Świat jak żywy

Technologia 3D wdziera się do naszego życia na wiele sposobów: na dobre zagościła już w kinach, a w postaci gier i aplikacji rzeczywistości wirtualnej (VR) – również na ekranach smartfonów i komputerów. Coraz śmielej sięgamy po zdobycze druku 3D, a korzystanie z realistycznych map samochodowej nawigacji jest już standardem. Jednak dziedziną, w której technologia ta robi w tej chwili zawrotną karierę, jest modelowanie 3D geoprzestrzeni. Nic w tym dziwnego – dwuwymiarowy sposób prezentacji informacji wywodzący się z kartografii jest dla nas dużo mniej przyjazny niż modele trójwymiarowe, które wiernie odzwierciedlają ludzką percepcję rzeczywistości. To zjawisko nieuniknione: klasyczne mapy miast powoli odchodzą do lamusa, zastępowane przez dużo bardziej atrakcyjne wizualnie trójwymiarowe modele.

Możliwość poznania obszaru Ziemi, zanim jeszcze postawimy na nim swoje stopy, przemierzanie tysięcy kilometrów kliknięciem myszki – to marzenia każdego zapobiegliwego (lub leniwego) podróżnika. Tę ludzką potrzebę penetracji przestrzeni, choćby tylko na ekranie komputera, najwięksi informatyczni gracze dostrzegli już ponad dekadę temu. Pionierami w dziedzinie przedstawiania świata za pomocą trzech wymiarów byli: Google, Microsoft oraz NASA. Potentat z Mountain View już w 2005 r. wystartował z aplikacją Google Earth, prezentującą na trójwymiarowym modelu kuli ziemskiej zdjęcia satelitarne i lotnicze oraz fotopanoramy zrobione z poziomu ulicy. Gigant z Redmond uruchomił platformę Virtual Earth 3D, pozwalającą spojrzeć np. na Plac Poczdamski w Berlinie z trójwymiarowej perspektywy, zaś Narodowa Agencja Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej Stanów Zjednoczonych opracowała w swoich laboratoriach oparty na otwartym kodzie program WorldWind. Obecnie trwa wyścig pomiędzy Google’em i Microsoftem – firmy co rusz wzbogacają swoje platformy o dodatkowe wtyczki, mapy, modele i usługi, a internauci na specjalistycznych forach z entuzjazmem witają nowe modele 3D miast i oceniają ich jakość.

Choć ostatnio wiele się w technologii modelowania zmieniło – nie jest już tak droga i czasochłonna jak jeszcze na początku naszego wieku, kiedy przetwarzanie danych realizowane na specjalistycznych stacjach roboczych było bardzo złożone – wciąż jest to technika, która stawia przed swoimi amatorami duże wyzwania. Wykorzystane technologie muszą zapewniać zarówno płynność ruchu, jak i szybkość inteligentnego renderingu modeli 3D w środowiskach webowych, a także na urządzeniach przenośnych. Nie jest też łatwo pozyskać dobrej jakości dane przestrzenne, a to właśnie one, można powiedzieć, robią całą robotę. Muszą to być informacje źródłowe nie tylko o dużej dokładności, ale przede wszystkim aktualne. Współczesne miasto to twór ciągle przeobrażający się – leciwe budynki są burzone, a w ich miejscu wyrastają nowe, rozrastają się przedmieścia i kurczą tereny zielone – a trójwymiarowy model 3D, aby mógł być wiarygodnym źródłem informacji, musi nadążać za tymi dynamicznymi zmianami.

Niezwykle dokładna metoda pozyskiwania danych źródłowych (oddających rzeczywistość z dokładnością do 0,2 metra), korzystająca z chmury punktów ze współrzędnymi XYZ, pochodzącej ze skaningu laserowego LiDAR, jeszcze do niedawna była koszmarnie droga i przez to niemal nieosiągalna – wymagała bowiem organizowania przelotów samolotem lub śmigłowcem. Pojawienie się dronów diametralnie zmieniło ten stan rzeczy – precyzyjne lasery skanujące (czy też kamery cyfrowe pozwalające zbierać tysiące zdjęć podczas jednego lotu) mogą być dziś wynoszone nad miasto na pokładach zdalnie sterowanych statków powietrznych. Dzięki temu pomiary terenu z powietrza stały się łatwiej dostępne i tańsze od tradycyjnych operacji fotolotniczych.

Nowe narzędzia i technologie, dane przestrzenne dobrej jakości będące niemal na wyciągnięcie ręki, błyskawicznie zmieniająca się miejska zabudowa i rosnące apetyty na trójwymiarową wersję świata podsycane przez Google’a i Microsoft – wszystko to sprawia, że miejskie modele 3D są niemal wszędzie. Obecnie każda metropolia aspiruje do tego, by mieć swój model 3D. Oczywiście w grę wchodzą przede wszystkim względy wizerunkowe – wirtualne spacery po urokliwych zakątkach zachęcają turystów do kontynuacji wędrówek również w realu, a prezentacje 3D terenów inwestycyjnych ściągają wielkich przedsiębiorców, a wraz z nimi duże pieniądze.

