Skanery – wrota do wirtualnego świata

Jeszcze 10 lat temu na pytanie, co kryje się pod pojęciem Inżynierii Odwrotnej zdecydowana większość osób nie potrafiłaby udzielić poprawnej odpowiedzi, a tylko niewielki odsetek widział urządzenia do skanowania przestrzennego. Nawet obecnie istnieje spora grupa osób, które nigdy wcześniej nie spotkały się z tą technologią i nie widziały skanera 3D podczas pracy. Czym zatem są te tajemnicze urządzenia, do czego służą, jak działają i czy faktycznie są one tak tajemnicze jak się wydaje na pierwszy rzut oka? W poniższym artykule postaram się przybliżyć czytelnikom skanery 3D oraz udzielić odpowiedzi na najczęściej zadawane pytania

Najpierw wyjaśnię termin Inżynieria odwrotna. Inżynieria Odwrotna (ang. Reverse Engineering) zajmuje się wszelkimi metodami umożliwiającymi wprowadzenie rzeczywistego obiektu do wirtualnej rzeczywistości. Dlaczego właściwie Inżynieria Odwrotna? Nazwa ta swą genezę zawdzięcza kolejności, w jakiej wykonywany jest dany projekt inżynierski. W przypadku technologii RE najpierw mamy do czynienia z obiektem rzeczywistym a dopiero później przy użyciu skanerów 3D otrzymywany jest komputerowy model wirtualny, czyli odwrotnie w porównaniu do tradycyjnego procesu projektowania. Inżynieria Odwrotna obejmuje swym zakresem obszary związane z akwizycją danych, (czyli wszelkimi technikami skanowania przestrzennego i samymi urządzeniami pomiarowymi), rekonstrukcją geometrii mierzonych obiektów oraz przetwarzaniem danych do postaci akceptowalnej przez systemy CAD. Stanowi ona wejście do systemu CAD, przyśpieszając proces projektowania, testowania i przygotowania produkcji.

Skanery trójwymiarowe są urządzeniami umożliwiającymi tworzenie w pamięci komputera cyfrowych kopii obiektów istniejących w świecie rzeczywistym. Otrzymane tą drogą cyfrowe modele można poddać dowolnej obróbce cyfrowej. Urządzenia te są niejako wrotami do wirtualnego świata.

Inżynieria odwrotna wraz ze skanerami 3D zajmuje bardzo określone miejsce w strukturze komputerowego wspomagania projektowania i wytwarzania CAD/ CAM. Istnieją dwa aspekty zastosowania RE (rys. 1). W pierwszym ujęciu obiekt rzeczywisty np. model nadwozia samochodu wykonany w glinie przez designera zostaje wprowadzony do systemów CAD za pomocą skanerów 3D. Jako obiekt cyfrowy może on być dowolnie przetwarzany i modelowany. W kolejnym kroku można wykonać numeryczne analizy wytrzymałościowe z wykorzystaniem MES, dokonać niezbędnych korekt i wykonać detal przy użyciu obrabiarek sterowanych numerycznie. 

RYS. 1. Inżynieria odwrotna w strukturze CAD/CAM

Otrzymany gotowy produkt jest obarczony pewnym błędem w stosunku do jego elektronicznego wzorca powstałego w CAD, wynikającym z zastosowanej technologii wykonania oraz dokładności użytych maszyn. Aby określić wielkość i rodzaj powstałych błędów, należy pozyskać informację o geometrii powstałego elementu. Ten etap jest drugim ujęciem Inżynierii Odwrotnej, stanowiąc element sprzężenia zwrotnego, zamykającego pętlę życia projektu. Ponowne zeskanowanie wytworzonego obiektu umożliwia, bowiem dokonanie oceny jakości produktu jak i wprowadzenie stosownych korekt w modelu CAD tak, aby produkt finalny odpowiadał początkowym założeniom i oczekiwaniami projektowym.

