оценкой целостности трубопроводов. Бесконтактные активные сканеры

Здравствуйте, дорогие посетители сайта!

Этим постом я открываю серию статей о 3d сканерах и 3d сканировании. В данной статье мы разберемся с тем, какие методы сканирования существуют, чем они отличаются и где используются. Для начала давайте поймем, что такое вообще 3d сканирование. Представьте, что есть деталь с большим количеством сложных поверхностей, которую обычным штангенциркулем не измеришь, либо придется долго и мучительно повозиться, чтобы получить результаты требуемой точности. А потом по этим данным еще получить математическую модель. Вот тут-то и приходит на помощь 3D сканер . Он позволяет в разы сократить получение математической модели, пригодной для сравнения с эталонной моделью. Применение сканирования на этом не заканчивается. 3d сканирование также используется для получения точных моделей сложнопрофильных объектов, которые в дальнейшем могут быть использованы для получения прототипов изделия, построения новых изделий на базе существующих. Также применяются в киноиндустрии, в медицине, в музейном деле, в промышленном дизайне и в индустрии развлечений, например, при создании компьютерных игр. С помощью трехмерного сканирования можно оцифровывать культурное наследие, археологические объекты, предметы искусства. Кроме того широкое применение трехмерное сканирование нашло в медицинском протезировании, в цифровом архивировании и так далее. Теперь давайте разберемся, какие методы 3d сканирования существуют. На данный момент есть следующие методы сканирования:

Контактный метод.
Беcконтактные методы:
- Активный метод.
- Пассивный метод.

Области применения этих методов:

Инженерный анализ
Контроль качества и инспекция
Разработка упаковки
Цифровое архивирование
Промышленный дизайн
Развлечения и игры
Рынок аксессуаров
Репродуцирование и изготовление на заказ
Медицина и ортопедия

Остановимся на каждом методе поподробнее.

Контактный метод

Основным принципом данного метода является обводка сканируемого объекта специальным механическим приспособлением, которое является сенсором и называется щуп. Перед началом сканирования на объект наносится сетка, размер ячеек которой в областях высокой кривизны поверхности должен быть минимальным, а в местах малой кривизны — наибольшим. Там, где линии сетки пересекаются, образуются точки. Посредством щупа производится замер координат этих точек, которые потом вводятся в компьютер. Этот способ используется при ручной обводке поверхности объекта. Современным развитием данного метода стало использование для сканирования специального устройства. В этом случае нет необходимости в ручной обводке и нанесении сетки. Щуп движется по поверхности объекта и в компьютер заносятся координаты о его положении. На базе этих координат строится трехмерная модель сканируемого объекта.

Преимущества контактного 3D сканирования :

простота процесса,
независимость от условий освещения,
высокоточное сканирование ребристых поверхностей и призматических деталей,
компактный объём полученных файлов.

Недостатки:

невозможность захвата текстуры сканируемого объекта,
сложность или невозможность сканирования объектов больших размеров.

Бесконтактные методы:

Активный метод

Активный метод основывается на регистрации отраженных лучей от объекта сканирования. Источником таких лучей является с
ам 3d сканер . Сканер может облучать объект следующими видами лучей:

направленные световые,
лазерные,
ультразвук,
рентгеновские.

Принцип данного метода основывается на измерении расстояния от сканера до точек объекта сканирования. Данными точками могут являться светоотражающие самоклеющиеся маркеры. Также широко используется сканирование оптическими системами, использующими модулированную или структурированную подсветку. В случае модулированной подсветки объект освещается световыми импульсами, изменяющимися определенным образом. Камера считывает отражения и по искажениям получает облик сканируемого объекта. При структурированной подсветке объект освещается определенным “узором” (сеткой), по искажениям которой камера формирует 3d модель. Эти данные либо сохраняются в памяти сканера, а потом передаются на компьютер, либо сразу отправляются в компьютер, где происходит их обработка и построение трехмерной модели. Т.к. 3d сканер в один момент времени видит только часть объекта, в процессе сканирования необходимо перемещать объект сканирования, либо двигать сам сканер. Таким образом в итоге мы получаем модель, сшивая полученные куски объекта. В большинстве случаев отсканированный кусок объекта отображается сразу на экране компьютера. Это позволяет сразу проконтролировать, насколько хорошо выбран угол сканирования и понять, за сколько итераций можно отсканировать объект. Выбирая правильные углы сканирования, можно добиться сокращения сканирования за счет уменьшения количества сканируемых кусков объекта.

Преимущества активного метода 3d сканирования:

низкая стоимость сканирования,
возможность применения вне помещения,
использование при различной освещенности,
не требуется наносить сетку на объект,
сканирование производится по бесконтактной технологии,
есть возможность сканировать объекты недоступные для других методов сканирования.

