Элементы технологии для создания цифровой 3D-модели города

ScanVan: Новая платформа 3D-оцифровки городов

По мере развития технологий цифрового моделирования появилась возможность создания цифровых версий, иначе говоря, цифровых двойников (digital twin), практически любого объекта: картины, книги, здания, завода и даже целого города со всей его инфраструктурой. Иными словами, цифровой двойник - это виртуальное представление реального объекта, которое дублирует его ключевые характеристики и способно воспроизводить состояния объекта в различных условиях.

Зачем же цифровые двойники нужны городам? Город является сложным объектом, включающим в себя множество служб, начиная с транспорта и безопасности, и заканчивая управлением переработкой отходов. На базе цифрового двойника можно изучать и анализировать жизненные циклы различных объектов, проводить аналитику, ставить виртуальные опыты, прогнозировать поведение объектов, моделировать работу перспективных цифровых сервисов и многое-многое другое.

Если, например, говорить о таком перспективном сервисе, как система беспилотного автотранспорта, сложно представить её создание без проведения безопасных виртуальных испытаний с использованием цифрового двойника реального города. Моделирование города сегодня напрямую связано с обработкой топографических данных и различных данных дистанционного зондирования (в том числе и различных съёмок) при помощи геоинформационных систем, и созданием на их базе цифровой 3D-модели города.

В этой связи одним из важных моментов становится съёмка городских улиц. Одним из самых известных проектов в этой области является Google Street View. Съёмка осуществляется с автомобилей, на крыше которых на высоте примерно 2,5 метров закреплены 15 камер и 3 лазерных сканера. С помощью лазерных сканеров система получает сведения о габаритах фотографируемых объектов, а затем полученная информация используется для построения 3D моделей зданий или объектов.

Используемые для съёмки камеры, разработаны специально для проекта Google Street View. В своей первой версии они имели по 8 CCD-датчиков с разрешением 11 мегапикселей и широкоугольный объектив. В следующей версии камер было 8 CMOS-датчиков и объектив "рыбий глаз" (fisheye). (Использования другого типа объектива потребовалось, чтобы снимать многоэтажные здания). В следующей версии камеры использовалось уже 15 CMOS-датчиков и объектив "рыбий глаз" стал уже не нужен.

Для обеспечения конфиденциальности в процессе обработки отснятых изображений, производится замыливание лиц и автомобильных номерных знаков. Для каждого фрагмента панорамы делается 15 изображений, которые сводятся вместе программным обеспечением Google. С момента завершения поездки автомобиля Google Street View до превращения отснятого им материала в готовую панораму, проходит около 6 месяцев. При этом зачастую для получения корректной картины по одной и той же улице приходится проехать несколько раз.

Помимо Google, цифровой съёмкой улиц для дальнейшего создания цифровых двойников городов занимаются и другие компании и организации. В рамках проекта ScanVan, в котором принимают участие Лаборатория цифровых гуманитарных наук EPFL, Институт системной инженерии HES-SO Valais / Wallis и Центр информационных технологий, общества и права Цюрихского университета, при финансовой поддержке Швейцарского национального фонда NRP 75 Big Data, в рамках проекта ScanVan была разработана новая технология создания цифровых изображений городов.

В основе решения ScanVan лежит гиперболическое зеркало, форма которого математически рассчитана для отражения световых лучей со всех направлений на два датчика с высоким разрешением. В сочетании со специальными алгоритмами эта система создаёт сферические изображения с регулярным шагом, что позволяет получить достаточно материала для создания полноценной 3D-модели. Камера ScanVan делает сферические изображения через равные промежутки времени. Лазерных сканеров в составе камеры нет. Для построения 3D-модели последовательные изображения сравниваются, выявляются многочисленные общие точки, видимые на двух изображениях, а их положение в пространстве рассчитывается путем триангуляции. Сочетание сферической камеры со специальным алгоритмом обеспечивает более высокую эффективность сканирования и фотограмметрических вычислений, в результате чего машине ScanVan достаточно один раз проехать по улице, чтобы получить достаточно информации для создания её подробной трёхмерной модели.

В 2020 году Цюрихский университет присоединился к проекту, с целью изучению аспекта конфиденциальности в свете швейцарского и европейского права. Было решено, что интерфейс системы ScanVan будет разработан таким образом, чтобы этот аспект был встроен в его работу. В результате, в систему ScanVan были встроены автоматизированные алгоритмы для размытия человеческих лиц и номерных знаков автомобилей, что в плане защиты персональных данных уравнивает эту систему с Google Street View.

Пока ScanVan всё ещё находится на стадии прототипа, но имеет вполне определённые перспективы для развёртывания и управления такими услугами, как, например, системы беспилотного городского транспорта. Кроме того, созданная в рамках проекта сферическая камера, может быть использована не только для создания цифровых двойников городов. В принципе, такая камера может иметь практически любой размер, сохраняя при этом свои основные свойства. Вполне возможно, что однажды будет создана сферическая камера размером с помещающийся в руке шарик, которую можно будет вынуть из кармана, чтобы за несколько секунд создать новую или обновить существующую цифровую модель окружающего пространства.