3D TISK TYFLOMAP
propojitelných s mobilními zařízeními
ÚVODNÍ INFORMACE
Autor: Bc. Radek Barvíř
Vedoucí práce: RNDr. Jan Brus, Ph.D.
Studijní obor: Geoinformatika
Místo a rok publikování práce: Olomouc, 2017
Katedra geoinformatiky, Přírodovědecká fakulta Palackého Univerzity v Olomouci
Česká republika
Práce se zabývá nalezením, implementací a automatizací pracovního postupu pro tvorbu interaktivních tyflomap metodou 3D tisku. Proces je založen zejména na využití opensource a freeware nástrojů a volných zdrojů dat, jako je OpenStreetMap databáze, software QGIS pro export 2D dat do 3D a Blender pro 3D modelování. Pro stažení a zpracování dat je použit komerční software ArcGIS for Desktop. Zmíněné nástroje jsou použity spolu s vytvořeným skriptem a geoprocesingovými modely pro způsob přípravy tyflomap, který je méně časově náročný, a tím i finančně dostupnější než dříve využívané techniky, a přináší výsledky v jednotném stylu.
Práce se také zabývá volbou vhodných parametrů mapy, jako je měřítko, velikost mapových symbolů, vhodného obsahu apod., a to tak, aby bylo co nejlépe vyhověno potřebám cílových uživatelů tyflomap a současně byla brána v úvahu omezení použitých nástrojů a neúplnost zdrojových crowdsourcingových opensource dat. Z tohoto důvodu byla práce i průběžné výsledky konzultovány s tvůrci tyflomap i potenciálními uživateli tyflomap v TyfloCentru Olomouc, o. p. s. Pro testování byly vytvořeny interaktivní tyflomapy různých testovacích oblastí - např. centra měst Olomouc, Praha a Ostrava. Mapy byly vytvářeny za použití dvou typů 3D tiskáren. Zástupcem tiskáren s uzavřeným designem je MakerBot Replicator 2X, z tzv. domácích tiskáren byl využit stroj Poseidon Duo.
CÍLE PRÁCE
Cílem diplomové práce je návrh, vytvoření postupu pro generování tyflomap určených pro následný 3D tisk, které lze následně propojit s mobilními zařízeními, a automatizace tohoto procesu dle možností dostupných nástrojů. Z možných způsobů tvorby modelů tyflomap bude navrženo nejvhodnější řešení. Jako primární zdroj prostorových dat bude sloužit vhodná databáze, např. OpenStreetMap (OSM), popřípadě jiná. Součástí práce bude řešení otázek týkajících se zpracování vyfiltrovaných dat z databáze, tvorby vnitřní struktury prvků, výběru relevantních objektů ze vstupních dat, vytvoření prvků k rozpoznávání modelů, volby parametrů jednotlivých částí modelu, volby vhodných tematických znaků a volba dalších parametrů modelu.
V práci bude nutné řešit problematiku sběru dat z databáze OSM, jejich výběr dle možností zobrazovacích technik tyflokartografie, limitací použité metody 3D tisku a potřeb potenciálních uživatelů map. Dále bude třeba nalézt a využít vhodnou posloupnost geoprocessingových operací pro zpracování dat a nástroje pro export dat z 2D do 3D formátu pro 3D tisk. Následným úkolem bude úprava modelu doplňující model o nezbytné funkční prvky potřebné pro praktickou využitelnost tyflomap a rozdělení 3D modelu na dvě části reprezentující interaktivní a neinteraktivní prvky mapy. To vše bude nutné realizovat ve dvou odlišných prostředích, a to v prostředí GIS a 3D modelovacích nástrojů ve formě počítačem podporované projektování (CAD), které jsou obecně poměrně málo provázané a vzájemně minimálně kompatibilní.