Jednak nie tylko o promocję tu chodzi – dzięki wysokiej jakości trójwymiarowym wizualizacjom Helsinek, Berlina czy Rotterdamu mieszkańcom tych miast żyje się po prostu łatwiej i bezpieczniej. Oto największe utrapienia metropolii – nieefektywne wykorzystanie zasobów, brak kompleksowego planowania i zrównoważonego rozwoju – mogą stopniowo znikać dzięki dostępowi do nowej wiedzy w postaci wieloaspektowych analiz miejskiego środowiska, jakie oferują modele 3D. Doskonałym przykładem jest opracowana w ramach projektu Morgenstadt: City of the Future trójwymiarowa wizualizacja położonej nad dużą rzeką Kolonii – model 3D pozwolił zasymulować poziom zalania poszczególnych rejonów miasta.

Dzięki temu lokalni inwestorzy wiedzą już, gdzie lepiej nie lokować swoich sklepów, a sztaby zarządzania kryzysowego dostały do rąk niezastąpione narzędzia symulacyjne na wypadek powodzi. Z kolei plan ponad stuletniej starówki Helsinek, zaprojektowany przez słynnego architekta Eliela Saarinena, przetworzony do postaci 3D, a następnie zoptymalizowany pod kątem renderowania w czasie rzeczywistym i strumieniowania, służy dziś jako otwarta platforma projektantom gier oraz aplikacji rzeczywistości wirtualnej i rozszerzonej. To zresztą obopólna korzyść – dzięki udostępnianiu danych źródłowych w formie otwartych interfejsów programistycznych API miejskie modele w wersji 3D mogą się dalej rozwijać, a lokalne startupy na ich bazie tworzyć innowacyjne usługi i narzędzia.

W Polsce długi czas czekaliśmy w ogonku, zazdrośnie spoglądając na wysokiej klasy modele 3D, jakimi cieszyli się choćby zachodni czy południowi sąsiedzi. Passę przerwał Poznań, którego innowacyjny miejski model 3D za chwilę ujrzy światło dzienne. Inspiracją do jego stworzenia była właśnie trójwymiarowa wizualizacja stolicy Finlandii (publikację modelu stolicy Wielkopolski zaplanowano na czerwiec, jednak prace wciąż trwają, co też obrazuje skalę trudności narzędzia). Miejski model 3D Poznania ma imponować swoim rozmachem – nie dość, że z dużą dokładnością zaprezentuje całe miasto (a nie tylko fragmenty), pozwoli na wirtualne przeloty nad stolicą Wielkopolski, ale też umożliwi opracowywanie analiz miejskiej przestrzeni. Za jego pomocą mieszkańcy będą mogli np. sprawdzić potencjał solarny budynków, czyli możliwość wykorzystania energii słonecznej na poszczególnych dachach, a na mapie akustycznej – prześledzić rozprzestrzenianie się hałasu w poszczególnych dzielnicach, co pozwoli np. unikać kupowania mieszkania w głośnym rejonie miasta, a w szerszej perspektywie – zamodelować najlepsze scenariusze rozwojowe Poznania.

O tym, że w tworzeniu trójwymiarowej wirtualnej wersji rzeczywistości drzemie ogromny potencjał, coraz częściej przekonują się również muzea miejskie. Europejskie instytucje kulturalne coraz częściej zachęcają do odwiedzin poprzez bezpłatne aplikacje VR, w których użytkownik może przyjrzeć się z bliska wybranym eksponatom, czy nawet przespacerować się po całej wystawie. Tu znów kłania się znany koncern, który w swoim projekcie Google Arts & Culture (https://artsandculture.google.com), prezentującym najbardziej znane dzieła sztuki z ponad 1200 muzeów, udostępnia również kolekcję obiektów zeskanowanych w technologii 3D. Najciekawszy jest ogromny, makabryczny i fascynujący zarazem zbiór zwierzęcych czaszek pochodzący z Kalifornijskiej Akademii Nauk. Te eksponaty przegląda się zresztą w zabawny sposób, bo za pomocą myszy lub gładzika można kręcić nimi jak butelką, powiększać lub pomniejszać, a tym samym poznawać szczegółowo strukturę kości słonicy, owcy pustynnej czy świni leśnej. To zresztą duża zaleta prezentacji obiektów w formie modeli 3D – dzięki manipulowaniu położeniem wirtualnego eksponatu za pomocą kursora myszki możemy mieć dostęp do szczegółów, które są niewidoczne z poziomu ekspozycji muzealnej.

