Я решил потестить и описать ручные профессиональные 3d-сканеры (не часто держишь в руках кусок пластика ценой выше миллиона рублей).
Трехмерное или 3D-сканирование - это процесс перевода физической формы реального объекта, изделия в цифровую форму, то есть получение трехмерной компьютерной модели (3d-модель) объекта.
3D-сканирование может оказаться полезным при решении задач ре-инжиниринга, проектирования приспособлений, оснастки, запасных частей при отсутствии оригинальной компьютерной документации на изделие, а также при необходимости перевода в цифровой вид поверхностей сложной формы, в том числе художественных форм и слепков.
Работа сканера в чем-то напоминает объемное зрение человека. Как мозг выстраивает объемное изображение увиденного, так 3D сканер получает информацию, сравнивая два изображения, смещенных друг относительно друга. Для достижения необходимой точности построения модели применяются дополнительные технологические приемы в виде подсветки лазером или периодической вспышки.
Под катом описание и тест-драйв Creaform HandyScan 700 и немного про 2 других сканера и одним глазком про Surphaser. А так же примеры использования сканеров в нефтяной и космической отраслях, медицине и реверс-инжиниринге.
Этапы создания 3d-модели при помощи сканера
3D-сканирование – это инструмент для быстрого получения геометрии трёхмерного объекта практически любой сложности. Однако, нужно помнить, что 3D-сканер даёт облако точек в трёхмерном пространстве, расположенных по форме объекта или полигональную модель – те же самые точки, но соединённые линиями так, что получается множество пересекающихся плоскостей, описывающих геометрию объекта.
Сама геометрия объекта мало кому нужна, ведь зачастую цель 3D-сканирования – это получение точных чертежей сканируемого объекта, а не просто координат в трёхмерном пространстве.
Но и этот вопрос уже давно решён: на рынке есть специально ПО, такое как Geomagic DesignX, позволяющее превратить облако точек в параметрическую модель и передать её в абсолютно любую CAD-систему.
Т.е., с помощью данного ПО мы снимаем вообще любые ограничения: сканируем 3D-сканером объект, параметризируем его в специальном ПО, передаём получившуюся параметрику или NURBS поверхности (кому что) в ваш CAD и с лёгкостью работаем по редактируемой модели, получая чертежи любого сечения в нужном нам формате.
Сферы применения 3d-сканеров
- Автомобильная индустрия
- Транспорт (автобусы, грузовики, поезда)
- Тяжелое оборудование (агротехнологии, экскаваторы, шахтовое оборудование)
- Спорт, хобби (ATV (квадроцикл), мототехника, акватранспорт)
- Аэрокосмические технологии
- Потребительские товары
- Производство – металл
- Производство – пластик и композиты
- Армия, Оборона, Правительство
- Электрогенерация (ветровая, гидро, атомная)
- Судостроение
- Бензин и газ
- Образование
- Здравохранение
- Развлечения и мультимедиа
- Музееведение, сохранение наследия
- Архитектура, строительство, инженерия
ТТХ
Вес - 122 x 77 x 294 мм
Размеры 150 x 171 x 251 мм
Скорость измерений - 480 000 измерений в секунду
Область сканирования- 275 x 250 мм
Источник света - 7 лазерных крестов (+1 дополнительная линия)
Класс лазера - II (безопасный для глаз)
Разрешение 0,05 мм
Точность - до 0,03 мм
Объемная точность - 0,02 мм + 0,06 мм/м
Расстояние до объекта при сканировании - 300 мм
Глубина резкости - 250 мм
Диапазон размеров объектива (рекомендуемый) - 0,1 - 4 м
программное обеспечение - VXelements
Выходные форматы - .dae, .fbx, .ma, .obj, .ply, .stl, .txt, .wrl, .x3d, .x3dz, .zpr
Совместимое ПО - 3D Systems (Geomagic Solutions), InnovMetric Software (PolyWorks), Dassault Systèmes (CATIA V5 и SolidWorks), PTC (Pro/ENGINEER), Siemens (NX и Solid Edge), Autodesk (Inventor, Alias, 3ds Max, Maya, Softimage).
Стандарт соединения - 1 x USB 3.0
Диапазон рабочих температур - 15-40°C
Диапазон рабочей влажности (без конденсата) 10-90%
500 черных меток
Если очень надо, делаю даже вот так
Устройство само определяет положение. Нет необходимости использовать координатно-измерительную машину (CMM), измерительную руку или другое внешнее устройство позиционирования.
Визуализация сканируемой поверхности в режиме реального времени.
Благодаря динамической привязке объект можно передвигать во время трехмерного сканирования, что устраняет необходимость жёсткой установки.
Индивидуальная калибровочная таблица
Сертификат, подтверждающий качество и точность
Примеры
Применение
«На данный момент трехмерное сканирование применяется не только для получения оцифрованных моделей различных деталей, статуэток, кузовов машин и пр. 3D-сканирование также широко применяется в сканировании людей, а в последнее время это особенно спрашиваемая технология, ведь интересно хранить не только семейные фотографии в рамках на тумбочке, но и, например, всю семью, напечатанную на 3D-принтере. Помимо развлекательных целей, в медицине все чаще применяются трехмерные технологии. Например, сканирование ноги человека для создания удобного протеза, сканирование слепка челюсти пациента для дальнейшей работы в специализированном стоматологическом программном обеспечении, сканирование органов человека…Как может показаться на первый взгляд, на данный момент 3D – технологии несут в себе развлекательный характер, но это уже давно не так. Это инновация практически в любой сфере деятельности.» Алексей, специалист Consistent Software Distribution
Суровые технари проверяют трубопровод
оценкой целостности трубопроводов
оценка повреждения самолетов градом
Влияние повреждений, наносимых градом, на аэродинамические свойства самолёта является сложным фактором для оценки, но в то же время в буквальном смысле слова - жизненно важно! – сделать эту оценку максимально точно. Форма и размер дефектов могут варьироваться в зависимости от силы шквала, в который попадает самолёт. Следовательно, самый распространённый способ анализа повреждений - посредством измерения геометрии (длины, ширины и глубины) каждой вмятины на рассматриваемом участке поверхности самолёта. Также существует необходимость контроля геометрии деталей на производственной линии.
