Осязающий луч: трехмерные сканеры слегкостью копируют окружающий мир

Осязающий луч: трехмерные сканеры слегкостью копируют окружающий мир
    Метки на черепе Ручным сканером возможно манипулировать с той же свободой, что и электрофеном. Фиксированного положения не нужно. Привязка к координатам происходит при помощи светоотражающих марок, наклеенных на объект
    От модели к воплощению 3D-модель черепа оказалась очень убедительной. Пробуем напечатать фрагмент модели на 3D-принтере
    Частично удовлетворительный итог С виду похоже, но для правильной передачи небольшого рельефа этому принтеру не хватило разрешения

Три года назад, в апреле 2009-го, в статье «Откуда приходят кости ящеров» мы говорили о принятых в отечественной палеонтологии способах создания копий окаменелостей. Копии эти полностью совершенно верно передают небольшие подробности рельефа фоссилий и являются (при недоступности оригинала) объектами научных изучений. Но сами способы копирования уж весьма похожи на технологии прошедших столетий: изготовление резиновых форм-матриц, заливка их медлительно твердеющим раствором Возможно ли этим открыто аналоговым разработкам противопоставить современные цифровые?

Взяв любезное разрешение управления Палеонтологического университета РАН и заведующего Палеонтологическим музеем Александра Карху, мы решили применять портативный ручной 3D-сканер для виртуальной модели одного экспоната- черепа человека, жившего около 6000 лет назад, и модели целой экспозиции, где выставлены скелеты динозавров. Сканеры нам для этого пригодились различные.

В перекрестьи прицела

Алексей Чехович, консультант по 3D-оборудованию компании ConsistentSoftwareDistribution, аккуратно берет со стола череп и начинает методично наклеивать на желтоватую поверхность кости бумажные метки, похожие на мелкие мишени. После этого в его руках оказывается портативный ZScanner 700 CX, похожий то ли на фантастический бластер, то ли на голову игрушечного робота. Аппарат вспыхивает белой светодиодной подсветкой, а на черепе лазер уже рисует две красные перекрещивающиеся линии.

Алексей вольно поворачивает череп одной рукой, а второй наводит сканер на различные участки. «Потому, что ни сканер, ни объект жестко не закреплены, — растолковывает Алексей Чехович, — прибору нужна постоянная привязка к совокупности координат. Для этого на сканируемый объект наносятся светоотражающие маркеры». Принцип работы сканера основан на цифровой фотографии. Источник лазерного излучения проецирует на сканируемый предмет «крест» — две пересекающиеся под прямым углом линии.

Ложась на искривленную поверхность, рисунок преломляется. Трансформации вида лазерного креста фиксируются посредством двух встроенных в сканер скоростных камер. Особое ПО аппарата разбирает эти картины и на их базе сооружает геометрию объекта.

По центру стоит еще одна камера, функция которой — фотографирование поверхности объекта в цвете.

Оцифровка пластилина

Результаты сканирования Алексей Чехович отслеживает на мониторе ноутбука. На экране видно, где модель уже полностью сформировалась, а где череп еще предстоит отсканировать. В любом случае, само сканирование — это еще лишь начало процесса.

Потом модель дорабатывается на компьютере, к примеру, с целью убрать посторонние элементы, попавшие в поле зрения сканера.

«Не всегда геометрию возможно сходу обрисовать математикой, — продолжает рассказ Алексей. — В инженерном деле не редкость так, что рассчитанный на компьютере прототип вытачивают на фрезерном станке с ЧПУ либо распечатывают на 3D-принтере. А после этого продувают его в аэродинамической трубе. Выявляются недочёты, и начинается ручная корректировка.

Попросту говоря, для придания примеру более оптимальной аэродинамической формы конструкторы лепят на него пластилин. Наконец, усовершенствованная пластилином модель ведет себя в трубе идеально. Но вот беда — ее правильной цифровой модели уже не существует. Пластилиновые заплатки машинально в CAD-модель не заносятся. Как вернуть доработанную модель в виртуальное пространство?

Вот тут-то нам и понадобится 3D-сканер».

гипс и Модель

Разрешающая свойство сканера 0,05 мм, и этого достаточно, дабы копировать для воспроизведений детали двигателей и других правильных механизмов. Не смотря на то, что не считая фактически скана принципиально важно и оборудование, на котором 3D-образ снова воплощается в действительность. Позднее мы попросили сделать для нас распечатку части модели черепа на одном из трехмерных принтеров- красивой машине для прототипирования, печатающей способом склейки композитного порошка на базе гипса.

Но для научно точной копии черепа его разрешающей способности мало не хватило.

