Fotogrammetriasovellusten ja -ohjelmien veretailu virtuaalitodellisuuskäytössä

Abstract

Opinnäytetyön tavoitteena on vertailla fotogrammetriaohjelmia. Vertailussa keskityttiin siihen, millaisia kolmiulotteisia malleja ohjelmilla saadaan aikaan sekä sitä, kuinka hyvin mallit soveltuvat virtuaalitodellisuuskäyttöön.

Fotogrammetria on tekniikka, jossa valokuvia yhdistelemällä ja analysoimalla luodaan kolmiulotteinen malli. Mallinnuksen onnistumiseen vaikuttavat kuvien laatu, kohteen ominaisuudet ja ympäristö. Kuvioidusta pinnasta otetuista kuvista ohjelmien on helpointa havaita yhdistettäviä yksityiskohtia, ja se on siksi suositeltavin vaihtoehto. Kiiltävät ja läpinäkyvät materiaalit näyttävät helposti erilaisilta eri suunnista otetuissa kuvissa, mikä saattaa vääristää mallinnustulosta.

Virtuaalitodellisuuskäyttö asettaa malleille omia vaatimuksia. Mallien tiedostokoko on rajallinen, sillä mallit eivät saa olla liian raskaita laitteille, joilla niitä katsotaan. Toisaalta riittää, että mallit vastaavat ulkonäöltään suhteellisen hyvin todellista eikä pienistä virheistä niiden mitoissa tai muodossa ole yleensä haittaa.

Työssä käytettävät ohjelmat olivat Polycam, Meshroom ja Substance 3D Sampler. Jokaisella ohjelmalla tehtiin mallit neljästä esineestä sekä portaikosta ja kalustetusta tilasta. Kaikilla ohjelmilla saatiin aikaan malleja, joita teknisesti on mahdollista hyödyntää virtuaalitodellisuuskäytössä. Tulokset vastasivat odotuksia siinä, että mattapintaisista ja kuvioiduista esineistä saatiin enemmän todellisuutta vastaavia malleja kuin tasavärisistä ja kuvioiduista. Mallit, joihin kuvat otettiin hyvässä valaistuksessa ja valkoisella pohjalla, olivat myös parempia kuin hämärässä tai värillisellä alustalla kuvatut.

Käytetyistä ohjelmista Polycamilla saatiin parhaita tuloksia. Erityisen hyvin se pärjäsi yksittäisten esineiden mallien kanssa. Yksi Meshroom-ohjelman vahvuuksia on sen avoin lähdekoodi ja maksuttomuus. Sillä oli mahdollista saada melko hyvin todellisuutta vastaavia malleja, ja siksi se on varteenotettava vaihtoehto erityisesti silloin, kun halutaan säästää kuluissa tai tehdyt mallit eivät ole sovelluksessa pääosassa. Substance 3D Sampler -ohjelmalla oli myös mahdollista saada aikaan suhteellisen hyviä malleja, mutta se ei kuitenkaan pärjännyt vertailussa kahdelle muulle ohjelmalle.

Opinnäytetyön toimeksiantaja on Centria-ammattikorkeakoulun HealthLab-koulutus- ja kehitysympäristö, ja se liittyy RoboPop-hankkeeseen, joka on Euroopan Unionin osarahoittama.

The aim of the thesis is to compare photogrammetry programs. The main focus is on the quality of the three-dimensional models created with the programs and how well they are suitable for being used in virtual reality projects.

Photogrammetry is a technique used to create three-dimensional models by combining and analyzing photographs. The success of this process depends strongly on the quality of the photographs and the properties of the object that is modeled. For the programs it is easiest to find details to combine if the surface has texture or pattern. Transparent or shiny materials may look different in the pictures taken from different angles which may distort the final result.

Virtual reality use also has its own requirements for models. The file size of the models should not be very large because they must not be too heavy for the devices used viewing them. On the other hand, it is enough that the appearance of the model broadly matches reality as small errors in its dimensions usually do not cause any problems.

The programs used in this thesis were Polycam, Meshroom and Substance 3D Sampler. Models of four objects, as well as a staircase and a furnished room, were created with each program. Every program was able to create models that technically could be used in virtual reality. The results were as expected, with objects that had matte and patterned surfaces producing more realistic models than those with shiny and solid-colored surfaces. Pictures taken with good lighting and on a white background also created better models than the ones taken with dim light or on a colored surface.

Polycam gave the best results of the programs used. It did especially well with the individual items. Meshroom’s main strength is that it is an open-source program and free to use. It can make models that correspond relatively well with reality and for that reason it is a usable option, especially if the aim is to keep the costs low or if the photogrammetry models are not the main focus. It was also possible to get quite good models with Substance 3D Sampler, but their quality was worse than those made with the other two programs.

The commissioner of the thesis is HealthLab center for development at Centria University of Applied Sciences and it is a part of RoboPop project which is partially funded by European Union.