnou vzdálenost v poli „actual measured distance“ Modely ze specializovaných skenerů jsou většinou kalibrované – odpovídají reálným jednotkám. Z fotogrammetrie ale ne a také v průběhu editace může dojít k chybě. V dialogovém okně Primitive type musí být nastaveno Dimensions Landmark – škálování