Detail předmětu

Rekonstrukce a analýza 3D scén

FSI-SR0-AAk. rok: 2022/2023

Předmět se zabývá zpracováním mračna bodů (point cloud). Tato oblast je velmi důležitá v reverzním inženýrství, ale také v dalších oblastech jako robotika, geografie, autonomní systémy v dopravě, atd. V první části kurzu se studenti seznámí s typy snímání a algoritmy pro zpracování mračna bodů, například detekce objektů, registrace. Část algoritmů bude prakticky programována v softwaru Matlab (studenti mohou používat libovolný programovací jazyk).
V laboratoři bude provedeno skenování modelu pomocí optického skeneru ATOS a dále v učebně s pomocí ručních skenerů. Studenti se seznámí se softwarem na zpracování mračna bodů GOM Inspect, Rhinoceros a softwarem Voxelizer pro 3D tisk. Jedna přednáška bude věnována také 3D tisku a ve cvičení provedeme 3D tisk navržených nebo skenovaných modelů.
Pro otestování naprogramovaných algoritmů bude využita sada Arduino Engineering Kit. V závěru semestru budou studenti pracovat na implementaci některé z metod podle svého zájmu, kterou na závěr obhájí.

Jazyk výuky

angličtina

Počet kreditů

4

Garant předmětu

Mgr. Jana Procházková, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav matematiky (ÚM)

Výsledky učení předmětu

Hlavní přínosem pro studenty je porozumění problematice mračna bodů, jejich snímání (3D skenování), využití (3D tisk, analýza scény při použití platformy Arduino) a následném zpracování (algoritmy detekce hran, detekce objektů, sesazování, atp.).

Prerekvizity

základní znalosti analýzy a algebry (matice, derivace) a základy počítačové grafiky, doporučená je znalost jakéhokoliv programovacího jazyka (C, C++, Pascal, atd. ) nebo programu (Matlab apod.)

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Přednáška seznámí studenty s metodami pro snímání a zpracování mračna bodů. Cvičení jsou propojena s praktickými ukázkami v softwaru Matlab. Dvě cvičení se uskuteční v laboratoři s optickým skenerem ATOS (kalibrace a snímání modelu). Jedno cvičení bude věnováno 3D tisku s použitím tiskárny Voxelizer. Dále bude použit Arduino Engineering Kit pro demonstraci a praktické ověření algoritmů zpracování okolí.
V závěru semestru budou studenti pracovat na vybraném tématu, případně provedeme dodatečná skenování pro potřeby projektu.

Způsob a kritéria hodnocení

Studenti vypracují projekt ze studované problematiky, který na konci semestru obhájí.

Učební cíle

Hlavním cílem předmětu je získat přehled v oblasti snímání mračen bodů a jejich zpracování, které se v praxi používají. Praktická část předmětu seznámí studenty s principy 3D skenování, 3D tisku a návrhu algoritmu pro práci se 3D scénou. Studenti se také seznámí s platformou Arduino pro test některých metod.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Účast na cvičeních je povinná, přednášky doporučené (souvisí přímo s cvičením).

Základní literatura

HUGHES, John F. Computer graphics: principles and practice. Third edition. ISBN 978-0-321-39952-6. (EN)
SHIRLEY, Peter. Fundamentals of Computer Graphics. 2nd ed. Welesley: A K Peters, c2005. ISBN 1-56881-269-8. (EN)
WEINMANN, Martin. Reconstruction and Analysis of 3D Scenes. Switzerland: Springer, 2016. (EN)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program N-AIM-A magisterský navazující 2 ročník, letní semestr, volitelný
  • Program N-MAI-A magisterský navazující 1 ročník, letní semestr, povinně volitelný

  • Program CŽV celoživotní vzdělávání v akr. stud. programu

    obor CZV , 1 ročník, letní semestr, povinně volitelný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

13 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Mgr. Jana Procházková, Ph.D.

Osnova

Přednášky:
1. týden: Popis metod pro získávání 3D mračna bodů (point cloud), pasivní (Structure from Motion) a aktivní metody (Time of Flight, laser).
2. týden: Registrace mračna bodů (metody Principal Component Analysis, Singular Value Decomposition, Iterative Closest Point).
3. týden: RANSAC - algoritmus a jeho využití, feature extraction - hledání významných částí v mračnech bodů.
4. - 5. týden: Optický skener ATOS (laboratoř), skenování ručním skenery.
6. týden: Software pro zpracování dat (GOM Inspect, Rhinoceros, atp.)
7. týden: 3D tisk - principy, nastavení, problémy.
8. týden: Arduino Engineering Kit - programování vozítka Rover a jeho orientace v prostoru a funkce.
9. - 12. týden: Konzultace k zápočtovému projektu.
13. týden: Prezentace zápočtového projektu.

Cvičení s počítačovou podporou

26 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Mgr. Jana Procházková, Ph.D.

Osnova

Cvičení:
1. týden: Metody snímání dat (Terrain, Mobile, Airborne) a jejich využití, programování pasivních algoritmů v Matlabu.
2. týden: Registrace mračna bodů - programování algoritmů v Matlabu, eventuelně jiném programovacím jazyku.
3. týden: RANSAC programování.
4.-5. týden: Snímání různých objektů pomocí optického skeneru ATOS (laboratoř) a skenování s ručními skenery.
6. týden: Zpracování a úprava nasnímaných dat v různých softwarech - GOM Inspect, Voxelizer, Rhinoceros. Vytváření vlastních modelů pro 3D tisk.
7. týden: 3D tisk vytvořených modelů na 3D tiskárně Voxelizer.
8. týden: Arduino Engineering Kit - programování vozítka Rover
9.-12. týden: Práce na zápočtovém projektu - zpracování mračna bodů vybranou technikou a konzultace zajímavých témat podle zájmu studentů.
13. týden: Prezentace zápočtového projektu.