«Мы сравнили слепок, что был взят способом 3D-печати, со слепком, изготовленным по отечественной классической технологии, — говорит Александр Карху. — Они весьма похожи, но при сравнении подробностей слепок, отпечатанный на принтере, уступает тому, что выполнен стандартным методом. Имеется в виду узкая проработка рельефа кости, что очень ответствен при изучении примера. Но я уверен, что именно этим разработкам в собственности будущее.

То, что я заметил — громадный прогресс если сравнивать с виденным мною несколько лет назад».

Облако точек

До тех пор пока Алексей колдовал с черепом, в одном из громадных комнат Палеонтологического музея трудился Максим Кирилловский из петербургской компании «Промышленные разработки». Он привез с собой диковинный аппарат на штативе и передвигался с ним около популярной экспозиции с окаменевшими скелетами динозавров. Его Surphaser — лазерный сканер полярного типа. Сканирование в нем происходит посредством вращающейся головки с источником лазерного излучения.

Принцип работы тут не таковой, как в портативном ZScanner. Surphaser ничего не фотографирует, он только определяет расстояния до множества точек окружающего пространства, вычисляя разность фаз исходящего и отраженного луча. Помимо этого, посредством датчиков поворота определяются угловые расстояния между точками.

Для каждой точки записываются не только координаты, но и параметры интенсивности отражения. Surphaser рекомендован для сканирования макрообъектов, и дабы создать 3D-модель дома либо корабля, нужно совершить съемку с нескольких точек (стоянок). Чем больше стоянок, тем качественнее скан.

По окончании съемок при помощи особого ПО все полученные эти сводятся воедино, привязываются к неспециализированной совокупности координат.

От корабля — к динозаврам

«Сравнительно не так давно в Индонезии я сканировал огромное буровое судно в ходе постройки, — говорит Максим. Это была продолжительная и усердная работа — судно снималось и снаружи (оно было в сухом доке), и изнутри. Лишь дабы создать модель машинного отделения, было нужно сделать двадцать стоянок. Но перед установкой на судно бурового оборудования и трубопроводов мы имели возможность заметить на виртуальной модели, как эти конструкции впишутся в корпус судна.

Это удачнее дорогостоящих переделок.

Второй занимательный проект, в котором мне сравнительно не так давно довелось принимать участие, — сканирование технологического проема в шахте АЭС. Требовалось заменить парогенератор, но было не весьма ясно, разрешат ли габариты шахты и находящихся в ней конструкций вынуть ветхий, отслуживший собственный узел и поставить новый. Эту операцию в обязательном порядке нужно было отрепетировать в виртуальной реальности».

Отечественный визит в Палеонтологический музей, быть может, и не имел для того чтобы научно-практического значения, как сканирование ядерных станций. Но он стал еще одним свидетельством тому, что сфер, где 3D-сканирование выяснилось бы лишним, попросту не осталось.

Сканирующая техника

    ZScanner 700 CX
    Surphaser 25 HSX

Трехмерный портативный сканер ZScanner 700 CX.

— Разрешает не только снимать геометрические формы объекта, но и накладывать на них цветовую текстуру. Цвет — 24 бита. Скорость сканирования (замеров в секунду) — 18 000.

Вес — 1, 3 кг.

— Главное назначение: реверсивный инжиниринг, контроль качества изделий, создание цифровых архивов 3D-объектов (к примеру, музейных экспонатов).

— Включает в себя три камеры: две — для сканирования формы, одну — для съемки цветовых текстур.

Стационарный 3D-сканер Surphaser 25 HSX. Лазерный сканер полярного типа.

— Рекомендован для съемок больших объектов с расстояния до двадцати метров. — Угол поля зрения 360 градусов по горизонтали и 270 — по вертикали. — Точность — 0,3 мм на расстоянии съемки 10 м. — 1,2 млн точек на скан. —Сканирует при прямом солнечном свете.

— Главное назначение: создание 3D-моделей больших, по большей части промышленных, объектов (цеха, самолеты, суда).

Доисторическая виртуальность

Благодаря сканеру сейчас целая музейная экспозиция может переселиться прямо в компьютер. И не в виде плоскостного изображения, а как 3D-модель, которую возможно разглядывать со всех сторон. Для модели оператору было необходимо вести съемку с семи точек.

Как объять необъятное

Создавать посредством геодезического сканера 3D-модель судна еще на этапе его постройки — это дорого и занимает много времени. Но не дороже ли позже исправлять неточности, допущенные уже «в металле»?

3D-сканирование разрешает заблаговременно распознать все отклонения от проекта и проверить, как оборудование, спроектированное различными компаниями, совместимо с конструкциями корпуса судна. В случае если же речь заходит о перестройке ветхого корабля, роль 3D-сканирования возрастает еще больше.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№114, апрель 2012).

Русский язык. То(же), так(же) — слитно или раздельно?


Темы которые будут Вам интересны:

Читайте также: