Фотограмметрия: как создавать точные 3D-модели из обычных фото

Для кого эта статья:

• Студенты и специалисты, интересующиеся 3D-моделированием и графическим дизайном
• Профессионалы из областей архитектуры, археологии и геоинформационных систем

• Любители технологий, включая фотограмметрию и создание цифровых моделей

  Фотограмметрия превратилась из узкоспециализированного метода картографии в революционную технологию создания детализированных 3D-моделей. Представьте: вы делаете серию обычных снимков объекта, а специальное ПО трансформирует их в полноценную трехмерную модель с точностью до миллиметра 📏. От археологических артефактов до целых городов, от игровых ассетов до архитектурных проектов — фотограмметрия изменила подход к 3D-моделированию, сделав его доступнее и точнее. Сочетание математической точности с простотой реализации открывает потрясающие возможности для специалистов в самых разных областях.

Погрузитесь в мир профессионального 3D-моделирования с курсом Профессия графический дизайнер от Skypro! На обучении вы освоите не только базовые навыки создания трехмерных моделей, но и передовые техники, включая фотограмметрию. Представьте: уже через несколько месяцев вы сможете создавать фотореалистичные 3D-объекты для дизайн-проектов, архитектуры или игровой индустрии. Инвестируйте в навыки будущего — станьте экспертом в 3D прямо сейчас!

Сущность фотограмметрии в создании объемных моделей

Фотограмметрия — это технология получения точных пространственных данных об объектах на основе фотографических изображений. В контексте 3D моделирования фотограмметрия представляет собой процесс создания объемных цифровых моделей из множества двумерных снимков, сделанных с разных ракурсов. По сути, это математически обоснованный метод реконструкции трехмерного пространства на основе перекрывающихся изображений.

Ключевое отличие фотограмметрии от традиционных методов 3D моделирования заключается в подходе к созданию модели. Если при классическом моделировании специалист вручную выстраивает геометрию с нуля, то фотограмметрия автоматически извлекает геометрические данные из реальных объектов через их фотографии.

Принцип работы фотограмметрии основан на триангуляции — процессе определения координат точек в трехмерном пространстве путем построения воображаемых треугольников от камеры к объекту. Когда одна и та же точка видна на двух или более снимках, сделанных с разных позиций, программа может вычислить её точное расположение в трехмерном пространстве. 🔍

Александр Васильев, специалист по фотограмметрической реконструкции

Однажды я работал над проектом по восстановлению древнего храма в Греции. У нас был ограниченный бюджет и сжатые сроки, что делало традиционную методику 3D-сканирования практически невозможной. Вместо этого я решил применить фотограмметрию.

С обычной зеркальной камерой я сделал около 500 снимков храма со всех возможных ракурсов. Особое внимание уделял перекрытию фотографий — каждый фрагмент должен был появиться минимум на 3-4 снимках. После загрузки фотографий в специальное ПО началась магия: алгоритм проанализировал снимки, определил общие точки и воссоздал трехмерную структуру объекта.

Результат превзошел все ожидания — полученная модель имела погрешность меньше сантиметра! Археологи смогли изучать детали, недоступные при обычном осмотре, а реставраторы получили точный шаблон для восстановления разрушенных элементов. С тех пор фотограмметрия стала моим основным инструментом — она превращает простые фотографии в точнейшие цифровые копии реальности.

Фотограмметрия имеет несколько важных преимуществ перед другими методами 3D моделирования:

• Высокая точность — современные алгоритмы позволяют достичь субмиллиметровой точности при правильной съемке
• Реалистичность — получаемые модели с высокой детализацией и аутентичными текстурами
• Экономичность — требуется минимум оборудования (часто достаточно смартфона с хорошей камерой)
• Сохранение текстур — автоматическое создание карт текстур на основе исходных фотографий
• Скорость получения результата — быстрее ручного моделирования сложных объектов

Существует два основных типа фотограмметрии, используемых в 3D моделировании:

Научные основы преобразования фотографий в 3D объекты

В основе фотограмметрии лежит ряд математических принципов и алгоритмов, которые позволяют реконструировать трехмерные координаты точек по их двумерным проекциям на фотографиях. Этот процесс опирается на несколько фундаментальных концепций:

Стереозрение и параллакс — основа фотограмметрии, заимствованная из биологии. Подобно тому, как человеческий мозг определяет глубину пространства, анализируя различия между изображениями, полученными левым и правым глазом, фотограмметрические алгоритмы используют различия в положении одних и тех же точек на разных снимках для восстановления глубины сцены.