Недостатки:

сложность или невозможность сканирования прозрачных и зеркальных поверхностей,
сканирование мелкоразмерных изделий требует использование более точной оптики, а соответсвенно более дорогих 3d сканеров .

Пассивный метод

Пассивный метод использует уже имеющийся окружающий свет. Отраженмие этого света от объекта и анализируется 3d сканером . По сути этот метод сканирования представляет собой либо съемку объекта обычными видеокамерами при разной освещенности и восстановление их в 3d, либо съемка силуэта объекта на высококонтрастном фоне при помощи стереоскопических или “силуэтных” видеокамер.

Подведем итог. Каждый метод по-своему хорош и привлекателен. Выбор между этими методами стоит осуществлять исходя из финансовых соображений, сложности объекта сканирования и точности, которую вы хотите получить в результате.

Технология трехмерного сканирования появилась всего несколько десятилетий назад, в конце 20-го века. Первый работающий прототип появился в 60-х годах. Конечно, тогда он не мог похвастаться широким спектром возможностей, однако это был настоящий 3d сканер, неплохо справляющийся с основной функцией.

В средине 80-х годов сканирующие устройства усовершенствовали. Их начали дополнять лазерами, источниками белого света и затемнения. Благодаря этому удалось улучшить «захват» исследуемых объектов. В этот период появляются контактные датчики. С их помощью оцифровывалась поверхность твердых предметов, которые не отличались сложной формой. Чтобы усовершенствовать оборудование, разработчикам пришлось позаимствовать ряд оптических технологий из военной промышленности.

Применение 3d сканеров было интересно не только конструкторам дизайн-студий, автомобильных концернов, но и работникам киноиндустрии. В 80-х – 2000-х годах разные компании выпускали свои модели оборудования: Head Scanner, 3D-сканер REPLICA и другие. С тех времен агрегаты изменились, усовершенствовались, стали более мобильными и функциональными. Характеристики 3d сканера сегодня существенно отличаются.

Принцип работы 3d сканера

Устройство 3d сканера занимается детальным исследованием физических объектов, после чего воссоздаются их точные модели в цифровом формате. Современные агрегаты могут быть стационарными или мобильными. В качестве подсветки применяется лазер или особая лампа (их использование увеличивает точность измерений).

Принцип работы 3d сканера определяется технологией сканирования. При помощи подсветки и встроенных камер аппарат измеряет расстояние до объекта с разных ракурсов. Затем сопоставляются картинки, передаваемые камерами. После тщательного анализа всех полученных данных, на экране отображается готовая цифровая трехмерная модель. Если устройство 3d сканера основано на работе лазерного луча, то с его помощью измеряются расстояния в заданных точках. На основе этих сведений выводятся координаты.

Методы и технологии трехмерного сканирования

Выделяют два основных метода:

Контактный. Устройство зондирует предмет посредством физического контакта, пока объект находится на прецизионной поверочной плите. Контактный 3d сканер отличается сверхточностью работы. Правда, при сканировании можно повредить или изменить форму объекта.
Бесконтактный. Применяется излучение или особый свет (ультразвук, рентгеновские лучи). В данном случае предмет сканируется через отражение светового потока.

Технологии трехмерного сканирования:

Лазерная. Функционирование устройств основывается на принципе работы лазерных дальномеров. Лазерные сканеры 3d характеризуются точностью получаемой трехмерной модели. Правда, их применение затруднительно в условиях подвижности объекта. Это больше 3d сканер для помещения. Сканирование человека 3d сканером лазерного типа практически невозможно.
Оптическая. В данном случае применяется специальный лазер второго класса безопасности. Оптический 3d сканер отличается большой скоростью сканирования. Его использование исключает любое искажение, даже если объект будет двигаться. Также нет необходимости в нанесении отражающих меток. Правда, такие устройства не подходят для исследования зеркальных, прозрачных или блестящих изделий. Зато это отличный вариант 3d сканера человека.

Современные 3d сканеры

Устройства могут отличаться по многим параметрам: сфере использования, габаритам, форме, технологии. Современные агрегаты применяются и в промышленной, и в бытовой сфере. Промышленный 3d сканер полезен в:

инженерии;
медицине;
производстве;
дизайне;
киноиндустрии;
сфере создания компьютерных игр.

