3d модель с помощью сканера. Методы и технологии трехмерного сканирования. Коррекция и калибровка

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

И очень меня эта тема заинтересовала, хотя быстро пришло понимание того, что ни о каких 30$ для качественного сканирования не может быть и речи.

Но основной плюс, который я вынес из статьи – программа для сканирования David-3D, к которой действительно есть хорошее руководство на русском языке и, что немаловажно, покупка лицензии - это последнее, что требуется, так как ограничение у бесплатной версии только на сохранение результата сканирования. Все остальное работает в полной мере, а значит вполне можно тестировать программу, настройки и свое железо сколько угодно. А если вам и результат не требуется с высокой точностью – то и вовсе без покупки лицензии можно обойтись.

Мне точность требовалась, так как основное, что мне хотелось сканировать это были миниатюры из настольной игры Warhammer (дабы потом их изменять, как хочется и печатать:)). В высота этих «солдатиков» всего 3 см, однако это не мешает им быть очень детализированными.

Если вам не требуется снимать настолько мелкие объекты – то требования к оборудованию у вас будут ниже, а значит и намного проще будет собрать себе подобный сканер.

Принцип работы программы, и соответственно сканирования, хорошо описан в статье, на которую была ссылка выше (дублировать это, думаю, не обязательно). Желательно прочесть ту статью первой, так как эта будет в некотором роде её логичным продолжением.

Но начнем по порядку. Что понадобится для того, чтобы опробовать 3д сканирование в домашних условиях:
1 – проектор.
2 – веб камера.

Собственно все, короткий список на удивление получился. Тем не менее, если вы хотите получать очень точные и качественные сканы, то придется кое что доработать ручками. Без дополнительных затрат тут конечно не обойтись, но в итоге это все все равно обойдется дешевле, чем покупка любого из имеющихся в продаже 3д сканеров, да и качество результата получить можно намного лучше.

Теперь по порядку и подробно.

ПРОЕКТОР.

Свои первые опыты по сканированию я, как и автор предыдущей статьи, начинал с лазерной указки, но они сразу же показали, насколько это неудобный способ. Недостатков тут сразу несколько:
– невозможность получения луча с достаточно тонкой линией. Тем более, что при повороте указки меняется расстояние от линзы до объекта, а значит сбивается фокусировка.
– если требуется регулярно сканировать, поворачивать лазерную указку с достаточной точностью и плавностью вручную очень сложно, да и утомительно просто – руки не такой уж стабильный инструмент когда речь идет о длительном времени.
– сканировать приходится в темноте, дабы была видна только линия лазера и ничего более.

И если со вторым недостатком еще можно бороться путем создания специального поворотного механизма (хотя это уже получается не такая уж и простая задача, во всяком случае, за 5 минут на коленке такое не сделать), то избавление от первого недостатка дороже.

Когда я все это осознал, то решил попробовать сканирование с помощью проектора, для чего взял на время какую-то простую модель у знакомого.

Тут следует сделать небольшое уточнение – в прошлой статье автор упоминал о возможности сканирования с помощью проектора, хотя предложение было, на мой взгляд, весьма странное -

Подойдет проектор с мощной лампой, свет которой нужно направить сквозь узкую щель на сканируемый объект

Возможно, в ранних версиях программы это был единственный вариант, но в версии 3 с которой я экспериментировал, проектор использовался намного лучше, т.к. там есть возможность называемая Structured Light Scanning (SLS). В отличие от лазерного сканирования, проектор сразу проецирует на объект сетки из вертикальных и горизонтальных линий различной толщины, что на порядок уменьшает время сканирования и позволяет в автоматическом режиме снимать цветную текстуру объекта. Ну и при хорошей фокусировке, линия в 1 пиксель шириной намного тоньше, чем возможно получить от недорогой лазерной указки.

К сожалению, фотографии с тех первых опытов я не делал, да и фотографировать особенно было нечего – проектор на столе, рядом с ним веб-камера, все это смотрит в одну сторону:) Однако даже такая простейшая конструкция показала, что этот вариант намного предпочтительней как по скорости сканирования, так и по качеству. Тогда я и решил купить для этих целей себе проектор.

Критерии для выбора проектора были простые – разрешение больше, цена и размеры меньше:)
Выбор остановился на IconBit Tbright x100 - ультракомпактный DLP LED проектор, разрешение 1080 – на тот момент мне казалось, что лучше и не придумаешь, но как выяснилось позже – я ошибался, хотя занимаясь с ним, я получил много интересного опыта.

Первая проблема, которая возникает при сканировании маленького объекта с помощью проектора, заключается в том, что для лучшего результата, размер проецируемой сетки должен примерно соответствовать размеру сканируемого объекта. Данный проектор позволял получить наименьшую диагональ экрана при самом близком фокусе - примерно в 22 см. Согласитесь, что на таком фоне миниатюра в 3 см высотой далека от понятия «примерно равные размеры». Ответ нашелся на официальном форуме – люди в таких случаях устанавливают на проектор фотоаппаратные линзы для макросъемки. Учитывая небольшие размеры объектива проектора, я остановил свой выбор на линзах marumi с диаметром резьбы 34 мм.

