Обзор методов обработки информации, полученной с помощью трехмерного сканирования

Достижения научно-технического прогресса в области проектирования и изготовления новых изделий позволяют до минимума сократить временные и материальные издержки, необходимые в течение жизненного цикла изделия. При изготовлении нового изделия, как правило, создают его математическую модель в любой CAD-среде. Но часто требуется воссоздать уже существующее изделие, сделать его дубликат. Если изделие имеет простую форму, то процесс проектирования занимает немного времени и требует небольших затрат.

Все становиться диаметрально противоположным в случае увеличения сложности объекта, для которого требуется создать копию. Тогда создание математической модели в CAD-системе становиться практически невозможно, либо требует больших временных и материальных ресурсов. В данном случае для формирования компьютерного представления изделия можно применить технологию трехмерного сканирования. Трехмерное сканирование – это систематический процесс определения координат точек, принадлежащих поверхностям сложнопрофильных физических объектов (в частности, деталей) с целью последующего получения их пространственных математических моделей, которые могут модифицироваться с помощью CAD-систем. Полученную математическую модель можно использовать в качестве входных данных для станков c ЧПУ или для системы быстрого прототипирования. Быстрое прототипирование (Rapid Prototyping) – это процесс послойного построения физической модели (прототипа) в соответствии с геометрией математической модели. Устройства, с помощью которых осуществляется сканирование объектов, называют трехмерными сканерами. Эти устройства не только упрощают процесс создания трехмерных моделей, но и позволяют решать эту задачу с максимальной степенью достоверности по отношению к исходному оригиналу. Созданную трехмерную модель в дальнейшем можно использовать как шаблон для формирования параметрической модели в любой CAD-среде [1].

Неконтактное лазерное сканирование является новейшей технологией. Несмотря на относительно небольшой срок существования, она находит применение при решении большого спектра задач, который, по мере освоения возможностей метода, продолжает расширяться. Задачи, решаемые методом неконтактного лазерного сканирования с использованием некон-тактного лазерного сканера, можно условно объединить в четыре большие области применения.

• 1.    Техническое проектирование. Включает такие задачи как:

• •    индустриальный дизайн, создание вручную трехмерных моделей и их оцифровка с последующей доработкой методами машинной графики;

• •    создание трехмерных моделей имеющихся штампов, пресс-форм и других изделий сложной формы, например, уникальных, в случае необходимости их изменения, ремонта или повторного воспроизведения;

  
  
  

• •    инженерный трехмерный анализ, измерение геометрических параметров изделий, которые не могут быть измерены стандартными методами;

• •    оnline контроль качества (проверка точности изготовления).

• 2.    Архитектура. В архитектуре трехмерное сканирование применяется для:

• •    реставрации, путем создания банка электронных копий (виртуального архива) и последующего изготовления или восстановления (промышленного воспроизведения) оригиналов скульптур и других рельефных изделий (сувениров, украшений, барельефов, горельефов и т. д.);

• •    создания виртуальных архитектурных музеев.

• 3.    Медицина. В медицине основное применение такие системы нашли в хирургическом планировании, ортопедии, протезировании, пластической хирургии, косметологии.

• 4.    Археология. В последнее время системы трехмерного сканирования широко используют в археологии для решения следующих задач:

• •    виртуальное сохранение произведений искусства;

• •    создание документации с трехмерными изображениями объектов;

• •    виртуальная реставрация, а также копирование для последующей репликации;

• •    создание виртуальных музеев.

Принцип работы трехмерного сканера заключается в следующем: пучок, излучаемый лазером I класса, направляется поворотным зеркалом на объект, отражаясь от которого непосредственно через объектив, попадает снова в аппарат, где и регистрируется встроенной цифровой камерой. Согласование включения лазера с электромеханическим приводом зеркала осуществляется в автоматическом режиме. Освещённость обеспечивается самим лазерным пучком. Это очень удобно, т. к. не требуется мер для создания дополнительного освещения. Управлять процессом сканирования можно как с помощью компьютера, так и вручную. В связи с тем, что средства трехмерного сканирования появились сравнительно недавно, тех-нология быстрого клонирования твердотельных изделий не отработана, и существует ряд проблем, требующих решения. К таким проблемам можно отнести [2]:

• 1.    Наличие шумов при трехмерном сканировании.

