Cинтез трехмерных объектов на основе технологий светового и ультразвукового-сканирования

Овечкин Р.М., Финогеев А.Г.

СИНТЕЗ ТРЕХМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИЙ СВЕТОВОГО И УЛЬТРАЗВУКОВОГО-СКАНИРОВАНИЯ

Трехмерное сканирование - современная технология, позволяющая на высоком уровне решать задачи получения оцифрованных 3Б-моделей реальных физических объектов сложной пространственной формы. Ручное моделирование подобных объектов даже при помощи современных графических пакетов, таких как Maya, 3ds Max требует значительных трудозатрат и не всегда может обеспечить достаточный уровень детализации и точности моделей.

К основным достоинствам технологии трехмерного сканирования относятся:

Высокая точность полученной компьютерной модели. При этом модель передает нюансы исходного объекта, полностью сохраняется масштаб и расстояния.

Высокая скорость сканирования. Процесс сканирования занимает минуты или даже секунды, при этом полученные данные могут состоять из миллионов полигонов (геометрических примитивов). Дальнейшая обработка в CAD пакетах позволяет получить готовую 3d модель в сжатые сроки.

Бесконтактный принцип работы. Позволяет использовать технологию без риска повреждения объекта сканирования.

Кроме того применение технологии трехмерного сканирования позволяет сократить время и стоимость процесса трехмерного моделирования, получить более качественный результат работы в следующих областях:

Промышленность и производство: документирование (эталонный анализ, цифровое архивирование);

дизайн продукции (эстетический дизайн, переоборудование, промышленный и технический дизайн); производство инструментов и т.д.

Интересной задачей здесь является обратное проектирование (Reverse engineering), т.е. анализ и исследование механизмов функционирования системы и ее компонент с целью ее синтеза на более высоком уровне абстракции.

Другой задачей является концепция быстрого производства (Rapid manufacturing), т.е. технология производства твердотельных объектов путем последовательной доставки материала и/или энергии в определенные точки пространства под управлением компьютера с использованием математической модели объекта, когда детали объектов производятся в автоматическом режиме. Данная концепция применительно к мелкосерийному производству может обеспечить преимущество в скорости и цене изготовления, в сравнении с альтернативными технологиями производства, такими как термопластавтоматы и литье под давлением. Часто применяется при производстве пресс-форм за счет оперативного контроля качества поверхности и доработки без необходимости изготовления опытных образцов.

Еще одно направление - получение 3D модели изделия с целью проведения численного моделирования и виртуальных испытаний. Например, проведение испытаний формы обвеса автомобиля для снижения аэродинамического сопротивления.

Архитектура и строительство: цифровое хранение скульптурных композиций и барельефов. Создание

сувениров. Воспроизведение утрачиваемых культурных ценностей, реставрационные работы

Медицина и стоматология. В качестве примера можно привести зарубежные методики лечения и протезирования зубов при помощи трехмерных технологий. Создается реальный слепок зуба пациента, затем с помощью 3D-сканирования получают его 3D-модель. Далее при помощи специализированных программ моделирования разрабатывается индивидуальный план лечения и создается набор специальных накладок на зубы, которые затем создаются на устройстве 3D-печати.

Биометрия. Идентификация личности по трехмерной модели лица является одним из перспективных направлений.

Военная и специальная области. Создание систем наведения, опознавания, локации и т.д., анти-террористическая деятельность.

Культура и искусство. Цифровое сохранение и виртуальное воспроизведение объектов культурного наследия и исторических памятников, синтез и реставрация утраченных культурных ценностей и памятников архитектуры, создание виртуальных музеев и галерей, виртуальные туры, экскурсии и виртуальный туризм, виртуальная наземная и подводная археология и т.д.

Наука и образование. Синтез виртуальных моделей для научных исследований, обучение с использование трехмерных виртуальных лабораторий и точных техмерных моделей.

Искусство и сфера развлечений. Компьютерная графика, анимация и киноиндустрия, графический дизайн, 3D-визуализация, компьютерные игры.

Хотя технология сканирования существует уже более 10 лет, только в последние годы ее методы, возможности программного обеспечения и доступность систем достигли того уровня, чтобы стать инструментарием для широкого круга пользователей и организаций.

Устройства трехмерного сканирования.

Трехмерный сканер это устройство для получения информации о поверхности объекта в цифровом виде. Аналогично тому, как простой сканер преобразует плоское изображение на листе бумаги в изображение на компьютере, 3D-сканер преобразует объемный объект в его цифровое "объемное изображение". И также, как двумерное отсканированное изображение редактируется, например, в Adobe Photoshop, отсканированная 3D модель редактируется в пакетах трехмерного моделирования. Рассмотрим устройства трехмерного сканирования (3D-сканеры).