Используя два таких комплекта, удалось получить экран проектора с диагональю всего около 3 см. Чего оказалось вполне достаточно, чтоб сделать свой первый микроскан –

Это единичный скан, поэтому и есть «дырки» на модели, рваные края и т.д. Поворачивая монету и сканируя с разных ракурсов, можно получить несколько таких сканов, которые впоследствии объединяются в один объект (сама программа сканирования позволяет правильно совмещать разные сканы, сшивать их и сохранять как единый объект). В процессе сшивания заодно уточняется форма объекта. Но сохранять результаты такого сшивания – возможно только после покупки лицензии.

И вот настал момент первой вещи, которая для сканирования не обязательна, но с ней процесс намного удобнее – это стойка под проектор с камерой. Сам процесс калибровки нужен не только для того, чтоб программа узнала параметры оборудования - софт также должен расчвитать взаимное расположение камеры и проектора. В процессе работы их изменение не допускается (как и изменение фокусировки камеры), а значит, требуется жестко все это закрепить, ведь количество сканов может быть большим даже для одного объекта.

На основной странице David"а и изображена подобная система – ничего сложного она собой не представляет. Да и полистав форум и посмотрев, как это организую себе разные люди, понял, что ничего сложного тут не требуется.

Для этих целей была взята стойка от сгоревшего ЖК монитора, и оргстекло от него же, вырезана и склеена вот такая конструкция, как она выглядела в первом варианте

К подставке для проектора и был приделан крепеж для установки различных линз, что позволяло менять диагональ экрана, и сканировать объекты разного размера.
Следует также упомянуть о том, что сканирование с помощью проектора не требует постоянного нахождения в поле зрения калибровочных панелей. После того как произведена калибровка их можно убрать. Это позволяет откалибровав установку спокойно её переносить, двигать и т.д.
То есть вы можете используя большой калибровочный шаблон произвести дома на стенах калибровку, а затем с этой стойкой и ноутбуком выйти на улицу и отсканировать свой автомобиль, например. Взяли меньший шаблон, поставили пару линз – и можно сканировать ювелирные изделия.

Недавно фирма выпустила усовершенствованный набор для сканирования, вот там уже стойка намного серьезней и интересней смотрится –

Как по мне, при стоимости лицензии на программу около 500$ (это они еще цену подняли недавно), отдавать за такой набор более 2000 евро – не совсем оправданно, собрать самому что-то подобное не сложно и значительно дешевле.

Вернемся к проектору. Как оказалось, у этого проектора был один существенный недостаток для использования в сканере, а именно его родное разрешение (854*480). И все бы ничего, если бы он и на выходе выдавал то же самое, но увы – картинка преобразовывалась к стандартным разрешениям (типа 1024*768), и в результате линия шириной в один пиксель была в разных частях экрана где-то ярче, где-то тусклее, где-то уже а где-то шире… Все это негативно сказывалось на качестве сканирования, выражаясь в виде ряби и полосок на получаемой модели.
К тому времени я уже задумывался о покупке проектора для стереолитографического 3Д принтера (). Рассмотрев несколько вариантов, я остановился на модели Acer P1500, т.к. ей не нужны никакие доработки для использования в принтере (этот проектор без всяких линз способен дать сфокусированное изображение на экране примерно 4*7 см). А значит, и для сканера он подойдет как нельзя лучше. При этом разрешение в 1920*1080 у него реальное. Так оно и вышло, этим проектором пользуюсь до сих пор и полностью доволен результатами.

КАМЕРА.

Критерии при выбора камеры у меня были те же, что и при выборе проектора. Пройдясь по магазинам, остановился на Logitech C615. Скан монеты был сделан именно с неё, без всяких модификаций. Но когда я попытался отсканировать фигурку, то столкнулся с трудностью, которая называется «глубина резкости». Когда объект настолько мал, то фактически у нас получается макросъемка, а резкость при такой съемке достигается только на небольшом отрезке, буквально всего пара миллиметров (именно поэтому монета хорошо отсканировалась – рельеф вполне укладывался в область резкости). Было решено переделать камеру под другой объектив. На Ebay было заказано несколько разных объективов для пробы, а также был вырезан новый корпус под плату камеры. План был такой

Финальный результат немного отличался

Основная идея, я думаю, понятна. А сейчас и на Thingiverse и на форуме программы можно скачать stl для печати корпусов под разные типы вебкамер.

С платы камеры пришлось убрать стандартный объектив, и как выяснилось позже – вместе с ним был убран и ИК-фильтр, так что будьте в этом вопросе аккуратней. Фильтр потом пригодится для использования с другими объективами, хотя можно и отдельно их докупить – цена копеечная.

Таким образом, у меня вот такая коллекция объективов образовалась.

Пока я ожидал доставку объективов, читались различные форумы по фотосъемке. Изучая вопрос с глубиной резкости, я выяснил, что увеличить её можно сильнее закрыв диафрагму объектива. А значит и объектив требовался такой, в котором была возможность регулировать диафрагму (увы, среди заказанных не все обладали такой возможностью, но на мое счастье и парочка таких попалась). В общем, для улучшения камеры желательно иметь варифокальный объектив с зумом и регулируемой диафрагмой. На практике все оказалось так, как и было в теории – закрывая диафрагму, сразу было видно увеличение глубины резкости, что позволило-таки сканировать объемные, но мелкие объекты.

Основной объектив, которым я пользуюсь - на фото выше установлен на камере. Второй, с регулируемой диафрагмой, самый большой, в центре. Его я использую для совсем уж маленьких объектов. Остальные без диафрагмы, так что ими не пользуюсь - оказалось что вполне достаточно и этих двух.

В планах теперь либо найти вебкамеру с большим разрешением (качество и детальность сканов напрямую зависит от разрешения камеры), либо попробовать использовать для этих целей какой-нибудь цифровой фотоаппарат с возможностью съемки видео – обычно в них намного больше разрешение можно получить, да и объективы лучше.

Собственно на этом можно было бы и закончить – вроде обо всем рассказал. Я тоже думал что на этом у меня закончилась сборка сканера, но чем дальше в лес… Изучая форум данной программы я часто натыкался на различные схемы поворотных столиков - благо софт позволяет автоматизировать процесс сканирования. После одного скана подается команда на com-порт, поворотный столик вращается, поворачивая объект на заданное количество градусов, и дает команду на следующий скан. В результате одним кликом мышки мы имеем круговые сканы объекта - казалось бы, чего еще желать? Эту систему я с интересом опробовал, но увы – мне такой подход абсолютно не понравился, и тому есть пара причин.

1 – если объект сложной формы, то просто его вращать его будет недостаточно – требуется еще и наклонять в разные стороны, чтобы камера с проектором дотянулась до всех впадин и других труднодоступных мест.
2 – даже если таких мест нет, и учитывая все сканы, которые были сделаны, на объекте не осталось частей, которые не попали в скан, остается вопрос точности скана.

Допустим, какая-то часть модели на одном из сканов вышла идеально. Но это не значит что на всех сканах, в которые эта часть попала, она выглядит также идеально, а при сшивании сканов с разных ракурсов результат будет усреднен, что не может радовать. Программа позволяет немного редактировать полученные сканы (можно вырезать ненужную часть). Если мы вращаем модель на 20 градусов, значит, после полного оборота у нас будет 18 сканов, нужная нам часть вполне может присутствовать на половине из них, следовательно, чтобы оставить наилучший результат надо будет удалить этот кусок из 8ми сканов… А таких кусков при сложной модели может быть много, в результате от каждого скана будет отрезаться чуть ли не половина, что очень трудоемко и требует много времени.

Вместо этого лучше после первого скана сразу сканировать прилегающие области, и проверять результат. Как только какой-то кусок готов – переходим к сканированию следующего, и так, пока вся модель не будет в идеальном виде. Такой подход дает лучший результат за меньшее время.

Но возникает вопрос удобства. Согласитесь, неудобно вручную пытаться крутить объект, глядя не на него, а на монитор – чтоб контролировать попадание в объектив, не поменяв расстояние до камеры и проектора при этом (дабы не сбился фокус). При очередной подобной эквилибристике я случайно задел камеру, что соответственно сбило всю калибровку, и весь процесс пришлось начать заново. Такой расклад мне категорически не понравился, и я после некоторых размышлений пришел к плану вот такой конструкции (которую, как вы понимаете, впоследствии и собрал).

Это не поворотный столик в обычном понимании этого термина. Благодаря такой конструкции я могу не только вращать модель, но и наклонять её, как мне будет нужно. При этом центр модели остается в плоскости фокуса, но даже если и нет – можно вперед-назад крепление с моделью двигать.

Все это собралось на ардуино, была написана небольшая программа для управления, и в результате мне теперь при сканировании не приходится вставать из-за компьютера – используя программу, я меняю положение сканируемого объекта, и при этом тут же, в окне камеры выбираю оптимальный для сканирования ракурс.

Внутренности

В программу я заложил возможность автоматического сканирования, а так же сканирования непросто по кругу, а с наклонами на 45 градусов в одну и другую сторону, что дает в три раза больше сканов. Тем не менее, в итоге, я все-равно никогда этой возможностью не пользуюсь – слишком неудобно потом разбираться в полученной куче сканов и чистить их от неудачных кусков.

Следует также упомянуть о некоторых нюансах сканирования.
1 – невозможно сканировать блестящие и зеркальные поверхности. Свет от них отражается, или дает такой блик, что программа не может корректно распознать линию. Если есть необходимость сканирования такого объекта, то подобные части придется чем-то замаскировать (смывающейся краской, бумажным скотчем и т.д.).
2 – удобнее сканировать монотонные объекты, так как при настройке камеры на светлый цвет выставляется не такая большая яркость проектора, малая экспозиция и т.д. А для объекта темного цвета требуется большая яркость, так что если у вас объект разноцветный, то для разных его частей требуются разные настройки для получения наилучшего результата. Здесь тоже удобней использовать сканирование объекта частями.
3 – если вы хотите сразу получить цветную текстуру то учтите, что настройки камеры и проектора для скана не влияют на настройки для снятия текстуры (скан вообще в черно-белом режиме делается), так что поиграйтесь настройками в режиме текстуры также, как вы будете это делать в режиме сканирования.