Особое внимание хотелось бы уделить ультразвуковому 3d сканеру. Он является настоящей находкой для современной медицины. Устройства снабжаются энергетическими, цветными, тканевыми, непрерывноволновыми и импульсными допплерами. Данный агрегат характеризуется высочайшей разрешающей способностью, поэтому популярен в маммологии, акушерстве, урологии, исследовании сосудов и мышечных тканей, эхокардиографии, неонаталогии, педиатрии.

По принципу работы устройства также отличаются. Рынок предлагает стационарный или переносной, то есть ручной 3d сканер. В качестве сенсора во втором случае используется координатно-чувствительный детектор или аппарат с зарядовой связью. Данный агрегат чрезвычайно удобен тем, что его можно свободно перемещать. Портативный 3d сканер идеально подходит для сканирования труднодоступных мест или крупногабаритных объектов. Измерение можно проводить под любыми углами, вокруг или под исследуемыми предметами.

Устройства используются совместно с разным оборудованием. Это может быть не только 3d сканер для 3d принтера, но и 3d сканер для ipad. Современные производители подобных агрегатов выпускают мобильные устройства, которые работают не только со стационарными компьютерами, но и с планшетами или даже смартфонами. Кроме этого существуют специальные программы, с помощью которых обычные телефоны превращаются в сканеры. К примеру, можно найти 3d сканер для андроид. Он поможет конструировать уникальные детали, проводить быстрое прототипирование и оцифровку объектов.

Программное обеспечение для 3D сканера

Специальные программы для 3d сканера и обработки данных:

David-3D. Предназначается для трехмерного сканирования предметов и преобразования полученных результатов с целью последующего импорта моделей в 3D-редакторы.
Artec Studio 10. Профессиональный инструмент для создания объемных моделей.
Autodesk 123D Catch. Трехмерное сканирование для мобильных телефонов на Android.
Photomodeler Scanner. Позволяет формировать высокоточные stl-модели на основе обычных снимков, сделанных камерой смартфона или планшета.
3DAround. Превращает фото в формате в 2D в реалистичные трехмерные модели.

Видео о 3D сканере

Чтобы лучше понять принцип работы устройств и их разновидности, стоит посмотреть видео про 3d сканеры, которые представлены ниже.

Интервью с Георгием Казакевичем, экспертом направления технической поддержки 3D-оборудования компании iQB Technologies

– В первой части интервью мы говорили об обратном проектировании (reverse engineering ). Теперь давайте разберемся, что такое контроль геометрии?

Контроль геометрии – это, по сути дела, контроль качества . Вот смотрите: предприятие получает заготовки, которые оно должно доработать. Если производить входной контроль этих заготовок, можно очень сильно уменьшить себе головную боль на этапе изготовления.

Взгляните на схему (рис. 1): для первой детали первые три пункта выполняются вручную (сканирование, подготовка к анализу и непосредственно анализ), а отчет составляет за вас программное обеспечение. Для следующих 999 деталей вручную делается только сканирование, остальные три этапа выполняет ПО. Таким образом, вы тратите время только на оцифровку. А при контроле геометрии сканирование – это обычно от 5 до 15% затраченного времени, не больше. Следовательно, при потоковом контроле или контроле серийного производства мы начинаем экономить массу времени.

Раньше предприятие могло себе позволить контролировать одну деталь из тысячи, потому что на это уходил день. Внедряя 3D-сканирование, можно контролировать сто деталей из тысячи всего за два дня. В первый день мы делаем всё вручную, и лишь еще один день потратим на 99 деталей – их надо только отсканировать. После чего помещаем CAD-модель в определенную папку и говорим программному обеспечению: «Работай».

Рис. 2. Карта отклонений геометрии футеровки

– Расскажите, пожалуйста, как это работает, на примерах из практики iQB Technologies .

– Была задача измерить толщину футеровки, успешно выполненная главным техническим экспертом нашей компании . Существует узел смешения жидкостей, он металлический, потому что жидкости подаются под давлением. Проблема в том, что должным образом обработать металл внутри – это, во-первых, тяжело, во-вторых, дорого. Ко всему прочему, металл – это материал, который вступает во взаимодействие со многими жидкостями, он может ржаветь, подвергаться коррозии и т.д. Этот узел изнутри покрывается специальным пластиковым составом. Для того чтобы достигалось правильное смешение жидкостей, покрытие должно быть равномерным. Если в нем есть рытвины, если оно неравномерно по толщине, внутри будут появляться завихрения. Они создают дополнительное давление на узел, следовательно, уменьшают срок его эксплуатации.

Раньше предприятие контролировало одну деталь из тысячи, потому что на это уходил день. Внедряя 3D-сканирование, можно контролировать сто деталей из тысячи всего за два дня.