• 2.    При сканировании объекта всегда имеются области, которые сканер не может охватить (например, основание детали, на котором она стоит в процессе сканирования). Следовательно, требуется выполнить повторное сканирование недостающих частей изделия.

• 3.    Для изготовления пресс-формы объекта по его математической модели, созданной с помощью трехмерного сканера, требуется разработка специального программного обеспечения. В данном случае в процессе сканиро-вания

В процессе сканирования получается скан, имеющий помимо изображения самого объекта множество микрообъектов, представляющих «мусор». Данные объекты нужно убрать. В настоящее время это делается вручную, что занимает достаточно много времени.

В результате получается набор сканов, из которых впоследствии нужно сформировать единую трехмерную математическую модель объекта.

можно получить полигон точек, расположенных в пространстве и формирующих поверхность (контуры) изделия. Однако для инверсии в существующих CAD-системах требуется параметрическая, либо твердотельная модель объекта. При этом математическая модель, полученная с помощью трехмерного сканера, часто имеет разрывы поверхностей, которые не позволяют использовать ее в качестве входных данных для системы быстрого прототипирования.

В процессе сканирования оператор создает несколько сканов, отдельных трехмерных снимков, охватывающих часть объекта, а затем воссоздает математическую модель поверхности объекта. При этом оператор должен произвести очистку каждого скана от «мусора». Под «мусором» понимается множество «паразитных» трехмерных объектов, выявленных на сканах. Появление данных областей обусловлено технологией лазерного сканирования, когда отражение луча от поверхности объекта создает рассеивание, а детектор сканера фиксирует наличие микрообъектов вокруг объекта сканирования. Для реализации задачи очистки сканов от микрообъектов можно использовать ручную, либо автоматическую обработку сканов. Ручная обработка сканов выполняется стандартными средствами любого 3D-редактора. Однако данный процесс является очень продолжительным во времени и трудоемким. Поэтому предлагается использовать автоматическую обработку сканов. Существуют ряд алгоритмов, которые можно применить для решения поставленной задачи: плавающего горизонта, Робертса, Варнока, Вейлера-Азертона, построчного сканирования [3].

Алгоритм плавающего горизонта используется для удаления невидимых линий трехмерного представления функций, описывающих поверхность в виде F(x,y,z)=0. Главная идея данного метода заключается в сведении трех-мерной задачи к двумерной путем пересечения исходной поверхности последовательностью параллельных секущих плоскостей, имеющих постоянные значения координат x, y или z. Если видимость кривой меняется, то метод с такой простой интерполяцией не даст корректного результата. А это может повлечь за собой дополнительные нежелательные эффекты. В данном случае необходимо решать задачу о поиске точек пересечения сегментов текущей и предшествующей кривых.

Алгоритм Робертса удаляет из каждого тела те ребра или грани, которые экранируются самим телом. Затем каждое из видимых ребер каждого тела сравнивается с каждым из оставшихся тел для определения того, какая его часть или части, если таковые есть, экранируются этими телами. Поэтому вычислительная трудоемкость алгоритма Робертса растет теоретически как квадрат числа объектов.

В алгоритме Варнока и его вариантах делается попытка извлечь преимущество из того факта, что большие области изображения однородны. Такое свойство известно как когерентность, т. е. смежные области (пикселы) вдоль обеих осей х и y имеют тенденцию к однородности. В данном случае происходит аппроксимация картинки и края сканированных объектов отражаются с недопустимой точностью.

Алгоритм Вейлера–Азертона минимизирует количество шагов в алго-ритме разбиения типа алгоритма Варнока путем разбиения окна вдоль границ многоугольника. Недостатки данного алгоритма схожи с недостатками алгоритма Варнока.