Odtwarzanie budynków ze zdjęć

Częstym problemem, z jakim borykają się modelarze tworzący modele rzeczywistych budynków i budowli kolejowych jest brak dokumentacji, na podstawie której można opracować plany modeli. W przypadku wielu historycznych budynków jedynym istniejącym materiałem, umożliwiającym odtworzenie ich planów, są różnego rodzaju zdjęcia lub skany przedwojennych widokówek. Dlatego w niniejszym artykule opisuję stosowaną przeze mnie metodę obróbki takich zdjęć, umożliwiającą stosunkowo precyzyjne odtworzenie proporcji i wymiarów sfotografowanych budowli.

Bezpośrednie odczytanie wymiarów i proporcji budynku z jego fotografii jest z reguły bardzo trudne, gdyż przeważająca ilość zdjęć jest robiona z tzw. perspektywy. Przyczyną stosowania takich ujęć bywa brak możliwości odpowiedniego ustawienia aparatu, jednak najczęściej wynika ona faktu, że zdjęcia robione z perspektywy wyglądają po prostu ładniej… Konsekwencją tego są znaczne skróty i zniekształcenia perspektywiczne widoczne na zdjęciach.
Na szczęście w dobie cyfrowej obróbki zdjęć istnieje możliwość „wyprostowania” perspektywy takich zdjęć i odtworzenie poszczególnych rzutów sfotografowanego budynku. Do tego celu wystarczy nam zestaw kilku programów, w większości darmowych, z których najważniejszy jest Hugin – program przeznaczony do tworzenia panoram, jednak jedna z jego opcji znakomicie nadaje się do naszych modelarskich zastosowań.

Dobór zdjęć

Przed rozpoczęciem pracy należy zebrać kolekcję zdjęć, przedstawiających budynek ze wszystkich stron. Z jednego zdjęcia można odtworzyć teoretycznie nawet dwa rzuty budynku, jednak najlepsze rezultaty osiągniemy wtedy, gdy każde zdjęcie będzie przedstawiać tylko jedną ścianę, za to widoczną w jak najmniejszym zniekształceniu. Jeśli widoczna na zdjęciu ściana budynku jest na tyle długa, że drugi jej koniec „ginie” w perspektywie zdjęcia, wówczas obróbce powinno się poddać także inne zdjęcie, przedstawiające tę ścianę od drugiego, słabo widocznego końca. Takie dwa zdjęcia będzie można po obróbce nałożyć na siebie i „uśrednić”.
Dodatkowo zdjęcia przeznaczone do korekcji powinny posiadać możliwie jak największą rozdzielczość. Jeśli posiadane zdjęcia są za małe, należy je powiększyć i wyostrzyć w jakimś programie graficznym (np. darmowym GIMP-ie), aby wydobyć z nich jak najwięcej szczegółów.

Korekcja zdjęć w programie Hugin

Korekcję perspektywy dla każdego z rzutów budynku wykonuje się w odrębnym projekcie Hugin. W typowym przypadku, kiedy dany rzut odtwarzamy tylko z jednego zdjęcia, proces korekcji przebiega następująco:

