Trzy sposoby na skan 3D. Fotogrametria, LiDAR i skaner dynamiczny. Który wybrać?

Coraz więcej firm, instytucji i zespołów projektowych zadaje dziś podobne pytanie: „Potrzebujemy cyfrowego modelu naszego budynku, hali, obiektu albo przestrzeni. Jak najlepiej to zrobić?”.

Na pierwszy rzut oka odpowiedź wydaje się prosta: trzeba wykonać skan 3D. W praktyce szybko okazuje się, że „skan 3D” może oznaczać kilka zupełnie różnych metod. Najczęściej mówimy o trzech podejściach: fotogrametrii, statycznym skanowaniu LiDAR oraz dynamicznym skanowaniu mobilnym.

Każda z tych technologii może doprowadzić do podobnego efektu: cyfrowej reprezentacji rzeczywistego miejsca. Różnią się jednak dokładnością, wyglądem, kosztem, czasem realizacji, wagą danych i tym, do czego najlepiej nadaje się finalny model.

To ważne szczególnie wtedy, gdy skan ma być później wykorzystany w aplikacji VR, digital twinie, trenażerze, aplikacji webowej, prezentacji sprzedażowej, symulatorze PC albo środowisku Unreal Engine lub Unity.

Trzy metody, jeden cel

Fotogrametria, statyczny LiDAR i dynamiczny skaner odpowiadają na to samo zapotrzebowanie: jak przenieść realny obiekt do świata cyfrowego. Robią to jednak w inny sposób.

Fotogrametria wykorzystuje zdjęcia. Statyczny LiDAR wykorzystuje precyzyjny pomiar laserowy z kilku stanowisk. Dynamiczny skaner zbiera dane w ruchu, gdy operator przechodzi przez przestrzeń z urządzeniem.

Najprościej można powiedzieć:

• Fotogrametria najlepiej pokazuje, jak coś wygląda.
• Statyczny LiDAR najlepiej mierzy, gdzie coś dokładnie jest.
• Dynamiczny skaner najszybciej pokazuje, jak przestrzeń jest zorganizowana.

To uproszczenie, ale bardzo dobrze tłumaczy podstawową różnicę między tymi metodami.

Trzy metody, jedno zestawienie: fotogrametria stawia na realizm wizualny, statyczny LiDAR na dokładność pomiaru, a mobilny skaner na szybkość i mobilność.

Fotogrametria. Najlepsza, gdy liczy się wygląd

Fotogrametria polega na wykonaniu dużej liczby zdjęć obiektu lub przestrzeni z różnych stron. Następnie specjalistyczne oprogramowanie analizuje zdjęcia, znajduje wspólne punkty i buduje na tej podstawie model 3D z teksturami.

Tak wygląda fotogrametria od kuchni — nasz plik roboczy ze skanu zabytkowego telewizora. Kilkadziesiąt zdjęć wykonanych dookoła obiektu, z których oprogramowanie odtwarza geometrię i tekstury (tu już 274 tys. wierzchołków).

Efekt końcowy: realistyczny model tego samego telewizora. Fotogrametria świetnie oddaje fakturę drewna, kolor i detale — dokładnie to, w czym ta metoda jest najlepsza.

Największą zaletą fotogrametrii jest realizm wizualny. Dobrze wykonana fotogrametria potrafi świetnie oddać kolor, fakturę, zabrudzenia, ślady zużycia, detale materiału i ogólny charakter obiektu. Dlatego często jest używana przy digitalizacji zabytków, rzeźb, elementów architektury, skał, wnętrz, rekwizytów, scenografii lub powierzchni naturalnych.

Dla osoby, która nie zna tematu, dobrym przykładem może być muzeum. Jeżeli chcemy przenieść do świata cyfrowego starą rzeźbę, drewniane drzwi, fragment ruin albo elewację budynku i zależy nam, żeby wyglądały realistycznie, fotogrametria będzie bardzo dobrym wyborem.