С технической точки зрения 3D-сканеры делятся на контактные и бесконтактные, причем бесконтактные делятся на активные и пассивные. При бесконтактном методе сканирования применяются оптические технологии, т.е. используется лазерное излучение, структурированный свет (в видимом и инфракрасном диапазоне излучении) и цифровые оптические камеры. Наиболее перспективными являются на наш взгляд бесконтактные технологии и поэтому остановимся на них подробнее. К активным сканерам относятся лазерные дальномерные и триангуляционные модели.

Лазерные дальномерные 3D-сканеры используют принцип лазерных дальномеров, где измеряется расстояние от лазера (и фотодетектора возвратного импульса света) до каждой точки на поверхности объекта. Поскольку скорость света - величина известная и постоянная, и зависит от среды распространения луча, то, зная время, затраченное световым импульсом на преодоление расстояния от лазерного источника до точки поверхности объекта сканирования , можно точно определить расстояние.

Триангуляционные 3D-сканеры работают аналогично, с той разницей, что лазерный излучатель и фотодетектор разнесены на определённое, жёстко зафиксированное расстояние, так что между излучателем, приёмником и точкой на поверхности сканируемого объекта образуется треугольник с частично известными характеристиками (остальные можно рассчитать). Если дальномерные сканеры больше подходят для работы с крупномасштабными удалёнными объектами (например в области архитектуры и сканирования памятников), где не требуется большая точность визуализации мелкомасштабных объектов, то

триангуляционные в основном применимы для сканирования небольших объектов на коротких расстояниях, где требуется достаточно высокая точность визуализации.

Основной проблемой всех лазерных 3Б-сканеров является задача повышения точности сканирования. Дело в том, что достаточно высокую точность они показывают только в отношении неподвижных объектов, поскольку лазер при сканировании излучает множество импульсов через определённые, хотя и очень короткие промежутки времени. Поэтому перемещения объектов в пространстве относительно неподвижного источника излучения приводит к искажениям в получаемом изображении, так как в разные части объекта лазерные импульсы попадают в разное время.

Пассивные сканеры представляют собой разнообразные фото и видеокамеры, которые можно разделить на обычные, (снимают объект в условиях различной освещённости с разных позиций), стереоскопические, «силуэтные» (снимают силуэт вращающегося объекта сканирования на высококонтрастном фоне). Недостаток силуэтных камер заключается в том, что возможна потеря некоторых деталей например, вогнутостей и шероховатостей) незаметных на силуэте.

Характеристики системы 3d сканирования.

Основными характеристиками любых систем 3Б-сканирования являются:

Точность сканирования,

Плотность сканирования и сложность результирующей модели,

Скорость сканирования, обработки, моделирования и визуализации,

Размеры области сканирования.

Рассмотрим характеристики подробнее.

Точность. В большинстве случаев точность сканирующей системы описывается в документации некоторым числом, заданным в миллиметрах или дюймах. Однако подобная информация может дать лишь очень приблизительное представление о характеристиках системы. Дело в том, что точность практически всех 3d сканеров сильно зависит от условий измерения, от самого измеряемого объекта и от его положения в пространстве. Кроме того, само значение точности можно взять как среднюю ошибку измерения, как максимальную ошибку измерения, или как параметр standard deviation Гауссова распределения ошибок. Так что указанное в документации значение точности может отличаться от предполагаемого в разы.

Отрицательным образом на точность сканирования действуют следующие факторы: наличие в детали

слишком темных или слишком светлых участков поверхности, а также резких переходов от темного к светлому, работа с прозрачными, зеркальными или бликующими поверхностями, работа с мелкими деталями, острыми углами, маленькими отверстиями, сканирование поверхностей расположенных под значительным углом по отношению к направлению сканирования.

Кроме систематических ошибок, данные сканирования подвержены также случайным искажениям. Основные причины случайных ошибок - шумы и искажения на изображениях получаемых с камер сканера. Случайные ошибки измерений особенно заметны при сканировании гладких поверхностей, в этом случае целесообразно применить операцию сглаживания. В качестве теста на значение случайных ошибок можно провести следующий эксперимент - тест на повторяемость - отсканировать одну и ту же деталь два раза подряд, в одном и том же положении. Расхождения в полученных моделях позволят судить о случайных ошибках измерений.

Для повышения точности результатов трехмерного сканирования используют методы оптического сканирования с модулируемой или структурированной подсветкой объекта сканирования. При использовании модулируемой подсветки сканируемый объект освещается импульсами, изменяющимися определённым образом (модуляция обычно идёт по синусоидальной волне). Далее камера считывает отражения и по искажениям моделирует образ сканируемого объекта. Метод структурированной подсветки отличается тем, что объект освещается некоторым «узором» (сеткой), по искажениям которой камера-детектор формирует поверхность 3D-модели.

