Точность создания электронных ЗD-моделей при лазерном сканировании
ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА
УДК 681.786.23
ТОЧНОСТЬ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ 3D-МОДЕЛЕЙ ПРИ ЛАЗЕРНОМ СКАНИРОВАНИИ
© 2012 г. В. О. Тишкин*; В. А. Парфенов**, канд. техн. наук
** Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных ** технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург
** Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ”, ** Санкт-Петербург
** E-mail: tiviol@gmail.com
Проведены эксперименты по лазерному сканированию эталонного (тестового) объекта с последующим созданием его электронной трехмерной модели. Предложена и описана методика исследования точности измерений при трехмерном сканировании.
Ключевые слова: лазерное 3D-сканирование, лазерный сканер, скан, электронная 3D-модель, электронный паспорт памятника, тестовый образец, точность измерений, сохранение культурно-исторического наследия.
Коды OCIS: 230.2090, 100.6890
Поступила в редакцию 12.03.2012
Введение
В настоящее время все более широкое распространение получает технология трехмерного (3D-) лазерного сканирования, позволяющая создавать высокоточные виртуальные копии (электронные 3D-модели), которые несут информацию о размерах и геометрической форме исследуемых объектов. Лазерное сканирование применяется в науке и технике (в проектировании, реконструкции, строительстве, медицине и проч.) [1–3], а в последние годы стало все чаще использоваться при решении различных задач по сохранению объектов культурно-исторического наследия [4–6].
Независимо от конкретного применения на практике очень важно, чтобы создаваемая при лазерном сканировании 3D-модель с высокой степенью точности соответствовала (т. е. адекватно воспроизводила) исходному (сканируемому) объекту. Точность создания 3D-моделей определяется главным образом точностью измерений, которая зависит от технических характеристик самого лазерного сканера и ус-
ловий сканирования. Однако очень важную роль играет также программное обеспечение, используемое при обработке результатов сканирования, и квалификация специалиста, который ее проводит. Отметим, что, несмотря на свою важность, проблема точности создания 3D-моделей при лазерном сканировании в научной литературе почти не рассматривается. Известны работы, в которых анализируется точность лазерных сканеров и факторы, приводящие к погрешности измерений [7, 8], а вот вопросам влияния компьютерной обработки данных сканирования на качество получаемой в итоге 3D-модели в литературе посвящено очень малое число работ (см., в частности, [9]). В данной статье рассмотрена именно эта проблема.
Постановка задачи. Методы исследования
Проблема обеспечения высокой точности 3D-моделей наиболее актуальна при использовании лазерного сканирования в машино-
84 “Оптический журнал”, 79, 7, 2012
строении, медицине и создании электронных паспортов скульптурных памятников. В последнем случае это связано с особенностями рельефа поверхности сканируемых объектов. Любая скульптура имеет так называемые “поднутрения” (складки драпировки, отверстия, углубления и др.), куда при сканировании невозможно направить лазерный пучок, соответственно, невозможно получить и отраженный сигнал, несущий информацию об этой части поверхности. С другой стороны, при документировании данных о скульптурных памятниках неточность создания 3D-модели проявляется в потере мелких деталей пластики, а это ведет к искажению их визуального восприятия, что недопустимо при создании физических копий скульптур.
В последние годы с целью сохранения наиболее значимых с исторической и художественной точки зрения экстерьерных памятников во многих странах мира их стали заменять копиями. Одним из наиболее перспективных способов копирования является использование инновационной технологии, основанной на применении в совокупности лазерного сканирования и камнеобрабатывающих фрезерных станков с числовым программным управлением [10, 11]. При таком подходе сначала создается электронная 3D-модель памятника. Затем в виде компьютерного файла эта модель загружается в микропроцессор станка-робота, который “вырезает” копию скульптуры из глыбы камня (мрамора, известняка, гранита и др.) или дерева. Очевидно, что точность соответствия копии оригиналу зависит в первую очередь от точности создания 3D-модели памятника.
На протяжении последних нескольких лет авторы данной статьи занимаются созданием электронных 3D-моделей памятников истории и культуры и их физических копий [12, 13]. Поэтому вопросы точности создания 3D-моделей сканируемых объектов имеют
большое практическое значение, что и явилось побудительным мотивом для проведения исследований в этой области.
В данной работе были проведены эксперименты по лазерному сканированию эталонных (тестовых) объектов с последующим созданием их 3D-моделей. В качестве эталонных объектов были выбраны предметы относительно простой геометрической формы, размеры которых известны (или могут быть измерены) с высокой точностью. Ниже приводится краткое описание использованных в экспериментах лазерных сканеров и одного из тестовых образцов, с которым проводились основные исследования.
Лазерные сканеры, использовавшиеся в экспериментах
В экспериментах по сканированию тестовых образцов были использованы лазерные сканеры японской фирмы Konica Minolta двух моделей – Vi-910 и Vi-9i. Выбор именно этих сканеров связан с обеспечением ими очень высокой точности измерений (на уровне десятков микрометров, см. табл. 1) и благодаря этому они часто используются в практических работах по созданию 3D-моделей скульптурных памятников [9, 14].
Оба сканера являются оптическими приборами, принцип действия которых основан на использовании метода лазерной триангуляции.
Работа сканеров Konica Minolta в чем-то сродни работе обычного фотоаппарата, поскольку процесс сканирования ведется поракурсно. Из-за этого отдельные снимки поверхности (в практике лазерного сканирования их обычно называют сканами) не сгруппированы друг с другом, и для получения единой 3D-модели всей поверхности снимаемого объекта требуется выполнение специальной процедуры по “сшивке” (соединению) отдельных сканов в единое облако точек. В результате этого формируется та самая электронная 3D-модель
Таблица 1. Технические характеристики сканеров Konica Minolta
Тип сканера
Vi-910
Метод измерений Максимальная точность измерений, мм Время сканирования, с Размеры сканируемых объектов (по осям X, Y, Z), мм
лазерная триангуляция ± 0,1
0,3–2,5 от 1118340 до 1196897750
“Оптический журнал”, 79, 7, 2012
Vi-9i лазерная триангуляция
± 0,05 2,5
от 936926 до 149511211750
85
исследуемого объекта, которая и несет в себе информацию о его размерах и геометрической форме.
(а)
(б)
Краткое описание тестового объекта
В качестве тестового объекта в работе использовался полированный металлический цилиндр диаметром 3 см и образующей 20 см.
В задачу исследований входило проведение лазерного сканирования тестового объекта, создание его 3D-модели и определение точности их соответствия друг другу.
Результаты исследования
Сканирование тестового объекта
При сканировании эталонного образца авторы работы столкнулись с проблемой появления бликов лазерного излучения от боковой поверхности металлического цилиндра. Наличие бликов в облаке точек приводило к потере информации об отдельных участках поверхности образца (на лазерных сканах в этих местах образовывались своеобразные “дыры”). Из-за этого пришлось использовать специальное антибликовое покрытие, представляющее собой мелкодисперсионную пудру. Это позволило сделать поверхность эталона равномерно матово-белой, а поскольку слой “пудры” был очень тонким (около 1–2 мкм), его присутствие не приводило к изменению исходной формы поверхности эталона. В результате этого при создании 3D-модели эталона не было необходимости учитывать влияние толщины антибликового покрытия.
Другой проблемой, с которой пришлось столкнуться в процессе сканирования эталона, была чрезмерно высокая однородность его поверхности. Наличие так называемых реперных точек на поверхности сканируемого объекта всегда является обязательным условием при создании его 3D-модели в процессе “сшивки” отдельных сканов. Для того чтобы решить эту проблему, перед началом сканирования на поверхности эталона были помещены небольшие (размером около 22 мм) кусочки пластилина. Они и стали теми самыми реперными точками, по которым в процессе обработки результатов сканирования определялось правильное расположение отдельных сканов друг относительно друга.
Сборка сканов в единую 3D-модель осуществлялась с помощью специализированной про-
Рис. 1. Изображения 3D-модели эталона до (а) и после (б) применения процедуры Defeature.
граммы для обработки данных лазерного сканирования RapidForm 2006 (Inus Tech., Inc, Южная Корея). При этом те участки поверхности, которые содержали указанные реперные точки, обрабатывались в этой программе c помощью специальной процедуры Defeature. Эта процедура позволяет удалять локальные неровности или выступающие элементы, вместе с тем сохраняя общую форму реконструированной поверхности. В результате этого удалось избежать кропотливой обработки по локальному сглаживанию каждой отдельно взятой реперной точки (рис. 1).
