Как сканеры Artec оцифровывают крупные объекты с обилием сложных деталей

Задача: В рамках проекта по 3D-съемке крупных объектов с участками различной сложности было необходимо отсканировать каяк со множеством мелких элементов (всего — около 60). Оцифровку решено было проводить двумя портативными 3D-сканерами, данные с которых можно было бы свести в одну 3D-модель.

Решение: Artec Leo, Space Spider, Artec Studio, ZBrush

Результат: Каяк и все его компоненты были без особого труда реконструированы в 3D с помощью сканеров Artec Leo и Space Spider, поворотного столика Artec Turntable, а также программы для 3D-моделирования ZBrush.

Когда нужно оцифровать крупные объекты с большим количеством мелких деталей, даже профессионалы в сфере сканирования могут испытывать сложности с выбором подходящих инструментов. С подобной задачей может, например, столкнуться специалист по тюнингу автомобилей, которому дали несколько часов на то, чтобы отсканировать Lamborghini изнутри и снаружи, а затем разработать идеально подходящие компоненты и детали, соответствующие требованиям заказчика. Или же инженер из авиакосмической отрасли, у которого есть всего пара дней для оцифровки кабины пилотов Airbus A380 и создания 3D-модели с субмиллиметровой точностью для использования в приложении виртуальной реальности.

Пьетро Мелони из ShareMind сканирует объект с помощью Artec Leo

Пока инженер сидит и думает, как ему точно оцифровать и обработать всю приборную панель, восемь дисплеев, а еще все переключатели, кнопки и рычаги управления, часы неумолимо продолжают отсчитывать минуты. А ведь кроме мелких деталей в кабине пилота есть еще довольно большие кресла, не говоря уже о том, что нужен и общий 3D-скан всего этого пространства.

То, что на первый взгляд кажется делом несложным, быстро превращается в многоэтапный проект, который может затянуться на несколько недель. Но не в нашем случае.

Такие сценарии, как тот, что описан выше, вдохновили Пьетро Мелони, главу компании ShareMind (дистрибьютера Artec в статусе амбассадора), на то, чтобы разработать простой и понятный алгоритм для оцифровки крупных объектов («выше человеческого роста») с обилием деталей и быстрого создания предельно точных 3D-моделей.

В качестве тестового объекта Мелони выбрал трехметровый каяк, поскольку в нем есть и большие участки поверхности с относительно простой геометрией, и множество компонентов с мелкими деталями, мягкими материалами и углублениями, до которых сложно добраться.

Основным сканером для проекта стал Artec Leo — инновационный портативный 3D-сканер с технологией беспроводной съемки. Leo обрабатывает кадры в режиме реального времени и выводит их на встроенный сенсорный дисплей. Такое решение идеально подходит для съемки объектов среднего размера, например, людей, предметов мебели и даже автомобилей, позволяя получать цветные 3D-модели с высоким разрешением и точностью до 0,1 мм. С ним очень легко работать: достаточно нажать на кнопку и запустить сканирование, поэтому с оцифровкой справится даже новичок.

Artec Leo готов продолжить сканирование каяка

Съемка всей поверхности каяка, на которой почти 60 различных элементов, заняла у Мелони всего пять минут. Он просто обошел его со сканером Leo в руках и затем за 13 минут обработал данные в программе Artec Studio. Однако он не был на 100% доволен результатом. Он поставил перед собой задачу найти самый лучший способ создания настолько качественной 3D-модели, что она смогла бы пройти любую экспертную проверку. Вскоре Мелони понял, что более сложные детали каяка можно оцифровать другим сканером, Artec Space Spider.

Портативный 3D-сканер Space Spider делает сканы метрологической точности (до 0,05 мм), идеально подходя для реверс-инжиниринга и контроля качества. Он способен снимать сложную геометрию объектов и узкие поверхности, а также незаменим при оцифровке участков небольшого размера.