проверка внутреннего состояния труб
Операторы трубопроводов всегда разрываются между обеспечением общественной безопасности и экономическими последствиями земляных работ в зонах, где, как оказывается в дальнейшем, ремонт не требуется. Методы прямой оценки используются для подтверждения результатов измерений, полученных с помощью инструментов для проверки внутреннего состояния труб. Эти инструменты не всегда точны, и им иногда требуется повторная калибровка. Сервисные компании тратят большое количество времени на сопоставление данных от поставщиков оборудования для проверки внутреннего состояния труб и данных, полученных при помощи уровнемера (или любого другого инструмента для прямой оценки), для оценки работы инструмента. Для правильной оценки работы инструмента проверки внутреннего состояния труб операторы трубопроводов должны выполнять ежегодный анализ статистически значимых совокупностей при помощи устройства, которое обеспечивает большую точность, чем технология рассеяния магнитного потока.
осмотр и обмер резервуаров
Общественная озабоченность вопросами экологии вынуждает нефтяные компании совершенствовать технику безопасности по отношению к охране окружающей среды и здоровья. Осмотр резервуаров традиционно являлся длительной процедурой, но теперь компании могут удовлетворить общественные интересы благодаря технологии трёхмерного сканирования, позволяющей повысить точность и эффективность этих работ. Этот же инструмент можно использовать для других целей, например для обмера резервуаров. На самом деле, построение точной таблицы вместимости является одним из основных требования отрасли…
Установка резервуара
Отчёты об осмотре резервуаров, генерируемые системами Creaform, содержат важную информацию - такую, как профили дна, вертикальные профили и круглограммы - необходимую для оценки оседания резервуара.Построение градуировочных таблиц вместимости
Градуировочные таблицы вместимости используются для определения количества продукта в резервуаре. Форму отчётов можно изменить в соответствии с потребностями клиента. Данные в отчёте могут включать или не включать объём внутренних конструкций резервуара, влияние на параметры плавающей крыши резервуара и т.п.
3d-моделирование для контроля методом фазированной решетки
для авиакосмической отрасли
Сервисные воздушные суда и их компоненты и конструкции необходимо контролировать и оценивать уровень деградации и оставшегося срока службы. Авиаконструкторы и авиаперевозчики сталкиваются с проблемой контроля сложных компонентов (например, газовых турбин, отсеков двигателя, обтекателей, кабины лётчика и т.п.), которые являются частями очень сложных узлов и не могут быть извлечены для осмотра. Для решения этой проблемы обычно обращаются к контролю методом фазированной решетки.
Моделирование фокального закона фазированной решетки применяется для прогнозирования результатов контроля и оптимизации конфигурации датчика и клина. Контроль компонентов сложной формы с использованием двумерной матрицы может представлять сложную задачу. За неимением лучшего решения, 3D-модель обычно берется из файла CAD или из теоретической модели конструкции. Однако реальная форма компонента отличается от идеальной теоретической модели и, следовательно, ухудшается точность ультразвукового сканирования и вероятность обнаружения.
для энергетики
Компоненты и конструкции электростанций необходимо контролировать и оценивать уровень деградации и оставшегося срока службы. Энергетические компании сталкиваются с проблемой контроля сложных компонентов (деталей «ласточкин хвост», форсунок, подающих труб и т.п.), которые являются частями очень сложных сборок и не могут быть извлечены для контроля. Для решения этой проблемы обычно обращаются к контролю методом фазированной решетки.
Моделирование фокального закона фазированной решетки широко применяется, особенно в атомной промышленности, для прогнозирования результатов контроля и оптимизации конфигурации датчика и клина. Контроль компонентов сложной формы с использованием двумерной матрицы может представлять сложную задачу. За неимением лучшего решения, 3D-модель обычно берется из файла CAD или из теоретической модели конструкции. Однако реальная форма компонента отличается от идеальной теоретической модели и, следовательно, ухудшается точность ультразвукового сканирования и вероятность обнаружения.
Другие модели
GoScan
EXAscan
(~ 3 млн руб)
Surphaser
(~ 3 млн руб)
Босс
Его используют для сканирования космических аппаратов и при строительстве метро и военные для своих целей.
Техническое обслуживание и ремонт производится в России. 3D-сканеры Surphaser собираются в России
Про эту штуковину стоит написать отдельную статью.
Время сканирования: с носовой части – 1,5 часа; с хвостовой части – 1 час
Используемое ПО: Cyclone для чистки и регистрации данных, RapidForm для моделирования
Сегодня мы расскажем о видах и типах 3D сканеров, а также об эффективном применении их в различных сферах.
3D сканирование находит широкое применение в промышленности, медицине и в быту. Более того, многие современные производственные процессы не могут обойтись без автоматизации и контроля. В этих случаях наряду с компьютерным зрением приходит технология 3D сканирования.
3D-сканеры можно разделить на два типа: Контактные и, соответственно, бесконтактные.
Контактные сканеры
К первому типу сканеров относятся CMM (coordinate measuring machine - координатно-измерительные машины).Эти устройства напоминают промышленные ЧПУ станки, на массивном основании, но вместо шпинделя крепится измерительная головка с рубиновым шариком на конце. Сканирование, или контроль геометрических размеров производится контактным способом. Щуп медленно подходит к измеряемому объекту, регистрируя малейшее касание.
Так же существуют системы с подвижными “суставами”, в которых установлены высокоточные энкодеры. При перемещении сканирующего органа оператором эти датчики фиксируют перемещение всей системы и на основе этих данных строит трехмерную модель изделия.
Пример таких сканеров: Faro Arm Edge 9 - компактный и точный промышленный сканер идеально подходящий для контроля пресс форм, или штампов.И ROMER Absolute Arm SE 7 - 7-ми осевая измерительная рука, крайне удобная в работе, оборудованная магнитным основанием, которые позволяют надежно закрепить сканер на любой ровной металлической поверхности.Данные сканеры широко применяются на высокоточных производствах для контроля геометрических размеров выпускаемой продукции. Так же при помощи данных устройств можно произвести “полное” сканирование и получить облако точек.
Но данная технология не идеальна, и имеет ряд ограничений, таких как:
- Низкая скорость сканирования
- Невозможно (чаще всего) сканировать поднутрения и малые отверстия
- Установки стационарны и массивны. Поэтому применение их в 3D съемке ландшафта и архитектурных объектов невозможно
Бесконтактные активные сканеры
Бесконтактные сканеры делятся на несколько типов по способу сканирования. Условно их можно разделить на лазерные и оптические.