Процесс сканирования у меня сейчас выглядит таким образом:
- Фокусировка проектора и камеры

Свет проектора слишком ярок и на фото не видна проецируемая сетка, но вот вид из камеры в программе

Калибровка сканера

Калибровочный угол был сделан из металлических пластин, а калибровочные шаблоны разного размера были напечатаны на магнитной бумаге - так можно очень быстро подстраиваться под разные размеры сканируемых объектов.

Вид в программе

Рекомендуется, чтобы совокупный угол между лучом проектора и камеры был около 20 градусов. Поэтому такая стойка и используется - при сканировании больших объектов (например, человека) камеру надо гораздо дальше от проектора отставить, здесь же они у меня вплотную стоят. Расположение камеры относительно проектора может быть только вертикальным, или только горизонтальным - в зависимости от геометрии объекта. В данном случае расположение диагональное (13 градусов по вертикали и 36 по горизонтали).

Результаты сканирования с разных ракурсов. Это уже подчищенные сканы, т.е. удалены все неудачные и ненужные (подставка фигуры, попавшее в кадр крепление) части.

Совмещение сканов для последующего объединения в один объект

Благодаря тому, что каждый скан имеет свой цвет удобно контролировать правильность совмещения.

Ну и после объединения сканов с разных ракурсов получаем такие модели

Миниатюра Боромира из властелина колец.

При сканировании разноцветного объекта результат немного хуже, если сильно не заморачиваться. Но зато можно получить объект сразу с текстурой:)

Оригиналы моделей

В галерее работ пользователей на сайте разработчика (http://www.david-3d.com/en/news&community/usergallery) можно найти еще много интересных сканов, даже отпечатки пальцев люди сканируют. И встречаются даже сканы таких же миниатюр из вархаммера

В заключении хочется сказать о том, что какое бы железо вы не использовали, какой бы дорогой 3д сканер вы не купили, но это не панацея для печати чего угодно. Теоретически конечно можно полученный объект отправлять в слайсер и печатать, но есть несколько причин, почему не стоит так поступать, а стоит в любом случае изучать пакеты 3Д графики.

1 - Полученные сканы, при хорошем качестве сканирования (а мы ведь хотим получить наилучшее качество) имеют очень много полигонов. Нет, даже ОЧЕНЬ много. Скан Боромира после слияния содержал более 8 миллионов полигонов - не каждый слайсер сможет работать с таким объектом.
2 - Любые объекты несут на себе следы сборки и изготовления. И если в реальности для исправления этого применяют надфили и наждачку (а иногда все-равно есть недоступные места, где невозможно применить инструменты), то работая с цифровой копией объекта, мы можем изменить его как угодно - убрать дефекты, улучшить детализацию и т.д.
3 - Как я говорил в начале статьи, когда я задумался о сканере, я хотел не копии объектов печатать, а изменять их как мне будет угодно. Я не скульптор, у меня нет инструментов, материалов и навыков, чтобы вылепить такую мелкую модель. Но умея работать в 3Д, мне намного проще, отсканировав подобного Боромира, сделать из него какого-нибудь Принца датского.

Кстати, эта модель содержит уже почти в 100 раз меньше полигонов, чем результат сканирования.

Теги:

3д сканер
diy или сделай сам
3д моделирование
3д графика

Добавить метки

3D-сканирование является одним из способов построения 3D-модели. Напомним, что 3D-модель можно построить и без использования 3D-сканера - в профессиональной программе по работе с трехмерной графикой. Но 3D-сканер значительно упрощает и ускоряет данный процесс.

3D-лазерные сканеры - это устройства, которые проводят анализ физического объекта, и, на основе полученных данных, создают 3д модель. Трехмерное изображение 3D-сканер сохраняет преимущественно в форматах STL, OBJ, PLY и WRL.

С помощью 3D-сканера можно быстро и качество воссоздать максимально точную модель объекта. Работа 3D-сканера должна проходить под контролем опытного инженера. Результат сканирования дорабатывается в профессиональном графическом редакторе для трехмерной графики. В дальнейшем, при необходимости, можно провести 3D-печать объекта, на основе построенной 3D-модели. Компания KOLORO предоставляет услуги 3D-сканирования. В нашем техническом арсенале есть 3D-сканеры для работы с физическими объектами различного типа и величины.

Методы трехмерного сканирования

Контактный 3 D-сканер . Для сканирования устройству необходимо находится в непосредственном контакте с объектом сканирования.
Бесконтактный 3D -сканер . Получение 3D-модели с его помощью считается наиболее перспективным методом 3D-сканирования. 3D-сканеру необязательно контактировать с объектом, что позволяет проводить 3D-сканирование труднодоступных объектов, памятников культуры и архитектуры, а также ювелирных изделий. Уже даже существует промышленный 3D-сканер, который сканирует дома, насыпи и другие крупные объекты.
Активные бесконтактные 3D -сканеры (для изучение объекта используют структурированный световой или лазерный луч, который попадая на объект, отражается и на основе этого отражения 3D-сканер строит 3D-модель).
Пассивные бесконтактные 3D -сканеры (данный вид устройства использует уже существующее отражение от объекта, в основном - солнечный свет).

