Jak powstają modele 3D zabytków

Modele 3D wyjątkowych zabytków ze zbiorów Narodowego Muzeum Morskiego w Gdańsku oraz zalegających na dnie Morza Bałtyckiego wraków cieszą się ogromnym zainteresowaniem publiczności na całym świecie, o czym świadczy duża liczba odwiedzin Wirtualnego Skansenu Wraków Zatoki Gdańskiej i naszego profilu na platformie Sketchfab. Za ich powstawanie odpowiedzialni są specjaliści z naszego Działu Digitalizacji, którzy korzystają z szeregu nowoczesnych i innowacyjnych metod skanowania.

Głównymi zadaniami powołanego w 2016 roku Dział Digitalizacji są rozwój technik i procedur digitalizacji 2D i 3D oraz sukcesywne zwiększanie liczby udostępnionych w internecie eksponatów należących do NMM. Trzyosobowym działem kieruje dr Tomasz Bednarz który zajmuje się także tworzeniem modeli 3D zabytków ze zbiorów NMM oraz obiektów podwodnych. Monika Kuchniewska odpowiada za organizację procesu digitalizacji, a Karol Treder tworzy modele 3D wraz z teksturami, wykonuje prace graficzne związane z drukiem 3D, obsługuje drukarkę 3D, a także realizuje prace podwodne w ramach projektów.

Pracownicy dobierają technikę skanowania w zależności od wymiarów i właściwości fizycznych – takich jak kolor czy faktura – konkretnego zabytku. Sprzęt, w który wyposażona jest nasza pracownia digitalizacji, pozwala na wykorzystanie trzech metod.

Pierwszą z nich jest fotogrametria, którą stosuje się do obiektów wielkogabarytowych (budynków, pojazdów, łodzi), jak i małych (naczyń, medali, pierścieni). Podstawą do stworzenia modelu fotogrametrycznego są odpowiednio wykonane zdjęcia, pokrywające cały obiekt. Przedmiot jest fotografowany ze wszystkich stron tak, aby każde zdjęcie pokrywało się z następnym co najmniej w połowie (tzw. zdjęcia na zakładkę). W zależności od skomplikowania bryły danego obiektu, robi się od kilkudziesięciu do kilkuset fotografii. Następnym krokiem jest zaimportowanie zdjęć do programu, który wszystkie fotografie ze sobą łączy i tworzy przestrzenny zarys eksponatu w postaci chmury punktów. Kolejno buduje się siatkę trójkątów, która jest gotową bryłą modelu stworzoną z milionów trójkątów połączonych ze sobą wierzchołkami. Na następnym etapie powstawania modelu można nałożyć teksturę na bryłę, czyli stworzyć w pełni kolorowy model oddający rzeczywisty wygląd obiektu. Największą zaletą tej metody jest uzyskanie modelu z bardzo dobrym odwzorowaniem rzeczywistej kolorystyki zabytku oraz stosunkowo niskie koszty sprzętu potrzebnego do wykonania modelu w porównaniu ze skanerami optycznymi. Jednak modele fotogrametryczne mają gorsze odwzorowanie geometrii skanowanego obiektu w porównaniu ze skanerami optycznymi.

Drugą techniką jest skanowanie za pomocą ręcznego skanera optycznego Artec Eva, wykorzystującego technologię światła białego. Tę metodę wykorzystuje się do przedmiotów średniej wielkości (od pół do kilku metrów), np. walizek, beczek czy łodzi. Skaner w jednej sekundzie robi szesnaście zdjęć, natychmiast łącząc je w obiekt przestrzenny. Wyniki skanowania widoczne są na ekranie komputera w czasie rzeczywistym, co jest dużą zaletą w porównaniu z fotogrametrią. W dalszym etapie obróbki ręcznie dopasowuje się pojedyncze skany, a następnie wykonuje się „globalną rejestrację”, czyli szczegółowe spasowanie obiektów. Jeśli skany są poprawnie spasowane, łączy się je w jeden model. Ostatnim krokiem tworzenia modelu jest nałożenie tekstury.

Trzecią metodą jest skanowanie za pomocą optycznego skanera stacjonarnego Smarttech 3D Micron24. Pole robocze tego skanera wynosi 20 x 18 cm, więc używany jest do małych przedmiotów, takich jak biżuteria, stemple lub medale. Skanowany obiekt umieszczany jest na obrotowym stole połączonym ze skanerem. W programie wybiera się parametry skanowania: jasność przedmiotu, teksturę, itp. Określa się również o ile stopni stół ma się obracać, a skaner sczytywać geometrię zabytku wraz z teksturą. Liczba pojedynczych skanów jest zależna od złożoności konkretnego eksponatu – im geometria jest bardziej skomplikowana, tym więcej potrzeba pojedynczych skanów. Z poszczególnych skanów usuwane są zbędne elementy, takie jak szumy lub luźne grupy punktów. Następnie wykonywane jest ich ręczne i automatyczne dopasowanie. Końcowym etapem jest wygenerowanie siatki trójkątów z nowo powstałej zespolonej grupy punktów i nałożenie na powstały model kolorowej tekstury, oddającej rzeczywistą kolorystykę obiektu. Smarttech 3D Micron24 działa na podobnej zasadzie jak skaner Artec Eva, ale jego dokładność pomiaru jest znacznie większa i wynosi nawet 1000 pkt/mm². To pozwala na cyfrową dokumentację zmian, takich jak odkształcenia, które zachodzą w strukturach skanowanego zabytku.

Modele 3D zabytków Narodowego Muzeum Morskiego, a także wraków drewnianych jednostek pływających, spoczywających w wodach Zatoki Gdańskiej na głębokości od 3 do 25 metrów oraz wraku polskiego niszczyciela ORP „Wicher”, można oglądać za pośrednictwem Wirtualnego Skansenu Wraków Zatoki Gdańskiej oraz na platformie Sketchfab.

Tekst: dr Tomasz Bednarz, Karol Treder