SKANOWANIE NIEREGULARNYCH PRZEDMIOTÓW: SZCZĘKI 2-ie

Szczeki_1

Rys.1 Zdjęcie modelu diagnostycznego

Małe przedmioty o nieregularnych, skomplikowanych powierzchniach wydają się trudnymi do skanowania obiektami. Przeważnie tak właśnie jest, a to ze względu na różnorodne wgłębienia przedmiotu oraz powierzchnie trudno dostępne dla światła skanera. Jak sobie poradzić z taką sytuacją, na co zwrócić uwagę przy skanowaniu oraz jak można zoptymalizować proces ich skanowania? Na te pytania będziemy starali się odpowiedzieć w niniejszym artykule. Skanowanie przedmiotów o skomplikowanej powierzchni ma swoje zalety i wady. Jedną z zalet jest przede wszystkim łatwość w łączeniu skanów ze względu na niepowtarzalne elementy powierzchni, które pogram łatwo jest w stanie dopasować do wcześniej zeskanowanego fragmentu. Wadą może być duża ilość otworów i możliwych wad samego przedmiotu. Czasem wymagane jest stworzenie odpowiednich warunków oraz przygotowanie przedmiotu do skanowania. Poniżej przedstawiamy nasze sposoby radzenia sobie z nieregularnymi i skomplikowanymi modelami.

Do skanowania używaliśmy skanera DAVID SLS-2, a sam proces skanowania staraliśmy się zorganizować w taki sposób, by maksymalnie zoptymalizować całą czynność, a tym samym skrócić czas skanowania przy zachowaniu jak najlepszej jakości odwzorowania.

Szczeki_tekstura

Rys 2. Model po scaleniu skanów otrzymanych metodą pierwszą.

Pierwszym i najważniejszym etapem przygotowania skanowania to kalibracja i ustawienie skanera, które wpływa na jakość otrzymanych danych. W pierwszej kolejności ustawiliśmy takie odległości pomiędzy przedmiotem, projektorem i kamerą, by w programie David Laserscanner przedmiot znajdował się na środku ekranu kalibracyjnego, a odległość kamery od projektora była równa odległości przedmiotu od projektora. Chcąc otrzymać dobrą głębię szczegółów, ani projektor, ani kamera, nie powinny się znajdować na wprost przedmiotu, lecz pod określonym kątem. Nasz kąt ustawiliśmy na 45 stopni. Z doświadczenia wynika, że jest to optymalny kąt dla zebrania jak największej ilości danych oraz wychwycenia wgłębień w skomplikowanych przedmiotach. Pozostałe parametry ustawiliśmy według zaleceń producenta (jasność projektora, ekspozycja, jasność kamery/przysłona, ognisko kamery i projektora). Kalibrację wykonaliśmy z użyciem wzornika (dla naszych zastosowań użyliśmy wzornika dla przedmiotów do 60 mm).

Szczeki_tekstura_1

Rys. 3 Model po scaleniu skanów otrzymanych metodą drugą

Oprócz poprawnej kalibracji, przystosowaliśmy warunki oświetleniowe miejsca skanowania. Nasze zalecenia to:

  • pokój, w którym skanujemy zaciemniamy maksymalnie,

  • zapewniamy ciemne (najlepiej czarne) tło za skanowanym obiektem, co można uzyskać używając ciemnej tkaniny.

  • jeśli zależy nam na dobrej teksturze, dobrym wyjściem jest zastosowanie namiotu bezcieniowego, w którym należy zastosować jednorodny rozkład oświetlenia. Dzięki temu programowi uda się ustawić odpowiedni balans bieli.

My nie użyliśmy namiotu bezcieniowego, a w przypadku białych błyszczących powierzchni zastosowaliśmy talk techniczny, aby chaotyczny rozkład odbitego światła nie zakłócił odpowiedniego odczytu wyników.

Szczeki_skan

Rys. 4 Model po scaleniu skanów otrzymanych trzecią metodą – gotowy do obróbki w programie Leios2

Gdy stanowisko już mamy gotowe, ważnym aspektem jest opracowanie strategii skanowania obiektu. Istotna jest tu jego pozycja przedmiotu względem poziomej osi skanera – pionowa, pozioma czy pod innym kątem. Kolejną kwestią jest ustalenie o jaki kąt będziemy obracać obrotowy stolik przy skanowaniu, czy lepiej w ogóle go nie używać.

Testowaliśmy model gipsowej szczęki (Rys.1). Wykonaliśmy 12 skanów, z czego 8 z nich było dookolnych w pozycji poziomej (co 45 stopni), reszta w pozycji pionowej (co 20 stopni).

Nie jest to najlepszy sposób skanowania w przypadku szczęk, z tego względu, że program David Laserscanner ma problemy z dopasowaniem tyłu szczęki z jej przednią częścią. Powoduje to bardzo dużo błędów, a przede wszystkim nie oddaje odpowiednich wymiarów przedmiotu (Rys.2).

W kolejnej próbie odwróciliśmy sytuację – model uzyskujemy poprzez 8 skanów w pozycji pionowej, a 4 w poziomej (co 90 stopni). Efekt jest lepszy, jednak wciąż nieidealny (Rys.3).

Pokrywka

Rys. 5 Skanowany model pokrywki

Najlepiej sprawdza się ustawienie szczęki pod kątem (na przykład około 30 stopni) i wykonanie skanów dookolnych, oraz w pionie i w poziomie. (Rys.4)

Innym przedmiotem, na którym testowaliśmy skanowanie była rzeźbiona ceramiczna pokrywka (Rys. 5). Test sprowadzał się głównie do poziomego skanowania, jednak należało również ją zeskanować pod wieloma różnymi kątami, określonymi względnie, z powodu na wielorakość zagłębień w różne strony. Dopasowanie tutaj również było utrudnione ze względu na to, iż wzór mimo swojej różnorodności był dość podobny stąd zdarzało się, iż program nakładał skany w niewłaściwy sposób. W przypadku tego przedmiotu należało użyć talku technicznego do zmatowienia powierzchni, która była w dużym stopniu lśniąca.

Efekt skanowania i szybkość dopasowania skanów była zadowalająca, jednak największą trudność stanowiła obróbka dużej ilości otworów o nieregularnych krawędziach. Efekt skanowania i obróbki przedstawiamy poniżej. (Rys. 6).

Pokrywka_zeskanowana

Rys. 6 Gotowy model pokrywki ceramicznej

W przypadku skomplikowanych przedmiotów nie warto robić zbyt dużej ilości skanów ze względu na to, że na etapie scalania, trzeba dużo czasu spędzić na dopasowaniu. Lepszy efekt daje zrobienie wyczerpującej ilości skanów (to znaczy takiej, która odtworzy wszystkie powierzchnie obiektu – zazwyczaj wystarcza do 15 skanów) i ich edycja, czyli usunięcie zbyt mało oświetlonych obszarów, które dają poszarpane ścianki. Należy zwrócić uwagę czy liczba skanów nie jest zbyt mała, na etapie obróbki może bowiem się okazać, iż ubytki będą zbyt duże aby program uzupełnił je tak, aby wypełnienie stanowiło kontinuum modelu.

Na etapie obróbki w pierwszej kolejności należy zwrócić uwagę na odizolowane fragmenty. Dobrze jest zastosować filtry w programach dedykowanych obróbce siatki mające na celu usunięcie tego typu zanieczyszczeń (takie jak Remove isolated pieces w MeshLab, Podział siatki w Leios2 czy Mesh Doktor w Geomagic Studio). Są to małe powierzchnie, pochodzące z odbicia się światła od kurzu, lśniących powierzchni podłoża czy tła. Siatka musi być pozbawiona takich wad, z tego względu, iż mogłyby one zakłócać działanie filtrów takich jak wypełnianie otworów, co generowałoby dodatkowe błędy w modelu.

