Katedra St. Albans– Spektakularne szczegóły w trójwymiarze

Katedra St. Albans została w większości zbudowana w XIII wieku i od tej pory przeżyła wiele zmian. W XIV wieku po zawaleniu, częściowo przebudowano nawę główną. Mimo że na pierwszy rzut oka nawa wydaje się jednolita, detale znacząco się od siebie różnią. W ramach bieżących potrzeb konieczne było wykonanie ekspertyzy obejmującej wyłącznie wnętrze nawy głównej oraz korytarz północny i południowy. Łączne wymiary to 64 metry długości, 22 metry szerokości i 20 metrów wysokości. Aktualne propozycje zmian historycznej nawy głównej katedry polegają na dopasowaniu jej do obecnych potrzeb kulturalnych i zwiększeniu dostępności dla uczestników imprez kulturalnych.
Opracowano plany obejmujące zwiększenie rozmiaru podium, zmianę układu ławek, a także położenia chrzcielnicy. Konieczne było również wykonanie szczegółowej ekspertyzy w celu zebrania danych niezbędnych do precyzyjnego zaprojektowania zmian, która pozwoliłaby uzyskać kompletny rejestr historycznych kształtów, które mogą zostać objęte zmianami lub na które zmiany mogą mieć wpływ. Oznacza to potrzebę precyzyjnego odwzorowania każdej płyty kamiennej składającej się na podłogę nawy. Patroni kościoła poprosili także o wykonanie wizualizacji zmian, która pozwoli mieć pewność, że prace będą przebiegać w harmonijny sposób oraz którą można pokazać parafianom i innym zainteresowanym osobom, udowadniając tym samym, że zmiany będą się odbywały w kontrolowany sposób. Dlatego należało wykonać film na poziomie gruntu oraz z lotu ptaka, co dałoby obraz całej nawy widzianej z góry. Budżet klienta nie wystarczał na wykonanie szczegółowego modelu nawy, lecz firma APR udowodniła, że taki wynik końcowy można osiągnąć przez połączenie metody polegającej na zastosowaniu chmury punktów razem z prostymi modelowanymi elementami, zmniejszając w ten sposób znacznie koszty modelowania.

Ekspertyza
Skanowanie nawy zostało wykonane w ciągu dni przy użyciu skanera Faro LS880 Laser Scanner. Skanera użyto z dwóch głównych przyczyn:
1. Aby uzyskać prędkość i gęstość skanowanych punktów niezbędną do wychwycenia wszystkich szczegółów podłogi.
2. W celu uzyskania dobrej jakości kolorowej fotografii nałożonej na skanowane dane, co pozwoliło opracować wizualizację. W celu uzyskania szczegółowej ekspertyzy skanowanie wykonano z podłogi nawy. W każdym przęśle wykonano 360-stopniowe skanowanie każdego z 3 korytarzy, aby zapewnić pełne pokrycie. Aby wychwycić drobne szczegóły, których nie widać z podłogi, skanowanie wykonano również ze skośnie wznoszących się przejść
znajdujących się znacznie powyżej centralnego korytarza, a także z chóru. Było to niezbędne na cele uzupełnienia informacji dotyczących widoku z góry. Skanowanie było szczegółowo kontrolowane przez wyznaczenie określonych punktów zarejestrowanych przez instrument Total Station oraz powiązanych z punktami kontrolnymi dostępnymi z poprzedniej ekspertyzy. W międzyczasie dane były poddawane na miejscu kontroli wizualnej, która pozwoliła zapewnić
pełne pokrycie wszystkich struktur oraz uzyskanie fotografii o odpowiedniej jakości. Ogółem wykonano ponad 70 pełnych cykli skanowania 360-stopniowego. Następnie dane zostały dokładnie sprawdzone w biurze, zarejestrowane
i naniesione na odpowiedni system siatek. Wszystkie czynności związane z kontrolowaniem, rejestracją i filtrowaniem danych zostały wykonane za pomocą oprogramowania Faro Scene. Zeskanowane dane zostały następnie bezpośrednio zaimportowane i przetworzone za pomocą programu Pointools w celu usunięcia z nich osób i wycięcia miejsc, w których zeskanowane obrazy nakładały się na siebie.

Napotkane problemy
Głównym problemem była obecność na miejscu innych ludzi, ponieważ ekspertyza była wykonywana równocześnie
z oprowadzaniem wycieczek. Każdego dnia starano się zeskanować jak największą powierzchnię podłogi katedry
przed rozpoczęciem oprowadzania, a następnie skoncentrować się na wyższych obszarach, których ten problem
nie dotyczył. Problem można było również zredukować przez wykorzystanie danych wyłącznie z około 10 metrów każdego skanu i przez oprowadzanie odwiedzających z dala od skanowanych miejsc, o ile było to możliwe. Inny problem wynikał z faktu, że na cele ukończenia wizualizacji i wykonania szczegółowej ekspertyzy podłogi należało
w katedrze zwolnić miejsce. Niestety usunięcie ponad trzydziestu krzeseł z nawy na raz nie było możliwe, ponieważ
nie było gdzie ich schować. Istotna była także kompletna rejestracja wszystkich danych, ponieważ po odstawieniu
krzeseł na miejsce nie można już było powrócić do tych samych miejsc na podłodze.


Efekt końcowy
Wykonano dwuwymiarowe rysunki podłogi oraz dolnych części każdej ściany i kolumny (do wysokości 1,5 metra). Zostały one utworzone przez wykorzystanie danych chmury punktów bezpośrednio w oprogramowaniu CAD przy użyciu odpowiedniego dodatku i przez prześledzenie dużych obrazów z chmurami punktów ortograficznych za pomocą narzędzi Pointools, wyraźnie pokazujących oddzielne kamienie, połączenia i większe rysy w podłodze. W celu zaprezentowania efektów nowych planów należało wykonać wizualizację trójwymiarową. Korzystając ze szkiców architektów, wprowadzono zmiany przez edycję niektórych obszarów skanów, a w przypadku chrzcielnicy przez przeniesienie jej do nowej lokalizacji, korzystając z modelu nowej podstawy. Jedną z dostępnych ławek wymodelowano na podstawie skanów i rozmieszczono takie ławki w katedrze w celu przedstawienia proponowanego nowego układu. Układ ten powstał w wyniku konsultacji z architektami, w wyniku których uzgodniono również budowę pomostu roboczego i dostępowego, korzystając ze wstępnych obrazów statycznych głównych zmian. Dwie końcowe animacje zostały przygotowane w programie Pointools z wykorzystaniem zmniejszonego zestawu danych — jedna w formie przejścia, druga w formie widoku z lotu ptaka.

Wnioski
Dzięki końcowym animacjom zmiany zostały przedstawione w zrozumiały sposób. Klient mógł od razu zobaczyć niektóre ze zmian wynikających z przedstawionych propozycji. W późniejszym czasie może być potrzebna poprawiona wersja filmu po przeprowadzeniu dalszych konsultacji. Skanowanie laserowe może być cenną metodą rejestrowania struktur i artefaktów, a przy wykorzystaniu odpowiedniego skanera i właściwej techniki efekty mogą być wykorzystywane dla wielu zastosowań. Ten projekt jest dobrym przykładem uniwersalności takiego rozwiązania. Szczegółowe plany i elewacje oraz trójwymiarowe wizualizacje można tworzyć za pomocą jednego zestawu danych. Zarejestrowane dane stanowią archiwum, z którego można ponownie korzystać w celu opracowania dodatkowych rysunków lub filmów w dowolnym momencie bez konieczności ponownego odwiedzania danego miejsca.