Øystein Aarlott Digre Praktisk bruk av 3D-teknologi

Øystein Aarlott Digre

Praktisk bruk av 3D-teknologi

Fig. 1: Punkteringsapparat for overføring av koordinater fra modell til stein. Pointing machine (pantograph) for transferring coordinates from model to stone.

Når steinhuggerne hugger skulptur og ornament brukes ofte et kopi-instrument, som vi kaller punkteringsapparat. Punkteringsapparatet er et verktøy for å overføre koordinater fra en modell til steinen skulpturen skal hugges i. Det består av 3 eller flere faste punkter og en justerbar nål som kan beveges i 3 dimensjoner og låses til et valgt punkt på overflaten av modellen. Når nålen er låst til et valgt punkt på overflaten, flyttes instrumentet over til fastpunktene på steinblokken, og det hugges bort stein til nålens koordinat er funnet. (Fig. 1)

Avhengig av detaljgrad og størrelse overføres hundretalls punkter. Disse punktene skaper en 3-dimensjonal overflate som steinhuggeren bruker til å hugge linjer, buer og overflater mellom. Moderne 3D-teknologi kan nærmest beskrives som en evolusjon av denne gamle teknikken for å finne koordinater.

Det finnes flere forskjellige teknologier for å skape 3D-modeller. I hovedsak er de enten laget av tiden det tar for lys eller lyd og reflektere tilbake til senderen eller ved hjelp av måleteknikken fotogrammetri. Ved NDR bruker vi laserskanning og fotogrammetri. Laserskanning er kort forklart lys som sendes ut og treffer en overflate, og tiden det tar før lyset reflekteres tilbake til senderen bestemmer avstanden til det lyset treffer. En vanlig laserskanner sender flere hundre tusen lyspunkt i sekundet. (Fig. 2)

Fotogrammetri utføres ved å ta overlappende bilder av for eksempel en gjenstand, en bygning eller et område. Ved hjelp av programvare måles så pikslenes plassering og overlapping til hverandre, noe som igjen skaper en 3-dimensjonal modell. (Fig. 3) Når vi har en sky av koordinater – en punktsky – kan programvaren legge til linjer mellom punktene som danner et nett av trekanter – en mesh. (Fig. 4)

Fig. 2: Nidarosdomen er nesten ferdig skannet. Punktskyen fra skanningen består av 500 milliarder koordinater. Nidaros Cathedral is almost fully scanned. The point cloud from the scan consists of 500 billion coordinates.

Fig. 3: Fotogrammetri av en fasade på Nidarosdomen. Blå markeringer viser kameraets posisjoner. Programvaren benytter avanserte algoritmer for å lage 3D-modeller av bilder. Photogrammetry of a facade at Nidaros Cathedral. Blue markings show the camera’s locations. The software utilizes advanced algorithms to create 3D models of images.

Fig. 4: Punktene fra laserskanningen har fått linjer mellom seg og danner et nett av trekanter. Trekantene lukkes og blir til en overflate. The points from the laser scan are joined with straight lines which forms a network of triangles. The network of triangles turns into a closed surface.

Fig. 5: Flatene fylles med tekstur hentet fra fotografiene. The surfaces are filled with texture taken from the photographs.

Fig. 6: Horisontalsnitt av Nidarosdomens østre del tatt fra punktskyen. Horizontal sections of the eastern part of Nidaros Cathedral taken from the point cloud.

Fig. 7: Overflate på en stein som ved to ulike anledninger er skannet. Skannene er sammenstilt for å undersøke utviklingen av forvitring i overflaten. The surface of a stone which is scanned at different periods. The scans are assembled to investigate the development of weathering in the surface.

Trekantene kan bli definert som en flate som kan fylles med farger eller en kollasj av bildene som er tatt for å lage modellen (teksturert modell). (Fig. 5)

Bruksområder for punktskyer og 3D-modeller er mange. NDR har laserskann av nesten hele Nidarosdomen, som består av 500 milliarder koordinater tett i tett på hele katedralens overflate, både ute og inne. Den bruker vi til å ta ut snitt hvor som helst på bygningen. Snittene er for eksempel gode underlag for å lage plantegninger. (Fig. 6) I punktskyen kan mål og vinkler tas fra et punkt til et annet. Dette gjøres for å for eksempel beregne tykkelse på vegger og retningsvinkler ved behov for boring av hull fra et rom til et annet eller for planlegging av komplekse stillaser. Ved å lage en lukket overflate på modellen (mesh) kan vi også beregne volumet av en konstruksjon.

Punktskyer kan også brukes for å avdekke bevegelse og setninger i en bygning eller se pågående forvitring i overflaten på en stein. Dette gjøres ved å sammenligne skann som er utført på to eller flere ulike tidspunkt. (Fig. 7)

Nidarosdomen har rikelig med skulptur og ornamenter, og dokumentasjon av disse utføres tradisjonelt ved å ta en avstøpning i gips. Mange objekter er forvitret på grunn av dårlig steinkvalitet, og objekter fra middelalder ønsker vi ingen

Fig. 9: Prinsippskisse av prosjektet Metadata Mesh. Principle sketch of the project Metadata Mesh.

mekanisk tilnærming på. I disse tilfellene er det enkelt og effektivt å dokumentere med fotogrammetri. Vanligvis brukes et godt kamera, men av og til er forholdene så trange og vanskelig tilgjengelige at bilder tas med telefonkameraer. (Fig. 8)

Fotogrammetrien er fleksibel. Avhengig av kameraets oppløsning og objektiv kan man fotografere fra den avstanden til objektet som gir det optimale detaljnivået for det man ønsker å dokumentere. Muligheten for en godt teksturert modell er også en fordel for fremvisning på nett. NDR har en bruker (Nidaros Cathedral Restoration Work- shop) på sketchfab.com med noen tilgjengelige modeller.

I et prosjekt kalt «Metadata Mesh» ser vi på muligheten for å lage en nettside hvor modeller kan lastes opp og markeringer utføres i form av frihåndstegning på modellen tilpasset mobile enheter. (Fig. 9) Dette vil være et nyttig verktøy for å markere skader og forvitring, og for å dokumentere alt fra steinhuggermerker og inskripsjoner til å lage 3-dimensjonale tilstandsvurderinger, tiltaksplaner og presentasjoner. I dette prosjektet ønsker vi også at koordinatene til markeringene skal knyttes sammen med vår egenutviklede database for all dokumentasjon og registrering på Nidarosdomen. Med andre ord et 3-dimensjonalt kartleggingssystem.

Informasjonen som håndverkere og forskere knytter til koordinater på bygningen har et spennende formidlingspotensial. Teknologien AR (utvidet virkelighet) gjør det mulig å knytte data til steder og objekter. Eksempelvis kan det lages løsninger hvor vi gjennom mobilskjermen og etterhvert briller, kan se og oppleve en skulptur fortelle om seg selv eller til og med forvandles til et levende vesen.

Vi holder oss oppdatert på utviklingen i dette feltet, og Nidarosdomen er et yndet objekt for teknologiselskapene.

Fig. 8: 3D-modell av en skulptur fra katedralens vestfront. Bildene som er grunnlaget for denne fotogrammetrien er tatt med et mobiltelefonkamera. 3D model of a sculpture from the Cathedral’s western facade. The basic images for this photogrammetry are taken with a mobile phone camera.