digitaalinen fotogrammetria: uusi menetelmä suomalaisen arkeologian kentälle?
TRANSCRIPT
Digitaalinen fotogrammetria uusi menetelmä suomalaisen arkeologian kentälle?
Helsingin yliopisto
Filosofian, historian, kulttuurin ja taiteiden tutkimuksen laitos Arkeologian oppiaine
Esitelmä lehtori Antti Lahelman johtamassa proseminaarissa
18.3.2014 Opponentti: Petri Kuronen
Respondentti: Annukka Debenjak
Sisällysluettelo
1. Johdanto s.1
2. 3Dmallintaminen arkeologiassa s.2
2.1 Fotogrammetria s.2
2.1.1 Fotogrammetrian historia s.3
2.1.2 Digitaalinen fotogrammetria ja SfMmenetelmä s.4
2.2 Tietokonemallintaminen kohteen mittojen perusteella tai takymetrin avullas.5
2.3 Etäisyyden kolmiuloitteiseen mittaamiseen sekä valon ja varjon
rajapintojen mittaamiseen perustuvat menetelmät s.6
3. Tutkimuskysymys ja työn tavoitteet s.7
4. Photoscan ohjelman käyttö s.8
5. 3Dmallien tekoprosessi s.11
6. Tulokset s.15
7. Muu tutkimuksessa käytetty aineisto s.17
8. Pohdinta s.18
8.1 Onko menetelmä käyttökelpoinen suomalaisessa arkeologiassa? s.18
8.1.1 Dokumentoinnissa kaivauksilla ja inventoinneissa s.18
8.1.2 Tutkimuksessa s.20
8.1.3 Huonosti sopivat kohteet s.21
8.2 Mahdolliset teoreettiset ongelmat s.21
9. Yhteenveto s.23
Lähteet s.24
Liitteet s.27
1. Johdanto
Arkeologisessa tutkimuksessa kohteen dokumentoiminen mahdollisimman tarkasti on
tarpeen erityisesti silloin, kun se esimerkiksi kaivausten seurauksena tuhoutuu.
Perinteisesti dokumentointi suoritetaan piirtämällä, valokuvaamalla ja mittaamalla niin
kohdetta yleisesti kuin tärkeiksi miellettyjä yksityiskohtia. Dokumentointiprosessiin liittyvät
tässä tapauksessa monenlaiset valinnat siitä, mikä on taltioimisen arvoista, ja millä
tarkkuudella kohteen erityispiirteet tallennetaan. Vaikka yleisesti tiedetäänkin, että se mikä
nykyään mielletään toissijaiseksi voi myöhemmässä tutkimuksessa osoittautua hyvinkin
relevantiksi tiedoksi, löytyy mahdollisuuksia koko kohteen dokumentoimiseen parhaalla
mahdollisella tarkkuudella vain harvoin, sillä yksityiskohtainen dokumentointi vie aikaa ja
vaadittu laitteisto on hyvinkin kallis. Helpotusta tähän perinteisen dokumentoinnin
raskauden aiheuttamaan ongelmaan voisi tuoda kohteen muodot ja pinnan tekstuurin
tallentavien 3Dmallien käyttö (Doneus et al. 2011: 81). Menetelmiä 3Dmallin
tuottamiseen on monia: esine tai rakenne voidaan mallintaa laserkeilaimella (Terrestrial
Laser Scanner), 3Dskannerilla, valokuvaamalla tai työstämällä kohteesta otettuja mittoja
itse mallinnosohjelman avulla. Valitettavasti useimmat 3Dmallinnosmenetelmät ovat
kuitenkin yhtälailla kalliita ja aikaavieviä kuin perinteisemmätkin dokumentointitavat.
Poikkeuksen tähän voisi tehdä valokuviin perustuva Structure from Motion menetelmä
(tästä eteenpäin SfM), joka helppokäyttöisyytensä ja edullisuutensa ansiosta on hyvinkin
potentiaalinen työkalu arkeologisessa dokumentoinnissa. Menetelmään pohjautuvia
tietokoneohjelmia on lukuisia, sekä kaupallisia että avoimeen lähdekoodiin perustuvia (ks.
tarkemmin Kjellman 2012: 13). Potentiaaliinsa nähden menetelmä on kuitenkin saanut vain
niukalti jalansijaa arkeologian parissa. Lieneekö syynä sen oletettu vaikeus ja sitä kautta
pelko tutustua aiheeseen?
Tässä työssä tutustutaan SfMmenetelmään pohjautuvaan Photoscanohjelmaan
(AgiSoft 2014), ja sen käyttöön arkeologisen dokumentoinnin ja tutkimuksen tukena.
Erityisesti esillä on menetelmän käyttö kenttäolosuhteissa, joissa 3Dmallit yleensä jäävät
tekemättä. Menetelmän soveltuvuutta arkeologiseen työhön tutkitaan tuottamalla
1
3Dmalleja eri laatuisista kohteista ja arvioimalla mallien tarkkuutta, laatua ja käytettävyyttä.
Lisäksi työssä pohditaan laajemmin 3Dmalleihin perustuvan dokumentoinnin tulevaisuutta
ja mahdollisia kompastuskiviä, kuten alati karttuvan digitaalisen aineiston tallentamisen ja
jakamisen ongelmia.
2. 3Dmallintaminen arkeologiassa
3Dmalli, eli kolmiuloitteinen esitys halutusta kohteesta, voidaan nykyaikana saavuttaa
monella eri menetelmällä. Menetelmien käytettävyys riippuu kohteen ominaisuuksista: sen
koosta, muodoista ja materiaalista. Ensimmäisiä 3Dmallintamismenetelmiä olivat
fotogrammetria sekä tietokoneella tehdyt karkeat mallinnokset, mutta
maanmittausteknologian ja digitaalisen fotogrammetrian kehittymisen myötä eri
menetelmien valikoima on kasvanut. 3Dmallintamisen yleistymistä rajoittavat kuitenkin
mallien tuottamiseen tarvittavan laitteiston, kuten laserkeilaimen tai takymetrin (total
station) korkea hinta, sekä suuri työmäärä. Vaikka esimerkiksi takymetrillä suoritettu
spatiaalinen dokumentointi on kaivauksilla jo arkipäivää, vaatisi varsinaisen 3Dmallin teko
niin paljon lisäresursseja, että se on vain harvoin mahdollista. Tässä digitaalinen
fotogrammetria erottuu edullisuutensa ja nopeutensa ansiosta edukseen.
Tässä luvussa esittelen arkeologian alalla käytettyjä 3Dmallintamismenetelmiä
sekä arkeologisen 3Dmallintamisen historiaa. Menetelmät voi jaotella valokuvapohjaisiin
eli fotogrammetriaan ja kolmiuloitteiseen etäisyysmittaukseen perustuviin menetelmiin
kuten laserkeilaimeen (Remondino & Rizzi 2010). Kolmantena menetelmäluokkana
voidaan nähdä paikkatietoperusteinen tietokonemallintaminen.
2.1 Fotogrammetria
Fotogrammetria on tiede, joka hyödyntää kuvia sekä laserkeilausta kohteiden muodon ja
ominaisuuksien selvittämiseksi ja 3Dmallintamiseksi (Aaltoyliopisto 2013).
Fotogrammetrian menetelmin on mahdollista tuottaa kaksiuloitteisista valokuvista
2
kolmiuloitteinen esitys yksittäisestä esineestä tai kohteesta. Valokuvissa esiintyvien
yhteisten piirteiden avulla on mahdollista selvittää valokuvien keskinäiset suhteet. Näin
tiedetään miltä mallinnettava kohde näyttää eri suunnista katsottuna, ja näiden tietojen
avulla on mahdollista tuottaa kohteesta kolmiuloitteinen esitys. Reijo Pankka jakaa
fotogrammetrian kolmeen kehitysvaiheeseen: analogiseen, analyyttiseen ja digitaaliseen.
Analogisessa fotogrammetriassa kuvien sijainnit ja suhteet ratkaistaan mekaanisilla
kojeilla kuten stereoskoopilla tai projektiokojeilla. Analyyttisessa fotogrammetriassa
käytetään yhä analogisia valokuvia mutta niiden perusteella tehdyt laskennat suoritetaan
tietokoneella. Digitaalinen fotogrammetria taasen analysoi vain digitaalivalokuvia
tietokoneen avulla. (Pankka 2007: 23).