Лазерные сканеры
Основная часть лазерных сканеров работает на принципе триангуляции. Суть триангуляционных 3D сканеров состоит в том, что высоко контрастная камера ищет лазерный луч на поверхности объекта и измеряет расстояние до него. При этом оптическая ось камеры и лазера разнесены, а расстояние между ними и угол заведомо известны. Таким образом, путем не хитрых геометрических измерений мы можем достаточно точно измерить расстояние до объекта, быстро получив облако точек. По сравнению со сканерами измеряющими время отклика луча этот класс устройств имеет ограничения по дальности сканирования, но при этом сканирует объекты с высокой точностью.
Ярким примером подобных лазеров являются:
- BQ Ciclop - 23 890 руб., Точность: 0.5-5мм от размеров детали, Область сканирования: 205 мм. Имеется вращающаяся платформа.
- David Laserscanner - 59 000 руб., Точность: 0.5% от размеров детали, Область сканирования: 10-600 мм.
- Digitizer (MakerBot) - 93 100 руб., Точность: 2мм, Область сканирования: 205 мм. Имеется вращающаяся платформа.
А так же данные сканеры уже используются в образовательных целях во многих Российских школах и вузах.К другому типу лазерных сканеров относятся сканеры, основанные на измерении времени отклика лазерного луча от поверхности объекта. Данные виды сканеров представляют собой, по сути, лазерный дальномер. Такие сканеры широко распространены в строительстве и ландшафтном дизайне, успешно используются для создания 3D моделей зданий и памятников культуры. Они позволяют быстро оцифровывать окружающее пространство. Подобные системы компьютерного зрения даже устанавливались на первые прототипы беспилотных автомобилей.
Главным недостатком этих систем является сложность подсчета времени отклика лазерного луча на малых расстояниях (менее метра). Поэтому данные сканеры применяются по большей части геодезистами, ландшафтными дизайнерами и архитекторами.
Так же стоит отметить точность и скорость сканирования. У сканера FARO Focus 3D , стоимостью 65 500 $, заявленная точность составляет +-2мм на расстоянии до 25 метров. Скорость сканирования - 976 000 точек/секСканеры Leica HDS8800 и Leica ScanStation P20 имеют точность от2 до 20мм на расстоянии 100 и 1000м. Скорость сканирования же составляет до 1 млн точек/сек.Эти сканирующие устройства идеально подходят для съемок местности и больших объектов и не предназначены для сканирования мелких деталей.
Области применения: Ландшафтный дизайн, Геодезические измерения, Построение карт местности, Сканирование памятников культуры.
Оптические сканеры
Переходя к оптическим сканерам, хочется отметить сканеры, основанные на методе сканировании структурированным светом. Эти устройства представляют собой одну или две видео камеры в связке с кинопроектором. При засветке сканируемого объекта “зеброй” или черно-белыми квадратами, которые расположены в шахматном порядке, камеры анализируют искривления полученной картинки и на основе этих данных строят 3D модель. Этот метод широко применяется для реверс-инжинеринга, сканирования ювелирных украшений, часто применяется в медицине (протезирование). Особо стоит отметить использование данных сканеров в протезирование, так как трехмерное сканирование и печать в данной сфере работает максимально эффективно. Данная технология позволяет максимально точно изготовить косметический, функциональный или стоматологический протезы.
К недостаткам данной технологии можно было бы отнести ограничение по возможности сканирования крупных объектов, но данная задача эффективно решается путем нанесения на объект специальных маркеров, которые позволяют сканировать большие объекты по частям с последующей “склейкой” модели.
Данный метод сканирования популярен, и дает прекрасные результат, поэтому на рынке представлено достаточно много таких сканеров, вот некоторые из них:
- RangeVision Smart - 175 000 руб. Область сканирования от 150х112х112 мм, до 500х375х375 мм, Точность: 0,2 мм - 0,1 мм.
- David SLS-3 - 299 000 руб. Область сканирования от 10 до 600 мм, Точность - 0.05%
- Volume Technologies VT Mini - 340 000 руб. Область сканирования - от 50 до 500 мм, Точность - 0.1%
- RangeVision Standard Plus - 585 000 руб. Область сканирования от 66*50*50 мм до 850*530*530 мм, Точность: 0,015 - 0,16 мм
- RangeVision Advanced - 710 000 руб. Область сканирования 66*50*50 мм до 850*530*530 мм, Точность: 0,03 мм - 0,16 мм. Разрешение камер: 2Мп
- RangeVision Premium - 1 220 000 руб. Область сканирования от 66*50*50 мм до 850*530*530 мм. Точность: 0,015 мм - 0,16 мм. Разрешение камер: 5мп
Области применения:
Ручные сканеры
Стоит отметить что существуют и портативные ручные версии сканеров, работающие как по лазерной так и по оптической технологии, обычно это профессиональные устройства, обладающей большой точностью и скоростью сканирования. Например:
Области применения: Реверс-инжиниринг, Образование, Хобби, Компьютерные игры, Протезирование, Сканирование людей, Архитектура, Музейное дело
Контроль измерений
Одним из наиболее востребованных направлений применения 3D сканеров является контроли измерений. В этом направлении используются высокоточные сканеры, оборудованные очень точными камерами, проекторами и имеющими специализированное ПО для анализа отсканированных изделий и сравнения их с CAD моделями. Например:
- AICON stereoSCAN 3D – Точность сканирования - 0,025 мм, область сканирования – 400х400 мм.
- GOM ATOS Compact Scan 2M – Точность сканирования - 0,021 - 0,615 мм, область сканирования: 35 x 30 - 1000 x 750 мм².
- Gom ATOS Core 200 – Точность сканирования - 0,03 мм, область сканирования: 200 x 150 мм.
Бесконтактные пассивные сканеры И последний метод сканирования, о котором мы расскажем - бесконтактные пассивные способы сканирования. Они существуют трех видов: Стереоскопический, Фотометрический и метод силуэта.
В сканерах, которые основаны на стереоскопическом методе сканирования, имеются две камеры, повернутые под не большим углом относительно друг друга. Анализируя разницу между двумя изображениями, строится трехмерная модель. Точность таких сканеров не высока, но зато позволяет получить цветную трехмерную модель.
