Качество электронных копий физических объектов

КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРОННЫХ КОПИЙ ФИЗИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ В.О. Тишкин

Научный руководитель - к.т.н., доцент А.Н. Вершинин

Технология бесконтактного лазерного 3D-сканирования позволяет получать точные электронные копии реальных объектов в виде объемных компьютерных моделей. С помощью специализированных программных пакетов полученные модели могут подвергаться обработке, анализу, модификации, а также воспроизведены физически на специальном оборудовании (станки с ЧПУ). Качество электронных копий, с точки зрения расхождения с оригиналом, особенно важно при изготовлении, поэтому анализ электронных моделей является важной задачей при моделировании.

ЗБ-сканирование - это систематический процесс определения координат точек, принадлежащих поверхностям физических объектов, с целью последующего получения их пространственных компьютерных моделей, которые могут модифицироваться с помощью различных программных пакетов. Устройства, с помощью которых осуществляется сканирование объектов, называют ЗБ-сканерами. Эти устройства не только упрощают процесс создания ЗБ-моделей, но и позволяют решать эту задачу с максимальной степенью достоверности по отношению к исходному оригиналу.

В настоящее время существует целый ряд технологий, позволяющих создавать трехмерные образы аппаратными методами, т.е. без привычного ЗБ-моделирования в специализированных программных пакетах. Условно технологии трехмерного сканирования разделяются 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.

Более перспективными, но и более сложными приборами являются бесконтактные ЗБ-сканеры, 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 ЗБ-сканеров) и цифровой фотоаппарат, который используют для большей точности сканирования, что позволяет получить модели объектов с наложенными текстурами.

Большинство из существующих сейчас бесконтактных сканеров так или иначе являются стационарными: либо это специальные машины наподобие станков с ЧПУ, либо сканер закрепляется на штативе, и во время регистрации поверхности остаются неподвижными как он сам, так и объект.

Поясним работу таких сканеров на примере сканеров японской корпорации Konica Minolta (рис. 1).

Принцип, используемый в таких приборах, достаточно прост: луч, испускаемый источником, после прохождения через оптическую систему отражается от поверхности объекта и регистрируется матрицей-приемником. При этом регистрируемая часть объекта позиционируется в электронном пространстве относительно сканера, т. е. прибор является нулем координат (рис. 2).

Рис. 1. Сканеры Konica Minolta

иоъект

Г

Набор светофильтров

\

Матрица Линза CCD

1инза А

_м!

\

Гальванометр ичвсков зеркало

Рис. 2. Принцип сканирования

При таком подходе объект необходимо последовательно снимать с разных ракурсов и далее собирать в специальных программных пакетах для получения полной 3-х мерной копии.

Совершенно иной принцип сканирования у появившихся в недавнее время ручных сканеров, наиболее яркими представителями которых являются REV и EXAscan канадской фирмы Creaform (рис. 3).

Рис. 3. Сканеры СгеаЮгт

Такие сканеры работают по принципу размещения на поверхности модели специальных светоотражающих маркеров, регистрируя которые, прибор может производить считывание поверхности или, проще говоря, сканирует ее (рис. 4). Одним из существенных плюсов такого вида приборов является возможность получения полных 3-х мерных моделей без дополнительной сборки-сшивки.

Теперь о качестве электронных копий. Здесь один из важнейших факторов - это плотность полигональной сетки или, иначе говоря, размер одного полигона. Конечно, в зависимости от настроек на одном и том же приборе можно получить разное качество

регистрируемой поверхности. Например, если говорить о приборах типа японских, то всегда имеются несколько сменных линз (как правило, широкоугольная, средняя и телескопическая), которые захватывают разные площади поверхности и дают, соответственно, большую плотность при меньших площадях захвата и меньшую при больших площадях. Кроме того, есть возможность программной настройки фокусного расстояния каждой линзы, что, естественно, отражается на захватываемой площади.

Рис. 4. Принцип сканирования приборами СгеаЮгт

Такие приборы, соответственно из-за мощной оптики (не последнюю роль играет, конечно, и стационарность), целесообразно использовать при сканировании детализированных поверхностей, например, художественные изделия (рис. 5), а также если требуется высокоточная копия технического объекта.

Рис. 5. Сканирование художественных изделий

С другой стороны, ручные приборы выигрывают при сканировании однородных поверхностей (например, корпуса у автомобилей), так как дают хорошее качество сетки для таких видов объектов. Естественно у таких сканеров также есть возможность различной настройки, но только программной, так как нет сменной оптики, позволяющей контролировать качество. Причем за счет достаточно необычного принципа сканирования настройка также интересна. Она производится за счет изменения объема виртуального куба, в котором происходит регистрация (рис. 6). Чем больше куб, тем больше размер полигона и тем ниже качество копии, тем не менее, при таком подходе важнейший из факторов - скорость сканирования, а, значит, и получения 3-х мерной модели. Не говоря уже и о том, что ручные приборы дают возможность получения целиком всей модели, с одной стороны, а с другой - упрощают сборку цельной модели: если качество модели при цельном сканировании неудовлетворительно, за счет маркеров, которые создают единую систему координат.

ri» : :<л 'AM cmw n^

É й в © Щ Ф . © с К

в NwScwi

д i . fww^lM«

?! J. W*«*« «SíT«

» gBtc^Bn

Рис. 6. Виртуальный куб Заключение

Обозначим области применения ЭБ-сканеров.

Техническое проектирование:

• индустриальный дизайн, создание вручную ЭБ-моделей и их оцифровка с последующей доработкой методами машинной графики;

• создание ЭБ-моделей имеющихся штампов, пресс-форм и других изделий сложной формы, например, уникальных, в случае необходимости их изменения, ремонта или повторного воспроизведения;

• инженерный ЭБ-анализ, измерение геометрических параметров изделий, которые не могут быть измерены стандартными методами;

• 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, ортопедия, протезирование, пластическая хирургия, косметология, стоматология.

Дизайн, компьютерная графика, анимация.

Археология:

• виртуальное охранение произведений искусства;

• создание ЭБ-документации;

• виртуальная реставрация, а также копирование для последующей репликации;

• создание виртуальных музеев.

Каждый из пунктов подразумевает возможность использования как ручных, так и

стационарных сканеров. Использование того или иного устройства обусловлено, естественно, лишь необходимым качеством электронной копии.

Литература

1. Кривобок А.С. 3Б сканирование и моделирование. - СПб: ООО «Оптика-сканер», 2007.

2. Аметист-оптика. Сайт компании. - Режим доступа: www.ametist.com/3d

3. Сайт cybercon.ru. - Режим доступа: www.cybercon.ru