Итак, сначала было выполнено 3D-сканирование узла без покрытия, затем с покрытием, и результаты подвергнуты сравнению. Красная зона на скане (рис. 2) – это покрытие. На правой картинке видно, что оно неровное. Исходя из полученных результатов, заказчик может предъявить претензии субподрядчику, который занимается нанесением этого покрытия.

Рис. 3. Контроль сварной конструкции

Следующий пример – выполненный мной контроль сварной конструкции. Я ездил в Нижний Новгород на завод компании Liebherr, который производит для сборки промышленной техники. Сами металлические листы приходят из Германии, в России свариваются и потом отправляются обратно. Из-за того, что конструкция довольно большая (2 м длиной), предусмотрены посадочные отверстия для крепления к другим конструкциям. Если во время сварки произойдет какой-нибудь перекос, деталь в одном месте присоединится, а в другом нет. Чтобы избежать этого, на заводе решили перед отправкой в Германию все детали предварительно сканировать и оценивать на отклонения, которые получились при сварке. В таблице справа (рис. 3) мы видим фактические размеры, которые показало 3D-сканирование. Отклонения отображаются в виде цветовой карты. Зеленый цвет – хороший результат, желтый – в пределах допуска, красный – неприемлемое отклонение. Конкретно та деталь, которую мы сканировали, естественно, не проходит и считается браком.

– В каких еще отраслях Вы применяли 3D-сканер и ПО для контроля геометрии?

Рис. 4. Контроль геометрии крыла автомобиля

– К примеру, у нас были проекты, связанные с . Запчасти для автомобилей, как вы знаете, достаточно дорогие. Их всегда можно заказать из Китая, но гораздо удобнее наладить производство в России. Наш заказчик, который изготавливает запчасти для машин высокого сегмента, стал получать жалобы: детали «играют», когда их пытаются посадить на место. Мы отсканировали крыло для BMW, сделанное в России, и крыло оригинального BMW. Сравнили их друг с другом и увидели, что российская деталь по размеру чуть больше, чем требуется. На основании этого в производственный цикл были внесены изменения.

Рис. 5. Корпус автобуса

На рисунке 6 вы видите корпус автобуса и результаты 3D-сканирования – это проект, которым занимался Алексей Чехович. В Москве есть предприятие, которое производит автобусы из смолы. Современные смолы по прочности могут соперничать с металлами, при этом они намного легче, а значит, экономичнее с точки зрения расходов топлива. Такой автобус собирается из нескольких частей. На предприятии заметили, что при сборке возникают некоторые перекосы, напряжения. Вначале нас пригласили отснять сделанные заготовки. Мы их отсняли и увидели, что заготовка сама по себе кривая. А в дальнейшем мы выяснили, что проблема даже не в заготовке, а в самой форме, в которой ее делали. То есть заготовка с формой идеально сошлась, а вот сама форма была бракованной, и ее пришлось заменить. После этого было решено, что мы примерно раз в полгода будем проверять форму.

– Контроль качества включает в себя и эксплуатационный контроль. Приходилось ли Вам решать подобные задачи с помощью 3D-сканирования?

Да, и это, как правило, связано со сложными, дорогими устройствами, типа самолета. В процессе эксплуатации на него действуют колоссальные нагрузки, и существуют ограничения на структурные изменения конструкции, которые самолет приобретает в процессе эксплуатации. Компания S7 заказала у нас полное 3D-сканирование Airbus. Анализ мы не выполняли, так как эти данные составляют коммерческую тайну.

Рис. 6. Эксплуатационный контроль Airbus авиакомпании S7

Обратите внимание на скан, где видно наклейку на хвостовой части (рис. 6). Дело в том, что даже такая вещь, как наклейка влияет на расход топлива. Измерительные системы, которые есть в нашем распоряжении, настолько чувствительны, что могут рассчитать оптимальное размещение наклейки. И по просьбе S7 было произведено 3D-сканирование хвоста самолета с наклейкой и без нее, чтобы понять, насколько правильно она расположена.

Рис. 7. Контроль оснастки на авиационном заводе

Упомяну еще один проект из области . Заказчиком iQB Technologies был самолетостроительный завод, изначально поручивший нам анализ листовых изделий довольно большого размера (2 метра и больше). На основании измерений мы выяснили, что деталь гнутая и не укладывается в требуемые допуски. И это при том, что на самом заводе она прошла контроль.

После того как деталь изготовили, ее кладут на деревянный шаблон (рис. 9). Если она лежит ровно, делают вывод, что она годная. Поскольку показывал отклонения, мы предложили проверить шаблон. И вот на скане можно увидеть множество зон с отклонениями. Такие шаблоны больших размеров, по которым изготавливаются узлы или детали, имеют сложный профиль, и поэтому их тяжело контролировать. Негодность самой шаблонной конструкции – это, на самом деле, большая проблема для многих предприятий.

