Skanowanie w 3D, czyli krótki przegląd rozwiązań

Skanowanie trójwymiarowych obiektów możliwe jest już od dawna. Technika skanowania 3D stała się nieocenioną w dzisiejszych czasach metodą wykorzystywaną przy rozwijaniu produktów oraz tworzeniu animacji komputerowych. Urządzeniami umożliwiającymi dotykowy i bezdotykowy pomiar kształtu elementów rzeczywistych są tzw. skanery 3D. Przyjrzyjmy się urządzeniom należącym do tej drugiej grupy…

  DR INŻ. MICHAŁ RYCHLIK zdradza zasadę działania prostego systemu pomiaru kształtów 3D wykorzystującego prążki moire  

Budowa najzwyklejszego bezdotykowego skanera 3D, jak się okazuje, nie jest skomplikowana ani kosztowna, o czym niektórzy mogli się przekonać na jednej z prezentacji podczas ubiegłorocznego seminarium Designtech. Zaprezentowany proces skanowania trójwymiarowego oparty został na wykorzystaniu metody z prążkami moire i zjawisk przy tej metodzie zachodzących. Metoda działania prostego skanera optycznego opiera się na cyfrowej projekcji światła (DLP – Digital Light Projection). Cyfrowe odwzorowanie obiektu obliczane jest na podstawie zbieranej sekwencji prążków ugiętych na skanowanym obiekcie. Rezultatem pomiaru jest chmura punktów, z których każdy opisany jest wartościami współrzędnych X,Y,Z i składowymi koloru R,G,B.

Oczywiście, profesjonalne urządzenia oferują większe możliwości skanowania i projektowania. Stosowanie coraz to nowszych technik układów czujników zapewnia wyższą precyzję i jakość skanowania obiektów, przy minimalnej rozdzielczości skanowania równej nawet 50 mikronom. Skanery 3D umożliwiają skanowanie obiektów wszelkiego rodzaju i o wysokiej złożoności kształtu powierzchni. Niektóre skanery (np. LPX-250 firmy Roland) wyposażone są w funkcję Rescan, pozwalającą na skanowanie jedynie fragmentu powierzchni obiektu zaznaczonego wcześniej. Umożliwia to otrzymanie bardziej szczegółowego obrazu.

W praktyce…

Wspomniane urządzenia skanowania trójwymiarowego pracują w dwóch trybach:

• tryb obrotowy służy do szybkiego skanowania obiektów o budowie sferycznej oraz obiektów o gładkiej powierzchni. W tym trybie zostaje wysłana wiązka światła lasera w kierunku przedmiotu umieszczonego na obracającym się stole. Światło to jest odbijane od powierzchni obiektu, a następnie odbierane przez czujnik. W ten sposób powstaje cyfrowy zapis skanowanego obszaru; może być on realizowany także z wykorzystaniem tzw. laserowej triangulacji: digitalizowany obszar jest najpierw skanowany linią światła laserowego, a przebieg tej linii śledzony jest przez kamerę cyfrową. Na podstawie analizy zakrzywienia linii na powierzchni przedmiotu badanego tworzony jest model przestrzenny. Po zebraniu danych przestrzennych, kamera rejestruje także barwny obraz przedmiotu, który można następnie nałożyć na otrzymany przestrzenny model jako teksturę;
• planarny tryb skanowania jest idealny do przedmiotów o powierzchni płaskiej, wklęsłej, obiektów pochyłych oraz ich detali. W trybie tym wiązka laserowa urządzenia skanuje precyzyjnie prostopadłą powierzchnię obiektu uwzględniając wklęsłe bądź wypukłe miejsca.

Skanery ręczne, mimo iż niezastąpione w miejscach trudno dostępnych lub o rozległych powierzchniach, posiadają pewne graniczenia. Powierzchnie przezroczyste, o domyślnym kolorze tła dla skanera i odbijające promienie lasera muszą być poddane określonym procesom (np. pokrycie proszkiem). Obiekty o dużych gabarytach muszą być skanowane etapami. Często pojawia się konieczność umieszczenia na skanowanej powierzchni specjalnych markerów (urządzenia tej klasy, dobrze sprawdzające się w praktyce, opisywaliśmy już dokładniej na naszych łamach – przyp. redkacji).

