Профессиональный лазерный 3D-сканер будет не по карману не только вам, но и крупной голливудской студии. Конечно, существуют менее дорогие решения, но и их стоимость выражается четырех-пятизначными цифрами (в американских долларах и европейских евро). Но, обладая изобретательностью, вы можете перевести чье-нибудь лицо в третье измерение всего лишь с помощью обычного диапроектора, цифровой камеры и базового трехмерного программного обеспечения...

ся сложность задачи заключается, естественно, в дополнительном измерении. Если бы вам понадобилась простая двумерная фотография объекта, то достаточно было бы взять цифровую фотокамеру, сфотографировать предмет и ввести его изображение в компьютер. Иное дело, если вам нужна трехмерная сеточная модель - тут уж придется попотеть...

3D-художнику даже довольно простые на первый взгляд объекты могут доставить немало хлопот, если речь зайдет об объеме, цвете и фактуре поверхности. Поэтому перед тем, как приступать к 3D-моделированию, необходимо приобрести определенные навыки в этой области, и пройдет немало времени, прежде чем новичок сможет приступить к конкретной творческой работе.

Но даже если вы знакомы с трехмерным моделированием не понаслышке, работа с антропоморфными объектами, а тем более с человеческими лицами, представляется делом довольно сложным и весьма трудоемким. 3D-художники порой тратят так много времени на изготовление моделей трехмерных людей, что на другую важную работу у них его просто не остается. А ведь не менее сложной и трудоемкой является анимация таких объектов, и любые огрехи в моделировании в этой области начинают проявляться особенно ярко и могут свести на нет работу в целом.

В настоящее время существуют различные технологии для трехмерного сканирования, а некоторые компании даже предоставляют специальные услуги по подготовке 3D-моделей, но такие решения и услуги доступны далеко не всем, причем цена большинства из них в буквальном смысле астрономическая. Однако, обратившись в такие компании или воспользовавшись готовыми 3D-объектами, вы можете столкнуться с непреодолимыми трудностями в процессе анимации и рендеринга.

Методы, используемые при построении 3D-моделей, могут варьироваться от проекта к проекту. Смоделировать трактор или воссоздать динозавра - это, естественно, вовсе не одно и то же. Если речь идет о последующей сложной анимации, то, бесспорно, лучше делать модель «вручную», в каком-либо 3D-пакете. Первоочередная задача в этом случае - построить корректный рабочий скелет и создать аккуратную и не слишком сложную по структуре поверхность. В процессе работы широко используются скульптуры, фотографические материалы, черновые чертежи и рисунки. Казалось бы, почему не автоматизировать процесс моделирования? Однако различные методы автоматической оцифровки объектов (3D-сканирование) широкого распространения не получили. В чем причина?

Профессиональные технологии 3D-сканирования

ассмотрим для начала наиболее популярную технологию 3D-сканирования «для бедных» - так называемую сколку. На 3D-дигитайзерах, работающих по этой технологии, специализируется компания Immersion Corporation. Ее устройства MicroScribe 3D вполне доступны (их стоимость от 1000 до 3000 долл., в зависимости от величины объекта, который можно обрабатывать) и просты в использовании, однако они не могут оцифровать текстуру объекта (рисование которой - один из самых сложных этапов моделирования), поэтому не настолько радикально оптимизируют процесс изготовления моделей, чтобы отказаться от ручной работы, и используются, как правило, только при недостаточной квалификации 3D-дизайнера.

По сути, такие системы представляют собой контактный щуп, который при помощи нескольких потенциометров, установленных на складной арматуре с шарнирными соединениями, фиксирует информацию о том, в каком месте находится головка, и передает эту информацию в виде координат в трехмерном пространстве при нажатии соответствующей кнопки. Достаточно сделать необходимое количество замеров - и у вас готова сетка для моделирования поверхности будущей модели.

Но одно из основных преимуществ таких систем - высокая степень контроля за процессом оцифровки со стороны оператора. Причем само это устройство может быть довольно сложным: в нем, например, применяются система противовесов и автоматическая компенсация изменения температуры и соответствующих расширений и сжатий металла. При моделировании на исходный объект карандашом или маркером наносятся контрольные линии; затем оператор решает, где к сетке нужно добавить деталей, а где оставить возможность деталировки 3D-дизайнерам - все это зависит от назначения модели. Цель таких предварительных работ - убедиться, что окончательная сетка будет достаточно точной и максимально рациональной. Когда же рисование на модели невозможно, приходится лепить вместо нее макет.

Причем после любой оцифровки все равно неизбежно потребуется довольно трудоемкая обработка в 3D-пакете, но при правильном планировании создаваемой сетки такую работу можно значительно оптимизировать еще на этапе сколки. К сожалению, этого преимущества лишены более сложные, оптические системы оцифровки 3D-объектов (поэтому после их работы объект, как правило, приходится заново моделировать вручную). Однако оптические системы обладают другим преимуществом - они автоматически «снимают» трехмерную текстуру объекта, которую затем можно будет использовать с минимальной доработкой. В этом смысле лазерная, или оптическая, технология сканирования 3D-объектов является более передовой. Из трех основных направлений, по которым развивалась эта технология (сканирование по точкам, по зонам и по полосам), наилучшие результаты показала технология сканирования по полосам (как правило, со световой разметкой).

Суть данной технологии заключается в том, что на поверхность модели проецируется световая полоса или сетка и ее положение записывается внешними видеокамерами. Постепенно, по мере сканирования модели от одного края до другого, выстраивается точный образ ее поверхности и записывается трехмерная текстура.

Наибольшего успеха в производстве 3D-сканеров, работающих по оптической технологии, добилась компания Cyberware. За ее первым сканером с прагматическим названием Head Scanner (сканирующим только небольшие объекты, такие как человеческая голова) в начале 90-х годов последовал Whole Body Scanner (сканер всего тела) и др. Технология оказалась довольно популярной, и в течение нескольких лет появилось целое семейство производителей подобных устройств. Причем работают эти устройства довольно быстро и точно (например, сканирование головы занимает всего несколько секунд, и за это время генерируются 3D-объекты с полумиллионом вершин), но они до сих пор остаются довольно дорогими (их цена достигает полумиллиона долларов) и имеют целый ряд серьезных недостатков, которые приводят к тому, что полученные с их помощью модели совершенно непригодны для анимации.

Из серьезных недостатков можно выделить следующие:

• полученные модели очень сложны и тяжеловесны;
• возникают проблемы с отражающими поверхностями (что не удивительно, если учесть, что используется световая разметка);
• чем сложнее рельеф поверхности, тем больше вероятность перекрывающихся плоскостей и близких точек, с которыми потом отказываются работать 3D-пакеты;
• поскольку процесс полностью автоматизирован, 3D-дизайнер не может оказывать на него влияние и приступает к работе только тогда, когда закончится сканирование.

В результате получаются громоздкие объекты, которые потребуют такого объема работ для их доводки, что проще смоделировать объект заново.

Сейчас на рынке появляются и более дешевые сканеры, основанные на цифровой фотосъемке (10-20 тыс. долл.), но и их применение тормозится по вышеописанным причинам.

Так что в любом случае - автоматически ваша работа не сделается. Мы же предлагаем вам относительно нетрудоемкую и недорогую по оснащению «полуавтоматическую» процедуру, следуя которой, вы, при определенном навыке, сможете создавать качественные трехмерные модели любой сложности.

Итак, рассмотрим, как получить модель человеческого лица на дешевом оптическом оборудовании...

Установка для 3D-сканирования

усть у вас есть довольно сложный объект, с которого вы хотите получить трехмерный образ в компьютере. Вам понадобится также слайд- или оверхед-проектор (впрочем, можно воспользоваться популярным во времена наших бабушек дешевым диапроектором, если, конечно, вы сумеете его где-нибудь отыскать). Кроме того, необходим фотоаппарат (желательно цифровой, чтобы оперативно переносить полученное изображение в компьютер). Для слайд- или диапроектора понадобится изготовить специальную «маску», которая будет проецировать на фотографируемый объект вертикальную решетку. Можно, например, взять засвеченную пленку и процарапать по ней иголкой тонкие параллельные линии по всей длине кадра. Для оверхед-проектора можно изготовить пленку с нанесенными на нее черной тушью вертикальными линиями (если проектор отображает непрозрачные листы, то можно начертить такие линии на обычной бумаге). Помещаем сканируемый объект непосредственно перед проектором, а фотоаппарат закрепляем на штативе таким образом, чтобы он снимал объект под углом 45°.

После этого делаем по два снимка: первый с проецированием вертикальной решетки на лицо модели, а второй - просто фотографию для получения соответствующей текстуры. Проецируемые линии должны располагаться максимально близко друг к другу (от 0,5 до 1 см) и должны быть хорошо видны на фотографии, для того чтобы вы могли в дальнейшем уверенно воспользоваться ими при моделировании.

Итак, снимаем: один раз с проектором, а второй раз - без него (можно просто закрывать его листом бумаги, а камерой управлять дистанционно). Если у вас цифровая камера, то лучше сразу проверить качество полученного изображения и, возможно, повторить серию, отодвинув или придвинув проектор поближе, чтобы получить уверенно читаемые линии по лицу на фотографии. Естественно, пленочный фотоаппарат значительно менее удобен - придется печатать фотографии и использовать сканер для ввода изображения в компьютер.

Подготовка каркаса для лица

осле того как достаточно четкие фотографии будут получены, мы должны перейти в какой-нибудь пакет трехмерного моделирования. Лучше, если там будет достаточно развитой инструментарий сплайнового или так называемого NURBS-моделирования. NURBS - это сокращение от Non-Uniform Rational B-Spline (то есть неоднородный рациональный B-сплайн). Выбор современных программ достаточно велик: от профессиональных Alias|Wavefront Maya и 3DS MAX до дешевых Hash Animation Master или Caligari True Space. Идеальный выбор для использования технологии NURBS-моделирования - это Rhino 3D (или Rhinoceros).

Rhinoceros - это профессиональная система концептуального 3D-проектирования и моделирования для операционной среды Windows 95/NT. Основой моделирования в этом пакете является NURBS-технология моделирования. Rhino 3D позволяет создавать, редактировать, анализировать кривые, поверхности и твердые тела и работать с NURBS-объектами. Система эффективно работает с объектами любой сложности и размеров. Это может быть как техническое моделирование - от клапана до лайнера, так и моделирование биологических объектов - от мышонка до человека. Функциональные возможности системы ставят ее на одну ступень с системами верхнего уровня, при этом Rhino 3D выгодно отличается по цене от других профессиональных пакетов для трехмерного моделирования. И начинающие пользователи, и опытные профессионалы во всем мире отдают предпочтение легкому в освоении и эффективному в использовании пакету Rhino 3D.

Одним из лучших приемов моделирования головы при помощи сплайнов является использование вертикальных кривых, которые берут начало на внутренней поверхности рта. Они выходят изо рта наружу, повторяя черты лица, и заканчиваются у основания шеи.

Такой подход особенно эффективен в том случае, когда вам необходимо с максимальной достоверностью передать черты лица и использовать мимику при анимации. Поскольку обычно направление кривых совпадает с направлением мускулов, такое построение значительно облегчает анимацию мимики. Это относится в первую очередь к областям в районе рта, которые являются наиболее подвижными. Помимо наших «автоматических» полосок на лице нам придется построить массу дополнительных кривых. Но прежде чем их строить, рекомендуется изучить различные мускулы лица и их назначение. Читая об этих мускулах, вы можете пользоваться зеркалом, чтобы посмотреть, как они действуют при разных выражениях лица, и соответственно обнаружить области, на которых вам потребуется максимальная детализация.

Откроем свое полосатое изображение, поместим его в качестве фона в соответствующее окно 3D-пакета (лучше если вы сами подготовите это окно, развернув прямую проекцию на 45° и включив перспективу) и начнем моделирование одной половинки лица. Для создания основных формообразующих кривых мы будем пользоваться спроецированными полосками, обводя их максимально эффективно (с созданием наименьшего количества контрольных точек). Для таких процедур всегда используется вид сбоку. Завершив обведение полосок кривыми, можно удалить лишние точки и, напротив, добавить точек в районе рта, носа или глаз. Но, вообще говоря, построенная нами кривая не должна содержать более двух-трех десятков точек и большинство из них должно быть сконцентрировано в районе губ, носа и рта. Однако не слишком удобно вставлять дополнительные точки впоследствии, когда дело дойдет до более мелких деталей. И помните, что большинство пакетов трехмерного моделирования, поддерживающих инструменты так называемого лофтинга или скининга (то есть тех, которые используются для натягивания поверхностей на формообразующие кривые) предпочитают, чтобы у всех кривых было одинаковое количество точек. Впрочем, некоторые пакеты позволяют перестроить кривые так, чтобы у них было одинаковое количество точек. Значит, вам самим не придется об этом беспокоиться. Общее количество кривых для одной половины лица тоже не должно быть слишком большим (как правило, ограничиваются магическим числом 13). Помните, что если вам удастся свести к минимуму число точек и кривых, то в дальнейшем анимация лица существенно упростится. Кроме того, поверхности, состоящие из меньшего количества точек и кривых, получаются более гладкими.

Обычно бывает полезно создавать лофт непосредственно по мере рисования кривых (то есть постепенно вытягивать поверхность от одной кривой к другой). Тогда вы сразу будете получать общее представление о конечном результате и у вас появится надежда впоследствии избежать неприятных сюрпризов. Поэтому лучше начинать обводить кривые последовательно, от носа к уху. Если вы не ставите целью сделать только маску, то должны продолжать рисовать кривые от лицевой стороны объекта (по сфотографированным полоскам) через затылок до основания шеи (можно просто закруглить затылок). Тогда у вас будет моделироваться не только лицо, но и вся голова целиком.

Если у вашего пакета есть опция history, как у Maya или Rhinoceros, вы можете перемещать точки следующей кривой на каркасе до тех пор, пока не останетесь довольны видом поверхности.

После лофтинга должны быть видны ребра каркаса. Они должны быть гладкими и не иметь резких изломов. Так вы заметите области, которые в дальнейшем могут оказаться проблемными. Обычно это происходит там, где кривые резко поворачивают.

Процесс создания кривых и исправления поверхностей наиболее утомителен при моделировании головы, но дополнительное время, затраченное на этом этапе, избавит вас от чрезмерных усилий после финального скининга. Почаще пользуйтесь увеличением (Zoom), чтобы проконтролировать наиболее ответственные места.

NURBS-кривые

сли вы не обладаете достаточным опытом 3D-моделирования и не можете работать сразу в трехмерном пространстве, то рекомендуем воспользоваться некоторыми вспомогательными приемами. Сначала просто обведите полоски на фотографии NURBS-кривыми (в результате, работая на плоской фотографии, вы получите сплайновые кривые на плоскости). Затем дублируйте ваше рабочее окно (то есть вид вашего окна должен совпадать с соседним), поверните вид второго окна на 450 в обратную сторону (то есть новое окно - это фронтальная проекция будущего объекта) и выключите там перспективу. В таком ракурсе, следуя логике процесса проецирования, ваши кривые должны превратиться в вертикальные линии. Вот вы и должны добиться от них такого расположения, не меняя соответствия кривых линиям в первоначальном окне.

Редактирование кривых в новом окне можно произвести простой функцией типа Snap to Grid (или подобной ей в вашем пакете). Кроме того, таким образом можно выровнять кривые на определенном расстоянии друг от друга (поскольку они должны были проецироваться равномерно). После такого редактирования вы можете добиться трехмерного представления, даже не обладая достаточным опытом работы в пространстве.

Используйте и такой метод, хотя небольших искажений, особенно в области носа, губ и подбородка, при этом вам никак не избежать. Вам, вероятно, все равно придется редактировать некоторые кривые, уменьшая или увеличивая плотность контрольных точек, и осуществлять корректуру в трехмерном пространстве.

Дублирование и отражение кривых

еперь, когда вас устраивает расположение кривых и точек на них, выберите все, за исключением центральной кривой, и удвойте. Пока скопированные кривые остаются выбранными, отразите их так, чтобы они перешли на другую сторону лица. Начиная со средней кривой, опять выбирайте их, обходя против или по часовой стрелке. После этого создайте финальный лофт и закройте объект (например, функцией close или подобной). В пакете Rhino для генерации поверхности из кривых можно воспользоваться функцией Surface from Curve Network. Когда возникнет диалог Tolerance и Edge Matching, нажмите OK. В Rhino, кстати, можно просто объединить два набора кривых (для правой и левой стороны лица).

Итак, трехмерная модель лица (или головы в целом) готова и теперь можно приступать к ее тонкому редактированию, изготовлению глаз, рта, языка, ушей и прочих частей человеческого тела. Позже вы можете возвращаться к NURBS-кривым, чтобы совершенствовать поверхность вручную. Лишние изопараметрические кривые (isoparms - изопармы) можно удалять и вручную, используя функцию Remove Knot в Rhino или подобную ей. Если вы работаете с пакетом Maya, то для сглаживания каркаса можно применить Artisan. В этот момент вы можете разобраться со всеми проблемными точками, манипулируя исходными кривыми или работая непосредственно с поверхностью, а не с контрольными точками. Поскольку теперь вы работаете с обеими половинками лица, вам придется выбирать соответствующие точки с обеих сторон. Чаще всего вам будет достаточно инструмента move, однако иногда, когда две точки потребуется сблизить или разнести подальше, может понадобиться инструмент scale.

Текстурирование лица

аключительная стадия предполагает тонирование модели при помощи второй, нормальной фотографии (без вертикальных полосок), используя ее как карту текстуры и отображая ее на обе половины лица для получения единого целого. Это ваша будущая карта текстуры. Rhino (как и другие достаточно профессиональные пакеты) может накладывать на модель плоские текстуры (посредством UV-координат), но 3DS MAX или Maya делает это лучше. Применяя специальный инструментарий (UV-модификатор плоской карты), можно точно подобрать место, где фотография должна ложиться на модель. Однако точно подбирать, масштабировать и монтировать UV-карту на вашей 3D-модели вам все же придется вручную. Так же как и при построении модели, вы должны будете зеркально отобразить текстуру, полученную из фотографии, на другую половинку лица. Впрочем, текстура лица получится симметричная, а поскольку человеческие лица никогда не обладают точной симметрией, вам придется отредактировать вторую половину лица в каком-нибудь графическом редакторе, чтобы придать ему уникальность, живость и подлинность.

Альтернативы

етод, который мы обсудили, может привести к достойным результатам только в том случае, если вы обладаете достаточным опытом в области 3D-моделирования. Однако в любом случае он сохранит вам время и деньги, которые вы могли бы бессмысленно потратить на какой-нибудь дорогостоящий прибор для 3D-сканирования.

Однако давайте обсудим возможные альтернативы. Достаточно сложная 3D-модель стоит на Западе от 500 до 1000 долл., а довольно эффективные аппараты для 3D-сканирования - и того больше. Даже такие миниатюрные системы, как Roland LPX-250 или весьма примитивный фотосканер Minolta VI-700 (который практически ничем не отличается от нашей системы), стоят по нескольку тысяч долларов и при этом вовсе не гарантируют достойного результата. А цены профессиональных устройств начинаются уже с сотен тысяч долларов!

Так что единственной альтернативой нашему методу является моделирование вручную, без использования каких бы то ни было аппаратных средств. Однако обычные фотографии вам в этом случае все равно понадобятся, так почему бы не использовать еще и бабушкин диапроектор?

КомпьютерПресс 11"2002

Чтобы напечатать объемный предмет на 3D принтере, предварительно необходимо сделать его трехмерную модель – визуальный графический образ объекта. Раньше моделирование осуществлялось вручную с помощью специального ПО. Просчеты в чертежах неминуемо сказывались на конечном результате. Чтобы нивелировать человеческий фактор, ускорить и упростить процесс моделирования изобрели 3D сканер.

Трехмерное сканирование дает возможность получить сложнопрофильную объемную модель исследуемого объекта – 3D сканер оцифровывает предмет, что позволяет быстро сделать его математическую модель для последующей печати на принтере.

Прибор создает облако точек, соединенных линиями, которые формируют геометрию объекта из множества пересекающихся плоскостей. Полученные координаты обрабатываются и сохраняются в виде параметрической модели, – с ней можно работать в любой CAD-системе для снятия чертежей отдельных элементов объекта, его доработки, корректировки размеров и прочих параметров, нужных для программирования принтера.

Где используется 3D сканер

Сфера применения сканирующего оборудования неограниченна. Применение аддитивных технологий позволяет сократить расходы на производство, снизить количество отходов, уменьшить вес деталей, сделанных традиционным путем. 3D сканирование используется в следующих направлениях:

• авиастроение;
• кораблестроение;
• производство промышленного оборудования;
• автоиндустрия;
• военно-промышленный комплекс;
• музееведение и культурология (оцифровка изделий с целью сохранения исторического наследия);
• строительство и проектирование инженерных систем;
• медицина и протезирование;
• легкая промышленность.

Производители одежды и обуви уже объявили о том, что в примерочных кабинках вскоре появятся 3D сканеры. Такой подход позволит покупателям заказывать кастомизированные наряды и оригинальную обувь, а производителям – быстро и точно воспроизвести модели без использования лекал и очной ставки с клиентом. Ожидается, что люди смогут использовать свои отсканированные и оцифрованные силуэты для виртуальной примерки нарядов, без надобности в переодевании.

Методы 3D сканирования

Различают два метода объемного сканирования – контактный и бесконтактный.

Контактный 3D сканер работает «на ощупь». Прибором обводят предмет, при этом специальным щупом исследуют каждую грань. Раньше на исследуемый объект наносили точки-маркеры, формирующие систему координат. На участках с большим изгибом расстояние между точками делалось минимальным, на ровных плоскостях – максимальным. Сканер снимал координаты точек – из них формировал 3D модель. Современные приборы обходятся без нанесения физической сетки.

Контактное сканирование не зависит от условий освещения. Работе с устройством легко научиться. Но есть ряд недостатков: сканер не различает текстуры, а для обработки большого предмета придется изрядно попотеть с прибором в руках.

Бесконтактный метод трехмерного сканирования делится на два подвида: активный и пассивный. Приборы для активного 3D сканирования используют ультразвук, направленный источник света, лазер или рентгеновские лучи для облучения исследуемого объекта – прибор высчитывает время возврата «сигнала», формируя систему координат из точек соприкосновения с предметом и расстоянием до сканера. Оператор под разными углами сканирует объект, а ПО склеивает части воедино.

Преимущество 3D сканер активного типа:

• прост в использовании;
• процесс осуществляется без физического контакта с объектом;
• работает внутри и снаружи помещения;
• не зависит от освещения;
• доступная цена;
• ненужно наносить сетку и маркеры.

В то же время есть весомые упущения:

• сканер неспособен работать с зеркальными поверхностями и прозрачными предметами;
• для работы с маленькими изделиями нужна мощная оптика.

Пассивный 3D сканер – это всё та же цифровая видеокамера, которая снимает исследуемый предмет под разными углами, улавливая его силуэт. Работает только на высококонтрастном фоне и при хорошем освещении. Отснятый материал обрабатывается ПО и сводится в 3D модель для печати на принтере или обработке в CAD-системах.

На что обратить внимание при выборе сканера

Устройство, которое одинаково хорошо справляется со сканированием в инженерных и развлекательных целях, при этом делает высокоточные модели, может стоить десятки тысяч долларов. При покупке 3D сканера следует обратить внимание на следующие параметры:

• зона сканирования;
• продолжительность сканирования рабочей зоны;
• точность;
• разрешение.

Мы уже познакомились сами и познакомили читателей, а теперь еще и стали обладателями 3D-сканера Artec Eva (пусть и на время). Вторая выпускаемая в настоящее время модель Spider основана на тех же принципах, но имеет ряд конструктивных отличий для достижения большей точности.

Но прежде чем приступить к подробному описанию, сделаем небольшой экскурс в технологии 3D-сканирования.

Немного общей информации

Чтобы получить математическую модель объекта, то есть его трехмерный образ в электронном виде, нам нужно тем или иным способом «ощупать» объект и передать результат в компьютерную программу обработки.

Контактные сканеры

Ощупывать можно в буквальном смысле - механическим щупом, который имеется в контактных сканерах. Щуп, снабженный датчиком касания, перемещается и измеряет высоту или глубину объекта в каждой точке координатной сетки, задаваемой из управляющей программы. Механизм каретки и обслуживающая программа могут допускать и угловые перемещения/вычисления, чтобы учитывать впадины или отверстия в объекте.

Понятно, что модель тем точнее будет соответствовать исходному объекту, чем меньше шаг сетки, но пропорционально будет увеличиваться и время сканирования, которое для больших и достаточно сложных объектов может исчисляться многими часами и даже несколькими сутками.

До некоторой степени ускорить процесс можно программно, если автоматически определять сложность рельефа и соответственно изменять шаг сетки: для сложных участков уменьшать, повышая точность, для простых увеличивать, сокращая время. Но завершить сканирование за несколько минут вместо нескольких часов или суток всё равно не получится.

Однако для достижения цели в ряде случаев можно и подождать, но есть и более существенные ограничения, связанные с особенностями конструкции. Понятно, что щуп должен перемещаться по трем осям с помощью какого-то привода, и если минимальный шаг этого привода, определяющий точность, по любой из осей можно сделать достаточно малым (десятки микрометров), то предельное перемещение очень уж большим быть не может, прежде всего потому, что тогда и сам сканер будет иметь те же габариты. Два метра хотя бы по двум осям реализовать еще можно, и такие примеры есть; 2,5–3 метра по каждой оси - уже сложнее, в том числе потому, что куб со стороной в три метра получится разместить далеко не в каждом помещении. Поэтому такие устройства чаще всего используют для сканирования объектов, имеющих значительные размеры по двум осям и гораздо меньшие по третьей, типа барельефов.

Помимо размеров, ограниченная применимость подобных сканеров связана с наличием механического контакта: сканируемый объект должен быть достаточно твердым, прочным и, конечно, оставаться неподвижным не только в течение длительного времени, но и при касании щупа, то есть небольшие легкие предметы придется как-то фиксировать, а это не всегда возможно. К тому же объект придется помещать в рабочий объем сканера - сложно представить конструкцию, способную водить щупом по тому же барельефу, расположенному высоко на стене здания.

Наконец, речь может идти только об оцифровке геометрии, никаких цветовых текстур контактный сканер зафиксировать, конечно же, не сможет.

Однако в данной технологии есть и положительная сторона: в контактный сканер довольно легко может быть превращен гравировальный или гравировально-фрезерный станок, и цена комбайна «станок+сканер» будет ненамного выше, чем у самого станка. Правда, заметную прибавку к стоимости может дать наличие продвинутого программного обеспечения для работы с 3D-моделями, но это вполне привычная ситуация.

Бесконтактные сканеры

Гораздо более универсальными и, конечно, более компактными являются бесконтактные сканеры, которые вместо механического соприкосновения воспринимают отражения какого-либо рода излучений от объекта. Причем они вполне могут воспроизводить не только форму, но и цвет поверхности.

Поскольку сканируемые объекты обычно находятся в местах, где есть освещение - естественное или искуственное, то вполне логично использовать отражение имеющегося света в видимом диапазоне спектра. На этом основаны пассивные 3D-сканеры, которые, по существу, являются специализированной версией привычной видеокамеры. Однако освещенности, вполне приемлемой для съемки видеосюжета, может оказаться недостаточно для точной передачи деталей при сканировании, к тому же объект обычно бывает освещен неравномерно. Конечно, можно использовать специальные осветители типа тех, что применяются в фотостудиях, но это недешево, а главное - теряются и компактность, и мобильность.

Поэтому большинство бесконтактных сканеров имеют собственный источник излучения, даже рассмотренный нами в предыдущем обзоре дешевый сенсор Kinect оснащен собственным инфракрасным излучателем.

