GrabDuck

Технология трехмерного сканирования: методика получения электронных копий частей тела ...

:

Технология трехмерного сканирования: методика получения электронных копий частей тела человека с использованием лазерных 3D-сканеров Handyscan 3D REVscan и Konica Minolta VI‑910

В. О. Тишкин, Е. В. Разина

Технология трехмерного сканирования является одной из передовых в создании электронных копий физических объектов. Применяя ее, мы не только получаем широкие возможности в процессе создания моделей без привычного нам 3D-моделирования в специализированных программных пакетах, но также сталкиваемся и с определенными трудностями. Разнообразие существующих объектов, доступных для 3D-сканирования, диктует необходимость разработки различных алгоритмов регистрации их поверхностей и методик обработки «сырых» данных.

Сложность объекта съемки зависит от таких факторов, как объемность (полно- или неполнообъемный), тип и детализация его поверхности.

Тело человека является одним из самых сложных объектов для 3D-сканирования. Это полнообъемный объект с однородной поверхностью, но тем не менее самым важным фактором, влияющим на сложность создания его электронной копии, является его достаточно высокая подвижность.

Исследование, проведенное нами ранее в области современных технических устройств, позволило выделить 3D-сканеры бесконтактного типа, применяемые для оцифровки частей тела человека [1–4]. К таким приборам относятся:

  • бесконтактный лазерный сканер компании Cyberware (сканирующий блок WB4);
  • лазерный 3D-сканер ScanWorX производства Human Solutions GmbH;
  • лазерные сканеры MicroScribe 3D Laser SystemsTM;
  • бесконтактные сканеры корпорации Konica Minolta серии VIVID (например, сканеры VI-910 и VI-9i);
  • бесконтактные лазерные сканеры REV и EXAscan компании Creaform;
  • фотосканер для стопы FotoScan 3DTM Foot Scanner компании Precision 3D;
  • бесконтактный лазерный сканер для стопы 3D Foot Scanner компании Elinvision.

Доступность и удобство использования таких моделей сканеров, как Handyscan 3D REVscan и Konica Minolta VI-910, определили наш выбор в их пользу. Таким образом, с целью оцифровки поверхностей тела человека и дальнейшего создания их электронных копий нами были использованы эти модели сканеров.

В рамках диссертационной работы были проведены практические исследования объектов сложной формы (плеча, предплечья и кистей рук мужчины и женщины) с целью их оцифровки с использованием 3D-сканеров бесконтактного типа. В результате были получены трехмерные модели рук мужчины и женщины в статическом (рис. 1–2) и динамическом (рис. 3–4) состояниях.

 

Методика применения технологий 3D-ска­ни­рования с целью получения точных электронных копий частей тела человека на примере рук мужчины и женщины подробно изложена далее в настоящей статье.

 

Этапы получения точных электронных копий руки мужчины и руки женщины

Предплечье и плечо. Оцифровка поверхности плеча и предплечья рук мужчины и женщины проводилась с помощью бесконтактного лазерного сканера Handyscan 3D REVscan канадской компании Creaform (рис. 5) [5, 6]. Данный прибор работает по принципу размещения на поверхности объекта сканирования специальных светоотражающих маркеров, регистрируя которые 3D-сканер формирует единую систему координат и таким образом может производить оцифровку объекта. Фиксированное расположение маркеров, создающих единую систему координат, позволяет оператору перемещать сканер во время процедуры регистрации поверхности сложной формы, что дает возможность получения полных трехмерных копий без дополнительной сборки-сшивки отдельных элементов [2, 3].

При сканировании однородных поверхностей данный прибор дает хорошее качество сетки трехмерной модели. Настройка производится в программном обеспечении устройства за счет изменения объема виртуального куба, в котором происходит регистрация трехмерных координат поверхности объекта. Точность лазерного сканера составляет 100 микрон.

С целью получения точных электронных копий рук мужчины и женщины мы воспользовались общим алгоритмом работы со сканерами компании Creaform и разработали методику сборки и обработки данных 3D-сканирования частей тела человека [4]. 

