Fotogrametria w Bałtyku - Tworzenie modeli 3D popularnych wraków

tekst i grafiki: Bartłomiej Pitala

Czas nie jest sprzymierzeńcem wraków spoczywających w morskich głębinach i… nic w tym dziwnego. W końcu każdy statek nawet ten, który dopiero co opuścił stocznię, potrzebuje regularnych przeglądów i konserwacji, aby być zdolnym do wykonywania swoich zadań i nie popaść przy tym w ruinę. Wielu nurków wręcz twierdzi, że odwiedzane przez nich wraki zauważalnie zmieniają się z sezonu na sezon oraz że najbliższe kilka lub kilkanaście lat, to ostatni dzwonek na oglądanie majestatycznych i owianych niesamowitą historią wraków okrętów z czasów I czy II wojny światowej. Czy możemy temu zaradzić? Niestety nie. Czy możemy coś zrobić, aby w jakiejś formie zachować te wraki dla przyszłych pokoleń? Zdecydowanie tak! Tutaj bardzo dobrze sprawdzają się wszelkie formy dokumentowania jak np. fotografia czy filmowanie. W czasach kamer sportowych i wszechobecnej cyfryzacji wiele słynnych wraków zostało już udokumentowanych przez rzesze odwiedzających je nurków. Jednak nawet zdjęcie wykonane w najbardziej przejrzystych wodach, pokazuje nam tylko fragment, ułamek pięknej całości, jaką stanowi wrak. Bez bujnej wyobraźni taki fragment ciężko jest połączyć z pozostałymi częściami, aby stworzyły kompletną całość. Podkreślam raz jeszcze, że mówimy o przejrzystych wodach. W morzach nieco bardziej kapryśnych, które nie rozpieszczają dobrymi warunkami, takich jak np. Bałtyk, często zmuszeni jesteśmy oglądać wrak niemal po omacku. Jak więc w takich warunkach zrobić wartościowe zdjęcia czy filmy?

Teraz wyobraź sobie drogi czytelniku, że dysponujesz technologią pozwalającą na bardzo dokładne udokumentowanie każdego, nawet najmniejszego fragmentu wraku i to w warunkach kiepskiej widoczności, a następnie przedstawienie go w formie trójwymiarowej fotografii. Tego typu zdjęcie możesz w dowolny sposób obrócić, powiększyć czy zajrzeć do wnętrz. Zupełnie tak, jakbyś tam był. Myślisz, że to abstrakcja i pobożne życzenie? Otóż nie! Taka technologia już istnieje i jest to fotogrametria podwodna.

Słowa fotogrametria i fotografia brzmią bardzo podobnie, ale czy obie techniki łączy coś poza nazwą? Oczywiście, że tak! Fotogrametria to technika pozwalająca na tworzenie bardzo dokładnych modeli 3D na podstawie zwykłych zdjęć. Takich, jakie możesz zrobić telefonem, aparatem czy kamerą sportową. Pierwotnie technika ta była wykorzystywana przede wszystkim w kartografii, jednak z czasem okazało się, że znajduje szerokie zastosowania w innych dziedzinach – cyfryzacji eksponatów muzealnych, tworzeniu elementów do gier wideo i wirtualnej rzeczywistości na podstawie obiektów istniejących w świecie rzeczywistym, a nawet do budowy cyfrowych, w pełni trójwymiarowych modeli zatopionych wraków oraz korytarzy zalanych jaskiń. Ponadto na stworzony obiekt 3D nakładana jest tekstura wygenerowana na podstawie fotografii wykorzystanych w procesie. Mamy więc do czynienia dosłownie z trójwymiarowym zdjęciem.

Taki trójwymiarowy model ma mnóstwo zastosowań. Przede wszystkim możemy zobaczyć jednostkę w całości po raz pierwszy od momentu zatonięcia. Dokładnie tak, jak widzieli ją nasi przodkowie, gdy jeszcze pływała po morzach i oceanach. To samo w sobie jest już nie lada osiągnięciem. Jednak tutaj pojawiają się kolejne możliwości! Dla nurków i baz nurkowych jest to świetne narzędzie przy planowaniu nurkowań. Po co omawiać wrak przy użyciu starego, często nieaktualnego i mało dokładnego szkicu, skoro można szczegółowo pokazać każdy element, obracając model dowolnie zmienić perspektywę, zaplanować cały przebieg nurkowania i zwrócić uwagę na charakterystyczne elementy i możliwe zagrożenia? Taki cyfrowy model może być również cenny dla archeologów, historyków i placówek naukowych, jak np. uniwersytety czy muzea. Wykonany zgodnie z prawidłami sztuki pozwala na pomiary, inwentaryzację, ocenę zniszczeń i innych parametrów w odniesieniu do całości wraku, a wszystko bez konieczności polegania jedynie na konkretnych kadrach ujętych na zdjęciach i filmach.

