3D-сканирование в интересах 3D-моделирования
Борис Борисенко, Сергей Ярошенко
Это только со стороны выглядит так, будто осенью в нашей жизни ничего интересного не происходит. Невзначай оставленный след во Всемирной паутине привел к тому, что однажды теплым сентябрьским вечером зазвонил телефон и в трубке раздался обрадованный голос однокашника по вузу.
После продолжительного разговора, заполнившего информационно-временной провал в нашем общении, выяснилось, что мой собеседник эксплуатирует 3D-сканер и готов продемонстрировать свое оборудование. Необычный и высокотехнологичный род деятельности не мог оставить меня равнодушным, и я с радостью принял приглашение.
Внешний вид устройства не вызвал никаких эмоций (да и чем может заинтересовать корпус, напоминающий вертикально стоящий ящик средних размеров), а вот возможности устройства действительно любопытные. Однако обо всем по порядку.
3D-сканирование и 3D-моделирование
3D-моделирование можно отнести к разряду самых популярных и востребованных компьютерных искусств. Многие специалисты считают его наряду с программированием исключительно сложным и кропотливым занятием. Впрочем, с кропотливостью в скором времени будет покончено, т. к. сегодня на рынке присутствует целый ряд доступных устройств пространственного сканирования объектов.
3D-сканирование - это систематический процесс определения координат точек, принадлежащих поверхностям сложнопрофильных физических объектов (в частности, деталей) с целью последующего получения их пространственных математической моделей, которые могут модифицироваться с помощью CAD-систем. Устройства, с помощью которых осуществляется сканирование объектов, называют 3D-сканерами. Эти устройства не только упрощают процесс создания 3D-моделей, но и позволяют решать эту задачу с максимальной степенью достоверности по отношению к исходному оригиналу.
Несмотря на то что сегодня основными потребителями 3D-сканеров являются дизайнерские и кинематографические студии, первыми заказчиками этих устройств стали автомобильные и конструкторские дизайн-бюро, потребность которых в оборудовании данного класса обусловила используемая ими технология работы.
Как известно, дизайн автомобилей и летательных аппаратов до сих пор совершенствуется с помощью гидродинамических труб, где уровень обтекаемости форм определяется нагнетательным воздействием воздушного потока. Математические алгоритмы, моделирующие работу подобных систем, постоянно совершенствуются, но по уровню своей эффективности они далеки от настоящих гидродинамических обдувов и вряд ли когда-нибудь смогут заменить их полностью. Поэтому идеология работы современных дизайнерских бюро многие годы почти не меняется и в настоящее время состоит из трех основных этапов.
На первом этапе создается чертеж модели, которая затем выполняется из пластичного материала. Далее форма модели гидродинамически рационализируется в трубе обдува, а уже потом, при помощи сканирующих приборов переносится и обрабатывается на компьютере. На основе объемных виртуальных моделей делаются новые более точные чертежи, а по ним уже и создаются серийные образцы автомобилей, самолетов и прочих конструкций, для которых важна обтекаемость форм. Как несложно догадаться, этап оцифровки моделей - важнейший в процессе создания изделий, поскольку точность этого процесса и предопределяет гидродинамические характеристики конечного продукта. "Ручной" способ оцифровки малоприемлем, т. к., во-первых, очень трудоемок, а во-вторых, неточности, сопутствующие ему, нивелируют все старания инженеров. Поэтому проблема точной автоматизированной системы создания трехмерных каркасов объемных тел встала перед разработчиками компьютерного оборудования достаточно давно.
Успехов в этой области достигнуто немало, поскольку на рынке представлено несколько совершенно непохожих друг на друга систем оцифровки трехмерных поверхностей и в ближайшем будущем многие из них вполне могут стать популярными настольными решениями с массовым характером распространения. Собственно о технологиях, позволяющих сканировать 3D-модели, а также продуктах, полученных на их базе, и пойдет речь в данной статье.
Принцип работы
В настоящее время существует целый ряд технологий, позволяющих создавать трехмерные образы аппаратными методами, то есть без привычного 3D-моделирования в специализированных программных пакетах. Условно разделим технологии трехмерного сканирования на два типа: контактные и бесконтактные.
Первые подразумевают наличие механического устройства - "щупа", при помощи которого в компьютер передаются координаты выбранных оператором точек. Система позиционирования и координатоисчисления таких приборов построена на основе работы механических датчиков, аналогичных тем, что используются в оптико-механических манипуляторах "мышь". Последние закреплены в каждом шарнире крепления "щупа", и именно от точности этих датчиков и зависит точность работы прибора пространственного сканирования в целом. Сегодня такие системы встречаются все реже, и, по мнению специалистов, их удел в будущем - сканирование сравнительно простых некрупных объектов.
Бесконтактные 3D-сканеры являются значительно более сложными приборами, в которых заложены весьма изощренные алгоритмы создания пространственных каркасов. Так, во многих из них используется двойная (дополняющая основную) система ввода координат тела. Многие устройства совмещают лазерные датчики (заменяющие механический "щуп" контактных 3D-сканеров) и цифровой фотоаппарат, который используют для большей точности сканирования, что позволяет получить модели объектов с наложенными текстурами.
Однако вместо лазерных датчиков пространства могут применяться и более сложные системы. Например, в последнее время начали появляться системы 3D-сканирования на базе ультразвуковых установок, преимуществом которых перед конкурентами является режим сканирования тел с внутренней структурой или тел, погруженных в однородную среду.
Активно ведутся разработки магнитных сканеров, использующих для определения пространственных координат объекта изменение его пространственного магнитного поля. Следует отметить, что ультразвуковые и магнитные сканеры крайне чувствительны к различного рода шумам. Так, первые могут реагировать на погодные явления, звуковые волны, создаваемые другим оборудованием, кондиционерами или даже флюоресцентными лампами, а источником помех для вторых могут быть металлические объекты в помещении, не говоря об электропроводке. Многообразие столь сложных устройств говорит нам об одном - без хорошего программного обеспечения и вмешательства человека данные, получаемые 3D-сканерами, все равно остаются малопригодным набором цифр.
3D-сканеры на рынке высокотехнологичного оборудования
Несмотря на довольно долгий срок существования 3D-сканеров, ситуация с ценами на оборудование данного типа почти не изменилась, т. к. они так и остались сложными оптико-механическими устройствами, требующими высокой точности исполнения, а также сопутствующего программного обеспечения, выполняющего специализированные математические расчеты во время работы сканера. Удешевить такие устройства без значительной потери качества сканирования практически невозможно еще и по причине сравнительно низкого спроса на них.
Таблица 1. Технические характеристики 3D-сканера VI-910 
3D-сканеры в основном используют организации, обладающие достаточными финансовыми средствами: группы промышленного дизайна крупных компаний, подразделения машиностроительных компаний, кинематографические и анимационные студии, а также крупные фирмы-разработчики игр. Расширить рынок таких устройств можно только за счет более мелких фирм, а также энтузиастов трехмерной графики, число которых пока сравнительно невелико. Поэтому на сайтах производителей трехмерных сканеров цены установлены только на самые простые модели, и находятся они в интервале от полутора до трех тысяч долларов. Что касается более совершенных устройств, то их цены определяются с учетом того, что предлагаемое решение носит эксклюзивный характер. Поэтому стоимость современных полнофункциональных 3D-сканеров может достигать нескольких десятков тысяч долларов. Следовательно, рядовому пользователю подобное устройство "не по карману".
Обзор 3D-сканеров
Нетрудно догадаться, что наиболее доступными 3D-сканерами на рынке являются контактные модели. Лидер рынка подобных устройств - компания Immersion, разрабатывающая помимо контактных сканеров и системы force feedback для игровых манипуляторов. Основу сканеров Immersion MicroScribe-3D составляет прецизионный щуп на трехшарнирном рычаге, в суставах которого находятся механические микродатчики. Принцип работы устройства достаточно прост: щупы отображают сканируемые поверхности как массивы трехмерных точек.
На сегодняшний день механические контактные 3D-сканеры с экономической точки зрения кажутся оптимальным выбором для небольшой студии 3D-дизайна. Достигаемая точность этого класса устройств составляет 0,4-0,2 мм, что в несколько раз менее точно, чем при использовании лазерных щупов, но больше, чем у магнитных и ультразвуковых образцов.
Среди неконтактных лазерных сканеров можно отметить VI-910 3D Laser Digitizer корпорации "Konica Minolta" (Япония-Германия), GS200 французской фирмы MENSI, 3D-сканеры LPX-1200 японской фирмы Roland, 3D-сканер Callidus немецкой компании "Callidus Precision Systems GmbH". Для примера остановимся более подробно на неконтактном лазерном 3D-сканере VI-910 производства "Konica Minolta".
3D-сканер VI-910 производства "Konica Minolta"
3D-сканер VI-910 производства "Konica Minolta" (фото 1) имеет ряд характеристик, выигрышно отличающих его от аналогов других производителей. Прежде всего, это минимальные временные затраты на выполнение работы. Операция сканирования одного элемента в зависимости от заданного режима занимает от 0,3 до 2,5 сек, при этом сохраняется высокая точность воспроизведения геометрической формы макета - до ¦ 0,1 мм. Кроме того, сканер компактен и легко транспортируется. Его габариты: 213 мм ¦ 413 мм ¦ 271 мм при весе 11 кг. Массогабаритные характеристики сканера позволяют обойтись без перемещения самого объекта съёмки, а возможность управления сканером и обработки изображений с использованием ноутбука лишний раз подчеркивает мобильность системы в целом (фото 2). Цветопередача 24-битная в цветовой системе RGB.
3D-сканер имеет три сменных объектива с различными фокусными расстояниями (фото 3): теле/фотообъектив (фокусное расстояние f=25 мм) с минимальным полем зрения, обеспечивает повышенную точность; средний (f=14 мм) и широкоугольный (f=8 мм), позволяющий получать 3D-модели с большим охватом, но с некоторой потерей качества отображения поверхности.
Оптимальной дистанцией, на которой следует располагать аппарат относительно объекта, является диапазон 0,6-1,2 м, максимальная дистанция - 2,5 м. Минимальная площадь, охватываемая в нормальном к оси сечении, при указанных дистанциях составляет 111 мм ¦ 83 мм, максимальная - 1196 мм ¦ 897 мм. Технические характеристики 3D-сканера VI-910 приведены в табл. 1.
Принцип работы 3D-сканер
Принцип работы 3D-сканера заключается в следующем: пучок, излучаемый лазером 1-го класса, направляется поворотным зеркалом на объект, отражаясь от которого непосредственно через объектив, попадает снова в аппарат, где и регистрируется встроенной цифровой камерой. Согласование включения лазера с электромеханическим приводом зеркала осуществляется в автоматическом режиме. Освещённость, обеспечиваемая самим же лазерным пучком, достигает 500 лк. Это очень удобно, т. к. не требуется мер для создания дополнительного освещения. Управлять процессом сканирования можно как с помощью компьютера, так и вручную, с использованием жидкокристаллического LCD-дисплея (фото 4), расположенного на задней панели сканера.
Процесс сканирования заключается в поэлементной регистрации объекта. Выбор оптимальных условий освещённости и контраста, контроль этих характеристик, а также визирование, как в автоматическом, так и в ручном режиме, позволяет выполнять программное обеспечение сканера - среда POLIGON EDITING TOOL (PET).
В зависимости от размера элемента, объём одного файла может занимать от 1,6 до 3,6 Мб памяти. Отсканированные элементы можно экспортировать в файлы форматов *.stl, *.dxf, *.obj (фото 5) и некоторых других для того, чтобы иметь возможность загружать их в другие программы, работающие с трехмерными объектами.
Можно отметить ещё одну очень удобную функцию устройства - автофокусировку, которая позволяет автоматически определить основные характеристики, необходимые для качественного сканирования: расстояние до объекта и освещённость. Объект сканируется по частям со всех сторон, при этом оператор контролирует, чтобы не оставалось не отсканированных, "затененных" участков, секторов.
После набора достаточного материала для дальнейшей работы проводится операция "сшивание". Соединить полученные элементы в законченную трёхмерную модель и обработать её ("сгладить" контур, удалить попавшие в "кадр" "посторонние" предметы, доработать участки, недоступные для сканирования, и т. п.) позволяет программа RAPID FORM.
Элементы из POLIGON EDITING TOOL импортируются с расширениями *.vvd и *.cdm. При импорте предлагается выбор системы координат, в которой удобнее работать (например, Декартову, цилиндрическую или сферическую).
Особенностью программы RAPID FORM и одной из ее основных функций является последовательное попарное "сшивание" элементов по трем контрольным точкам. Программа автоматически анализирует рельеф поверхностей и оптимизирует взаимное расположение "фрагментов". Далее производится "точная" подгонка, эта операция выполняется автоматически, по команде оператора. После перерасчёта всех точек и ориентирования фрагментов относительно друг друга, они воссоединяются в единый блок, в результате чего получается объемная модель, виртуальная копия реального объекта сканирования. Для облегчения работы с отдельными фрагментами элементы можно выборочно "скрывать".
Далее полученный объект редактируется. Для этого применяются такие операции, как "автопоиск" и "стягивание" различных незаполненных промежутков, поиск и удаление выступающих краёв, "лишних" участков и неровностей различной природы появления, сглаживание поверхностей с заданной точностью. Графический редактор позволяет создавать объёмные примитивы (конус, сфера, цилиндр и др.) и их сочетания путём несложных операций "выдавливание", "сложение", "вычитание", "отражение" и т. д.
Программное обеспечение позволяет произвести контрольные замеры объекта прямо на электронной модели, т. е. обозначить его некоторые линейные размеры и допуска. Программа работает как с объектами в точках ("облако точек"), так и с объектами в поверхностях. В зависимости от необходимости, полученную модель можно экспортировать в наиболее распространённые форматы *.igs, *.stl и др, которые могут быть использованы для дальнейшей работы в пакетах 3D-MAX STUDIO, SOLIDWORKS и т. д.
Задачи для неконтактного лазерного сканирования
Неконтактное лазерное сканирование является новейшей технологией. Несмотря на относительно небольшой срок существования, она находит применение при решении большого спектра задач, который по мере освоения возможностей метода продолжает расширяться.
Задачи, решаемые методом неконтактного лазерного сканирования с использованием неконтактного лазерного сканера, можно условно объединить в две большие области применения:
Техническое проектирование:
- индустриальный дизайн, создание вручную 3D-моделей и их оцифровка с последующей доработкой методами машинной графики;
- создание 3D-моделей имеющихся штампов, пресс-форм и других изделий сложной формы, например, уникальных, в случае необходимости их изменения, ремонта или повторного воспроизведения;
- инженерный 3D-анализ, измерение геометрических параметров изделий, которые не могут быть измерены стандартными методами (фото 6, 7, 8);
- On-Line контроль качества (проверка точности изготовления) (CAI, CAT).
Архитектура:
- в ходе реставрации, путем создания банка электронных копий (виртуального архива) и последующего изготовления или восстановления (промышленного воспроизведения) оригиналов скульптур и других рельефных изделий (сувениров, украшений, барельефов, горельефов и т. д.);
- создание виртуальных архитектурных музеев.
Медицина:
- хирургическое планирование (фото 9), ортопедия, протезирование, пластическая хирургия, косметология, стоматология.
Дизайн, компьютерная графика, анимация.
Археология:
- виртуальное сохранение произведений искусства;
- создание 3D-документации;
- виртуальная реставрация, а также копирование для последующей репликации;
- создание виртуальных музеев.
Последняя упомянутая область применения трехмерного сканера исключительно важна. Мы были свидетелями того, как в пылу боевых действий в одночасье был разграблен багдадский музей древностей Междуречья. А сколько бесценных экспонатов сгорает в огне пожаров, гибнет при наводнениях, землетрясениях и других катаклизмах. Оставить потомкам не плоскую фотографию, а трехмерную цифровую модель поможет воссоздание с помощью 3D-принтера.
Древние реликвии обретают виртуальное бессмертие
Техника трехмерного сканирования, проходящая испытание в Британском музее, способна приблизить время создания его виртуального аналога. Новым методом лазерного сканирования предполагается сделать цифровые копии с хрупких глиняных табличек, найденных в Междуречье. Помощник хранителя отдела Древнего Ближнего Востока рассказал, что это что-то вроде фотокопирования, только в миллионы раз мощнее. В случае успеха трехмерное изображение табличек должно появиться на сайте музея, а цифровые копии позволят специальным устройствам создавать точные копии оригинала.
Идея возникла тогда, когда для выставки, посвященной древнему ассирийскому царю Ашшурбанипалу, потребовались копии тысячи глиняных табличек. Дело в том, что в Британском музее находится несколько тысяч табличек из библиотеки царя. Это словари, сказания и списки домашних животных. Копирование столь большого количества предметов традиционным методом заняло бы несколько лет. Новый лазерный сканер позволяет сократить этот срок до считанных недель. Не стоит забывать, что клинописные таблички очень хрупкие объекты. Они могут разрушиться от легкого прикосновения, а луч лазера не способен нанести им вред.
Для пробной работы две глиняные таблички переданы шотландской компании Kestrel 3D. Музей рассчитывает получить результаты эксперимента в ближайшее время. Если опыт окажется удачным, в будущем хранители фондов надеются выставить в Интернет значительную часть музейной коллекции, и тогда все желающие смогут наслаждаться "сказанием о Гильгамеше" в оригинале.
В 2000 году неконтактный лазерный сканер Minolta VI-700 3D Digitizer использовался для сканирования и восстановления знаменитой доисторической пещеры в Испании - Алтамира. Известная во всем мире известняковая пещера была обнаружена в 1879 году. Почти 200 наскальных рисунков животных украшают Алтамир. Это 38 бизонов, 10 волов, 26 лошадей, 14 козлов, 63 оленя, 5 диких боровов, 1 мамонт, 1 лось, 1 кот, 1 рыба, 1 волк, 10 неопределенных фигур, 9 антропоморфических фигур и почти сотня надписей. Возраст картин оценивается в 15 000 лет.
В 1973 году пещеру посетили более 177 тыс. человек. Такое количество любопытных туристов привело к изменениям влажности и температуры в помещении исторического объекта. Частицы и секции хрупких картин начали падать с потолка. В 1978 году было решено закрыть историческое сокровище, чтобы избежать серьезных повреждений наскальной живописи. Когда пещера была повторно открыта в 1982 году, только 35 туристам в день разрешалось ее посещать. Из-за невозможности удовлетворить всех желающих, управление археологическим музеем решило построить точную копию пещеры, используя современную технологию.
Единственным 3D-сканером, который мог решить эту задачу, оказался Minolta VI-700, который и использовали, чтобы оцифровать каждую деталь пещеры. Более 6 миллионов геометрических точек были отсканированы Minolta VI-700 только на потолке (фото 10).
После восьми месяцев работы было снято и оцифровано около 3 000 квадратных метров поверхности. Большинство цифровых цветных рисунков высокого разрешения были виртуально восстановлены. Сшитые по участкам трехмерные модели с помощью программы RapidForm2000 позволили воссоздать пещеру с использованием специальной технологии в масштабе 1:1 сначала из силиконовых, а затем из кремниевых секций.
Копия пещеры - Алтамира II теперь входит в состав комплекса музея. Посетители могут увидеть залы пещеры, минуя стальной пешеходный мост и отверстие, соединяющее искусственный объект со зданием музея.
Заключительная часть
Субъективная классификация областей применения 3D-сканеров носит условный характер и не ограничивается перечисленными выше пунктами. Рынок данной технологии в России только развивается. Мы существуем в объемном мире, а метод 3D-сканирования позволяет зафиксировать объемное тело, выполнить объемное фото и выгравировать его точками в стекле с помощью лазерного луча.
Фотография фиксировала плоскость и стала одним из шедевров человеческого гения, пленив сердца и мысли миллионов людей, весьма быстро проникнув во все отрасли науки, техники и искусства, порой находя для себя самое неожиданное применение. Фотоаппарат побывал везде: на суше и воде, под водой и в космосе, в жарких пустынях, холодных льдах и оазисах. Повсюду люди преследовали различные цели: от сугубо научных до банального желания запечатлеть ускользающую красоту окружающего их мира. Сегодня имеется уникальная возможность, о которой фотографы и инженеры могли только мечтать. Век компьютеров и лазерной техники открывает для нас новый виртуальный мир. 3D-сканер - это первый шаг, позволяющий соединить воедино виртуальный мир и объективную реальность. Мы находимся у истоков ранее недоступного, но, несомненно, интереснейшего направления развития информационных технологий. Уже сегодня очевидно, что дизайнер не может соревноваться с 3D-сканером в скорости создания копии цифровой модели. Это все равно, что сопоставлять скорость рисования художника и скорость получения изображения с помощью фотоаппарата.
Технология сканирования ни в коем случае не является альтернативой мастерству дизайнера, так же как компьютер не стал альтернативой образно и логически мыслящему человеку. Устройство только расширило список доступных для реализации задач, а также открыло новые перспективы перед дизайнерским искусством и инженерным гением.
Область применения системы 3D-сканер + компьютер с прикладным программным обеспечением + оператор неуклонно расширяется: от кинематографии и военной сферы до самолетовождения и космонавтики. Область применения системы ограничена исключительно нашей фантазией.
источник
|
