Современные 3D-сканеры: распахнутая дверь в виртуальное пространство

Современные 3D-сканеры: распахнутая дверь в  виртуальное пространство

Хотя  виртуальная реальность прекрасна  даже сама по себе, большинство людей  хотят, чтобы и по ту сторону компьютерного  экрана их встречали цифровые образы привычных вещей. И пусть отдельные  черты их будут изменены, а вид  и функциональность – необычны, но и нарисованный программным кодом  автомобиль должен опознаваться как  автомобиль, а яблоко – как яблоко.

Способов  превращения реальности в виртуальность  и атомов – в биты существует множество. Однако основными приёмами уже долгое время остаются два: ручное моделирование объекта в специальных  программах-редакторах и сканирование объекта 3D-сканером (с последующей  обработкой во всё том же редакторе).

В разные периоды  времени преимуществом пользовался то один, то другой способ. На выбор влияли многие факторы, среди которых – появление новых технологий оцифровки, написание новых алгоритмов визуализации, запуск на рынок новых программных продуктов с более простыми и эффективными методами обработки 3D-модели…

 

Массовое использование 3D-сканеров началось с промышленного производства

Про настоящее время можно  сказать, что между моделированием и сканированием установился  некий паритет, который, однако, постепенно исчезает из-за постоянного прогресса  технологий 3D-сканирования. Ещё одной  причиной постепенной «победы» технологии 3D-сканирования можно считать стремительное развитие рынка 3D-принтеров и внедрение 3D-изображений в телевидение, кино, компьютерных играх и интерактивных аттракционах.

 

Есть контакт?

 

В настоящее время существует две  различные по принципу методики сканирования трёхмерных объектов: контактный и  бесконтактный.

Контактные 3D-сканеры представляют собой устройства со специальным щупом, который, проходя  по контурам объекта, составляет его  трёхмерную копию на экране компьютера. Контактные сканеры точны, просты в  использовании и прекрасно подходят для объектов с несложной геометрией – например промышленных деталей.

Однако их использование затруднено там, где  объекты имеют богатую детализацию, а форма контуров вместо чётко  очерченных граней включает плавные  линии. В этом случае сканирование может  занимать неоправданно много времени. Кроме того, контактные сканеры неприменимы  там, где принципиально невозможен сам контакт сканирующего узла с  объектом. В качестве примера тут  можно назвать необходимость  сканирования живых объектов и внутренних органов для медицинских нужд или сканирование предметов со сверхмалыми  размерами. Тем не менее, в настоящее  время контактные сканеры успешно  применяются в промышленности, нередко  являясь дополнительной опцией различных  фрезерных и гравировальных станков.

 

Свет и лазер

 

Более универсальный метод 3D-сканирования – бесконтактный. По принципу работы бесконтактные 3D-сканеры  весьма похожи на свои «обычные» аналоги. Тут тоже используется эффект отражения  волн – в первую очередь световых – от поверхности объекта. Отражённые волны улавливаются специальными сенсорами, анализируются и с помощью  различных алгоритмов преобразуются  в виртуальное отображение. Однако если обычный сканер имеет дело с  плоским объектов (рисунком, текстом) и способ его работы весьма прост, то 3D-сканеры вынуждены использовать сложные механизмы для анализа  облика трёхмерной фигуры.

 

До сих  пор во многих станках некоторые  узлы имеют функцию контактного  сканера

 

По типу сканирования бесконтактные 3D-сканеры делятся  на пассивные и активные. Пассивные 3D-сканеры для своей работы используют уже имеющийся окружающий свет, отражение  которого от фигуры и анализируется. Фактически, пассивные бесконтактные 3D-сканеры представляют собой фото- или видеокамеру, оснащённую алгоритмами  сведения снятого материала в  единую объёмную фигуру. Работа этих алгоритмов может требовать как съёмки некоторого числа кадров с определённых ракурсов, так и круговой видеосъёмки с  определённой скоростью движения камеры.

 

Основное  достоинство пассивных бесконтактных 3D-сканеров – простота их технической  реализации, которая компенсируется за счёт сложности алгоритмов обработки  и непростой (нередко многоступенчатой) процедуры приготовления объекта  к сканированию. Кроме того, пассивные  бесконтактные 3D-сканеры выделяются в среднем невысоким качеством  итогового результата – а значит, перед пользователем встаёт проблема последующей ручной доработки модели в редакторе.

 

Активные 3D-сканеры, помимо имеющегося окружающего света, генерируют собственный волновой сигнал, который может быть как световым или лазерным, так и, к примеру, звуковым. Кроме того, собственный  волновой сигнал активных 3D-сканеров может  иметь заданную производителем конфигурацию и форму – которая помогает сканировать объект с повышенной точностью. К примеру, некоторые 3D-сканеры  проецируют на поверхность сканируемого объекта сетку (или другую регулярную структуру) из линий белого света. Искажения  проекции от наложения на неровности объекта становятся дополнительным источником информации для алгоритмов 3D-сканера.

 

На производстве, в магазине, в госпитале…

 

Несмотря  на видимую сложность технологий 3D-сканирования, 3D-сканеры с каждым годом получают всё большее развитие. Это связано с массой причин, среди  которых можно назвать главные.

 

Во-первых, современному промышленному производству нужны  всё более быстрые, эффективные  и дешёвые технологии разработки товаров. 3D-сканирование как одно из звеньев цепочки разработки и  производства с каждым годом становится всё более востребованным.

 

Во-вторых, торговля, всё больше и больше использующая возможности интернета и стевых маркетинговых технологий, нуждается в постоянном создании 3D-моделей товаров – для рекламных, презентационных нужд и нужд электронных версий каталогов.

 

Мобильный и  автономный 3D-сканер способен на многое

 

В-третьих, максимально  реалистичными виртуальными копиями  реальных объектов сейчас пользуются такие разные по своей сути сферы  как мода, медицина, кино. Моделировать реальность предпочитают спецслужбы и  службы спасения.

 

Наконец, в-четвёртых, и мы говорили об этом в начале, распространение 3D-принтеров подталкивает вперёд распространение 3D-сканеров, с помощью которых  производится всё большее количество вещей: от детских игрушек до протезов, палеонтологических копий скелетов и даже домов.

 

Производство 3D-сканеров давно уже перестало  быть серией технологических прорывов. В настоящее время 3D-сканеры производятся во многих странах мира тысячью различных  компаний: от всемирно известных имён до дебютантов рынка.

 

Точно также  перестали привлекать пристальное  внимание и различные типы и виды 3D-сканеров. Спокойное отношение  к конструкции – следствие  того, что все современные устройства так или иначе успешно справляются  со своей задачей, в большинстве  своём предлагая похожую функциональность и возможности.

 

Тем не менее, иногда тот или иной 3D-сканер какой-нибудь компании становится героем новостной  ленты. Среди этих устройств есть и серьёзные модели для промышленного  производства, и концептуальные разработки, и примеры выполненных запросов рынка, и творческие вариации инженеров-одиночек. Ниже мы постарались собрать несколько  примеров наиболее любопытных на сегодняшний  день 3D-сканеров, каждый из которых  способен так или иначе повлиять на всю индустрию в целом.

 

Размер имеет  значение

 

Весьма интересными  можно назвать биометрические 3D-сканеры  компании BodyMetrics. Ранние модели вполне успешно применяются в британской сети модных магазинов Selfridges – помогая посетителям точнее подбирать одежду по фигуре, а владельцам – продавать на 20% больше джинсов.

Камера сканирования BodyMetrics в магазине NewLook

Новый 3D-сканер BodyMetrics создавался в технологическом содружестве с компанией PrimseSense. PrimseSense известна широкому пользователю в первую очередь как производитель видеоприставки для игровой консоли Microsoft Xbox 360 – Kinect, где видеосенсоры оцифровывают движения пользователя и позволяют жестами управлять событиями в виртуальной реальности.

 

В 3D-сканере  BodyMetrics используется разом восемь уникальных видеосенсоров производства PrimseSense, которые позволяют быстро получить электронный «слепок» человеческой фигуры. Сам сканер выполнен в виде примерочной комнаты и установлен в модном магазине New Look, который находится в лондонском торговом центре Westfield Stratford.

Процесс сканирования

Алгоритмы 3D-сканера  BodyMetrics не только быстро составляют трёхмерную модель тела, но и анализируют её по ста различным параметрам, составляя на их основе файл соответствия. Благодаря ему компьютерная система магазина может мгновенно подобрать клиенту наиболее точно подходящие ему по размеру вещи из ассортимента, который присутствует на полках. Также этот информационный файл можно использовать при дистанционного шоппинга в интернет-магазинах.

Важным нюансом  в появлении нового поколения 3D-сканеров BodyMetrics в компании считают именно факт сотрудничества с PrimseSense, что не только позволило отказаться от сложных лазерных систем сканирования ради ускорения процесса, но и значительно удешевить технологическую платформу. Новые 3D-сканеры могут быть вполне доступны для сетей, торгующих одеждой и для фирм, занимающихся её пошивом.

 

Эталонное сканирование

 

Как уже было сказано выше, все серьёзные современные  системы 3D-сканирования очень неплохо  справляются со своей работой. Однако даже 3D-модели, полученные лучшими из них, нуждаются в доработке со стороны специалистов-моделлеров и художников. Как минимум для того, чтобы нанести рисунок-текстуру на полигональный каркас.

 

Orbital Camera System в условиях лаборатории

 

Сотрудники  Немецкого исследовательского центра по искусственному интеллекту (Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) при технической поддержке компании Nek GMBH попробовали решить проблему максимально точного сканирования трёхмерных объектов – для чего создали проект 3D-сканера Orbital Camera System (OrcaM).

 

3D-сканер  OrcaM представляет собой камеру сферической формы, внутрь которой можно помещать объект массой более 100 килограмм с габаритами, вписывающимися в куб с ребром 80 сантиметров. Площадка для размещения объекта может вращаться и изменять уровень высоты.

 

Механизм  сканирования состоит из семи камер  и множества прожекторов-светодиодов, которыми устланы внутренние стены  камеры. Воспроизводя на объекте сканирования различные узоры различных цветов, блики, вычислительный блок OrcaM получает множественные ракурсы объекта, которые анализирует и выстраивает из них общую полигональную модель.

 

Пример работы 3D-сканера OrcaM

 

Важным свойством 3D-сканера Orbital Camera System, является, однако, то, что помимо высокодетализированной модели объекта, он воссоздает также текстуру, повторяющую рельефность, расцветку, детализацию материала, а также такие его физические свойства, как зеркальность (способность к бликам).

В настоящее  время существует лишь один экземпляр  OrcaM, который сами разработчики считают прототипом. Чтобы приблизить проект к практическому использованию, 3D-сканер нужно сделать менее габаритным и добавить в алгоритм обработки несколько нужных функций. В будущем, считают в Nek GMBH и в DFKI, сканеры подобные OrcaM могут широко использоваться в самых разных сферах: от киноиндустрии до археологии.

Звук, свет и  лазер

 

По мере расширения возможностей компьютеров и интернета, всё большее количество сфер жизнедеятельности  человека становится можно перенести  в виртуальную реальность. Польза от этого несомненна: сложные, опасные  или дорогостоящие явления или  мероприятия лучше моделировать с помощью электроники, нежели пытаться проводить практические эксперименты.

 

Современные 3D-сканеры удачно вписались в  различные производственные цепочки  самых разных отраслей и сфер. Создаваемые  ими модели становятся важными элементами сложнейших расчётов, презентаций, высокотехнологичных опытов… Однако большинство современных систем 3D-сканирования так или иначе ограничены в размерах сканируемых объектов – что, несомненно, затрудняет их использование в архитектуре, геодезии, урбанистике и так далее…

Схема работы лазерного акустооптического 3D-сканера  Scano

 

Взять эти  рубежи попыталась группа молодых специалистов, выпускников МФТИ, во главе с Антоном  Обоймовым. Их проект лазерного акустооптического 3D-сканера «Scano».

 

Созданное устройство при массе в 5 килограмм способно сканировать пространство до 1 километра. Это позволяет быстро создавать  модели зданий, крупных промышленных объектов, техники, интерьеров. Также  разработчики Scano отмечают высокую скорость работы (до миллиона вершин в секунду) и приемлемую себестоимость их 3D-сканера. Всё это стало возможным благодаря применению новейших лазерных и акустооптических технологий, а также совершенных алгоритмов обработки.