В течение первых нескольких лет после того, как Блас ЛаСала получил степень в области наук о Земле, он работал пещерным техником (также называемым техником-физиком) в Службе национальных парков (NPS), работая над минимизацией воздействия человека на маршруты общественных экскурсий. Иногда ему также приходилось исследовать и исследовать удаленные подземные системы.
«По сути, я был уборщиком пещер», - смеется он. «Но в других случаях мне приходилось помогать наносить на карту части пещер, которые никто никогда не видел. Эта часть была определенно лучшей».
Однажды Блас приобрел лазерный сканер, и его карьера пошла в неожиданном направлении.
«Мне нравилось играть в Unreal Tournament, когда я был моложе, и я потратил много времени на бета-тестирование карт и модов, созданных сообществом», - говорит он. «Когда я увидел данные, которые могут выдавать лазерные сканеры, мне сразу захотелось посмотреть, смогу ли я преобразовать их в виртуальную среду».
Хотя во многих национальных парках уже есть виртуальные туры, они в основном состоят из фотографий и видео с ограниченной перспективой. Виртуальные трехмерные туры позволяют запечатлеть детали, которые можно рассматривать под разными углами, и могут дать нам возможность крупным планом рассмотреть сложные образования без риска их повреждения.
В течение прошлого года Блас создавал виртуальные впечатления из миль пещерных ходов, делая эти чудеса природы доступными в то время, когда так много пещер NPS закрыты для публики из-за ограничений COVID-19.
Помимо того, что экскурсии в пещеры становятся общедоступными, эти интерактивные среды также служат научному сообществу, позволяя геофизикам проводить всесторонние исследования, используя только визуальные эффекты. В качестве бонуса те, кто столкнется с трудностями при входе в пещеру - из-за физических ограничений или психологического дискомфорта в закрытых помещениях, - теперь могут пользоваться образовательными и эстетическими преимуществами, аналогичными тем, которые дает посещение живого места, со своих компьютеров.
Изучение 3D: пещера тапиоки
Хотя Бласу нравились все аспекты работы пещерного техника, его любимой частью были исследования. В рамках своей работы с NPS небольшая группа опытных спелеологов следовала карте на неизвестную территорию, извиваясь по крошечным трубкам и пробираясь сквозь воду, чтобы достичь края известной пещеры.
«Тебе действительно нравится ползать по грязи в темноте, что я и люблю», - смеется Блас. «Некоторые пещерные системы, которыми управляет Служба национальных парков, имеют длину более 100 миль, и иногда нам приходилось разбивать там лагерь на несколько дней. Когда вы открывали глаза утром, было так же темно, как когда вы были закрыты».
Целью таких поездок было инвентаризация проходов и замеры, чтобы можно было создать карту. Команда сфотографировала интересные объекты - кристаллы, гипсовые волоски, кости животных - и нарисовала вручную стены и детали пещеры.
В то время как Блас был в этих экспедициях, он иногда задавался вопросом, может ли быть лучший способ записать и поделиться данными, которые они собирали, и каким-то образом объединить его любовь к видеоиграм и исследованию пещер, чтобы дать более истинное представление о том, что они нашли.
«Я подумал, карта - это нормально, но что, если бы есть способ испытать это виртуально?»
«Трехмерное представление было бы полезно для исследований и науки».
Блас провел зиму 2014 года в национальном парке Ветряная пещера в Южной Дакоте, и именно там он впервые получил в руки сканирующее оборудование. У парка был доступ к сканеру Leica HDS, взятому напрокат в близлежащем колледже Оглала Лакота , но данные еще не использовались.
«Специалист по ГИС в Wind Cave Кевин Ковач дал мне возможность использовать это оборудование, - говорит Блас. «Он увидел, что у меня есть страсть к этому, и позволил мне работать с этим».
Блас использовал собственное программное обеспечение Leica Cyclone для обработки облака точек, а также MESHLAB и CloudCompare для преобразования необработанных данных со сканера в 3D-модели в формате OBJ.
«Текстур не было, но я бросил их в Unreal Engine, чтобы посмотреть, как все пойдет. Это было похоже на пещеру из тапиоки, - замечает Блас, - но вы могли узнать, где находитесь. Я показал его как доказательство концепции людям в Wind Cave, и все подумали, что это круто».
Совмещение обучения и первого проекта
Примерно в то же время памятник в национальном парке Тимпаногос в штате Юта искал кого-нибудь, кто запечатлел бы их пещеры с помощью LiDAR. Блас, с его геолого-геофизическим образованием, навыками картирования пещер и опытом сканирования, идеально подошел.
Работа требовала, чтобы Блас взял сканер Faro Focus LiDAR в начале зимы в поход по крутой тропе, которая переключалась вверх по лавинному желобу, а затем вошел в холодные пещеры с уровнем влажности около 100%. Блас приступил к выполнению этой задачи со здоровым уважением к находящемуся под его опекой оборудованию.
«Я носил этот сканер, как будто это был младенец», - вспоминает он. «После дня сканирования мы поставили его рядом с обогревателем, чтобы он не остыл».
За две недели сканирования было получено облако точек, состоящее из 22 миллиардов точек, которое представляет собой более чем милю прохода с достаточно высоким разрешением, чтобы увидеть «соломинки с содовой» - пещеры с таким же диаметром, как карандаш. Виртуальная среда объемом более терабайта данных была громоздкой для обработки и требовала для работы специализированного программного обеспечения.
Хотя проект считался успешным, Блас хотел передать данные во что-то, что могло бы лучше передать острые ощущения от исследования и характер пещер. В конце концов, он соединил этот проект со своими образовательными усилиями - дипломной работой в Университете Аризоны - и в 2019 году он одновременно получил степень магистра и предоставил национальному памятнику «Пещера Тимпаногос» трехмерный цифровой тур по его системе из трех пещер. Блас использовал университетский суперкомпьютерный кластер для обработки данных облака точек с помощью открытого алгоритма построения сетки Миши Каждана. За свой новый «сквозной» рабочий процесс Блас удостоился звания выдающегося аспиранта кафедры горного дела и геологии.
Блас считает, что Unreal Engine является неотъемлемой частью этого достижения.
«У меня нет опыта в области компьютерных наук или 3D-моделирования», - заявляет он. «Все, что я умею делать, - это конвертировать терабайты данных в формат, понятный Unreal Engine. Затем он делает все остальное за меня».
Переход к реализму с цветом
Следуя за этим успехом, Блас основал компанию, занимающуюся сканированием пещер и созданием трехмерных виртуальных туров. В начале 2020 года его компания завершила серию видеосюжетов по пещерам Леман в национальном парке Грейт-Бэйсин в Неваде.
В своем проекте Блас использовал комбинацию LiDAR и фотограмметрии, что стало огромным шагом вперед в визуальной точности. В то время как 3D-сцена Timpanogos является монохромной, Блас смог создать реалистичные цветные видеоролики Lehman Caves с помощью более 100000 фотографий, что дало виртуальному посетителю гораздо более реалистичный опыт.
Кроме того, многотерабайтная модель имеет субсантиметровую точность на милю прохода, используя карты нормалей, глобальное динамическое освещение и LOD для работы в режиме реального времени.
«Вы можете увидеть все, что больше ногтя, - говорит Блас. «Люди узнают образования и комнаты, которые они видели раньше. Мы сравнили его с фотографиями и убедились, что это хорошее изображение».
Он добавляет, что технологии реального времени продвинулись настолько быстро, что теперь его работа приближается к пределам возможностей сканера, а не программного обеспечения.
«Это беспрецедентно», - говорит Блас. «Раньше мне приходилось выбрасывать большую часть данных сканера, потому что программное обеспечение не могло их обработать. С Unreal Engine вам не придется идти на эти компромиссы».
Для интерактивного моделирования Блас использовал VR и шаблоны от первого лица Unreal Engine.
«Замечательно иметь готовые шаблоны», - говорит он. Blase разработал VR-игры для Timpanogos, предназначенные для использования в помещениях - к сожалению, из-за пандемии эти впечатления еще не стали доступными для общественности. Но когда он в последний раз тестировал их, Блас был рад обнаружить, что эти проекты Unreal Engine работают со скоростью 90 кадров в секунду на видеокарте GTX 1080 Ti с процессором Intel 6900K. «Только представьте, как они будут работать на новом оборудовании», - размышляет Блас.
Блас понимает, что после правильного форматирования данных большую часть тяжелой работы за него выполняет Unreal Engine.
«Между шаблонами, текстурами и автоматическими LOD это просто работает», - говорит он. «Это терабайты необработанных данных, и Unreal Engine может принять их и оптимизировать все автоматически».
Представляя будущее пещерного сканирования
Хотя технологии сканирования и реального времени еще не получили широкого распространения среди геофизиков, Блас ожидает, что они станут ключевыми инструментами, которые помогут им проводить исследования и решать проблемы.
«Имея возможность видеть пещеру и взаимодействовать с ней в трех измерениях, вы видите вещи, которые никогда не думали, что сможете увидеть», - говорит он. «Вы можете подойти вплотную к формации или объекту, который может быть недоступен в реальной жизни. Вы можете возвращаться столько раз, сколько захотите, не беспокоясь о повреждении каких-либо хрупких образований».
Продолжая сканировать пещеры и производить средства массовой информации, Блас сейчас учится на докторскую степень в Университете Северной Аризоны в качестве сотрудника лаборатории геоинформатики доктора Теки Санки. Геоинформатика включает в себя получение потоков данных от инструментов дистанционного зондирования, таких как сканеры LiDAR, мультиспектральных и гиперспектральных датчиков, и их использование для статистического анализа, экстраполяции функций и визуализации. Естественно, Блас принес с собой свои недавно приобретенные навыки.
«Unreal Engine может произвести революцию в том, как мы визуализируем эти наборы данных и работаем с ними», - говорит он.
Что касается Unreal Engine 5, Блас воодушевлен перспективой использования новой функции Nanite для оптимизации трехмерных моделей с многомиллиардными полигонами, с которыми он работает на регулярной основе.
«Не могу дождаться, чтобы увидеть, как сильно я смогу это сделать», - говорит он.
Блас предполагает, что как только другие поймут, насколько легко создавать визуализации с помощью Unreal Engine, он будет все больше и больше использоваться для науки.
«Я не специалист - я бывший смотритель парка, который любит ползать и пачкаться», - говорит Блас. «Если я смог изучить Unreal Engine, любой сможет».