Принцип работы 3D-сканера

В основе работы 3D-сканера лежит принцип стереозрения. Сканер, как и человеческий глаз, способен определить расстояние до объекта и его размеры. Как у человека два глаза, так и у 3D-сканера - две камеры. После получения необходимой информации 3D-сканер строит 3D-модель объекта. Для недопущения неточностей, 3D-сканер оборудован подсветками для каждой из камер

Преимущества 3D-сканера

Для начала выделим общие преимущества 3D-сканеров :

Максимально высокая точность модели - 3D-сканер воссоздает даже самые незначительные, мельчайшие, детали физического объекта;
Высокая скорость работы - объемное сканирование занимает всего несколько минут, а то и секунд, после чего необходима доработка построенной сканером 3D-модели в профессиональных программах для работы с 3D-графикой;
Сканер можно разместить под разными углами , в зависимости от сложности объекта, при этом сам объект можно не трогать, что особенно важно при сканировании больших и огромных объектов (например, дома, памятники и ландшафты).

Контактные 3D-сканеры:

просты в использовании.
не зависят от уровня освещения.
создают модели высокой точности.
файл 3D-модели небольшой по объему.

Бесконтактные 3D-сканеры:

энергоэкономичны;
не требуют непосредственного контакта с объектом;
применяют технологию структурированного света;
не наносит вреда физическому объекту.

Применение 3D-сканера

Инженерный анализ - 3D-сканер может быстро и качественно создать трехмерную модель объекта и просчитать его физические пропорции в требуемых размерах. При наличии физической модели в единственном экземпляре объемное сканирование поможет создать разноразмерные копии и быстро наладить мелкосерийное производство.
Цифровой анализ - 3D-сканер помогает визуализировать все технические несоответствия изделий и деталей, а значит, внести в них все необходимые корректировки еще до этапа изготовления протипа изделия.
Цифровая архивация . Теперь можно отказаться от двухмерных рисунков, чертежей и даже от 3D-моделирования устаревших деталей. 3д-сканер считает с объекта всю необходимую информацию, построит 3D-модель и заархивирует ее в нужном для изготовления формате. Это существенно экономит время и не потребует выделение места под хранение физических чертежей.
Архитектура . С помощью 3D-сканера можно создать модель целого дома, а также отдельных элементов архитектуры: эмблем, колон и различного рода декораций.
Медицина . Именно 3D-принтер выступает отличным помощником при 3D-сканировании костей и даже отдельных органов - с высочайшим уровнем детализации! В дальнейшем, полученные 3D-модели и созданные прототипы могут быть использованы в качестве учебных материалов в специализированных ВУЗах или при создании полноценных биологических протезов.

Интервью с Георгием Казакевичем, экспертом направления технической поддержки 3D-оборудования компании iQB Technologies

– В первой части интервью мы говорили об обратном проектировании (reverse engineering ). Теперь давайте разберемся, что такое контроль геометрии?

Контроль геометрии – это, по сути дела, контроль качества . Вот смотрите: предприятие получает заготовки, которые оно должно доработать. Если производить входной контроль этих заготовок, можно очень сильно уменьшить себе головную боль на этапе изготовления.

Взгляните на схему (рис. 1): для первой детали первые три пункта выполняются вручную (сканирование, подготовка к анализу и непосредственно анализ), а отчет составляет за вас программное обеспечение. Для следующих 999 деталей вручную делается только сканирование, остальные три этапа выполняет ПО. Таким образом, вы тратите время только на оцифровку. А при контроле геометрии сканирование – это обычно от 5 до 15% затраченного времени, не больше. Следовательно, при потоковом контроле или контроле серийного производства мы начинаем экономить массу времени.

Раньше предприятие могло себе позволить контролировать одну деталь из тысячи, потому что на это уходил день. Внедряя 3D-сканирование, можно контролировать сто деталей из тысячи всего за два дня. В первый день мы делаем всё вручную, и лишь еще один день потратим на 99 деталей – их надо только отсканировать. После чего помещаем CAD-модель в определенную папку и говорим программному обеспечению: «Работай».

Рис. 2. Карта отклонений геометрии футеровки

– Расскажите, пожалуйста, как это работает, на примерах из практики iQB Technologies .

– Была задача измерить толщину футеровки, успешно выполненная главным техническим экспертом нашей компании . Существует узел смешения жидкостей, он металлический, потому что жидкости подаются под давлением. Проблема в том, что должным образом обработать металл внутри – это, во-первых, тяжело, во-вторых, дорого. Ко всему прочему, металл – это материал, который вступает во взаимодействие со многими жидкостями, он может ржаветь, подвергаться коррозии и т.д. Этот узел изнутри покрывается специальным пластиковым составом. Для того чтобы достигалось правильное смешение жидкостей, покрытие должно быть равномерным. Если в нем есть рытвины, если оно неравномерно по толщине, внутри будут появляться завихрения. Они создают дополнительное давление на узел, следовательно, уменьшают срок его эксплуатации.

Раньше предприятие контролировало одну деталь из тысячи, потому что на это уходил день. Внедряя 3D-сканирование, можно контролировать сто деталей из тысячи всего за два дня.