“Сшивка” сканов и постобработка облака точек
Рассмотрим проведенную процедуру “сшивки” отдельных сканов более подробно. Характерной особенностью работы со сканерами Konica Minolta является (об этом уже говорилось выше) необходимость проведения “сшивки” (сборки) сканов отдельных фрагментов поверхности в единое облако точек. Для этого необходимо последовательное проведение нескольких процедур.
Процедура сборки сканов для сканеров Konica Minolta подробно описана в работе [15]. В данном конкретном случае она включала выполнение следующих операций.
1. Группировка. Данная операция подразумевает сопоставление хаотично расположенных сканов друг с другом. При этом необходимо наличие на сканах как минимум 3-х общих (реперных) точек на поверхности двух близлежащих фрагментов частей реконструируемого объекта. Выше уже говорилось о том, что при
86 “Оптический журнал”, 79, 7, 2012
сканировании эталона сканерами Konica Minolta реперные точки искусственно сформировали на регистрируемой поверхности, зафиксировав на ней небольшие кусочки пластилина.
2. Математический расчет. Данная операция проводилась дважды: с группами по четыре скана и с конечным набором данных (облаком точек, собранным из всех отдельных сканов). Эта операция осуществлялась с целью минимизации локальных погрешностей соединения однородных по форме сканов.
3. Сшивка. Эта процедура, так же как и математический расчет, осуществлялась дважды – с группами по четыре скана и с конечным набором данных.
Далее проводилась дополнительная обработка поверхности с целью выявления погрешностей сканирования на каждой из двух моделей, полученных на разных сканерах (Konica Minolta Vi-910 и Vi-9i). Для этой цели использовалась специальная операция, выполняемая в программе RapidForm 2006 и называемая “сглаживание поверхности”. Она позволяет усреднить разброс положения отдельных точек реконструированной поверхности, вызванный погрешностью измерений. Кроме того, при обработке 3D-модели использовалась уже упомянутая выше процедура Defeature.
Оценка точности соответствия созданной 3D-модели эталону
Для выявления общей погрешности сканирования тестового образца и результатов обработки полученных данных была построена математическая модель цилиндра. Для этого воспользовались специальными встроенными функциями программы RapidForm XOR, которые позволили построить геометрически правильный цилиндр с характеристиками эталонного образца (диаметром 3 см и образующей 20 см). Построенную таким образом 3D-модель можно считать “идеальным цилиндром” и использовать ее как виртуальный эталон.
Так как построение математической 3Dмодели в программе RapidForm XOR шло относительно модели, полученной путем сканирования, не было возможности воспользоваться специальной встроенной функцией этой же программы, называемой Accuracy Analyzer. Она служит для расчета среднего арифметического значения отклонения между наложенными друг на друга поверхностями двух 3D-моделей по всей их площади.
Таблица 2. Сравнение степени соответствия полигональных трехмерных моделей тестового объекта и модели эталона (3D-модели математически построенного цилиндра) для сканеров Konica Minolta Vi-910 и Vi-9i
Модель сканера
Среднеарифметическое значение отклонения формы
поверхности
Vi-910 Vi-9i
0,04 мм 0,05 мм
В табл. 2 приводятся среднеарифметические значения отклонения реальной и смоделированной поверхностей цилиндра друг относительно друга по двадцати отдельным точкам. Они полученны в результате взаимного наложения 3D-модели эталонного цилиндра и 3D-моделей, полученных после обработки данных сканирования для каждого из двух сканеров (Konica Minolta Vi-910 и Vi-9i). Качественные отличия поверхностей 3D-моделей эталона и тестового образца, полученные с помощью сканера Konica Minolta Vi-910, показаны на рис. 2 (переход цветов отражает различные степени расхождения точек поверхностей). Кроме того, с помощью той же самой программной процедуры Accuracy Analyzer проведено сравнение полигональных 3D-моделей друг с другом. Расхождение реконструированных поверхностей в этом случае составило 0,045 мм. Данное значение является подтверждением правильности проведенного исследования, так как разница паспортных значений точности сканеров Vi-910 и Vi-9i составляет 50 мкм.
Заметим, что приведенное в табл. 2 среднеарифметическое значение отклонения форм поверхности тестового образца и эталонного цилиндра для сканера Konica Minolta Vi-910 превосходит значение аналогичной величины для сканера Vi-9i, хотя паспортные значения точности измерений у последнего сканера выше. Это может быть связано с использованием при работе со сканером Konica Minolta Vi-9i большего фокусного расстояния, чем при работе со сканером Vi-910. Дело в том, что в этих сканерах предусмотрена возможность изменения фокусного расстояния, так как в процессе сканирования с разных ракурсов оператору заранее неизвестно точное расстояние от сканера до объекта. При этом факт уменьшения точности измерений при увеличении фокусного расстоя-
“Оптический журнал”, 79, 7, 2012
87
Рис. 2. Степень различия двух поверхностей 3D-моделей тестового объекта и эталонного цилиндра.