Так же при проектировании дизайна автомобилей до сих пор изготавливают вручную масштабный макет из специальной глины, а после чего успешно сканируют подобными сканерами.
Области применения: Не детализированный реверс-инжиниринг
Существуют и более продвинутые решения в данном направлении, это фотограмметрическая съемка, используя тот же принцип что и фотометрия дополнительно используется специальная система меток, позволяющая программе с большой точностью определить с какого ракурса и какая часть объекта была сфотографирована и как следствие - сделать более точную модель. Наиболее качественное такое решение сейчас имеет сканер AICON DPA от компании AICON.Области применения: Сканирование больших объектов, дополнительная примочка для повышения точности сканирования
Метод сканирования по силуэту распространен слабо и имеет ряд недостатков. Для получения изображения требуется поместить сканируемый объект на контрастный фон, и произвести серию снимков. Так же этот метод не позволяет сканировать вогнутые поверхности.
Так же существуют другие технологии сканирования, например компьютерная томограмма (КТ) и МРТ, использующий рентгеновское излучение, а так же коноскопическая голография. Все эти методы сканирования довольно узкоспециализированные, и не относятся теме нашей статьи, поэтому мы не станем заострять внимание на них в нашем обзоре.
Если у вас появились дополнения или вопросы - мы с радостью их обсудим! Пишите в комментарии или на почту [email protected]
Хотите больше интересных новостей из мира 3D-технологий?
Или любую другую модель, наверное, уже слышал о том, что на рынке высокотехнологичных устройств есть и такие приборы как 3D сканеры. Для тех, кто не знает что это за аппараты, наша статья.
Определение 3D сканера
3D сканеры представляют устройства, предназначенные для сканирования физических объектов и их точного последующего воспроизведения. Простыми словами, трехмерный сканер делает с объектом то же самое, что 2D сканер, который сканирует изображение на листе бумаги и переносит его на компьютер. Только в случае с 3D принтерами сканируется реальный объект, а на монитор передается объемная модель. Современные модели пространственных сканеров могут иметь вид небольших портативных устройств или серьезных стационарных аппаратов, которые имеют специальные лампы или лазеры для осуществления подсветки. Разброс качества передачи изображения в них может существенно отличаться. Это то же самое, если сравнивать возможности построения моделей двух печатающих трехмерных аппаратов - 3D принтера makerbot replicator и маленького дешевого бытового принтера.
При сканировании точность передачи изображения двух приборов может отличаться на порядок и изменяться от 10 до 100 микрон, эта величина зависит от типа прибора и его возможностей. Кроме этого, сканеры могут передавать изображение с полной цветовой гаммой или переносить только формы поверхности. Кроме различия в качестве получаемого изображения и в функционале, сканеры можно разделить на контактные и бесконтактные, то есть те, которые контактируют непосредственно с объектом или сканируют его на некотором, иногда до нескольких километров, расстоянии.
Преимущества
Если анализировать общие преимущества всех сканеров, то необходимо отметить:
- Максимальную точность сканирования объектов. Воспроизводятся даже самые мелкие его детали.
- Скорость сканирования максимальная- от нескольких секунд до нескольких минут.
- Сканер можно размещать в разных пространственных положениях. Это особенно важно для получения объемных моделей больших предметов (домов, памятников и т.д.).
Если анализировать преимущества контактных и бесконтактных моделей, то первые:
- Качественно сканируют вне зависимости от освещения.
- Максимально точны в работе.
- Просты в управлении.
Бесконтактные приборы могут снимать на больших расстояниях, не контактируя с предметом, и более энергоэкономичные в использовании.
Из недостатков всех сканеров отметим невозможность качественного сканирования движущихся объектов, а также плохое качество изображения объектов, имеющих блестящую или прозрачную поверхность.
Область применения
Возможности сканеров запечатлеть с максимальной точностью форму практически любого объекта, обеспечили им применение в разных сферах жизни человека. Они используются в медицине для сканирования мозга, опорно-двигательного аппарата, сердца, а также для поиска опухолей. В производстве 3D сканирование незаменимо в реверс-инжениринге, а в строительстве для контроля качества, реконструкции автотрасс и в определении пустот под землей.
В различных областях деятельности человека завоевывает свое место не только технологии 3D печати, но и такие интересные приборы, как 3D-сканеры. С помощью такого устройства можно выполнять сканирование различных физических предметов, получая их трехмерные цифровые модели, характеризующиеся высокой точностью. Полученные модели с электронными данными о форме конкретного предмета могут быть задействованы в строительной сфере, медицине и игровой индустрии. На то, что ранее требовалось часы или даже дни, в настоящий момент посредством 3D-сканера необходимы лишь считанные секунды.
Принцип работы и преимущества
3D-сканер исследует физический предмет и воссоздает его точную цифровую модель. Современные 3D-сканеры могут выглядеть как ручной прибор небольшого размера, либо быть стационарным устройством, использующим в качестве подсветки лазер или специальную лампу, чтобы увеличить точность измерений. Принцип работы определяется используемой технологией, однако в любом случае данное устройство имеет дело с определением расстояния до сканируемого предмета.
Сканер исследует расстояние до объекта, задействуя две встроенные камеры и подсветку. С помощью этих «глаз» прибор измеряет расстояние до объекта в разных точках, а затем сопоставляет полученные от камер картинки. Все измеренияз аписываются, после чего проводится анализ и на экран уже выводится готовая цифровая модель. Сканирование может осуществляться и лазерным лучом, который перемещается над поверхностью предмета и измеряет расстояние в конкретной точке. Таким способом записываются координаты всех измеряемых точек, что открывает возможность для создания трехмерной компьютерной модели.
Пользователь может оперировать самим процессом сканирования, устанавливая разрешение и соответствующие области, где требуется более высокая детализация. Современные 3D-сканеры уже научились обеспечивать точность получаемых трехмерных моделей вплоть до нескольких десятков или даже сотен микрометров. Причем имеется возможность сканировать объект с передачей не только его формы, но и цвета. В результате, существенно упрощается процесс создания трехмерных макетов – они создаются не только в короткие сроки, но и с очень высокой детализацией. Кроме того, полученное трехмерное изображение всегда можно открыть в редакторе и осуществить дополнительное редактирование по своему усмотрению.
