Фотограмметрия в Meshroom: создание 3D-моделей из фотографий

Для кого эта статья:

• Люди, интересующиеся 3D-моделированием и фотограмметрией
• Студенты и профессионалы в области графического дизайна и архитектуры

• Энтузиасты, стремящиеся освоить новые технологии для создания цифрового контента

  Трансформация обычных фотографий в детализированные 3D-модели больше не является прерогативой крупных студий с дорогостоящим оборудованием. AliceVision Meshroom — мощный инструмент фотограмметрии с открытым исходным кодом, который ставит профессиональные возможности 3D-моделирования на ваш рабочий стол. От архитектурного наследия до создания игровых ассетов — потенциал этого программного обеспечения ограничен лишь вашим воображением. В этом руководстве я раскрою каждый шаг процесса: от подготовки фотографий до экспорта готовой 3D-модели, которой вы сможете гордиться. 🚀

Хотите превратить навыки работы с 3D-инструментами в востребованную профессию? Профессия графический дизайнер от Skypro — это комплексная программа, где вы не только освоите фотограмметрию и 3D-моделирование, но и научитесь интегрировать созданные модели в коммерческие проекты. Наши выпускники создают визуальные материалы для брендов, архитектурных бюро и геймдев-студий. Инвестируйте в навыки, которые трансформируют реальность в цифровые активы!

Что такое AliceVision Meshroom и принципы фотограмметрии

AliceVision Meshroom — это программное обеспечение с открытым исходным кодом, разработанное для воссоздания трехмерных моделей из набора двумерных изображений. В его основе лежит фреймворк AliceVision, который обеспечивает фотограмметрический конвейер для автоматического 3D-реконструирования объектов.

Фотограмметрия — это технология, позволяющая получать точные измерения и 3D-реконструкции объектов из фотографий. Процесс основан на анализе общих точек на разных снимках и триангуляции их положения в трехмерном пространстве. Meshroom автоматизирует этот процесс, создавая рабочий поток из нескольких взаимосвязанных узлов, каждый из которых выполняет определенный этап обработки.

Александр Петров, технический директор студии 3D-сканирования

Когда к нам обратился музей археологии с просьбой создать цифровой архив древних артефактов, мы столкнулись с серьезной проблемой. Бюджет проекта был ограничен, а многие экспонаты были слишком хрупкими для традиционного 3D-сканирования. Решение пришло в виде AliceVision Meshroom.

Мы разработали мобильную фотостудию с контролируемым освещением и создали протокол съемки для музейных сотрудников. Каждый артефакт фотографировали с 40-60 ракурсов, после чего изображения обрабатывались в Meshroom. Результаты превзошли ожидания заказчика: модели сохранили текстуру и детализацию до уровня микроскопических царапин, а весь процесс оказался неинвазивным и экономически эффективным.

Самым впечатляющим моментом стала реконструкция разбитой керамической вазы V века до н.э. Используя фотограмметрию отдельных фрагментов, мы не только создали цифровую копию существующих частей, но и помогли археологам виртуально восстановить утраченные элементы. Это открыло новую главу в методологии реставрации и исследования археологических находок.

Основные принципы работы Meshroom включают:

• Feature Extraction (извлечение характеристик) — выявление отличительных точек на каждой фотографии
• Feature Matching (сопоставление характеристик) — поиск соответствий между точками на разных изображениях
• Structure from Motion (структура из движения) — определение 3D-положения камер и точек
• Depth Map Estimation (оценка карты глубины) — вычисление глубины для каждого пикселя
• Meshing (построение сетки) — создание полигональной сетки из облака точек
• Texturing (текстурирование) — наложение фотографических текстур на 3D-модель

Преимуществом Meshroom перед другими решениями является его открытость и модульная структура, позволяющая настраивать каждый этап обработки. Это делает программу идеальным выбором как для начинающих энтузиастов, так и для профессионалов, требующих максимального контроля над процессом реконструкции. 🔍

Подготовка и импорт фотографий в AliceVision Meshroom

Качество фотографий — фундамент успешной 3D-реконструкции в Meshroom. Перед запуском программы критически важно собрать набор снимков, соответствующих определенным требованиям.