Коллинеарность — принцип, согласно которому точка объекта, центр проекции (положение камеры) и точка изображения лежат на одной прямой. Это позволяет установить математическую связь между координатами точки в трехмерном пространстве и ее проекциями на фотографиях.

Математически процесс реконструкции 3D-модели можно разделить на несколько ключевых этапов:

1. Определение внутренних параметров камеры (калибровка) — фокусное расстояние, искажения объектива и другие характеристики
2. Определение внешних параметров камеры — положение и ориентация камеры для каждого снимка
3. Поиск соответствующих точек на разных снимках (метод SfM — Structure from Motion)
4. Триангуляция — вычисление трехмерных координат точек на основе их проекций
5. Построение плотного облака точек на основе начальной разреженной модели
6. Создание полигональной модели (меша) на основе облака точек
7. Текстурирование — наложение фотографических текстур на полигональную модель

Для автоматического обнаружения одинаковых точек на разных снимках используются особые алгоритмы компьютерного зрения, такие как SIFT (Scale-Invariant Feature Transform) и SURF (Speeded-Up Robust Features). Эти алгоритмы выделяют особые точки изображения, которые сохраняют свои характеристики при изменении масштаба, поворота или освещения. 🔬

Ключевые математические концепции, лежащие в основе современной фотограмметрии:

Точность фотограмметрической реконструкции напрямую зависит от ряда факторов, включая разрешение изображений, качество оптики, число и распределение снимков, а также алгоритмы обработки. При оптимальных условиях современные методы позволяют достичь погрешности менее 1 мм на объект размером 1 метр, что делает фотограмметрию конкурентоспособной по отношению к дорогостоящим лазерным 3D-сканерам.

Поэтапный процесс создания 3D моделей фотограмметрией

Создание 3D-модели методом фотограмметрии — это многоэтапный процесс, требующий внимания к деталям на каждом шаге. Правильное выполнение каждого этапа критически важно для получения качественного результата. Рассмотрим последовательность действий детально:

1. Подготовка объекта и планирование съемки

• Оценка характеристик объекта (размер, форма, текстура, отражающие свойства)
• Подготовка поверхности — удаление или маскирование блестящих и прозрачных элементов
• Для мелких объектов — установка на поворотный стол с маркерами масштаба
• Для крупных объектов — планирование маршрута съемки с учетом оптимального перекрытия кадров

2. Фотосъемка объекта 📸

• Обеспечение равномерного освещения без резких теней
• Выбор оптимальных настроек камеры (минимальное ISO, достаточная глубина резкости)
• Съемка с перекрытием кадров 60-80% (каждая точка объекта должна быть видна минимум на 3 снимках)
• Для мелких объектов — круговая съемка с трех уровней высоты
• Для архитектуры — параллельно-перпендикулярная схема съемки

3. Предварительная обработка изображений

• Отбор качественных снимков, удаление размытых и неудачных
• Коррекция экспозиции и баланса белого для согласованности серии
• Кадрирование при необходимости
• Конвертация в подходящий формат (обычно JPG или TIFF с минимальным сжатием)

4. Загрузка и обработка в специализированном ПО

• Импорт фотографий в программу фотограмметрии
• Выравнивание фотографий (определение положения камер)
• Построение разреженного облака точек
• Генерация плотного облака точек
• Создание полигональной модели (меша)
• Построение текстурной карты
• Оптимизация и исправление дефектов модели

5. Постобработка и финализация модели

• Заполнение пробелов и исправление артефактов
• Децимация (упрощение) модели при необходимости
• Ретопология для оптимизации полигональной сетки
• Дополнительная обработка текстур
• Экспорт в нужный формат (OBJ, FBX, STL и др.)

Марина Северова, 3D-художник игровой студии

Работая над открытым миром для ААА-игры, наша команда столкнулась с необходимостью быстро создать десятки уникальных скал и горных формаций. Ручное моделирование каждого объекта потребовало бы месяцы работы и огромного бюджета.

Решение пришло неожиданно — в выходные я отправилась в горный парк недалеко от офиса. Вооружившись DSLR-камерой, я отсняла серии фотографий наиболее интересных скальных образований, соблюдая все правила фотограмметрической съемки: перекрытие в 70%, постоянные настройки камеры, равномерное освещение.

Вернувшись, я обработала материал в специализированном ПО. Уже через два дня у нас было более 30 высокодетализированных моделей скал с аутентичными текстурами. После оптимизации полигонов и текстур эти ассеты идеально вписались в игровой ландшафт.

Фотограмметрия сэкономила нам несколько месяцев работы и позволила достичь визуального качества, превосходящего ручное моделирование. С тех пор она стала стандартным инструментом в нашем рабочем процессе — от создания природных объектов до моделирования архитектуры и реквизита.

