Сканируя пространство

Рольф Ричардсон
«Экспресс-Электроника», #10/2003

3D-моделирование можно отнести к разряду самых популярных и востребованных компьютерных искусств. Однако многие специалисты считают его также и одним из самых сложных, и наряду с программированием, еще и кропотливейшим из занятий. Впрочем, с кропотливостью в скором времени будет покончено, так как на рынке появился целый ряд доступных устройств пространственного сканирования объектов. Эти устройства позволят не только упростить процесс создания 3D-моделей, но и поднять его до неведомого доселе уровня реализма.

Несмотря на то что основными потребителями 3D-сканеров на сегодня являются дизайнерские и кинематографические студии, первыми заказчиками этих приборов стали автомобильные и конструкторские дизайн-бюро, потребность которых в оборудовании данного класса обусловил сам принцип работы таких организаций. Как известно, дизайн автомобилей и летательных аппаратов до сих пор улучшается в гидродинамических трубах, где уровень обтекаемости форм определяется нагнетательным воздействием воздушного потока. Математические алгоритмы, моделирующие работу подобных систем, постоянно совершенствуются, но по уровню своей эффективности они далеки от настоящих гидродинамических обдувов и вряд ли когда-нибудь смогут заменить их полностью. Поэтому идеология работы современных дизайнерских бюро многие годы почти не меняется и в настоящее время состоит из трех основных этапов. На первом создается чертеж модели, которая затем выполняется из пластичного материала. Далее форма модели гидродинамически рационализируется в трубе обдува, а уже потом, при помощи сканирующих приборов переносится и обрабатывается на компьютере. На основе объемных виртуальных моделей делаются новые более точные чертежи, а по ним уже и создаются серийные образцы автомобилей, самолетов и прочих конструкций, для которых важна обтекаемость форм.

Как несложно догадаться, этап оцифровки моделей — важнейший в процессе создания изделий, поскольку точность этого процесса и предопределяет гидродинамические характеристики конечного продукта. «Ручной» способ создания малоприемлем, так как,во-первых, очень трудоемок, а во-вторых, неточности, сопутствующие ему, нивелируют все старания инженеров. Поэтому проблема точной автоматизированной системы создания трехмерных каркасов объемных тел встала перед разработчиками компьютерного оборудования достаточно давно. И необходимо отметить, что успехов в этой области достигнуто на сегодня немало, поскольку в настоящее время на рынке представлено несколько совершенно непохожих систем для оцифровки трехмерных поверхностей, и в ближайшем будущем многие из них вполне могут стать популярными настольными решениями, причем не исключено, что их распространение получит массовый характер. Собственно о технологиях, позволяющих сканировать 3D-модели, а также продуктах на их базе и пойдет речь в данном материале.

Принципы работы

В настоящий момент существует целый ряд технологий, позволяющих создавать трехмерные образы аппаратными методами, то есть без привычного 3D-моделирования в специализированных программных пакетах. Кстати, несмотря на множество разработок в этой области, ни одна из технологий не стала индустриальным стандартом, и вряд ли станет таковой в ближайшем будущем. Дело в том, что каждая из существующих технологий, помимо свойственных только ей преимуществ, имеет и свои недостатки. Так, одни требуют вмешательства оператора, а другие весьма несовершенны или их возможности ограничены недостаточной разрешающей способностью современных цифровых фотосенсоров.

Для начала условно разделим технологии трехмерного сканирования на два типа: контактные и бесконтактные. Первые подразумевают наличие механического устройства — «щупа», при помощи которого в компьютер передаются координаты выбранных оператором точек. Система позиционирования и координатоисчисления таких приборов построена на основе работы механических датчиков, аналогичных тем, что используются в оптико-механических манипуляторах «мышь». Последние закреплены в каждом шарнире крепления «щупа», и именно от точности этих датчиков и зависит точность работы прибора пространственного сканирования в целом. Сегодня такие системы встречаются все реже, и, по мнению специалистов, их удел в будущем — сканирование сравнительно простых некрупных объектов.