Помимо инфракрасного, могут применяться и другие источники излучения, вплоть до ультразвуковых: давным-давно известный эхолот, применяемый для исследований рельефа дна водоемов, тоже в своем роде 3D-сканер. Но, понятно, разрешающая способность будет зависеть от:

• скорости распространения излучаемых волн, которая определит максимальное количество отсчетов в единицу времени;
• длины волны: различить детали объекта, размеры которых сопоставимы с длиной волны, попросту не получится.

У ультразвуковых колебаний эти параметры достаточны для определения рельефа дна озера или реки, где не требуется различать миллиметры и сантиметры. Но для сканирования предметов или даже небольших по размеру участков земной поверхности потребуется и длина волны поменьше (длина ультразвуковых колебаний с частотой 40 кГц в воздухе равна 8 мм), да и распространяться излучение должно быстрее - вспомним, что в воздухе скорость звука почти в пять раз меньше, чем в воде, и составляет примерно 330 м/с, то есть при расстоянии до объекта в десятки сантиметров и метры мы сможем делать в секунду лишь несколько сотен замеров, получив сведения всего о нескольких сотнях точек.

Поэтому часто используют лазерные излучатели. Скорость света огромна, и в единицу времени можно делать многие десятки и даже сотни тысяч замеров, а длина волны полупроводникового лазера обычно не превышает микрометра.

Здесь возможны две методики; одна аналогична эхолокации - расстояние вычисляется по времени прохождения лазерного луча до точки и обратно. Такими сканерами можно пользоваться с очень большого расстояния, однако их разрешение ограничено точностью подсчета временного интервала: для прохождения расстояния в миллиметр лучу потребуется чуть более трех пикосекунд (3·10 −12 с). Делать точные замеры величин такого порядка очень сложно, а значит - очень дорого, поэтому приходится жертвовать разрешающей способностью, что определяет область применения устройств, основанных на этом принципе: сканирование больших объектов вроде зданий, для которых несколько лишних миллиметров особой роли не играют.

Гораздо более высокую точность можно обеспечить, применяя метод триангуляции - этот термин наверняка слышали обладатели GPS-навигаторов. Применительно к сканерам это означает следующее: излучатель и камера на корпусе разнесены, и луч посылается под определенным углом относительно камеры. Таким образом, получается треугольник, основание которого образуют излучатель и камера, а вершиной является точка на поверхности объекта. По смещению формируемого объективом на сенсоре камеры отражения от этой точки можно вычислить угол между падающим и отраженным лучами; зная угол и длину основания, можно очень точно вычислить расстояние до точки объекта. Правда, такая методика хорошо работает лишь на относительно небольших расстояниях, гораздо меньших, чем при замерах по времени прохождения луча.

Для ускорения процесса очень часто вместо точки пользуются полосой, но есть и еще один метод - использование структурированной подсветки, когда источник излучения наносит на объект не точку и не полосу, а сетку. Камера, расположенная немного в стороне от такого проектора, воспринимает отражение этой сетки и по обнаруженным искажениям вычисляет расстояние до каждой точки в поле зрения. За счет этого достигается и высокая скорость (можно анализировать всё поле зрения сразу), и лучшая точность. Именно такой способ используется в сканерах Artec.

Проще всего использовать излучатели света видимого диапазона - лазерные или светодиодные. Однако использовать их и для съемки фотореалистичных цветовых текстур не получится, поэтому при наличии в сканере текстурной камеры она либо, как в Kinect, использует имеющийся в помещении свет (но его может быть недостаточно, да к тому же чаще всего потребуется последующая коррекция цвета), либо имеет собственный источник освещения, не связанный с используемым для определения геометрии объекта.

Параметры сканеров Artec

Заявленные производителем характеристики 3D-сканеров Artec мы приводим в таблице.

	Artec Eva	Artec Spider
Рабочее расстояние, м	0,4 – 1,0	0,17 – 0,3
Линейное поле зрения (В×Ш, мм):
на ближнем расстоянии	214 × 148	90 × 70
на дальнем расстоянии	536 × 371	180 × 140
Угловое поле зрения (В×Ш, градусов)	30 × 21
Частота съемки, кадров/с	до 16	до 7,5
Время экспонирования, с	0,0002	0,0005
Скорость сбора данных, точек/с	до 2000000	до 1000000
Разрешение в 3D, мм	до 0,5	до 0,1
Точность, мм	до 0,1	до 0,05
Источник света	лампа-вспышка (не лазер)	синий диод (не лазер)
Возможность съёмки текстуры	да
Разрешение текстурной камеры	1,3 Мп
Цвет	24 бит на пиксель
Габариты (В×Г×Ш), мм:	262 × 158 × 64	190 × 140 × 130
Вес (нетто), кг	0,85	0,85
Ссылка на описание
Розничная цена, обозначенная на сайте производителя	€13 700	€15 700
- без учета подключенных кабелей и разъемов

Отметим, что есть еще модель Eva Lite, отличающаяся от Eva отсутствием текстурной камеры; ее цена почти на 30% ниже - €9700, но база одна, и владелец Eva Lite, подкопив денег, сможет сделать апгрейд до Eva. Правда, сэкономить не получится: апгрейд обойдется ровно в разницу между ценами на Eva и Eva Lite.

Для некоторых параметров потребуются комментарии.

Разрешение в 3D - минимальный размер объекта, который сканер способен различить, либо минимальное расстояние между двумя элементами объекта, на котором они распознаются по отдельности.

Точность: погрешность, выявленная при сканировании эталонного образца, размер которого известен с точностью плюс-минус 20 микрометров (в соответствии со стандартом VDI2634). Процедура производится для каждого экземпляра сканера, и в комплекте присутствует сертификат, в котором указаны результаты измерений. А в таблице приведено максимальное значение для данного типа сканеров.

Потребление - естественно, приведенная величина является максимальной потребляемой мощностью в режиме, когда задействованы все механизмы сканера, включая подсветку текстурной камеры. Среднее потребление при реальной эксплуатации, конечно же, будет заметно меньше. При питании от сети переменного тока через штатный адаптер это не имеет существенного значения, а вот при работе «в поле», когда сканер питается от какой-либо батареи, продолжительность автономной работы является очень важным фактором.

Внешний вид, рабочие органы

Сканеры по форме похожи на небольшой утюжок: подошва, удобная для захвата рукоятка с кнопками и выходящими кабелями (их два: интерфейсный и питания), основание для установки на стол или иную плоскость в нерабочем состоянии.

Утюжок этот пластиковый и очень легкий: вес аппарата всего 0,85 кг (без учета кабелей), поэтому манипулировать с ним сможет даже женская рука.

На подошве размещаются камеры и органы подсветки.

В центре расположена цветная текстурная камера, окруженная двенадцатью белыми светодиодами подсветки. В нижней части находится 3D-камера, в верхней - вспышка (или проектор) структурированной подсветки для записи геометрии, также с белым излучением.

У Spider текстурная камера тоже центральная, только светодиодов поменьше - шесть (очевидно, это связано с уменьшенным диапазоном рабочих расстояний). Зато 3D-камер целых три, причем с повышенной разрешающей способностью, за счет чего достигается большее разрешение сканирования. Вспышка (проектор) структурированной подсветки одна, в ней используется диод синего свечения.

В верхней части сканера Eva находится вентиляционная решетка, через которую виден небольшой вентилятор, закачивающий воздух внутрь корпуса. Он начинает вращаться сразу после включения питания, но его скорость зависит от температуры внутри корпуса, то есть от режима работы. При сканировании шум становится довольно заметным: мы сделали замер на расстоянии 0,5 метра, имитируя расстояние до головы оператора, который держит сканер в руке, и наш шумомер показал 51,5–51,7 дБА. В офисном помещении, где активно трудятся несколько человек, такой шум будет не очень заметным даже для оператора. В более тихой комнате ситуация иная, особенно если учесть, что при сканировании к звукам от вентилятора добавляется постоянное пощелкивание, сопровождающее включение-выключение подсветки с частотой кадров съемки; однако и тут громкость не назовешь раздражающей, разве что не очень комфортной.

С вентилятором связаны два момента. Во-первых, не надо выключать питание сканера сразу по окончании сканирования - его «потроха» еще достаточно нагреты; следует дождаться момента, когда обороты вентилятора понизятся до минимума. Второе: конечно же, вместе с потоком воздуха, создаваемым вентилятором, внутрь сканера неизбежно будет попадать пыль, поэтому надо избегать использования Eva в местах с повышенной запыленностью.

У Spider решетка вверху тоже есть, но без вентилятора. Видимо, значительно меньшее количество светодиодов подсветки наряду с уменьшенной предельной частотой кадров при съемке не создают столь значительного нагрева внутри корпуса, как у Eva.

Управление обеими моделями осуществляется трехпозиционными кнопками-качалками, отличающимися по форме, но не по функциональности. Они не только переводят сканер в тот или иной режим, но и управляют программой Artec Studio: однократное нажатие на «Play/Pause» откроет панель «Съемка» программы и запустит режим предпросмотра, последующие нажатия переключают и сканер, и программу из режима «Запись» в «Предпросмотр» и обратно. Нажатие на «Stop» в процессе съемки прекратит процесс, а двукратное еще и закроет панель «Съемка» в программе.

Надо сказать, что таких кнопок нам как раз и не хватало, когда при написании предыдущего обзора мы работали с сенсором Kinect. Но и сканерам Artec не помешала бы еще одна кнопка - выключения питания, особенно Eva с ее постоянно работающим вентилятором. Это позволило бы продлить время автономной работы при питании от опциональной батареи (о ней скажем ниже), а у Eva действие такой кнопки несложно было бы сделать зависимым от температуры и выключать питание только после перехода вентилятора на пониженные обороты.

Имеется и светодиодный индикатор, цветом и способом свечения (постоянный/мигающий) свидетельствующий о текущем режиме. Перечислять подробно не будем - возможные состояния индикатора описаны в руководстве пользователя Artec Studio.

На основании сканера есть отверстие с резьбой, позволяющее закреплять устройство на стандартных фотоштативах.

У Eva там же имеются довольно неожиданные для 3D-сканера разъемы RJ-12 6P6C, помеченные как In и Out. Они предназначены для синхронизации нескольких сканеров при их совместной работе с использованием 4-жильного кабеля. Способ подключения также описан в руководстве.

Комплектация, опции

Теперь о комплектации, которая может несколько отличаться в различных регионах - сначала краткое перечисление, потом подробности.

Сканеры всегда комплектуются двумя интерфейсными кабелями (один запасной) и выносным блоком питания, розетка которого соответствует типу, принятому в регионе поставки.

В комплект модели Spider входит калибровочный набор.

Сканеры поставляются в коробке из качественного картона с хорошим полиграфическим оформлением, оснащенной ручкой для переноски. Правда, нам достался тестовый образец без упаковки, поэтому фотографии мы привести не можем и судим по материалам, которые есть в интернете. В России сканеры комплектуются сумками наподобие тех, что используются для фотоаппаратуры, но клиент, желающий сэкономить, может отказаться от такой сумки. В остальных странах сканеры Spider поставляются в жестких чемоданчиках-кейсах, Eva - в коробках.

Форма блока питания вполне привычна по бесчисленным моделям ноутбуков и нетбуков, он обеспечивает выходное напряжение 12 В при токе до 5 А.

Кабель для подключения к розетке 220 В имеет длину 1,1 м; выходной кабель длиннее - 1,95 м , он подключается к сканеру разъемом, для надежности снабженным накидной гайкой. Возле этого разъема имеется ферритовое кольцо для подавления ВЧ-помех.

Штатный интерфейсный кабель USB 2.0 длиной 2,9 метра также оснащен ферритовыми кольцами, но уже на каждом из концов. К сканеру он подключается коннектором Mini-USB, имеющим Г-образную форму.

Порт для него находится в углублении - это не только позволило вписать коннектор в габариты сканера, но и исключить выпадение от случайного рывка (если, конечно, рывок не будет чрезмерно сильным).

Дополнительно можно приобрести аккумуляторную батарею на 16000 мА·ч (точнее, 59,2 Вт·ч). Конечно, это не собственная разработка Artec: читатели нашего раздела Электропитание с такими моделями уже знакомы, однако для Artec батарея оснащается удобным чехлом с креплением на поясном ремне, но главное - соединительным кабелем с довольно специфическим разъемом. К сожалению, цена на такую батарею очень высока, но это обычная ситуация для любых опций, предлагаемых производителем какого-либо устройства.

Для транспортировки сканера Eva, поставлявшегося в обычной картонной упаковке, можно приобрести либо жесткий кейс, либо мягкую сумку. Цены на них тоже не самые гуманные, особенно на кейс. Сумка нам досталась, хоть и несколько иная, чем показано на сайте производителя, и мы можем сказать, что она вполне удобна: есть несколько внутренних и внешних карманов, наплечный ремень и возможность крепления на поясе. В такой сумке поместится и сам сканер с кабелями, и сетевой адаптер, и останется место для опционального аккумулятора.

Более-менее адекватна цена на дополнительный USB-кабель (на случай, если двух комплектных окажется мало) - конечно, если не сравнивать с копеечными кабелями USB, работать с которыми могут лишь самые медленные устройства.

Вполне возможны ситуации, когда длины штатного USB-кабеля может не хватать, и приходит мысль об использовании удлинителей. Попробовать можно, но отсутствие проблем не гарантировано. Главное: удлинитель не должен быть дешевеньким, каких полно в продаже; используемый в нем кабель должен быть не хуже, чем в «родном» кабеле - Shielded High Speed USB 2.0, сечение 28AWG/1P+24AWG/2C. Здесь первое обозначение 28AWG/1P определяет провода в витой паре линии Data - чем значение меньше, тем больше сечение и тем больше может быть длина при отсутствии проблем; второе обозначение 24AWG/2C определяет провода в линии Power, а потому для сканера, питающегося от собственного БП, не так критично. Конечно, этот удлинитель не должен быть очень уж длинным, очень желательно и наличие на его концах ферритовых колец.