Разные модели сканеров характеризуются различными параметрами и возможностями, но все они находят применение в тех случаях, когда нужно максимально быстро и точно зарегистрировать форму предмета. Преимущество подобных приборов на практике обеспечивается не только существенным упрощением процесса получения 3Dмакетов и, как следствие, экономией времени, но и возможностью работы со сложными деталями и элементами.
Классификация
Все приборы подобного рода делятся на две большие группы:
— Контактные сканеры
Такие приборы используют, как ни трудно догадаться, контактный способ сканирования, то есть они исследуют сканируемый предмет буквально на ощупь, записывая соответствующие координаты. Для этого в их конструкции предусмотрено наличие специального высокочувствительного щупа. Контактные сканеры обладают такими несомненными плюсами, как высокая детализация, независимость от световых условий, возможность сканирования призматической части объекта. В то же время они довольно медленные в работе и во время сканирования возникает риск повреждения каких-либо хрупких предметов.
— Бесконтактные сканеры
3D сканер Sense
Здесь применяется бесконтактный способ сканирования. Такие приборы бывают активными и пассивными. Активные устройства сами излучают специальные волны, после чего обнаруживают их отражение и анализируют для получения компьютерной модели. В качестве такого излучения может использоваться рентген, ультразвук или световые потоки. Например, рентгеновские лучи и ультразвук используются в сканерах, используемых в медицинских целях. Пассивные приборы не формируют никакого излучения, а лишь обнаруживают отраженное от объекта окружающее излучение. Например, свет. В целом, бесконтактные сканеры отличаются экономичностью, привлекательной технологией сканирования и возможностью использования вне помещений с различной степенью освещенности.
Технологии сканирования
К текущему моменту наибольшее распространение получили две технологии 3D-сканирования:
— Лазерная
Лазерный сканер REVscan из серии ручных самопозиционирующихся сканеров Handyscan 3D
В данном случае устройства основаны на действии лазера. При использовании таких приборов на сканируемый объект, в определенных его точках наносятся особые светоотражающие маркеры, что позволяет обеспечить более высокую точность сканирования. Преимущество лазерных устройств состоит как раз в очень высокой точности создаваемых моделей. Однако лазерные приборы используются для сканирования исключительно статичных объектов и фактическине могут быть задействованы для получения моделей подвижных предметов (в этом случае процесс сканирования отнимает очень много времени). Благодаря тому, что лазерные сканеры дают возможность воссоздать невероятно точную модель, они применяются в разнообразных промышленных сферах, в частности, в машиностроении.
— Оптическая
Лазерные сканеры оказываются практически бесполезными, когда требуется отсканировать объекты, находящиеся в движении. Например, осуществить сканирование человеческого тела для медицинских задач. И тут на помощь приходят оптические приборы. Они осуществляют процесс сканирования предмета путем проецирования на него линий, формирующих своеобразный узор. Данные о поверхности предмета содержатся в искажениях формы проецируемой трехмерной картинки.
Оптические устройства могут похвастаться высокой скоростью работы. Это автоматически устраняет проблему искажения компьютерной модели в случае движения сканируемого объекта. Кроме того, здесь не требуется наносить на предмет специальные метки. То есть оптические сканеры могут с успехом применяться для сканирования подвижных предметов или человеческого тела. Несмотря на то, что оптические приборы уступают по точности создания 3D моделей лазерным аналогам, они характеризуются большей универсальностью. В то же время и у них есть свои минусы. В частности, оптические устройства не способны осуществлять сканирование предметов с зеркальными или блестящими поверхностями.
Области применения
Получение 3D моделей отдельных объектов или предметов является очень важной задачей для многих сфер деятельности человека. Можно перечислить лишь несколько ключевых областей, где 3D-сканеры находят широкое применение:
— Дизайн: создание трехмерного макета, на основе которого можно будет получить серийное изделие, изготовление дизайнерской упаковки, а также возможность получения и исследования формы объекта с ее последующей доработкой.
— Медицина: возможность создания трехмерных моделей суставов, строений кости и отдельных органов человеческого тела, планирование операционных манипуляций, проектирование разнообразной анатомической обуви и ортопедических конструкций.
— Реверс-инжиниринг: получение точной компьютерной модели предметов, которых требуется воссоздать.
— Архитектура: 3D-сканеры могут применяться для сканирования на заказ различных архитектурных деталей и элементов, например, колонн, статуй и декораций.
— Индустрия развлечений: получение анимационных моделей для игр и фильмов, возможность создания цифрового мультимедиа контента, основанного непосредственно из концептуальной модели разработчика. Это актуально, прежде всего, для видеоигр и разработки игровых персонажей, навеянных творческой фантазией.
— Строительная промышленность: получение чертежей мостов и сооружений в трехмерном исполнении, реконструкция автомобильных трасс и магистралей.
— Контроль качества продукции: проверка соответствия создаваемой продукции установленным требованиям и техническим нормам.
— Музейное дело и сохранение культурного наследия: точное восстановление формы устаревших скульптур или памятников для их последующей реконструкции, возможность организации виртуальных музейных экскурсий, сканирование старинных, антикварных предметов.
— Архивирование: создание цифрового архива прототипов изделий.
— Киноиндустрия: получение цветной трехмерной модели человека.
Итак, использование столь технологичного прибора, как 3D-сканер, может облегчить деятельность человека во многих сферах. Это динамично развивающаяся технология, которая предоставляет уникальные возможности – от планирования медицинских операций и создания объемного дизайн-макета до контроля качества создаваемых изделий. 3D-сканеры требуются во всех случаях, когда нужно определить форму предмета с большой точностью и в минимально короткие сроки.
Профессиональный лазерный 3D-сканер будет не по карману не только вам, но и крупной голливудской студии. Конечно, существуют менее дорогие решения, но и их стоимость выражается четырех-пятизначными цифрами (в американских долларах и европейских евро). Но, обладая изобретательностью, вы можете перевести чье-нибудь лицо в третье измерение всего лишь с помощью обычного диапроектора, цифровой камеры и базового трехмерного программного обеспечения...
ся сложность задачи заключается, естественно, в дополнительном измерении. Если бы вам понадобилась простая двумерная фотография объекта, то достаточно было бы взять цифровую фотокамеру, сфотографировать предмет и ввести его изображение в компьютер. Иное дело, если вам нужна трехмерная сеточная модель - тут уж придется попотеть...
3D-художнику даже довольно простые на первый взгляд объекты могут доставить немало хлопот, если речь зайдет об объеме, цвете и фактуре поверхности. Поэтому перед тем, как приступать к 3D-моделированию, необходимо приобрести определенные навыки в этой области, и пройдет немало времени, прежде чем новичок сможет приступить к конкретной творческой работе.
Но даже если вы знакомы с трехмерным моделированием не понаслышке, работа с антропоморфными объектами, а тем более с человеческими лицами, представляется делом довольно сложным и весьма трудоемким. 3D-художники порой тратят так много времени на изготовление моделей трехмерных людей, что на другую важную работу у них его просто не остается. А ведь не менее сложной и трудоемкой является анимация таких объектов, и любые огрехи в моделировании в этой области начинают проявляться особенно ярко и могут свести на нет работу в целом.
В настоящее время существуют различные технологии для трехмерного сканирования, а некоторые компании даже предоставляют специальные услуги по подготовке 3D-моделей, но такие решения и услуги доступны далеко не всем, причем цена большинства из них в буквальном смысле астрономическая. Однако, обратившись в такие компании или воспользовавшись готовыми 3D-объектами, вы можете столкнуться с непреодолимыми трудностями в процессе анимации и рендеринга.
Методы, используемые при построении 3D-моделей, могут варьироваться от проекта к проекту. Смоделировать трактор или воссоздать динозавра - это, естественно, вовсе не одно и то же. Если речь идет о последующей сложной анимации, то, бесспорно, лучше делать модель «вручную», в каком-либо 3D-пакете. Первоочередная задача в этом случае - построить корректный рабочий скелет и создать аккуратную и не слишком сложную по структуре поверхность. В процессе работы широко используются скульптуры, фотографические материалы, черновые чертежи и рисунки. Казалось бы, почему не автоматизировать процесс моделирования? Однако различные методы автоматической оцифровки объектов (3D-сканирование) широкого распространения не получили. В чем причина?
Профессиональные технологии 3D-сканирования
ассмотрим для начала наиболее популярную технологию 3D-сканирования «для бедных» - так называемую сколку. На 3D-дигитайзерах, работающих по этой технологии, специализируется компания Immersion Corporation. Ее устройства MicroScribe 3D вполне доступны (их стоимость от 1000 до 3000 долл., в зависимости от величины объекта, который можно обрабатывать) и просты в использовании, однако они не могут оцифровать текстуру объекта (рисование которой - один из самых сложных этапов моделирования), поэтому не настолько радикально оптимизируют процесс изготовления моделей, чтобы отказаться от ручной работы, и используются, как правило, только при недостаточной квалификации 3D-дизайнера.
По сути, такие системы представляют собой контактный щуп, который при помощи нескольких потенциометров, установленных на складной арматуре с шарнирными соединениями, фиксирует информацию о том, в каком месте находится головка, и передает эту информацию в виде координат в трехмерном пространстве при нажатии соответствующей кнопки. Достаточно сделать необходимое количество замеров - и у вас готова сетка для моделирования поверхности будущей модели.
Но одно из основных преимуществ таких систем - высокая степень контроля за процессом оцифровки со стороны оператора. Причем само это устройство может быть довольно сложным: в нем, например, применяются система противовесов и автоматическая компенсация изменения температуры и соответствующих расширений и сжатий металла. При моделировании на исходный объект карандашом или маркером наносятся контрольные линии; затем оператор решает, где к сетке нужно добавить деталей, а где оставить возможность деталировки 3D-дизайнерам - все это зависит от назначения модели. Цель таких предварительных работ - убедиться, что окончательная сетка будет достаточно точной и максимально рациональной. Когда же рисование на модели невозможно, приходится лепить вместо нее макет.
Причем после любой оцифровки все равно неизбежно потребуется довольно трудоемкая обработка в 3D-пакете, но при правильном планировании создаваемой сетки такую работу можно значительно оптимизировать еще на этапе сколки. К сожалению, этого преимущества лишены более сложные, оптические системы оцифровки 3D-объектов (поэтому после их работы объект, как правило, приходится заново моделировать вручную). Однако оптические системы обладают другим преимуществом - они автоматически «снимают» трехмерную текстуру объекта, которую затем можно будет использовать с минимальной доработкой. В этом смысле лазерная, или оптическая, технология сканирования 3D-объектов является более передовой. Из трех основных направлений, по которым развивалась эта технология (сканирование по точкам, по зонам и по полосам), наилучшие результаты показала технология сканирования по полосам (как правило, со световой разметкой).
Суть данной технологии заключается в том, что на поверхность модели проецируется световая полоса или сетка и ее положение записывается внешними видеокамерами. Постепенно, по мере сканирования модели от одного края до другого, выстраивается точный образ ее поверхности и записывается трехмерная текстура.
Наибольшего успеха в производстве 3D-сканеров, работающих по оптической технологии, добилась компания Cyberware. За ее первым сканером с прагматическим названием Head Scanner (сканирующим только небольшие объекты, такие как человеческая голова) в начале 90-х годов последовал Whole Body Scanner (сканер всего тела) и др. Технология оказалась довольно популярной, и в течение нескольких лет появилось целое семейство производителей подобных устройств. Причем работают эти устройства довольно быстро и точно (например, сканирование головы занимает всего несколько секунд, и за это время генерируются 3D-объекты с полумиллионом вершин), но они до сих пор остаются довольно дорогими (их цена достигает полумиллиона долларов) и имеют целый ряд серьезных недостатков, которые приводят к тому, что полученные с их помощью модели совершенно непригодны для анимации.
Из серьезных недостатков можно выделить следующие:
- полученные модели очень сложны и тяжеловесны;
- возникают проблемы с отражающими поверхностями (что не удивительно, если учесть, что используется световая разметка);
- чем сложнее рельеф поверхности, тем больше вероятность перекрывающихся плоскостей и близких точек, с которыми потом отказываются работать 3D-пакеты;
- поскольку процесс полностью автоматизирован, 3D-дизайнер не может оказывать на него влияние и приступает к работе только тогда, когда закончится сканирование.
В результате получаются громоздкие объекты, которые потребуют такого объема работ для их доводки, что проще смоделировать объект заново.
Сейчас на рынке появляются и более дешевые сканеры, основанные на цифровой фотосъемке (10-20 тыс. долл.), но и их применение тормозится по вышеописанным причинам.
Так что в любом случае - автоматически ваша работа не сделается. Мы же предлагаем вам относительно нетрудоемкую и недорогую по оснащению «полуавтоматическую» процедуру, следуя которой, вы, при определенном навыке, сможете создавать качественные трехмерные модели любой сложности.
Итак, рассмотрим, как получить модель человеческого лица на дешевом оптическом оборудовании...
Установка для 3D-сканирования
усть у вас есть довольно сложный объект, с которого вы хотите получить трехмерный образ в компьютере. Вам понадобится также слайд- или оверхед-проектор (впрочем, можно воспользоваться популярным во времена наших бабушек дешевым диапроектором, если, конечно, вы сумеете его где-нибудь отыскать). Кроме того, необходим фотоаппарат (желательно цифровой, чтобы оперативно переносить полученное изображение в компьютер). Для слайд- или диапроектора понадобится изготовить специальную «маску», которая будет проецировать на фотографируемый объект вертикальную решетку. Можно, например, взять засвеченную пленку и процарапать по ней иголкой тонкие параллельные линии по всей длине кадра. Для оверхед-проектора можно изготовить пленку с нанесенными на нее черной тушью вертикальными линиями (если проектор отображает непрозрачные листы, то можно начертить такие линии на обычной бумаге). Помещаем сканируемый объект непосредственно перед проектором, а фотоаппарат закрепляем на штативе таким образом, чтобы он снимал объект под углом 45°.
После этого делаем по два снимка: первый с проецированием вертикальной решетки на лицо модели, а второй - просто фотографию для получения соответствующей текстуры. Проецируемые линии должны располагаться максимально близко друг к другу (от 0,5 до 1 см) и должны быть хорошо видны на фотографии, для того чтобы вы могли в дальнейшем уверенно воспользоваться ими при моделировании.
Итак, снимаем: один раз с проектором, а второй раз - без него (можно просто закрывать его листом бумаги, а камерой управлять дистанционно). Если у вас цифровая камера, то лучше сразу проверить качество полученного изображения и, возможно, повторить серию, отодвинув или придвинув проектор поближе, чтобы получить уверенно читаемые линии по лицу на фотографии. Естественно, пленочный фотоаппарат значительно менее удобен - придется печатать фотографии и использовать сканер для ввода изображения в компьютер.
Подготовка каркаса для лица
осле того как достаточно четкие фотографии будут получены, мы должны перейти в какой-нибудь пакет трехмерного моделирования. Лучше, если там будет достаточно развитой инструментарий сплайнового или так называемого NURBS-моделирования. NURBS - это сокращение от Non-Uniform Rational B-Spline (то есть неоднородный рациональный B-сплайн). Выбор современных программ достаточно велик: от профессиональных Alias|Wavefront Maya и 3DS MAX до дешевых Hash Animation Master или Caligari True Space. Идеальный выбор для использования технологии NURBS-моделирования - это Rhino 3D (или Rhinoceros).
Rhinoceros - это профессиональная система концептуального 3D-проектирования и моделирования для операционной среды Windows 95/NT. Основой моделирования в этом пакете является NURBS-технология моделирования. Rhino 3D позволяет создавать, редактировать, анализировать кривые, поверхности и твердые тела и работать с NURBS-объектами. Система эффективно работает с объектами любой сложности и размеров. Это может быть как техническое моделирование - от клапана до лайнера, так и моделирование биологических объектов - от мышонка до человека. Функциональные возможности системы ставят ее на одну ступень с системами верхнего уровня, при этом Rhino 3D выгодно отличается по цене от других профессиональных пакетов для трехмерного моделирования. И начинающие пользователи, и опытные профессионалы во всем мире отдают предпочтение легкому в освоении и эффективному в использовании пакету Rhino 3D.
Одним из лучших приемов моделирования головы при помощи сплайнов является использование вертикальных кривых, которые берут начало на внутренней поверхности рта. Они выходят изо рта наружу, повторяя черты лица, и заканчиваются у основания шеи.
Такой подход особенно эффективен в том случае, когда вам необходимо с максимальной достоверностью передать черты лица и использовать мимику при анимации. Поскольку обычно направление кривых совпадает с направлением мускулов, такое построение значительно облегчает анимацию мимики. Это относится в первую очередь к областям в районе рта, которые являются наиболее подвижными. Помимо наших «автоматических» полосок на лице нам придется построить массу дополнительных кривых. Но прежде чем их строить, рекомендуется изучить различные мускулы лица и их назначение. Читая об этих мускулах, вы можете пользоваться зеркалом, чтобы посмотреть, как они действуют при разных выражениях лица, и соответственно обнаружить области, на которых вам потребуется максимальная детализация.
Откроем свое полосатое изображение, поместим его в качестве фона в соответствующее окно 3D-пакета (лучше если вы сами подготовите это окно, развернув прямую проекцию на 45° и включив перспективу) и начнем моделирование одной половинки лица. Для создания основных формообразующих кривых мы будем пользоваться спроецированными полосками, обводя их максимально эффективно (с созданием наименьшего количества контрольных точек). Для таких процедур всегда используется вид сбоку. Завершив обведение полосок кривыми, можно удалить лишние точки и, напротив, добавить точек в районе рта, носа или глаз. Но, вообще говоря, построенная нами кривая не должна содержать более двух-трех десятков точек и большинство из них должно быть сконцентрировано в районе губ, носа и рта. Однако не слишком удобно вставлять дополнительные точки впоследствии, когда дело дойдет до более мелких деталей. И помните, что большинство пакетов трехмерного моделирования, поддерживающих инструменты так называемого лофтинга или скининга (то есть тех, которые используются для натягивания поверхностей на формообразующие кривые) предпочитают, чтобы у всех кривых было одинаковое количество точек. Впрочем, некоторые пакеты позволяют перестроить кривые так, чтобы у них было одинаковое количество точек. Значит, вам самим не придется об этом беспокоиться. Общее количество кривых для одной половины лица тоже не должно быть слишком большим (как правило, ограничиваются магическим числом 13). Помните, что если вам удастся свести к минимуму число точек и кривых, то в дальнейшем анимация лица существенно упростится. Кроме того, поверхности, состоящие из меньшего количества точек и кривых, получаются более гладкими.