– И здесь на помощь приходит 3D-сканер…

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

Используются два понятия 3d модели: поверхностная модель и твердотельная модель . Они обладают разными свойствами и соответственно разными возможностями использования.

Поверхностную модель можно распечатать на 3d принтере, разместить на сайте, использовать для визуализации объекта. Изменить форму такой 3d модели нельзя. Если необходимо получить размеры, сделать чертеж, доработать модель, полноценно использовать ее в CAD-программе, stl-модель нужно перевести в твердотельную. Для этого необходимо произвести ряд действий.

1. Сканирование

Сканер подсвечивает изделие лазером или структурированным подсветом и получает информацию о расстоянии до поверхностей объекта. На основе этой информации строится участок поверхностной модели, который представляет собой облако миллионов точек. После получения достаточного количества таких участков программа, которая поставляется вместе со сканером, сшивает их в один объект в автоматическом или ручном режиме.

2. Обработка поверхностной модели

Поверхностная модель (полигональная модель, stl-модель, облако точек, облако треугольников) - это набор точек, соединенных в треугольники, которые образуют множество поверхностей, обозначающих границы объекта. Поверхностная модель может быть представлена как в виде облака точек, так и в виде набора треугольников, эти два вида легко трансформируются друг в друга.

Самый распространенный формат файла полигональной модели - stl, но могут быть и другие.

Модель из облака точек, полученных со сканера, как правило некачественная. Даже при идеальной для сканирования поверхности (объемная, белая, матовая, без труднодоступных мест и острых краев) 3д сканер все равно улавливает различные шумы - это могут быть как особенности самого объекта - грязь, сварные швы, метки и пр., так и внешние условия и характеристики самого сканера- освещение, температура, колебания опоры сканера. В итоге образуются лишние неровности, туннели, дыры и другие артефакты.

Некоторые операции обработки можно произвести в собственном софте сканера, но, как правило, это очень ограниченный набор функций. Для более качественной обработки используются сторонние программные комплексы, например Geomagic.

В процессе обработки над моделью может быть произведен ряд операций:

зашиваются дыры,
выравниваются поверхности,
удаляется шум,
модель правильно ориентируется;
уменьшается количество треугольников.

Полученную поверхность объекта можно просматривать в разных режимах: как облако точек или как сетку. Во втором случае все точки соединяются в треугольники, образуя миллион микро-поверхностей.

Эта сетка по сути и является полноценной полигональной моделью. Ее можно сохранить в формат stl или другие форматы (txt, csv, odt, xls).

Такую модель можно напечатать на 3d принтере, но сверх того возможности ее использования ограничены.

Важно! Несмотря на то, что на данном этапе мы получили stl-модель, она пока еще не пригодна для использования на многокоординатных станках с ЧПУ, так как содержит слишком большое количество поверхностей. Для станка с ЧПУ требуется дополнительная обработка базовой сканированной stl-модели: выравнивание, усреднение, уменьшение количества поверхностей.

По той же причине такую модель не получится загрузить в CAD-систему. SolidWorks, например, выдаст предупреждение о том, что модель содержит слишком большое количество поверхностей.

3. Построение твердотельной модели

На данном этапе на основе полигональной модели происходит построение нормального твердого тела также в специализированном софте, например Geomagic Design.

Используемые операции: вытягивание эскизов, деление на области, поиск вытянутых областей, построение замкнутого эскиза.

При правильной обработке модели на выходе мы получаем модель с деревом построений, пригодную для дальнейшей обработки в CAD-системе.

4. Контроль правильности построения модели

На данном этапе полученная твердотельная модель сравнивается со сканированной. Специальный инструмент программы позволяет в цветном виде увидеть отклонения, вызванные ошибками построения модели. Придется вернуться на несколько шагов назад и исправить некоторые операции.

5. Экспорт в CAD-систему

Этот, казалось бы, автоматический этап также может выявить ряд ошибок на этапе обработки модели. Например программа Geomagic Design Х с помощью своего API строит в открытом заранее SolidWorks модель на лету согласно собственному дереву построений. В конце может появится ошибка - в ней будет описано, на каком этапе построения модели возникла ошибка - идем обратно в Design X и редактируем в дереве этот элемент.

Общий процесс обработки получается довольно сложным, что и определяет более высокую стоимость 3d сканирования, по сравнению с ручным образмериванием изделий. Надеемся, что развитие технологий 3d сканирования и обработки 3d моделей позволит в дальнейшем упростить или объединить эти процедуры.