Итак, сначала было выполнено 3D-сканирование узла без покрытия, затем с покрытием, и результаты подвергнуты сравнению. Красная зона на скане (рис. 2) – это покрытие. На правой картинке видно, что оно неровное. Исходя из полученных результатов, заказчик может предъявить претензии субподрядчику, который занимается нанесением этого покрытия.

Рис. 3. Контроль сварной конструкции

Следующий пример – выполненный мной контроль сварной конструкции. Я ездил в Нижний Новгород на завод компании Liebherr, который производит для сборки промышленной техники. Сами металлические листы приходят из Германии, в России свариваются и потом отправляются обратно. Из-за того, что конструкция довольно большая (2 м длиной), предусмотрены посадочные отверстия для крепления к другим конструкциям. Если во время сварки произойдет какой-нибудь перекос, деталь в одном месте присоединится, а в другом нет. Чтобы избежать этого, на заводе решили перед отправкой в Германию все детали предварительно сканировать и оценивать на отклонения, которые получились при сварке. В таблице справа (рис. 3) мы видим фактические размеры, которые показало 3D-сканирование. Отклонения отображаются в виде цветовой карты. Зеленый цвет – хороший результат, желтый – в пределах допуска, красный – неприемлемое отклонение. Конкретно та деталь, которую мы сканировали, естественно, не проходит и считается браком.

– В каких еще отраслях Вы применяли 3D-сканер и ПО для контроля геометрии?

Рис. 4. Контроль геометрии крыла автомобиля

– К примеру, у нас были проекты, связанные с . Запчасти для автомобилей, как вы знаете, достаточно дорогие. Их всегда можно заказать из Китая, но гораздо удобнее наладить производство в России. Наш заказчик, который изготавливает запчасти для машин высокого сегмента, стал получать жалобы: детали «играют», когда их пытаются посадить на место. Мы отсканировали крыло для BMW, сделанное в России, и крыло оригинального BMW. Сравнили их друг с другом и увидели, что российская деталь по размеру чуть больше, чем требуется. На основании этого в производственный цикл были внесены изменения.

Рис. 5. Корпус автобуса

На рисунке 6 вы видите корпус автобуса и результаты 3D-сканирования – это проект, которым занимался Алексей Чехович. В Москве есть предприятие, которое производит автобусы из смолы. Современные смолы по прочности могут соперничать с металлами, при этом они намного легче, а значит, экономичнее с точки зрения расходов топлива. Такой автобус собирается из нескольких частей. На предприятии заметили, что при сборке возникают некоторые перекосы, напряжения. Вначале нас пригласили отснять сделанные заготовки. Мы их отсняли и увидели, что заготовка сама по себе кривая. А в дальнейшем мы выяснили, что проблема даже не в заготовке, а в самой форме, в которой ее делали. То есть заготовка с формой идеально сошлась, а вот сама форма была бракованной, и ее пришлось заменить. После этого было решено, что мы примерно раз в полгода будем проверять форму.

– Контроль качества включает в себя и эксплуатационный контроль. Приходилось ли Вам решать подобные задачи с помощью 3D-сканирования?

Да, и это, как правило, связано со сложными, дорогими устройствами, типа самолета. В процессе эксплуатации на него действуют колоссальные нагрузки, и существуют ограничения на структурные изменения конструкции, которые самолет приобретает в процессе эксплуатации. Компания S7 заказала у нас полное 3D-сканирование Airbus. Анализ мы не выполняли, так как эти данные составляют коммерческую тайну.

Рис. 6. Эксплуатационный контроль Airbus авиакомпании S7

Обратите внимание на скан, где видно наклейку на хвостовой части (рис. 6). Дело в том, что даже такая вещь, как наклейка влияет на расход топлива. Измерительные системы, которые есть в нашем распоряжении, настолько чувствительны, что могут рассчитать оптимальное размещение наклейки. И по просьбе S7 было произведено 3D-сканирование хвоста самолета с наклейкой и без нее, чтобы понять, насколько правильно она расположена.

Рис. 7. Контроль оснастки на авиационном заводе

Упомяну еще один проект из области . Заказчиком iQB Technologies был самолетостроительный завод, изначально поручивший нам анализ листовых изделий довольно большого размера (2 метра и больше). На основании измерений мы выяснили, что деталь гнутая и не укладывается в требуемые допуски. И это при том, что на самом заводе она прошла контроль.

После того как деталь изготовили, ее кладут на деревянный шаблон (рис. 9). Если она лежит ровно, делают вывод, что она годная. Поскольку показывал отклонения, мы предложили проверить шаблон. И вот на скане можно увидеть множество зон с отклонениями. Такие шаблоны больших размеров, по которым изготавливаются узлы или детали, имеют сложный профиль, и поэтому их тяжело контролировать. Негодность самой шаблонной конструкции – это, на самом деле, большая проблема для многих предприятий.

– И здесь на помощь приходит 3D-сканер…

Сегодня мы расскажем о видах и типах 3D сканеров, а также об эффективном применении их в различных сферах.
3D сканирование находит широкое применение в промышленности, медицине и в быту. Более того, многие современные производственные процессы не могут обойтись без автоматизации и контроля. В этих случаях наряду с компьютерным зрением приходит технология 3D сканирования.

