Tvorba 3D modelů s využitím fotogrammetrie ve výuce na středních a vysokých školách
Tvorba 3D modelů se postupně stává součástí vzdělávacího procesu mnoha škol po celém světě. Představuje inovativní využití nových informačních a komunikačních technologií ve výuce. Tento koncept otevírá nové možnosti pro rozvoj kritického myšlení, prostorového vnímání a technické gramotnosti mezi dětmi a mladými studenty. (Klement, 2023) 3D modelování a fotogrammetrie nabízí unikátní příležitost propojení teoretických znalostí a praktických dovedností. Digitální technologie postupně pronikly do téměř všech oblastí našeho života a je potřeba, aby i naše vzdělávací systémy reflektovaly tyto změny a přizpůsobily se jim. V tomto příspěvku se pokusím shrnout možnosti implementace těchto konceptů do výuky a zaměřím se na jejich výhody, či naopak nevýhody.
Představení
Fotogrammetrie je metoda bezkontaktního určování souřadnic prostorových objektů. Zabývá se rekonstrukcí tvarů, měřením rozměrů a určováním polohy předmětů, které jsou na snímcích zobrazeny. (Kalvoda, 2021) Díky dnešní technologické vyspělosti, rozšířenosti a cenové dostupnosti přístrojů pořizujících velmi (či méně) kvalitní fotografie, jako jsou digitální fotoaparáty, mobilní telefony nebo drony, již není tato metoda natolik technologicky a cenově náročnou a nedostupnou, jako tomu po dlouhou dobu bylo. Celková cena výpočetní techniky, telefonů s dostatečně kvalitními kamerami i dronů velmi klesla, což poskytuje zajímavou příležitost využití ve vzdělávání. (Coyle, 2024)
Pokud pořídíme 2D snímek 3D prostoru, ztratíme informace o hloubce. Pokud však máme k dispozici více než jednu pozici kamery, existuje vždy jednoznačné řešení 3D rekonstrukce scény, a to v průsečíku směru paprsků. Dnes nejpoužívanější fotogrammetrickou metodou je metoda konvergentního snímkování. Jedná se o vícesnímkovou metodu, tedy pro rekonstrukci 3D scény je zapotřebí alespoň 3 snímků s různou základnou. Jejich celkový počet však není omezen a podle velikosti objektu a rozsahu práce můžou být pořízeny i tisíce snímků. Dalšími podmínkami jsou poté výskyt identických bodů na alespoň 2 snímcích, snímky musí být pořízeny s dostatečným překrytem, osy kamer musí být rovnoběžné (případně minimálně sbíhavé), snímky by měly být pořízeny za stejných světelných podmínek a se stejnými parametry kamery. (Kalvoda, 2021) Fotogrammetrie lépe funguje s předměty s nepravidelným a nelesklým povrchem, jelikož tak dochází ke snadnější automatické identifikaci shodných bodů na snímcích. Tyto významné body je vhodné si předem vyhlédnout a snímky pořizovat tak, aby se tyto body nacházely v překrytu několika snímků. (Takáč, 2021)
Samotnou fotogrammetrii můžeme rozdělit do dvou hlavních odvětví. Jedno je pozemní fotogrammetrie a druhé je letecká. Využívat se tedy mohou jak snímky pořízené ze země, tak ze vzduchu — a to za pomoci dronů nebo letadel osazených měřickými kamerami. Stále častěji se využívají právě drony díky své dostupné ceně, velikosti a kvalitě kamer. S drony je také velmi jednoduchá manipulace a může jim být automaticky naprogramovaná trasa letu, díky čemuž zprostíme pilota zodpovědnosti a zajistíme dostatečné snímkové pokrytí modelovaného objektu.