Podobną inicjatywą, lecz o nieco mniejszej skali, jest unikatowy na polskim podwórku projekt Wirtualne Muzea Małopolski ( http://muzea.malopolska.pl), prezentujący ponad tysiąc najcenniejszych eksponatów pochodzących z 40 małopolskich muzeów, w tym wiele w wersji 3D. Przenoszeniem do rzeczywistości wirtualnej kulturowego dziedzictwa zajmuje się mobilny „digiteam” z Regionalnej Pracowni Digitalizacji Małopolskiego Instytutu Kultury w Krakowie. Składa się on ze specjalistów od skanowania i fotografowania, którzy wędrują po regionalnych muzeach, by na miejscu rejestrować rzadkie zbiory. Aby było możliwe zaprezentowanie ich w atrakcyjnie wizualnie formie 3D, muszą oni wykonać kilkaset zdjęć danego obiektu, a następnie złożyć je za pomocą programu graficznego w trójwymiarowy model (metodą fotografii dookólnej) lub też ręcznie zeskanować specjalnym skanerem 3D.

Trójwymiarowe modele są po obróbce publikowane w specjalistycznym serwisie Sketchfab (sketchfab.com/WirtualneMuzeaMalopolski). Często trudnością w prezentacji eksponatów w wersji 3D są wielkie gabaryty obiektów. Przed takim problemem stanęli specjaliści ze szczecińskiego Muzeum Techniki i Komunikacji, którzy postanowili pokazać w wersji 3D pojazdy, które przez długie lata woziły Polaków. Dzięki wysiłkom ekspertów od grafiki 3D oraz muzealników fani motoryzacji mogą dziś zobaczyć na własnym smartfonie czy tablecie prawdziwe ikony: ciężkiego i eleganckiego junaka, pamiętną „skarpetę” (model Syreny), kultową Fatalną Imitację Auta Turystycznego (Fiata 126) czy zajrzeć do wnętrza autobusu marki Jelcz zwanego ogórkiem (aplikacja dla urządzeń z systemem iOS: http://muzeumtechniki.eu/multimedia/przewodnik-multimedialny).

o ciekawe, prezentacja muzealnych eksponatów w postaci trójwymiarowej bywa czasem jedyną okazją, by wyjątkowe okazy zobaczyć w ogóle – niektóre są bowiem dla szerszej publiczności nieosiągalne, bo na co dzień drzemią w skarbcach czy magazynach. Tak jest np. z meteorytem Vaca Muerta z Muzeum Instytutu Nauk Geologicznych PAN w Krakowie (na stronie projektu Wirtualne Muzea Małopolski), który opuszcza magazyn jedynie przy okazji szczególnych wydarzeń muzealnych czy w celu digitalizacji.

Sketchfab to specjalistyczna platforma, która dla modeli 3D jest tym samym, czym YouTube dla filmów i SoundCloud dla muzyki. Narzędzie pozwala na publikację modeli 3D w internecie zarówno zawodowcom, jak i tym, dla których projektowanie w trzech wymiarach jest po prostu pasją. Technologie HTML 5 i WebGL oraz funkcje tu wykorzystane dostosowują rozdzielczość i możliwości wyświetlania dla odpowiedniego urządzenia użytkownika, bez konieczności instalacji wtyczek.

Największe na świecie wielkanocne jajo, stanowiące dziś ozdobę miasteczka Vegreville w Kanadzie, jest pierwszą na świecie trójwymiarową konstrukcją zaprojektowaną wyłącznie za pomocą komputera. Powstało jako owoc współpracy artysty Paula Sembaliuka z uczonymi: prof. Ronaldem Reschem, który opracował formułę wykorzystującą do stworzenia jaja trójkątne i heksagonalne płytki oraz Robertem McDermottem, twórcą algorytmu określającego krzywą opisującą gigantyczną pisankę. W tym samym 1975 r., kiedy naukowcy szukali matematycznej formuły dla jaja, Martin Newell, informatyk z Uniwersytetu Utah, utworzył model czajnika 3D, jako źródło danych wykorzystując prawdziwy czajnik firmy Melitta, zakupiony wcześniej przez małżonkę. Trójwymiarowe odwzorowanie służyło do testowania nowych algorytmów i coraz bardziej zaawansowanych technologii graficznych, a z czasem czajnik z Utah stał się ikoną grafiki 3D i jest dziś umieszczany jako żartobliwy motyw w różnych programach graficznych (np. 3D Studio Max) oraz w jednym z wygaszaczy ekranu w Windowsie, a nawiązania do niego pojawiają się w znanych animacjach, np. „Toy Story” czy „Potwory i spółka”.

Dzięki apce szczecińskiego Muzeum Techniki i Komunikacji zobaczymy prawdziwą perełkę: prototyp Wszędołaza w wersji 3D. Poruszający się na gąsienicach pojazd powstał na przełomie lat 70. i 80. na bazie konstrukcji Fiata 126p i miał służyć do inspekcji linii energetycznych, ale nigdy nie wszedł do seryjnej produkcji.