Artec Space Spider

Как говорит Мелони, «Многие клиенты ошибочно считают, что один 3D-сканер может идеально оцифровывать абсолютно всё: от изящного кольца с изумрудом до циркового шатра. Но вам ведь не придет в голову расчищать заросли в джунглях скальпелем, а в операционной использовать мачете. Так же и в сканировании: каждый сканер разработан для конкретных целей. ПО Artec Studio 15 позволяет очень легко объединять данные с нескольких сканеров Artec и за считаные минуты получать феноменальные 3D-модели».

Приближенное изображение 3D-модели каяка с оцифрованными ручкой, тросом и другими мелкими деталями

Вторым направлением проекта было решение проблемы, связанной с оцифровкой мягких и гибких элементов, например, тросов. Эти тонкие канаты растянуты между разными секциями корпуса из стекловолокна. При переворачивании каяка (например, чтобы снять его днище) эти канаты пусть немного, но смещаются. Это приводит к тому, что их приходится сканировать повторно, что занимает больше времени при традиционных методах 3D-съемки.

Задняя часть 3D-модели каяка. Здесь хорошо видны тонкие тросы и другие элементы, которые не имеют фиксированной формы.

Как воссоздать в 3D элементы, которые меняют форму в зависимости от положения? Напрашивалось очевидное решение — домоделить их в ZBrush. Мелони уже работал с этой программой, так что данный способ представлялся ему оптимальным: «В конце концов, есть много примеров похожих материалов и деталей, например, это шнурки, ремешки на сумках, да мало ли что ещё… Если их быстрее и проще смоделировать, а потом интегрировать в основной 3D-скан, почему бы этого не сделать?»

Пьетро Мелони использует ZBrush, чтобы доработать мелкие элементы.

Наконец, надо было отсканировать мелкие компоненты, расположенные в тесной внутренней части каяка. Из-за небольшого расстояния между этими и другими объектами было невозможно отснять их со всех необходимых ракурсов. Например, держатель для удочки был расположен в углублении в центральной части каяка. Именно на этом этапе Мелони решил отсоединить эти элементы и отсканировать их отдельно.

План сработал. Всего несколько минут потребовалось, чтобы снять эти элементы с каяка. Затем с помощью Space Spider Мелони отсканировал каждый объект на поворотном столике Artec Turntable. Он синхронизирован со сканером, поэтому в тех случаях, когда сканер теряет трекинг, столик поворачивается на несколько градусов назад и ждет возобновления трекинга, после чего снова начинает вращаться.

После оцифровки этих объектов Мелони совместил их со сканом всего каяка непосредственно в Artec Studio. «На самом деле, этот процесс совсем несложный. Обработать каждый скан и соединить всё вместе оказалось проще простого. В результате каждая деталь выглядит так, словно она была отсканирована вместе с остальными элементами. Такой процесс можно повторить со сканами, снятыми на любой 3D-сканер Artec: от Micro до Ray. Примечательно, что даже новичок может научиться этому всего за несколько минут».

Для нескольких объектов, которые не могут держать форму, например, для ручек, Мелони решил сделать держатели, отпечатанные на 3D-принтере, чтобы эти элементы можно было отсканировать точно в том же положении, в котором они находятся на каяке.

3D-печать держателей для сканирования объектов на столике Artec Turntable

Отпечатанные на 3D-принтере держатели фиксируют ручку каяка на столике Artec Turntable при съемке сканером Artec Space Spider

Далее Милони описывает процесс обработки данных в Artec Studio: «В Artec Studio 15 я легко совместил все сканы. Затем произвел Глобальную регистрацию, Четкую склейку с функцией заполнения прогалов, Быструю оптимизацию меша и Текстурирование. Это я делал для скана каждого элемента: начиная с корпуса и заканчивая отдельными деталями».

«Функция группировки объектов в Artec Studio 15 значительно упростила весь ход работы. Во время съемки каяка с помощью Leo все сканы автоматически отправлялись в отдельную папку, а когда я продолжил оцифровку мелких деталей сканером Space Spider, для них тоже были созданы собственные папки. Когда приходится работать с таким большим объемом данных, их автоматическая систематизация позволяет значительно ускорить обработку».

Скриншот модели каяка в Artec Studio 15: почти 60 элементов автоматически рассортированы по группам

«Хочу добавить, что, когда дело дошло до съемки и обработки мелких элементов, я использовал те же этапы работы, что и для корпуса каяка, однако в процессе оцифровки с помощью Space Spider (и столика Artec Turntable) я включал функцию автоматического удаления опоры, а затем в ходе обработки данных также использовал фильтр Удаление полигонального шума».

Скриншот программы Artec Studio 15 в процессе Глобальной регистрации корпуса каяка и его элементов

Когда все сканы были обработаны и совмещены, нужно было переходить к тросам каяка. Моделирование в ZBrush заняло считаные минуты. Мелони смоделировал каждый из элементов, которые иным способом воссоздать проблематично, прямо на модели каяка.

Скриншот Artec Studio 15 показывает плотность различных участков: это позволяет легко выбрать необходимую плотность каждого из объектов и уменьшить размер всей модели

«Поскольку эти элементы по большей части выполняют декоративную функцию, 3D-моделирование было самым подходящим решением. Однако если бы нам были нужны их точные размеры (например, для реверс-инжиниринга или контроля качества), нам бы пришлось воспользоваться сканером Space Spider. Сканы, сделанные им, могут использоваться для получения точных размеров тросов и других элементов», — добавляет Мелони.

Готовая 3D-модель каяка со всеми элементами

Что касается использования нескольких 3D-сканеров и дополнительных инструментов для получения оптимальных результатов, Мелони убедился, что такой новый подход работает на все 100. Он значительно сократил общее время обработки данных, а окончательная 3D-модель была готова на несколько дней раньше, чем предполагалось. Автор проекта призывает пользователей не бояться экспериментировать.

«Да, поначалу мне действительно пришлось потратить чуть больше времени, чтобы наладить весь процесс и включить в него не один сканер и не одну программу. Если вы хотите уверенно оцифровывать крупные объекты с большим количеством деталей разного размера, к этому следует подготовиться заранее».

Мелони продолжает: «И когда вы завершаете подобные проекты на несколько часов или даже дней раньше, чем ожидалось, вы понимаете, что сделали правильный выбор. Результаты того стоят: нам действительно следует экспериментировать и разрабатывать новые подходы».

«Представьте, что вы каждое утро добираетесь на работу исключительно на машине. А что будет, если однажды если город будет стоять в пробке, и машины просто застрянут на улицах? В таких случаях не помешает уметь ездить на велосипеде или пользоваться общественным транспортом».

Подняв планку работы еще выше, Мелони недавно взялся за проект, в котором с помощью Artec Ray и Artec Leo он оцифровывает древнюю римскую крепость в высоком разрешении. В будущей 3D-модели каждая деталь (размером до миллиметра) будет точно расположена на своем месте. Как считает сам Милони, это станет «идеальным проектом сохранения культурного наследия». Можно будет отпечатать на 3D-принтере уменьшенные копии здания для музеев и частных коллекций, а также использовать модель для создания реалистичной среды в виртуальной реальности или даже в дополненной реальности с эффектом присутствия.

Пьетро Мелони устанавливает сканер Artec Ray для 3D-съемки внутреннего дворика древнеримской крепости

Он описывает перспективы этого проекта так: «Посетители смогут увидеть 3D-голограммы, видео и даже анимированных героев многовековой истории замка. Такое использование современных технологий позволяет оживить историю на глазах у юных и взрослых зрителей. Можно ли придумать лучший способ сохранить эти бесценные памятники, чем рассказать о них современникам так, чтобы они это запомнили навсегда?»