ния на устройствах Konica Minolta был установлен ранее в процессе исследования точностных характеристик 3D-сканеров [16].
Заключение
Проведенные исследования показывают, что при лазерном сканировании даже самых простых (с точки зрения геометрической формы поверхности) объектов создаваемая в результате обработки результатов сканирования электронная трехмерная модель может отличаться от исходного объекта.
В случае сканеров триангуляционного типа Konica Minolta Vi-910 и Vi-9i при создании 3D-модели объекта в форме цилиндра размером 320 см среднее арифметическое значение отклонения исходной и реконструированной поверхностей невелико: она составляет около 40–50 мкм, что сопоставимо
с точностью измерений этих сканеров. Вместе с тем, при создании электронных 3D-моделей скульптурных памятников, в особенности с целью последующего изготовления их физических копий, вопросам методики сканирования и последующей компьютерной обработки его результатов даже в случае использования описанных в статье высокоточных сканеров Konica Minolta требуется уделять пристальное внимание. Поэтому авторы статьи предполагают продолжить исследования, связанные с рассмотрением этой проблемы. В частности, предложенную в данной статье методику исследования точности измерений при 3D-сканировании авторы намерены использовать для выявления погрешностей и у других видов сканеров.
В заключение авторы выражают признательность И.Д. Григорьевой, принимавшей участие в работе.
*****
ЛИТЕРАТУРА
1. Sansoni G., Trebechi M., Docchio F. State-of-the-art and application of 3D- imaging sensors in industry, cultural heritage, medicine, and criminal investigation // Sensors. 2009. V. 9. P. 568–601.
2. Канашин Н.В. Съемка железнодорожных станций методом лазерного сканирования // Путь и путевое хозяйство. 2008. № 7. С. 15–16.
88 “Оптический журнал”, 79, 7, 2012
3. Бурцев А.А. Инновационные технологии для автоматизации маркшейдерских работ при строительстве подземных сооружений // Геопрофи. 2011. № 7. С. 26–29.
4. Fontana R., Gambino M., Greco M., Pampaloni E., Pezzati L., Scopigno R. High-resolution 3D-digital models of artworks // Proc. SPIE. 2003. V. 5146. P. 34–43.
5. Фрейдин А.Я., Парфенов В.А. Трехмерное лазерное сканирование и его применение для съемки архитектурных сооружений и реставрации памятников // Оптический журнал. 2007. Т. 74. № 8. С. 44–49.
6. Войнаровский А.Е. Сочетание методов трехмерного лазерного сканирования и цифровой фотограмметрии для фиксации и обмера памятников архитектуры // Реликвия (Реставрация. Консервация. Музеи). 2009. № 21. С. 30–33.
7. Boehler W., Bordas V.M., Marbs A. Investigating laser scanner accuracy // Proc. XIX CIPA. 2003. P. 189–194.
8. Lighti D., Harvey B. The effects of reflecting surface properties on Time-of-Flight laser scanner measurements // IAPRS. Ottawa. 2002. V. 34(4). Р. 87–95.
9. McIntosh J.R. Comparison of the spatial accuracy of disparate 3D-laser point clouds in large scale 3D-modeling and physical reproduction projects for large Cultural Heritage structures / Thesis of Degree of Master of Science. Curtin University of Technology. December 2006. V. 1. P. 1–25.
10. Fowels P.St. The garden temple at ince blundell: a case study in the recording and non-contact replication of decayed sculpture // J. Cult. Heritage. 2000. V. 1. P. S89–S91.
11. Tucci G., Bonora V. Application of high resolution scanning systems for virtual moulds and replicas of sculptural works // Proc. XXI CIPA. 2007. P. 721–726.
12. Парфенов В.А. Бесконтактное копирование мраморных скульптур с использованием лазерной технологии / В кн.: “Скульптура XVIII–XIX веков на открытом воздухе. Проблемы сохранения и экспонирования”. СПб.: Государственный музей городской скульптуры, 2010. C. 66–69.