Поскольку оцифровка объектов сложной формы такими устройствами предполагает использование специальных светоотражающих маркеров, они были размещены на поверхности объектов сканирования таким образом, чтобы оптическая система (сканер) воспринимала позиционные маркеры как единую систему координат на поверхности рук мужчины и женщины (рис. 6).

Далее оператор произвел регистрацию маркеров 3D-сканером, после чего задал в программном обеспечении величины разрешения сканирования в соответствии с характеристиками сканируемой поверхности руки.

Затем проводился процесс непосредственного сканирования поверхностей плеча и предплечья рук мужчины и женщины (рис. 7 а, б), в результате чего было получено необходимое количество сканов поверхностей рук (рис. 8). В дальнейшем элементы сессии сканирования были экспортированы в программное обеспечение RapidForm 2006, Inus Tech., Inc., что позволило перейти к обработке полученного материала [4]. 

Объем данных, получаемых в процессе оцифровки объекта, в технологии 3D-сканирования определяется количеством сканов и их весом. Термин «скан» является аналогом термина «снимок» в фотографировании, но ввиду принципиальной разницы получаемых данных (двумерное фотоизображение в фотографировании и трехмерная копия определенной площади поверхности в 3D-сканировании) в данном случае корректнее применять термин «скан» [3, 4].

Кисть. Оцифровка поверхностей кистей рук мужчины и женщины проводилась с помощью бесконтактного лазерного сканера VI-910 производства японской корпорации Konica Minolta, корпус которого представлен на рис. 9. Сканирование поверхности устройствами Konica Minolta происходит поракурсно, как при использовании обычного фотоаппарата, с тем различием, что прибор дает объемную «фотографию», т. е. — скан [3–5 и 7]. 

Данный прибор работает по следующему принципу: луч, испускаемый встроенным в 3D-сканер источником, после прохождения через оптическую систему устройства отражается от поверхности объекта и регистрируется матрицей-приемником. При этом регистрируемая часть объекта позиционируется в электронном пространстве относительно сканера, т. е. прибор является нулем координат. При таком подходе объект необходимо последовательно снимать с разных ракурсов и далее собирать в специальных программных пакетах для получения его полной трехмерной копии [2, 4].

Одним из важнейших факторов качества электронных копий является плотность полигональной сетки (или, иначе говоря, размер одного полигона). В зависимости от настроек сканера и использовании той или иной линзы (широкоугольной, средней или телескопической) на одном и том же приборе можно получить разное качество регистрируемой поверхности. С целью получения достоверных копий кистей рук в процессе сканирования мы использовали среднюю (middle) линзу. С одной стороны, она позволяет получать бóльшую плотность при меньших площадях захвата по сравнению с широкоугольной (wide), с другой стороны, использование телелинзы (tele) было неоправданно, так как она дает чрезмерно высокую плотность облака точек и описывает поверхность кисти руки вплоть до чешуек кожи. В нашем случае в этом не было необходимости [2, 3].

Сканирующее устройство установили на твердую поверхность, вследствие чего обеспечили его стационарность. В рабочей области прибора расположили кисть руки, зафиксировав ее положение. Таким образом, мы смогли минимизировать подвижность кисти руки и предплечья в процессе съемки объекта (рис. 10). Объектив сканера VI-910 направили на предмет съемки и запустили прибор. Оператором было задано фокусное расстояние (фактически, расстояние от поверхности объекта сканирования до прибора), а также интенсивность лазерного луча и чувствительность воспринимающей матрицы в соответствии с характеристиками сканируемой поверхности [4].

Процесс сканирования заключался в поэлементной регистрации объекта по частям со всех сторон, при этом оператор контролировал с помощью программного обеспечения сканера отсутствие не отсканированных секторов (затененных участков). Регистрация следующей части поверхности объекта проводилась таким образом, чтобы была некоторая общая площадь с уже отснятой частью [4].

В результате были получены сканы поверхности кистей рук мужчины и женщины (рис. 11–12).

В процессе оцифровки объектов в рабочее поле сканера попадались посторонние предметы, которые он также захватывал в кадр (например, поверхности, на которых располагались кисти мужской и женской рук). Такие предметы называются «шумы съемки», и после получения необходимого количества сканов объекта оператору надо их удалять [4]. Результаты сессии сканирования были сохранены по отдельности с целью их дальнейшей сборки в единые 3D-копии рук мужчины и женщины.

 

Получение цельных электронных копий рук мужчины и женщины

Для того чтобы получить единые электронные копии объектов сложной формы (в данном случае, рук мужчины и женщины), была необходима и проводилась сборка «сырого» материала, т. е. совмещались воедино набранные количества сканов плеча, предплечья и кистей рук в программном обеспечении RapidForm 2006, Inus Tech., Inc. Совмещение проводилось по общей поверхности, отснятой как на Handyscan 3D REVscan (рис. 8), так и на Konica Minolta VI-910 (рис. 12).

Процесс получения цельных моделей-копий включал в себя несколько этапов.

 

1. Соединение сканов. 

Сканы соответствующих кистей рук, мужской и женской, не были сгруппированы относительно друг друга, как в случае оцифровки поверхностей плеча и предплечья рук, поскольку в процессе съемки не использовались позиционирующие маркеры, создающие единую систему координат. Поэтому для того, чтобы получить цельные копии мужской и женской рук, нам необходимо было получить достоверные копии тыльных и ладонных поверхностей мужской и женской кистей. С этой целью мы применяли в пакете RapidForm 2006 процедуру Initial. Эта процедура предусматривает функцию соединения (но не в общее целое) двух сканов, имеющих общую поверхность. Таким образом, проводилось попарное сопоставление элементов по трем контрольным точкам [4]. Процесс соединения двух сканов представлен на рисунках 13–15.

 

2. Математический расчет соединения. 

Поскольку при соединении сканов возможны локальные погрешности, возникающие при наложении одного скана на другой (рис. 15), была необходима и использовалась функция Fine в RapidForm 2006, чтобы их избежать. Эта функция обсчитывает форму поверхности одного скана относительно формы поверхности другого для последующего более точного их соединения. Таким образом, по команде оператора программа автоматически анализировала рельеф поверхностей и оптимизировала взаимное расположение фрагментов сессии сканирования, т. е. производилась «точная» подгонка сканов. Функция Fine особенно важна при работе с цельнотрехмерными объектами. Ее использование позволяет избежать общей погрешности соединения на всей модели [4].

3. Удаление пересечений. 

При соединении отдельных сканов возникают места больших площадей наложения двух или более поверхностей (на рис. 15 общая площадь — середина ладони). Такие места необходимо удалять, во-первых, для освобождения пространства памяти, а следовательно, для сокращения времени на обработку программой тех или иных действий; во-вторых, для того, чтобы избежать возможных ошибок (при наложении одной поверхности на другую) во время процедуры сшивания в единое целое. Удаление пересечений проводилось оператором вручную в программном обеспечении RapidForm 2006 [4].

 

4. Сшивка. 

Процедура сшивки Merge в RapidForm 2006 позволяет соединить два и более сканов в единое целое. Разработанная нами методика предполагает сшивание всего комплекса соединенных между собой сканов после проведенных процедур «досоединения» (п.п. 1–3: соединение сканов, математический расчет соединения, удаление пересечений), что существенно экономит время, в отличие от попарного сшивания сканов [4].

Таким образом, получение цельной модели-копии подразумевает соединение полученных ранее сканов в единое целое. В результате проведенных операций на экране монитора формируется объемная копия реального объекта. Естественно, что такие копии имеют определенные отклонения от исходной модели, вызванные погрешностью прибора, но нивелируемые дальнейшей обработкой [4].

 

5. Обработка отверстий. 