Бесконтактные 3D-сканеры являются значительно более сложными приборами, в которых заложены весьма изощренные алгоритмы создания пространственных каркасов. Так, во многих из них используется двойная, дополняющая основную система ввода координат тела. Многие устройства совмещают лазерные датчики, заменяющие механический «щуп», используемый в контактных 3D-сканерах, а также цифровой фотоаппарат, который применяется для большей точности сканирования и позволяет получить модели объектов с наложенными текстурами.

Интересно, что вместо лазерных датчиков пространства могут использоваться и более сложные системы. Например, в последнее время начали появляться системы 3D-сканирования на базе ультразвуковых установок, преимуществом которых перед прочими системами является режим сканирования тел с внутренней структурой или тел, находящихся в какой-либо однородной среде. Также в настоящее время активно ведутся разработки магнитных сканеров, использующих для определения пространственных координат изменение пространственного магнитного поля. Следует сказать, что ультразвуковые и магнитные сканеры крайне чувствительны к различного рода шумам. Так, первые могут реагировать на погодные явления, звуковые волны, создаваемые другим оборудованием, кондиционерами или даже флюоресцентными лампами, а источником помех для вторых могут быть металлические объекты в помещении, не говоря об электропроводке.

Все это многообразие сложных устройств говорит нам об одном — без программного обеспечения и вмешательства человека данные, получаемые 3D-сканерами, все равно остаются бессмысленным набором цифр. Для того чтобы расшифровать данные устройств, большинство производителей сканеров поставляют собственные специализированные программы или даже целые программные комплексы. Самые популярные из них на сегодня — Rhinoceros 3D и 3D ScanWare15. Строго говоря, эти системы представляют собой некий гибрид системы CAD и трехмерного редактора, в который авторы включили поддержку рычажных сканеров. Редакторы взаимодействуют со сканером достаточно просто: когда пользователь указывает сканером очередную точку, она появляется в рабочем окне редактора. Далее, когда точек уже достаточно для построения модели, пользователь может обратиться к любой из многочисленных функций редактора для построения контурных кривых, сечений, а затем и объемной фигуры по этим сечениям. Авторы Rhinoceros рекомендуют его и для работы с различными задачами инженерной доводки дизайна, а также для автоматизации работы студий 3D-дизайна.

Положение на рынке

Несмотря на довольно долгий срок существования 3D-сканеров, ситуация с ценами на оборудование данного типа почти не изменилась. Они так и остались сложными оптико-механическими устройствами, требующими высокой точности исполнения, а также сопутствующего программного обеспечения, выполняющего специализированные математические расчеты во время работы сканера. Удешевить такие устройства без значительной потери качества практически невозможно еще и по причине сравнительно низкого спроса на них. Сейчас их используют в основном организации, имеющие необходимые для этого финансовые средства: группы промышленного дизайна крупных компаний, подразделения машиностроительных компаний, кинематографические и анимационные студии, а также крупные фирмы-разработчики игр. Расширить рынок таких устройств можно только за счет более мелких фирм, а также энтузиастов трехмерной графики, число которых пока сравнительно невелико. Поэтому на сайтах производителей трехмерных сканеров цены установлены только на самые простые модели, и находятся они в интервале от полутора до трех тысяч долларов. Что касается более совершенных устройств, их цены выставляются с учетом того, что предлагаемое решение носит эксклюзивный характер. Поэтому цены на современные полнофункциональные сканеры могут достигать нескольких десятков тысяч долларов. Таким образом, рядовому пользователю подобное устройство практически недоступно.

