Tips&Tricks – skanowanie ze stolikiem obrotowym

Skanować można na wiele różnych sposobów. Podziałów skanowania 3D jest bardzo wiele, a jednym z nich jest podział na skanowanie 3D gdzie poruszamy się ze skanerem 3D dookoła przedmiotu, oraz skanowanie, w którym obracany jest przedmiot wokół własnej osi. Dziś zajmiemy się tym drugim przypadkiem. Szczególnie interesować nas parametry obrotu. Sprawdziliśmy co jest bardziej efektywne: skanowanie przedmiotu w dowolny sposób wedle uznania skanującego, pod losowo wybranymi kątami i pochyleniem czy skanowanie z określonym kątem obrotu (na przykład na stoliku obrotowym lub za pomocą specjalnego uchwytu).

Rys 1

Rys. 1 Model poddany skanowaniu

Skanowania przedmiotów dokonaliśmy na skanerze David SLS-2, wykorzystaliśmy również wykonany przez nas w technologii druku 3D stolik obrotowy (min. Kąt obrotu – 5 stopni). Przedmioty poddane skanowaniu to szczęka z wosku (szerokość maksymalna: 54 mm, wysokość maksymalna 12 mm) oraz ulepiona ze specjalnej masy figurka (szerokość maksymalna: 49 mm, wysokość maksymalna: 140 mm), stworzona z myślą o powierzchniach, które mogą sprawić trudność podczas skanowania 3D. Szczęka wybrana została ze względu na skomplikowane powierzchnie oraz potrzebę odwzorowania najmniejszych szczegółów. Wykonana została z kolorowego wosku celem sprawdzenia wpływu koloru na jakość skanów w porównaniu do figurki z białej masy.

Rys. 2

Rys. 2 Model 3D skanowanego obiektu

Pierwszy proces skanowania został przeprowadzony na modelu szczęki (Rys. 1) za pomocą stolika obrotowego. W wyniku otrzymaliśmy 17 skanów dookólnych oraz 3 skany od góry – łącznie 20. Dopasowane i scalone skany w programie David Laserscanner wizualnie prezentują się bardzo dobrze (Rys. 2). Model został poddany obróbce. Pierwszym etapem było usunięcie wyizolowanych trójkątów (czyli zanieczyszczeń) oraz zmniejszenie ilości trójkątów. Ich wyjściowa ilość wynosiła: 899 007, zmniejszyliśmy ich liczbę do 50 000 dla przyspieszenia obliczeń, podczas prób decymacji ta liczba trójkątów okazała się minimalną ilością , przy której kształt modelu nie ulega zniekształceniu.

Kolejnym krokiem było sprawdzenie błędów w programie Geomagic Studio 12. Narzędzie Mesh Doctor dokładnie wskazało liczbę nieprawidłowości występujących w modelu (Rys. 3).

Rys. 3

Rys. 3 Liczba błędów modelu

Po wykorzystaniu automatycznych filtrów do naprawy modelu udało nam się zniwelować te wartości do 0. Zmniejszyła się również liczba trójkątów do 39 852, wynika to z usunięcia zanieczyszczeń, podwójnych ścianek oraz różnego rodzaju podcięć i zniekształconych granic. (Rys.4) Mimo jednak, że program nie wskazuje na więcej błędów. Wizualnie można określić, że pozostało jeszcze dużo ścianek podwójnych, które powstały w wyniku nie do końca prawidłowego dopasowania skanów. Powodem może być tu zbyt duża liczba wykonanych skanów.

Rys. 4

Rys. 4 Model po usunięciu błędów

Ostatnią operacją obróbki modelu było łatanie otworów. Większość wypełniła się bezproblemowo. Czas obróbki wydłużył się z powodu podwójnych ścianek, które należało usunąć aby model był „watertight”. W wyniku usuwania ścianek, wytworzyły się kolejne otwory, przez co szczegóły modelu nie zostały już tak dobrze odwzorowane. Efekt końcowy przedstawiony został na rysunku (Rys.5), jest on niezadowalający ze względu na widoczne niepoprawne dopasowanie skanów modelu.