После получения цельных копий рук мужчины и женщины мы обнаружили на их поверхностях различного рода погрешности, например, недостающие части (дыры) и искажения вследствие программных ошибок. Исправлением этого комплекса недочетов оператор занимался далее, используя функцию Fill holes в программе RapidForm 2006 [4].

 

6. Сглаживание. 

Процедура сглаживания Smooth, предусмотренная в программе RapidForm 2006, позволила нам убрать шероховатости поверхности компьютерных копий рук мужчины и женщины, возникшие либо за счет погрешностей сканеров, либо вследствие специфики сканируемых поверхностей (рис. 18). С другой стороны, являясь, по сути, функцией деформации, «сглаживание» дало возможность исправления программных ошибок, возникших во время сшивания [4].

7. Пересчет полигональной поверхности. 

Применение функции Remesh программы RapidForm 2006 позволило нам перестроить структуру полигональной поверхности, чтобы придать ей однородный вид. Это было необходимо с точки зрения облегчения расчетов центрального процессора компьютера и, как следствие, уменьшения времени на проведение операций над 3D-моделями. С другой стороны, вследствие процедуры пересчета исчезли большие полигоны, которые появились на гранях, острых или отрицательных углах поверхностей моделей рук мужчины и женщины (рис. 19). Это позволило нам получить однородные полигональные структуры, обработку которых можно было далее вести более тонко [4].

 

8. Кроме вышеописанных функций, в процессе обработки данных сканирования нами также использовалась процедура «ручного» перемещения отдельных элементов Shell Trackball, предусмотренная в программном обеспечении RapidForm 2006. Сопоставление отсканированных ладонных и тыльных поверхностей кисти руки позволило нам выявить локальные несоответствия сканов, которые явились следствием высокой подвижности костей в лучезапястном, запястно-пястных, пястно-фаланговых и межфаланговых суставах. Эти несоответствия хорошо видны в рабочей зоне пальцев на рис. 20. Применение процедуры Fine не позволяет решить данную проблему целиком, поэтому необходимо перемещение сканов «вручную».

 

Процедура Shell Trackball позволяет перемещать объекты в трех направлениях, а также вращать их в трех плоскостях, что дает оператору возможность сопоставления двух отдельных элементов в процессе сборки сканов (рис. 21).

Предлагаемая нами методика сборки и обработки данных 3D-сканирования объектов сложной формы с использованием бесконтактных лазерных сканеров Handyscan 3D REVscan и Konica Minolta VI-910 позволяет получать точные электронные копии частей тела человека, а разработанный алгоритм обработки поверхностей объектов сканирования сократить время на обработку данных и повысить качество получаемых моделей-копий.

С помощью разработанной нами методики возможно получение объемных 3D-копий в статическом и динамическом состояниях как отдельных частей, так и всего тела человека. 

 

Литература

  1. Тишкин В. О., Черепанова О. В. Объемное сканирование и моделирование. // Научно-технический вестник «Современная физика. Труды молодых ученых». Вып. 37. — СПб: СПбГУИТМО, 2007 г., с. 45–47.
  2. Тишкин В. О., Вершинин А. Н. Качество электронных копий физических объектов. // Научно-технический вестник «Прикладные информационные технологии». Вып. 52. — СПб: СПбГУИТМО, 2008 г., с. 69–72.
  3. Тишкин В. О., Вершинин А. Н. Анализ технического состояния 3D-сканера. // Сборник трудов конференции молодых ученых «Оптоинформатика, наносистемы и теплотехника». Вып. 3. — СПб: СПбГУИТМО, 2009 г., с. 176–179.
  4. Тишкин В. О. Методика сборки и обработки данных, полученных в процессе 3D-сканирования. // Научно-технический вестник СПбГУИТМО, № 1(71)/2011. — СПб: СПбГУИТМО, 2011г., с. 87–93.
  5. http://www.ametist.com/3d/
  6. http://www.handyscan3d.com
  7. http://konicaminolta.com

 

Читать электронную версию:

...