Czym jest chmura punktów — i do czego można ją wykorzystać?
Chmura punktów to surowe punkty pomiarowe ze skanu: miliony pojedynczych pomiarów z x, y, z i kolorem, bez żadnej interpretacji, co jest ścianą, a co sofą.
Krótka odpowiedź: Chmura punktów to plik z surowymi punktami pomiarowymi ze skanu. Każdy punkt to jeden pomiar: położenie w przestrzeni (x, y, z) i najczęściej kolor. W chmurze punktów nie ma ścian, drzwi ani pomieszczeń — są tylko punkty, które akurat leżą tam, gdzie były powierzchnie. Chmura punktów jest więc dokumentacją tego, co faktycznie zmierzono, a rzut i model 3D są interpretacją. Popularne formaty plików to PLY, XYZ, PTS i LAS.
Chmura punktów, rzut i model 3D to trzy różne rzeczy
Gdy dom jest skanowany LiDAR-em, powstają trzy warstwy rzeczywistości i warto trzymać je osobno:
- Chmura punktów to pomiary. Surowe, nieedytowane, z dziurami tam, gdzie nie skierowałeś telefonu, i z szumem tam, gdzie powierzchnia była błyszcząca albo ciemna.
- Rzut to interpretacja w 2D: ktoś — oprogramowanie albo człowiek — zdecydował, że te punkty tworzą ścianę, i poprowadził przez nie prostą kreskę.
- Model 3D to interpretacja w 3D: ściany z grubością, drzwi z ościeżnicami, podłogi i sufity, zbudowane na podstawie rzutu.
Oznacza to, że rzut jest zawsze ładniejszy niż chmura punktów, a chmura punktów jest zawsze uczciwsza. Krzywa ściana stoi krzywo w chmurze punktów i prosto w rzucie. Jeśli chcesz udokumentować, jak dom naprawdę wyglądał tego dnia, chmura punktów jest twoim dowodem.
Jak powstaje punkt
Czujnik LiDAR w iPhonie lub iPadzie mierzy odległość, wysyłając impulsy światła i odmierzając czas, po którym wracają. Wynikiem jest obraz głębi: siatka odległości, jedna liczba na piksel.
Żeby powstała chmura punktów, każdą z tych odległości trzeba przeliczyć na położenie w przestrzeni. Wymaga to, żeby telefon wiedział, gdzie sam stał i w którą stronę był skierowany, gdy wykonywano pomiar. Śledzi to za pomocą kamery i czujników ruchu. Odległość plus położenie i kierunek telefonu dają jeden punkt w świecie — a kolor jest pobierany z obrazu kamery w tym samym miejscu.
Gdy zrobisz to dla każdego obrazu głębi w trakcie chodzenia po domu, kończysz ze setkami tysięcy lub milionami punktów we wspólnym układzie współrzędnych. To jest chmura punktów.
Dlatego obowiązuje też bezlitosna zasada: w miejscu, gdzie nie skierowałeś telefonu, nie ma punktów. Za sofą, na szafie, wewnątrz szafy — jest dziura. Chmura punktów nie potrafi zgadywać; na tym polega cała jej wartość.
Przerzedzanie, zasięg i dlaczego punkty się wyrzuca
Surowa chmura punktów z przejścia przez dom jest często o wiele za gęsta: wiele milionów punktów, z których większość leży jeden na drugim, bo filmowałeś tę samą ścianę z trzech kątów. Dlatego niemal zawsze się ją przerzedza, zanim zostanie zapisana do pliku.
Popularna metoda to siatka: przestrzeń dzieli się na małe sześciany i zostawia po jednym punkcie na sześcian. Siatka 2 cm daje chmurę, w której punkty nigdy nie leżą bliżej niż 2 cm — aż nadto, żeby zobaczyć kształt pomieszczenia i na nim mierzyć, a plik można wysłać mailem zamiast zajmować kilka gigabajtów.
Tnie się też zasięg. Pomiary bliższe niż około ćwierć metra to zazwyczaj twoja własna ręka albo ościeżnica, obok której przeszedłeś. Pomiary dalsze niż około pięć metrów szumią na telefonie z LiDAR-em tak bardzo, że szkodzą bardziej, niż pomagają. HouseSense trzyma się więc tego przedziału, gdy zapisuje chmurę punktów — lepiej mniej punktów, którym można zaufać, niż wiele, które kłamią.
Przykład obliczeniowy: Pomieszczenie 4,12 × 3,05 m i wysokości 2,50 m ma około 62 m² powierzchni (podłoga, sufit i cztery ściany). Przy jednym punkcie na 2 × 2 cm daje to 62 ÷ 0,0004 = około 155 000 punktów — gdyby trafić we wszystko. W rzeczywistości będzie ich mniej, bo meble zasłaniają i nie uchwycisz każdego centymetra kwadratowego.
Formaty plików: PLY, XYZ, PTS i LAS
Chmury punktów wymienia się w czterech formatach, na które najpewniej natrafisz:
- PLY (Stanford PLY) — najpopularniejszy dla chmur punktów ze skanów. Można go zapisać binarnie, żeby plik był mniejszy, i niesie kolor na punkt. Otwierany przez CloudCompare i MeshLab.
- XYZ — czysty tekst, jedna linia na punkt: x, y, z i ewentualnie r, g, b. Najprostszy istniejący format, czytany przez wszystko, ale pliki są duże, bo liczby zapisane jako tekst zajmują dużo miejsca.
- PTS — tekstowy format geodety. Podobny do XYZ, ale w pierwszej linii ma liczbę punktów i zwykle zakłada, że Z wskazuje w górę, tak jak liczą narzędzia pomiarowe.
- LAS — binarny format z geodezji i lotniczego LiDAR-a. Zwarty, dobrze zdefiniowany i to właśnie o niego najczęściej prosi geodeta albo inżynier. Tu także Z wskazuje w górę.
Zwróć uwagę na różnicę kierunków — to najczęstszy błąd przy przekazywaniu chmury punktów dalej. Programy graficzne zwykle przyjmują, że w górę wskazuje Y, podczas gdy świat geodezji przyjmuje, że w górę wskazuje Z. Jeśli dom dociera do odbiorcy położony na boku, prawie zawsze właśnie to się stało, a naprawia się to jednym obrotem o 90 stopni.
HouseSense zapisuje chmurę punktów we wszystkich czterech: PLY i XYZ są zorientowane tak jak model 3D, a PTS i LAS są zapisywane z Z w górę, tak jak oczekują narzędzia geodety.
Do czego więc używa się chmury punktów?
Do czterech rzeczy, w kolejności malejącej częstości w zwykłym domu:
- Dokumentacja. Tak wyglądał dom, gdy go przejąłem. Ma to wartość przy przekazaniu nieruchomości, przy szkodzie wilgociowej, przy sprawie ubezpieczeniowej albo przed remontem, w którym coś się burzy.
- Pomiary kontrolne po powrocie. Jeśli zapomniałeś zmierzyć wnękę, możesz zmierzyć ją potem w chmurze punktów — nawet pół roku później, gdy nie masz już dostępu do domu.
- Podstawa dla doradcy. Architekt lub inżynier może nałożyć swój własny rysunek na chmurę punktów i zobaczyć, czy pasuje do rzeczywistości, zamiast ufać twojemu rysunkowi.
- Krzywe i nieregularne elementy. Łukowe ściany, sklepienia, stare domy szachulcowe i skosy, które rzut siłą rzeczy upraszcza. Chmura punktów nie upraszcza.
Z drugiej strony nie wysyłaj chmury punktów malarzowi ani posadzkarzowi. Potrzebują powierzchni i rzutu w PDF-ie, a nie pliku z setkami tysięcy punktów, do którego otwarcia nie mają programu.
Chmura punktów nie powie, czym rzeczy SĄ
Najważniejsze, co trzeba zrozumieć o chmurze punktów, to że ona niczego nie wie. Przy punktach na ścianie nie stoi „ściana”. Nie ma rozróżnienia między zasłoną a oknem za nią, między podłogą a dywanem, między murem nośnym a regałem, który stoi pod nim.
Wszystko, co wygląda na wiedzę — nazwy pomieszczeń, powierzchnie, grubości ścian, drzwi — to coś, co program albo człowiek nałożył na punkty potem. A pytanie, czy ściana jest nośna, nie ma odpowiedzi ani w chmurze punktów, ani w rzucie, ani w modelu 3D. Wymaga konstruktora budowlanego albo inżyniera.
Ale właśnie dlatego, że chmura punktów niczego nie interpretuje, jest jedynym plikiem w zestawie, w którym możesz wrócić i zobaczyć, co faktycznie zmierzono. Dlatego warto ją zachować.