2.1.1 Fotogrammetrian historia
Varhainen fotogrammetria sai alkunsa vuonna 1859 kun ranskalainen eversti A. Laussedat
kehitti ensimmäisen fotogrammetrisen mittakameran ja mittapöytämenetelmän valokuvien
analysoimiseen. 1900luvun alussa fotogrammetrian ala kehittyi uusien välineiden kuten
stereokomparaattorin ja stereoautografin ansiosta. Ilmavalokuvauksen yleistyttyä 1
fotogrametriaa voitiin soveltaa laajojen alueiden kartoittamiseen ja se yleistyikin
nimenomaan maanmittaus ja kartoitusmenetelmänä, vaikka muitakin sovelluksia oli
esimerkiksi rakenteiden deformaatiomuutoksien ja luonnonkohteiden eroosion
tutkimuksessa. Kulttuuriperintökohteiden taltiointi oli vielä 1970luvulla harvinainen osa
erikoisfotogrammetrian menetelmiä, esimerkiksi arkkitehtuurifotogrammetriaa, joka
keskittyi arkkitehtonisesti monimutkaisten rakennusten tai muistomerkkien
rekonstruoimiseen. Samalla vuosikymmenellä ehdotettiin fotogrammetrian soveltamista
myös antropologisiin tutkimuksiin, kuten kasvonmuotojen dokumentoimiseen. (Alalammi
1972). Tietoisuus fotogrammetrian potentiaalista levisi arkeologian piirissä, esimerkiksi
vuonna 1985 julkaistiin analyyttistä fotogrammetriaa käsittelevä opaskirja Handbook of
heritage photogrammetry (Ogleby & Rivett 1985). Suomessa fotogrammetrisia
1 Stereokomparaattorista ja stereoautografista ks. tarkemmin Alalammi 1972: 10 tai Oxford Index 2014
3
menetelmiä sovellettiin arkeologiaan esimerkiksi Finnish Jabal Haroun Project
tutkimusprojektissa, jossa Fotogrammetrian ja kaukokartoituksen tutkimusryhmä
Teknillisestä korkeakoulusta tuotti digitaalisen fotogrammetrian keinoin 3Dmalleja
Jordanian Aaroninvuoren arkeologisista kaivauksista (Junnilainen et al. 2008).
2.1.2 Digitaalinen fotogrammetria ja SfMmenetelmä
Digitaalinen fotogrammetria sai alkunsa 1990luvulla digitaalikameran yleistymisen myötä.
Teknisestä kehityksestä huolimatta 3Dmallin tuottaminen tietokoneella digitaalivalokuvien
perusteella vaati runsaasti aikaa, sillä työvaiheita oli lukuisia. Vaikka menetelmää
käytettiin, jäi se etenkin kenttätöiden dokumentoinnissa harvinaisuudeksi. (Junnilainen et
al. 2008: 71). Muutoksen toi 2000luvun aikana tapahtunut digitaalisen fotogrammetrian
kehitys ja uudenlaisen Structure from Motion menetelmän syntyminen. Aiemmin
fotogrammetriaan on olennaisesti kuulunut tarkka tieto valokuvien ottopaikasta: ilman
tietoa kameran sijainnista ja etäisyydestä kohteeseen mittatarkan mallin tuottaminen oli
mahdotonta. SfM menetelmään pohjautuvat ohjelmat tekee erityisiksi niiden kyky laskea
kameran sijainti ja tuottaa 3Dmalli pelkästään annetun valokuvasarjan perusteella . Näin 2
kuvasarjan ottaminen on mahdollista pelkällä vapaasti liikkuvalla kameralla. Tämä
nopeuttaa mallinnosprosessia huomattavasti, ja kallista paikkatietojen dokumentoimiseen
Kuva 1: Kuvan esimerkin mukaisesti SfM
menetelmässä kamera liikkuu, ottaen kohteesta
kuvia joka suunnasta. Kuva: A. Debenjak.
2 Tämä työn puitteissa tutustuminen niihin matemaattisiin teorioihin, joihin SfMmenetelmä perustuu, ei ollut mielekästä. Tarkempi johdatus aiheeseen löytyy esimerkiksi kirjasta Structure from Motion (Cipolla, R. & Robertson, P. 2009)
4
vaadittua laitteistoa ei tarvita. (Kjellman 2012: vi). SfMmenetelmän kehitys on tuonut
arkeologian käyttöön lukuisia helppokäyttöisiä, käsivaralla tapahtuvaan valokuvaukseen
perustuvia 3Dmallinnosohjelmia (Doneus et al. 2011: 82). Ohjelmia on sekä avoimeen
lähdekoodiin perustuvia, kuten Bundler, kaupallisia kuten EOS Systemsin PhotoModeler
2012 taikka AgiSoft LLC:n Photoscan sekä internetin kautta toimivia mallinnospalveluita
kuten Autodeskin 123 Catch, ARC 3D, Microsoftin Photosynth tai Hypr3D (Brutto & Meli
2012: 1).
Uutena menetelmänä SfM on herättänyt paljon innostusta, ja aihe on tuottanut lukuisia case
study tyyppisiä tutkimuksia (ks. esimerkiksi Remondino & Rizzi 2010, Plets et al. 2012,
Verhoeven 2011, Doneus et al. 2011). Monikäyttöisyytensä ansiosta menetelmää on
sovellettu mitä erilaisimpiin kohteisiin, ja näistä projekteista syntyneet julkaisut antavat aina
vain tarkempaa tietoa menetelmän mahdollisuuksista ja heikkouksista. Tärkeitä ovat myös
kriittiset, vertailevat tutkimukset, jotka toimivat vastapainona uusien teknologisten
innovaatioden aikaansaamalle, usein ennakkoluulottomalle innostukselle. Esimerkiksi
Brutto & Meli vertailivat tutkimuksessaan SfM menetelmään pohjautuvia ohjelmia
Photosynth, ARC3D, Hypr3D, Autodesk 123Dcatch ja Photoscan (2012), ja arkeologi Erik
Kjellman vertailee työssään SfM menetelmään perustuvaa Photoscan ohjelmaa ja
takymetriä (2012).
2.2 Tietokonemallintaminen kohteen mittojen perusteella tai takymetrin avulla
Tietokoneita on käytetty arkeologisen tutkimuksen tukena 1960luvulta alkaen.
Arkeologisten löytöjen visualisoinnista tietokoneen avulla keskusteltiin jo 1970luvun
alussa, mutta menetelmä nähtiin liian monimutkaisena käytännön työhön. (Kjellman 2012:
07). Tietokoneella tehtävä 3Dmallinnosprosessi kehittyi kuitenkin 1970luvun aikana
huimasti autoteollisuuden tarpeisiin syntyneen solid modeling mallinnosmenetelmän ja
AutoCAD ohjelman ansiosta (Solid Modeling Association 2014, AutoCAD 2014).
5
Arkeologian alalla tietokoneavusteisen visualisoinnin koko potentiaali nousi esille
1980luvun lopussa pioneerien julkaistessa ensimmäisiä mallinnettavan kohteiden mittojen
mukaan tehtyjä 3Dmalleja. (Kjellman 2012: 7. Ensimmäisistä julkaistuista arkeologisista
tietokonemallinnoksista ks. esimerkiksi Arnold et al. 1989, Moscati 1989, Reilly 1989,
Smith 1985). Vuonna 1990 Paul Reilly pohti artikkelissaan Towards a virtual archaeology
3Dmallien tuomia mahdollisuuksia arkeologisessa tutkimuksessa. Reilly nostaa esille
monimutkaisten rakenteiden visualisoinnin mahdollisuudet museokäytössä tai rakennetta
muuten esiteltäessä sekä kolmiuloitteisen dokumentoinnin hyödyt arkeologisilla
kaivauksilla esimerkiksi löytöjen levinneisyyttä tutkittaessa. Museot ja innostuneet
harrastajat ottivatkin menetelmän omakseen, ja esimerkiksi Forten & Siliottin vuonna 1997
julkaistu teos Virtual Archaeology esittelee jo lukuisia varhaisia mallinnosprojekteja
erilaisista kulttuuriperintökohteista.
Tietokonepohjaiset mallinnosmenetelmät vaativat kuitenkin kohteen tarkkoja mittoja,
joiden perusteella 3Dmalli piirretään tietokoneohjelmassa. Kohteen mittaaminen ja
varsinkin itse 3Dmallin piirtäminen ovat aikaa vieviä prosesseja, eikä mallintaminen siksi
yleistynyt osaksi arkeologian rutiinimenetelmiä. 1990 luvun lopussa paikkatietoaineiston
kerääminen mallinnettavasta kohteesta helpottui takymetrin käytön myötä, mutta kerättyjen
kordinaattipisteiden muokkaaminen 3Dmalliksi on silti työlästä ja 3Dmallintaminen siksi
harvinaista.
2.3 Etäisyyden kolmiuloitteiseen mittaamiseen sekä valon ja varjon rajapintojen mittaamiseen perustuvat menetelmät
Digitaalisen maanmittausteknologian kehitys ja laserkeilainten tulo markkinoille 1990luvun
lopussa mahdollisti suurten rakenteiden tarkan mallintamisen. Arkeologiassa
laserkeilaimia käytettiin erityisen vaikuttavien tai tuhoutumisuhan alla olevien rakennuksien
ja muiden kulttuuriperintökohteiden mallintamiseen (Kjellman 2012: 7). Laserkeilain
muodostaa kolmiuloitteisen pistepilviaineiston lasersäteen avulla mitattujen 3
3 Pistepilvi koostuu joukosta pisteitä, joilla kaikilla on x,y ja z kordinaatit. Näiden pisteiden avulla haluttu pinta on mahdollista esittää hyvin tarkasti (Kjellman 2012: vi)
6
etäisyystietojen perusteella. Samanlaiseen mallinnettavan kohteen ja mittalaitteen välisen
etäisyyden mittaamiseen perustuu myös esineiden mallintamiseen soveltuva
laserskanneri. Kohteen pinnalle heijastetun valon ja varjon vaihteluihin perustuvat
esimerkiksi strukturoidun valon (structured light) ja varjojen muotojen (shape from shading)
avulla tuotetut 3Dmallit. Laserkeilainta lukuunottamatta nämä menetelmät vaativat raskaan
ja usein kalliin laitteiston, ja suurien kohteiden mallintaminen niiden avulla on hankalaa.
(Pavlidis et al. 2006: 94–95). Esimerkiksi valovarjo menetelmiä käytettäessä valaistus on
optimoitava ja ulkokohteilla auringonvalo haittaa mallintamista huomattavasti (Gupta et al.
2013). Suhteellisen keveänä laitteena laserkeilain sopii myös arkeologian
kenttäolosuhteisiin. Korkea hinta ja suuri työmäärä rajoittavat kuitenkin laitteen käyttöä,
saadun pistepilviaineiston muokkaaminen 3Dmalliksi kun vaatii aikaa ja asiantuntemusta.
3. Tutkimuskysymys ja työn tavoitteet
SfMmenetelmään pohjautuvat ohjelmat ovat niittäneet suurta suosiota tekniikkaa
harrastavien arkeologien piireissä, esimerkiksi 18th International Conference on Cultural
Heritage and New Technologies konferenssissä suuri osa esityksistä käsitteli
nimenomaan SfMmenetelmin tehtyjä dokumentointeja ja tutkimuksia (CHNT 2013a). Tieto
menetelmän tarjoamista mahdollisuuksista ei kuitenkaan ole saavuttanut suurta yleisöä.
Saattaa olla, että tavalliset arkeologit ohittavat menetelmän mahdollisuuksineen
teknologisena villityksenä, joka kyllä menee ohitse, tai pelko menetelmän hankaluuksista
estää tutustumasta siihen. Menetelmää käsittelevien julkaisujen perusteella näin ei tulisi
tehdä, sillä potentiaalia kyllä on (ks. esim. Kjellman 2012, Verhoeven 2011: 73).
Kannattaisiko menetelmä siis ottaa osaksi jokaisen arkeologin perustaitoja, kuten
geofysiikan tuntemus tai valokuvaus? Tätä kysymystä lähestyn tutustumalla Photoscan
ohjelman käyttöön, työstämällä itse 3Dmalleja eri laatuisista kohteista ja arvioimalla
mallien tekoprosessia. Lisäksi pyrin käsittelemään menetelmään liittyviä kysymyksiä
aiheesta tehtyjen julkaisujen avulla. Tutkimuksella on aiheeseen käytännönläheinen
näkökulma. Pyrkimyksenä on tutustua menetelmään mahdollisimman perusteellisesti, ja
7
saatujen kokemusten perusteella pohtia hyödyntääkö menetelmä Suomen arkeologista
kenttää. Tutkimukseen kuuluu tietenkin mahdollisten virhelähteiden ja omien heikkouksien
tunnistaminen. Esimerkiksi mallintajan tietotekniikkataidot, puutteet laitteistossa (kamera
ja tietokone) ja mallinnettavien kohteiden kuvattavuus sään ja valaistuksen kannalta
vaikuttavat kaikki saatuihin kokemuksiin ja tutkimustuloksiin. Koska tavoitteena on
selvittää menetelmän sopivuutta nimenomaan tavallisen “riviarkeologin” käytettäväksi, ovat
mahdolliset vastoinkäymiset ja kokemattomuus tälle tutkimukselle kuitenkin vain eduksi.
Varhaiset tietokonemallinnokset luotiin kuvittamaan ja visualisoimaan arkeologista
tutkimusta, ja aihetta käsittelevät julkaisut keskittyivät metodeihin ja teknologiaan, joilla
laadukas visualisointi oli mahdollista saavuttaa. Syntyneitä 3Dmalleja käsiteltiin, ja
käsitellään osittain yhäkin, vain niiden graafisten ominaisuuksien kuten tarkkuuden, tai
tekotapansa kautta. Puuttumaan on jäänyt syntyvän valtavan digitaalisen aineiston laajempi
teoretisointi. (Koller et al. 2009). Tutkimuksen puitteissa nostan esille myös ajankohtaisia
kysymyksiä 3Dmallien laaduntarkkailusta, arkistointiongelmista sekä jakamisesta
tiedeyhteisön kesken.
4. Photoscan ohjelman käyttö
Photoscan on AgiSoft LLC yhtiön SfMmenetelmään perustuva kaupallinen ohjelma.
Ohjelman avulla on mahdollista tuottaa korkearesoluutioisia kordinaatistoon sidottuja
ilmakuvia (ortophoto) jopa 5 cm tarkkuudella, sekä yksityiskohtaisia DEM mallinnoksia 4
tai teksturoituja moniuloitteisia mallinnoksia. Pitkälle automatisoitu työprosessi
mahdollistaa ohjelman käytön ilman alan kokemusta. (AgiSoft 2014). Monipuolisuutensa,
edullisuutensa ja helppokäyttöisyytensä ansiosta ohjelma sopii hyvin arkeologiseen
käyttöön. Tässä luvussa esittelen tavalliseen Photoscanilla suoritettuun mallinnosprosessiin
kuuluvat työvaiheet. Selventävät ruutukaappaukset eri työvaiheista löytyvät liitteistä 14.
4 DEMmalleista ks. tarkemmin esimerkiksi Wilson & Gallant 2000: 127
8
Kohteen kuvaaminen:
Ellei ohjelmaan syötetä kameran paikkatietoja, Photoscan mallintaa 3Dmallin kokonaan
valokuvien perusteella. Siksi valokuvausprosessin suunnittelu ja laadukkaiden valokuvien
tuottaminen säästää paljon vaivaa myöhemmissä työvaiheissa. Agisoftin suositusten
mukaan valokuvat tulisi ottaa vähintään 5 megapikselin kameralla. Kohde valokuvataan
joka suunnasta niin, että valokuvat ovat “reilusti päällekkäisiä”, Kjellmanin mukaan
päällekkäisyyden tulisi olla vähintään 60 % (Kjellman 2012: 21). Häiritseviä tekijöitä
kuvattaessa ovat kohteen tai muun valokuvissa esiintyvän objektin liike sekä heijastukset.
Esimerkiksi ulkokohdetta kuvattaessa puiden varjojen liikkeet kohteen pinnalla, tai kostean
pinnan aiheuttamat heijastukset on siis otettava huomioon.
Kuvien lataaminen ja maskeeraaminen:
Photoscanin hyväksymiä kuvatiedostomuotoja ovat JPEG, TIFF, PNG, BMP, JPEG sekä
MPO (AgiSoft 2014). Kohteesta otetut kuvat ladataan ohjelmaan helposti
napinpainalluksella. On huomattava että vaikka kuvatiedostot tästä lähtien näkyvät
ohjelmassa, ei mallien teko onnistu ilman tietokoneelle tallennettuja varsinaisia 5
kuvatiedostoja. Jos tavoitteena on mallintaa esimerkiksi yksittäinen esine, ilman
valokuvissa näkyviä taustoja, on kuvat tässä työvaiheessa maskeerattava. Tämä tarkoittaa
esineen rajaamista niin että kuvien “ylimääräiset” osat jäävät rajauksen ulkopuolelle.
Varsinaiset työvaiheet:
Kun kuvat on otettu ja valmisteltu, esimerkiksi maskeerattu, seuraa itse mallinnoksen teko.
Laadukkaan 3Dmallin tuottaminen vaatii hyvätasoisen tietokoneen. Agisoftin mukaan
esimerkiksi 2 GB keskusmuisti riittää 2030 kuvan käsittelyyn, mutta 200300 kuvan
käsittelyyn tarvitaan jo 12 GB keskusmuistia (AgiSoft 2013: 1). Photoscanissa
mallinnosprosessi on jaettu kolmeen työvaiheeseen. Prosessi on pitkälle automatisoitu,
mutta työvaiheiden alussa on mahdollista muuttaa muutamia asetuksia kuten kulloinkin
suoritettavan työvaiheen tarkkuutta (ks. tarkemmin AgiSoft 2013). Ensimmäisessä
5 kuvatiedostoja voi tietenkin käyttää myös muistitikulta tai kortilta käsin, mutta kirjoittajan kokemuksien mukaan tämä hidastaa mallinnosprosessia huomattavasti.
9
vaiheessa (Aligning photos) ohjelma etsii valokuvasarjasta yhteneväisiä pikseleiden
joukkoja. Näiden perusteella ohjelma laskee kameran sijainnin jokaiselle valokuvalle sekä
muodostaa harvan pistepilviesityksen kohteesta. Usein pistepilviaineistossa esiintyy
muutama virheellinen piste, nämä on mahdollista poistaa itse aineistosta. Jos virheen
aiheuttaja on jokin yksittäinen valokuva, voi valokuvan myös poistaa aineistosta ja suorittaa
työvaiheen uudelleen. Toinen, usein raskain ja pitkäkestoisin työvaihe on mallin
kolmiuloitteisen rakenteen muodostaminen (Building geometry). Tästä syntynyt,
rakenteeltaan korrekti mutta pinnaltaan vielä epätarkka malli voidaan peittää oikealla
tekstuurilla kolmannessa työvaiheessa (Building model texture). Valmis 3Dmalli voidaan
tallentaa Photoscanin omassa tiedostomuodossa PSZ sekä tiedostomuodoissa OBJ,
3DS, VRML, COLLADA, PLY, DXF, U3D ja PDF. Tämä mahdollistaa mallin
jatkokäsittelyn muiden ohjelmien avulla. PDFmuotoinen tallentaminen helpottaa 3Dmallin
jakamista ja esittämistä.
Kuva 2: Vasemmalla ensimmäisen työvaiheen tuloksena syntynyt pistepilvi ja oikealla
valmis 3Dmalli.
10
5. 3Dmallien tekoprosessi
Tutkimuksen aikana tuotettujen 3Dmallien tekoon käytettiin esinemallinnosta
lukuunottamatta 14 megapikselin pokkarikameraa (Panasonic Lumix dmc ft2).
Pokkarikamera valittiin, koska tavoitteena on ohjelman testaaminen nimenomaan
arkipäiväisin välinein. Kuvat prosessoitiin Photoscanin Professional Edition versiolla
1.0.0.1795. Mallinnosten tekoon käytetyn tietokoneen käyttöjärjestelmä on Windows 7 fire
(64 bit.), prosessori AMD Phenom IIx6 1100T 3,3GHz, näytönohjain AMD Radeon HD
6900 ja keskusmuisti 8GB DDR3.
Tutkimuksen aikana mallinnettiin yhteensä neljä kohdetta. Kohteiden valinnassa
huomio ei niinkään kiinnittynyt kohteiden arkeologiseen arvoon, vaan niiden
samankaltaisuuteen tyypillisten suomalaisten arkeologisten kohteiden kanssa.
Mallinnosprosessi dokumentoitiin kuvan 3 taulukon avulla. Ruutukaappaukset
tutkimuksessa tuotetuista 3Dmalleista ovat liitteinä 69.
Malli
1. vaiheen
kesto,
laatuna
high
2. vaiheen
kesto,
laatuna
medium
3. vaiheen kesto,
oletusasetuksilla
Kuvien lkm ja
keskimääräinen
koko
(megabitteinä)
Valokuvaamiseen ja
sen suunnitteluun
käytetty aika
Pihlajamäki 37 min 66 min 5 min 64 ja 5,6 MB 15 min.
Hvitträsk 36 min 44 min 2 min 62 ja 5,5 MB 20 min.
Puolarmetsä 99 min 1023 min 5 min 106 ja 5,6 MB 25 min
Astia päältä
järjestelmä
kameralla
13 min
(align
kolmeen
kertaan) 52 min 1 min 27 ja 6,1 MB
15 min. Lisäksi
maskien teko
Photoscanissa
n. 60min.
Kuva 3: Taulukossa näkyvät 3Dmallien eri työvaiheisiin kulunut työaika, työvaiheissa valittu
laatu tai tarkkuus sekä otettujen valokuvien määrä ja koko.
Tasomaisten kohteiden mallintamisen kokeilemiseksi tavoitteena oli mallintaa osa
tasomaista kaivausaluetta. Valitettavasti tutkimusprosessi aloitettiin niin myöhään, ettei
11
avoimia kaivausalueita kuvausmahdollisuuksineen enää ollut tarjolla. Tästä syystä
tasomaisen kohteen esimerkiksi valikoitui Hvitträskin kalliomaalaus (Museoviraston
ylläpitämän muinaismuistorekisterin kohde Hvitträsk 257010057), josta mallinnettiin noin
kaksi kertaa kolme metriä suuri alue. Tässä mallissa huomio kiinnitettiin siihen, kuinka
hyvin malli toistaa pinnan tekstuuria ja pieniä yksityiskohtia. Kalliomaalaus kuvattiin
otollisella säällä, kallion ollessa kuiva ja pilvien estäessä häiritsevien varjojen syntymisen.
Valittu alue kuvattiin järjestelmällisesti alhaalta ylös ja vasemmalta oikealle, niin että kuvien
päällekkäisyys oli noin 80 %. Lisäksi itse kalliomaalaus kuvattiin uudestaan hiukan
lähempää yksityiskohtien maksimoimiseksi. Mallinnosvaiheessa lähempää otetun
kuvasarjan käyttö kuitenkin sotki pistepilviaineistoa, joten se poistettiin kuvaaineistosta.
Esimerkiksi laajasta, jonkinverran korkeuseroja sisältävästä kohteesta valikoitui
Puolarmetsän pronssikautinen röykkiö (Museoviraston ylläpitämän muinaismuistorekisterin
kohde Bolarskog 49010090). Röykkiö on noin kahdeksan metriä pitkä ja seitsemän metriä
leveä. Korkeuseroa on röykkiön suurimman kiven kohdalla noin yhden metrin verran.
Röykkiössa kasvaa myös nuori mänty, jonka runko toi mallintamiseen omat haasteensa.
Tällaisessa suurikokoisessa kohteessa kuvauksen suunnitteleminen on tärkeää. Röykkiö
päädyttiin kuvaamaan ensin ulkokehältä niin, että sen ulkopuolella kävellen otettiin reilusti
päällekkäisiä kuvia jotka suuntautuivat aina röykkiön keskustaan päin. Toinen kehämäinen
kuvasarja otettiin röykkiön keskeltä sen laitaan suuntautuen. Lisäksi röykkiöön kuuluva
suuri kivi sekä männyn rungon ympäristö kuvattiin kehämäisesti joka puolelta mahdollisten
katvealueiden ehkäisemiseksi. Valitettavasti sää muuttui kesken kohteen kuvaamisen ja
valaistuksen kannalta hyödyllisen pilviverhon takaa paljastui laskeva aurinko, jonka miltei
vaakasuorat valonsäteet aiheuttivat lukuisia varjoja röykkiön pinnalle.
Kolmas tutkimusta varten tehty 3Dmalli Pihlajamäen entisen hyppyrimäen jalustasta
valittiin mittatarkkuuden testaamista varten. Kahden betonisen, noin puoli metriä korkean
tukipylvään välille asennettiin mittanauha, jonka tulisi näkyä 3Dmallissa. Mittanauhaan
tehtiin merkit punaisella teipillä tasan yhden metrin päähän toisistaan. Lisäksi yhteen
tukipylvääseen merkittiin punaisella teipillä vertailupisteet 47 cm päähän toisistaan.
Mallinnosprosessin jälkeen valmiiseen 3Dmalliin luotiin Photoscanissa yhteensä neljä
12
merkkipistettä (marker): kaksi mittanauhalle asetettujen teippien kohdalle ja kaksi
vertailupisteiden kohdalle. Merkkipisteiden väliin luotiin mittajanat (scale bar) ja
mittanauhalla sijaitsevien merkkipisteiden väliselle mittajanalle asetettiin pituudeksi tasan
metri. Tämän jälkeen koko 3Dmalli laskettiin uudelleen Optimize Photo Alignment
työkalun avulla, annettu mittajana huomioon ottaen. Toisen tukipylvään päällä sijaitsevien
merkkipisteiden välisen mittajanan pituus tarkastettiin sitten ohjelman View estimated
työkalun avulla, ja ohjelman laskema etäisyys on 46.5 cm eli etäisyys eroaa
todellisuudessa mitatusta etäisyydestä 5 mm. Tässä on huomattava, että pisteet valittiin
suurennetuista valokuvista käsin tietokoneen näytöltä, mikä on voinut heikentää mallin
tarkkuutta.
Kuva 4: 3Dmallin mittatarkkuuden tutkimus Photoscanissa. Kuvassa pisteiden 1 ja 2
välissä on 1 m pituinen mittajana (scale 1), johon pisteiden 3 ja 4 välistä mittajanaa (scale
2) verrattiin.
Photoscanin mittatarkkuuden ja esinemallintamisen testaamiseksi tutkimukseen
mallinnettiin myös pienikokoisen keramiikkaastian jäljitelmä. Kyseinen astia kuvattiin
sisätiloissa otollisessa valaistuksessa kahdella kameralla: tutkimuksessa käytetyllä
pokkarikameralla sekä Canonin järjestelmäkameralla (Canon 60 D + Canon macro lens
EF 100 mm 1:2.8 L). Eri kameroilla kuvatun aineiston perusteella tehtyjä mallinnoksia
vertailemalla pyrittiin selvittämään kameran laadun vaikutus mallinnoksen laatuun. Astia
kuvattiin neutraalia taustaa vasten ensin ulkopuolelta kummallakin kameralla, sen jälkeen
se käännettiin niin että ruukun sisäpuoli oli näkyvissä ja kuvattiin taas kummallakin
13
kameralla. Näistä kuvaaineistoista pyrittiin luomaan neljä 3Dmallia: ruukun sisä ja
ulkopuolen mallit erikseen kummallakin kameralla. Valmiit kuvat maskeerattiin
Photoscanissa ennen ohjelman ensimmäistä työvaihetta intelligent scissors työkalun
avulla. Ensimmäinen astian 3Dmalli tehtiin helpoimman aineiston eli järjestelmäkameralla
astian ulkopuolelta otetun kuvasarjan avulla. Photoscanin ensimmäisen työvaiheen
tuloksena syntynyt pistepilvi ei kuitenkaan vastannut odotuksia: kameran lasketut sijainnit
eivät vastanneet todellisuutta ja pistepilven pisteet levittäytyivät laajalle alueelle
noudattamatta astian muotoja. Työvaihe suoritettiin tästä syystä uudestaan, toisella kerralla
niin ettei ohjelma ottanut huomioon kuviin tehtyjä maskeerauksia vaan käytti ensimmäisen
työvaiheen laskutoimituksessa valokuvien kaikkia yksityiskohtia. Tämäkään vaihtoehto ei
tuottanut haluttua tulosta, vaan pistepilven pisteet ryhmittyivät nyt pitkälle janalle. Ennen
kolmatta yritystä tietokone käynnistettiin uudestaan mahdollisten laitteistosta johtuvien
haittojen minimoimiseksi, ja valokuvien maskit otettiin taas käyttöön. Yllättäen syntynyt
pistepilvi oli nyt astian muotoinen ja valokuvien lasketut sijainnit olivat säännönmukaiset ja
todellisuutta vastaavat. Myöhemmin tietokoneen lämpötilaseurantaa tarkastettaessa selvisi
että tietokoneen lämpötila oli noussut liian korkeaksi, mikä on voinut aiheuttaa Photoscanin
toiminnassa ilmenneet ongelmat. Valitettavasti itse mallinnosprosessissa kävi ilmi, että
muissa mallinnoksissa käytetyllä pokkarikameralla otettujen kuvasarjojen tarkkuus ei
riittänyt vertailukelpoisen esinemallinnoksen tekoon. Myöskään järjestelmäkameralla
kuvattu kuvasarja ruukun sisäpuolesta ei valaistusolosuhteista johtuen ollut tarpeeksi tarkka
3Dmallin tuottamiseen. Tästä syystä astiasta mallinnettiin vain ulkopuoli
järjestelmäkameralla otettujen kuvasarjojen perusteella. Saadun 3Dmallin mittatarkkuuta
tutkittiin kahden merkkipisteiden väliin asetetun mittajanan avulla, aivan kuin Pihlajamäen
hyppyrimäen 3Dmallissa. Ensimmäisen mittajanan pituudeksi asetettiin astiasta mitattu
10,7 cm, jonka perusteella 3Dmalli laskettiin uudelleen Optimize Photo Alignment
työkalun avulla, annettu mittajana huomioon ottaen. Tämän jälkeen ohjelman arvioimaa
toisen mittajanan pituutta 9,9582 cm verrattiin astiasta mitattuun todelliseen pituuteen 9,9
14
cm. Pyöristettäessä ohjelman antamaa janan pituutta samalle tarkkuudelle kuin
tutkimuksessa mitattu pituus (9,9 cm), olisi tulos 1,0 cm. Näin mitattuna 3Dmallin tarkkuus
on 1 mm.
6. Tulokset
Aikaansaatuja 3Dmalleja arvioitaessa huomio kiinnitettiin työskentelyprosessiin, eli kuvien
ottamiseen ja 3Dmallin tekoon tietokoneella, sekä kohteesta riippuen valmiin mallin
muoto ja väriyksityiskohtiin tai mittatarkkuuteen. Muoto ja väriyksityiskohtia tutkittiin
vertailemalla kohteesta otettuja valokuvia valmiiseen malliin. Mittatarkkuutta tutkittiin
Photoscanin mittatyökalun avulla. Pääpiirteittäin tutkimuksen neljän 3Dmallin
mallinnosprosessi onnistui, sillä kaikista otetuista kuvasarjoista onnistuttiin Photoscanin
avulla tekemään 3Dmalli. Poikkeuksena tästä pokkarikameralla keramiikkaastiasta
otetun kuvasarjan työstäminen kaatui jo ensimmäiseen työvaiheeseen. Tutkimukseen
käytetty tietokonekin suoriutui muutamaa kaatumista lukuun ottamatta hyvin tehtävistään, ja
kaikki mallit onnistuttiin koosta riippumatta työstämään samalla, korkealla tarkkuudella.
Tarkkuudesta jouduttiin tinkimään vain toisen (raskaimman) työvaiheen kohdalla, jolloin
tarkkuus laskettiin korkeasta normaaliin (ks. tarkemmin kuva 3). Hvitträskin
kalliomaalauksen 3Dmalli tehtiin tutkimuksessa ensimmäisenä. Vaikka ohjeiden
tarkastaminen manuaalista lisäsikin työaikaa hiukan, sujui mallinnosprosessi
automatisoidun ohjelman ansiosta helposti. Aikaansaatu 3Dmalli on vähäiseen
työmäärään nähden vaikuttava. Malli toistaa hyvin pinnan muotoyksityiskohtia: valokuvissa
erottuvat pienetkin kallionhalkeamat ja kolot näkyvät mallinnoksessa silloinkin, kun sitä
tarkastellaan solid model muodossa, jossa pinnan tekstuuri puuttuu. Samoin pinnan
tekstuuri toistaa hyvin valokuvissa nähdyt yksityiskohdat. Mallin tekstuuri on kuitenkin
hiukan ylivaloittuneen näköinen, ja tässä ero valokuviin on ilmeinen. Vaikka 3Dmalli
muutoin toistaa erinomaisesti kaikkia valokuvissa näkyviä yksityiskohtia, on esimerkiksi
kokonaiskuvan saaminen kalliomaalauksesta hankalaa juuri tekstuurin liiallisen kirkkauden
vuoksi.
15
Puolarmetsän röykkiön 3Dmalli on mallinnetun pintaalan ja valokuvien määrän
suhteen tutkimuksen suurin. Suuren alueen kuvaaminen oli suunniteltava huolella, jotta
kuvamateriaalia saataisiin tarpeeksi. Myös turhien kuvien ottamista vältettiin, sillä se
hidastaisi mallinnosprosessia tietokoneella. Saadun 106 valokuvan aineiston
mallintaminen oli silti vaativa prosessi, jossa liikuttiin selkeästi tietokoneen suorituskyvyn
ylärajoilla. Röykkiöstä tehty malli vastaa kokonaisuudessaan hyvin valokuvia. Koska
katvealueita syntyy röykkiötä kuvattaessa helposti, takimmaisten kivien jäädessä
etummaisten taakse piiloon, kiinnitettiin tässä mallinnoksessa huomio erityisesti aukkoihin
mallinnoksen pinnassa. Näitä ei kuitenkaan esiinny muualla kuin aivan mallinnoksen
reunoilla, varsinaisen röykkiön ulkopuolella. Pinnan muotoyksityiskohdat toistuvat hyvin,
mutta tekstuuri muuttuu mallia lähempää katseltaessa nopeasti pikselimäiseksi ja
epäselväksi. Tässä kameran laatu ei ole ollut riittävä, ja esimerkiksi järjestelmäkameralla
otetun valokuvasarjan perusteella tehty 3Dmalli saattaisi olla huomattavasti tarkempi.
3Dmallin mittatarkkuuta testattiin myös Pihlajamäen hyppyrimäen mallissa.
Hyppyrimäen mallinnosprosessi sujui hyvin, ja syntynyt malli vastaa lievästi ylivaloittunutta
tekstuuria lukuunottamatta hyvin todellisuutta. Mittatarkkuutta tutkittiin Photoscanin
työkalujen avulla (ks. selostus s. 14–15) ja tulokseksi saatiin 5 mm virhe. Tuloksen
luotettavuutta heikentää kuitenkin se, että merkkipisteet asetettiin Photoscanissa
silmämääräisesti eikä esimerkiksi tarkkojen kordinaattien avulla, ja 1 metrin mittajanaan
verrattavia mittajanoja oli vain yksi. Mielekästä olisi ollut tutkia mittatarkkuutta useamman
kuin yhden vertailupisteparin avulla tarkemman virhemarginaalin selvittämiseksi.
Vaativin kaikista mallinnosprojekteista oli keramiikkaastiasta tehty 3Dmalli. Astian
mallinnosprosessi oli ainoa, jossa Photoscan ei kyennyt suorittamaan työvaiheita suoraan,
vaan mallien teko työvaiheiden uudelleen suorittamista. Lopulta vain järjestelmäkameralla
kuvattu astian ulkopuoli voitiin mallintaa onnistuneesti. Saatu 3Dmalli vastasi tekstuurin
suhteen hyvin todellisuutta, ainoat puutteet ovat mallinnetun astian pohjassa esiintyvät
muutamat röpelöt, joita ei ole oikeassa astiassa. 3Dmallin mittatarkkuutta tutkittiin
Photoscanin työkalujen avulla, ja yllättäen saatu tarkkuus oli 1 mm. Tuloksen
luotettavuuteen vaikuttavat kuitenkin samat tekijät kuin Pihlajamäen 3Dmallin kohdalla.
