Artec 3D сканирует без маркеров для интерактивного музея черепов

Кратко: В лаборатории визуальных эффектов St. Cloud University Visualization Lab (VizLab) решили создать интерактивный виртуальный музей черепов животных. Потребовалось применить 3D-сканирование, но с одним условием: никаких стикеров или маркеров.

Задача: С помощью портативных 3D-сканеров Artec и вращающегося стола оцифровать зачастую хрупкие музейные экспонаты, включая черепа и другие бесценные артефакты. Создать высокоточные цветные 3D-модели.

Инструменты: Artec Eva, Spider, Artec Studio

Вы бы, скорее всего, никогда не подумали, что рассматривать череп доисторического животного может быть занимательным, но сотрудники лаборатории визуализации при Государственном университете Сент-Клауд в Миннесоте могут заставить вас думать иначе, пересмотрев свои взгляды на эстетику. Посмотрев видео, которое демонстрирует их концепцию интерактивного музея черепов, вы не сможете не согласиться с тем, что их идея визуализации коллекции черепов из университетского музея пугающе привлекательна.

Зачаровывающий эффект, которым мы обязаны Artec Spider и Artec Studio 10, достигается за счет невероятно детализированных 3D-изображений черепов.

Как поясняет инженер по визуализации Марк Гилл, возглавляющий лабораторию VizLab: «По-другому то, что мы делаем с помощью 3D-сканера Spider, просто не сделаешь».

Музей черепов – один из многочисленных проектов, над которым работают в лаборатории VizLab. Миссия проекта – выработка новых визуальных, эмпирических, мультимедийных решений, необходимых в работе университета. Сюда входит предоставление программного обеспечения для проведения учебных занятий, исследований и лабораторных работ. Программное обеспечение, полностью отвечающее нуждам и специфике университета, не представлено на сегодняшнем рынке.

«Мы работаем со студентами и преподавателями факультета и создаем именно такое программное обеспечение, которое им необходимо», - говорит Марк. Студенты, разрабатывающие программное обеспечение, использует идеи и технологии, которые обычно не являются частью стандартной программы обучения.

Совсем недавно лаборатория приобрела два 3D-сканера Artec: Spider и Eva, именно благодаря им интерактивный музей черепов стал реальностью.

«До покупки этих сканеров, мы просто не выполняли большого количества такой работы», - говорит Марк Гилл. «У нас были инструменты моделирования типа 3DS Max, и мы создавали большинство наших моделей вручную, но полностью передать все детали у нас не получалось. Мы использовали обычные непрофессиональные сканеры для сканирования больших объектов. Мы пытались использовать возможности фотограмметрии, но результаты не всегда были положительными.»

3D-cканер Spider стал тем инструментом, которого давно не хватало в лаборатории. С его помощью стало возможным выполнять обратное проектирование старых запчастей, а также создавать 3D модели археологических артекфактов, таких как наконечники стрел или глиняные черепки. Сотрудники лаборатории могут распечатать на 3D-принтере копии бесценных артефактов и создать электронные архивы экспонатов, предоставленных другими музеями. «Сканы, полученные с помощью Spider, позволяют проводить геометрический анализ сканированных поверхностей», - говорит Марк.

По словам Марка, кафедру искусств заинтересовала возможность 3D-сканирования скульптур для дальнейшего использования изображений в мультимедийных проектах. Наличие сканнера Spider позволяет быстро перемещать объекты реального физического мира в виртуальную реальность. Кафедра также планирует сканировать пользователей, чтобы использовать такие изображения в качестве аватарок в виртуальной среде.

Лаборатория на данный момент обновила программное обеспечение до Artec Studio 10 и полностью удовлетворена результатом.

«Это лучший инструмент для исправления ошибок в расчетной сетке объекта, предназначенного для 3D-сканирования», - говорит Марк. «Я могу импортировать модель любого формата и быстро подготовить ее для сканирования, обычно просто перестроив сетку объекта, либо я делаю это путем слияния набора отдельных сеток».

Программное обеспечение Artec Studio 10 зарекомендовало себя отличным инструментом для получения четкого, без посторонних частиц, сделанного при помощи сканирующего электронного микроскопа, изображения таких объектов как поверхности кристаллов в несколько микрон или одноклеточных организмов. Сканы таких объектов обычно получаются с искажениями и большим количеством посторонних частиц. При помощи редактора Artec Studio 10 искажения можно устранить, а сетки сравнения соединить воедино.

Теперь, давайте рассмотрим, как использовались программное обеспечение Artec Studio 10 и 3D-сканер Spider на примере проекта музея черепов. Экспозиция музея являет собой коллекцию черепов млекопитающих из музея государственного университета Сент-Клауд в Миннесоте, самый маленький из которых – череп мыши. А самый большой – коровы. Все эти черепа представляют собой огромное разнообразие типов поверхностей, текстур и размеров. Образцы поменьше, такие как поссум и красная лисица - блестящие и почти прозрачные. В планах оцифровка университетской коллекции ископаемого человека (гоминида), Марк уже начал работу над этим проектом.

Музей начинался как лабораторное упражнение для студентов-биологов, которые изучают черты, передаваемые общими филогенетическими предками. Проект заточен под специфические нужды курса биологии университета.

Для сканирования почти всех предметов, Марк использовал поворотный стол для сканирования, на который нанес метки в произвольном порядке, чтобы помочь с регистрацией. Некоторые экземпляры имели достаточно текстуры, и им и не нужны были вспомогательные средства для регистрации, но для других это было абсолютно необходимо.

На сканирование и обработку маленьких образцов уходил примерно час. Череп и челюсть на каждом образце сканировались отдельно. Черепа довольно замысловаты по форме и имеют сложные органические структуры, поэтому Марк делал примерно по 8 сканов каждого экземпляра, чтобы точно заснять все составные части, такие как зубы, со всех углов.

«Поскольку черепа мы брали из музея, я не хотел наносить на них лишние метки, или же пудру, если этого можно было избежать», - говорит Марк. «Для сканирования некоторых областей, которые читаются сложнее, я повышал уровень чувствительности на сканере Spider”.

Самым сложным был череп оленя. Череп и рога он сделал отдельными проектами, а челюсть – как два отдельных проекта. Только череп оленя состоял из 23 отдельных сканов общим объемом 12 Гб.

Процесс создания финальной сетки начался с алгоритма точной склейки с разрешением 1 мм. В результате были получены сетки с почти миллионом граней в случае мыши, и примерно четырьмя миллионами граней в случае с оленем. У прочих экземпляров это число колебалось примерно в таких пределах.

Марк сделал копию черепа оленя перед его упрощением и наложением текстур, так ка ему были нужны разные версии сетки для разных частей.

«Упрощение сетки в AS10 – лучшее, какое я видел», говорит Марк. «Другие пакеты программного обеспечения позволяют задать несколько параметров, но конечное количество граней – это как лотерея. Если вы упрощаете сетку в 10 раз, то качество совершенно теряется. В AS10, я могу задать точное количество граней, которое мне нужно в сетке, и получаю сетку именно с таким количеством. И она выглядит намного лучше, чем получаемая от другого программного обеспечения».

После этого Марк изменил текстуры до 4096х4096, и экспортировал очень упрощенные сетки в виде .obj файлов с материалами.

Оттуда он переместил модель в 3D Studio Max 2016, чтобы совместить сканы черепа и челюстной кости. Он склеил их друг с другом так, как они должны были совмещаться, и установил происхождение обеих моделей на одну точку и совмещение. Таким образом их можно двигать вместе, но можно и сочленять их по отдельности.

После соединения моделей Марк их экспортировал как файлы Autodesk .FBX с прикрепленными данными, при этом челюсть и череп всё еще были отдельными объектами.

Сам музей черепов создан при помощи движка Unity 5 Game. «Я нацеливаюсь на некоторые мультисенсорные столы, которые у нас есть, поэтому я применяю виртуальный контроллер Gestureworks, чтобы справиться с сенсорными манипуляциями», - говорит Марк. Unity позволяет быстро создавать прототипы большинства интерактивных 3D-приложений. В нем используется скриптовый язык C#, поэтому я могу программировать точное поведение черепов; могу контролировать то, как они двигаются в игровом движке, их масштабирование, открывание челюстей. В Unity также есть инструменты и элементы управления для простого контроля над светом и другими визуальными эффектами.

«Теперь, когда прототип приложения готов, мы покажем его сотрудникам биологического факультета, чтобы посмотреть, как он соответствует их требованиям», - говорит Марк. «Впоследствии он позволит студентам работать с этими образцами и сравнивать их с другими, и при этом не держать их в руках».

Связаться с нами