Мария Соколова, преподаватель 3D-моделирования

На одном из моих мастер-классов по фотограмметрии студент пытался создать модель старинной шкатулки с резьбой. Несмотря на большое количество фотографий, результат получился размытым и неточным. Проанализировав его съемку, я обнаружила классические ошибки новичков: недостаточное перекрытие кадров, нестабильное освещение и блики на глянцевой поверхности.

Мы организовали повторную съемку прямо в аудитории: создали импровизированную фотостудию с равномерным мягким освещением, использовали поворотную платформу для объекта и штатив для камеры. Особое внимание уделили процессу съемки: каждый новый кадр перекрывал предыдущий примерно на 70%, а для сложных участков с глубокой резьбой сделали дополнительные снимки с близкого расстояния.

При импорте в Meshroom мы тщательно отбраковали нечеткие снимки, а затем запустили обработку. Разница была поразительной — новая модель точно воспроизводила все детали резьбы, сохраняла текстуру древесины и даже мельчайшие потертости, появившиеся за десятилетия использования шкатулки. Этот опыт стал наглядной демонстрацией того, насколько критична правильная подготовка исходных материалов в фотограмметрии.

Основные принципы подготовки фотографий:

• Перекрытие кадров: каждая значимая точка объекта должна присутствовать как минимум на 3 фотографиях (оптимально на 5-8)
• Угол съемки: изменение позиции камеры между соседними кадрами не должно превышать 15°
• Освещение: равномерное, без резких теней и бликов
• Резкость: все фотографии должны быть четкими, с хорошей глубиной резкости
• Экспозиция: стабильная между кадрами, без переэкспонированных или недоэкспонированных участков
• Формат: предпочтительны RAW или высококачественные JPG без компрессии

Для достижения оптимальных результатов рекомендуется:

• Использовать фиксированное фокусное расстояние (без зума)
• Отключить автофокус после первоначальной настройки
• Снимать в ручном режиме с постоянными настройками
• Избегать съемки блестящих, прозрачных или однотонных объектов
• Обеспечить 60-80% перекрытие между соседними кадрами

После импорта фотографий Meshroom автоматически создает узел CameraInit, который содержит информацию о камере и исходных изображениях. Важно проверить правильность определения параметров камеры: фокусное расстояние, размер сенсора и другие характеристики. Если EXIF-данные неполные или некорректные, параметры можно скорректировать вручную. 📸

Настройка параметров обработки для качественных результатов

Успех реконструкции в Meshroom во многом зависит от корректной настройки параметров обработки. Программа предлагает гибкий графовый интерфейс, где каждый узел представляет определенный этап в процессе создания 3D-модели. Правильная конфигурация этих узлов критически важна для получения высококачественного результата.

Первостепенное значение имеют настройки узлов Feature Extraction и Feature Matching. Эти модули отвечают за определение ключевых точек на изображениях и установление соответствия между ними на разных фотографиях. От качества этой работы зависит точность позиционирования камер в пространстве.

• Feature Extraction (FeatureExtraction)
• describer: определяет тип дескриптора (SIFT, AKAZE, etc.)
• describer-preset: влияет на плотность ключевых точек (Normal, High, Ultra)

• minImageSize: минимальный размер изображения для обработки

• Feature Matching (FeatureMatching)
• photometricMatchingMethod: метод сопоставления (ANN, CASCADEHASHING, BRUTEFORCE)
• geometricEstimator: алгоритм геометрического сопоставления (ACRANSAC, LORANSAC)
• geometricFilterType: тип фильтра (FUNDAMENTALMATRIX, ESSENTIALMATRIX, HOMOGRAPHY)

Для структурного восстановления (StructureFromMotion) важны следующие параметры:

• minInputTrackLength: минимальная длина трека точек (влияет на надежность триангуляции)
• lockScenePreviouslyReconstructed: фиксация ранее восстановленной сцены (полезно при добавлении новых фотографий)
• minNumberOfObservationsForTriangulation: минимальное количество наблюдений для включения точки в модель