W Carbon Studio robiliśmy dokładnie taki projekt. Dla Muzeum Techniki i Przemysłu NOT w Warszawie zdigitalizowaliśmy między innymi motocykl Sokół 1000 z 1935 roku — wraz z koszem bocznym i wszystkimi detalami konstrukcji. To eksponat, którego nie da się postawić w aplikacji webowej ani trenażerze bez wcześniejszego, dokładnego skanu.

Motocykl Sokół 1000 (1935) — nasz skan dla Muzeum Techniki i Przemysłu NOT w Warszawie. Przy takich eksponatach liczy się realizm: lakier, chrom, faktura skóry i każdy element mechanizmu.

W VR fotogrametria sprawdza się świetnie jako źródło realistycznych assetów i lokacji. Można jej użyć do stworzenia wiarygodnego wnętrza, fragmentu miasta, terenu, obiektu muzealnego albo elementów scenografii. Trzeba jednak pamiętać, że surowy model z fotogrametrii bywa bardzo ciężki. Może mieć ogromną liczbę polygonów i bardzo duże tekstury. Aby działał płynnie w VR, trzeba go mocno zoptymalizować.

Do aplikacji webowych fotogrametria również może się nadać, ale zwykle wymaga jeszcze większej redukcji danych. Model na stronę internetową musi być lekki, szybko się ładować i działać na różnych urządzeniach. Nie można po prostu wrzucić surowego skanu na stronę i oczekiwać dobrego efektu.

Do aplikacji PC fotogrametria daje większą swobodę. Komputer może obsłużyć cięższe modele niż przeglądarka lub headset VR, ale nadal potrzebna jest optymalizacja. Szczególnie jeśli scena ma być interaktywna, a nie tylko oglądana.

Kiedy wybrać fotogrametrię?

Fotogrametria jest dobrym wyborem, gdy zależy nam na atrakcyjnym, realistycznym wyglądzie. Sprawdzi się przy wizualizacjach, muzeach, zabytkach, obiektach artystycznych, materiałach marketingowych, prezentacjach, środowiskach VR i assetach do gier.

Nie jest najlepszym wyborem, jeśli najważniejsza jest dokładność pomiarowa, dokumentacja techniczna albo precyzyjne odwzorowanie wymiarów.

Statyczny LiDAR. Najlepszy, gdy liczy się dokładność

Statyczny LiDAR działa inaczej. Urządzenie ustawia się w konkretnych punktach przestrzeni. Skaner emituje wiązkę laserową i mierzy odległości do ścian, podłóg, sufitów, instalacji, maszyn i innych elementów otoczenia. Po wykonaniu kilku lub kilkunastu stanowisk powstaje bardzo dokładna chmura punktów.

To metoda bardziej pomiarowa niż wizualna. Oczywiście dane z LiDAR-u można później wykorzystać wizualnie, ale jego największą wartością jest dokładna geometria.

Dobrym przykładem jest hala przemysłowa. Jeżeli firma chce mieć cyfrowy model hali, żeby zaplanować modernizację, sprawdzić położenie maszyn, przygotować przebudowę instalacji albo zintegrować dane z dokumentacją BIM, statyczny LiDAR będzie często najlepszym wyborem.

W digital twinach statyczny LiDAR jest bardzo mocnym fundamentem. Daje dokładną bazę przestrzenną, do której można później podłączyć dane z systemów zarządzania budynkiem, czujników IoT, procedur serwisowych, dokumentacji technicznej albo analiz operacyjnych.

W VR LiDAR jest bardzo przydatny, jeśli środowisko musi odpowiadać rzeczywistości pod względem skali i układu. Na przykład w trenażerze dla pracowników zakładu przemysłowego, szkoleniu BHP, symulatorze ewakuacji albo aplikacji dla służb technicznych. Użytkownik może uczyć się w przestrzeni, która odpowiada realnemu miejscu pracy.