Rodzaje skanerów 3D

Ze względu na metodę pomiaru wyróżnia się dwie podstawowe grupy skanerów: skanery bezstykowe oraz skanery stykowe (rys. 2). W pierwszej grupie znajdują się skanery, w których podczas pomiaru geometrii nie dochodzi do bezpośredniego kontaktu głowicy pomiarowej z powierzchnią mierzonego obiektu. Głównymi przedstawicielami tej grupy są skanery laserowe a także skanery wykorzystujące różne metody wizyjne (w tym przede wszystkim światło strukturalne) oraz urządzenia specjalizowane takie jak skanery ultradźwiękowe czy radarowe. Z racji definicji można także do nich zaliczyć urządzenia medyczne takie jak tomografia komputerowa CT i rezonans magnetyczny NMR.  

RYS. 2. Podział skanerów 3D ze względu na sposób pomiaru

Druga grupę stanowią skanery stykowe, których znamienną cechą jest to, iż pomiar odbywa się za pośrednictwem głowicy pomiarowej przemieszczającej się bezpośrednio po powierzchni skanowanego obiektu. Podstawowymi urządzeniami tego typu są, tzw. ramiona pomiarowe, współrzędnościowe maszyny pomiarowe wyposażone w głowice skaningowe oraz przezbrojone obrabiarki CNC (wyposażone w specjalne głowice pomiarowe i oprogramowanie).

Ze względu na zakres pomiarowy skanery trójwymiarowe dzielą się na:

• mikroskanery – pracujące w zakresie od [μm] do kilku [mm] np. mikrotomograf,
• krótkiego zasięgu – operujące w przedziale od [cm] do [m], są to najczęściej skanery stacjonarne i skanery ręczne,
• średniego zasięgu – z zakresem pomiarowym od kilku do kilkuset [m], zazwyczaj skanery przenośne a także mobilne (np. montowane na autonomicznych robotach),
• dalekiego zasięgu – o zakresie pomiarowym od kilkuset [m] do [km], montowane najczęściej na samolotach, promach kosmicznych i satelitach.

Przybliżmy tymczasem trzy podstawowe techniki pomiarowe najczęściej spotykane i wykorzystywane w Inżynierii Odwrotnej. Są nimi skanery: stykowe, laserowe oraz prążkowe (tzw. światła strukturalnego).

Skanery stykowe wykorzystują technologię mechanicznego przesuwania końcówki głowicy skanującej po powierzchni przedmiotu (analogicznie jak w przypadku współrzędnościowych maszyn pomiarowych). Współrzędne punktów pomiarowych otrzymywane są w czasie rzeczywistym podczas pomiaru i wynikają z położenia ramion urządzenia w przestrzeni pomiarowej. Skanery te najczęściej budowane są jako ramiona pomiarowe o 5-ciu stopniach swobody (rys. 3b), natomiast rzadziej o układzie typowym dla współrzędnościowej techniki pomiarowej (rys. 3a). Ponieważ skanery stykowe zazwyczaj posiadają napęd ręczny, ich główną wadą jest, długotrwały i pracochłonny proces akwizycji danych. Dlatego też w przypadku tej techniki pomiaru nie dokonuje się akwizycji danych z całej powierzchni obiektu a jedynie punktowo, w pewnych charakterystycznych obszarach Ponadto ze względu na nacisk głowicy pomiarowej na powierzchnię obiektu, niemożliwe jest skanowanie elementów miękkich wykonanych np. z kauczuku czy wszelkiego typu tkanin. Podstawową zaletą tych urządzeń jest bardzo prosta budowa oraz brak konieczności stosowania wyrafinowanego oprogramowania. Przekłada się to bezpośrednio na stosunkowo niską cenę (w porównaniu do skanerów optycznych o tej samej dokładności). Zakres pomiarowy tych urządzeń zależy od wielkości ramion pomiarowych i wynosi zazwyczaj od kilkudziesięciu centymetrów do kilku metrów. Dokładność pomiarowa wacha się w zakresie od 0,3 mm do 0,005 mm. Zależy ona od klasy układów pomiarowych zastosowanych w urządzeniu jak również od dokładności wykonania i sztywności urządzenia. 