При работе с фотограмметрией нередко возникают характерные проблемы, и важно знать, как их решать:

• Проблема с выравниванием камер — решение: добавить больше перекрывающихся снимков или маркеры
• "Шумные" участки модели — решение: удалить проблемные точки вручную, затем перестроить меш
• Отсутствующие части модели — решение: дополнительная съемка проблемных зон или заполнение пробелов в 3D-редакторе
• Искажение текстур — решение: ручная корректировка развёртки UV или повторная генерация с изменёнными параметрами

Время, затрачиваемое на создание 3D-модели методом фотограмметрии, сильно варьируется в зависимости от сложности объекта и требуемой детализации. Для небольшого объекта весь процесс может занять 2-3 часа, включая съемку и обработку. Для сложных архитектурных сооружений или ландшафтов это может растянуться на несколько дней, однако этот срок всё равно значительно короче, чем при традиционном моделировании с нуля.

Современное оборудование и программное обеспечение

Выбор оборудования для фотограмметрии зависит от масштаба проекта, требуемой точности и бюджета. От базового до профессионального уровня, каждый класс оборудования имеет свои особенности и область применения.

Фотооборудование для фотограмметрии:

• Камеры:
• Начальный уровень: смартфоны с хорошими камерами (iPhone 12+ или аналогичные Android)
• Средний уровень: зеркальные/беззеркальные камеры (Canon EOS, Nikon D, Sony Alpha)
• Профессиональный уровень: полнокадровые камеры с фиксированными объективами высокого разрешения
• Объективы: предпочтительны объективы с фиксированным фокусным расстоянием (50-85 мм) с минимальной дисторсией
• Вспомогательное оборудование:
• Штатив для стабилизации камеры
• Поворотные столы для съемки небольших объектов
• Системы плавного перемещения камеры (слайдеры, стедикамы)
• Дроны для аэрофотограмметрии (DJI Mavic, Phantom или профессиональные модели)
• Калибровочные мишени и маркеры масштаба
• Осветительное оборудование для создания равномерного освещения

Для обработки фотограмметрических данных используется специализированное программное обеспечение, которое варьируется от простых приложений для начинающих до комплексных профессиональных решений. 💻

Помимо специализированных решений, в рабочем процессе фотограмметрии часто используется дополнительное программное обеспечение:

• Программы для предобработки фотографий: Adobe Lightroom, Capture One, DxO PhotoLab
• 3D-редакторы для постобработки моделей: Blender, ZBrush, Maya, 3ds Max
• Программы для ретопологии: Instant Meshes, TopoGun, Wrap3
• Текстурные редакторы: Substance Painter, Mari, Quixel Mixer

Системные требования для фотограмметрического ПО обычно весьма требовательны, особенно для обработки крупных проектов:

• Процессор: многоядерный CPU (оптимально Intel i7/i9, AMD Ryzen 7/9)
• Оперативная память: минимум 32 ГБ, оптимально 64-128 ГБ для крупных проектов
• Видеокарта: NVIDIA с поддержкой CUDA (RTX серии для оптимальной производительности)
• Хранилище: быстрый SSD (NVMe) емкостью от 1 ТБ

За последние годы произошли значительные технологические прорывы в сфере фотограмметрии:

• Облачные решения для фотограмметрии (Autodesk ReCap Photo, Pix4D Cloud), позволяющие обрабатывать данные без мощного локального оборудования
• Интеграция с искусственным интеллектом для автоматического распознавания объектов и улучшения качества реконструкции
• Мобильные приложения для фотограмметрии (Qlone, SCANN3D, Trnio), позволяющие создавать 3D-модели прямо со смартфона
• Гибридные системы, сочетающие фотограмметрию с лидарным сканированием для повышения точности (особенно в новых моделях iPhone Pro и iPad Pro)

При выборе оборудования и программного обеспечения важно соотносить их с масштабом и требованиями конкретного проекта. Для начинающих оптимально начать с бесплатных решений (Meshroom) и базового фотооборудования, постепенно переходя к более профессиональным инструментам по мере накопления опыта и усложнения задач.