Metodologie
Základním stavebním prvkem fotogrammetrie jsou snímky. Ty mohou být pořízeny ze země nebo ze vzduchu. Způsob, jakým jsou fotky pořizovány musí být systematický, aby došlo k pokrytí požadované části modelovaného objektu, a aby byl zaručen dostatečný snímkový překryt, stejně tak dostatečný počet a viditelnost významných bodů. Záleží také na velikosti snímaného objektu. Velké komplexy, budovy nebo rozsáhlá archeologická naleziště budou fotografovány drony, zatímco na menší budovy, objekty nebo například muzejní artefakty bude vhodnější použít fotoaparát. Minimální překryt pořízených fotografií by potom měl být větší než 2/3. Počet snímků se pak v závislosti na velikosti objektu a požadované přesnosti a úrovni detailu může pohybovat od několika desítek až po několik tisíc.
Po pořízení snímků je potřeba jejich filtrování a editace. Rozmazané snímky je potřeba odstranit, stejně tak snímky s vysokým podílem šumu nebo ty, na kterých se vůbec nenachází požadovaná scéna. Díky těmto snímkům by došlo k vytvoření pokřiveného nebo jinak nekvalitního a nesprávného modelu. Požadavky na úpravu fotek se odvíjí také od používaného softwaru. Pro příklad zvolím Reality Capture[1], který je velice intuitivní a od dubna 2024 zdarma (s výjimkou projektů vydělávajících víc než 1 mil. dolarů ročně). (Epic Games, 2024) Při práci s tímto softwarem je vhodné fotografie upravit tak, aby se jevily jako co nejvíce „ploché“ — tedy snížení odlesků, zesvětlení stínu a celkové snížení kontrastu. (Faucher, 2022) Již při pořizování snímků je důležité dodržení homogenních světelných podmínek a stejně tak při editaci je důležité dbát na jednotné vyvážení bílé a jas.
Práce v programu Reality Capture je uživatelsky velmi přívětivá a téměř celá automatická. Celý proces je znázorněn hned na úvodní kartě úloh a šance na rychlé naučení se používání daného programu pro tvorbu realistických 3D modelů je tak velmi vysoká.
[1] Dalšími možnými volně dostupnými programy jsou například open-source Meshroom, mobilní aplikace KIRI Engine, RealityScan, Polycam, Pix4Dcatch, Widar a mnoho dalších.
Výsledek
Kvalita výsledného modelu je ovlivněna mnoha faktory, kdy základními a ovlivnitelnými je použití jednotných parametrů kamery, systematické pokrytí snímaného objektu, dostatečný počet identických a významných bodů, použití nerozmazaných a barevně jednotných fotografií a jejich dostatečné překrytí. V případě využití Reality Capture potom máme možnost exportu 3D modelu v různých formátech, což jen zvyšuje využitelnost vytvořeného modelu v dalších aplikacích.
Implementace procesu do výuky
V moderním světě se již není možné vyhnout informačním a komunikačním technologiím. Naopak je potřeba se s nimi naučit žít a pracovat. Právě k tomu by měl vzdělávací systém směřovat. Fotogrammetrie je jednou z možných aplikací, jak tuto digitální a technickou gramotnost podpořit atraktivním způsobem, a to v různých předmětech. Studenti si díky dostupnosti např. telefonů s kamerou mohou modely vytvářet a zpracovávat sami nebo ve skupinách. Nejedná se tedy pouze o pasivní zpracovávání informací, ale stávají se součásti součástí interaktivní výuky. Se snímanými objekty či artefakty mohou dle své libosti interagovat, což může vést k hlubšímu porozumění a zapamatování. (Fiorella, 2016) Mohou díky tomu porozumět komplexním strukturám a procesům, což je zvlášť užitečné v oborech jako je archeologie, architektura, geologie, stavebnictví, zdravotnictví a mnoho jiných. Dalším aspektem je potom interdisciplinarita a propojenost s jinými obory jako historie, matematika, fyzika, umění … což vede k rozvoji komplexního myšlení. Jako konkrétní příklad aplikace ve výuce se nabízí zejména památková péče či památková preservace, kdy tímto způsobem je na některých školách využívána již nyní. Studenti mohou nejdříve sami nasnímat požadovanou památku a pozorně si ji tak prohlédnout, zapamatovat si detaily a dostanou podmět k dalšímu vyhledávání informací k objektu. Při následném zpracování zvyšují své dovednosti v oboru ICT a digitální gramotnost. Vytvořený model pak může mít další možnosti aplikace podle povahy požadovaného předmětu. Může být použit jako podklad pro tvorbu počítačové hry umožňující další rozvoj digitálních kompetencí nebo může být sloužit jako komplexní studijní materiál pro další, detailnější zkoumání objektu z pohodlí třídy, přístupný kdykoliv. Na rozdíl od klasické fotografie poskytuje lepší přehled o kontextu objektu a díky interakci studenta s objektem mu umožňuje lepší porozumění a zapamatování.
Toto téma je ve výuce stále nepříliš probádané a s jistotou se tak nedá říct, zda jsou tyto výhody dostačujícím důvodem pro širší implementaci do vzdělávacího procesu. (Nebel, 2020) Proces tvorby realistického 3D modelu touto cestou však pomáhá ve studentech rozvíjet kompetence klíčové pro jejich profesní život v 21. století — od práce s digitálními nástroji a kreativitu, až po interdisciplinární spolupráci, díky čemuž jsou lépe připraveni čelit výzvám moderního pracovního trhu. (Takáč, 2021)
Závěr
Fotogrammetrie představuje inovativní přístup k výuce, kdy umožňuje propojení digitální gramotnosti s dalšími obory a kompetencemi, jako jsou například historie, umění, matematika, fyzika, interdisciplinární a týmová spolupráce, prostorové vnímání a orientace…
Díky technologickému pokroku a rozvoji digitálních kamer je fotogrammetrie nyní dostupnější a snazší než kdy jindy. S neplacenými programy, telefony, které nosíme po kapsách nebo s drony, které jsou dnes za zlomek původních cen — navíc s mnoha vylepšenými funkcemi — můžeme vytvářet realistické 3D modely. Tento proces již sám obsahuje edukativní hodnotu a výsledné modely se dají využívat v dalších předmětech pro ještě lepší interdisciplinaritu. Student se navíc stává součástí interaktivní výuky a aktivně se podílí na přípravě studijních materiálů do dalších předmětů a zajímavou formou zvyšuje svou digitální gramotnost.
Zdroje
CYARK, 2020. Wat Phra Si Sanphet — Ayutthaya, Thailand. In: CyArk [online]. [cit. 2024–05–26]. Dostupné z: https://www.cyark.org/projects/ayutthaya/overview
EPIC GAMES, 2024. We are updating RealityCapture pricing in late April. In: CapturingReality [online]. [cit. 2024–05–25]. Dostupné z: https://www.capturingreality.com/pricing-changes
FAUCHER, William, 2022. Capturing Lofoten in Unreal Engine 5 [online]. [cit. 2024–05–25]. Dostupné z: https://www.youtube.com/
FIORELLA, Logan a Richard E. MAYER, 2016. Eight Ways to Promote Generative Learning. Educational Psychology Review. 28(4), 717–741. ISSN 1573–336X. Dostupné z: doi:10.1007/s10648–015–9348–9
HOUSE, Jenny E., Viviana BRAMBILLA, Luc M. BIDAUT, Alec P. CHRISTIE, Oscar PIZARRO, Joshua S. MADIN a Maria DORNELAS, 2018. Moving to 3D: relationships between coral planar area, surface area and volume: relationships between coral planar area, surface area and volume. PeerJ. 6, 4280. ISSN 2167–8359. Dostupné z: doi:10.7717/peerj.4280
KALVODA, Petr, 2021. Úvod do fotogrammetrie. Ústav geodézie, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně.
KLEMENT, Milan a Květoslav BÁRTEK, 2023. 3D MODELLING AND ITS USE IN EDUCATION. 13, 30–34. Dostupné z: doi:10.33543/1301
NEBEL, Steve, Maik BEEGE, Sascha SCHNEIDER a Günter Daniel REY, 2020. A Review of Photogrammetry and Photorealistic 3D Models in Education From a Psychological Perspective. Frontiers in Education. 5. ISSN 2504–284X. Dostupné také z: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/feduc.2020.00144
TAKÁČ, Ondrej a Ladislav VÉGH, 2021. Possibilities of Using Photogrammetry in the Teaching Process. Dostupné z: doi:10.21125/edulearn.2021.1860