Szczeki_skan_1

Rys. 7 Duże otwory w modelu

Skomplikowane przedmioty są narażone na dużą ilość małych i dużych otworów z tego względu, że światło skanera często nie jest w stanie dotrzeć do każdego wgłębienia. Do wypełnienia takich otworów często trzeba podchodzić indywidualnie. Małe dziury możemy automatycznie wypełnić danym filtrem. Zdarza się jednak, że mamy do czynienia z większymi otworami (Rys. 7).

W takich wypadkach dobrze jest użyć filtra rozbudowanego o opcje dotyczące krzywizny wypełnienia (znajdziemy je na przykład w Leios 2 czy 3DReshaper). Odpowiednie ustawienia pozwolą nam uzyskać wypełnienie stanowiące ciągłość powierzchni wokół. (Rys. 8)

Szczeki_skan_2

Rys. 8 Model po wypełnieniu otworów

Najszybszym sposobem na usunięcie wszystkich wad powierzchni będzie użycie kompleksowego narzędzia do naprawy jakim jest na przykład Mesh Doktor w Geomagic Studio. W najlepszym wypadku za jednym kliknięciem (funkcja Auto-Repair) i chwili oczekiwania (od kilku sekund do kilku minut w zależności od stopnia skomplikowania modelu, ilości trójkątów i możliwości komputera) otrzymamy bezbłędną siatkę. Jeśli jednak to się nie uda w sposób automatyczny możemy równie szybko zastosować każdy z filtrów do naprawy osobno.

Niekiedy okaże się, że w scalonym modelu mamy chropowate/wadliwe powierzchnie. Możemy zastosować na nich filtry wygładzania, jednak lepiej nie stosować go na cały model. Podczas wygładzania wymiary przedmiotu zmieniają się, co znacząco wpływa na kształt. Warto użyć takiego narzędzia, kiedy możemy ustawić zachowanie kształtu (jak na przykład w Leios 2), lub wygładzenia lokalnego (również taką opcję znajdziemy w Leios 2). W takiej sytuacji mamy pełną kontrolę nad wygładzeniem i ostre krawędzie zostaną zachowane.

Szczeki_skanowanie_multiple

Rys. 9 Skanowanie kilku szczęk jednocześnie

Postawiliśmy sobie pytanie czy jest możliwe skanowanie kilku szczęk naraz bez uszczerbku dla jakości. W tym celu ustawiliśmy na stoliku 6 szczęk. Jakość skanów jest zaskakująco dobra, nawet w przypadku skanów znajdujących się daleko od skanera. Oczywiście najbardziej na takim skanowaniu ucierpi tekstura (Rys. 9).

Czy jednak jest to w stanie przyspieszyć i zoptymalizować nasz proces? Niestety, mimo tego, że otrzymujemy więcej zeskanowanych przedmiotów, końcowa ilość operacji jest dużo większa niż standardowego pojedynczego skanowania. Przede wszystkim programy skan traktują jako całość co wymaga podziału siatki i zapisu każdej szczęki z osobna przy każdym skanie (czyli przykładowo przy 12 skanach musimy 12 razy podzielić siatkę lub powycinać i zapisywać każdą ze szczęk do osobnego pliku). Następnie każdą szczęk z osobna należałoby dopasować i scalić (automatyczne dopasowanie wszystkich szczęk naraz nie jest możliwe). Po obliczeniach wyszło, iż przy 6 szczękach należałoby wykonać 156 operacji, z czego należy wziąć pod uwagę dodatkowy czas uruchamiania/importowania/zapisu/eksportowania w programach. Przy skanowaniu standardowym pojedynczym dla 6 szczęk wychodzi 96 operacji w obrębie jednego programu w wyniku których otrzymujemy gotowy do obróbki model. Stąd wniosek sam się nasuwa, że skanowanie kilku przedmiotów jednocześnie nie sprawi, że proces będzie bardziej efektywny, a wręcz przeciwnie.

Autor: Adrianna Kania, CAD Specialist in TriPioDi