При настройке Meshing и Texturing обратите внимание на:

• Meshing
• estimateSpaceFromSfM: автоматическая оценка объема на основе SfM
• maxInputPoints: максимальное количество входных точек (влияет на детализацию и скорость)

• minStep: минимальный шаг вокселизации (меньшие значения дают более детализированную сетку)

• Texturing
• textureSide: размер текстуры (в пикселях)
• downscale: коэффициент уменьшения исходных изображений при текстурировании
• unwrapMethod: метод развертки UV (Basic, LSCM, ABF)

Для различных типов объектов рекомендуются разные предустановки параметров:

Важно помнить, что оптимальные настройки зависят не только от типа объекта, но и от качества и количества исходных изображений. Рекомендуется начинать с предустановленного графа "Photogrammetry" и постепенно адаптировать параметры под конкретную задачу. Для сложных проектов может потребоваться экспериментирование с несколькими вариантами настроек. 🔧

Построение и оптимизация 3D-модели в Meshroom

После настройки параметров начинается самый ресурсоемкий, но увлекательный этап — построение 3D-модели. Запуск полного конвейера обработки выполняется нажатием кнопки "Start" в верхней панели. Meshroom последовательно выполнит все узлы графа, начиная с извлечения особенностей и заканчивая текстурированием.

Время обработки зависит от количества изображений, их разрешения и выбранных параметров. Для проекта из 50-100 фотографий с разрешением 12-24 Мп на современном компьютере с GPU NVIDIA процесс может занять от 1 до 6 часов. Во время обработки можно отслеживать прогресс каждого узла и просматривать промежуточные результаты.

Ключевые этапы построения 3D-модели и их оптимизация:

• Structure from Motion (SfM) — восстановление положения камер и разреженного облака точек
• Проверка: после завершения этого этапа открыть вкладку 3D Viewer и убедиться, что большинство камер правильно позиционированы в пространстве

• Оптимизация: если некоторые камеры не зарегистрированы, можно добавить связующие фотографии или изменить параметры в узлах FeatureMatching и StructureFromMotion

• Depth Map Computation — создание карт глубины для каждой фотографии
• Проверка: в 3D-просмотрщике отображаются карты глубины (в цветовой кодировке)

• Оптимизация: при наличии шума или "дыр" увеличьте параметр nbGPUs для распределения нагрузки или скорректируйте sgmGammaC и sgmWSH

• Meshing — построение полигональной сетки из карт глубины
• Проверка: просмотр созданной 3D-модели на предмет артефактов, отверстий или неправильной геометрии

• Оптимизация: для более детальной модели уменьшите параметр minStep; для уменьшения шума увеличьте minStep

• Mesh Filtering — устранение шума и артефактов сетки
• Проверка: сравнение отфильтрованной модели с исходной

• Оптимизация: регулировка параметров keepLargestMeshOnly и smoothingIterations

• Texturing — наложение фотографических текстур на полигональную модель
• Проверка: визуальная оценка качества текстур, отсутствия швов и искажений
• Оптимизация: увеличение параметра textureSide или изменение unwrapMethod

При работе с большими и сложными проектами рекомендуется использовать пошаговый подход, запуская и проверяя каждый этап по отдельности. Это позволяет выявить проблемы на ранних стадиях и сэкономить время на повторной обработке.

Для оптимизации уже созданной модели существует несколько эффективных стратегий:

• Ретопология сетки — если модель имеет слишком большое количество полигонов, можно добавить узел MeshDecimate для уменьшения полигонажа с сохранением геометрических деталей
• Улучшение текстур — добавление узла TextureMerge позволяет объединить несколько текстурных карт в одну и устранить видимые швы
• Заполнение отверстий — для моделей с небольшими отверстиями можно использовать инструмент MeshRepairing, который анализирует и автоматически закрывает пробелы в сетке
• Оптимизация UV-развертки — изменение параметра unwrapMethod в узле Texturing может значительно повлиять на качество текстурирования сложных геометрических форм

Визуальный анализ результатов на каждом этапе — ключевой фактор успеха. Meshroom предоставляет возможность просматривать не только финальную модель, но и промежуточные результаты каждого узла, что позволяет своевременно выявлять проблемы и корректировать параметры обработки. 🛠️

Экспорт и дальнейшее использование готовой 3D-модели

После успешного создания и оптимизации 3D-модели наступает финальный этап — экспорт результатов для дальнейшего использования. AliceVision Meshroom предлагает несколько форматов экспорта, каждый из которых имеет свои особенности и область применения.