3D-сканеры можно разделить на два типа: Контактные и, соответственно, бесконтактные.

Контактные сканеры

К первому типу сканеров относятся CMM (coordinate measuring machine - координатно-измерительные машины).Эти устройства напоминают промышленные ЧПУ станки, на массивном основании, но вместо шпинделя крепится измерительная головка с рубиновым шариком на конце. Сканирование, или контроль геометрических размеров производится контактным способом. Щуп медленно подходит к измеряемому объекту, регистрируя малейшее касание.

Так же существуют системы с подвижными “суставами”, в которых установлены высокоточные энкодеры. При перемещении сканирующего органа оператором эти датчики фиксируют перемещение всей системы и на основе этих данных строит трехмерную модель изделия.

Пример таких сканеров: Faro Arm Edge 9 - компактный и точный промышленный сканер идеально подходящий для контроля пресс форм, или штампов.И ROMER Absolute Arm SE 7 - 7-ми осевая измерительная рука, крайне удобная в работе, оборудованная магнитным основанием, которые позволяют надежно закрепить сканер на любой ровной металлической поверхности.Данные сканеры широко применяются на высокоточных производствах для контроля геометрических размеров выпускаемой продукции. Так же при помощи данных устройств можно произвести “полное” сканирование и получить облако точек.
Но данная технология не идеальна, и имеет ряд ограничений, таких как:

Низкая скорость сканирования
Невозможно (чаще всего) сканировать поднутрения и малые отверстия
Установки стационарны и массивны. Поэтому применение их в 3D съемке ландшафта и архитектурных объектов невозможно

Хотя и существуют портативные решения, такие как Creaform HandyProbe , который позволяет сканировать достаточно габаритные конструкции, но все же для съемки ландшафта они мало применимы. Зато идеально подходят для реверс-инженеринга и контроля качества.

Бесконтактные активные сканеры

Бесконтактные сканеры делятся на несколько типов по способу сканирования. Условно их можно разделить на лазерные и оптические.

Лазерные сканеры Основная часть лазерных сканеров работает на принципе триангуляции. Суть триангуляционных 3D сканеров состоит в том, что высоко контрастная камера ищет лазерный луч на поверхности объекта и измеряет расстояние до него. При этом оптическая ось камеры и лазера разнесены, а расстояние между ними и угол заведомо известны. Таким образом, путем не хитрых геометрических измерений мы можем достаточно точно измерить расстояние до объекта, быстро получив облако точек. По сравнению со сканерами измеряющими время отклика луча этот класс устройств имеет ограничения по дальности сканирования, но при этом сканирует объекты с высокой точностью.
Ярким примером подобных лазеров являются:

BQ Ciclop - 23 890 руб., Точность: 0.5-5мм от размеров детали, Область сканирования: 205 мм. Имеется вращающаяся платформа.
David Laserscanner - 59 000 руб., Точность: 0.5% от размеров детали, Область сканирования: 10-600 мм.
Digitizer (MakerBot) - 93 100 руб., Точность: 2мм, Область сканирования: 205 мм. Имеется вращающаяся платформа.

По сравнению с промышленными сканерами, стоимость данных устройств более демократична, и доступна большому кругу энтузиастов. Не зря такие сканеры стали настолько популярны. Эти сканеры идеально подходят для сканирования не больших объектов, например художественных фигурок или детских игрушек, для последующей печати на 3D принтере или получения 3D модели для использования в анимации или компьютерных играх.

А так же данные сканеры уже используются в образовательных целях во многих Российских школах и вузах.К другому типу лазерных сканеров относятся сканеры, основанные на измерении времени отклика лазерного луча от поверхности объекта. Данные виды сканеров представляют собой, по сути, лазерный дальномер. Такие сканеры широко распространены в строительстве и ландшафтном дизайне, успешно используются для создания 3D моделей зданий и памятников культуры. Они позволяют быстро оцифровывать окружающее пространство. Подобные системы компьютерного зрения даже устанавливались на первые прототипы беспилотных автомобилей.

Главным недостатком этих систем является сложность подсчета времени отклика лазерного луча на малых расстояниях (менее метра). Поэтому данные сканеры применяются по большей части геодезистами, ландшафтными дизайнерами и архитекторами.

Так же стоит отметить точность и скорость сканирования. У сканера FARO Focus 3D , стоимостью 65 500 $, заявленная точность составляет +-2мм на расстоянии до 25 метров. Скорость сканирования - 976 000 точек/секСканеры Leica HDS8800 и Leica ScanStation P20 имеют точность от2 до 20мм на расстоянии 100 и 1000м. Скорость сканирования же составляет до 1 млн точек/сек.Эти сканирующие устройства идеально подходят для съемок местности и больших объектов и не предназначены для сканирования мелких деталей.

Области применения: Ландшафтный дизайн, Геодезические измерения, Построение карт местности, Сканирование памятников культуры.