  • Uruchamiamy program Hugin lub wybieramy opcję „Nowy projekt”.
  • Przechodzimy na zakładkę „Zdjęcia”, gdzie korzystając z przycisku „Dodaj pojedyncze zdjęcia…” lub przeciągając plik metodą drag&drop wczytujemy zdjęcie przeznaczone do korekcji. W trakcie wczytywania zdjęcia Hugin może poprosić nas o podanie parametrów obiektywu, takich jak kąt widzenia lub jego ogniskowa. Na tym etapie wystarczy podać typowe wartości, np. obiektyw normalny, f=35mm.
  • Następnie przechodzimy na zakładkę „Punkty kontrolne”. Na zakładce tej przeprowadzamy najważniejszą w całym procesie korekcji czynność, czyli odtwarzamy linie perspektywy. Stawiając pary punktów odpowiednio na lewym i prawym panelu ze zdjęciem, wskazujemy końce odcinków, które w rzeczywistości są pionowe lub poziome. Do poprawnego wyznaczenia współczynników perspektywy potrzebne są minimum dwie linie poziome i dwie linie pionowe. Jednak w celu uzyskania jak najlepszej dokładności obliczeń dobrze jest wskazać jak najwięcej takich linii, nawet po 4 – 5 linii, leżących w różnych rejonach zdjęcia. Istotną rzeczą jest także to, aby wskazywać tylko te linie, co do których jesteśmy całkowicie pewni, że leżą w pionie lub poziomie. Należy więc unikać stawiania linii wzdłuż krzywych rynien lub chylących się ścian… Przykład właściwego naniesienia linii kontrolnych można obejrzeć na poniższym zdjęciu:
  • W kolejnym kroku przechodzimy na zakładkę „Składacz”, gdzie ustawiamy typ projekcji na „prostoliniowy”. Parametr ten pozwoli poprawnie wyliczyć współczynniki perspektywy.
  • Po wykonaniu powyższej czynności cofamy się na zakładkę „Optymalizator”. Rodzaj optymalizacji wybieramy w zależności od tego, ile linii udało na się wyznaczyć za pomocą punktów kontrolnych. Typowo wystarczy wybrać opcję „Pozycje i pole widzenia (y, p, r, v)”. Natomiast jeśli udało nam się wyznaczyć wiele linii, leżących w różnych partiach zdjęcia, można dodatkowo wyznaczyć także zniekształcenia samego obiektywu – „Pozycje, pole widzenia i zniekształcenia beczkowate (y, p, r, v, b)”. Po naciśnięciu przycisku „Optymalizuj teraz!” program wyświetla krótkie podsumowanie, zawierające m.in. wartość błędu obliczeń. Przy dobrze dobranych liniach perspektywy błąd ten powinien wynosić poniżej zera. Jeśli jednak jest on wyraźnie większy, to powinno się skorygować wskazane punkty kontrolne lub wybrać inny rodzaj optymalizacji.
  • W następnym kroku ponownie przechodzimy na zakładkę „Składacz”. Kolejno klikamy przyciski „Wylicz pole widzenia” oraz „Wylicz optymalny rozmiar”. Aby sprawdzić poprawność wyliczonych parametrów, klikamy na ikonę „Szybki podgląd panoramy”. Jeśli panorama na wyświetlonym podglądzie będzie źle przycięta, to w oknie podglądu na zakładkach „Rzut” oraz „Ucięcie” możemy wizualnie skorygować docelowe pole widzenia oraz krawędzie przycięcia naszego zdjęcia.
  • Zamykamy okno podglądu i wracamy na zakładkę „Składacz”. W opcjach „Parametry wyjścia” zaznaczamy tylko pozycję „Korekcja ekspozycji, niska dynamika”. Następnie wybieramy format pliku wyjściowego. Do wyboru jest kilka formatów, przy czym najlepiej jest wybrać któryś z formatów bezstratnych, np. PNG. Na koniec klikamy przycisk „Złóż teraz…” i podajemy lokalizację oraz nazwę pliku wynikowego. Wynikiem naszej dotychczasowej pracy powinien być obraz, przedstawiający nasz budynek w całkowicie odmienionej perspektywie 🙂 :

Przeniesienie zdjęć do postaci wektorowej

Uzyskany w wyniku obróbki zdjęcia pod Hugin-em obraz posiada już właściwe proporcje oraz zachowany pion i poziom. Jednak ze względów praktycznych powinien on zostać przeniesiony do postaci wektorowej, gdyż tylko taki format umożliwia późniejsze prawidłowe przeskalowanie otrzymanych rzutów oraz połączenie ich w kompletny plan budynku.
Do przerysowania obrazu potrzebny nam będzie program do grafiki wektorowej, np. CorelDraw lub bezpłatny Inkscape. Przekształcony pod Hugin-em obraz wczytujemy jako tło, a następnie na jego podstawie odrysowujemy kontury ścian, okien, drzwi i innych elementów. Korzystamy przy tym z dostępnych w programie narzędzi do rysowania podstawowych figur – prostokątów lub okręgów. W trakcie przerysowywania konturów powinniśmy dokonać także końcowej korekty kształtów. Powinniśmy m.in. zadbać o to, aby okna, które w rzeczywistości są identyczne, na naszym rysunku również były tej samej wielkości, kształtu oraz leżały na jednej wysokości. Przerysowując rzut budynku należy również pamiętać, że przekształcone zdjęcie nie jest obrotem w 3D. Elementy znajdujące się poza płaszczyzną ściany budynku takie jak kolumny, gzymsy lub parapety będą po przekształceniu widoczne jako zwichrowane i przesunięte. Należy więc je odrysować ze szczególną ostrożnością, korygując wszelkie zniekształcenia i przesunięcia.

Zestawienie rzutów i przeskalowanie planu

Uzyskane w poprzednich etapach poszczególne rzuty budynku należy teraz zestawić na jednym rysunku oraz wzajemnie do siebie dopasować, ujednolicając skalę całego rysunku. Ujednolicenia skali rysunku należy dokonać poprzez proporcjonalne powiększenie lub pomniejszenie poszczególnych rzutów, aż do uzyskania identycznej wielkości charakterystycznych elementów, występujących na odpowiadających sobie nawzajem rzutach. Takimi charakterystycznymi elementami lub wymiarami umożliwiającymi spasowanie skali mogą być np. wysokość od ziemi gzymsu biegnącego wokół całego budynku, odległość między rzędami okien na kolejnych kondygnacjach budynku lub nawet sama wysokość okien i drzwi, o ile jesteśmy pewni ich powtarzalności.
Na podstawie tak przeskalowanych rzutów ścian budynku należy teraz wykonać rzut pionowy budynku. Przenosząc odpowiednie wymiary na plan upewnimy się, czy nasz budynek „zamknie się” w pełną bryłę. Jeśli pojawią się drobne niedokładności, możemy je skorygować poprzez nieznaczne rozciągnięcie lub zwężenie nie pasujących do siebie rzutów lub poprzez dokonanie ostatecznych poprawek ich kształtu. Natomiast w przypadku istotnych rozbieżności powinniśmy zastanowić się nad ponowną korekcją perspektywy dla najbardziej „podejrzanych” rzutów, czyli rzutów odtworzonych ze zdjęć o najgorszej jakości lub wykonanych w najbardziej niekorzystnej perspektywie.
Ostatnim krokiem opracowania planów budynku jest dopasowanie otrzymanego rysunku do pożądanej skali. Czynność ta jest banalna, jeśli znamy przynajmniej jeden wymiar rzeczywisty odtwarzanego budynku. Wystarczy wtedy przeskalować rysunek zgodnie ze współczynnikiem wyliczonym ze wzoru:

p = Wbud / Wrys * S * 100%

gdzie:
Wbud – wymiar rzeczywisty budynku,
Wrys – wymiar odczytany z rysunku,
S – skala docelowa (np. 1:120 = 0,008333, 1:87 = 0,011494).

W przypadku braku znajomości choćby jednego wymiaru rzeczywistego sytuacja jest znacznie trudniejsza, ale nie beznadziejna. W takiej sytuacji należy oszacować wymiary rzeczywiste budynku, wyliczając je na podstawie typowych wymiarów elementów lub materiałów budowlanych, stosowanych w danej epoce i wykorzystanych do budowy naszego budynku. Do takich typowych elementów, pozwalających oszacować wymiary budynku należą m.in.: rozmiary cegieł, wysokość ościeżnic drzwi, szerokość dachówek i rozstaw łat, a także szerokość pasów papy, stosowanej do krycia dachów. Takie szacowanie jest oczywiście obarczone pewnym błędem, dlatego otrzymane wymiary można dodatkowo zweryfikować, np. porównując je z wymiarami innych obiektów o znanych wymiarach, widocznych na zdjęciach w pobliżu odtwarzanego budynku.

Podsumowanie

Przedstawiona powyżej metoda odtwarzania planów budynków i budowli ze zdjęć jest stosunkowo skomplikowana i pracochłonna. Jednak w dobie powszechnego przyzwolenia na niszczenie starej dokumentacji, często stanowi ona jedyną możliwość odtworzenia planów budynków obecnie już wyburzonych lub przebudowanych. Niewątpliwą zaletą tej metody jest też możliwość odtwarzanie planów budynków ze stosunkowo dużą dokładnością. W przypadku prezentowanych w artykule zdjęć budynku w Karpaczu, rozbieżność między wymiarami odtworzonymi, a wymiarami odnalezionymi później w szczątkowej dokumentacji, nie przekraczała 3%.