Bardzo ciekawym typem skanera wielkogabarytowego jest Laser Scanner LS firmy Faro – skaner otoczenia o budowie modułowej, który pozwala uzyskiwać trójwymiarową chmurę punktów w ciągu kilku minut, a prosta obsługa daje możliwości uzyskiwania trójwymiarowego obrazu przestrzeni w ciągu kilku chwil. Lista zastosowań skanera, jak zapewnia producent, jest praktycznie nieograniczona – od inwentaryzacji architektonicznych zaczynając na zabezpieczaniu miejsca zbrodni kończąc. FARO Laser Scanner LS pozwala na wykonanie trójwymiarowych widoków, w których każdy pixel posiada własne koordynaty. Pomiary mogą być wykonywane bezpośrednio na chmurze punktów. Modułowa budowa wspomnianego urządzenia pozwala łatwo zmieniać jego konfigurację oraz dodawać specjalne oprzyrządowanie (np. moduł dalekiego zasięgu).

Oprogramowanie… do dzieła

Dane uzyskane w procesie skanowania byłyby bezużyteczne, gdyby nie oprogramowanie specjalnie dla nich stworzone. Proces przeniesienia rzeczywistego obrazu do świata wirtualnego to skomplikowana operacja. Skanery trójwymiarowe zapisują skanowane dane m.in. w formacie Point Cloud (chmura punktów). Dostępne wraz ze skanerem oprogramowanie pozwala edytować skan, łącząc kilka skanów cząstkowych, filtrując, dopasowując do płaszczyzny, łącząc chmury punktów bez względu na układ współrzędnych, w jakim zostały pobrane, wygładzając powierzchnię, korygując niedokładności czy niedoskonałości. Do szerokich możliwości oprogramowania należy także tworzenie i obróbka siatki trójkątów (triangulacja), łatanie „dziur”, minimalizacje gradientów i dodawanie tekstur do celów prezentacji. Aplikacje te, mimo swoich zaawansowanych możliwości, są przyjazne dla użytkownika i ich obsługa nie nastręcza większych trudności. Skan może zostać zapisany lub konwertowany do wybranego formatu, powszechnie używanego przez profesjonalne programy do modelowania i edycji 3D.

Zaletami najnowszych rozwiązań skanerów są szybkość działania i łatwość, z jaką można się nim posługiwać. Urządzenie pozwala na śledzenie na ekranie w czasie rzeczywistym efektów skanowania. Operacja odbywa się bez przerwy, a nie jak w przypadku innych rozwiązań, w kilku ujęciach z różnych pozycji, wymagających następnie długotrwałej dodatkowej obróbki. Urządzenie może obsługiwać osoba, która została jedynie przeszkolona w obsłudze programu. Dodatkowym atutem jest pozyskiwanie tekstury razem z informacją o kształcie, także późniejsze mapowanie i oteksturowanie gotowej geometrii nie jest już problemem.

Quo vadis?

Możliwości zastosowania laserowego skanera 3D są wciąż rozwijane. Już nie tylko skanowanie powierzchni zewnętrznych o bardzo skomplikowanych kształtach, których ludzkie oko nie zauważa, zwiewa sen z powiek inżynierów-projektantów, ale istnieją plany zastosowań w wielu innych dziedzinach, m.in. w medycynie i bioinżynierii, np. do tworzenia trójwymiarowych modeli organów. Przypominają się sceny z filmów science fiction, jak np. „Startrek”, gdy po pojedyńczym przejściu skanera przez całe ciało człowieka odczytywane są wszystkie dolegliwości pacjenta. Ciekawe, jak jeszcze długo przyjdzie nam czekać na tego typu urządzenia?

Autor: TEKST: ANDRZEJ CZERWIEC