Распаковав сканер, подключаем к нему кабели - интерфейсный, правильно уложив его в выемке, и питания (его закрепляем накидной гайкой). Блок питания подключаем к розетке 220 В , а USB-коннектор к порту USB 2.0 компьютера. Ждем, пока система не сообщит об окончании установки драйверов (они входят в состав дистрибутива Artec Studio), после чего в диспетчере устройств должны появиться Artec 3D Camera и Artec Color Camera.

Но после этого сканер еще не готов к работе, сначала его надо активировать (для нас, получивших сканер на время, термин меняется на «арендовать»). Для этого запускаем Artec Installation Center (AIC), который также устанавливается вместе с Artec Studio; в его окне «Сканеры» появляется строчка с названием «Artec Scanner EV» (для Eva), после которого идет серийный номер - его можно сравнить с имеющимся на основании сканера (в тестовом экземпляре он написан от руки, на товарных образцах напечатан).

Убеждаемся, что компьютер подключен к интернету, и нажимаем имеющуюся в конце строчки кнопку «Активировать (у нас Арендовать )». Через несколько секунд кнопка заменяется надписью «Активирован (Арендован )»:

В отличие от самой программы, активация сканера означает его привязку не к конкретному компьютеру, а только к аккаунту на my.artec3d.com . Если надо использовать сканер на другом компьютере (где, конечно, должна быть установлена Artec Studio), то это вполне можно будет сделать, достаточно лишь запустить на нем AIC.

Всё, можно приступать к работе - сканер должен появиться в программе Artec Studio. Если сканировать предполагается на компьютере, который по соображениям безопасности не подключен к сети интернет, то возможна и offline-активация, о которой мы говорили в предыдущем обзоре.

Напомним: в «Настройки – Съемка» для всех сканеров, кроме Spider, отображается не название модели, а тип в соответствии с зоной охвата; так, для Eva мы увидим «Сканер типа M».

И это не просто строчка, свидетельствующая о наличии определенного сканера: одновременно выбираются и оптимальные для него алгоритмы обработки, устанавливаются предельные значения некоторых диапазонов регулировки, а также появляется или, наоборот, исчезает возможность задания тех или иных параметров. Например, для Eva, в отличие от Kinect, в настройках параметров съемки появляется возможность задавать яркость текстуры, регулировать чувствительность и отключать вспышку, а частоту кадров (или скорость сканирования) уже нельзя установить выше 15 кадров в секунду.

Коррекция и калибровка

Если сканер в процессе транспортировки подвергался толчкам и тряске, работу можно начать с проверки: достаточно под прямым углом направить сканер на светлую ровную однотонную поверхность (стену, пол, столешницу) с расстояния, находящегося внутри рабочего диапазона, причем не в ближней или дальней зоне - для Eva это 60–80 см, и в режиме предпросмотра Artec Studio оценить геометрию наблюдаемого в окне 3D-вида прямоугольника. Конечно, идеальным он вряд ли получится, но если его форма будет примерно такой, как на правом скриншоте, то всё в порядке, а наличие искажений, имеющихся на левом скриншоте, говорит о необходимости коррекции.

Коррекция производится с помощью устанавливаемой вместе с Artec Studio утилиты Diagnostic Tool. Ее использование подробно описано в руководстве, поэтому останавливаться на этом мы не будем, и лишь скажем, что для Eva процедура достаточно проста.

Единственное замечание - почему-то интерфейс утилиты русифицирован не полностью; надеемся, что это явление временное, и в последующих версиях все сообщения в ней будут на русском языке.

Если же с помощью утилиты достичь приемлемого результата не получается, придется обратиться в сервисный центр.

Сканирование

Несколько общих замечаний

Несмотря на небольшой вес сканера, долго держать его в высоко поднятой или горизонтально вытянутой руке не так уж комфортно, для примера попробуйте сами подержать в таком положении литровый пакет с молоком. Поэтому лучше выбирать расположение объекта так, чтобы он по высоте находился примерно на уровне живота или груди оператора, а по горизонтали отстоял от него на расстояние в пределах указанного в таблице плюс длина полусогнутой руки. Собственно, оператор и сам быстро поймет всё это на личном опыте.

При съемке следует избегать быстрых движений, даже если это всего лишь поворот сканера на 90 градусов вокруг горизонтальной оси: сразу же последует звуковой сигнал и оповещение о том, что отслеживание траектории прервано.

Чтобы этого избежать, надо научиться вовремя нажимать кнопку «Play/Pause». Есть и полезный режим «Продолжить сканирование с отмеченных сканов»: если выбрать в рабочей области какие-то из сканов, сделанных в предыдущих сессиях, то программа будет совмещать с ними новые сканы того же объекта.

Долго производить запись не получится: сканер нагревается и переходит в режим паузы. Оптимальное соотношение при работе - 3 минуты записи, потом 7 минут перерыв; при более коротких перерывах и этапы записи придется делать короче.

Порой происходит не пауза, а скорее зависание, причем в панели «Съемка» даже может появиться надпись «Камера не подключена». Здесь чаще виноват не перегрев, а порт USB: проверьте, не подключено ли к этому же контроллеру USB еще какое-то устройство, попробуйте подключить сканер к порту, расположенному на панели портов ввода-вывода системной платы, а не на передней панели корпуса (причем USB 2.0, а не 3.0), и, конечно, уберите USB-удлинитель, если он используется. Если подобное всё же повторяется, то вернуть сканер в рабочее состояние получается только отключением и последующим включением его питания с перезагрузкой программы.

Аккумулятор, подвешенный на поясном ремне или находящийся в сумке на плече, мы бы отнесли к разряду must have даже при работе в помещении: конечно, сканер и без того «привязан» к компьютеру USB-кабелем, но еще один кабель, идущий через блок питания к ближайшей розетке, лишь добавляет неудобств при работе. Каждый из кабелей при перемещениях так и норовит за что-то зацепиться, поэтому лучше, чтобы хоть один из них не болтался по полу, а был закреплен на операторе.

Если же речь идет о работе «в поле», когда сканирование осуществляется не на настольный компьютер, а на ноутбук, то аккумуляторная батарея и вовсе становится насущной необходимостью. Судя по нашим собственным исследованиям подобных батарей, время автономной работы сканера будет исчисляться несколькими часами, особенно если учесть, что непрерывно сканировать всё равно не получится (не только из-за опасности перегрева, но и потому, что надо периодически контролировать отсканированное), а в режиме ожидания сканер потребляет гораздо меньше энергии, чем указано в таблице характеристик.

Это подтверждается и практикой использования - не нашей собственной, весьма скромной, а людей, работавших со сканером в экспедициях. Отзывы есть на сайте производителя, мы лишь выделим в них два момента. Первый вполне оптимистичный: так, за два дня активного использования сканера заряд батареи не был использован полностью. Второй подтверждает наш вывод о желательности кнопки выключения питания: в перерывах между сканированиями приходилось отключать кабель от батареи, что давало заметную экономию заряда.

Немного о перегреве: в отзыве из экспедиции упоминается, что даже при температуре окружающего воздуха +35 °C сканер мог непрерывно работать и 400 секунд. Правда, не уточняется: снималась ли только геометрия или геометрия+текстура.

Мы попробовали: при температуре в помещении +24 °C сканер, не отключившись, проработал 10 минут в режиме съемки геометрии и текстуры при частоте кадров, отображаемой в панели «Съемка», в 10–12 fps. Перегрева при этом не произошло, процесс был остановлен нами. Правда, до этого в течение минимум получаса сканирований не производилось, т.е. сканер имел комнатную температуру. Самой нагретой частью оказалась рукоятка - она стала ощутимо теплой, а после остановки процесса вентилятор перешел на минимальные обороты менее чем за полминуты.

После пятиминутного перерыва сканер отработал еще 3,5 минуты в том же режиме, после чего остановился из-за перегрева. Для возврата в рабочее состояние ему потребовалось всего 2-3 минуты.

Таким образом, сканер вполне способен проработать значительно дольше рекомендованных трех минут, но подтверждается правило: чем дольше цикл сканирования, тем длиннее должна быть последующая пауза.

Начинаем сканировать

Работа велась нами на компьютере в следующей конфигурации: процессор i5-4570S (2,9 ГГц), ОЗУ 16 ГБ, видеокарта NVidia GeForce GTX 970 (4 ГБ), в качестве накопителя использовался SSD. В дальнейшем мы будем приводить время выполнения операций при разных настройках, чтобы читатель, сопоставляя параметры своего компьютера с нашим, мог примерно представить собственные затраты времени при обработке данных.

Мы долго выбирали образцы для сканирования: оказывается, для начинающих «операторов трехмерного сканирования» это не такой уж тривиальный вопрос.

Уже говорилось, что без специальной обработки не получится работать с объектами прозрачными или имеющими бликующие области. Добавим к этому еще немного:

• поскольку для фиксации геометрии используется излучение видимого спектра, неотсканированными могут оказаться участки объекта черного цвета: он, как известно, плохо отражает свет, и на месте таких участков могут получиться дыры;
• очень сложно работать с объектами, имеющими отверстия, глубокие ниши или впадины, особенно если они неровной формы: у нас ничего хорошего не получилось с декорацией для аквариума в форме развалин замка над гротом;
• при сканировании человеческого лица проблемы порой возникают в самых неожиданных местах: например, могут не передаваться какие-то части волосяного покрова - прически, бороды, и для их правильной передачи приходится повозиться с настройками; яркая подсветка от штатных средств камеры просто-напросто заставляет закрывать глаза, отключение текстурной вспышки немного облегчает ситуацию, но и проектор структурированной подсветки яркий настолько, что даже краем глаза смотреть на него трудно, а цвета при этом будут фиксироваться гораздо хуже, поэтому приходится сканировать лица быстро и просить человека смотреть выше камеры;
• предметы, форма которых близка к плоской (например, ЖК-мониторы, даже если они не черные и не с глянцевым экраном), без принятия особых мер отсканировать тоже не получится: для совмещения кадров алгоритмы программы должны работать с областями, имеющими заметное взаимное пересечение, а при переходе через боковое ребро монитора размер такого пересечения будет слишком мал, и придется использовать какие-то внешние метки, не имеющие отношения к самому объекту, но обеспечивающие возможности для последующего совмещения;
• рабочее расстояние - это не просто цифры: то, что находится вне ближней и дальней границ, попросту не воспринимается и не отображается в поле 3D-вида, поэтому приходится следить за тем, чтобы какие-то части объекта при перемещениях не вышли за эти границы; конечно, это не означает, что нельзя сканировать очень большие объекты, просто надо научиться правильно перемещать сканер вдоль них.

Поэтому мы не стали сразу рваться на штурм вершин профессионализма, примеров которых достаточно на сайте производителя, а остановились на предмете относительно небольшом, но не крошечном, и совсем простом по форме - деревянной коробке с выступающими поперечинами, объем которой составлял примерно 2 литра.

Поначалу намаялись с движением сканера относительно объекта: провода мешают и порой путаются, чуть быстрее двинул рукой со сканером - зазвенел звонок и появилось предупреждение о срыве отслеживания траектории.

Конечно, всё это вопрос опыта, но во избежание лишних трудностей мы попросту установили сканер на фотоштатив, воспользовавшись для крепления имеющимся в основании отверстием с резьбой, а объект поместили на имевшуюся у нас вращающуюся подставку и, медленно вращая ее, проводили сканирование. Дело сразу пошло на лад.

Надо сказать, что навык сканирования без штатива вырабатывается достаточно быстро, просто надо уделить некоторое время для тренировки.

Итак, мы получили ряд сканов, дождались их регистрации при выходе из режима съемки и приступили к дальнейшей обработке.

Попутно отметим, что в панели «Съемка», уже знакомой нам по предыдущему обзору, где использовался сенсор Kinect, при подключении Eva появились изменения, связанные с особенностями этого сканера. Мы уже сказали об этом выше, а сейчас уточним.

Слева - для Eva, справа - для Kinect

Методов позиционирования уже три - стало возможным отслеживать только геометрию, без текстуры. Изменился диапазон скоростей сканирования: предельное значение снизилось до 15 кадров в секунду вместо 30. Поменялась дальняя граница рабочей зоны - метр вместо полутора. Появились регулировки яркости текстуры (понятно без пояснений) и чувствительности (повышение в сторону «Экстремальная» означает запись большего количества информации, что позволит лучше передавать плохо воспринимаемые поверхности, в том числе черные и блестящие, но может привести к появлению шума - огрехов на скане). Наконец, появляется возможность выключения текстурной вспышки: этот режим, в частности, позволит наблюдать сетку структурированной подсветки, если, например, направить сканер на лист белой бумаги.

Выключение вспышки вовсе не отменяет съемку текстуры, просто начинает использоваться имеющееся освещение. Чтобы можно было как-то учитывать уровень освещенности в таком режиме, появляется регулятор времени экспозиции.

Если же выключить съемку текстуры, поставив галочку в соответствующей строчке настроек, то останется единственный метод позиционирования - «Геометрия».

Кстати: установленная задержка записи работает только при управлении из панели «Съемка», а при нажатии соответствующей кнопки сканера запись начинается немедленно.

Заключительный этап - просмотр полученных результатов на предмет отсутствия неотсканированных участков или областей, где наблюдается повышенный шум, то есть большое количество огрехов (минимальный шум будет в центре поля зрения сканера, поэтому объект надо располагать соответственно). Если такое обнаружится, придется сделать дополнительные сканы.

Обнаружить проблемные сканы поможет информация в рабочей области: в графе «Качество» показана оценка ошибок регистрации, чем значение ниже, тем лучше. Если в скане содержится что-то совсем уж «выдающееся», числовая оценка может смениться словом «Внимание».

Еще один вариант оценки - с использованием параметра «Цвет» в меню «Вид»: одно из его возможных значений как раз и называется «Качество», при нем цвет поверхностей выбирается в зависимости от качества регистрации, красный будет сигнализировать об ошибке.