Обзор устройств

Как нетрудно догадаться, наиболее доступными 3D-сканерами на рынке являются контактные модели. Лидер рынка подобных устройств — компания

Immersion, разрабатывающая помимо контактных сканеров и системы force feedback для игровых манипуляторов. Основу сканеров Immersion MicroScribe-3D составляет прецизионный щуп на трехшарнирном рычаге, в суставах которого находятся механические микродатчики. Принцип работы устройства достаточно прост: щупы отображают сканируемые поверхности как массивы трехмерных точек. На сегодняшний день механические контактные 3D-сканеры с экономической точки зрения кажутся оптимальным выбором для небольшой студии 3D-дизайна. Достигаемая точность этого класса устройств составляет 0,4–0,2 мм, в несколько раз менее точно, чем результаты лазерных щупов, но больше, чем у магнитных и ультразвуковых. При этом механические сканеры с ручным щупом стоят в десятки раз меньше, чем их лазерные собратья, не говоря уже об ультразвуковых и магнитных, заказчиками которых являются по больше части лишь исследовательские лаборатории и оборонные учреждения.

Механические трехмерные сканеры MicroScribe-3D линейки G2 позволяют обрабатывать сферы диаметром до 1,3 м с точностью 0,0038 рад (0,2 мм). Сканеры позволяет вводить данные о тысяче точек в секунду, которые передают данные в компьютер по интерфейсу RS-232 или USB 1.1. Программное обеспечение воспроизводит точки на экране монитора, строит приближенные кривые (полигональные кривые или сплайны), сеточным способом натягивает на них поверхность и затем закрашивает ее. Кроме того, включенное в комплект поставки сканеров ПО позволяет также редактировать изображения: собирать несколько объектов воедино, отображать модель относительно плоскости, оси или центра симметрии и т. д. В процессе работы со сканером MicroScribe-3D оператор, используя ножные педали и две кнопки мыши, сначала отмечает три реперные точки на поверхности объекта, затем вручную водит щупом по поверхности устройства. В полуавтоматическом режиме сканер отмечает узловые точки на одинаковом расстоянии друг от друга. Однако при этом на поверхности может оказаться слишком много точек. Помимо излишних затрат на расчеты это приводит к тому, что полигональные или сплайновые приближения сечений становятся немонотонными. В другом случае каждую узловую точку художник отмечает нажатием на педаль. Оцифровка с помощью MicroScribe-3D занимает три-четыре часа. При необходимости часть объекта может быть проработана и более детально.

Сегодня продукция компании Immersion пользуется достаточно высоким спросом. По заявлению производителя, в США в год продается несколько тысяч сканеров, и потому большинство популярных трехмерных редакторов для компьютерной анимации имеет встроенные драйверы для работы с оборудованием этого производителя. Рекомендованная цена на сканеры линейки MicroScribe-3D G2 с фирменным пакетом сканирования составляет $3500–5000.

Еще один производитель контактных сканеров — компания PICZA также создает решения, ориентированные на дизайнерский сектор. Так, сканер этой компании PIX-30 основан на контактном сенсоре нового типа Roland

Active Piezo Sensor (активный пьезосенсор), который способен сканировать и различать объекты толщиной в человеческий волос, передавая даже наиболее подробные изменения формы. Минимальный шаг сканирования составляет 0,025 мм по высоте, 0,05 мм по ширине и по длине. Сканируемая область ограничена объемом 304x203x60. Благодаря высокой чувствительности пьезосенсора, PICZA PIX-30 может сканировать широкий диапазон объектов, включая такие мягкие, как свежие фрукты и модели из пластилина, которые представляют трудность для обычных контактных сканеров. PICZA также может сканировать прозрачные предметы, что абсолютно невозможно для оптических сканеров, поскольку лучи света проходят насквозь, не отражаясь.

Устройства для пространственного сканирования компании поставляются с пакетом сканирования Dr. PICZA 2, который позволяет отсканировать весь предмет или определенную его часть с заданным разрешением, повторно отсканировать части предмета с мелкой деталировкой с более высоким разрешением и объединить эти части с первоначальным изображением. Кроме того, программа имеет разнообразные функции редактирования: среди них возможность выпукло-вогнутой инверсии, функция зеркала для создания симметричных моделей, сглаживание кривой и регулировка высоты поверхностей.

