UNIVERZITET U ZENICI PEDAGOŠKI FAKULTET U ZENICI ODSJEK: MATEMATIKA I INFORMATIKA. SEMINARSKI RAD IZ PREDMETA RAČUNARSKA GRAFIKA Tema: 3D skeneri

Transcription

1 UNIVERZITET U ZENICI PEDAGOŠKI FAKULTET U ZENICI ODSJEK: MATEMATIKA I INFORMATIKA SEMINARSKI RAD IZ PREDMETA RAČUNARSKA GRAFIKA Tema: 3D skeneri Kandidat. Ćatić Samira Mentor: v.as.mr. Samir Lemeš

2 SADRŽAJ Sadržaj 2 Uvod 3 3D skeneri 4 1. Funkcionalnost 4 2. Tehnologija Kontaktni uređaji Beskontaktni uređaji "Time-of-flight" Triangulacija Još o "time-of-flight" i triangulacijskim skenerima Struktuirana svjetlost Modulirana svjetlost Stereoskopija Silueta Potpomognuto skeniranje 9 3. Rekonstrukcija 9 4. Primjene Proizvodnja i obrada materijala Zabava Kulturno naslijeđe 10 Zaključak 11 Literatura 12 2

3 UVOD Mogućnosti trodimenzionalnog računarski generisanog prikaza stvarnog svijeta rastu svakodnevo. Svjedoci smo stvaranja virtualnih svijetova, svijetova koji zaista dišu realnošću. Kako autori takvih svijetova uspijevaju da predstave svoje zamisli baš tako? Malo mašte, bistar um i poneko pomagalo. Pored računara, tu je i softver koji omogućava kreiranje realnih scena. Korištenjem takvog softvera u prilici smo postaviti kompletnu scenu: kreirati objekte u prostoru, odrediti im površinsku strukturu, boju, refleksiju i prozirnost, postaviti različite tipove osvijetljenja, kamere, i konačno sve to može da se kreće i mijenja, pretapa. Ipak, to i nije tako lako kako izgleda. Stvaranje složenih objekata nalik onima iz običnog svijeta i života je prilično dugotrajan i mukotrpan posao. Oživljavanje postojećih dijelova iz ogrebotina, čak i uz računar, je kao kopiranje štampane strane prekucavanjem. Tu od pomoći mogu biti gotove biblioteke objekata, koje se mogu modifikovati po potrebama. Ali šta ukoliko nismo u mogućnosti da nađemo objekat dovoljno blizak traženom? Ako se vratimo u jednostavni dvodimenzionalni svijet, da se primjetiti da tu postoje skeneri, grafičke table, digitalne kamere komadi hardvera koji dozvoljavaju unos podataka na jednostavniji način. Takve naprave postoje i za avanturu trodimenzionalne kreacije. Nazivaju se 3D skeneri i pružaju dragocjenu pomoć svakome ko se bavi 3D modeliranjem. Ovo je prilika da se ukratko upoznamo s onim sto nam 3D skeneri mogu ponuditi. 3