Практическое применение фотограмметрии в разных отраслях

Фотограмметрия стала незаменимым инструментом во множестве областей благодаря своей точности, доступности и эффективности. Рассмотрим ключевые сферы применения этой технологии и ее специфику в каждой из них. 🌍

Архитектура и строительство:

• Создание точных 3D-моделей существующих зданий для реконструкции и реставрации
• Мониторинг строительных работ и контроль за деформациями сооружений
• Документирование исторических памятников и культурного наследия
• Создание BIM-моделей (Building Information Modeling) на основе существующих строений
• Расчет объемов земляных работ и планирование строительных площадок

Геоинформационные системы и картография:

• Создание цифровых моделей рельефа (DEM) и местности (DTM)
• Аэрофотограмметрическая съемка для создания точных ортофотопланов
• Мониторинг изменений ландшафта, эрозии почв и движения ледников
• Создание 3D-моделей городов для градостроительного планирования
• Оценка ущерба после стихийных бедствий и планирование восстановительных работ

Археология и культурное наследие:

• Документирование археологических раскопок и находок в трехмерном формате
• Создание цифровых копий артефактов для исследований и экспозиций
• Виртуальная реконструкция разрушенных исторических объектов
• Сохранение информации о культурном наследии, находящемся под угрозой уничтожения
• Создание виртуальных музеев и экспозиций с возможностью детального изучения объектов

Игровая индустрия и визуальные эффекты:

• Создание высокодетализированных 3D-ассетов для игр и фильмов
• Сканирование реальных локаций для создания виртуальных миров
• Оцифровка реквизита, костюмов и декораций
• Создание реалистичных текстур для 3D-моделей
• Интеграция реальных объектов в CGI-сцены для повышения реалистичности

Промышленность и инженерия:

• Обратный инжиниринг — создание 3D-моделей существующих деталей и механизмов
• Контроль качества и сравнение произведенных деталей с исходными чертежами
• Документирование сложных промышленных объектов для технического обслуживания
• Инспекция труднодоступных конструкций (мостов, башен, плотин)
• Создание прототипов на основе фотограмметрических моделей

Медицина и антропология:

• Документирование анатомических особенностей для медицинских исследований
• Планирование хирургических операций на основе 3D-моделей
• Ортопедия — создание индивидуальных протезов и ортезов
• Антропологические исследования и реконструкция облика по останкам
• Создание анатомических атласов и учебных пособий

Примеры успешных проектов с применением фотограмметрии:

• Проект Scan the World — создание 3D-моделей скульптур и произведений искусства из музеев всего мира, доступных для бесплатного скачивания
• Цифровая реконструкция Пальмиры после разрушения ИГИЛ — сохранение культурного наследия с помощью моделей, созданных на основе архивных фотографий
• Использование фотограмметрии в фильме "Бегущий по лезвию 2049" для создания детализированных городских пейзажей
• Проект Cyark — документирование объектов Всемирного наследия ЮНЕСКО в 3D-формате
• Использование фотограмметрии компанией Rockstar Games при создании реалистичного мира игры Red Dead Redemption 2

Фотограмметрия продолжает развиваться, и в ближайшем будущем мы увидим новые способы ее применения. Ключевые тренды в этой области:

• Интеграция с технологиями дополненной и виртуальной реальности для создания иммерсивных пространств
• Объединение фотограмметрии с другими методами сканирования для повышения точности и детализации
• Развитие мобильных решений, позволяющих использовать технологию без специализированного оборудования
• Применение в новых областях, таких как персонализированное производство и розничная торговля
• Демократизация технологии, делающей ее доступной для широкого круга пользователей

Фотограмметрия трансформировалась из узкоспециализированного инструмента в универсальную технологию, меняющую подход к 3D-моделированию. Её сила — в сочетании точности, доступности и скорости. Профессионалам она позволяет сэкономить сотни часов работы, новичкам — создавать поражающие воображение модели без многолетнего обучения. В эпоху, когда цифровые двойники реальных объектов становятся всё ценнее, освоение фотограмметрии — это не просто приобретение нового навыка, а стратегическая инвестиция в профессиональное будущее. Будь то сохранение культурного наследия, создание игровых миров или промышленное применение — фотограмметрия уже сегодня меняет привычные рабочие процессы, открывая новые возможности на стыке реального и виртуального.

Читайте также

• 10 лучших программ для 3D моделирования по фотографиям: обзор
• 5 ключевых ограничений 3D моделирования по фото: как их преодолеть
• Как создать качественные фото для 3D моделирования: мастер-класс
• 10 онлайн-сервисов для создания 3D-моделей из фото в браузере
• Фотореалистичное текстурирование 3D-моделей: техники создания
• 5 бесплатных программ для создания 3D моделей из фотографий
• Создание 3D моделей по фото: от снимка к объемной реальности
• 3D моделирование сложных объектов: фотограмметрия на практике
• Как 3D модели из фото спасают жизни в медицине и науке
• Как создать 3D модель по фото: пошаговое руководство для новичков