Примером бюджетного лазерного устройства служит разработка компании AXILA. Конструкция созданных этой компанией 3D-сканеров совмещает элементы рычажного и лазерного типа, так как лазерный сенсор с малым радиусом действия крепится на шарнирном «щупе». Такая конструкция позволяет сканировать не только предметы среднего размера, но и при помощи лазерного сенсора «прощупывать» их рельеф, если это необходимо.

В отличие от продуктов компании Immersion и PICZA, сканеры AXILA предназначены для промышленного применения. Изготовитель позволяет пользователям подобрать для себя комплектацию, полностью отвечающую предъявляемым требованиям. В ассортименте есть разнообразные механические «руки» разной длины, контактные сенсоры для различных поверхностей и даже специальные сенсоры в виде вилок, предназначенные для анализа трубчатых конструкций. Программное обеспечение сканеров AXILA может быть настроено на работу с любыми комбинациями устройств. Предусмотрено также совместное использование сканера с программами сторонних фирм, различными системами CAD и даже с Microsoft Excel, хотя фирменное ПО и перекрывает практически весь диапазон необходимых функций. Цены комплектов могут кардинально меняться, но их средний уровень составляет около $10 тыс.

Признанный лидер рынка лазерных сканирующих установок — компания Cyberware, представляет, пожалуй, самый широкий спектр решений. Впрочем, все они созданы на базе лишь трех типов сканирующих элементов, отличающихся между собой разрешающей способностью, скоростью работы и областью захвата. Например, самый передовой компонент систем Cyberware — сканирующий блок WB4 — позволяет создать систему, сканирующую за один проход фигуру человека, с одновременным ее текстурированием. Область сканирования этой системы — цилиндр высотой 2 м и диаметром 1,2 м. Во время работы сканера четыре модуля, соединяемых с компьютером через SCSI-интерфейс движутся по вертикали, после чего программное обеспечение, поставляемое со сканером, автоматически сшивает полученные секторы цифровой модели.

Что же касается решений на основе ультразвука, на сегодня широкодоступные системы пространственного ультразвукового сканирования 3D-изображений использованы лишь в сфере медицины. Продукция компании Diagnostic Sonar позволяет получить трехмерный образ плода в утробе матери и фиксировать весь процесс развития ребенка вплоть до его рождения. Сканер

Volusonn@730 представляет собой камеру, в которой и располагается пациент. Стюарт Кэмпбелл (Stuart Campbell), глава отделения акушерства и гинекологии в медицинском институте при госпитале Св. Георгия в Лондоне, говорит, что снимки, получаемые новым сканером, несут совершенно отличную информацию от черно-белых 2D-фотографий УЗИ и выводят современную науку на совершенно иной уровень развития. Так, новый прибор позволяет получить более детальную информацию о том, как выглядит будущий ребенок. По мнению специалистов, такая возможность не только доставит радость родителям, ожидающим пополнения в своей семье, но значительным образом упрощает раннюю диагностику сложных заболеваний и некоторых дефектов развития.

Еще один тип 3D-сканеров основан на работе фотосенсоров. В этих устройствах модель получается программным путем, из множества фотоснимков, сделанных в различных ракурсах. Такие сканеры, например, предлагает компания Olympus. Конечно, для получения удовлетворительных результатов при фотографическом способе сканирования необходимо потрудиться, что, впрочем, окупается невысокой стоимостью устройств, использующих данный принцип пространственного сканирования.

К тому же модель можно сканировать уже с текстурами, причем весьма высокого качества.

Конструктивно фотографический сканер представляет собой платформу с вращающейся круглой площадкой, служащей для последующего отделения предмета от фона. Кроме этого, в поставку подобных сканеров обычно входит светильник с «мягким» световым излучением, а также штатив для цифровой камеры. Важно отметить, что камера может быть использована любая, а с компьютером сканирующее устройство общается посредством отдельного интерфейса (в версии Olympus это COM-порт). Впрочем, сердцем системы в отличие от прочих участников обзора является вовсе не аппаратная начинка, а программная. ПО Olympus 3D Scanware позволяет создать 3D-модель в четыре этапа: получение снимков объекта, отделение их от основного фона, построение трехмерной модели и текстурирование.