3D-сканеры: что это такое


3D-сканеры - относятся к той разновидности высокотехнологичных устройств, чьё назначение кажется совершенно очевидным... пока не начинаешь разбираться с этим обстоятельно. Тут же выясняется, что фантазии, откровенно говоря, просто не хватает. В принципе, главное, для чего нужны трёхмерные сканеры - это, естественно, получение насколько возможно точной 3D-копии материального объекта с минимальными затратами усилий. Технологических решений для того существует множество, да и спектр применения таких сканеров оказывается неожиданно широким.

С технологической точки зрения сканеры делятся на контактные и бесконтактные; бесконтактные, в свою очередь, делятся на активные и пассивные. При этом бесконтактные можно смело называть оптическими: используется либо лазерное излучение, либо структурированный свет (не обязательно, кстати, только в видимом диапазоне), либо оптические камеры.

Лазерные времяпролётные 3D-сканеры используют тот же принцип, что и лазерные дальномеры - измеряется расстояние от лазера (и детектора возвратного импульса) до каждой точки на поверхности объекта; скорость света - величина известная и постоянная, соответсвенно, зная время, затраченное импульсом на преодоление расстояния от лазера до объекта, можно рассчитать растояние до него. Триангуляционные сканеры работают примерно так же, с той лишь разницей, что там лазерный излучатель и детектор разнесены на определённое, жёстко зафиксированное расстояние, так что между излучателем, приёмником и точкой на поверхности сканируемого объекта образуется треугольник с частично известными характеристиками: остальные можно рассчитать. Времяпролётные сканеры хороши для работы с крупномасштабными удалёнными объектами, но они менее точны, чем триангуляционные; те, в свою очередь, могут работать только на небольших расстояниях, но точность показывают высочайшую.

У лазерных сканеров есть одна существенная проблема: достаточную точность они показывают только в отношении объектов, жёстко сохраняющих неподвижность: лазер «обстреливает» сканируемый объект множеством импульсов, испускаемых через определённые, пусть и очень короткие промежутки времени. Тем не менее, в разные части объекта лазерные пучки попадают не в одно и то же время, соотвественно, движение объекта приводит к неприятным искажениям в получаемом изображении.

Кроме того, лазерное излучение банально вредно для здоровья, так что сканирование человека - который никогда не бывает в состоянии полного покоя - так себе идея.

Пассивные сканеры по сути представляют собой разнообразные видеокамеры — либо обычные, которые снимают объект в условиях различной освещённости, и исходя из полученных данных, восстанавливают их в 3D, либо стереоскопические, либо т.н. «силуэтные», которые снимают силуэт вращающегося объекта на высококонтрастном фоне. Проблема силуэтных решений заключается в том, что они теряют внутренние детали — например, вогнутости, не заметные на силуэте.

Наиболее интересными, впрочем, являются, опять-таки оптические системы, использующие модулируемую или структурированную подсветку.

В первом случае сканируемый объект освещается световыми импульсами, изменяющимися определённым образом (как правило, модуляция идёт по синусоидальной волне); камера считывает отражения и по искажениям считывает облик сканируемого объекта.

В свою очередь, принцип структурированной подсветки заключается в том, что объект освещается определённым «узором» (сеткой), по искажениям которой камера-детектор формирует поверхность 3D-фигуры.

По такому принципу работает 3D-сканер Broadway, разработанный российской компанией Artec Group. Свою разработку они представляли на минувшем CG Event — отсканировали в общей сложности свыше 100 человек, каждому 3D-модель его бюста выдавалась на флешке. Сейчас на сайте компании во flash-формате доступна интерактивная галерея 3D-лиц. 3D-Модели можно вращать мышкой в окне браузера.

Artec в прошлом (под другой маркой) занимались биометрией и вопросами безопасности, но, как высказался Сергей Суховей, коммерческий директор Artec Group, им давно хотелось заняться чем-то «более весёлым»: 3D для кино, музеев, дизайна и так далее.