Minusem jest to, że surowe dane z LiDAR-u nie zawsze wyglądają atrakcyjnie. Chmura punktów może być bardzo dokładna, ale niekoniecznie ładna. Żeby stworzyć z niej dobrą aplikację VR, PC albo web, trzeba ją przetworzyć. Często potrzebne jest modelowanie, rekonstrukcja powierzchni, teksturowanie, uproszczenie geometrii i przygotowanie sceny pod silnik czasu rzeczywistego.

Do strony internetowej statyczny LiDAR zwykle nie jest finalnym formatem. Może być źródłem danych, ale końcowy model na web powinien być lekki i uproszczony. Do aplikacji PC nadaje się bardzo dobrze, szczególnie jeśli celem jest analiza, przeglądanie techniczne, symulacja albo digital twin.

Kiedy wybrać statyczny LiDAR?

Statyczny LiDAR warto wybrać, gdy ważna jest precyzja, pomiary, dokumentacja, digital twin, BIM, infrastruktura, przemysł, techniczne odwzorowanie budynku albo trenażer oparty na realnej przestrzeni.

Nie jest najlepszy, jeśli głównym celem jest szybka, tania i efektowna wizualizacja marketingowa bez potrzeby wysokiej dokładności.

Dynamiczny skaner. Najlepszy, gdy liczy się szybkość

Dynamiczne skanowanie mobilne polega na tym, że operator porusza się po przestrzeni z urządzeniem ręcznym, plecakowym, robotycznym lub mobilnym. System rejestruje otoczenie w ruchu i buduje model przestrzeni.

Największą zaletą tej metody jest szybkość. Można relatywnie szybko przejść przez budynek, korytarze, biura, magazyny, piwnice, halę albo teren zewnętrzny i zebrać ogólny obraz przestrzeni.

To bardzo dobre rozwiązanie, gdy trzeba szybko zinwentaryzować miejsce, przygotować bazę do dalszej pracy albo sprawdzić układ przestrzenny. Dynamiczny skaner nie zawsze da taką dokładność jak statyczny LiDAR, ale często wystarczy do celów poglądowych, szkoleniowych, preprodukcyjnych lub orientacyjnych.

Przykład: firma chce szybko przygotować aplikację szkoleniową pokazującą drogę ewakuacji w budynku. Nie potrzebuje dokładności milimetrowej. Ważne jest, żeby korytarze, schody, drzwi, pomieszczenia i główne elementy były na swoim miejscu. W takim przypadku dynamiczny skaner może być bardzo sensownym wyborem.

W VR dynamiczny skaner jest dobry jako szybki start projektu. Pozwala złapać proporcje, układ i ogólną logikę przestrzeni. Potem zespół może przebudować dane w zoptymalizowane środowisko VR. Nie zawsze będzie to idealne rozwiązanie dla bardzo dokładnych trenażerów technicznych, ale sprawdzi się w szkoleniach orientacyjnych, wirtualnych spacerach, prostych digital twinach i projektach, gdzie ważny jest czas.

Do aplikacji webowych dynamiczny skan może być użyteczny, jeśli zostanie mocno uproszczony. Do aplikacji PC sprawdzi się lepiej, bo można pozwolić sobie na więcej danych, więcej szczegółów i bardziej rozbudowaną interakcję.

Kiedy wybrać dynamiczny skaner?

Dynamiczny skaner warto wybrać, gdy liczy się czas, duża powierzchnia, szybka inwentaryzacja, orientacyjny model budynku, preprodukcja, szybki digital twin albo przygotowanie bazy do późniejszego modelowania.

Nie jest najlepszym wyborem, jeśli projekt wymaga najwyższej dokładności pomiarowej albo bardzo wysokiego realizmu wizualnego.

Co wybrać do VR?

W VR najważniejsze są trzy rzeczy: wydajność, skala i czytelność przestrzeni. Użytkownik musi mieć poczucie, że znajduje się w wiarygodnym miejscu, ale aplikacja musi też działać płynnie. To szczególnie ważne w headsetach VR, gdzie zbyt ciężka scena może powodować spadki płynności i dyskomfort.