13. Tishkin V.O., Parfenov V.A. Coping the marble bust `Primavera`: first case study in Russia of non-contact laser recording and replication of stone Cultural Heritage // Technical Progr. 14th Inter. Conf. on Laser Optics. St. Petersburg, Russia. 28 June–2 July, 2010. Paper TuZ1-04. P. 91.
14. Sansoni G., Docchio F. 3D-optical measurements in the field of cultural heritage: the case of Vittoria Alata of Brescia // IEEE Trans. Instrum. Meas. 2005. V. 54. P. 359–368.
15. Тишкин В.О. Методика сборки и обработки данных, полученных в процессе 3D-сканирования // Научнотехнический вестник СПбГУ ИТМО. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2011. № 1(71). С. 87–93.
16. Тишкин В.О., Вершинин А.Н. Анализ технического состояния 3D-сканера // Сб. тр. конф. молодых ученых “Оптоинформатика, наносистемы и теплотехника”. СПб.: СПГУ ИТМО, 2009. В. 3. С. 176–179.
“Оптический журнал”, 79, 7, 2012
89
УДК 681.786.23
ТОЧНОСТЬ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ 3D-МОДЕЛЕЙ ПРИ ЛАЗЕРНОМ СКАНИРОВАНИИ
© 2012 г. В. О. Тишкин*; В. А. Парфенов**, канд. техн. наук
** Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных ** технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург
** Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ”, ** Санкт-Петербург
** E-mail: tiviol@gmail.com
Проведены эксперименты по лазерному сканированию эталонного (тестового) объекта с последующим созданием его электронной трехмерной модели. Предложена и описана методика исследования точности измерений при трехмерном сканировании.
Ключевые слова: лазерное 3D-сканирование, лазерный сканер, скан, электронная 3D-модель, электронный паспорт памятника, тестовый образец, точность измерений, сохранение культурно-исторического наследия.
Коды OCIS: 230.2090, 100.6890
Поступила в редакцию 12.03.2012
Введение
В настоящее время все более широкое распространение получает технология трехмерного (3D-) лазерного сканирования, позволяющая создавать высокоточные виртуальные копии (электронные 3D-модели), которые несут информацию о размерах и геометрической форме исследуемых объектов. Лазерное сканирование применяется в науке и технике (в проектировании, реконструкции, строительстве, медицине и проч.) [1–3], а в последние годы стало все чаще использоваться при решении различных задач по сохранению объектов культурно-исторического наследия [4–6].
Независимо от конкретного применения на практике очень важно, чтобы создаваемая при лазерном сканировании 3D-модель с высокой степенью точности соответствовала (т. е. адекватно воспроизводила) исходному (сканируемому) объекту. Точность создания 3D-моделей определяется главным образом точностью измерений, которая зависит от технических характеристик самого лазерного сканера и ус-
ловий сканирования. Однако очень важную роль играет также программное обеспечение, используемое при обработке результатов сканирования, и квалификация специалиста, который ее проводит. Отметим, что, несмотря на свою важность, проблема точности создания 3D-моделей при лазерном сканировании в научной литературе почти не рассматривается. Известны работы, в которых анализируется точность лазерных сканеров и факторы, приводящие к погрешности измерений [7, 8], а вот вопросам влияния компьютерной обработки данных сканирования на качество получаемой в итоге 3D-модели в литературе посвящено очень малое число работ (см., в частности, [9]). В данной статье рассмотрена именно эта проблема.
Постановка задачи. Методы исследования
Проблема обеспечения высокой точности 3D-моделей наиболее актуальна при использовании лазерного сканирования в машино-
84 “Оптический журнал”, 79, 7, 2012
строении, медицине и создании электронных паспортов скульптурных памятников. В последнем случае это связано с особенностями рельефа поверхности сканируемых объектов. Любая скульптура имеет так называемые “поднутрения” (складки драпировки, отверстия, углубления и др.), куда при сканировании невозможно направить лазерный пучок, соответственно, невозможно получить и отраженный сигнал, несущий информацию об этой части поверхности. С другой стороны, при документировании данных о скульптурных памятниках неточность создания 3D-модели проявляется в потере мелких деталей пластики, а это ведет к искажению их визуального восприятия, что недопустимо при создании физических копий скульптур.