— И тогда мы поняли, что нужно разработать совершенно новую, совершенно уникальную технологию, которая позволит снимать 3D как обычной видеокамерой, чтобы можно было пройтись и быстренько заснять форму всех объектов, которые находятся вокруг. То, что было и есть на рынке не очень для этого подходит, – говорит Суховей, - поскольку существующие решения разрабатывались преимущественно для промышленных приложений: когда нужно очень точно, детально, очень долго, кропотливо, за очень большие деньги нужно отсканировать лопасть от какого-нибудь корабля, или турбинную лопатку. Это совсем не применимо для обычной жизни: вы не можете взять агрегат за 50-100 тысяч долларов, вынести его в поле, где нет никакого электричества, и попробовать снять археологический раскоп за 5 секунд...

Среди наиболее перспективных направлений Суховей отметил всевозможные музейные проекты, связанные с трёхмерной визуализацией (например, создание трёхмерных моделей исторических зданий перед реконструкцией, которая невесть чем может закончиться), а также — медицинская область.

— Медицинских приложений очень много, начиная от пластической хирургии, где форма — это всё, и заканчивая задачами ортопедии, протезирования, лечения и реабилитационного периода... С ортопедией всё понятно — надо знать, что у человека со спиной. Известно, что примерно у 95% современных детей в РФ после выхода из школы есть сколиоз, остеохондроз и так далее, — по мнению Суховея, в принципе, в школах, ну или хотя бы в поликлиниках было бы неплохо установить сканеры, которые позволяли бы вовремя заметить назревающие у детей проблемы, и при этом не тратить много времени на осмотры у хирургов и рентгеновские снимки. К слову, рентгеновское излучение тоже не ахти какое полезное для здоровья.

Правда, непонятно, как и кого это спасёт, учитывая вес учебников и строжайшие требования учителей таскать с собой все учебники на каждый день, ибо на пути к просвещению надлежит преодолевать трудности...

Так или иначе, а такие сканеры позволили бы решить ещё и многие проблемы с расстояниями: болеют и травмируются люди повсеместно, увы, а вот с хорошими специалистами-врачами в регионах бывает туго. Дистанционная диагностика (равно как и удалённое производство ортопедических корсетов или, в совсем уж плачевных случаях — протезов) могла бы крепко помочь, тем более, что степень распространённости интернета растёт с каждым годом.

На вопрос, существуют ли уже примеры практического применения сканеров Artec в медицине, Суховей ответил, что, к сожалению, медицина — область крайне инертная и принятие новых технологий там происходит весьма и весьма неторопливо.

— Мы активно работаем с археологами, модельерами одежды, дизайн-студиями и киностудиями, которые в своём технологическом процессе уже используют 3D и он им необходим постоянно, — отметил Суховей.

Теоретически, в будущем возможно использование таких сканеров даже для создания 3D-копий людей, которые будут использоваться в каких-то сложных съёмках — например, каскадёров, выполняющих какие-то трюки за исполнителей главных ролей, можно будет «оборачивать» в трёхмерные модели актёров, так что разница станет вообще незаметна. Ждать подобного, судя по всему, остаётся совсем недолго.

В ходе демонстрации, корреспонденту «Мира 3D» показали, как с помощью сканера Broadway снимается копия с манекена (в полный человеческий рост, а то и больше). Отличительной особенностью сканера является его широкая (около 80 см) зона охвата, так что он разом охватывает человеческую фигуру от головы и до пояса.

При съёмке формируется облако поверхностей (а не точек, как это обычно бывает), причём каждая поверхность может иметь до 65 тысяч полигонов. При этом достаточно маломощный ноутбук, с помощью которого велась съёмка, «пережёвывал» все эти данные без особого труда.

Один и тот же объект можно снимать с любых ракурсов, а затем собирать из разных получившихся моделей одну:

Получившаяся конечная модель содержала около 300 тысяч полигонов — не так много, в сущности. Естественно, съёмка может вестись на куда более высоком уровне детализации, и полигональность моделей может быть очень высокой.

Artec выпускает камеру в нескольких вариантах, в соответствии с размерами объектов, подлежащих сканированию, - L (большой), M (средний) и S (малый). Последний хорош для записи мимики лица — при этом в маркерах никакой необходимости нет.

3D сканеры
Разделы:
Рубрики:
Популярное: