Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы компьютерной графики 3D-моделирование и 3D-печать. Учебное пособие
.pdf
4.3. Технические средства 3D-сканирования
61
Спрос на трёхмерные сканеры возник в связи с постановкой практической задачи измерения геометрии реальных 3D-объектов и, как следствие, создания их 3D-моделей. Причём эта задача почти одновременно
была поставлена во многих областях человеческой деятельности – дизайн,
инженерия, технология и других.
3D-сканеры, как правило, применяются для быстрого прототипирования, т.е. преобразования объектов в оцифрованные данные, на основе
которых далее строятся 3D-модели.
При формировании 3D-модели сканер использует процесс проецирования множества точек геометрических образцов на поверхности объекта.
Далее на основе этих точек выполняется экстраполяция формы объекта, т.е.
её реконструкция. Необходимо иметь в виду, что 3D-сканеры собирают
данные только о видимых поверхностях объекта. Кроме того, в результате
однократного сканирования практически невозможно получить точную
модель объекта. Поэтому для создания точной модели объект необходимо
рассмотреть со всех сторон, что потребует выполнения многократного сканирования из разных направлений с последующим объединением в общую
систему отсчёта и создания полной трёхмерной модели.
Разнообразие 3D-сканеров объясняется применением различных
технологий сканирования. При этом необходимо знать, что не все объекты могут быть оцифрованы в применяемой технологии сканирования.
Например, технология оптического сканирования малоприемлема для
оцифровки объектов с блестящими, отражающими или прозрачными поверхностями.
Технологии 3D-сканирования. Известны две технологии сканирования 3D-объекта, которые позволяют создать цифровую модель его
формы. Одна из этих технологий называется контактной, а другая – бесконтактной. В бесконтактной технологии сканирования различают активные и пассивные технологии сканирования.
Контактные 3D-сканеры. Из названия понятно, что этот тип скане-
ров в процессе своей работы имеет физический контакт своего регистрирующего органа с поверхностью объекта, который надёжно фиксируется специальным приспособлением. В зависимости от того, как реализован механизм передвижения регистрирующего органа, различают три его формы:
4. Методы и средства создания 3D-моделей
62
1. В виде каретки, передвигающейся по направляющим вдоль каж-
дой координатной оси. Подобные механизмы хорошо справляются со
сканированием плоских профилей или простых изогнутых поверхностей.
2. В виде шарнирного рычага (руки), имеющего разное число степе-
ней свободы и высокоточные датчики угловых перемещений. Сканер с
таким видом механизма перемещения хорошо подходит для исследования
трещин и внутренних пространств с небольшими отверстиями.
3. В виде комбинации первых двух видов, когда шарнирная рука
подвешена на подвижной каретке. Обычное применение – картирование
крупных объектов с внутренними полостями или перекрывающимися поверхностями.
Типовой пример контактного 3D-сканера – координатно-измерительная машина (КИМ) показана на рис. 1. КИМ применяется в производстве и
является довольно точной, но имеет по сравнению с другими методами
низкую скоростью сканирования. КИМ работают в диапазоне нескольких
сотен герц, а, например, лазерный сканер работает до 500 кГц. Кроме того,
при сканировании ценных объектов контактные сканеры могут нанести ему
повреждения, что является недостатком таких сканеров.
Рис. 4.1. Координатно-измерительная машина
Другие примеры представляют ручные сенсорные датчики, применяемые для 3D-моделей в области компьютерной анимации.
Активные, бесконтактные 3D-сканеры. В основе функционирования активных, бесконтактных сканеров лежит механизм создания какоголибо излучения и его улавливания при отражении от сканируемого объекта.
В качестве излучений чаще всего используют свет, ультразвук или рентген.
4.3. Технические средства 3D-сканирования
63
Например, в лазерном 3D-сканере используют лазерный луч для
сканирования объекта. В этом сканере основным элементом является лазерный дальномер, который вычисляет расстояние до поверхности объекта и время прохождения его импульсом света.
По направлению обзора дальномер вычисляет расстояние только от
одной точки. Поэтому для сканирования различных точек дальномер
должен менять направление своего обзора. Для изменения направления
обзора используется вращение дальномера или система вращающихся
зеркал. Так как вращение лёгких зеркал можно выполнить с большей скоростью и точностью, то этот метод изменения направления обзора технически предпочтителен. Типовые лазерные 3D-сканеры измеряют расстояния со скоростью 10 000–100 000 точек в секунду.
Модификацией лазерных 3D-сканеров являются лазерные сканеры
на основе триангуляции. В этом варианте лазер направляется на объект, а
камера при этом выполняет поиск местоположения лазерной точки. В связи с тем, что лазерная точка, камера и лазерный излучатель образуют треугольник, метод получил название триангуляции.
Лазерные дальномеры и лазерные триангуляционные дальномеры
имеют свои преимущества и недостатки, что определяет специфику их
применения.
Основным преимуществом дальномеров является возможность
сканирования объектов, удалённых на несколько километров. Поэтому
они применяются для сканирования крупных объектов, например зданий
или географических объектов. Главный недостаток дальномеров – низкая
точность.
В отличие от обычных дальномеров у триангуляционных дальномеров невысокая дальность действия, измеряемая несколькими метрами,
что компенсируется их относительно высокой точностью, измеряемой
несколькими десятками микронами.
На точность лазерных сканеров влияет ситуация, в которой лазерный луч достигает края объекта и, отражаясь, доставляет на сканер информацию из двух разных мест (объект и среда за краем объекта). В этом
случае координата точки на краю объекта определится как среднее значение и точка займёт неверное положение. При этом надо учитывать, что
при сканировании с высоким разрешением вероятность попадания луча в
4. Методы и средства создания 3D-моделей
64
край объекта увеличивается. Уменьшая разрешение сканирования, можно
частично решить «проблему края», но при этом у сканеров ограничится
дальность сканирования.
Ещё одна проблема связана с искажение от движения. При сканировании с низким разрешением и скоростью 10 000 точек в секунду сканирование может занимать менее секунды, а с высоким разрешением –
несколько минут. Так как каждая точка отбирается в разное время, то даже малозначительные движения объекта или сканера искажают собранные данные. В связи с этим к устойчивости объекта и сканера предъявляют высокие требования для исключения или минимизации вибрации. Поэтому для сканирования объектов в движении применение таких сканеров
является очень сложным.
В ручных лазерных сканерах 3D-изображения формируются с использованием механизма триангуляции. При этом лазерная точка проецируются на объект из ручного устройства, а датчик измеряет расстояние до
поверхности.
Так как данные определяются относительно внутренней системы
координат, то при движении сканера надо знать его положение. Своё положение может определить сам сканер, если нанести эталонные маркёры
(обычно это клейкие отражающие выступы) на сканируемую поверхность.
Можно также определять положение сканера, используя метод внешнего
отслеживания.
Данные интегрируются в компьютере, преобразуются в триангулированную сетку, а затем в 3D-модель, часто в виде NURBS-поверхностей.
Пассивные, бесконтактные 3D-сканеры. В этом типе устройств
отсутствуют какие-либо излучения, а принцип их работы основан на
улавливании отраженного от объекта излучения. Преимущественно используется улавливание видимого света как наиболее простой вариант, но
также есть примеры использования инфракрасного излучения. В своей
реализации пассивные методы сканирования являются наиболее дешевыми, так как используют простые цифровые камеры. Среди пассивных бесконтактных 3D-сканеров различают стереоскопические и фотометрические пассивные сканеры.
В стереоскопических пассивных сканерах имеются две видеокамеры, ориентированные на одну и ту же сцену. Вычисление расстояния в
4.4. Обзор современных 3D-сканеров
65
каждой точке на изображениях выполняется путём анализа различий в
изображениях с каждой из видеокамер. В основе такого подхода лежат
такие же принципы, как и в стереоскопическом зрении человека.
Типичным представителем стереоскопических пассивных сканеров
являются модели 3D-Systems Sense, 4D-Dynamics Gotcha. Сканеры имеют
два стандартных режима: сканирование человека и объекта.
В фотометрических пассивных сканерах, в отличие от стереоскопических систем, имеется одна камера, которая работает без какого-либо
излучения и проецирования на предмет. При этом чувствительная к свету
камера принимает и обрабатывает излучение от предмета, в результате
чего создаётся 3D-модель, которая затем передаётся на компьютер. Сканирование выполняется методом «силуэт», в основе которого лежит воспроизведение контуров объекта из последовательности фотографий, полученных видеокамерой во время её движения вокруг 3D-объекта, расположенного на контрастном фоне.
Типичной моделью фотометрических пассивных сканеров является
XYZprinting. Плюсы таких сканеров – доступная цена и компактность.
4.4. Обзор современных 3D-сканеров
Цель обзора – помочь разобраться в разнообразии современных
3D-сканеров и отметить лучшие из них в соответствующих ценовых сег-
ментах от простого фотограмметрического приложения для смартфона до
профессиональных 3D-сканеров.
4.4.1. 3D-сканер в руке
Autodesk 123D Catch. Позиционируется как одно из лучших при-
ложений для смартфона. Является бесплатным приложением, работающим по фотограмметрическому принципу.
Фотограмметрия – процесс сбора точек в пространстве из серии фотографий. Когда такой процесс сканирования применяется к 3D-печати, то
применение этой технологии является самым простым способом создания
3D-печати. Сначала делается серия фотографий объекта со всех возможных
углов. Затем эти фотографии загружаются в программное обеспечение,
4. Методы и средства создания 3D-моделей
66
например, в AutoDesk 123D Catch или подобное. После этого программа
предоставляет файл .obj или .stl, который используется для 3D-печати.
Приложени Autodesk 123D Catch предоставляет возможность создания 3D-модели объекта по его фотографиям, снятым с разных сторон.
При этом приложение может быть использовано для сканирования не
только объектов, людей, но и ландшафта. Если не требуется очень высокая точность, то не потребуется и дополнительное, специальное оборудование. Приложение обеспечивает создание 3D-моделей с хорошей детализацией. Однако потребуется не менее полчаса на обработку и пересылку
фотографий, которые выполняется на сервере.
Xbox Kinect. Kinect разработан для
расширения игровых возможностей и специально не ориентирован на выполнение функций 3D-сканирования. Однако существует
программное обеспечение (например,
ReconstructMe), которое может превратить
Kinect в 3D-сканер и можно получить недо-
рогой инструмент для 3D-сканирования.
Ориентировочная стоимость $99,99.
Разрешающая способность 0,051 мм.
Occipital Structure Sensor. 3D-сканирующий аксессуар для мобильного устройства.
Сканер может работать с планшетом или телефоном, но может адаптироваться и к другим
устройствам. Отличается простотой в применении и относительно хорошим разрешением.
Возможно сканирование крупных объектов,
например человека в полный рост. Можно использовать сканер с программным обеспече-
нием, работающим на Occipital’s SDK. При этом можно увеличить разрешение сканера и обеспечить доступ к специальным возможностям,
например сканирование помещений.
Ориентировочная стоимость $379. Возможное разрешение до
0,5 мм.
4.4. Обзор современных 3D-сканеров
67
Cubify. Один из лучших и недорогих ручных
3D-сканеров. Cubify – портативная модель, имеющая
относительно неплохое разрешение и доступную стоимость. Однако для сканирования текстуры объекта
функциональные возможности Cubify ограничены.
Поэтому этот 3D-сканер в основном применяется для
печати одноцветных моделей.
Ориентировочная стоимость $399. Доступное
разрешение 0,9 мм.
4.4.2. 3D-сканер на столе
Matter and Form. Один из лучших и дешёвых настольных
3D-сканеров.
Настольные 3D-сканеры предоставляют
пользователю новый уровень качества работы с
трёхмерной графикой. Процедура сканирования
объекта в моделе Matter and Form выполняется
посредством лазера и вращающейся платформы. При этом считывается форма объекта и его
текстура. Продолжительность сканирования
составляет около пяти минут.
Модель Matter and Form не занимает много места, не доставляет
пользователю трудностей в эксплуатации, имеет хорошее разрешение и
относительно низкую стоимость. Однако рассматриваемая модель сканера
скорее подходит для образовательных и демонстрационных целей, чем
для создания высококачественных 3D-моделей с хорошей детализацией.
Ориентировочная стоимость $519. Допустимое разрешение 0,43 мм.
XYZprinting Da Vinci 1.0. Одно из лучших
устройств в серии «два в одном». Функционально
XYZprinting Da Vinci 1.0 обеспечивает трёхмерное сканирование объекта и его печать. Имеет
невысокую стоимость, но и качество создаваемых
моделей не слишком высокое. Устройство скорее
ориентировано на новичков в мире 3D-сканирования и печати.
Стоимость устройства $2 500. Рабочая камера 200 x 200 x 200 мм.
4. Методы и средства создания 3D-моделей
68
4.4.3. Профессиональные 3D-сканеры
Fuel3D Scanify. Позиционируется как
портативный 3D-сканер с хорошим соотношение
цены и качества. Сканер Fuel3D Scanify имеет
относительно хорошую точность и качество считываемых текстур, отличается простотой в эксплуатации. Из-за ограниченного размера скани-
руемой области Fuel3D Scanify ориентирован на работу с небольшими
объектами.
Ориентировочная стоимость $1 490. Допустимое разрешение 0,35 мм.
DAVID Laserscanner – SLS3. Лучшее со-
отношение цены и качества для настольного варианта 3D-сканера. В отличие от других сканеров,
где в основном используется двухлазерная сканирующая система, DAVID Laserscanner – SLS3 основан на собственной технологии сканирования.
Отличительной особенностью этой технологии является применение источника структурированного света и камеры быстрого сканирования с высоким уровнем детализации до 0,06 мм. Вместе со сканером поставляется
программное обеспечение DAVID Pro Edition 3, работающее с OBJ-, STL- и
PLY-форматами 3D-файлов. Эти файлы могут экспортироваться в программы для дальнейшего редактирования.
Ориентировочная стоимость $3 995. Допустимое разрешение 0,06 мм.
Solutionix Rexcan 4. Позиционируется в классе
профессиональных 3D-сканеров, обеспечивающих
высокое качество сканирования. Для высокоточного
сканирования имеет две CCD-камеры высокого разрешения. Работа Solutionix Rexcan основана на технологии оптической триангуляции по фазовому сдви-
гу. В сканере используется фотограмметрическая система, которая повышает его производительность и, как следствие, допускает сканирование
больших объектов. Сканер может поставляться с автоматически вращающейся платформой, способной выдерживать вес до 50 кг.
Ориентировочная стоимость $79 900. Точность от 0,03–0,71 мм.
Контрольные вопросы
69
Creaform MetraSCAN 750. Один из лучших
профессиональных ручных 3D-сканеров. Представляет собой полнофункциональное решение для высокоточного 3D-сканирования. Имеет малый вес,
что важно в классе ручных 3D-сканеров, а также
сканирует объекты с высокой точностью и произ-
водительностью с любым качеством поверхности и любой текстурой.
Ориентировочная стоимость $79 900. Допустимое разрешение
0,050 мм. Точность до 0,03 мм.
Скорее всего, этот краткий обзор не удовлетворит пользователя, но
подтолкнёт его к расширенному поиску решений для 3D-сканирования,
подходящих для своих потребностей и финансовых возможностей.
Контрольные вопросы
1. Раскройте особенности каркасной модели 3D-объекта.
2. Раскройте особенности поверхностной модели 3D-объекта.
3. Раскройте особенности монолитной модели 3D-объекта.
4. Для каких задач применяются каркасные, поверхностные или мо-
нолитные модели объектов?
5. Что представляет собой полигональная сетка, и в каких случаях
она используется для представления модели объекта?
6. Какие виды полигонов используются для представления полиго-
нальной сетки?
7. Что означает 3D-скульптинг, в каких случаях его используют?
8. Дайте характеристику процессу, который называется ретополо-
гия.
9. Что означает термин «рендеринг»?
10. Раскройте содержание процедуры, которая называется маппин-
гом.
11. Перечислите основные методы создания 3D-объектов.
12. Охарактеризуйте метод моделирования 3D-объектов, который
называется NURBS-моделирование.
13. Раскройте содержание аббревиатуры NURBS.
14. В каких областях в настоящее время наиболее широко применя-
ется NURBS-моделирование?
4. Методы и средства создания 3D-моделей
70
15. Охарактеризуйте метод моделирования 3D-объектов, который
называется полигональное моделирование.
16. Охарактеризуйте метод моделирования 3D-объектов, который
называется скульптурное моделирование.
17. Какие обязательные программы участвуют в процессе формиро-
вания готовой модели для печати на 3D-принтере?
18. Какую основную функцию выполняет программа, которая назы-
вается слайсер?
19. Какими способами можно создать 3D-модель для трёхмерной пе-
чати?
20. Опишите обобщённый процесс, который используется 3D-скане-
ром при формировании 3D-модели.
21. Что означает экстрополяция формы объекта?
22. Достаточно ли однократного сканирования для получения точной
модели объекта?
23. Перечислите технологии 3D-сканирования.
24. Приведите основные признаки контактной и бесконтактной тех-
нологии сканирования.
25. В каком виде реализуется механизм передвижения регистрирую-
щего органа в контактных 3D-сканерах?
26. Приведите типовые примеры контактных 3D-сканеров?
27. Перечислите преимущества и недостатки контактных 3D-ска-
неров.
28. На чём основано функционирование активных, бесконтактных
сканеров и какие виды излучений чаще всего в них используются?
29. Что используется для изменения направления обзора дальномера?
30. Что представляют собой лазерные сканеры на основе триангуля-
ции?
31. В чём преимущества и недостатки лазерных дальномеров и ла-
зерных триангуляционных дальномеров?
32. Принцип функционирования пассивных, бесконтактных 3D-сканеров?
33. Принцип функционирования стереоскопических пассивных ска-
неров.
34. Принцип функционирования фотометрических пассивных скане-
ров.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]