Wielu ludzi, którzy mieli okazję oglądać mnie podczas skanowania fotogrametrycznego, pytało – „Okej, czyli po prostu robisz zdjęcia, wrzucasz do programu i on tworzy ci model 3D?”. No cóż, tak, ale nie do końca. To trochę tak, jakby powiedzieć, że nurkowanie na głębokość stu metrów, to założenie butli na plecy, zejście na sto metrów i powrót na powierzchnię. Łatwizna, ale czy aby na pewno? Z fotogrametrią jest podobnie. Tak, podstawę stanowią zdjęcia obiektu, którego model chcemy wykonać. Inne częste pytanie brzmi– „a ile trzeba zrobić tych zdjęć?”. To zależy. W przypadku małych obiektów, jak np. kubek lub dziecięca zabawka wystarczy kilkadziesiąt. Dla większy obiektów typu budynek, maszyna, pojazd prawdopodobnie potrzebne będzie kilkaset zdjęć. Z kolei w przypadku wraków często mówimy o tysiącach zdjęć. Dlaczego aż tyle? Ponieważ programy komputerowe wykorzystywane do tworzenia fotogrametrycznych modeli ze zdjęć nie potrafią zgadywać. Jeżeli jakiegoś elementu naszego obiektu nie ujmiemy na zdjęciu, a najlepiej na kilku zdjęciach wykonanych z różnych perspektyw, to program nie będzie umiał go zbudować. Równie ważna jest odpowiednia „zakładka” pomiędzy zdjęciami. Kolejne kadry muszą się ze sobą pokrywać, najlepiej w minimum 60-70%, tak, aby program zorientował się, które ujęcia przedstawiają te same fragmenty i jak połączyć je ze sobą w jedną całość. Skoro już jesteśmy przy programie, to muszę wspomnieć, że jest on niesamowicie zasobożerny. Wykonanie dużego, składającego się z kilku lub kilkunastu tysięcy zdjęć modelu, to nawet dla laptopa z najwyższej półki co najmniej kilkadziesiąt godzin przetwarzania na różnych etapach. Trzeba się więc nauczyć cierpliwości, szczególnie gdy na którymś z etapów okaże się, że nasz długo wyczekiwany model nie wyszedł tak, jak oczekiwaliśmy i konieczna jest zmiana parametrów całego procesu.

Jak wspominałem wcześniej, technika fotogrametrii powstała „na powierzchni”, dlatego nie uwzględnia specyficznych warunków panujących pod wodą jak np. zmienność wizury, pływające przed obiektywem paprochy i osady wzbite z wraku, zmienny balans bieli czy konieczność użycia sztucznego doświetlania. Wydaje się, że zmiennych i trudności jest tu zbyt dużo, aby to mogło się udać… A jednak się udaje. Chociaż nie zawsze. Nie będę tu wchodził w techniczne zawiłości procesu fotogrametrii, ponieważ jest ich zbyt wiele, aby móc je rzetelnie przedstawić w artykule, nawet niezwykle obszernym. Posługując się moją wcześniejszą analogią do nurkowania na głębokość stu metrów, nie da się go dokładnie opisać w kilkudziesięciu zdaniach.

Skąd więc pomysł na tak karkołomne zadanie, jak tworzenie fotogrametrycznych modeli 3D wraków spoczywających w Morzu Bałtyckim? Gdy pierwszy raz usłyszałem o fotogrametrii (a w szczególności tej podwodnej) na webinarze prowadzonym przez Mariusza Milkę, od razu pomyślałem, że możliwość zobaczenia pięknych wraków leżących w Bałtyku i to w całości, bez względu na wizurę, na ekranie komputera czy nawet telefonu, z dowolnego miejsca na Ziemi, to byłoby coś! W tamtym momencie miałem jednak na koncie całe zero stworzonych modeli i wiedzę w tej tematyce, która również oscylowała wokół zera. Zacząłem więc z zapałem zgłębiać tajniki fotogrametrii i próbować tworzyć swoje pierwsze powierzchniowe modele 3D. Następnie przyszedł czas na pierwsze modele podwodne, pierwsze duże frustracje, zrezygnowanie i niejednokrotnie chęć rzucenia tego w cholerę. Jednak za każdym razem wracałem i brnąłem naprzód. Usprawniałem swój sprzęt, dopracowywałem proces robienia zdjęć i podejmowałem próby z kolejnym wrakiem. W końcu udało mi się stworzyć coś, co wówczas (koniec 2021 roku) uznałem za swoje opus magnum– kompletny skan fotogrametryczny wraku koparki z kamieniołomu w Jaworznie. Było to naprawdę duże wyzwanie. Zarówno pod kątem wielkości, jak i ilości detali. Efekt przeszedł jednak moje najśmielsze oczekiwania. Zbudowana na podstawie ponad 7 tys. zdjęć koparka wyglądała jak wyjęta spod wody (model, o którym mówię, można zobaczyć w Internecie, pod adresem https://skfb.ly/orJzM.