Cílem navrženého a realizovaného postupu je zefektivnění tvorby interaktivních tyflomap využitím v rámci možností volně dostupných dat, opensource nebo freeware softwaru a vlastních vytvořených skriptů, které sníží množství manuálních úkonů nutných při návrhu a tvorbě hmatových map. Interaktivita tohoto nového typu tyflomap bude realizována prostřednictvím externího mobilního zařízení, jako je běžně dostupný tablet či mobilní telefon. Tato technologie umožní využití jednoho mobilního zařízení pro řadu různých tyflomap, čímž dojde k velmi efektivnímu využití jeho vybavení oproti dřívějším formám tyflomap, kdy každá interaktivní tyflomapa musela obsahovat vlastní elektronické vybavení.
Vytvořené tyflomapy mají být mapami velkého měřítka vytvořené za účelem pomoci nevidomým při plánování cesty nebo jako pomůcka pro orientaci přímo v terénu. Zda se tyto možnosti využití map shodují s potřebami nevidomých, bude zjištěno při testování vytvořených tyflomap s nevidomými. Zjišťováno bude také to, zda podkladová data dosahují dostatečné kvality nutné pro plánované zaměření tyflomap a zda provedení map umožňuje jejich praktické využití.
KAM DÁL?
- data – popis zdrojových geografických dat a zdrojové databáze použité pro výrobu jednotlivých tyflomap
- software - seznam použitých počítačových programů a jejich využití při procesu tvorby tyflomap v rámci diplomové práce
- 3D tisk - představení technologie 3D tisku a využitých 3D tiskáren včetně jejich základních tiskových parametrů
- metody - základní popis metod použitých v celém procesu přípravy interaktivních tyflomap
- tyflomapy - tabulkovový výpis se základními parametry všech úspěšně vytvořených hmatových map
- galerie - fotogalerie dokumentující vyrobené mapy (včetně průběžných výsledků, které nejsou přílohami diplomové práce)
- kontakt - kontaktní údaje na autora práce a Katedru geoinformatiky Univerzity Palackého v Olomouci, kde byla práce vytvořena
- summary - english summary describing the objectives of this thesis, the methods and the software used in the process as well as the results
OCENĚNÍ
Práce byla prezentována na mezinárodní studentské soutěži a konferenci Student V4 Geoscience Conference and Scientific Meeting GISáček 2017, konané 22. března 2017 v Ostravě po boku konference GIS Ostrava 2017, kde v magisterské sekci obsadila první místo mezi konkurencí dalších absolventských prací studentů několika univerzit z Česka, Slovenska, Polska a Maďarska.
ZÁVĚR
Práce se zaměřuje na vytvoření a použití postupu automatizované tvorby tyflomap propojitelných s mobilními zařízeními za účelem jejich interaktivity. Cílem je zefektivnění výroby interaktivních tyflomap i posílení jejich funkcionality s využitím tabletu či jiného zařízení s kapacitním dotykovým displejem jako univerzálního nosiče potřebné elektroniky i výpočetní logiky. Tento postup si klade za cíl nahrazení zdrojově náročné manuální přípravy interaktivních tyflomap typu C pevně propojených s vlastní elektronickou výbavou bez možnosti efektivní aktualizace audiodoprovodu.
Práce byla zahájena provedením rešerše dostupných nástrojů a ověřením funkčnosti použité technologie. Po úspěšném otestování principu bylo provedeno hledání nástrojů s možností následné automatizace pro stažení dat z databáze OSM, jejich zpracování, převedení do 3D formátu, kompletaci a výrobu takto vzniklé virtuální podoby tyflomapy pomocí dvouextruderového 3D tisku do podoby fyzické. Původní myšlenkou bylo realizování tohoto postupu výhradně pomocí opensource a freeware nástrojů. S těmito požadavky byl nalezen postup za použití programů QGIS, 3D Builder, Blender a příslušného sliceru, kterým se u tiskárny MakerBot Replicator 2X použité pro průběžné výtisky stal program MakerBot Desktop. Tento postup byl částečně automatizován pomocí modelu pro QGIS Processing Modeler a python skript pro modelovací software Blender.
Pomocí popsaných nástrojů byla vytvořena předběžná verze tyflomap, a to nejprve v malém rozsahu pro mobilní telefon znázorňující oblast okolo Václavského náměstí v Olomouci. Posléze byla vytvořena trojice tyflomap pro tablet zachycující část centra Prahy v měřítcích 1 : 3 000, 1 : 4 000 a 1 : 5 000 s cílem stanovení vhodné detailnosti i provedení mapových symbolů na základě testování s nevidomými uživateli. Testování bylo realizováno v srpnu 2016 v prostorách olomouckého tyflocentra. Mimo jiných poznatků bylo jako vhodné zvoleno měřítko 1 : 4 000 a bylo doporučeno výraznější rozlišení interaktivních mapových znaků od neinteraktivního topografického podkladu. Nepodařilo se naopak stanovit obsah map, jehož detailnost dle vyjádření zúčastněných nevidomých a pracovníků tyflocentra je značně subjektivní.
Za účelem nalezení kompromisního řešení byl vytvořen internetový dotazník, pomocí kterého byl během listopadu téhož roku osloven širší vzorek potenciálních uživatelů. Na základě jejich výsledků bylo rozhodnuto o tvorbě tří variant výsledných tyflomap se zaměřeními na městskou hromadnou dopravu, pěší pohyb a trávení volného času. Na základě významu různých objektů z reálného světa pro nevidomé pak byl upraven i výběr prvků ze zdrojové databáze.
Při snaze o rozšíření části funkcionality modelů pro zpracování geodat byla nalezena řada omezení nástrojů QGIS a jeho extenzí, kvůli čemuž bylo od tohoto opensource nástroje částečně upuštěno a zpracování geodat bylo nově realizováno prostřednictvím komponenty ArcGIS ModelBuilder. Ta umožnila nově navíc implementaci stažení dat do automatizované části postupu i spolehlivé zpracování geografických dat. Převedení polygonových vrstev do formy 3D dat a následné úkony však bylo nadále vhodné provést dle původního plánu pomocí extenze QGIS a aplikace 3D Builder.
Upraven byl též skript pro Blender umožňující doplnění tlačítka s informacemi o mapě, uchycovacích háků na tyflomapě pro přichycení k tabletu, zdrsnění povrchu interaktivních prvků apod. Skript byl také doplněn o vlastní GUI implementovatelné do prostředí programu ve formě nástrojového doplňku. Příprava výsledných 3D modelů pro 3D tisk probíhala v aplikaci Simplify3D, která umožňuje kombinaci různých tiskových parametrů pro jednotlivé části modelu.
Vzniklá trojice finálních tyflomap byla v březnu 2017 znovu testována s šesti nevidomými uživateli. Při testování bylo zjišťováno, zda jsou navržené verze tyflomap dobře čitelné a použitelné. Sledována byla i možnost dalšího uplatnění tyflomap a technologie. Uživatelé byli s tyflomapami velmi spokojeni. Méně naplněné verze mapy oceňovali zejména z důvodu snadné orientace v síti ulic, u map s vyšší náplní mapy bylo naopak kladně hodnoceno zobrazení jednotlivých budov.
Výsledkem práce je návrh postupu pro přípravu nového typu tyflomap včetně modelů a skriptu pro jeho automatizaci. Dále práce přináší poznatky zjištěné při konzultacích a testováních s nevidomými uživateli tyflomap. Ve formě příloh jsou přiloženy tři výsledné tyflomapy korespondující s modely pro ArcGIS ModelBuilder a poster prezentující obsah a výsledky práce.
Během práce se povedlo prokázat, že alespoň částečná automatizace v tvorbě tyflomap je proveditelná a přináší výrazné úspory v čase nutném pro jejich návrh. Díky využití především opensource softwaru a dat a koncepce tyflomap propojitelných s tabletem sloužícím pro doplnění interaktivity více mapám se povedlo také výrazně snížit náklady na výrobu tyflomap. Vzniklé tyflomapy se při testování ukázaly jako použitelné a mezi testovanými sklidily velký úspěch. Výsledky práce tak možná přispějí k dalšímu rozvoji české tyflokartografie a umožní snazší rozšíření tyflomap mezi jejich potenciální uživatele.
© Radek Barvíř 2017