RYS. 3. Przykładowe skanery stykowe: a) ScanMax o mieszanym układzie osi pomiarowych, b) ramie pomiarowe FaroArm 

Z grupy skanerów bezstykowych najliczniej reprezentowane są skanery laserowe oraz prążkowe (rys. 4). W obu technikach pomiaru wykorzystuje się efekt zniekształcenia linii w postaci promienia światła oświetlającego powierzchnię przedmiotu (tzw. efekt prążków Moire’a). W przypadku skanera laserowego wykorzystuje się pojedynczy prążek lasera (najczęściej klasy II dla wyeliminowania niebezpieczeństwa uszkodzenia oka) a w przypadku skanera prążkowego zestaw linii światła białego generowanego przez rzutnik (zazwyczaj jest nim komputerowy rzutnik multimedialny). Przedmiot mierzony oświetlany jest rastrem o znanych parametrach (zestaw linii o znanej gęstości). Linie proste ulegają zniekształceniu adekwatnie do wielkości deformacji powierzchni mierzonego obiektu. Obraz oświetlonego przedmiotu, przechwytywany jest przez kamerę i analizowany w komputerze. Ustawienie lasera lub rzutnika względem kamery jest znane i ustalane w procesie kalibracji głowicy pomiarowej. Położenia punktów leżących na powierzchni obiektu wyznaczane są na podstawie trójkąta powstałego między źródłem światła, kamerą i powierzchnią mierzonego obiektu (najczęściej kamera ustawiona jest pod kątem 45° względem osi oświetlacza – rys. 4c). 

RYS. 4. Zasada działania skanerów bezstykowych: a) laserowego – widok głowicy pomiarowej, b) prążkowego – układ prążków Moire’a na skanowanym obiekcie (światło strukturalne), c) zasada pomiaru

W przypadku tej techniki pomiaru zakres pomiarowy sprowadza się do objętości, będącej częścią wspólną dwóch przecinających się stożków: oświetlacza i kamery rejestrującej obraz. Wielkość tego obszaru zależy od bazy głowicy pomiarowej (odległość A między źródłem światła a kamerą), zastosowanych soczewek (ogniskowych) oraz od kąta między osią kamery a rzutnikiem. Dokładność pomiarowa ściśle związana jest z objętością pomiarową i jest do niej odwrotnie proporcjonalna. Zatem im objętość pomiarowa jest mniejsza tym uzyskuje się większą dokładność pomiaru i odwrotnie dla większych objętości pomiarowych dokładność maleje. Zazwyczaj objętość pomiarowa wynosi od kilkudziesięciu centymetrów do kilku metrów a dokładność od ok. 0,002 mm do 0,5 mm (dla dużych objętości).

Podstawowa różnica pomiędzy urządzeniami wykorzystującymi do oświetlania przedmiotu laser lub rzutnik, polega na tym, że w przypadku laserowego oświetlacza w trakcie jednej sekwencji pomiaru (jedna klatka filmu z kamery) uzyskuje się jeden prążek danych. W przypadku techniki wykorzystującej rzutnik multimedialny, w trakcie jednego pomiaru uzyskuje się cały zestaw prążków z danymi pomiarowymi.

Do czego można użyć skanera?

Zakres zastosowań skanerów jest bardzo szeroki i swym zasięgiem obejmuje najważniejsze sfery życia, wciąż zdobywając uznanie na nowych polach stale poszerzając listę możliwych aplikacji. Główne obszary zastosowań to:

• przemysł – inżynieria odwrotna, design (wzornictwo przemysłowe), ergonomia, kontrola jakości, prototypowanie;
• medycyna – akwizycja danych antropometrycznych, budowa modeli numerycznych (CAD) obiektów biologicznych, wykonywanie i dopasowywanie protez (tzw. protezy „na miarę”), planowanie przedoperacyjne;
• archeologia i paleontologia – wykonywanie cyfrowych modeli znalezisk i dokumentacji stanowisk archeologicznych, rekonstrukcja obiektów (uzupełnianie braków, wirtualna odbudowa antycznych budowli), wykonywanie kopii artefaktów, tworzenie wirtualnych muzeów;
• przemysł filmowy – efekty specjalne, cyfrowe modele aktorów (elektroniczny dubler), animacja i tworzenie postaci;
• inne – wykonywanie przestrzennych map terenu, nawigacja robotów w terenie.