Wtedy uznałem, że jestem gotowy, aby spróbować swoich sił w Bałtyku. Moim celem stał się wrak niemieckiego trałowca „Munin” z okresu IIWŚ. Jest to pięknie zachowany i kompletny wrak, który odwiedzających nurków wita skierowaną w ich stronę lufą działa kalibru 105mm. Ten wrak to dla wielu nurków symbol i pamiątka pierwszego nurkowania na „prawdziwym”, głębokim (42m) wraku Morza Bałtyckiego. Takim symbolem był również dla mnie.

Niestety, Bałtyk wystawił moją cierpliwość na poważną próbę i na dwóch kolejnych wyjazdach nie pozwolił na wykonanie skanu. Bez zbytniej przesady mogę powiedzieć, że nigdy nie natrafiłem na „Trale” na tak słabą wizurę, jak teraz, kiedy potrzebowałem zrobić tysiące zdjęć… Dopiero za trzecim podejściem, w maju 2022 roku dostałem wiadomość, że warunki na Helu są dobre, a jak na Zatokę to nawet bardzo dobre. W praktyce oznaczało to wodę o temperaturze 4°C stopni widoczność na poziomie 6-8 metrów. Spakowałem więc swój nurkowy dobytek i po raz trzeci wybrałem się w liczącą 700 km podróż z Krakowa na Hel…

Muszę jednak zaznaczyć, że pierwsze dwie próby podjęte na Morzu Bałtyckim nie były czasem straconym. Zupełnie inne warunki niż te, które znałem do tej pory, m.in. całkowita ciemność panująca na głębokości, na której spoczywa wrak, sprawiły, że mój zestaw fotogrametryczny zupełnie nie radził sobie ze zdjęciami. Były one niedoświetlone, a ze względu na stosunkowo dużą prędkość poruszania się po wraku (żeby skan nie trwał 5-6 czy nawet więcej godzin), również „ruszone”. Dlatego na trzeci wyjazd zaopatrzyłem się w dodatkowe, mocne lampy i wyważyłem zestaw tak, żeby na wraku móc robić zdjęcia nieprzerwanie przez 70-80 minut, bez zauważalnego zmęczenia rąk (Zdj. 1 + Podpis: Autor w trakcie robienia zdjęć do modelu.

Pierwsze wejście do wody, opadam wzdłuż opustówki na dno znajdujące się na głębokości 42m. Jest nieźle. Faktycznie widoczność sięga ok. 7-8 metrów. To aż nadto i więcej mi nie trzeba. Oby tylko warunki utrzymały się przez kilka następnych dni. Skan wraku tej wielkości, to nie jest temat na jedno, nawet bardzo długie nurkowanie. Po 80 minutach nurkowania i dokładnym obfotografowaniu całej części dziobowej, aż do nadbudówki, rozpoczynam wynurzenie. Zrobiłem prawie 5 tys. zdjęć. Po powrocie do mieszkania błyskawicznie uporządkowałem sprzęt i od razu usiadłem do laptopa. Jeśli zacznę przetwarzać model już teraz, to może jeszcze przed pójściem spać, zobaczę chmurę punktów, czyli pierwszy etap przetwarzania modelu, na którym widać wstępnie, czy zrobione zdjęcia były wystarczająco dobre. Po kilku godzinach widzę ową chmurę i… jest dobrze! Wyraźnie widać zarysy wraku, pięknego działa, pokładu i części nadbudówki. Dokładnie o to chodziło!