Оптические сканеры
Переходя к оптическим сканерам, хочется отметить сканеры, основанные на методе сканировании структурированным светом. Эти устройства представляют собой одну или две видео камеры в связке с кинопроектором. При засветке сканируемого объекта “зеброй” или черно-белыми квадратами, которые расположены в шахматном порядке, камеры анализируют искривления полученной картинки и на основе этих данных строят 3D модель. Этот метод широко применяется для реверс-инжинеринга, сканирования ювелирных украшений, часто применяется в медицине (протезирование). Особо стоит отметить использование данных сканеров в протезирование, так как трехмерное сканирование и печать в данной сфере работает максимально эффективно. Данная технология позволяет максимально точно изготовить косметический, функциональный или стоматологический протезы.

К недостаткам данной технологии можно было бы отнести ограничение по возможности сканирования крупных объектов, но данная задача эффективно решается путем нанесения на объект специальных маркеров, которые позволяют сканировать большие объекты по частям с последующей “склейкой” модели.

Данный метод сканирования популярен, и дает прекрасные результат, поэтому на рынке представлено достаточно много таких сканеров, вот некоторые из них:

RangeVision Smart - 175 000 руб. Область сканирования от 150х112х112 мм, до 500х375х375 мм, Точность: 0,2 мм - 0,1 мм.
David SLS-3 - 299 000 руб. Область сканирования от 10 до 600 мм, Точность - 0.05%
Volume Technologies VT Mini - 340 000 руб. Область сканирования - от 50 до 500 мм, Точность - 0.1%
RangeVision Standard Plus - 585 000 руб. Область сканирования от 66*50*50 мм до 850*530*530 мм, Точность: 0,015 - 0,16 мм
RangeVision Advanced - 710 000 руб. Область сканирования 66*50*50 мм до 850*530*530 мм, Точность: 0,03 мм - 0,16 мм. Разрешение камер: 2Мп
RangeVision Premium - 1 220 000 руб. Область сканирования от 66*50*50 мм до 850*530*530 мм. Точность: 0,015 мм - 0,16 мм. Разрешение камер: 5мп

Так же стоит отметить возможность использования совместно со сканерами дополнительные аксессуары, например клеящиеся маркеры, специальные матирующие спреи а так же моторизированные поворотные столы . Все это упрощает сканирование.

Области применения:

Ручные сканеры

Стоит отметить что существуют и портативные ручные версии сканеров, работающие как по лазерной так и по оптической технологии, обычно это профессиональные устройства, обладающей большой точностью и скоростью сканирования. Например:

Области применения: Реверс-инжиниринг, Образование, Хобби, Компьютерные игры, Протезирование, Сканирование людей, Архитектура, Музейное дело

Контроль измерений

Одним из наиболее востребованных направлений применения 3D сканеров является контроли измерений. В этом направлении используются высокоточные сканеры, оборудованные очень точными камерами, проекторами и имеющими специализированное ПО для анализа отсканированных изделий и сравнения их с CAD моделями. Например:

AICON stereoSCAN 3D – Точность сканирования - 0,025 мм, область сканирования – 400х400 мм.
GOM ATOS Compact Scan 2M – Точность сканирования - 0,021 - 0,615 мм, область сканирования: 35 x 30 - 1000 x 750 мм².
Gom ATOS Core 200 – Точность сканирования - 0,03 мм, область сканирования: 200 x 150 мм.

Области применения: Высокоточный Реверс-инжиниринг, Контроль геометрии

Бесконтактные пассивные сканеры И последний метод сканирования, о котором мы расскажем - бесконтактные пассивные способы сканирования. Они существуют трех видов: Стереоскопический, Фотометрический и метод силуэта.

В сканерах, которые основаны на стереоскопическом методе сканирования, имеются две камеры, повернутые под не большим углом относительно друг друга. Анализируя разницу между двумя изображениями, строится трехмерная модель. Точность таких сканеров не высока, но зато позволяет получить цветную трехмерную модель.
Так же при проектировании дизайна автомобилей до сих пор изготавливают вручную масштабный макет из специальной глины, а после чего успешно сканируют подобными сканерами.

Области применения: Не детализированный реверс-инжиниринг

Существуют и более продвинутые решения в данном направлении, это фотограмметрическая съемка, используя тот же принцип что и фотометрия дополнительно используется специальная система меток, позволяющая программе с большой точностью определить с какого ракурса и какая часть объекта была сфотографирована и как следствие - сделать более точную модель. Наиболее качественное такое решение сейчас имеет сканер AICON DPA от компании AICON.Области применения: Сканирование больших объектов, дополнительная примочка для повышения точности сканирования

Метод сканирования по силуэту распространен слабо и имеет ряд недостатков. Для получения изображения требуется поместить сканируемый объект на контрастный фон, и произвести серию снимков. Так же этот метод не позволяет сканировать вогнутые поверхности.

Так же существуют другие технологии сканирования, например компьютерная томограмма (КТ) и МРТ, использующий рентгеновское излучение, а так же коноскопическая голография. Все эти методы сканирования довольно узкоспециализированные, и не относятся теме нашей статьи, поэтому мы не станем заострять внимание на них в нашем обзоре.

Если у вас появились дополнения или вопросы - мы с радостью их обсудим! Пишите в комментарии или на почту [email protected]

Хотите больше интересных новостей из мира 3D-технологий?