Wspólną cechą a może powinno się napisać wadą wszystkich skanerów jest to, iż ich cena jest wciąż stosunkowo wysoka, znacznie ograniczając w ten sposób liczbę potencjalnych odbiorców. Obecnie na rynku praktycznie nie znajduje się żaden produkowany seryjnie skaner 3D, który byłby dostępny cenowo dla zwykłego przeciętnego użytkownika komputera klasy PC.

Dla tych, którzy chcieliby rozpocząć swa przygodę z tymi urządzeniami a z przyczyn finansowych dotąd nie mieli takiej możliwość, poświęcono pozostałą część niniejszego artykułu.

Zrób to sam, czyli jak skanować przestrzennie bez skanera.

Zapewne większość czytelników w tym miejscu pomyślała, że to absolutnie niemożliwe. W jaki sposób można odtworzyć geometrię powierzchni bez użycia tak wyrafinowanego sprzętu? A jednak postaram się państwa przekonać, iż jest to całkowicie realne. Co więcej, możliwe do wykonania w zasadzie w warunkach „domowych”.

Omówiona metoda pomiaru jest metodą bezstykową wykorzystującą efekt prążków Moire’a i zasadniczo z punktu widzenia metodologii jest powszechnie znana i w niczym nie odbiega od komercyjnych systemów.

Opis stanowiska pomiarowego.

Jako że nawet w najprostszym przypadku należy posłużyć się pewnym sprzętem, tak i w prezentowanej metodzie należy skorzystać z kilku elementów. Optymalne wyposażenie stanowiska stanowią (rys. 5): rzutnik multimedialny, aparat cyfrowy lub kamera, wzór rastra oraz dowolny program do modelowania 3D. 

RYS. 5. Wyposażenie stanowiska pomiarowego (od lewej): rzutnik multimedialny, aparat cyfrowy, wzór rastra

W wersji najuboższej wystarczy: dowolny rzutnik (nawet znany przed laty Jacuś;), zwykły aparat fotograficzny + skaner 2D do digitalizacji zdjęć, przeźrocze z naniesioną siatką rastra i dowolny program 3D.

Przygotowanie stanowiska.

Rzutnik multimedialny należy podłączyć do komputera klasy PC. Wzór rastra można wykonać w dowolnym programie graficznym, wykreślając na czarnym tle zestaw pionowych białych linii. Należy jednak ściśle przestrzegać następującej zasady: szerokość wszystkich prążków oraz odległości między nimi powinna być stała na całym obszarze obrazu. Można stosować różne kolory tła i linii jednak najlepsze efekty otrzymuje się dla siatek o dużych kontrastach. Gęstość upakowania linii bezpośrednio określa ilość otrzymywanych danych. Im więcej jest linii na rastrze tym więcej danych pomiarowych będzie można uzyskać z jednego pomiaru. Zbyt gęste upakowanie nie jest polecane, bowiem zmniejszy to czytelność otrzymanego z kamery obrazu a w konsekwencji, błędy odczytywania danych. Gdy raster będzie gotowy można przystąpić do ustawiania wszystkich elementów skanera na odpowiednich miejscach zgodnie z rys. 6.

RYS. 6. Rozmieszczenie elementów skanera względem obiektu pomiarowego

Projektor, aparat cyfrowy i obiekt skanowany powinny być ustawione w jednej płaszczyźnie, a kąt zawarty między aparatem a osią projektora jak najbliższy 45°. Odległość A (między aparatem a projektorem) jest tzw. bazą skanera i określa objętość pomiarową naszego urządzenia.

Akwizycja danych – pomiar.

W celu uzyskania najlepszego efektu pomiary należy przeprowadzić w ciemnym pomieszczeniu. Przedmiot badany oświetlamy przygotowanym wcześniej rastrem. W niniejszym artykule obiektem skanowanym jest twarz człowieka. Po odpowiednim ustawieniu ostrości projektora oraz aparatu przystępujemy do wykonania kilku zdjęć (rys. 7). Najlepsze ze zdjęć, posłuży do dalszej obróbki i rekonstrukcji obiektu. 