Надо лишь учитывать, что в окне 3D-вида отображается несколько упрощенное изображение, а все данные можно увидеть лишь в режиме редактирования. Поэтому не удивляйтесь, если, открыв режим редактирования, вы увидите много «нового и интересного».

Обработка результатов

Естественно, полученное надо защитить от случайностей, сохранив в виде проекта. Мы не особо ограничивали себя при сканировании, поэтому для коробки получили 3 скана суммарным объемом 1,7 гигабайт, в которых было записано почти 2,4 тысячи поверхностей. Но, конечно, подобное не проходит даром: одно только сохранение такого массива данных, да вместе с историей команд, даже при использовании в качестве накопителя SSD занимает немало времени, и перейти к каким-то другим действиям до окончания записи на диск не получится.

Об истории команд: если сканы прошли какую-то обработку, то этап сохранения истории самый длительный, поскольку сохраняется не просто перечень произведенных операций, но и предыдущие состояния данных для отката, что может быть полезным. Длину истории (в количестве команд) и максимальный объем (в мегабайтах), а также уровень сжатия данных при сохранении можно задавать в «Настройки - Ресурсы»:

Посмотреть, что делалось, можно в меню рабочей области, нажав на треугольник возле кнопки отката (Undo). Правда, информации отображается маловато: название операции отражено, а вот над каким объектом она проводилась (в данном случае над каким сканом), остается непонятным.

Регистрация

Необработанные сканы могут представлять собой душераздирающее зрелище - набор поверхностей, хаотически накладывающихся друг на друга:

Для упорядочения кадров нужно провести последовательную регистрацию - грубая проводится автоматически при закрытии панели «Съемка», а точная запускается вручную из панели «Команды». После этого скан выглядит гораздо веселее:

Иногда ни грубая, ни точная последовательные регистрации не дают желаемого результата: все равно остаются несовмещенные поверхности. Тогда можно немного «перетасовать» кадры в данном скане - например, вынести ряд кадров в отдельный скан и работать с ним. Есть и другой вариант, который мы упомянем ниже.

Отменить обе регистрации тоже можно, причем в любое время, а не только кнопкой отмены (Undo): надо кликнуть правой кнопкой мыши в строчке с названием скана («Рабочая область») и в появившемся меню выбрать «Сброс положения». При этом отменятся результаты и грубой, и точной последовательных регистраций сразу.

При желании можно воспользоваться средствами редактирования для удаления «лишних деталей» - посторонних предметов, попавших в поле зрения сканера, включая подставку и руки оператора. Имеющийся в Artec Studio инструментарий делает эту операцию вполне удобной. Вот только порой лишнее бывает кажущимся: внешние элементы могут помочь совмещению, как, например, было сказано выше про сканирование тонких предметов.

Мы не стали тратить много времени на подбор наилучших сканов и кадров, на всякие редактирования и так далее: нам желательно выяснить, на что способна сама программа, если ей подсунуть не очень качественные исходные данные, да еще и в большом количестве.

Сборка

Когда сканы подготовлены, переходим к их сборке для объединения в единую модель.

Для этого выделяем в рабочей области символами глаза сканы, участвующие в сборке, и переходим в панель «Сборка», где эти сканы будут представлены списком. Один из них, по умолчанию первый в списке, считается зарегистрированным (совмещенным), относительно него и будет производиться совмещение остальных.

Он помечается синим кружком, обозначающим множество зарегистрированных (совмещенных) сканов, которое пока состоит из одного скана. Конечно, в качестве такого базового можно назначить и другой скан.

Затем выбираем в списке скан или сканы, которые будем совмещать с базовым; они помечаются зеленым кружком, обозначающим незарегистрированное множество. Соответственно сами сканы тоже могут отображаться таким же цветом, достаточно лишь выбрать в настроке «Цвет» любой вариант, кроме «Текстура», но в случае с нашей коробкой для правильной ориентации нужна была именно текстура. Отобразить только зарегистрированное множество поможет цифровая кнопка «1» клавиатуры, только незарегистрированное - «2», оба множества - «3».

Мы совмещали сканы попарно.

Сначала, зажав клавишу Shift, уже знакомыми движениями мыши перемещаем незарегистрированные сканы относительно зарегистрированного. Если при этом удается нормально совместить их, то можно просто нажать кнопку «Применить», но чаще приходится использовать совмещение по точкам для пары сканов. Для этого надо второй скан сориентировать относительно первого так, чтобы они «смотрели» примерно в одну сторону, а потом задать пары одинаковых точек на их поверхностях. Стремиться к очень уж высокой точности при выборе точек в каждой паре не обязательно, достаточно указать их приблизительно.

Нажимаем «Собрать по точкам» - сканы совмещены, множество зарегистрированных сканов теперь удвоилось. Проделываем то же с остальными сканами и нажимаем «Применить».

Это не единственные варианты сборки, в Artec Studio их гораздо больше, но подробно останавливаться на других мы не будем - в инструкции они описаны вполне доступно. Однако надо отметить: алгоритм сборки «Совмещение с ограничениями» позволяет работать не только со сканами, но и с поверхностями в рамках одного скана; это полезно, если точная последовательная регистрация их совместить не смогла.

Итак, сканы совмещены, можно переходить к глобальной регистрации - переводу всех кадров в единую систему координат. Запускается она из панели «Команды» и имеет три задаваемых параметра, которые отображены на скриншоте:

Эта процедура очень ресурсоемкая, даже на мощном компьютере она может длиться немалое время: при установках по умолчанию (именно они показаны выше) у нас эта процедура заняла более семи минут - 423 секунды! Вот и подумаешь, так ли хороша избыточность при сканировании…

И ведь нельзя сказать, что результат получился идеальным.

Тут проявилось то, что мы не доделали на этапе предварительной обработки сканов и при их сборке. Можно вернуться назад, но есть и другие варианты улучшения: провести глобальную регистрацию сначала для двух-трех сканов, которые не удалось свести идеально, а потом вновь для всех. Но это очень времязатратные процедуры, к тому же нашей задачей является опробование разных механизмов, предлагаемых в Artec Studio - например, удаление выбросов, т.е. небольших поверхностей, не связанных с основными и отстоящими от них.

Процедура также запускается из панели «Команды» и имеет два параметра, значения которых по умолчанию показаны на скриншоте:

Первый из них устанавливается в 2, если выбросов много, и в 3, если их меньше. Второй параметр означает размер шага триангуляционной сетки в миллиметрах, диапазон зависит от типа сканера, но главное: значение должно быть тем же, что и у аналогичного параметра в последующей процедуре склейки.

Этот алгоритм несколько улучшил вид нашего образца, но работал довольно долго: почти 4 минуты (224 с).

Склейка

Из получившегося уже можно «склеивать» модель. Функция так и называется: «Склейка», причем есть три типа: быстрая, гладкая и точная. Первый выполняется быстрее других, но дает худшие результаты, требующие дополнительной обработки, и потому в основном пригоден для визуальной оценки. Второй тип - гладкая склейка - наиболее продолжительный и требовательный к ресурсам, но он хорош для шумных поверхностей (то есть «замусоренных», содержащих много огрехов), и способен работать даже в отстутствие части 3D-данных; лучше всего подходит для создания моделей человеческого тела или головы, поскольку может компенсировать небольшие, до 3-5 мм, изменения формы объекта. Точная склейка работает быстрее гладкой, хорошо передает мелкие детали и тонкие края, поскольку использует больше сырых данных, но для шумных поверхностей в ряде случаев может дать увеличение шума, к тому же не компенсирует изменения формы.

У каждого типа есть набор задаваемых параметров, для гладкой и точной он одинаков и вместе со значениями по умолчанию для сканера Eva отображен на скриншоте:

Для быстрой склейки задаются только resolution (по умолчанию 1, но это для Eva, для других моделей будут другие значения) и radius (по умолчанию 2).

Посмотрим, что даст нам быстрая склейка и такая ли она быстрая. Вот результат с параметрами по умолчанию:

Затраты времени 49,4 с - в сравнении с предыдущими этапами вполне себе быстро. Однако полученная модель имеет явные дефекты.

Теперь гладкая склейка, тоже значения по умолчанию:

Почему-то получилось даже быстрее, чем при быстрой склейке: 41,1 с. Да и модель отличается от полученной в предыдущем случае в лучшую сторону.

Наконец, точная склейка:

Получился очень хороший результат. При внимательном рассмотрении со всех сторон кое-какие огрехи всё же есть, но в целом разница с предыдущими вариантами очевидна. И время 41,0 с - практически то же, что и при гладкой, но все равно меньше, чем при быстрой.

Мы проделали склейки и с другими наборами сканов коробки, и, хотя абсолютные значения в секундах изменились, но затраты времени на точную и гладкую склейки опять получились меньше, чем на быструю. Вероятно, скорость обработки при разных типах склейки зависит от конкретной модели.

Есть и еще один вариант, очень интересный: склейка, которая производится одновременно со сканированием. Для перехода в этот режим просто ставим в панели «Съемка» галочку в строчке «Склейка в реальном времени»; хотя это не уточняется, но очевидно, что речь идет о быстрой склейке. Большой плюс: сразу можно в более-менее реальном виде смотреть, что получается в результате сканирования. Но есть и минусы, главный из которых - потребуется мощный компьютер. Кроме того, вовсе не факт, что при этом всё склеится благополучно; правда, ничто не мешает потом проделать склейку вновь одним из вышеописанных способов. Менее значительный, но тоже не всегда пренебрежимый минус: на изображении в окне 3D-вида не отображается текстура, даже если ее съемка не выключена - текстура фиксируется и записывается, но одновременное ее наложение невозможно.

Окончательная обработка

Можно переходить к заключительным процедурам - финишной обработке. Здесь тоже есть немало инструментов:

К сожалению, скачанная нами инструкция немного отстает от версии программы и перечисляет несколько иные инструменты (даже по количеству: в инструкции их восемь вместо шести). Но действие некоторых из них более-менее понятно из названия, а для двух не очень понятных пояснения всё же есть: оптимизация сетки уменьшает с минимальной потерей точности число полигонов в модели, а ретриангуляция делает сетку треугольников равномерной. У всех этих инструментов, кроме последнего, есть задаваемые параметры.

Фильтр мелких объектов даже при значении по умолчанию убрал весь мусор вокруг модели - он был, но немного. А вот заполнение дырок нам потребовалось в большей степени: для проверки работы этого алгоритма мы оставили неотсканированной значительную часть нижней плоскости модели.

При значении по умолчанию (100) и близким к нему эффекта не было заметно вовсе, лишь при увеличении до 800 дырка затянулась.

Правда, идеально ровно не получилось.

Теперь сглаживание: его назначение описано как «фильтрация шума небольшой амплитуды», что можно расценить как удаление мелких огрехов. Реально оно делает модель немного оплывшей, и шума действительно становится меньше. Но тут главное не перестараться: для сглаживания можно задавать количество шагов, при значении по умолчанию «1» эффект не столь уж значительный, а при увеличении до 25 вся модель стала похожей на подтаявшее мороженое:

Все описанные команды работают быстро: даже при значительном изменении значений параметров обработка длится всего несколько секунд, а чаще и вовсе доли секунды.

Можно было пойти и другим путем - воспользоваться панелью «Края», которая работает не только с краями, но и с дырками. Инструмент очень удобный: в каждой из вкладок - «Дырки» и «Края» - отображается список обнаруженных дефектов, формируемый автоматически сразу после запуска данной панели. На модели, полученной после точной склейки, ничего обнаружено не было, и мы воспользовались результатом быстрой склейки, где дефектов было превеликое множество, в них просто можно было потеряться.

Однако разработчики программы предусмотрели такую ситуацию: каждый дефект можно идентифицировать, причем двумя путями. Можно навести курсор на нужное место изображения модели - дефект подсветится, а клик выделит и соответствующую ему строчку в списке дырок или краев, в зависимости от выбранной вкладки. Если выбрать строку в списке, то соответствующий ей дефект будет выделен цветом на изображении модели, а само изображение повернется нужным местом к наблюдателю (такие повороты не всегда удобны, но их можно отменить, сняв «птичку» в соответствующей позиции панели).

Заполнение дырки

Сглаживание края, на левом скриншоте красным выделен выбранный край, а желтым показан предполагаемый контур после обработки

Устранив по возможности дефекты, можно перейти к оптимизации сетки. Дело в том, что наша модель простенькой коробки, полученная путем точной склейки, содержит более 300 тысяч полигонов и 150 тысяч вершин, и потому потянула на 9,5 мегабайт - это довольно много.

После оптимизации сетки (эта процедура имеет 4 параметра и может производиться по полигонам, по точности и по общему размеру полигонов; мы использовали значения по умолчанию) модель немного изменилась: стала более гладкой, потерялось некоторое количество информации о мелких деталях, но зато стала гораздо менее сложной, и ее «вес» в мегабайтах уменьшился более чем в 15 раз.

Процесс занял 16,5 секунд.

Ретриангуляция также может привести к некоторому упрощению модели. Если взять значение ее единственного параметра «Разрешение» равным единице (по умолчанию), то процедура идет относительно долго - 48,8 с, внешний вид модели практически не меняется, количество полигонов, вершин и «вес» даже увеличиваются.

Для некоторых случаев возможно незначительное сокращение количества полигонов и вершин, а «вес» может уменьшиться вдвое. Увеличивать значение параметра надо осторожно: перечисленные на скриншотах значения уменьшаются, но модель сильно упрощается и перестает быть похожей на образец. При уменьшении значения до 0.5 (в качестве разделителя используется точка) время выполнения становится значительно больше - у нас оно возросло до 181,2 с, и модель становится чрезмерно сложной, значения упомянутых характеристик сильно увеличиваются. При дальнейшем уменьшении процесс может прерваться из-за нехватки памяти, напомним: в нашем компьютере 16 ГБ ОЗУ.