Fotogrametria w VR daje bardzo realistyczny wygląd. Jest świetna do muzeów, rekonstrukcji, turystyki, prezentacji architektury, scenografii i obiektów, które użytkownik ogląda z bliska. Minusem jest ciężar danych. Modele z fotogrametrii prawie zawsze wymagają retopologii, redukcji geometrii, optymalizacji tekstur i przygotowania LOD-ów.

Statyczny LiDAR w VR daje bardzo dobrą zgodność z rzeczywistą przestrzenią. To świetna baza dla szkoleń, przemysłu, trenażerów, procedur technicznych, symulacji ewakuacyjnych i digital twinów. Minusem jest to, że dane trzeba przekształcić w atrakcyjne i wydajne środowisko. Sama chmura punktów rzadko jest wystarczająca jako gotowa aplikacja VR.

Dynamiczny skaner w VR jest dobry, gdy trzeba szybko odwzorować przestrzeń i przygotować prototyp. Sprawdza się w projektach, gdzie liczy się układ pomieszczeń, orientacja, przejścia i ogólna logika miejsca. Minusem może być niższa dokładność i mniejsza jakość detalu.

W praktyce dla VR często najlepsze jest podejście hybrydowe. LiDAR lub dynamiczny skan daje geometrię i skalę, a fotogrametria dostarcza wybranych realistycznych elementów, tekstur albo obiektów.

Co wybrać na stronę internetową?

Na stronie internetowej najważniejsze są lekkość, szybkość ładowania i dostępność. Model powinien działać w przeglądarce, na laptopie, tablecie, a czasem również na telefonie. Dlatego nie powinien być zbyt ciężki.

Do webu najlepiej nadaje się uproszczony, zoptymalizowany model 3D. Może powstać na bazie fotogrametrii, LiDAR-u lub skanowania mobilnego, ale końcowy efekt powinien być przygotowany specjalnie pod stronę.

Fotogrametria może dać bardzo ładny model produktowy, obiekt muzealny albo fragment przestrzeni do oglądania online. Trzeba jednak uważać na wagę tekstur.

LiDAR może być dobry jako baza do modelu architektonicznego lub technicznego, ale zwykle wymaga przebudowania do prostszej formy.

Dynamiczny skan może być przydatny do szybkiego stworzenia ogólnego modelu przestrzeni, na przykład biura, showroomu, inwestycji albo obiektu publicznego.

Jeżeli celem jest marketingowa prezentacja na stronie, często lepiej przygotować lżejszy, estetycznie dopracowany model niż pokazywać surowy skan.

Co wybrać do aplikacji PC?

Aplikacja PC daje większe możliwości niż strona internetowa. Można używać cięższych modeli, lepszych materiałów, bardziej zaawansowanego oświetlenia, większej liczby interakcji i dokładniejszych danych. Nadal jednak potrzebna jest optymalizacja.

Do aplikacji PC dobrze nadaje się każdy z trzech wariantów, ale wybór zależy od celu.

• Do realistycznej wizualizacji warto użyć fotogrametrii.
• Do digital twin, symulacji technicznej lub narzędzia analitycznego lepiej sprawdzi się statyczny LiDAR.
• Do szybkiego prototypu, dużej przestrzeni lub aplikacji orientacyjnej dobrym wyborem może być dynamiczny skaner.

PC jest też dobrym miejscem dla bardziej złożonych digital twinów, które łączą dane 3D z informacjami operacyjnymi, czujnikami, scenariuszami szkoleniowymi albo analizą procesów.

Co wybrać do trenażera?

W trenażerach wybór technologii powinien wynikać z celu szkolenia.

Jeśli użytkownik ma nauczyć się procedury w konkretnym miejscu, na przykład w hali, maszynowni, laboratorium albo budynku użyteczności publicznej, warto postawić na dokładność przestrzenną. Wtedy statyczny LiDAR będzie bardzo mocnym wyborem.

Jeśli trenażer ma przede wszystkim pokazać ogólny układ przestrzeni, drogę przejścia, lokalizację sprzętu lub zasady zachowania, dynamiczny skaner może być wystarczający i bardziej opłacalny.