В последние годы с целью сохранения наиболее значимых с исторической и художественной точки зрения экстерьерных памятников во многих странах мира их стали заменять копиями. Одним из наиболее перспективных способов копирования является использование инновационной технологии, основанной на применении в совокупности лазерного сканирования и камнеобрабатывающих фрезерных станков с числовым программным управлением [10, 11]. При таком подходе сначала создается электронная 3D-модель памятника. Затем в виде компьютерного файла эта модель загружается в микропроцессор станка-робота, который “вырезает” копию скульптуры из глыбы камня (мрамора, известняка, гранита и др.) или дерева. Очевидно, что точность соответствия копии оригиналу зависит в первую очередь от точности создания 3D-модели памятника.
На протяжении последних нескольких лет авторы данной статьи занимаются созданием электронных 3D-моделей памятников истории и культуры и их физических копий [12, 13]. Поэтому вопросы точности создания 3D-моделей сканируемых объектов имеют
большое практическое значение, что и явилось побудительным мотивом для проведения исследований в этой области.
В данной работе были проведены эксперименты по лазерному сканированию эталонных (тестовых) объектов с последующим созданием их 3D-моделей. В качестве эталонных объектов были выбраны предметы относительно простой геометрической формы, размеры которых известны (или могут быть измерены) с высокой точностью. Ниже приводится краткое описание использованных в экспериментах лазерных сканеров и одного из тестовых образцов, с которым проводились основные исследования.
Лазерные сканеры, использовавшиеся в экспериментах
В экспериментах по сканированию тестовых образцов были использованы лазерные сканеры японской фирмы Konica Minolta двух моделей – Vi-910 и Vi-9i. Выбор именно этих сканеров связан с обеспечением ими очень высокой точности измерений (на уровне десятков микрометров, см. табл. 1) и благодаря этому они часто используются в практических работах по созданию 3D-моделей скульптурных памятников [9, 14].
Оба сканера являются оптическими приборами, принцип действия которых основан на использовании метода лазерной триангуляции.
Работа сканеров Konica Minolta в чем-то сродни работе обычного фотоаппарата, поскольку процесс сканирования ведется поракурсно. Из-за этого отдельные снимки поверхности (в практике лазерного сканирования их обычно называют сканами) не сгруппированы друг с другом, и для получения единой 3D-модели всей поверхности снимаемого объекта требуется выполнение специальной процедуры по “сшивке” (соединению) отдельных сканов в единое облако точек. В результате этого формируется та самая электронная 3D-модель
Таблица 1. Технические характеристики сканеров Konica Minolta
Тип сканера
Vi-910
Метод измерений Максимальная точность измерений, мм Время сканирования, с Размеры сканируемых объектов (по осям X, Y, Z), мм
лазерная триангуляция ± 0,1
0,3–2,5 от 1118340 до 1196897750
“Оптический журнал”, 79, 7, 2012
Vi-9i лазерная триангуляция
± 0,05 2,5
от 936926 до 149511211750
85
исследуемого объекта, которая и несет в себе информацию о его размерах и геометрической форме.
(а)
(б)
Краткое описание тестового объекта
В качестве тестового объекта в работе использовался полированный металлический цилиндр диаметром 3 см и образующей 20 см.
В задачу исследований входило проведение лазерного сканирования тестового объекта, создание его 3D-модели и определение точности их соответствия друг другу.
Результаты исследования
Сканирование тестового объекта
При сканировании эталонного образца авторы работы столкнулись с проблемой появления бликов лазерного излучения от боковой поверхности металлического цилиндра. Наличие бликов в облаке точек приводило к потере информации об отдельных участках поверхности образца (на лазерных сканах в этих местах образовывались своеобразные “дыры”). Из-за этого пришлось использовать специальное антибликовое покрытие, представляющее собой мелкодисперсионную пудру. Это позволило сделать поверхность эталона равномерно матово-белой, а поскольку слой “пудры” был очень тонким (около 1–2 мкм), его присутствие не приводило к изменению исходной формы поверхности эталона. В результате этого при создании 3D-модели эталона не было необходимости учитывать влияние толщины антибликового покрытия.
Другой проблемой, с которой пришлось столкнуться в процессе сканирования эталона, была чрезмерно высокая однородность его поверхности. Наличие так называемых реперных точек на поверхности сканируемого объекта всегда является обязательным условием при создании его 3D-модели в процессе “сшивки” отдельных сканов. Для того чтобы решить эту проблему, перед началом сканирования на поверхности эталона были помещены небольшие (размером около 22 мм) кусочки пластилина. Они и стали теми самыми реперными точками, по которым в процессе обработки результатов сканирования определялось правильное расположение отдельных сканов друг относительно друга.
