Как работает 3D-сканирование?

Содержание:

Мир 3D-технологий (сканирование и не только!)

Измерения нашего мира: зрение, сканирование и другие возможности

Перед тем, как погрузиться в увлекательную вселенную 3D-сканирования со множеством лазерных сканеров, сканеров на основе структурированной подсветки, конструкторскими программами, 3D-моделями и прочим, остановимся на минутку и постараемся понять, что же на самом деле означают эти три измерения, в которых существуем мы с вами (и которые нас характеризуют!).

Все знают, что мы живём в трехмерном мире, и даже те, кто не подозревает о существовании 3D-сканеров. Но что в действительности означает словосочетание “трехмерный мир”? Оно значит, что пространство вокруг нас имеет три измерения и что положение чего-либо можно описать с помощью трех чисел, также называемых параметрами или координатами. Есть множество способов обозначения этих трех параметров, и все они подчиняются правилу, которое называется системой координат.

Наиболее известная система координат – декартова. Когда мы измеряем объект по длине, ширине и высоте, мы пользуемся терминами декартовой системы координат, которая бывает правой и левой. Единственная разница между ними – направление оси Z, определяющей высоту объектов вокруг нас.

Существуют и другие системы координат, например, сферическая или цилиндрическая. Общего у этих трехмерных систем координат то, что они имеют три независимых параметра, которые чётко описывают положение любой точки в пространстве. Это все кажется слишком простым, но, когда речь идет о 3D-сканерах и сканировании, эти фундаментальные принципы действительно могут помочь понять и успешно работать с этой меняющей мир технологией.

Любое упоминание измерений в контексте 3D-сканирования становится еще более важным, когда мы говорим о точности и разрешении современных профессиональных продуктов для 3D-сканирования. Действующие на уровне, не доступном человеческому глазу, характеристики новейших моделей 3D-сканеров зависят от надежности оборудования и качества системы координат в сопутствующих программах.

Краткое вступление: объекты и их 3D-оцифровка

Независимо от положения в пространстве, все объекты физической природы обладают измерениями (или размерами). Объекты могут быть 0D, 1D, 2D или 3D.

Представьте что-то очень маленькое, например, атом, который, как нам кажется, практически не занимает места, поэтому мы можем считать его точкой. Когда в пространстве находится такая точка, положение которой можно определить как x, y и z, мы говорим, что у нее нет размеров, поэтому она является объектом 0D. При том, что с одномерными, двухмерными и трёхмерными объектами сканеры могут справиться, этого нельзя сказать об объектах 0D.

Примером одномерного (1D) объекта может служить очень тонкая цепь. Каждое её звено, за исключением первого и последнего, имеет всего два соседних звена.

Тонкий лист бумаги (c) – это двухмерный объект, поскольку его третий параметр – толщина – несущественен по сравнению с длиной и шириной.

Рис. 1: Измерения объектов

Простым примером 3D-объекта может служить короб, у которого есть длина, ширина и высота, т.е. он занимает определенное пространство во всех трех измерениях.

Сегодня производители профессиональных 3D-сканеров, как правило, указывают в описании продуктов оптимальный размер(-ы) объектов для сканирования. 3D-сканеры сильно отличаются по габаритам: автоматические настольные для крошечных объектов, портативные на основе структурированной подсветки для небольших и средних объектов, более крупные 3D-сканеры, например, лазерные для крупных и даже очень крупных объектов. С свою очередь, 3D-модели, создаваемые с помощью сканеров, могут быть при необходимости масштабированы посредством, в том числе, профессиональных САПР.

Как мы воспринимаем (и сканируем в уме) наш трехмерный мир

Большую часть информации об удаленных объектах мы получаем благодаря свету, который представляет собой электромагнитное излучение, распространяющееся с максимально возможной скоростью. Исходя в основном от солнца, лучи света падают на поверхность, поглощаются или отражается ею и продолжают свой путь, пока не поглотятся полностью. Множество вещей происходит со светом: отражение, преломление, рассеивание или поглощение – а когда освещаемый объект нагреется, свет может даже изменить свои свойства, например, цвет, яркость, направление и проч.