Jeśli szkolenie dotyczy rozpoznawania obiektów, materiałów, detali albo pracy z wizualnie istotnym elementem, fotogrametria może być najlepszym uzupełnieniem.

Przykład: w trenażerze przeciwpożarowym budynku ważne są korytarze, wyjścia, schody, gaśnice i orientacja przestrzenna. Dynamiczny skan lub LiDAR może wystarczyć. W trenażerze konserwacji konkretnej maszyny lepiej sprawdzi się dokładniejszy LiDAR i dodatkowe modelowanie. W aplikacji muzealnej lub edukacyjnej większą rolę może mieć fotogrametria, bo użytkownik ogląda detale z bliska.

Co wybrać do digital twin?

Digital twin wymaga myślenia długoterminowego. Jeżeli cyfrowy bliźniak ma być narzędziem do zarządzania obiektem, planowania zmian, analizy lub integracji z innymi systemami, baza danych powinna być wiarygodna.

Najlepszym punktem wyjścia często jest statyczny LiDAR. Daje dokładną geometrię i dobrze nadaje się do połączenia z dokumentacją techniczną, BIM, systemami BMS, IoT i danymi operacyjnymi.

Dynamiczny skaner sprawdza się wtedy, gdy digital twin ma być tworzony szybko lub regularnie aktualizowany. Może być dobrym narzędziem do okresowej inwentaryzacji.

Fotogrametria może być używana jako warstwa wizualna, szczególnie gdy digital twin ma być także atrakcyjny dla użytkownika końcowego, inwestora, klienta albo zwiedzającego.

W profesjonalnym digital twinie często łączy się kilka źródeł danych. Nie chodzi tylko o to, żeby mieć model 3D. Chodzi o to, żeby model był użyteczny.

Co wpływa na cenę?

Koszt wykonania skanu i przygotowania gotowego modelu zależy od kilku czynników. Sama technologia skanowania to tylko część budżetu. Bardzo często większym kosztem jest późniejsze opracowanie danych.

Na cenę wpływa przede wszystkim:

• wielkość przestrzeni,
• poziom dokładności,
• liczba detali,
• dostępność obiektu,
• czas pracy na miejscu,
• liczba stanowisk skanera,
• wymagany poziom realizmu,
• docelowa platforma,
• zakres optymalizacji,
• potrzeba integracji z VR, web, PC, BIM lub systemami danych.

Fotogrametria może być relatywnie tania przy małych obiektach, ale przy dużych przestrzeniach robi się czasochłonna. Wymaga dobrego planowania zdjęć, odpowiedniego światła, obróbki danych, czyszczenia modelu, naprawy błędów i optymalizacji.

Statyczny LiDAR jest zwykle droższy na etapie pozyskania danych, bo wymaga specjalistycznego sprzętu, operatora i dokładnego procesu. Daje jednak bardzo wysoką wartość tam, gdzie liczy się precyzja i techniczne zastosowanie danych.

Dynamiczny skaner często jest najbardziej opłacalny przy dużych przestrzeniach, które trzeba szybko uchwycić. Może znacząco skrócić czas pracy na miejscu, ale jeśli końcowy model ma być bardzo dopracowany wizualnie, nadal trzeba doliczyć czas postprodukcji.

Najważniejsze jest to, że skan nie jest jeszcze gotowym produktem. Dla VR, webu, aplikacji PC czy digital twina trzeba zaplanować dodatkowy etap: przetworzenie danych w użyteczne środowisko 3D.

Czasem tani skan może okazać się drogi, jeśli później wymaga wielu tygodni naprawy i optymalizacji. Z kolei droższe, lepiej zaplanowane pozyskanie danych może obniżyć koszt całej produkcji.

Prosty przykład: ten sam budynek, trzy różne potrzeby

Wyobraźmy sobie zabytkowy budynek, który chcemy przenieść do świata cyfrowego.

Jeżeli celem jest atrakcyjna prezentacja dla zwiedzających, wirtualny spacer albo materiał promocyjny na stronę internetową, fotogrametria może dać najlepszy efekt wizualny. Użytkownik zobaczy fakturę drewna, kamienia, cegły, tynku i detale elewacji.

Jeżeli celem jest techniczna dokumentacja budynku, planowanie remontu albo stworzenie dokładnego digital twina, lepszym wyborem będzie statyczny LiDAR. Ważniejsze są wtedy wymiary, geometria, przekroje i zgodność z rzeczywistością.

Jeżeli celem jest szybkie przygotowanie modelu orientacyjnego, na przykład do szkolenia, planowania trasy zwiedzania albo prototypu aplikacji, dynamiczny skaner może być najbardziej praktyczny. Pozwoli szybko uchwycić układ pomieszczeń i relacje przestrzenne.

To ten sam budynek, ale trzy różne cele. Dlatego wybór technologii powinien zawsze zaczynać się od pytania: do czego ten model ma później służyć?

Czy można łączyć te metody?

Tak i bardzo często jest to najlepsze rozwiązanie.

Można użyć LiDAR-u do dokładnej geometrii, fotogrametrii do realistycznych tekstur i dynamicznego skanowania do szybkiego pokrycia dużych przestrzeni. Takie podejście hybrydowe jest szczególnie wartościowe w projektach VR, digital twins i trenażerach, gdzie liczy się jednocześnie realizm, skala, dokładność i wydajność.

Przykładowo: w hali przemysłowej statyczny LiDAR może odwzorować konstrukcję, maszyny i układ przestrzeni. Fotogrametria może dostarczyć detali wybranych urządzeń. Dynamiczny skaner może pomóc szybko zaktualizować dane po zmianach w obiekcie.

Od skanu do gotowej aplikacji

Największy błąd polega na myśleniu, że skan 3D jest gotową aplikacją. Nie jest.

Skan to surowy materiał. Może być bardzo dobry, ale nadal wymaga pracy. Trzeba go oczyścić, uporządkować, zoptymalizować, przygotować pod konkretną platformę i cel użytkowy.

Before After

• W przypadku VR ważna jest płynność działania, skala, kolizje, interakcje i komfort użytkownika.
• W przypadku strony internetowej ważna jest lekkość modelu, szybkie ładowanie i kompatybilność z przeglądarkami.
• W przypadku aplikacji PC ważna jest funkcjonalność, jakość wizualna, możliwość analizy i interakcje.
• W przypadku digital twinów ważna jest wiarygodność danych, aktualizacja, integracja z systemami i praktyczne wykorzystanie modelu.

Dopiero po tym etapie skan staje się czymś więcej niż dokumentacją. Staje się narzędziem.

Podsumowanie

Fotogrametria, statyczny LiDAR i dynamiczny skaner to trzy różne sposoby digitalizacji rzeczywistości. Żaden z nich nie jest „najlepszy” w każdej sytuacji.

Fotogrametria najlepiej sprawdza się wtedy, gdy liczy się wygląd, realizm i detale powierzchni. Statyczny LiDAR warto wybrać wtedy, gdy najważniejsza jest dokładność, pomiary i techniczna wiarygodność danych. Dynamiczny skaner jest najlepszy wtedy, gdy liczy się szybkość, duża przestrzeń i praktyczne odwzorowanie układu miejsca.

W projektach VR, digital twins, trenażerach, aplikacjach webowych i aplikacjach PC najważniejsze jest nie tylko to, jak zbierzemy dane, ale co z nimi później zrobimy. Dobrze wykonany skan to początek procesu. Dopiero odpowiednie przetworzenie danych zamienia go w interaktywne, wydajne i użyteczne środowisko cyfrowe.

W Carbon Studio zajmujemy się właśnie tym drugim etapem — zamieniamy skany 3D w gotowe aplikacje VR/XR dla biznesu, symulatory dla przemysłu i digital twiny, łącząc je z technologiami VR, AR i AI. Jeśli zastanawiasz się, którą metodę skanowania wybrać do swojego projektu — chętnie doradzimy.