Сборка сканов в единую 3D-модель осуществлялась с помощью специализированной про-
Рис. 1. Изображения 3D-модели эталона до (а) и после (б) применения процедуры Defeature.
граммы для обработки данных лазерного сканирования RapidForm 2006 (Inus Tech., Inc, Южная Корея). При этом те участки поверхности, которые содержали указанные реперные точки, обрабатывались в этой программе c помощью специальной процедуры Defeature. Эта процедура позволяет удалять локальные неровности или выступающие элементы, вместе с тем сохраняя общую форму реконструированной поверхности. В результате этого удалось избежать кропотливой обработки по локальному сглаживанию каждой отдельно взятой реперной точки (рис. 1).
“Сшивка” сканов и постобработка облака точек
Рассмотрим проведенную процедуру “сшивки” отдельных сканов более подробно. Характерной особенностью работы со сканерами Konica Minolta является (об этом уже говорилось выше) необходимость проведения “сшивки” (сборки) сканов отдельных фрагментов поверхности в единое облако точек. Для этого необходимо последовательное проведение нескольких процедур.
Процедура сборки сканов для сканеров Konica Minolta подробно описана в работе [15]. В данном конкретном случае она включала выполнение следующих операций.
1. Группировка. Данная операция подразумевает сопоставление хаотично расположенных сканов друг с другом. При этом необходимо наличие на сканах как минимум 3-х общих (реперных) точек на поверхности двух близлежащих фрагментов частей реконструируемого объекта. Выше уже говорилось о том, что при
86 “Оптический журнал”, 79, 7, 2012
сканировании эталона сканерами Konica Minolta реперные точки искусственно сформировали на регистрируемой поверхности, зафиксировав на ней небольшие кусочки пластилина.
2. Математический расчет. Данная операция проводилась дважды: с группами по четыре скана и с конечным набором данных (облаком точек, собранным из всех отдельных сканов). Эта операция осуществлялась с целью минимизации локальных погрешностей соединения однородных по форме сканов.
3. Сшивка. Эта процедура, так же как и математический расчет, осуществлялась дважды – с группами по четыре скана и с конечным набором данных.
Далее проводилась дополнительная обработка поверхности с целью выявления погрешностей сканирования на каждой из двух моделей, полученных на разных сканерах (Konica Minolta Vi-910 и Vi-9i). Для этой цели использовалась специальная операция, выполняемая в программе RapidForm 2006 и называемая “сглаживание поверхности”. Она позволяет усреднить разброс положения отдельных точек реконструированной поверхности, вызванный погрешностью измерений. Кроме того, при обработке 3D-модели использовалась уже упомянутая выше процедура Defeature.
Оценка точности соответствия созданной 3D-модели эталону
Для выявления общей погрешности сканирования тестового образца и результатов обработки полученных данных была построена математическая модель цилиндра. Для этого воспользовались специальными встроенными функциями программы RapidForm XOR, которые позволили построить геометрически правильный цилиндр с характеристиками эталонного образца (диаметром 3 см и образующей 20 см). Построенную таким образом 3D-модель можно считать “идеальным цилиндром” и использовать ее как виртуальный эталон.
Так как построение математической 3Dмодели в программе RapidForm XOR шло относительно модели, полученной путем сканирования, не было возможности воспользоваться специальной встроенной функцией этой же программы, называемой Accuracy Analyzer. Она служит для расчета среднего арифметического значения отклонения между наложенными друг на друга поверхностями двух 3D-моделей по всей их площади.
Таблица 2. Сравнение степени соответствия полигональных трехмерных моделей тестового объекта и модели эталона (3D-модели математически построенного цилиндра) для сканеров Konica Minolta Vi-910 и Vi-9i
Модель сканера
Среднеарифметическое значение отклонения формы
поверхности
Vi-910 Vi-9i
0,04 мм 0,05 мм
В табл. 2 приводятся среднеарифметические значения отклонения реальной и смоделированной поверхностей цилиндра друг относительно друга по двадцати отдельным точкам. Они полученны в результате взаимного наложения 3D-модели эталонного цилиндра и 3D-моделей, полученных после обработки данных сканирования для каждого из двух сканеров (Konica Minolta Vi-910 и Vi-9i). Качественные отличия поверхностей 3D-моделей эталона и тестового образца, полученные с помощью сканера Konica Minolta Vi-910, показаны на рис. 2 (переход цветов отражает различные степени расхождения точек поверхностей). Кроме того, с помощью той же самой программной процедуры Accuracy Analyzer проведено сравнение полигональных 3D-моделей друг с другом. Расхождение реконструированных поверхностей в этом случае составило 0,045 мм. Данное значение является подтверждением правильности проведенного исследования, так как разница паспортных значений точности сканеров Vi-910 и Vi-9i составляет 50 мкм.