Обычно бывает полезно создавать лофт непосредственно по мере рисования кривых (то есть постепенно вытягивать поверхность от одной кривой к другой). Тогда вы сразу будете получать общее представление о конечном результате и у вас появится надежда впоследствии избежать неприятных сюрпризов. Поэтому лучше начинать обводить кривые последовательно, от носа к уху. Если вы не ставите целью сделать только маску, то должны продолжать рисовать кривые от лицевой стороны объекта (по сфотографированным полоскам) через затылок до основания шеи (можно просто закруглить затылок). Тогда у вас будет моделироваться не только лицо, но и вся голова целиком.
Если у вашего пакета есть опция history, как у Maya или Rhinoceros, вы можете перемещать точки следующей кривой на каркасе до тех пор, пока не останетесь довольны видом поверхности.
После лофтинга должны быть видны ребра каркаса. Они должны быть гладкими и не иметь резких изломов. Так вы заметите области, которые в дальнейшем могут оказаться проблемными. Обычно это происходит там, где кривые резко поворачивают.
Процесс создания кривых и исправления поверхностей наиболее утомителен при моделировании головы, но дополнительное время, затраченное на этом этапе, избавит вас от чрезмерных усилий после финального скининга. Почаще пользуйтесь увеличением (Zoom), чтобы проконтролировать наиболее ответственные места.
NURBS-кривые
сли вы не обладаете достаточным опытом 3D-моделирования и не можете работать сразу в трехмерном пространстве, то рекомендуем воспользоваться некоторыми вспомогательными приемами. Сначала просто обведите полоски на фотографии NURBS-кривыми (в результате, работая на плоской фотографии, вы получите сплайновые кривые на плоскости). Затем дублируйте ваше рабочее окно (то есть вид вашего окна должен совпадать с соседним), поверните вид второго окна на 450 в обратную сторону (то есть новое окно - это фронтальная проекция будущего объекта) и выключите там перспективу. В таком ракурсе, следуя логике процесса проецирования, ваши кривые должны превратиться в вертикальные линии. Вот вы и должны добиться от них такого расположения, не меняя соответствия кривых линиям в первоначальном окне.
Редактирование кривых в новом окне можно произвести простой функцией типа Snap to Grid (или подобной ей в вашем пакете). Кроме того, таким образом можно выровнять кривые на определенном расстоянии друг от друга (поскольку они должны были проецироваться равномерно). После такого редактирования вы можете добиться трехмерного представления, даже не обладая достаточным опытом работы в пространстве.
Используйте и такой метод, хотя небольших искажений, особенно в области носа, губ и подбородка, при этом вам никак не избежать. Вам, вероятно, все равно придется редактировать некоторые кривые, уменьшая или увеличивая плотность контрольных точек, и осуществлять корректуру в трехмерном пространстве.
Дублирование и отражение кривых
еперь, когда вас устраивает расположение кривых и точек на них, выберите все, за исключением центральной кривой, и удвойте. Пока скопированные кривые остаются выбранными, отразите их так, чтобы они перешли на другую сторону лица. Начиная со средней кривой, опять выбирайте их, обходя против или по часовой стрелке. После этого создайте финальный лофт и закройте объект (например, функцией close или подобной). В пакете Rhino для генерации поверхности из кривых можно воспользоваться функцией Surface from Curve Network. Когда возникнет диалог Tolerance и Edge Matching, нажмите OK. В Rhino, кстати, можно просто объединить два набора кривых (для правой и левой стороны лица).
Итак, трехмерная модель лица (или головы в целом) готова и теперь можно приступать к ее тонкому редактированию, изготовлению глаз, рта, языка, ушей и прочих частей человеческого тела. Позже вы можете возвращаться к NURBS-кривым, чтобы совершенствовать поверхность вручную. Лишние изопараметрические кривые (isoparms - изопармы) можно удалять и вручную, используя функцию Remove Knot в Rhino или подобную ей. Если вы работаете с пакетом Maya, то для сглаживания каркаса можно применить Artisan. В этот момент вы можете разобраться со всеми проблемными точками, манипулируя исходными кривыми или работая непосредственно с поверхностью, а не с контрольными точками. Поскольку теперь вы работаете с обеими половинками лица, вам придется выбирать соответствующие точки с обеих сторон. Чаще всего вам будет достаточно инструмента move, однако иногда, когда две точки потребуется сблизить или разнести подальше, может понадобиться инструмент scale.
Текстурирование лица
аключительная стадия предполагает тонирование модели при помощи второй, нормальной фотографии (без вертикальных полосок), используя ее как карту текстуры и отображая ее на обе половины лица для получения единого целого. Это ваша будущая карта текстуры. Rhino (как и другие достаточно профессиональные пакеты) может накладывать на модель плоские текстуры (посредством UV-координат), но 3DS MAX или Maya делает это лучше. Применяя специальный инструментарий (UV-модификатор плоской карты), можно точно подобрать место, где фотография должна ложиться на модель. Однако точно подбирать, масштабировать и монтировать UV-карту на вашей 3D-модели вам все же придется вручную. Так же как и при построении модели, вы должны будете зеркально отобразить текстуру, полученную из фотографии, на другую половинку лица. Впрочем, текстура лица получится симметричная, а поскольку человеческие лица никогда не обладают точной симметрией, вам придется отредактировать вторую половину лица в каком-нибудь графическом редакторе, чтобы придать ему уникальность, живость и подлинность.
Альтернативы
етод, который мы обсудили, может привести к достойным результатам только в том случае, если вы обладаете достаточным опытом в области 3D-моделирования. Однако в любом случае он сохранит вам время и деньги, которые вы могли бы бессмысленно потратить на какой-нибудь дорогостоящий прибор для 3D-сканирования.
Однако давайте обсудим возможные альтернативы. Достаточно сложная 3D-модель стоит на Западе от 500 до 1000 долл., а довольно эффективные аппараты для 3D-сканирования - и того больше. Даже такие миниатюрные системы, как Roland LPX-250 или весьма примитивный фотосканер Minolta VI-700 (который практически ничем не отличается от нашей системы), стоят по нескольку тысяч долларов и при этом вовсе не гарантируют достойного результата. А цены профессиональных устройств начинаются уже с сотен тысяч долларов!
Так что единственной альтернативой нашему методу является моделирование вручную, без использования каких бы то ни было аппаратных средств. Однако обычные фотографии вам в этом случае все равно понадобятся, так почему бы не использовать еще и бабушкин диапроектор?
КомпьютерПресс 11"2002