Текстурирование

Если мы сканируем объект с текстурой для получения модели, цвет поверхности которой должен полностью соответствовать образцу, то заключительным этапом будет текстурирование - наложение текстуры из отдельных кадров на получившуюся модель. Это, пожалуй, единственный этап, в котором важную роль играет видеокарта - даже в панели «Текстура» присутствует оценка потребной видеопамяти, которой может быть нужно больше, чем ОЗУ компьютера.

Для начала выбираем нужную модель из списка, если их несколько (у нас присутствуют результаты трех типов склейки, мы выбрали точную), а также сканы, из которых она была получена.

Затем нужно указать, какой метод текстурирования предпочтителен: построение карты треугольников или текстурного атласа. Вдаваться в теоретические подробности мы не будем, упомянем лишь практический момент: карта треугольников строится быстрее, но пригодна скорее для того, чтобы быстро просмотреть получаемую текстуру. Атлас - для финального экспорта, при этом перед текстурированием важно правильно упростить сетку.

Для обоих методов задается и размер результирующей текстуры:

Это также влияет на потребность в памяти.

При значениях по умолчанию, изображенных на первом из скриншотов панели «Текстура», процесс построения карты треугольников занял 49 секунд, текстурный атлас создавался почти в четыре раза дольше - 178 секунд. Честно говоря, сразу и невооруженным глазом найти отличия очень трудно.

Построение текстуры: слева текстурный атлас, справа карта треугольников

Увеличение размера треугольников с 10 до 30 при том же размере текстуры увеличивает время текстурирования с 49 до 52 секунд. Мы попытались изменить размер текстуры с 4096×4096 до 16384×16384 при количестве треугольников, равном 20, но процедура до конца не дошла: не хватило четырех гигабайт памяти, имевшейся на нашей видеокарте!

После этого сообщения программа завершилась аварийно. Для 10 треугольников при размере текстуры до 8192×8192 процесс длится 51 секунду.

При том же размере текстуры создание текстурированного атласа заняло 186 секунд, то есть тоже немногим более, чем для 4096×4096. И даже для 16384×16384 атлас создать получилось, причем это не заняло намного больше времени - 224 секунды. Для пересчета уже полученной текстуры за меньшее время инструкция рекомендует пользоваться функцией «Перетекстурировать с использованием текущих UV-координат», однако она доступна только для текстур, наложенных методом «атлас».

Далее появляется возможность немного скорректировать текстуру, отрегулировав яркость, контрастность, насыщенность, оттенок и гамма-коррекцию. Правда, работать с текстурой большого размера (точнее, с получившимися данными большого объема) достаточно трудно - любое изменение отрабатывается достаточно долго, поэтому мы решили остановиться на текстурном атласе 8192×8192.

Объем данных при этом увеличился многократно - до 205 мегабайт. Поэтому увлекаться большими текстурами не нужно, для подавляющего большинства случаев вполне достаточно будет текстур 4096×4096, при этом объем данных для нашей модели получается заметно меньше: 61 мегабайт. И попробуйте найти разницу:

Слева текстура 8192×8192, справа 4096×4096

Если на получившейся модели осталось что-то лишнее, например, часть подставки, можно снова воспользоваться средствами редактирования.

Сохранение и экспорт

Лучше, конечно, не удалять ничего безвозвратно, но иногда это приходится делать ради экономии места на носителе - объем, занимаемый проектом, и без того может исчисляться гигабайтами.

Если необходимо, можно экспортировать модель в один из доступных форматов - например, STL. Цветовая текстура этим форматом не поддерживается, и в STL-файле сохранится только информация о геометрии модели.

Если мы выбираем формат с поддержкой текстуры - например, OBJ, то цветовая информация сохранится в виде отдельных файлов, формат которых также можно выбирать из JPG, BMP и PNG.

Краткий итог

Как и любое дело, 3D-сканирование требует опыта и навыка. Поначалу довольно трудно перемещать сканер так, чтобы объект всё время оставался в рабочей зоне, да к тому же делать это плавно и не слишком быстро. При неподвижном сканере и вращающемся на подставке объекте у нас тоже в этом плане не всё сразу получалось гладко, особенно когда образец не такой простой, как коробка. Только с опытом приходит и умение ориентировать сканер так, чтобы объект находился в центре поля его зрения. И, конечно, лишь со временем можно научиться правильно сканировать специфические объекты - темные поверхности, пышные курчавые волосы, непоседливых детей или животных.

Сотрудники компании нас уверяли, что всё это делается, причем без особых хлопот; не верить им нет оснований: примеров отличных моделей, сделанных сканерами Artec, немало на сайте компании и еще больше в интернете - их выкладывают владельцы сканеров. Но всё же нужно сказать: рассчитывать, что у обладателя сканера будет получаться всё и сразу, было бы наивным.

Гораздо быстрее осваиваются приемы работы в Artec Studio. Но здесь порой встает проблема выбора между необходимым и достаточным, и не только в приведенном чуть выше случае с размером текстуры, но и с объемом данных, получаемых на этапе сканирования. Да, алгоритмы программы помогут получить вполне качественную модель даже при отсутствии информации о каких-то участках объекта, но и тут всё будет зависеть от опыта оператора: например, приделать неотсканированное ухо или нос не сможет даже самая лучшая программа. Поэтому на начальных этапах освоения техники сканирования всё же лучше получать избыток информации, прежде всего в случаях, когда объект попал к вам на время и пересканировать его позже нельзя. А вот использовать полученные данные надо избирательно, не пуская в дело все полученные сканы сразу, особенно когда Artec Studio запущена на не самом мощном компьютере, иначе время обработки на каждом этапе может получиться чрезмерно большим.

Несмотря на отсутствие особого опыта работы с 3D-сканерами, мы всё же позволим себе высказать пару пожеланий в адрес разработчиков компании.

Первое и главное: время портов USB 2.0 подходит к концу, в современных компьютерах, ноутбуках и системных платах таких портов становится всё меньше, и соблюдать требование о неподключении сканеров к USB 3.0 станет всё труднее. А ведь уже появились и с каждым днем всё активнее будут внедряться порты USB 3.1! Поэтому крайне желательно побыстрее решить вопрос если не с полным использованием возможностей USB 3.0, то хотя бы с совместимостью сканеров с такими портами.

Менее важным, но гораздо проще реализуемым будет второе наше пожелание: вполне логично и привычно, когда устройство с собственным источником питания имеет и выключатель питания. Дело даже не в экономии электроэнергии, хотя на Западе, в отличие от России, разработчики гордятся каждым сэкономленным ватт-часом. Просто работу сканера, пусть и в режиме ожидания, в перерывах между сканированиями (которые могут исчисляться десятками минут и даже часами) вряд ли можно считать необходимостью, а выключать его питание отключением кабеля от розетки - это не самое удобное решение.

Какие характеристики детали и как влияют на трудоемкость сканирования:

1. Размер

3. Материал детали

Черная, блестящая, прозрачная поверхность требует предварительного нанесения матирующего спрея. Таким образом, матированию подлежат все изделия из металла, стекла, черного или серебристого пластика. Спрей высыхает, образуя на поверхности тонкий меловой слой, который затем легко удаляется тряпочкой или щеткой, не портя изделие. В том числе с матированием сканируются мобильные телефоны и другая техника, без нарушения их работоспособности.

Идеальной для сканирования считается белая матовая поверхность.

Пример: матирование блестящего отражателя лампы.

4. Чистота и ровность поверхности

Если поверхность детали грязная, ржавая, масляная - для качественного сканирования ее придется предварительно зачищать. Поэтому мы просим заказчиков готовить детали для сканирования заранее.

Поверхность пористая или неровная, много мусора при изготовлении (сварные швы, артефакты и неровности, полученные при литье) - дополнительное время на обработку сканированной модели.

5. Конфигурация детали и рельеф поверхности

Простым считается одностороннее сканирование плоской детали. При обработке сканированной поверхности задается толщина.

Объемная деталь требует сканирования со всех сторон с переворачиванием. При этом для качественного автоматического сшивания важно, чтобы при каждом новом скане сканер «видел» часть меток с предыдущего скана. Поэтому дополнительную сложность представляют детали с тонкими острыми гранями.

Труднодоступные места представляют собой отдельную сложность для сканирования. Глубокие отверстия с разными внутренними диаметрами и резьбами, раковины, загибающиеся детали могут не попасть в зону видения сканера и не будут отражены в сканированной модели. Такие элементы образмериваются и дорабатываются вручную.

Ручные замеры и контроль погрешностей также требуются в случае:

• наличия ответственных элементов в детали (посадочные места или места сопряжений и т.д., где необходимо указание конкретных допусков и посадок),
• нанесения матирующего спрея (который имеет свою толщину);
• погрешностях в методах обработки сканированной детали (например, выравнивание поверхности по средним точкам).

Пример : вал с кулачками (криволинейные поверхности с ответственными размерами, повышенная сложность).

Сложный рельеф поверхности (большое количество криволинейных поверхностей, элементов детали) не повлияет на трудоемкость сканирования, но сильно повлияет на трудоемкость обработки, особенно при построении твердотельной модели.

Кроме того, чертеж такой детали также потребует больше времени, чем чертеж простой плоской детали.

Пример : колесо ротора - труднодоступные для сканера места, криволинейные поверхности, особая сложность - при построении твердотельной модели.

Встречаются также плоские, небольшие и вроде бы несложные детали, но из-за большого количества размеров (вырезы, отверстия, радиусы) выполнение чертежа становится трудоемкой задачей. В такой, на первый взгляд, несложной детали, как например лопасть, необходимо строить большое количество видов и сечений на чертеже.

Пример : плоская рамка с большим количеством отверстий.

6. Необходимость доработки 3d модели

Задача восстановления износа детали или пожелания заказчика по изменению обязательно потребуют построения твердотельной CAD-модели c конструкторской доработкой.

Для оценки стоимости сканирования детали, пришлите фото и краткое описание задачи!

3D-сканер представляет собой специальное устройство, которое анализирует определённый физический объект или же пространство, чтобы получить данные о форме предмета и, по возможности, о его внешнем виде (к примеру, о цвете). Собранные данные в дальнейшем применяются для создания цифровой трехмерной модели этого объекта.

Создать 3D-сканер позволяют сразу несколько технологий, различающиеся между собой определёнными преимуществами, недостатками, а также стоимостью. К тому же, существуют некоторые ограничения по объектам, которые могут быть оцифрованы. В частности, возникают трудности с блестящими, прозрачными или обладающими зеркальными поверхностями предметами.

Не стоит забывать и том, что сбор 3D-данных важен и для других применений. Так, они необходимы в индустрии развлечений для создания фильмов и видеоигр. Также эта технология востребована в промышленном дизайне, ортопедии и протезировании, реверс-инжиниринге, разработке прототипов, а также для контроля качества, осмотре и документировании культурных артефактов.

Функциональные возможности

Цель 3D-сканера в том, чтобы создать облако точек геометрических образцов на поверхности объекта. В дальнейшем эти точки могут быть экстраполированы для воссоздания формы предмета (процесс, называемый реконструкцией). Если были получены данные и о цвете, то и цвет реконструированной поверхности также можно определить.

3D-сканеры немного похожи на обычные камеры. В частности, у них есть конусообразное поле зрения, и они могут получать информацию только с тех поверхностей, которые не были затемнены. Различия между двумя этими устройствами в том, что камера передаёт только информацию о цвете поверхности, что попала в ее поле зрения, а вот 3D-сканер собирает информацию о расстояниях на поверхности, которая также пребывает в его поле зрения. Таким образом «картинка», полученная с помощью 3D-сканера , описывает расстояние до поверхности в каждой точке изображения. Это позволяет определить положение каждой точки на картинке сразу в 3 плоскостях.

В большинстве случаев одного сканирования недостаточно для создания полноценной модели предмета. Таких операций потребуется несколько. Как правило, приличное множество сканирований с разных направлений понадобится для того, чтобы получить информацию обо всех сторонах объекта. Все результаты сканирования должны быть приведены к общей системе координат – процесс, называемый привязкой изображений или выравниванием, и только после этого создаётся полная модель. Вся эта процедура от простой карты с расстояниями до полноценной модели называется 3D конвейер сканирования.

Технология

Существует несколько технологий для цифрового сканирования формы и создание 3D-модели объекта. Однако была разработана специальная классификация, которая делит 3D-сканеры на 2 типа: контактные и бесконтактные. В свою очередь, бесконтактные 3D-сканеры можно поделить ещё на 2 группы – активные и пассивные. Под эти категории сканирующих устройств могут подпадать сразу несколько технологий.

Координатно-измерительная машина с двумя фиксированными взаимно перпендикулярными измерительными руками

Контактные 3D-сканеры

Контактные 3D-сканеры исследуют (зондируют) объект непосредственно через физический контакт, пока сам предмет пребывает на прецизионной поверочной плите, отшлифованной и отполированной до определённой степени шероховатости поверхности. Если объект сканирования неровный или не может стабильно лежать на горизонтальной поверхности, то его будут удерживать специальные тиски.

Механизм сканера бывает трёх различных форм:

• Каретка с фиксированной измерительной рукой, расположенной перпендикулярно, а измерение по осям происходит, пока рука скользит вдоль каретки. Эта система оптимальна для плоских или обычных выпуклых кривых поверхностей.
• Манипулятор с фиксированными составляющими и с высокоточными угловыми датчиками. Расположение конца измерительной руки влечет за собой сложные математические вычисления, касающиеся угла вращение шарнира запястья руки, а также угла разворота каждого из соединений руки. Этот механизм идеально подходит для зондирования углублений или внутренних пространств с небольшим входным отверстием.
• Одновременное использование предыдущих двух методов. К примеру, манипулятор можно совместить с кареткой, что позволить получить 3D-данные от больших объектов, обладающих внутренними полостями или перекрывающими друг друга поверхностями.