Rys. 5

Rys. 5 Efekt końcowy obróbki szczęki

Zeskanowaliśmy ponownie tą samą szczękę, tym razem jednak obracaliśmy ją o 60 stopni na stoliku. Wybraliśmy taką liczbę ze względu na fakt, iż producent skanera podaje 8 skanów jako ilość optymalną dla jakości skanowania, stąd w wyniku obrotu modelu o 360 stopni wykonamy 5 skanów oraz jeden od góry . Wizualnie szczęka również prezentuje się bardzo dobrze, nie zauważamy podwójnych ścianek (Rys. 6). Ponownie usuwamy zanieczyszczenia i zmniejszamy ilość trójkątów (liczba wyjściowa: 873 634) do 50 000 w programie MeshLab dla porównania jakości skanów z poprzednim modelem przy tej samej ilości trójkątów.

Rys. 6

Rys. 6 Wyjściowy model do obróbki po skanowaniu 3D

Po sprawdzeniu błędów w programie Geomagic Studio 12, okazało się, że model ma dużo więcej błędów od poprzednika (Rys. 7). Ze względu na mniejszą ilość skanów, otrzymaliśmy dużo większą ilość otworów, dzięki czemu otrzymujemy również większą ilość nakłuć tworzących się również na ich granicach, mamy również więcej samoprzecięć, które wytworzyły się również przy granicach otworów, z otworami wiążą się również zdeformowane krawędzie. Obrazowo gdzie pojawiły się błędy wzkazuje nam rysunek (Rys. 7) zielonymi granicami oznaczone są otwory, łatwo zauważyć, że błędy pojawiają się głównie wokół nich.

Rys. 7

Rys. 7 Błędy modelu 3D skanowanego co 60 stopni

Aby usunąć wszystkie błędy, należało usunąć bardzo dużą ilość trójkątów, które były zbyt zdeformowane, samoprzecinające się lub niemożliwe do odtworzenia, w celu utworzenia poprawnej do wydruku skorupy (z 50 000 ich liczba spadła do 33 924) wiąże się to bezpośrednio z dużą liczbą nowych otworów, które powstały w wyniku usunięcie niepoprawnych trójkątów. Jest to negatywny efekt, zaburza bowiem oryginalny kształt obiektu, oraz dokładność wymiarową. Wygląd modelu po usunięciu wszystkich błędów przedstawiony został na rysunku (Rys. 8)

Rys. 8

Rys. 8 Ilość błędów po obróbce

Wypełnianie licznych otworów nie sprawiło jednak problemu. Powierzchnie wypełnione zostały prawidłowo, nie trzeba było również dodatkowego czasu na usuwanie podwójnych ścian. Mimo dużej ilości błędów i otworów końcowy efekt wizualny jest dużo bardziej zadowalający od poprzedniego . Szczegóły są wyraźniejsze, otwory wypełnione w poprawniejszy sposób, nie zauważamy niedopasowanych powierzchni. Model w końcowej postaci został przedstawiony na rysunku. (Rys. 9)

Rys. 9

Rys. 9 Efekt końcowy modelu otrzymanego ze skanowania co 60 stopni

Ostatnim z procesów było skanowanie obiektu obracając go o niesprecyzowany dokładnie kąt, tak aby wizualnie wszystkie powierzchnie zostały odwzorowane. W wyniku skanowania otrzymaliśmy 6 skanów obracanych w różny sposób. Dopasowanie nie było już tak proste jak w poprzednich przypadkach, niektóre ze skanów nie dopasowywały się w automatyczny sposób i należało poświęcić więcej czasu na ich ręczną rejestrację. Procedura przeprowadzona identycznie jak w przypadku poprzednich procesów skanowania czyli z początku usunięcie zanieczyszczeń i zmniejszenie liczby trójkątów również do 50 000 (liczba wyjściowa: 853 125), dla porównania z poprzednimi modelami. Wygląd modelu zaraz po scaleniu skanów przedstawia rysunek (Rys. 10).

Rys. 10

Rys. 10 Model wyjściowy – po scaleniu danych ze skanera

Po wyczyszczeniu i zmniejszeniu liczby trójkątów, model został sprawdzony narzędziem Mesh Doktor programu Geomagic Studio 12. Liczba błędów jest dwukrotnie większa od modelu z poprzedniego procesu skanowania przy kącie obrotu obiektu o 60 stopni. Wynikać to może z faktu, iż obracając model dowolnie pominiemy jednak wiele powierzchni mimo że wydaje się, że uchwyciliśmy go z każdej strony, stąd więcej otworów, które pociągały za sobą kolejne błędy. Dokładna ilość błędów została pokazana na rysunku (Rys. 11)

Rys. 11

Rys. 11 Ilość błędów modelu

W przypadku tego modelu również musieliśmy usunąć znaczną liczbę trójkątów w celu uzyskania zerowej liczby błędów (Rys. 12). Ilość trójkątów z 50 000 spadła do 34 791.

 

Rys. 12

Rys. 12 Efekt po zredukowaniu liczby błędów w Mesh Doctor

Wypełnienie otworów również przebiegło w tym przypadku bezproblemowo. Efekt końcowy jest zadowalający, szczegóły są odwzorowane, ale nie wszystkie otwory zostały wypełnione w prawidłowy sposób . Na rysunku możemy zauważyć odstające powierzchnie oraz wygenerowaną dość dużą płaską powierzchnie na środku szczęki(Rys. 13). Jest to poważny błąd, który będzie wymagał dużo czasu na usunięcie. W przypadku skanowania o nieokreślony kąt pojawiło się więcej błędów, przez co również pojawiło nam się więcej otworów, a to prowadzi do najniższej dokładności pomiarowej ze wszystkich przypadków. Po tym doświadczeniu okazuje się, że jeśli skanów jest duża ilość, program znajduje mniej błędów, jednak może wystąpić problem podwójnych ścianek, co generuje dodatkową pracę i czas nad udoskonaleniem modelu. Najlepszym z procesów okazało się skanowanie o określony, duży kąt (60 stopni), dzięki czemu otrzymujemy małą liczbę skanów. Proces przebiega szybciej, błędy łatwiej naprawić, a efekt końcowy jest najbliższy rzeczywistemu obiektowi.

Rys. 13

Rys. 13 Efekt końcowy procesu

Dla porównania poddana tym samym zabiegom została figurka ulepiona ze specjalnej białej masy, stworzona aby miała wgłębienia, wybrzuszenia oraz stosunkowo cienkie ścianki(Rys. 14). Przeprowadzono skanowanie z obrotem o kąt 20 stopni, obrotem o 60 stopni i obrotem o nieokreślony kąt. Na rysunku przedstawione zostało zestawienie ilości błędów w danym procesie (Rys. 15)

Zestawienie błędów drugiego modelu potwierdziło poprzednią zależność. Również w tym przypadku model 3D złożony z największej ilości skanów miał najmniej błędów wykrytych przez program, jednak pojawiły się w nim podwójne ścianki trudne do usunięcia, oraz powodujące trudności w wypełnianiu otworów. Najlepszym wyjściem okazuje się zaplanowanie procesu skanowania 3D na małą ilość skanów
, z obrotem modelu o określony kąt (na przykład za pomocą stolika obrotowego).

Rys 14

Rys. 14 Model ulepiony ze specjalnej białej masy

Rys 15

Rys.15 Porownanie ilości błędów, od lewej: skanowanie z obrotem modelu o 20 stopni, skanowanie z obrotem modelu o 60 stopni, skanowanie z nieokreslonym katem obrotu modelu

 

Autor: Adrianna Kania, CAD Specialist in TriPioDi