16
7. Muu tutkimuksessa käytetty aineisto
Itse tehtyjen 3Dmallien lisäksi tutkimuksessa tutustuttiin myös muihin Photoscanilla
toteutettuihin arkeologisiin mallinnosprojekteihin. Tromsøn museon raportti kokonaan
Photoscanin ortophoto menetelmän avulla dokumentoidusta kaivauksesta on esimerkki
siitä, kuinka menetelmää voi soveltaa suuremmissakin mittasuhteissa (Gjerde & Hole
2013). Samankaltainen 3Dmallien avulla tehty kaivausdokumentaatio esiteltiin myös 18th
International Conference on Cultural Heritage and New Technologies konferenssissä,
mutta konferenssin puheenvuorosta ei kirjoitushetkellä ole vielä julkaisua (CHNT 2013b).
Kaivauksen osia ovat Photoscanilla dokumentoineet muun muassa Doneus et al. (2011)
sekä Kjellman (2012).
Julkaisuissa kaivausalue on dokumentoitu järjestelmäkameralla ylhäältäpäin,
esimerkiksi tikkaiden päältä tai kiinnittämällä kamera pitkän seipään päähän. Saadusta
kuvamateriaalista on Photoscanin avulla tuotettu yksi tai useampi 3Dmalli, tai Tromsøn
tapauksessa kaksiuloitteinen, karttaa vastaava kordinaatistoon sidottu ilmakuva.
Verrattaessa Photoscanilla tehtyä kaivaustason 3Dmallia laserkeilaimella tuotettuun
malliin mittatarkkuuden on todettu olevan sama (Doneus et al. 2011: 84). Kjellman vertailee
tutkimuksessaan Photoscanilla tuotettua 3Dmallia takymetriin. Tuotetun mallin laadun ja
käytetyn työajan suhteeseen perustuvassa vertailussa Photoscan osoittautui takymetriä
tehokkaammaksi dokumentointimenetelmäksi (Kjellman 2012: 47–63).
Altain vuoristossa sijaitsevasta koristellusta kivipaadesta tehty 3Dmalli osoittaa,
kuinka huolella tehty 3Dmalli voi tuoda esille myös uusia tietoja, näkyvillä olevan pinnan
dokumentoimisen lisäksi. Gentin yliopiston tutkimusryhmän dokumentoimassa
kivipaadessa olevat kaiverrukset olivat pahoin rapautuneet ja vain heikosti näkyvillä.
Paadesta tehdyssä 3Dmallissa näkyy kuitenkin sellaisiakin kaiverruksen yksityiskohtia,
jotka eivät olleet ihmissilmin nähtävissä (Plets et al. 2012: 891). Uutta tietoa kohteesta toi
myös Antti Lahelman tekemä 3Dmalli Virolahdessa sijaitsevasta röykkiöstä. Mallissa
röykkiöstä erottuu selkeästi kaksi kehää, jotka itse kohteessa jäivät huomaamatta, kenties
röykkiön koon ja maastonmuotojen vuoksi (Lahelma, henkilökohtainen tiedonanto 2013).
17
Kuvakaappaus röykkiön 3Dmallista löytyy liitteestä 5.
Vertaillakseen Photoscania ja 3Dskanneria Wesa Perttola ja Janne Ikäheimo
mallinsivat saman pullon kummallakin menetelmällä (Perttola & Ikäheimo, henkilökohtainen
tiedonanto 2014). Saatuja 3Dmalleja vertailtaessa Photoscanin heikkoudet
esinemallinnoksessa tulevat selkeästi ilmi. Photoscanilla tuotetun mallin pinnalla on
röpelöä, jota ei esiinny 3Dskannerilla tehdyssä pullon mallissa eikä todellisessakaan
pullossa. Photoscanilla tehty malli on myös hiukan todellista pulloa pidempi.
8. Pohdinta
8.1 Onko menetelmä käyttökelpoinen suomalaisessa arkeologiassa?
8.1.1 Dokumentoinnissa kaivauksilla ja inventoinneissa?
Tutkimukseen kuuluvan aineiston perusteella digitaalinen fotogrammetria on
käyttökelpoinen dokumentointimenetelmä. Menetelmä soveltuu erityisesti erilaisten
tasomaisten kohteiden kuten kaivausalueiden dokumentoimiseen, vaikka niissä olisikin
jonkin verran korkeuseroja. Verrattaessa Photoscanilla suoritettua kaivaustason
dokumentointia ja sen tuloksena syntynyttä 3Dmallia takymetrillä suoritettuun
dokumentointiin, Photoscan osoittautuu tehokkaammaksi (Kjellman 2012: 4763).
Menetelmä ei heikennä dokumentoinnin laatua, sillä tarkkuudeltaan Photoscanilla
kaivaustasosta tehty 3Dmalli vastaa laserkeilaimella tuotettua mallia (Doneus et al. 2011:
84). Samaa todistavat myös tutkimuksen aikana tehdyt 3Dmallit. Astiasta ja Pihlajamäen
hyppyrimäestä tehtyjen 3Dmallien tutkimus osoittaa mittatarkkuuden oleva 15 mm.
Puolarmetsän röykkiöstä tehty 3Dmalli osoittaa, että laadukas malli on mahdollista
aikaansaada myös sellaisesta kohteesta, jossa on paljon korkeuseroja, ja puunrungot
häiritsevät kuvausta. Myös Hvitträskin kalliomaalauksen tasomaisesta pinnasta tehty
3Dmalli toistaa kohteen muoto ja väriyksityiskohtia erinomaisesti, ja mallin ainoa puute
on tekstuurin liiallinen kirkkaus.
18
Usein kiireen ja pienen budjetin vaivaamissa kaivaus ja inventointiprojekteissa
menetelmän etuna on lisäksi vaivaton työprosessi. Valokuvaaminen esimerkiksi
kaivauksella on nopeaa, ja varsinainen 3Dmalli on mahdollista tuottaa myöhemmin
kenttätöiden jälkeen. Jos työvaiheiden tarkkuusasetukset säätää minimiin, Photoscanin
käyttäminen onnistuu myös kannettavalla tietokoneella. Tällöin kaivausalueesta otettu
kuvasarja on mahdollista prosessoida heti kentällä 3Dmalliksi, josta nähdään onko
kuvasarja tarpeeksi laadukas, eikä virheitä dokumentoinnissa pääse syntymään. On myös
huomattava että vaikka 3Dmallin tuottaminen suuresta alueesta saattaa kestää ohjelmalta
montakin tuntia, ei tätä voi laskea aktiiviseksi työajaksi sillä tietokone tekee työn eikä sen
valvonta ole tarpeen. Inventoinnissa menetelmän etuna on kevyt laitteisto verrattuna
esimerkiksi laserkeilaimeen, jonka käyttöä rajoittavat akkujen lyhyt kesto ja laitteen paino.
Järjestelmäkamera on helppo kantaa mukana, ja kuvasarjan ottaminen matkan aikana
vastaan tulleesta erityisen mielenkiintoisesta kohteesta ei kestä kauan. Kotona
kuvasarjasta on mahdollista tuottaa 3Dmalli, jonka tarkastelu auttaa mahdollisten
jatkotutkimusten suunnittelussa tai kohteen esittelyssä.
Tavanomaisin dokumentointimenetelmin, piirtämällä ja valokuvaamalla, tuskin
saavutetaan tämän tarkempia tuloksia. Voidaan kuitenkin esittää, että piirtämällä on
mahdollista dokumentoida tarkemmin sellaisia yksityiskohtia, jotka eivät erotu valokuvissa
niin kuin luonnossa. Tällaisia voivat olla esimerkiksi maannosten rajat. Tromsøn museon
kaivauksilla ongelma ratkaistiin piirtämällä varsinainen dokumentoiva kartta Photoscanilla
tuotetun, tulostetun ilmakuvan (ortophoto) päälle (Gjerde & Hole 2013: 36). Myös T18th
International Conference on Cultural Heritage and New Technologies konferenssissä
esitellyssä kaivausdokumentoinnissa 3Dmallit tuotettiin heti kentällä ja maannosten rajat
piirrettiin tietokoneella itse malliin (CHNT 2013b).
Menetelmällä on mahdollista mallintaa myös esineitä ja muita pieniä kohteita. Tämä
osoittautui tutkimuksessa hiukan työteliäämmäksi muunlaisiin kohteisiin verrattuna, sillä
mallia varten otettu kuvasarja piti maskeerata, eikä Photoscan silti kyennyt suorittamaan
ensimmäistä työvaihetta heti ensimmäisellä yrityksellä. Etenkin mallinnetun astian
kaltaisten yksiväristen, pienien esineiden kohdalla kuvausolosuhteilla (valaistus ja käytetty
19
kamera) näyttää olevan suuri vaikutus mallintamisprosessiin. Perttolan ja Ikäheimon
kokeilussa Photoscanilla tehty pullon 3Dmalli oli puutteellinen niin mittasuhteiltaan kuin
pinnan yksityiskohtien suhteen. Esineiden mallintamisessa suuri mittatarkkuus on yleensä
tärkeää, mikä tässä tapauksessa jäi Photoscanilla saavuttamatta. On kuitenkin
huomattava, että pullosta tehdyn 3Dmallin puutteet saattavat johtua myös inhimillisestä
virheestä tai muusta ohjelman ulkopuolisesta seikasta, esimerkiksi otettujen valokuvien
laadusta, kohteen valaistuksesta tai tietokoneen tehoista. Jotta varsinaisia päätelmiä
voitaisiin tehdä, olisi kokeilu toistettava lukuisilla esineillä. Photoscanilla on joka
tapauksessa mahdollista tuottaa alkuperäiskohdetta hyvin esittävä 3Dmalli tilanteisiin,
joissa absoluuttinen mittatarkkuus ei ole niin tärkeää. Esimerkiksi arkeologian
popularisointi museoissa ja julkaisuissa saattaisi saada lisäväriä esineistä tehdyistä
PDFmuotoisista 3Dmalleista. Lisäksi on huomioitava, että vain harvalla taholla on
hallussaan esimerkiksi 3Dskanneri tai muu väline, jolla esineiden mallintaminen sujuisi
parhaalla mahdollisella tarkkuudella. Tällöin digitaalinen fotogrammetria on käytännössä
ainoa tarjolla oleva menetelmä 3Dmallien tuottamiseen.
8.1.2 Tutkimuksessa
Tutkimuskäyttö erotetaan tässä dokumentoinnista siinä mielessä, että tutkimus luo uutta
tietoa eikä vain dokumentoi jo tiedossa olevaa. Digitaalinen fotogrammetria soveltuu
erityisesti sellaisten kohteiden tutkimukseen, joiden kokonaisvaltainen näkeminen ei ole
mahdollista. Tällaisia kohteita ovat esimerkiksi laajalle alueelle levittyvät rakenteet, joiden
tarkastelu on helpompaa lintuperspektiivistä vapaasti liikuteltavan 3Dmallin avulla. Näin
Lahelman 3Dmalli röykkiöstä toi esille sellaista tietoa, jota ei kohteessa paikan päällä
nähnyt (Lahelma 2013). Koska menetelmä kykenee toistamaan pienetkin
muotoyksityiskohdat, sopii se paljain silmin katsoettaessa piiloon jäävien piirteiden
paljastamiseen erilaisilta pinnoilta, kuten tutkimuksessa esitelty Altain vuoriston kivipaasi
osoittaa (Plets et al. 2012: 891).
20
8.1.3 Huonosti sopivat kohteet
Myös digitaalisella fotogrammetrialla on puutteensa. 3Dmallin teko valokuvien perusteella
rajaa pois sellaiset kohteet, joiden valokuvaaminen jo sinänsä on hankalaa. Ihmistä
korkeampia rakenteita kuvattaessa avuksi on otettava tikkaat tai kameraseiväs, mutta
esimerkiksi korkeaa taloa mallintaessa kuvat olisi saatava ylempien kerrosten tasalta, jotta
tulos olisi tarkka. Tiheässä metsässä puut saattavat haitata näkyvyyttä, varsinkin jos niiden
varjot lisäksi liikkuvat kohteen pinnalla. Lisäksi kohteet jotka heijastavat vahvasti valoa,
kuten kiiltävät metalliobjektit, ovat hankalasti mallinnettavissa. Läpinäkyvästä tai
kuultavasta lasista koostuvien kohteiden mallintaminen ei myöskään ole mahdollista.
(AgiSoft 2013: 4). Myös menetelmän tarkkuus saattaa rajoittaa sen käytettävyyttä.
Esimerkiksi esineitä mallinnettaessa 3Dskanneri osoittautui Perttolan ja Ikäheimon
kokeilussa digitaalista fotogrammetriaa tarkemmaksi menetelmäksi.
8.2 Mahdolliset teoreettiset ongelmat
On tyypillistä, että uuden teknologisen menetelmän noustessa suosioon esille tulevat vain
menetelmän käytännölliset puolet ja onnistuneet, hyödylliset sovellukset. Myös digitaalinen
fotogrammetria noudattelee tätä trendiä. Aihetta käsittelevistä julkaisuista suuri osa
esittelee menetelmää hyötyineen, ja menetelmää koskevia tapaustutkimuksia (case study)
on lukuisia. Menetelmässä mahdollisesti piilevät teoreettiset puutteet ja ongelmat sen
sijaan ovat jääneet vähälle huomiolle. Koller et al. käsittelee näitä aiheita julkaisussaan
(2009) ja nostaa syystäkin esille kysymyksiä 3Dmallien laaduntarkkailusta,
arkistointiongelmista sekä jakamisesta tiedeyhteisön kesken. Myös Teija Oikarinen
käsittelee ajankohtaisia kysymyksiä pohtiessaan arkeologisen datan digitalisoitumisen
aikaansaamia vaikutuksia ja ongelmia (Oikarinen 2013).
Arkeologiseen 3Dmallintamiseen liittyy neljä keskeistä ongelmaa: tuotettujen
3Dmallien säilyttämisen ongelmia ei ole käsitelty eikä ratkaistu tyydyttävästi, tietoa jo
mallinetuista kohteista ei ole, julkaisuissa käytetyn vertaisarvioinnin kaltaista 3Dmallien
21
laadunarviointimenetelmää ei ole, ja tästä syystä 3Dmallien tekijöillä ei ole
mahdollisuuksia saavuttaa tieteellistä näkyvyyttä julkaisemalla tuottamiaan malleja (Koller
et al. 2009). 3Dmallintamisen potentiaalin hyödyntäminen arkeologisena dokumentointi ja
tutkimusmenetelmänä vaatii myös mallinnosprosessilta tieteellistä tasoa. Välineitä
3Dmallien tuottamiseen on monia, ja kaikilla menetelmillä on etunsa ja haittapuolensa.
Jotta malleja voitaisiin käyttää tieteelliseen tutkimukseen on mallintamisprosessi
dokumentoitava tarkasti, jotta prosessin aikana tapahtuneet virheet ja käytetyn
mallintamismenetelmän mahdolliset puutteet tulisivat esille. Vertaisarvionti voisi olla sopiva
menetelmä 3Dmallien laaduntarkkailuun (Koller et al. 2009).
3Dmalleja tuotetaan arkeologisista kohteista yhä enenevässä määrin niin
kiinnostuneiden arkeologien yksityisenä harrastuksena, osana tapaustutkimuksia tai
dokumentointia tai esimerkiksi museoiden näyttelyitä varten. Osa malleista jää tyystin
julkaisematta, ja tutkimuksissa tuotettujakaan 3Dmalleja ei voi tallentaa paperille niin kuin
perinteistä kaivauskertomusta. Tästä syystä monet tasokkaatkin 3Dmallit saattavat
unohtua yksityisille kovalevyille tiedeyhteisön saavuttamattomiin. Tietotekniikan nopean
kehityksen varjopuolena on tiedostomuotojen, ja siten myös digitaalisten 3Dmallien,
vanhentuminen. Olisikin ensiarvoisen tärkeää, että myös digitaaliselle arkeologiselle
aineistolle olisi asianmukainen arkisto, joka huolehtii tiedostojen siirrosta tulevaisuuden
tallennusjärjestelmiin. Esimerkiksi Kansallinen Digitaalinen Kirjasto pyrkii digitaalisten
kulttuuriperintöaineistojen saatavuuden ja pitkäaikaissäilytyksen mahdollistamiseen (KDK
2014).
Nykyisten standardien mukaan nähtynä 3Dmalli on laadukas menetelmä halutun
kohteen tallentamiseen. Olisi kuitenkin muistettava, että aika, ja samalla
tutkimuskysymykset ja lähdemateriaalille asetetut vaatimukset muuttuvat. On lyhytnäköistä
uskoa, että alkuperäinen kulttuuriperintökohde olisi mahdollista korvata 3Dmallilla, sillä
mallinnoksessa jäävät monet erityispiirteet tallentamatta. Pelkästään kohteen muodot ja
pinnan tekstuurin tallentavan mallin perusteella ei voi tehdä materiaaliin liittyviä tutkimuksia.
Mallinnoksessa kohde on myös irrotettu alkuperäisestä ympäristöstään, eli sen
kontekstista puuttuu osa. Erityisen haitallinen on tilanne, jossa ajankohtaiset
22
tutkimuskysymykset valikoituvat helposti saatavilla olevien 3Dmallien perusteella, itse
kohteiden painuessa unholaan tai jopa tuhoutuessa. 3Dmallien tuottaminen olisikin
nähtävä eräänlaisena aineiston valikoitumisprosessina, jossa tietoisuus prosessiin
sisältyvästä akateemisesta vastuusta ja tehtyjen päätösten seurauksista on tärkeää.
9. Yhteenveto
Arkeologisen dokumentoinnin päämääränä on tehdyn tutkimuksen ja tuhoutuvien kohteiden
tallentaminen jälkipolville ja tulevaisuuden tutkijoille. Jotta päämäärä voitaisiin saavuttaa,
tulisi dokumentointi suorittaa tarkimmilla saatavissa olevilla menetelmillä. Digitaalisen
fotogrammetrian avulla tuotettu 3Dmalli on tämän tutkimuksen puitteissa tuotettujen
mallien sekä tutkimuskirjallisuuden perusteella potentiaalinen menetelmä valitun kohteen
muotojen ja pinnan tekstuurin tallentamiseen, sekä kohteen visualisoimiseen. Tehdyn
tutkimuksen perusteella menetelmä sopii edullisuutensa ja helppokäyttöisyytensä ansiosta
dokumentointimenetelmäksi Suomen arkeologisessa kentässä erityisesti kaivauksilla ja
inventoinneissa. Lisäksi menetelmää on mahdollista käyttää kohteiden visualisointiin
esimerkiksi museokäytössä ja tutkimustarkoituksessa uusien piirteiden paljastamiseen
sellaisilta kohteilta, joiden kaikki yksityiskohdat eivät ole paljain silmin nähtävissä. On
kuitenkin muistettava, että digitaalisen fotogrammetrian keinoin tuotettu 3Dmalli ei korvaa
alkuperäistä kohdetta. Verrattain uutena menetelmänä digitaalinen fotogrammetria ei ole
vielä herättänyt laajaa keskustelua arkeologian tiedeyhteisössä, ja menetelmään liittyvät
julkaisut ovat enimmäkseen tapaustutkimuksia. Menetelmän laajempi teoretisointi olisi
kuitenkin tärkeää siinä piilevien puutteiden kartoittamiseksi. Myöskin keskustelu
menetelmän seurauksena syntyneen laajan digitaalisen aineiston käyttötavoista,
laatustandardeista ja arkistoinnista olisi paikallaan, jotta digitaalisen fotogrammetrian
potentiaalia voitaisiin hyödyntää koko arkeologisessa tiedeyhteisössä.
Kiitokset: Kirjoittaja kiittää Wesa Perttolaa tuesta ja monista vinkeistä Photoscanin käytössä.
23
Lähteet
Elektroninen aineisto:
Aaltoyliopisto 2013. Fotogrammetria.
<http://maa.aalto.fi/fi/geoinformatiikan_tutkimusryhmagma/fotogrammetria_ja_kauk
okartoitus/> (Luettu 8.11.2013)
AgiSoft LLC 2014. Photoscan Professional.
<http://www.agisoft.ru/products/photoscan/professional/> (Luettu 8.2.2014)
AgiSoft LLC 2013. Agisoft Photoscan User Manual: Professional Edition, Version 1.0.0.
<http://downloads.agisoft.ru/pdf/photoscanpro_1_0_0_en.pdf> (Luettu 30.12.2013)
AutoCAD 2014. Autocad overview.
<http://www.autodesk.com/products/autodeskautocad/overview> (Luettu 4.3.2014)
CHNT 2013a. Abstracts. <http://www.chnt.at/program2013abstrac/> (Luettu 9.2.2014)
CHNT 2013b. Image based 3Dmodelling.
<http://www.chnt.at/imagebased3dmodelling/> (Luettu 9.2.2014)
KDK (Kansallinen digitaalinen kirjasto) 2014. Tietoa hankkeesta.
<http://www.kdk.fi/fi/tietoahankkeesta> (Luettu 7.3.2014)
Oxford Index 2014. Stereo Comparator.
<http://www.oxfordreference.com/view/10.1093/acref/9780199609055.001.0001/ac
ref9780199609055e3576> (Luettu 4.3.2014)
Solid Modeling Association 2014. Solid modeling. <http://solidmodeling.org/> (Luettu
4.3.2014)
Painamattomat lähteet:
Lahelma, A. 2013. Henkilökohtainen tiedonanto.
Ikäheimo, J. & Perttola, W. 2014. Henkilökohtainen tiedonanto.
Tutkimuskirjallisuus:
Alalammi, P. 1972. Ilmakuvauksen ja fotogrammetrian perusteet. Turun Yliopiston
24
Maantieteen laitos, Turku
Cipolla, R. & Robertson P. 2009. Structure from Motion. M. Varga (toim.) Practical Image
Processing and Computer Vision, John Wiley
Forte, M. & Siliotti, A. 1997. Virtual Archaeology: ReCreating Ancient Worlds. Harry N.
Abrams Incorporated, New York.
Ogleby, C. & Rivett, L. 1985. Handbook of heritage photogrammetry, Australian
Government Publishing Service, Canberra
Pankka, R. 2007. Digitaalisen fotogrammetrian menetelmien vertailua puustotunnusten
estimoinnissa. Metsätieteellinen tiedekunta, Joensuun yliopisto
Wilson, J.P. & Gallant, J.C. 2000. Terrain Analysis: Principles and Applications. John
Wiley, New York
Painetut lähteet:
Arnold, C. J., Hugget, J. H., Reilly, P., Springham S. 1989. Mathrafal: a case study in the
application of computer graphics. Rahtz & Richards: 147–156.
Brutto, M. & Meli, P. 2012. Computer vision tools for 3D Modelling in Archaeology.
International Journal of Heritage in the Digital Era 1 (1): 1–6
Doneus, M. Verhoeven, G. Fera, M. Briese, C. Kucera, M. and Neubauer, W. 2011.
From deposit to point cloud – a study of lowcost computer vision approaches for
the straightforward documentation of archaeological excavations. Geoinformatics 6
(XXIIIrd International CIPA Symposium): 81–88.
Gjerde, J.M. & Hole, J.T. 2013. TØNSNES HAVN, TROMSØ KOMMUNE, TROMS
Rapport frå dei arkeologiske undersøkingane 2011 og 2012. Tromura 44
Gupta, M. Yin, Q. Nayar, S. K. 2013. Structured Light in Sunlight. IEEE International
Conference on Computer Vision (ICCV)
Junnilainen, H. Koisitinen, K. Latikka, J. Haggrén, H. Erving, A. Heiska, N. 2008. The
cartographic documentation in the FJHP excavations. Teoksessa Fiema, Z. T. &
Frösén, J. (toim.) Petra the mountain of Aaron. Volume 1: the church and the
chapel: 61–86. Societas Scientiarum Fennica, Helsinki.
25
Kjellman, E. 2012. From 2D to 3D A photogrammetric revolution in archaeology?
Department of Archaeology and Social Anthropology, University of Tromsø
Koller, D. Frischer, B. and Humphreys, G. 2009. Research challenges for digital archives of
3D cultural heritage models. Journal on Computing and Cultural Heritage 2 (3):
1–17
Moscati, P. 1989. Archeologia e informatica: I’esperienza di Neapolis. Rivista IBM XXV
(1): 24–27
Oikarinen, T. 2013. Arkeologinen data digitalisoitumisen kynnyksellä, Muinaistutkija
2/2014: 45–56
Pavlidis, G. Koutsoudis, A. Arnaoutoglou, F. Tsioukas, V. and Chamzas, C. 2006.
Methods for 3D digitization of Cultural Heritage. Journal of Cultural Heritage 8 (1):
93–98
Plets, G. Gheyle, W. Verhoeven G. De Reu, J. Bourgeois, J. Verhegge, J. Stichelbaut B.
2012. Threedimensional recording of archaeological remains in the altai
mountains. Antiquity 86: 884–897.
Reilly, P. 1989. Data Visualization in Archaeology. IBM Systems Journal 28 (4): 569–579
Reilly, P. 1990. Towards a virtual archaeology. K. Lockyear, & S. Rahtz (toim.) Computer
Applications in Archaeology, Oxford: British Archaeological reports (Int. series
565): 133–139
Remondino, F. & Rizzi, A. 2010. Realitybased 3D documentation of natural and cultural
heritages sites – techniques, problems, and examples, Applied Geomatics 2 (3):
85–100
Smith, I. 1985. Romans make a hightech Comeback: Sid and Dora’s bath show pulls in
the crowd. Computing, June 1985: 78
Verhoeven, G. 2011. Taking Computer Vision Aloft – Archaeological Threedimensional
Reconstructions from Aerial Photographs with Photoscan. Archaeological
Prospection 18(1): 67–73
26
Liite 2. Ensimmäisen työvaiheen jälkeen Photoscan on laskenut kameran sijainnit
valokuvien perusteella, ja muodostanut kohdetta esittävän pistepilviaineiston. Lähde: A.
Debenjak
28
Liite 3. Toisen työvaiheen jälkeen Photoscan on pistepilviaineiston perusteella
muodostanut kohteen ulkomuodot toistavan 3Dmallin. Lähde: A. Debenjak
29
Liite 4. Kolmannen työvaiheen seurauksena 3Dmallin muodot on “pinnoitettu” valokuvien
pohjalta lasketulla tekstuurilla. Lähde: A. Debenjak
30
Liite 5. Photoscanin avulla tehty 3Dmalli Virolahdessa sijaitsevasta röykkiöstä.
Ruutukaappaus mallista PDFmuotoisena. Lähde: A. Lahelma
31