Основные форматы экспорта в Meshroom:

• OBJ (.obj) — универсальный формат, поддерживаемый большинством 3D-редакторов, включает геометрию и текстуры
• PLY (.ply) — формат для хранения данных, полученных с 3D-сканеров, сохраняет цвета вершин
• Alembic (.abc) — формат для обмена данными между различными приложениями компьютерной графики
• glTF (.glb, .gltf) — современный формат для эффективной передачи 3D-содержимого, оптимизированный для веб-приложений

Для экспорта готовой модели выполните следующие шаги:

1. Убедитесь, что узел Texturing успешно завершил работу (статус "SUCCESS")
2. Откройте папку проекта MeshroomCache и найдите папку Texturing
3. Внутри папки с последним выполненным текстурированием находятся файлы модели в различных форматах
4. Скопируйте необходимые файлы в целевую директорию

Для более гибкого контроля над экспортом можно добавить к графу узлы MeshDecimate и Publish. Узел Publish позволяет указать конкретные форматы и параметры экспорта, а также целевую директорию для выходных файлов.

После экспорта 3D-модель может быть использована в различных областях:

Для многих приложений требуется дополнительная постобработка экспортированной модели:

• Ретопология — создание новой, более оптимизированной полигональной структуры с сохранением формы оригинала
• Запекание текстур — перенос деталей с высокополигональной модели на низкополигональную через карты нормалей и другие типы текстур
• Риггинг — создание скелетной системы для анимации модели
• Интеграция в сцену — добавление модели в виртуальное окружение с настройкой масштаба и освещения

Важно учитывать, что модели из Meshroom часто имеют высокий полигонаж и могут требовать оптимизации для конкретных задач. Программы типа Blender, ZBrush или Instant Meshes предоставляют инструменты для ретопологии и оптимизации моделей.

При работе с большими архитектурными или ландшафтными моделями эффективна стратегия сегментации: разделение модели на логические части (например, фасад, интерьер, окружение) для более удобного управления и оптимизации каждого сегмента по отдельности.

Meshroom также позволяет экспортировать промежуточные результаты процесса фотограмметрии, такие как облако точек (после SfM) или карты глубины, которые могут быть полезны для специализированных приложений в геоинформационных системах или анализе поверхностей. 🌐

Освоение AliceVision Meshroom открывает безграничные возможности для превращения обычных фотографий в полноценные 3D-модели. От правильной подготовки фотоматериалов до тонкой настройки параметров обработки — каждый шаг важен для получения качественного результата. Независимо от того, создаете ли вы контент для виртуальной реальности, готовите модели для 3D-печати или документируете культурное наследие, мастерство в фотограмметрии становится неоценимым навыком в арсенале современного цифрового творца. Помните, что даже самые впечатляющие проекты начинаются с понимания фундаментальных принципов и методичного подхода к рабочему процессу.

Читайте также

• 3DF Zephyr: создание 3D-моделей из фото для профессионалов
• Ограничения фотограмметрии в 3D-моделировании: точные методы
• Оборудование для фотограмметрии: от простого к профессиональному
• Фотограмметрия: как превратить снимки в точные 3D-модели и измерения
• Отличия версий 3DF Zephyr: как выбрать подходящую для проекта
• Фотограмметрия: как создать точную 3D-модель из обычных фото
• Установка Meshroom для новичков: пошаговое руководство по фотограмметрии
• Фотограмметрия: как создавать 3D-модели из фотографий с точностью до миллиметра
• От Дагерротипа до нейросетей: эволюция фотограмметрии в деталях
• Фотограмметрия: от планирования съемки до создания 3D-модели