4 3D SKENERI 3D digitalizacija je proces prikupljanja podataka s trodimenzionalnog objekta i njihovo predstavljanje u kompjuterski razumljivom obliku. Shodno tome, uređaji za 3D digitalizaciju - 3D skeneri imaju zadatak da obezbijede izvođenje takvog procesa. Sami uređaji mogu da se podijele u nekoliko kategorija, po svojim mogućnostima primjene, po cijeni i tehnologijama na kojima se zasnivaju. Mogućnosti primjene uključuju animaciju za film, TV ili zabavu, dizajn i stilizaciju proizvoda, kulturne primjene kao što su virtuelni muzeji i restorani, trodimenzionalni katalozi na web sajtovima, snimanje ljudske geometrije za robotsku hirurgiju i proizvodnju proteza. Postoje i složeni sistemi za 3D digitalizaciju koji omogućavaju skeniranje industrijskih objekata luke, mostovi, putne petlje, elektrane, rafinerije u cilju upotrebe u CAD bazama podataka za buduće modifikacije i arhiviranje, kao i sistemi koji skeniraju na molekularnom i atomskom nivou. 1. FUNKCIONALNOST 3D skener upotrebljavamo da bi snimili geometrijsku mrežu tačaka površine određenog objekta. Ove tačke kasnije koristimo da bi kreirali trodimenzionalu sliku objekta (proces nazvan rekonstrukcija). Ako se prilikom snimanja tačaka prikuplja informacija o boji onda se prilikom rekonstruiranja iscrtavanja slike može osim oblika prikazati i boja objekta koji iscrtavamo. 3D skeneri su veoma slični običnim kamerama. Kao i kamere oni imaju određeno polje vidljivosti i, kao i kamere, mogu prikupljati informacije samo o površinama koje su jasne (jasno prikazane). Međutim, dok kamera prikuplja samo informaciju o boji površine koja je u njenom vidnom polju 3D skeneri prikupljaju informacije o udaljenosti površine koja ime je u polju vidljivosti. "Slika" snimljena 3D skenerom opisuje udaljenost od površine u svakoj tački slike. U većini situacija jedno skeniranje nije dovoljno da bi konstruisali kompletan model predmeta. Obično su potrebna višestruka skeniranja, čak i po nekoliko stotina puta iz raznih pozicija da bi dobili cjelokupne informacije o predmetu. 2. TEHNOLOGIJA Postoje 2 tipa 3D skenera: kontaktni i bez kontakta. Bez kontaktni 3D skaneri mogu se još podijeliti u dvije velike kategorije, aktivni i pasivni skeneri. Postoje raznorazne varijacije u tehnologijama koje pripadju ovim dvjema kategorijama Kontaktni uređaji Kontaktni 3D skeneri snimaju predmet pomoću dodira. Znači, mora se dodirivati površina predmeta za svaku trodimenzionalnu tačku koja se želi stvoriti. Ovakvi uređaji imaju armaturnu "ruku", pričvršćenu na odgovarajuće postolje, na koju je montirana dodirna sonda. "Ruka" se može slobodno pomjerati po prostoru preko zglobnog sistema. Spojevi na sondinoj armaturi su povezani s potenciometrima koji vrse očitavanja u specifičnim tačkama. Kada je učinjeno dovoljno mjerenja tačaka, može se konstruisati mreža iz čvorova. CMM (coordinate measuring machine uređaj za mjerenje (snimanje) koordinata) je primjer takvog 3D skenera. Obično se 4

5 koristi za ručnu primjenu i veoma je prezican. Loša strana CMM-a je ta što mora postojati fizički dodir između uređaja i predmeta koji se skenira, a kao posljedica toga može se oštetiti objekat što je naročito nepovoljno ukoliko se skeniraju osjetljivi ili dragocjeni predmeti kao što su historijski artefakti. Druga loša strana CMM-a je što je spor u usporedbi sa drugim metodama skeniranja. Pomjeranje "ruke" na koju je postavljena sonda za snimanje je sporo i najbrži CMM uređaji rade na frekvenciji od svega nekoliko stotina herca, dok optički uređaji kao što je laserski skener radi na frekvencijama od 10 do 500 khz. Primjer ove tehnologije su Immersion MicroScribe-3D ( Faro ( i Romer ( kompanije koje se bave proizvodnjom ovakvih sistema velike preciznosti i slobode kretanja Beskontaktni uređaji Beskontaktni uređaji rade na principu emitovanja određenog signala ka objektu i hvatanju refleksije, na osnovu koje se vrče izračunavanja pozicije tačaka predmeta u prostoru. Dijele se na dvije grupe: aktivni i pasivni. - Aktivni skeneri Aktivni skeneri emituju jednu vrstu zračenja i detektuju njegovo odbijanje od površinu dobijajući time informaciju o predmetu ili okolini. Prema vrsti zračenja koje emituju dijele se na uređaje koji rade pomoću ultrazvuka, svjetlosti i x-zraka. AVIONSKI skener LEICA "Time-of-flight" "Time-of-flight" 3D laserski skener je aktivni skener koji koristi laserski zrak da bi skenirali predmet. Srce ovog skenera je vremenski laserski senzor. Senzor detektuje udaljenost od površine predmeta mjereći vrijeme obilaska svjetlosnog zraka. Laser se koristi da bi emitovao jedan svjetlosni zrak i onda se mjeri vrijeme koje protekne dok detektor ne primi reflektovani svjetlosni zrak. Kako je brzina svjetlosti poznata (c= km/s) vrijeme obilaska određuje udaljenost koju sbjetlost pređe a koja predstavlja udvostručenu udaljenost između skenera i površine predmeta. Ako je vrijeme obilaska t, onda je udaljenost jednaka (c*t)/2. Jasno je da tačnost time- 5

6 of-flight 3D laserskog skenra zavisi od toga kako precizno mi možemo izmjeriti vrijeme t: 3,3 pikosekunde su potrebne za udaljenost od 1 milimetra. Skener firme CYRAX Laserski senzor detektuje samo udaljenost od tačke koja je u njegovom pravcu djelovanja. Na taj način uređaj snima cijelo svoje vidno polje tačku po tačku mijenjajući smjer osjetljivosti senzora da bi skenirao različite tačke. Brzina digitalizacije dolazi od svjetla lasera koji se brzo kreće preko površine dok senzori otkrivaju lokaciju odbijenog zraka. Rezolucija kojom uređaj snima dolazi od razlike između tačaka, a može biti umanjena veličinom osvijetljenog područja na povrčini. Tačnost procesa zavisi od brojnih faktora, uključujući rezoluciju, optiku sistema i preciznost mehaničkih dijelova koji čine sistem. Sam predmet moze također uzrokovati tačnost podataka. Tamna ili sjajna površina predstavlja problem za očitavanje. Blage ivice, oštri uglovi, i usjeci mogu također prouzrokovati probleme. Svaki put kad lasersko svjetlo padne preko oštrog ugla, svjetlost se širi ili rasipa. Rezultat je obično šiljak među podacima. Duboki otvori i udubljenja mogu takođe biti problematično područje. Ako je otvor na površini manji nego ugao stvoren u procesu snimanja, laser i senzori ne mogu projektovati i videti svjetlo. Rezultat je nedostatak podataka u poligonalnoj mreži površine koji se prikazuje kao rupa na modelu. Smjer osjetljivosti senzora može biti promijenjen ako rotiramo sam senzor ili ako koristimo sistem rotirajućih ogledala. Druga metoda se češće koristi zbog toga što se ogledala mogu lakše rotirati i imaju veću preciznost. Tipični "time-of-flight 3d laserski skener može snimiti udaljenost tačaka svake sekunde. 6

7 Triangulacija Princip triangulacije Triangulacijski 3D laserski skener je također aktivni skener koji koristi laserski zrak za snimanje površine. Za razliku od "time-of-flight" 3D laserskog skenera, triangulacijski skener isijava zrak na površinu i koristi kameru da potraži mjesto gdje je pala laserska tačka. U zavisnosti kako daleko laser "udara" na površinu predmeta, laserska tačka se pojavljuje na različitim mjestima u vidnom polju kamere. Ova tehnika je nazvana triangulacija jer laserska tačka, kamera i sam laserski emiter tvore trougao. Dužina jedne stranice trougla, tj. udaljenost između emitera i kamere je poznata. Vrh u trouglu u kojem je laserski emiter je također poznat. Vrh u kojem se nalazi kamera može se odrediti tražeći mjesto laserske tačke u vidnom polju kamere. Ove tri informacije u potpunosti veličinu i oblik trougla i daju mjesto koje predstavlja treći vrh trougla odnosno vrh u kojem je laserska tačka. U većini slučajeva, zbog bržeg snimanja, laser umjesto pojedinačne laserske tačke isijava preko površine predmeta više pruga-linija. Nacionlano istraživačko vijeće države Kanada je razvilo triangulacijski laserski skener godine Još o "time-of-flight" i triangulacijskim skenerima "Time-of-flight" i triangulacijski skeneri imaju svojih prednosti i mana koje ih čine odgovarajućim u određenim situacijama. Prednost "time-of-flight" skenera je u tome da su oni sposobni raditi na veoma velikim udaljenostima, pa cak i vise kilometara, pa se koriste za skeniranje velikih predmeta i objekata kao što su zgrade i geografski objekti. Nedostak ovih skenera je njihova preciznost. Obzirom na veliku brzinu svjetlosti izračunavanje vremena obilaska je teško i tačnost mjerenja udaljenosti je relativno loša reda nekoliko milimetara. Mane triangulacijskih snezora su upravo obratne. Oni su ograničeni na udaljenosti od nekoliko metara, ali njihova tačnost je veoma velika reda nekoliko desetina mikrometra. Međutim, skeniranje visokom rezolucijom zahtijeva snimanje nekoliko miliona snimaka i može uzeti Pri brzini od slika u sekundi snimci slabe rezolucije mogu trajati manje od sekunde, ali snimci napravljeni visokom rezolucijom koja zahtijeva nekoliko miliona slika mogu trajati nekoliko minuta za neke "time-of-flight" skenere. Problemi nastaju i zbog izobličenja prilikom kretanja. Kako je svaka tačka snimljenja u različito vrijeme, bilo kakvo pomjeranje predmeta ili skenera će izobličiti prikupljene podatke. Prema tome, potrebno je učvrstiti predmet i skener na stabilnu platformu i minimizirati vibracije. Korištenje "time-of-flight" skenera da bi skenirali objekte u pokretu je veoma teško. 7

8 Struktuirana svjetlost 3D skeneri bazirani na struktuiranoj svjetlosti projiciraju uzorak svjetlosti na predmet i traži deformacije uzorka na predmetu. Uzorak može bit jedno ili dvodimenzionalan. Primjer jednodimenzionalnog uzorka je linija. Linija se projicira na predmet koristeći LCD projektor ili laser. Kamera malo isturena ispred projektora, traži liniju i koristi tehniku sličnu triangulaciji da bi izračunala udaljenost svake tačke linije. U slučaju uzorka samo jedne linije, linija je povučena preko cijelog vidnog polja kamere da bi se prikupila informacija o udaljenosti traga u određenom vremenu. Primjer dvodimenzionalnog uzorka je skup paralelnih pruga. Kamera se koristi da bi potražila deformacije u uzorku i jedan kompleksan algoritam se koristi da se izračuna udaljenost svake tačke uzorka. Jedan razlog složenosti je nejasnost ako uzmemo u obzir da se područje paralelnih vertikalnih laserskih pruga povlači horizontalno preko predmeta. U najjednostavnijem slučaju, jedan algoritam može analizirati sliku i pretpostaviti da svaki dio pruge s lijeva na desno reflektuje jednu sekvencu lasera u polj, tako da je najčešće prva pruga slijeva prvi laser slijedeća drugi laser i tako dalje. Kako razni predmeti imaju rupe, okluzije i nagle promjene dubine, tako ovi dijelovi mogu izazvati prekid pruga, kao i miješanje pruga, a samim time i nejasnoće snimka. Ovaj problem je riješen pomoću tehnologije nazvane Višelinijska laserska triangulacija (Multistripe Laser Triangulation - MLT). Prednost ovih skenera je brzina.umjesto da skeniraju tačku po tačku, oni skeniraju više tačaka odjednom. Ovim se smanjuje ili eliminira problem izobličenja prilikom pokreta, pa su neki sistemi bazirani na ovim skenerima u mogućnosti skenirati objekte u pokretu u realnom vremenu Modulirana svjetlost 3D skeneri sa moduliranom svjetlosti kontinuriano isijavaju izmjenjivu svjetlost na predmet. Obično izvor svjetlosti jednostavno mijenja amplitudu napona po sinusoidalnom uzroku. Kamera detektuje reflektovanu svjetlost i vrijednost uzorka određuje udaljenost koju svjetlost pređe. - Pasivni skeneri Pasivni skeneri ne emituju nikakvu radijaciju od sebe već se oslanjaju na detektovanje reflektovanog zračenja iz okoline. Većina skenera ovog tipa detektuju vidljivu svjetlost jer je ona već dostupna u okolini. Drugi tipovi radijacije kao što je infracrvena se također koriste. Pasivne metode mogu biti veoma jeftine jer u većini slučajeva nije potreban poseban hardver Stereoskopija Stereoskopski skeneri občno koriste dvije video kamere malo odvojene koje snimaju istu scenu. Analizirajući male razlike između slika snimljenih od svake kamere moguće je odrediti udaljenost svake tačke na slici. Ova metoda je bazirana na ljudskoj stereoskopskoj viziji Silueta Ovaj tip skenera koristi obrise kreirane iz dijelova fotografija uslikanih na trodimenzionalnom predmetu naspram suprotno obojene pozadine. Ove siluete se oblikuju tako da formiraju približnu vizuelnu ljusku predmeta. Sa ovom vrstom tehnike neke vrste predmeta (kao što je unutrašnjost kugle) se ne detektuju. 8

9 2.5. Potpomognuto skeniranje (npr. Modeliranje bazirano na slici) Postoje druge metode skeniranja koje se baziraju na pomoći detekcije i identifikacije nekih osobina i oblika na različitim slikama jednog objekta te pomoću njih grade model samog predmeta. Ova vrsta tehnike je korisna za brzu izgradnju modela predmeta kao što su zgrade. Postoje mnogi komercijalni paketi bazirani na ovom modelu kao što su imodeller, D-Sculptor ili RealViz-ImageModeler. Ova metoda je slična metodi snimanja panoramskih slika sa razlikom što se snimaju slike jednog objekta u trodimenzionalnom prostoru da bi ga replicirali umjesto snimanja niza fotografija iz jedne tačke u trodimenzionalnom svijetu da bi replicirali okolinu. 3. Rekonstrukcija Mreža tačaka proizvedena sa 3D skenerom obično se ne koristi direktno. Većina aplikacija ne koristi mrežu objekata već umjesto toga koristi poligonalni 3D model. Proces pretvranja mreže tačaka u poligonalni model naziva se rekonstrukcija. Rekonstrukcija uključuje pronalaženje i povezivanje tačaka da bi se kreirala neprekidna površina. 4. Primjene 4.1. Proizvodnja i obrada materijala Lasersko skeniranje opisuje metodu gdje se površina predmeta snima koristeći lasersku tehnologiju. Nekoliko različitih površina aplikacije, nastaju uglavnom u različitoj snazi lasera i kao rezultat procesa skeniranja. Laseri sa malom snagom se koriste kada skenirana površina ne smije biti oštećena, npr. kada mora biti digitalizirana. Princip koji se koristi za sve ove aplikacije je isti: softver koji je pokrenut na PC-u ili sličnom sistemu i koji kontroliše cijeli proes je povezan sa skenerskom karticom. Ova kartica preobražava primljene podatke u informacije o pokretu koje se salju glavi za skeniranje. Glava za skeniranje se sastoji od dva ogledala koja su u mogućnosti da odvraćaju lasersku zraku u jedan nivo (X i Y koordinate). Treća dimenzija je realizovana pomoću specifične optike koja je u mogućnosti da pomjera lasersku tačku u dubinu. (Z koordinata). 3D skaner firme CALIDUS 4.2. Zabava 3D skeneri se koriste u industriji zabave da bi kreirali digitalne 3D modele za filmove i video igre. U slučaju kada predmet postoji u stvarnom svijetu, mnogo je brže skenirati predmet nego ga ručno kreirati u softveru za 3D modeliranje. Često se naprave fizički modeli onoga što se želi prikazati i zatim se ti modeli skeniraju 3D skenerom. 9

10 4.3. Kulturno naslijeđe Postoje mnogi projekti istraživanja koji koriste 3D skeniranje da bi snimili historijske i kulturne artefakte Michelangelo 1999, dvije odvojene istraživačke grupe su započele skeniranje Michelangelove statue. Grupa sa univerzitet u Stanfordu pod vodstvom Marca Levoya koristila je Cyberware-ov triangulacijski laserski skener da bi snimila Michelangelove statue u Florenci, poglavito Davida, Prigionia i četiri statue u Medičinskoj Kapeli. Skeniranje je proizvelo snimke gustoće 0,25mm, dovoljno usitnjene da se vide otisci Michelanglelovog dlijeta. Ovi snimci su proizveli veliku količinu podataka (oko 32 gigabajta) i obrada podataka je trajala oko 5 mjeseci. Otprilike u isto vrijeme istraživačka grupa iz IBM-a pod vodstvom H. Rushmeiera i F. Bernardinia je skenirala Pietu od Florence prikupljajući informacije i detalje o geometriji i boji. Monticello David Luebke je skenirao Monticello Thomasa Jeffersona. Korišten je komercijalni "timeof-flight" laserski skener DeltaSphere Podaci su kasnije kombinovani sa bojom iz digitalnih fotografija da bi se kreirao viruelni Monticello. "Plastico di Roma antica" grupa Gabrielea Guidia je skenirala "Plastico di Roma antica" model Rima kreiran u posljednjem vijeku. Ni triangulacijski skener ni "time-of-flight" skener nisu zadovoljili zahtjeve projekta jer je projekat bio veliki sa mnogo sitnih detalja. Međutim, otkrili su da skener sa moduliranom svjetlošću je bio u mogućnosti da skenira predmet i da dadne potrebn u tačnost. Skeneru sa moduliranom svjetlošću potpomogao je triangulacijski skener koji je skenirao sitne detalje. 10

11 ZAKLJUČAK Svakako da 3D skeneri, nude određene mogućnosti primjene na razna polja ljudskog djelovanja. U sklopu svojih mogućnosti primjene, kreće se i cijena određenih modela. Najjeftiniji sistemi postaju dostupni za nekoliko hiljada dolara, a njihova brzina je kritična za masovniju upotrebu, odakle slijedi da im je isključiva mogućnost korištenja u kući. Bolje mogućnosti stoje za industrijske i poslovne namjene, gdje se investicija isplaćuje uštedom rada velikog broja modelatora. Američka vojska koristi skener za cijelo tijelo u krojačke svrhe, da uzme pravu mjeru svakom vojniku, te da mu napravi idealno skrojenu uniformu. U budućnosti se daju naslutiti daljnja usavršavanja postojećih tehnologija, kao i pojava novih, savršenijih, a sve to praćeno padom cijena dostignutih tehnologija i omasovljavanjem tržišta. 11

12 LITERATURA 1. Wikipedia - Besplatna enciklopedija 2. Fotomanija - stranica o digitalnoj fotografiji 12