Человеческий глаз – это орган восприятия, способный определять направление, яркость и цвет видимого спектра света. В глазу имеется хрусталик – линза, которая пропускает свет, фокусируя его на сетчатке. Сетчатка содержит особые светочувствительные клетки, состоящие из около 120 миллионов палочек и 6-7 миллионов колбочек. Благодаря палочкам мы воспринимаем белый и черный цвета, а колбочки позволяют нам распознавать все остальные цвета. Таким образом, чтобы их увидеть, наши глаза собирают лучи света, отраженные от окружающих нас объектов, и передают их на сетчатку.

Наши глаза не способны одновременно четко видеть объекты на разных расстояниях, поэтому, когда мы смотрим на что-то вблизи нас, объекты поодаль кажутся нам расплывчатыми, и наоборот. Этот процесс фокусировки зрения называется аккомодацией. Он позволяет нам хорошо видеть на расстоянии от 6-7 сантиметров до бесконечности. Чаще всего аккомодация является рефлексом, однако иногда она может являться нашим осознанным действием. На рис.2 иллюстрирован процесс аккомодации - изменения кривизны хрусталика под воздействием соответствующих мышц для фокусировки зрения на разном расстоянии.

Наряду с тем, как аккомодация помогает глазу фокусироваться, она позволяет отличать близкие объекты от удаленных, несмотря на то, что один человеческий глаз неспособен хорошо распознавать расстояние. Вот по этой причине нам требуются оба глаза (см. рис.3).

Трехмерное зрение человека основано на так называемом стереоскопическом эффекте. Это процесс наблюдения за объектом с двух разных точек, при котором изображения, распознаваемые каждым глазом, практически идентичны, но смещены относительно друг друга. Величина такого смещения зависит от расстояния между человеком и объектом: чем ближе объект, тем больше смещение. Это явление носит название ретинальная (бинокулярная) диспаратность, или бинокулярный параллакс.

Рис. 2: Аккомодация (фокусировка) глаза: (a) на дальнем объекте; (b) на ближнем объекте

Рис. 3: Конвергенция глаз (восприятие расстояния): (a) дальний объект; (b) ближний объект

К сожалению, разрешение глаза неоднородно. Наиболее высокая плотность колбочек – в центре, поэтому для максимального разрешения и наилучшего восприятия расстояния, оба глаза должны быть сфокусированы непосредственно на объекте. Распознавание расстояния при взгляде на близко расположенный объект (см. рис.3 (b)) происходит за счет внешних мышц глазного яблока. При этом при фокусировании зрения на дальнем объекте угол зрения значительно меньше.

После того, как два изображения (в каждом глазу) проецируется на сетчатках, они проходят через зрительные нервы и направляются дальше к различным участкам головного мозга. Различные участки мозга одновременно анализируют изображение. Некоторые участки распознают геометрические формы, некоторые улавливают движение, а другие сравнивают изображение с увиденными ранее, и так далее.

Наконец, всего за 50 миллисекунд вся эта информация попадает в наше сознание, и мы замечаем цвет, расстояние, движение, форму того, на что смотрим. 3D-сканеры Artec работают практически по тому же принципу, но они более точно измеряют расстояние, чем зрение человека, и это справедливо как для лазерных, так и для 3D-сканеров Artec на основе структурированной подсветки.

Человеческий глаз, 3D-восприятие и 3D-сканеры

Поскольку под воздействием среды свет может вести себя по-разному, трехмерное зрительное восприятие не всегда работает одинаково хорошо.

В реальности, если трехмерный объект больше одного нанометра, человеческому глазу или современному сканеру трудно увидеть все его стороны одновременно, поскольку, как правило, этому мешают другие объекты. Например, тыльные поверхности непрозрачных объектов закрыты их фронтальными поверхностями.

Важно рассмотреть (или сканировать) объект со всех сторон, чтобы увидеть его трехмерные очертания, особенно, если форма не известна заранее. Распознать крупные объекты одного цвета простой формы в 3D может быть довольно непросто, в особенности, плоские или очень гладкие поверхности.

Хороший пример подобной ситуации – процесс парковки автомобиля без специальных отметок. Представьте, что всё парковочное место выкрашено в один светлый цвет. Когда фон однородный, без каких-либо контрастных обозначений или линий, ваши глаза (и мозг) с большим трудом смогут определить расстояние до крайних точек парковочного места.

Это происходит потому, что нашим глазам для фокусировки требуются контрастные изображения. Однотонные и однородные поверхности без каких-либо выдающихся признаков определяются глазом как неконтрастные. То же касается и черных поверхностей.

Множество профессиональных 3D-сканеров с трудом считывают черные или однородные темные поверхности, поскольку также нуждаются в ориентирах для фокусировки, описанных выше. Как многие новички, так и специалисты 3D-сканирования в таких случаях сталкиваются с большими трудностями, требующими разных способов и подходов к оцифровке, или даже порой выбора совершенно иного типа сканера. Таким образом, если время от времени вам требуется сканировать темные поверхности, то перед приобретением 3D-сканера стоит испытать его на таких объектах. Выбор лучшего сканера в таком случае не ограничивается показателями точности и разрешения.

3D-модели посредством сканирования, САПР и др.

Сегодняшнее поколение профессиональных решений для 3D-оцифровки, включая сканеры на основе структурированной подсветки, лазерные сканеры и ПО, неразрывно связаны с достижениями в сфере компьютерных технологий, благодаря которым стало возможным создание программируемого управления различным оборудованием, или числовым программным управлением (ЧПУ). С появлением ЧПУ удалось совершить большой прорыв в области изготовления объектов различных форм (иногда называемых поверхностями произвольной формы).

Основной смысл ЧПУ состоит в том, что станком управляет компьютер, а не человек. Компьютеры способны делать это с непревзойденной точностью, поразительно точно и гораздо более эффективно. Они делают это посредством специальных команд, генерируемых программными системами, известными как автоматизированные системы управления производством (АСУП) и системы автоматизированного проектирования (САПР). Давайте взглянем на то, как же компьютеры работают с 3D-объектами.

Что такое вершина и как это понятие связано с 3D-сканированием?

Вершина в мире компьютерной графики и 3D-сканирования означает структуру данных, описывающую различные атрибуты точки. Главным атрибутом точки является ее положение в пространстве, другие могут включать цвет, отражающую способность, координаты, нормальный и касательный векторы, и проч.

Изначально вершина подразумевает собой точку, где сходятся линии, изгибы или углы. Таким образом эта базовое геометрическое понятие довольно часто используется для описания других более сложных элементов, например, ребра, сетки, грани или поверхности. Поэтому некоторые атрибуты вершины содержат не только точку, но и поверхность вокруг или рядом с ней.

Облако точек – это ряд вершин, как правило, создаваемых 3D-сканерами, в особенности, лазерными 3D-сканерами.

Что такое ребро? Описание из 11 слов

Ребро – любая прямая линия, соединяющая две точки (вершины). Может являться частью грани.

Немного о гранях, полигонах и прочем

Грань – это замкнутая последовательность рёбер. Каждая вершина грани соединяет два ребра. Грань треугольника имеет три ребра, а четырехугольника – четыре ребра. Грани с тремя и более рёбрами называют полигонами (от греческого «многоугольник»).

Пятиугольник имеет пять ребер, шестиугольник - 6, семиугольник – 7 и восьмиугольник – 8 ребер. Любой полигон, имеющий более четырех ребер, можно заменить соответствующим числом треугольников или четырехугольников, составляющих его форму.

Рис. 4: Полигоны: (a) треугольник (b) четырехугольник (c) пятиугольник (d) шестиугольник, (e) семиугольник (f) восьмиугольник

Сетки в мире 3D-сканирования

В сфере 3D-технологий сетка (включая модели, создаваемые с помощью 3D-сканеров) является одним из способов представления поверхности в графической программе. Примитивным языком, сетка – это сочетание вершин, граней и данных о том, как вершины образуют грани и как они соединяются между собой.