Плотность. Максимальная плотность получаемых данных (в точках на квадратный миллиметр) определяется размерами рабочей области сканера, разрешением камер и разрешением устройства подсвета. Для увеличения скорости сканирования и уменьшения размера файла результата, возможно уменьшение плотности сканирования.

Скорость сканирования. Процесс сканирования можно формально разделить на два этапа. Первый -структурированная подсветка объекта и накопление снимков со сканера. Второй - обработка полученных снимков, построение трехмерной модели. В одних случаях интерес представляет сумма времен первого и второго этапа, в других случаях (сканирование подвижных объектов, например, живых существ) важно максимально сократить время первого этапа, время же второго играет второстепенную роль. Учитывая то, что обычно сокращение времени сканирования так или иначе приводит к снижению точности или плотности, время сканирования/получения результата сильно зависит от конкретной поставленной задачи.

Размеры области сканирования. Теоретически, математический принцип построения 3Б-сканера позволяет использовать его для любых размеров объектов, однако на практике существуют некоторые ограничения. При сканировании слишком маленьких объектов возникают сложности с фокусировкой структурированного подсвета и съемки соответствующих участков камерами. Типичный размер объектов, для которых еще можно применять данную технологию составляет около 10мм. Сканирование больших объектов также связано с проблемой обеспечения структурированного подсвета достаточной яркости, а также с ростом габаритов самой сканирующей системы. Практическим потолком можно считать размер объектов в 10м. Для сканирования объектов других диапазонов размеров целесообразно применять сканирующие системы основанные на других принципах: электронные для сверхвысокой точности или лазерные дальномеры для больших крупномасштабных объектов.

Основным недостатком присутствующих в настоящее время на рынке устройств трехмерного сканирования является их высокая стоимость и недоступность для научных лабораторий и образовательных учреждений.

Система трехмерного сканирования.

На кафедре САПР Пензенского государственного университета ведется разработка бюджетного варианта автоматической сканирующей системы. Аппаратная часть системы включает: Две видеокамеры, расположенные на небольшом расстоянии друг от друга, мультимедийный проектор и контроллер (компьютер). Проектор используется для замены дорогостоящих специализированных лазерных излучателей в качестве источника структурированного света (Рис. 1) .

Рис. 1. Схематическое изображение системы трехмерного сканирования.

Основную сложность при разработке данной системы представляет программая часть, которая должна координировать работу проектора, как источника структурированного света и камер, используемых в качестве приемников. Программное обеспечение производит обработку полученной при помощи камер информации, определяя расстояние до точек поверхности сканируемого объекта и его форму.

Принцип работы трехмерного сканера основан на технологии стереозрения. Подобно тому, как человек при помощи глаз способен определять расстояние до предметов, оптический 3Б-сканер вычисляет координаты точек используя две камеры и компьютер для обработки двух изображений объекта.

Процесс получения 3Б модели реального объекта можно разделить на следующие этапы (Рис. 2).

Рис. 2. Схема процесса трехмерного сканирования.

Получение отдельных фрагментов объекта. Для получения фрагментов сканируемой поверхности объект устанавливается перед двумя камерами на определенном расстоянии. Это расстояние варьируется в зависимости от габаритов объекта, требуемой точности сканирования и сложности результирующей модели . Затем запускается процесс сканирования. Проекторная систем подсветки освещает объект специальными кадрами, и для каждого кадра подсветки камеры делают ряд снимков объекта. В процессе обработки полученных снимков рассчитываются трехмерные координаты точек поверхности и строится триангуляционная модель поверхности. Для получения всей поверхности объекта, его или камеры перемещают для сканирования с разных ракурсов.

Предварительная обработка фрагментов (удаление шума и ложной герметрии). В редакторе изображений автоматически или вручную производится удаление шума и ложной геометрии фрагментов. Ложная геометрия возникает, если в область сканирования попадают другие предметы, например конструкция для фиксации объекта, стол на котором происходит сканирование и т.д

Объединение фрагментов в трехмерную модель. На данном этапе происходит склейка фрагментов в единую модель. Если в состав системы 3D-сканирования входит поворотный стол, то фрагменты совмещаются в процессе сканирования и их склейка производится автоматически. При отсутствии поворотного стола совмещение фрагментов происходит вручную. Далее происходит генерация единой модели.

Пост-процессорная обработка модели (сглаживание, зашивка дыр, оптимизация и т.д.). В случае сканирования модели сложной формы, она нуждается в пост-процессорной обработке. В местах вогнутостей, недоступных для света возникают дыры, которые необходимо закрыть. Также, поверхность исходного объекта может иметь дефекты, которые отразятся на модели и их следует убрать.

Экспорт в CAD-системы и системы 30-моделирования. Результирующая модель может быть экспортирована в зависимости от целей сканирования в различные системы 3D-моделирования, системы архитектурного проектирования или в САПР, например, в САТ1А, SolidWorks, ArchiCAD, 3ds Max, Maya и т.д.