КИМ (координатно-измерительная машина) представляет собой яркий пример контактного 3D-сканера . Они используются в основном в производстве и могут быть сверхточными. К недостаткам КИМ можно отнести необходимость непосредственного контакта с поверхностью объекта. Поэтому существует возможность изменить предмет или даже повредить его. Это весьма важно в том случае, если сканируются тонкие или ценные предметы, например, исторические артефакты. Ещё один недостаток КИМ перед другими методами сканирования – медлительность. Перемещение измерительной руки с установленным зондом может оказаться очень медленным. Самый быстрый результат работы КИМ не превышает несколько сотен герц. В то же время, оптические системы, к примеру, лазерный сканер, может работать от 10 до 500 кГц.

Ещё одним примером могут послужит ручные измерительные зонды, с помощью которых оцифровывают глиняные модели для компьютерной анимации.

Устройство Лидар используется для того, чтобы сканировать здания, скалы и т.д., что дает возможность создавать их 3D-модели. Лазерный луч Лидара может использоваться в широком диапазоне: его головка поворачивается по горизонтали, а зеркало перемещается по вертикали. Сам же лазерный луч используется для того, чтобы измерить расстояние до первого объекта, на его пути.

Бесконтактные активные сканеры

Активные сканеры используют определённые виды излучения или просто свет и сканируют объект через отражение света или прохождение излучения через объект или среду. В таких устройствах применяется свет, ультразвук или рентгеновские лучи.

Времяпролётные сканеры

Времяпролётный лазерный 3D-сканер – это активный сканер, который использует лазерный луч, чтобы исследовать объект. В основе этого типа сканера лежит времяпролётный лазерный дальномер. В свою очередь, лазерный дальномер определяет расстояние до поверхности объекта, исходя из времени пролёта лазера туда и обратно. Сам лазер используется для создания светового импульса, в то время как детектор измеряет время до того момента, пока свет не отразится. Учитывая, что скорость света (c) – величина постоянная, то зная время пролёта луча туда-обратно, можно определить расстояние, на которое переместился свет, оно будет в два раза больше расстояния между сканером и поверхностью объекта. Если (t) – это время полёта луча лазера туда-обратно, тогда расстояние будет равно (c*t\2). Точность времени пролёта лазерного луча 3D-сканера зависит от того, насколько точно мы можем измерить само время (t): 3,3 пикосекунды (приблизительно) необходимо для того, чтобы лазер преодолел 1 миллиметр.
Лазерный дальномер определяет расстояние только одной точки в заданном направлении. Поэтому устройство сканирует все своё поле зрения по отдельным точкам за раз, меняя при этом направление сканирования. Менять направление лазерного дальномера можно либо путем вращения самого прибора, либо с помощью системы вращающихся зеркал. Зачастую используют последний метод, ведь он намного быстрее, точнее, а также легче в обращении. К примеру, времяпролётные 3D-сканеры могут измерять расстояние от 10 000 до 100 000 точек за одну секунду.
Времяпролётные девайсы также доступны в конфигурации 2D. В основном, это касается времяпролётных камер.

Триангуляционные сканеры

Принцип работы датчика лазерной триангуляции. Показано две позиции объекта.

Облако точек создаётся с помощью триангуляциии лазерной полосой.

Триангуляционные лазерные 3D-сканеры также относятся к активным сканерам, которые используют лазерный луч для того, чтобы прозондировать объект. Подобно времяпролётным 3D-сканерам триангуляционные устройства посылают на объект сканирования лазер, а отдельная камера фиксирует расположение точки, куда попал лазер. В зависимости от того, как далеко лазер продвигается по поверхности, точка появляется в различных местах поля зрения камеры. Эта технология названа триангуляцией потому, что лазерная точка, камера и сам лазерный излучатель образуют своеобразный треугольник. Известна длина одной стороны этого треугольника – расстояние между камерой и лазерным излучателем. Также известен угол лазерного излучателя. А вот угол камеры можно определить по расположению лазерной точки в поле обзора камеры. Эти 3 показателя полностью определяют форму и размер треугольника и указывают на расположение угла лазерной точки. В большинстве случаев, чтобы ускорить процесс получения данных, вместо лазерной точки пользуются лазерной полосой. Так, Национальный научно-исследовательский совет Канады был среди первых научных организаций, разработавших основы технологии триангуляционного лазерного сканирования ещё в 1978 году.

Преимущества и недостатки сканеров

Как времяпролётные, так и триангуляционные сканеры обладают своими сильными и слабыми сторонами, что определяет их выбор для каждой конкретной ситуации. Преимущество времяпролётных устройств в том, что они оптимально подходят для работы на очень больших расстояниях вплоть до нескольких километров. Они идеальны для сканирования зданий или географических объектов. В то же время, к их недостаткам можно отнести точность измерений. Ведь скорость света довольно высока, поэтому при подсчете времени, которое требуется лучу, дабы преодолеть расстояние до и от объекта, возможны некоторые огрехи (до 1 мм). А это делает результаты сканирования приблизительными.

Что же касается триангуляционных дальномеров, то у них ситуация с точностью до наоборот. Диапазон их действия составляет лишь несколько метров, а вот точность относительно высока. Такие устройства могут измерить расстояние с точностью до десятков микрометров.

Негативно на точность работы времяпролётных сканеров влияет исследование края объекта. Лазерный импульс посылается один, а отражается сразу из двух мест. Координаты рассчитываются, исходя из позиции самого сканера, при этом берётся среднее значение двух отражений луча лазера. Это приводит к тому, что точка будет определена в неправильном месте. При использовании сканеров с высоким разрешением шансы на то, что лазерный луч попадёт точно на край объекта возрастают, но при этом за краем появится шум, что негативно отразится на результатах сканирования. Сканеры с небольшим лучом могут решить проблему сканирования края, но у них ограничен диапазон действия, поэтому ширина луча превысит расстояние. Существует также специальное программное обеспечение, которое позволяет сканеру воспринимать только первое отражение луча, игнорируя при этом второе.

При скорости работы 10 000 точек за секунду сканеры с низким разрешением справятся с задачей в течение нескольких секунд. А вот для сканеров с высоким разрешением нужно сделать несколько миллионов операций, на что уйдут минуты. Стоит учитывать, что данные могут исказиться, если объект или сканер будут двигаться. Так, каждая точка фиксируется в определённый момент времени в определённом месте. Если объект или сканер переместится в пространстве, то результаты сканирования будут ложными. Поэтому так важно устанавливать и объект, и сканер, на фиксированной платформе, и свести возможность вибрации к минимуму. Следовательно, сканирование объектов в движении практически невыполнимо. Однако в последнее время ведутся активные исследования того, как можно компенсировать влияние вибрации на искажение данных.

Стоит учесть и тот факт, что при сканировании в одном положении в течение длительного времени небольшое смещение сканера может произойти из-за изменения температуры. Если сканер установлен на штативе и одна из сторон сканера подвержена сильному влиянию солнечных лучей, то в таком случае штатив будет расширяться, а данные сканирования будут постепенно искажаться с одной стороны на другую. Вместе с тем, некоторые лазерные сканеры обладают встроенными компенсаторами, которые противодействуют любому движению сканера во время работы.

Коноскопическая голография

В коноскопической системе лазерный луч проецируется на поверхность объекта, после чего луч отражается по той же траектории, но уже через коноскопический кристалл, и проецируется на ПЗС (прибор с зарядовой связью). В результате получается дифракционный образец, из которого с помощью частотного анализа можно определить расстояние до поверхности объекта. Основное преимущество коноскопической голографии в том, что для измерения расстояния нужен только один ход луча, что позволяет определить, к примеру, глубину небольшого отверстия.

Ручные лазерные сканеры

Ручные лазерные сканеры создают 3D-изображение по принципу триангуляции, описанному выше. Лазерный луч или полоса проецируются на объект из ручного излучателя, а сенсор (зачастую, ПЗС или координатно-чувствительный детектор) измеряет расстояние до поверхности объекта. Данные собираются относительно внутренней системы координат и следовательно для получения результатов, если сканер находится в движении, место положения устройства должно быть точно определено. Это можно сделать с помощью базовых пространственных объектов на сканируемой поверхности (наклеивающиеся отражающие элементы или природные особенности) или же посредством метода внешнего слежения. Последний способ зачастую принимает форму лазерного трекера (предоставляющего датчик положений) со встроенной камерой (для определения ориентации сканера). Также можно использовать фотограмметрию, обеспечивающуюся 3 камерами, которая придаёт сканеру шесть степеней свободы (возможность совершать геометрические движения в трехмерном пространстве). Обе техники, как правило, используют инфракрасные светодиоды, подключённые к сканеру. За ними наблюдают камеры через фильтры, обеспечивающие стойкость амбиентного освещения (отражение света с разных поверхностей).

Данные сканирования собираются компьютером и записываются в качестве точек трехмерного пространства, которые после обработки преобразуются в триангулированную сетку. Затем система автоматизированного проектирования создаёт модель, используя для этого неоднородный рациональный B-сплайн, NURBS (специальная математическая форма для создания кривых и поверхностей). Ручные лазерные сканеры могут совмещать эти данные с пассивными датчиками видимого света, которые захватывают текстуру поверхности и ее цвет, что позволяет создать или провести обратный инжиниринг полноценной 3D-модели .

Структурированный свет

3D-сканеры , работающие по технологии структурированного света, представляют собой проекцию световой сетки непосредственно на объект, деформация этого рисунка и представляет собой модель сканируемого предмета. Сетка проецируется на объект с помощью жидкокристаллического проектора или другого постоянного источника света. Камера, расположенная чуть в стороне от проектора, фиксирует форму сети и вычисляет расстояние до каждой точки в поле зрения.
Сканирование структурированным светом до сих пор остаётся активной областью исследований, которой ежегодно посвящается довольно много научно-исследовательских работ. Идеальные карты также признаны полезными, как структурированные световые узоры, которые могут решить проблемы соответствия и позволяют не только обнаружить ошибки, но и исправить их.

Преимущество 3D-сканеров , использующих структурированный свет, в их скорости и точности работы. Вместо сканирования одной точки в один момент времени, структурированные сканеры сканируют одновременно несколько точек или все поле зрения сразу. Сканирование всего поля зрения занимает долю секунды, а сгенерированные профили являются более точными, чем лазерные триангуляции. Это полностью решает проблему искажения данных, вызванного движением. Кроме того, некоторые существующие системы способны сканировать даже движущиеся объекты в режиме реального времени. К примеру, VisionMaster – сканирующая система в формате 3D – обладает 5-мегапиксельной камерой, благодаря чему каждый кадр содержит 5 миллионов точек.

Сканеры, работающие в режиме реального времени, используют цифровую проекцию края и фазосдвигающую технику (одна из методик применения структурированного света), что позволяет захватить, восстановить и создать компьютерную модель с высокой плотностью деталей динамически изменяющихся объектов (к примеру, мимика) при 40 кадрах в секунду. Недавно был создан новый тип сканера. Различные модели могут быть использованы в этой системе. Частота кадров для захвата и обработки данных достигает 120 кадров в секунду. Этот сканер может обрабатывать и отдельные поверхности. Например, 2 движущиеся руки. Используя метод бинарной дефокусировки, скорость съемки может достигать сотен, а то и тысяч кадров в секунду.

Модулированный свет

При использовании 3D-сканеров на основе модулированного света световой луч, направленный на объект, постоянно меняется. Зачастую смена света проходит по синусоиде. Камера фиксирует отражённый свет и определяет расстояние до объекта, учитывая путь, который преодолел луч света. Модулированный свет позволяет сканеру игнорировать свет от других источников, кроме лазера, что позволяет избежать помех.

Объемные техники

Медицина

Компьютерная томография (КТ) – специальный медицинский метод визуализации, который создаёт трехмерное изображение внутреннего пространства объекта, используя большую серию двухмерных рентгеновских снимков. По похожему принципу работает и магнитно-резонансная томография – ещё один приём визуализации в медицине, который отличается более контрастным изображением мягких тканей тела, чем КТ. Поэтому МРТ используют для сканирования мозга, опорно-двигательного аппарата, сердечно-сосудистой системы, поиска онкологии. Эти методики позволяют получить объемные воксельные модели, которые можно визуализировать, изменять и преобразовывать в традиционную 3D-поверхность используя алгоритмы экстракции изоповерхности.

Производство

Хотя МРТ, КТ или микротомография более активно используются в медицине, но они также активно применяются и в других областях для получения цифровой модели объекта и его окружения. Это важно, к примеру, для неразрушающего контроля материалов, реверс-инжиниринга или изучения биологических и палеонтологических образцов.

Бесконтактные пассивные сканеры

Пассивные сканеры не излучают свет, вместо этого они используют отраженный свет из окружающего пространства. Большинство сканеров этого типа предназначены для обнаружения видимого света, ведь это наиболее доступный вид окружающего излучения. Другие типы излучения, к примеру, инфракрасное, также может быть задействовано. Пассивные методы сканирования относительно дешёвые, ведь в большинстве случаев они не нуждаются в специальном оборудовании, достаточно обычной цифровой камеры.
Стереоскопические системы предусматривают использование 2-ух видеокамер, расположенных в разных местах, но в одном направлении. Анализируя различия в снимках каждой камеры, можно определить расстояние до каждой точки на изображении. Этот метод по своему принципу похож на стереоскопическое зрение человека.

Фотометрические системы обычно используют одну камеру, которая производит съемку нескольких кадров при любых условиях освещения. Эти методы пытаются преобразовать модель объекта, чтобы восстановить поверхность по каждому пикселю.

Силуэтные техники используют контуры из последовательных фотографий трехмерного объекта на контрастном фоне. Эти силуэты экструдируют и преобразуют, чтобы получить видимую оболочку объекта. Однако этот метод не позволяет просканировать углубления в объекте (к примеру, внутреннюю полость чаши).

Существуют и другие методы, которые основаны на том, что пользователь сам обнаруживает и идентифицирует некоторые особенности и формы объекта, опираясь на множество различных изображений объекта, которые позволяют создать приблизительную модель этого объекта. Такие методы можно применять для быстрого создания трехмерной модели объектов простых форм, к примеру, здания. Сделать это можно, воспользовавшись одним из программных приложений: D-Sculptor, iModeller, Autodesk ImageModeler или PhotoModeler.

Этот вид 3D-сканирования основан на принципах фотограмметрии. К тому же, эта техника в некоторых моментах похожа на панорамную фотографию, за исключением того, что фотографии объекта сделаны в трехмерном пространстве. Таким образом, можно скопировать сам объект, а не делать серию фото из одной точки трехмерного пространства, что привело бы к воссозданию окружения объекта.

Реконструкция

Из облаков точек

Облака точек, которые создают 3D-сканеры , могут напрямую использоваться для измерений или визуализации в области архитектуры и конструирования.
Однако большинство приложений используют вместо полигональных 3D-моделей, моделирование поверхности объекта через неоднородный рациональный B-сплайн, NURBS или же редактируемые CAD-модели (также известные, как объемные (монолитные) модели.

• Модели из полигональной сетки: В полигональном представлении формы кривые поверхности состоят из множества небольших плоских поверхностей с гранями (яркий пример – шар на дискотеках). Полигональные модели весьма востребованы для визуализации в области АСТПП - автоматизированная система технологической подготовки производства (например, механическая обработка). Вместе с тем, такие модели довольно «тяжёлые» (вмещают большой объем данных) и их довольно сложно редактировать в таком формате. Реконструкция в полигональную модель предполагает поиск и объединение соседних точек прямыми линиями, пока не образуется непрерывная поверхность. Для этого можно использовать ряд платных и бесплатных программ (MeshLab, Kubit PointCloud для AutoCAD, 3D JRC Reconstructor, ImageModel, PolyWorks, Rapidform, Geomagic, Imageware, Rhino 3D и т.д.).
• Поверхностные модели: Этот метод представляет собой следующий уровень сложности в области моделирования. Здесь применяется набор кривых поверхностей, которые придают вашему объекту форму. Это может быть NURBS, T-Spline или другие кривые объекты из топологии. Использование NURBS, преобразует, к примеру, сферу в ее математический эквивалент. Некоторые приложения предполагают ручную обработку модели, но программы более продвинутого класса предлагают также автоматический режим. Это вариант не только более легок в использовании, но и предоставляет возможность видоизменять модель при экспорте в систему автоматизированного проектирования (САПР). Поверхностные модели поддаются редактированию, но только в скульптурном отношении. Хорошо поддаются моделированию органические и художественные формы. Возможность моделирования поверхности представлена в программах Rapidform, Geomagic, Rhino 3D, Maya, T Splines.
• Объемные САПР-модели: С точки зрения инженерной и производственной перспективы, этот вид моделирования представляет собой полноценную оцифрованную форму параметрической САПР -модели. В конце концов, САПР – это общий «язык» промышленности, позволяющий описать, отредактировать и сохранить форму активов предприятия. К примеру, в САПР сферу можно описать параметрическими функциями, которые легко редактировать, меняя их значение (скажем, радиус или центральную точку).

Эти САПР-модели не просто описывают оболочку или форму объекта, но они позволяют также воплотить проектный замысел (то есть, критические функции и их отношение к другим функциям). В качестве примера проектного замысла, не выраженного в форме, могут выступить ребристые болты тормозного барабана, которые должны быть концентричны с отверстием в центре барабана. Этот нюанс определяет последовательность и способ создания САПР-модели, поэтому инженер, учитывая эти особенности, будет разрабатывать болты, привязанные не к наружному диаметру, а наоборот, к центру. Таким образом, для создания подобной САПР-модели нужно соотнести форму объекта с проектным замыслом.

Существует несколько подходов, позволяющих получить параметрическую САПР-модель. Одни предполагают только экспорт NURBS-поверхность, оставляя САПР-инженеру завершить моделирование (Geomagic , Imageware, Rhino 3D). Другие используют данные сканирования для создания редактируемой и поддающейся проверке функций модели, которую можно полностью импортировать в САПР с неповреждённым полностью функциональным деревом, предоставляя завершенное слияние формы и проектного замысла САПР-модели (Geomagic , Rapidform). Тем не менее, другие САПР-приложения достаточно мощны, чтобы манипулировать ограниченным количеством точек или полигональными моделями в САПР-среде (CATIA, AutoCAD, Revit).

Из набора срезов формата 2D

3D-реконструкция головного мозга или глазных яблок по результатам КТ происходит по изображениям формата DICOM. Их особенность в том, что участки, на которых отображен воздух, или кости с большой плотностью сделаны прозрачными, а срезы накладываются в свободном интервале выравнивания. Внешнее кольцо биоматериала, окружающее мозг, состоит из мягких тканей кожи и мышц на внешней стороне черепа. Все срезы производятся на чёрном фоне. Поскольку они представляют собой простые 2D-изображения, то складываясь один ко одному при просмотре, границы каждого среза исчезают, благодаря своей нулевой толщине. Каждое DICOM-изображение представляет собой срез толщиной около 5 мм.

КТ, промышленное КТ, МРТ или микроКТ сканеры создают не облако точек, а срезы формата 2D (именуемые «томограммой»), которые накладываются друг на друга, в результате чего образуется своеобразная 3D-модель. Есть несколько способов провести такое сканирование, которые зависят от требуемого результата:

• Объемный рендеринг: Разные части объекта обычно обладают различными пороговыми величинами и плотностью полутонов. Исходя их этого, трехмерную модель можно свободно сконструировать и отобразить на экране. Несколько моделей можно сделать из различных пороговых величин, позволяя разным цветам обозначать определённую часть объекта. Объемный рендеринг чаще всего применяется для визуализации сканируемого объекта.
• Сегментация изображений: Когда разные структуры обладают похожими величинами порога или полутонов, может оказаться невозможным разделить их просто посредством изменения параметров объемного рендеринга. Решением проблемы станет сегментация – ручная или автоматическая процедура, которая удалит ненужные структуры с изображения. Специальные программы, поддерживающие сегментацию изображений, позволяют экспортировать сегментированные структуры в формат CAD или STL, что позволит продолжить с ними работу.
• Сетка на основе анализа изображений: Когда для компьютерного анализа используются данные 3D-изображения (CFD и FEA), простая сегментация данных и создание сетки из САПР-файла может потребовать довольно много времени. Кроме того, некоторые типичные данные изображения могут, по сути, оказаться неподходящими для сложной топологии. Решение лежит в создании сетки на основе анализа изображений – это автоматизированный процесс генерации точного и реалистического геометрического описания данных сканирования.

Применение

Обработка материалов и производство

Лазерное 3D сканирование описывает общий способ измерения или сканирования поверхности посредством лазерной технологии. Оно применяется сразу в нескольких областях, отличаясь в основном мощностью лазеров, которые используются, и результатами самого сканирования. Низкая мощность лазера нужна, когда не должно оказываться влияние на сканируемую поверхность, например, если она нуждается только в оцифровке. Конфонкальное или 3D лазерное сканирование – это методы, позволяющие получить информацию о сканируемой поверхности. Ещё одно маломощное применение предполагает проекционную систему, которая использует структурированный свет. Она применяется для метрологии плоскости солнечной батареи, включающей вычисление напряжения с пропускной способностью более 2 000 пластин в час.

Мощность лазера, применяемого для лазерного сканирования оборудования в промышленности, составляет 1Вт. Уровень мощности обычно находится на уровне 200мВт или меньше.

Строительная промышленность

• Управление роботом: лазерный сканер выполняет функцию «глаз» робота
• Исполнительные чертежи мостов, промышленных предприятий, монументов
• Документирование исторических мест
• Моделирование места и планировка
• Контроль качества
• Обмер работ
• Реконструкция автотрасс
• Постановка метки уже существующей формы\состояния, дабы определить структурные изменения после экстремальных событий – землетрясения, воздействия корабля или грузовика, пожара.
• Создание ГИС (Географической информационной системы), карт и геоматики
• Сканирование недр в шахтах и карстовых пустотах
• Судебная документация

Преимущества 3D-сканирования

Создание 3D-модели посредством сканирования обладает следующими преимуществами:

• Повышает эффективность работы со сложными частями и формами
• Способствует проектированию продуктов при необходимости добавить часть, созданную кем-то другим.
• Если САПР-модели устареют, 3D-сканирование обеспечит обновлённую версию
• Замещает пропущенные или отсутствующие части

Индустрия развлечений

3D-сканеры активно используются в индустрии развлечений для создания цифровых 3D-моделей в кинематографе и видеоиграх. Если у создаваемой модели есть аналог в реальном мире, то сканирование позволит создать трехмерную модель гораздо быстрее, нежели разработка этой же модели посредством 3D-моделирования. Довольно часто деятели искусства сперва лепят физическую модель, которую затем сканируют, чтобы получить цифровой эквивалент, вместо того, чтобы создавать такую модель на компьютере.

Обратная разработка (реверс-инжиниринг)

Реверс-инжиниринг механических компонентов требует весьма точной цифровой модели объектов, которые нужно воссоздать. Это хорошая альтернатива тому, чтобы множество точек цифровой модели преобразовать в полигональную сетку, использовать набор плоских и кривых поверхностей NURBS или же, что идеально для механических компонентов, создавать объемную САПР-модель. 3D-сканер может использоваться для того, чтобы привести в цифровую модель объекты, свободно меняющие форму. Также как и призматическую конфигурацию, для которой обычно используют координатно-измерительную машину. Это позволит определить простые размеры призматической модели. Эти данные в дальнейшем обрабатываются посредством специальных программ для обратного инжиниринга.

3D печать

3D-сканеры также находят активное применение в сфере 3D печати, так как позволяют в короткие сроки создавать достаточно точные 3D модели различных объектов и поверхностей, пригодные для последующей доработки и печати. В этой сфере используются как контактный, так и бесконтактный методы сканирования, оба метода имеют определенные преимущества.

Культурное наследие

Пример копирования реального объекта посредством 3D-сканирования и 3D-печати. Существует множество исследовательских проектов, которые проводились с применением сканирования исторических мест и артефактов для их документирования и анализа. Совместное использование 3D-сканирования и 3D-печати позволяет копировать реальные объекты без использования традиционного гипсового слепка, который во многих случаях может повредить ценный или деликатный артефакт культурного наследия. Скульптура фигуры слева была оцифрована с помощью 3D-сканера, а полученные данные преобразовывали в программе MeshLab. Полученная цифровая 3D-модель была напечатана посредством машины для быстрого прототипирования, которая позволяет создавать реальную копию исходного объекта.

Микеланджело

Существует множество исследовательских проектов, которые проводились с применением сканирования исторических мест и артефактов для их документирования и анализа.

В 1999 году 2 разных исследовательских группы начали сканировать статуи Микеланджело. Стэндфордский университет вместе с группой, возглавляемой Марком Левоем, использовал обычный лазерный триангуляционный сканер, созданный компанией Cyberware специально для того, чтобы просканировать статуи Микеланджело во Флоренции. В частности, знаменитый Давид, «Рабы» и ещё 4 статуи из часовни Медичи. Сканирование производится с плотностью точек равной 0,25 мм, достаточной для того, чтобы увидеть следы от долота Микеланджело. Столь детальное сканирование предполагает получения огромного количества данных (около 32 гигабайт). На их обработку ушло около 5 месяцев.

Примерно в это же время работала исследовательская группа от компании IBM, под руководством Х.Рашмейера и Ф.Бернардини. Перед ними встала задача просканировать скульптуру «Флорентийская пьета», чтобы получить как геометрические данные, так и информацию о цвете. Цифровая модель, полученная в результате сканирования Стэндфордского университета, была полностью использована в 2004 году для дальнейшего восстановления статуи.

Применение в медицине CAD/CAM

3D-сканеры активно используются в ортопедии и стоматологии для создания 3D-формы пациента. Постепенно они заменяют собой устаревшую гипсовую технологию. Программное обеспечение CAD/CAM применяется для создание протезов и имплантатов.
Многие стоматологии используют CAD/CAM, а также 3D-сканеры для захвата 3D-поверхности средства для зубов (в естественных условиях или в пробирке), для того, чтобы создать цифровую модель с помощью САПР-технологий или же CAM-методов (к примеру, для фрезерного станка под управление ЧПУ (числовое программное управление), а также 3D-принтера). Такие системы предназначены для облегчения процесса 3D-сканирования препарата в естественных условиях с дальнейшим его моделированием (например, для коронки, пломбы или инкрустации).

Обеспечение качества и промышленная метрология

Оцифровка объектов реального мира имеет огромное значение в различных областях применения. Весьма активно 3D-сканирование применяется в промышленности для обеспечения качества продукции, к примеру, для измерения геометрической точности. Преимущественно все промышленные процессы, такие как сборка, являются довольно сложными, они также отличаются высокой степенью автоматизации и обычно основаны на CAD (автоматизированное проектирование данных). Проблема в том, что та же степень автоматизации требуется и для обеспечения качества. Яркий пример, автоматизированная сборка современных автомобилей, ведь они состоят из множества частей, которые должны точно совпадать друг с другом.
Оптимальный уровень производительности гарантируется системами обеспечения качества. В особенной проверки нуждаются геометрические металлические детали, ведь они должны быть правильного размера, подходить к друг другу, чтобы обеспечить надёжную работу.
В высокоавтоматизированных процессах результаты геометрических измерений передаются на машины, которые производят соответствующие объекты. Из-за трения и других механических процессов, цифровая модель может немного отличаться от реального объекта. Для того, чтобы автоматически фиксировать и оценивать эти отклонения, произведённые детали нужно заново сканировать. Для этого и применяются 3D-сканеры, которые создают модель-образец, с которой сравниваются полученные данные.
Процесс сравнения 3D-данных и CAD-модели называют CAD-сравнением, и может быть полезным методом для определения уровня износа пресс-форм и станков, точности окончательной сборки, анализа разрывов, а также объемной поверхности разобранной детали. В настоящее время лазерные триангуляционные сканеры, устройства, использующие структурированный свет и сканирование контактов являются ведущими технологиями, которые применяются в промышленных целях. Контактные методы сканирования, хоть и являются самым медленным, но наиболее точным вариантом.