Как правило грани состоят из полигонов любого типа, но чаще всего из треугольников, так как графическому процессору проще с ними работать. Разные виды сеток требуют разного рода полигонов, что зависит от области применения сетки:

 

  • Грань-вершина – вершины и набор полигонов, указывающих на используемые ими вершины.
  • Крылатый край – каждое ребро имеет две вершины, две грани и четыре смежных ребра.
  • Четыре ребра – состоит из рёбер, полурёбер и вершин без указания полигонов.
  • Таблица углов – хранит вершины в предопределённой таблице, такой что обход таблицы неявно задаёт полигоны.

 

В сущности, это веер треугольников, используемый в аппаратном рендеринге. Такое представление – более компактное и производительное для нахождения полигонов, но операции по их изменению выполняются медленнее. Более того, таблица углов не представляют сетку полностью – нужно несколько таблиц углов (вееров треугольников).

В вершинной структуре представлены лишь вершины, указывающие на другие вершины. Это очень эффективный формат в плане объема данных, хотя количество эффективных операций ограничено.

Простые сетки могут создаваться вручную; более сложные – моделируются посредством математических уравнений, алгоритмов или же с помощью 3D-сканирования реальных объектов. Одной из наиболее важных характеристик сетки является простота. Есть множество способов считывания одной и той же поверхности и представления ее цифровой копии.

Рис. 5: Треугольная сетка (полигональная сетка, состоящая из треугольников): (a)  – вершины (b) – грани (c) – сетка

Сетки в мире 3D-сканирования

В декартовой системе координат весь объем можно разделить на небольшие прямоугольные параллелепипеды (трехмерные фигуры, состоящие из шести параллелограммов), называемые вокселями. Если размеры по осям x, y и z одинаковы, то они будут являться кубами. После такого упрощения любой твердотельный объект можно создать из определенного количества вокселей. Чем меньше воксель, тем точнее итоговые параметры.

Рис. 6: Пиксели и воксели

Координаты вокселя определяются их положением в массиве данных. Стандартный символ в этом массиве и базовая форма вокселя обеспечивают более простой и надежный процесс, но зачастую требуют больше дискового пространства для хранения и больше памяти для обработки. Как и в случае с двухмерными изображениями, непрямоугольные поверхности, представляющие воксельные грани, содержат дискретные данные.

Чтобы добиться точности непрямоугольной модели нужны очень маленькие воксели. А поскольку они требуют значительного дискового пространства, их не так часто используются для таких объектов. Воксели наиболее эффективны для сложных разнородных объектов, что делает их идеальными в решениях для 3D-сканирования, визуализации и САПР.

Твердотельные (сплошные) объекты и 3D-геометрия посредством сканирования и не только

Любой физический объект занимает определенный объем пространства и состоит из какого-либо материала. Существуют различные способы моделирования твердотельных объектов: шаблонная формовка, моделирование поверхностной сетки, декомпозиция. Любой объект обладает границами (поверхностями), и границы твердых объектов разделают пространство на две части – внутреннюю и внешнюю. Таким образом, твердый объект может быть представлен границами и некоторыми данными, такими как сетка, и могут служить для отделения внутреннего пространства от внешнего.

Еще один подход, применяемый в конструктивной блочной геометрии (КБГ), где все основные элементы уже являются сплошными (сфера, конус, куб, тор и др.) и более сложные формы, составленные из примитивных фигур посредством булевых операций (рис.7): слияние, вычитание, пересечение и т.д.

Рис. 7: Конструктивная блочная геометрия: результат

Текстура и как она применяется при 3D-сканировании

В компьютерной графике и 3D-сканировании текстура означает изображение, нанесенное на поверхность. Данные текстур хранятся в отдельных файлах, в которых каждый пиксель с координатами U и V имеет соответствующий цвет. Наложение текстуры на поверхность называется текстурированием или UV-преобразованием.

Учитывая, что человеческий мозг в визуальном восприятии окружающего мира в основном полагается на тень, цвет и градиент цвета, текстура является высокоэффективным способом изображения формы без изменения геометрии. Этот метод часто применяется производителями компьютерных игр для более быстрого и эффективного рендеринга графики.

Производители 3D-решений иногда оснащают сканеры специальными объективами для распознавания текстуры – текстурными камерами. Для получения изображения высокого качества требуется яркое равномерное освещение, если сам сканер не оборудован вспышкой.

Рис. 8: UV-преобразование

Рис. 9: Текстура на поверхности: (a) – поверхность без цветов текстуры (b) – поверхность с цветом текстуры (c) – файл с данными текстуры

Выводы о 3D-технологии, сканировании, текущих и будущих тенденциях применения

Представление о 3D-технологии помогает не только лучше понимать некоторые замысловатые процессы в окружающем нас мире, но и принципы работы 3D-решений, в том числе, 3D-сканирования.

За последние двадцать лет 3D-технологии проникли во многие важные сферы нашей жизни и применялись во множестве научных проектов. Лазерные 3D-сканеры и программы периодически используются для сохранения объектов культурного наследия – памятников и территорий, находящихся на грани разрушения; инженеры с помощью сканеров на основе структурированной подсветки производят реверс-инжиниринг сложных поверхностей и форм для моделирования в САПР; врачи и медицинские работники сканируют в 3D своих пациентов для различных применений, в том числе, для изготовления протезов, диагностики кожных заболеваний и др.

Чем шире распространяется информация о том, что представляет собой 3D-технология, тем важнее становится это знание. Всё более частое применение 3D-технологии в мире наталкивает экспертов на мысль, что в скором будущем мы станем использовать её и дома, и в школе, и на работе.

Сегодня 3D-технологии всё чаще применяются в таких сферах, как аэрокосмическая отрасль, инженерное дело, цифровое производство, медицина, компьютерная графика и многие другие. В будущем специалисты с опытом работы в области 3D-сканирования будут еще более востребованы.

Сегодняшнее молодое поколение уже видит, что 3D-сканеры – это не только инструменты лабораторий или реквизит в научно-фантастическом фильме, как это было еще несколько десятков лет назад. С каждым годом профессиональное 3D-сканирование приближается к тому, чтобы стать частью нашей повседневной жизни, и производители этих технологий уже задаются целью плавно внедрить свои решения во все сферы жизни. Даже дети в школьных классах могут пользоваться сканерами на основе структурированной подсветки. 3D-сканеры можно также увидеть у терапевта или стоматолога. Что раньше было доступно только определённому кругу специалистов, становится незаменимым инструментом в повседневной жизни.

Производители профессиональных 3D-сканеров и программного обеспечения, включая лазерные сканеры и сканеры на основе структурированной подсветки, достигли невероятной точности и высокой степени разрешения своих устройств. В это же время промышленные дизайнеры и другие инженеры всё чаще прибегают к 3D-сканерам, поскольку такие устройства и получаемые 3D-модели существенно упрощают рабочий процесс и позволяют выполнять такие задачи, которые раньше были либо невозможны или чрезвычайно сложны.

Эксперты предсказывают широкое распространение таких решений, как виртуальная и дополненная реальность в сфере образования. Дети смогут побывать в лесах Амазонки, на вершинах Гималаев и где угодно еще, не покидая своего безопасного класса. Цифровые дизайнеры будут всё чаще применять технологии 3D-сканирования и моделирования для разработки виртуальных сред и дополненной реальности для ознакомления и взаимодействия с различными создаваемыми ими объектами, а затем изготавливать их на 3D-принтере из разных материалов. Врачи смогут быстро сканировать в 3D ваше тело и печатать недостающие органы и части тела из ваших собственных стволовых клеток, что будет полностью исключать вероятность отторжения тканей.

Говоря об огромном потенциале 3D-сканирования, можно с уверенностью заявить, что это только лишь начало.

Связаться с нами