Piusa koopad on 3D abiga taas avatud

Piusa koopad asuvad Orava vallas Piusa jõe ürgoru vasakpoolses oruveerus Piusa raud­teejaama lähedal Valga-Petseri raudteeliini ääres. Koopad on tekkinud klaasiliiva käsitsi kaevanda­mise tagajärjel aastatel 1922–1966 ja kujutavad endast maa-aluseid võlvikujuliste lagede ja liiva­kivist sammastega käikude süsteemi.

Uute klaasiliivavarude otsimine ja kasutuselevõtmine sundis muutma kaevandustehnoloogiat ja minema üle karjääriviisilisele kaevandamisele, mis toimus alates 1966. aastast. Endiselt jäid aga rakendusse maa-alused transporditeed – kuni 1976. aastani, mil karjääri toodi veoautod, millega veeti liiv raudteejaama. 1948 avastati koobastes nahkhiired, kes seal talvitusid. Nende arvukus on pidevalt suurenenud ja 1981. aastal võeti koopad kaitse alla eesmärgiga kaitsta Baltimaade suurimat talvituvate nahkhiirte kolooniat. Praegu loendatakse Piusas üle 3000 isendi viiest liigist. Nahkhiirte koondumispaikade, eriti talvituspaikade, koobaste, osa on nende loomade kaitses tähtis, allikas: http://www.keskkonnaamet.ee/public/Keskkonnaharidus/piusa_eesti.pdf

Tänaseks on koobastik turvalisuse huvides külastajaile suletud, näha saab vaid väikest osa kindlustatud vaateplatvormilt. Külastuskeskuses otsustati aga koobastikku tutvustada hoopis kaasaegse virtuaalse 3D-tehnoloogia abil. Selleks sobis Eesti firma 3D Technologies R&D tarkvara 3D-kiosk, mis võimaldab 3D-mudeleid interaktiivselt reaalajas näidata. 3D-mudelit saab arvutis ise pöörata ja vaadata mistahes kasutaja valitud nurga alt lähemalt ja kaugemalt ning see erineb interaktiivsuse tõttu 3D-animatsioonist. 3D Technologies R&D tarkvara põhineb omaloodud avatud lähtekoodiga 3D-platvormil 3DMLW. Lahenduse tellija oli Teaduskeskus Ahhaa.

Punkti 3 põhiparameetrit: XYZ, RGB ja intensiivsus

Kuna koobastik on suur ja struktuurilt üsna ühelaadiline, aga teisalt oli eelarve piiratud, siis otsustati esitleda vaid põnevamat osa koobastikust, kus on näha ka mõned aegade jooksul seintesse graveeritud pildid ja nn altarid. Et saada Piusa koobastest täpne 3D-mudel, otsustati rakendada 3D-skaneerimise tehnoloogiat.

Lihtsustatult selgitatuna tulistab laserskanner objektile tuhandeid punkte. Teades iga punkti XYZ-koordinaati ning vaadates neid tervikliku tiheda punktpilvena, näemegi objekti ruumilist kujutist, mis koosneb siiski ainult üksikutest punktidest. Punktide hilisema töötlemise tulemusel saadakse punktipilvest mudel, mille kasutusvõimalusi piirab ainult fantaasia.

Laserskanneri tööpõhimõte on lihtne. Mõõtes laserkiire liikumise aega objektile ja tagasi ning teades horisontaal- ja vertikaalnurka, suudab skanner omistada mõõdistatud punktile XYZ-koordinaadi “skannerisilma” suhtes. Lisaks laserkiire teekonna läbimisele kulunud ajale mõõdab skanner laserkiire intensiivsust (saab infot materjali peegeldumisomaduste kohta) ja omistab punktile RGB-värvikoodi skanneri sees oleva digifotoaparaadi abil. Teades iga punkti XYZ-koordinaati, intensiivsusnäitajat ja RGB-koodi, on objekti analüüsimiseks ja modelleerimiseks kogu vajalik info koos. Edasine sõltub tarkvara võimekusest ja selle kasutaja oskustest.

Skaneerimine koobastes pakkus uusi väljakutseid

Skaneerimisel kasutati Leica HDS 3000 laserskannerit, A4-le prinditud kontrolltähiseid ja laserdistantsmõõdikut, lisavalgusteid ja muid abivahendeid. Skaneerimistöö võib jagada etappidesse: planeerimine (kodutöö), kontrolltähiste paigaldamine kohapeal koos kogu protsessi ette läbimängimisega, skaneerimine ja taas kontoris ühtse punktipilve genereerimine ning puhastamine. Kokku kulus Piusa koobaste skaneerimistöödele koos ettevalmistustega neli tööpäeva, sellest kohapeal kolm tööpäeva. Skaneerimise viis läbi Eesti ettevõte Asis Drafting OÜ.

Võrreldes tavapäraste skaneerimistöödega pakkus koopa skaneerimine mitmeid unikaalseid väljakutseid. Neist peamised olid temperatuurivahemik koopa sees +2 kraadist kuni +15 kraadini, ajal mil väljas oli sooja kuni +35 kraadi, niiskus, koobaste mitmetasandilisus ja sammaste rohkus, pimedus ja võimalik varinguoht. Niiskuse ja temperatuuri mõju oli tuntav hoolimata seadmetele antud aklimatiseerumise ajast. Juba esimestel töötundidel tuli kogeda sülearvuti aku pöördumatut hävinemist, hiljem tõrkus ka fototehnika. Hoolimata tagasilöökidest oli kolmanda päeva lõpuks tehtud skaneerimisi 24 erinevast positsioonist. See tagas mudeli koostamiseks vajaliku tervikliku aukudeta (ehk ilma pimedate aladeta) punktipilve, mis koosnes kokku ligi 16 miljonist punktist. Kontoris kulus ühtse punktipilve genereerimiseks ehk 24 eraldiseisva punktipilve kokkuliitmiseks ja puhastamiseks täiendav tööpäev, mille järel oli punktipilv valmis järgmiseks etapiks – modelleerimiseks.

Välja tulevad ka graveeringud koobaste seintel

Modelleerimiseks kasutas 3D Technologies R&D nii skaneerimise tulemusena saadud punktipilve, kui tegi koobastest fotod. Punktipilv lihtsustati ja trianguleeriti, et seda kasutada 3D-modelleerimistarkvaras. 3D-kunstnik töötles fotosid nii, et need sobiks 3D-mudelis. Mudelile lisati töödeldud fotodest saadud tekstuurid. Selleks hetkeks nägi mudel välja juba suhteliselt realistlik. Tõetruuduse lisamiseks tehti algsest ülidetailsest mudelist normal map, mis toob välja krobelisuse ja graveeringud koobaste seintel.
Valminud 3D-lahenduses saab arvuti vahendusel liikuda ringi nagu arvutimängus. Koobastikku näeb realistlikul kujul ja selle abil saab neist ettekujutuse vaatamata sellele, et neisse füüsiliselt ei pääse. Koobastiku 3D-mudelit saab vaadata reaalajas, st et tegemist ei ole animatsiooniga. Külastaja saab ise otsustada, mis nurga alt ja kuhu käiku ta soovib virtuaalselt minna. Ainus erinevus füüsilistest koobastest on see, et 3D-mudel on valgustatud, et seinad ja sambad oleks näha. Füüsilises koobastikus on muidugi kottpime.
Projekt andis kindlust, et Eestis on ettevõtted ja kompetents selleks, et luua vaatamisväärsustest ja ajaloolistest hävimisohus objektidest realistlikke 3D-lahendusi nende virtuaalseks esitlemiseks. Soovi korral saab nüüd pärast osalist lahendust ka ülejäänud koobastiku skaneerida ja luua põhjalik 3D-mudel, mille abiga tutvustada virtuaalselt Eestit ja meie vaatamisväärsusi, kasutades Eestis loodud tehnoloogiat. Piusa koobastikuga saab virtuaalselt tutvuda peatselt avatavas külastuskeskuses. Info  http://www.lounaleht.ee/index.php?page=1&id=3796

Artikkel ilmus ajakirja Inseneeria 2010 oktoobri numbris. Link ajakirja veebiversioonile.