Następny dzień i kolejne nurkowanie. Tym razem będzie jednak znacznie trudniej. O ile pływanie wzdłuż burt i pokładu jest proste, to złapanie na zdjęciach nadbudówki, każdej poręczy, wszystkich zagięć, okienek i to z każdej możliwej strony, jest o wiele trudniejsze. Oczywiście to wszystko najlepiej bez wzbudzania osadów, które sprawiłyby, że program może się pogubić. Do tego jeszcze wnętrze z pięknie zachowanym drewnianym kołem sterowym, drugim oprócz działa elementem, który każdy nurek zabiera w pamięci po nurkowaniu na „Trale”. 70 minut później, po obcykaniu całej nadbudówki i kawałka rufy nadchodzi moment powrotu na powierzchnię. Niestety, jeszcze w trakcie nurkowania zauważam, że widoczność miejscami ewidentnie się pogorszyła. To niedobrze, gdyż przede mną jeszcze co najmniej jedno nurkowanie…

Mój plan na trzeci dzień zakłada fotografowanie rufy oraz „doróbki” w miejscach, które z chmury punktów i wstępnego modelu zdają się wyglądać na wybrakowane. Niestety, po dotarciu na dno okazuje się, że na wysokości około 1-1,5 metra od dna idzie prąd, w którym widoczność nie przekracza 2-3 metrów. Mimo to, skoro już jestem na miejscu, to decyduję się spróbować. Może jednak program sobie poradzi? Robię zdjęcia z bardzo bliska, tak, aby jak najmniej szumów znajdowało się pomiędzy wrakiem a obiektywem kamery. Po około 40 minutach mam już wszystkie potrzebne zdjęcia, więc kończę nurkowanie. Po wyjściu z wody i dotarciu do mieszkania, od razu wrzucam dorobione zdjęcia i rozpoczynam proces tworzenia modelu całego wraku z ponad 10 tys. zdjęć, które wykonałem na przestrzeni ostatnich trzech dni. Program rozpoczyna pracę, informując mnie przy okazji, że za około 10 godzin zakończy pierwszy etap i pokaże mi chmurę punktów kompletnego wraku… Jak już wspominałem, fotogrametria uczy cierpliwości. Jednak ja nie wytrzymam do rana, dlatego nastawiam budzik na środek nocy, żeby od razu móc sprawdzić, czy pomimo pogorszenia się wizury, uda się stworzyć kompletny model 3D.

Nie jest źle! Na chmurze punktów widać zarysy całego wraku i wszystkie charakterystyczne elementy, na których mi zależało. Zauważam jednak, że w części rufowej wraku, wzdłuż burt jakość jest wyraźnie gorsza – to skutek wspomnianego mętnego prądu. Trzeba będzie trochę „poczarować” z ustawieniami i pomóc programowi w połapaniu się, jak to wszystko złożyć. Jednak na to czas przyjdzie w następnych tygodniach, już po moim powrocie do Krakowa. Na razie puszczam kolejny etap przetwarzania, na podstawie tej wybrakowanej chmury, tak, aby jutro móc już zobaczyć wstępny model 3D mojego „Trałowca” i wracam do spania…

Finalny efekt moich działań z tych kilku dni pracy nurkowej i komputerowej możecie zobaczyć w Internecie, pod adresem https://skfb.ly/ouLBo. Tworząc ten konkretny model, byłem bardzo zaskoczony, jak wiele elementów wraku pozostawało dla mnie niezauważalnych, pomimo kilkudziesięciu nurkowań, które wykonałem na nim w przeszłości. Nowe elementy konstrukcyjne, niewidziane wcześniej kształty, a nawet nowe wnętrza – to wszystko ukazał mi mój model.

Na tym samym wyjeździe, korzystając ze sprzyjających warunków, udało mi się jeszcze wykonać model równie popularnego parowego holownika „Abille”. W planach mam też kolejne, zarówno głębsze (60-80m), jak i płytsze wraki Zatoki Gdańskiej. Bogaty w nowe doświadczenia wychwyciłem następne miejsca na poprawę techniki i sprzętu, uwzględniając m.in. znacznie ograniczony czas przebywania na głębokościach przekraczających 60 metrów. Być może w niedługo nadarzy się okazja zeskanowania kilku kultowych wraków innego, znacznie cieplejszego i bardziej przejrzystego morza. Jednak na razie to tylko plany. Wszystkie moje obecne i przyszłe modele możesz drogi czytelniku obejrzeć w Internecie pod adresem https://sketchfab.com/bart.pitala. Mam nadzieję, że oglądanie ich sprawi Ci, choć namiastkę tej przyjemności, którą ja odczuwam z dobrze wykonanej pracy w jednym z najbardziej wymagających, a zarazem najpiękniejszych mórz świata.