RYS. 7. Obraz pozyskany z aparatu fotograficznego (widoczne prążki rastra)

Rekonstrukcja geometrii.

Uzyskany z pomiaru obraz należy umieścić w dowolnym programie do modelowania 3D.

W tym celu należy pozyskaną bitmapę umieścić jako tło w jednym z rzutów podstawowych programu (np. w płaszczyźnie przedniej). Należy jednak zachować właściwą wielkość bitmapy tak, aby uzyskany rezultat był we właściwej skali.

Następnie używając krzywą spline, odrysowujemy jasne prążki – zachowując przy tym możliwie najwyższą dokładność – otrzymując w ten sposób zestaw linii (rys. 8). Niemniej jednak linie te, nie są trójwymiarowe, bowiem leżą na jednej płaszczyźnie. 

RYS. 8. Wykreślanie krzywych spline na podstawie bitmapy w programie CAD

Aby możliwe stało się rzetelne odtworzenie kształtu twarzy, należy odpowiednio zrekonstruować układ płaszczyzn referencyjnych odpowiadających poszczególnym prążkom. W tym celu do programu należy wprowadzić nową płaszczyznę odchyloną od bazowej o 45° i przechodzącą przez oś projektora – wymiar A (rys. 9). 

RYS. 9. Tworzenie płaszczyzn referencyjnych: a) pojedyncza płaszczyzna, b) zestaw płaszczyzn odpowiadających kolejnym prążkom

Należy następnie wykonać taką liczbę nowych płaszczyzn ile wynosiła liczba prążków oświetlająca nasz obiekt. Każda z płaszczyzn swój początek ma w punkcie obiektywu projektora a koniec w kolejnych punktach odpowiadających gęstości prążków oświetlających obiekt skanowany (odległość między prążkami na skanowanej powierzchni.

Aby uzyskać krzywe leżące w przestrzeni należy każdą z płaskich krzywych zrzutować na odpowiadającą jej płaszczyznę referencyjną (rys. 10). 

RYS. 10. Rzutowanie krzywych 2D na płaszczyzny referencyjne

Na podstawie tak otrzymanych krzywych można już pokusić się o wykonanie przestrzennej rekonstrukcji powierzchni (operacja wyciągnięcie po profilach – Loft). Jednak uzyskany efekt może nie być zadowalający ze względu na złożony charakter powierzchni w stosunku do liczby danych. Lepszym rozwiązaniem jest uzupełnienie otrzymanych danych dodatkowymi krzywymi prowadzące (rys. 11), oddającymi charakter zmian powierzchni. Na zakończenie wystarczy odpowiednio wykończyć i wygładzić otrzymaną powierzchnię 3D oraz wykonać powyższe operacje dla drugiej połowy twarzy. 

RYS. 11. Etapy tworzenia powierzchni: a) krzywe profilu oraz prowadzące (kolor fioletowy), b) generowanie powierzchni operacją wyciagnięcie po profilach z użyciem krzywych prowadzących, c, d) efekt końcowy w postaci gotowej powierzchni

Przedstawiona metoda jest mało precyzyjna i nie stanowi konkurencji dla systemów komercyjnych, w których większość procedur jest w pełni zautomatyzowana. Jednak w warunkach domowych może być ciekawą formą poznawczą przybliżającą zwykłemu użytkownikowi techniki Inżynierii Odwrotnej. Mam nadzieję, że udało mi się Państwa zachęcić do bliższego zapoznania się z tą technologią a może niektórych do przeprowadzenia udanych pomiarów prezentowaną techniką.

Artykuł ten, w żaden sposób nie wyczerpuje zagadnienia Reverse Engineering a jedynie przedstawia pewien jego zarys tak by posłużyć jako punkt wyjścia do dalszych poszukiwań wiedzy na temat skanerów 3D. Życzę Państwu wielu udanych pomiarów przestrzennych i rekonstrukcji.

Dr inż. Michał Rychlik jest pracownikiem

Maszyn Politechniki Poznańskiej

Autor: TEKST: MICHAŁ RYCHLIK