Заметим, что приведенное в табл. 2 среднеарифметическое значение отклонения форм поверхности тестового образца и эталонного цилиндра для сканера Konica Minolta Vi-910 превосходит значение аналогичной величины для сканера Vi-9i, хотя паспортные значения точности измерений у последнего сканера выше. Это может быть связано с использованием при работе со сканером Konica Minolta Vi-9i большего фокусного расстояния, чем при работе со сканером Vi-910. Дело в том, что в этих сканерах предусмотрена возможность изменения фокусного расстояния, так как в процессе сканирования с разных ракурсов оператору заранее неизвестно точное расстояние от сканера до объекта. При этом факт уменьшения точности измерений при увеличении фокусного расстоя-
“Оптический журнал”, 79, 7, 2012
87
Рис. 2. Степень различия двух поверхностей 3D-моделей тестового объекта и эталонного цилиндра.
ния на устройствах Konica Minolta был установлен ранее в процессе исследования точностных характеристик 3D-сканеров [16].
Заключение
Проведенные исследования показывают, что при лазерном сканировании даже самых простых (с точки зрения геометрической формы поверхности) объектов создаваемая в результате обработки результатов сканирования электронная трехмерная модель может отличаться от исходного объекта.
В случае сканеров триангуляционного типа Konica Minolta Vi-910 и Vi-9i при создании 3D-модели объекта в форме цилиндра размером 320 см среднее арифметическое значение отклонения исходной и реконструированной поверхностей невелико: она составляет около 40–50 мкм, что сопоставимо
с точностью измерений этих сканеров. Вместе с тем, при создании электронных 3D-моделей скульптурных памятников, в особенности с целью последующего изготовления их физических копий, вопросам методики сканирования и последующей компьютерной обработки его результатов даже в случае использования описанных в статье высокоточных сканеров Konica Minolta требуется уделять пристальное внимание. Поэтому авторы статьи предполагают продолжить исследования, связанные с рассмотрением этой проблемы. В частности, предложенную в данной статье методику исследования точности измерений при 3D-сканировании авторы намерены использовать для выявления погрешностей и у других видов сканеров.
В заключение авторы выражают признательность И.Д. Григорьевой, принимавшей участие в работе.
*****
ЛИТЕРАТУРА
1. Sansoni G., Trebechi M., Docchio F. State-of-the-art and application of 3D- imaging sensors in industry, cultural heritage, medicine, and criminal investigation // Sensors. 2009. V. 9. P. 568–601.
2. Канашин Н.В. Съемка железнодорожных станций методом лазерного сканирования // Путь и путевое хозяйство. 2008. № 7. С. 15–16.
88 “Оптический журнал”, 79, 7, 2012
3. Бурцев А.А. Инновационные технологии для автоматизации маркшейдерских работ при строительстве подземных сооружений // Геопрофи. 2011. № 7. С. 26–29.
4. Fontana R., Gambino M., Greco M., Pampaloni E., Pezzati L., Scopigno R. High-resolution 3D-digital models of artworks // Proc. SPIE. 2003. V. 5146. P. 34–43.
5. Фрейдин А.Я., Парфенов В.А. Трехмерное лазерное сканирование и его применение для съемки архитектурных сооружений и реставрации памятников // Оптический журнал. 2007. Т. 74. № 8. С. 44–49.
6. Войнаровский А.Е. Сочетание методов трехмерного лазерного сканирования и цифровой фотограмметрии для фиксации и обмера памятников архитектуры // Реликвия (Реставрация. Консервация. Музеи). 2009. № 21. С. 30–33.
7. Boehler W., Bordas V.M., Marbs A. Investigating laser scanner accuracy // Proc. XIX CIPA. 2003. P. 189–194.
8. Lighti D., Harvey B. The effects of reflecting surface properties on Time-of-Flight laser scanner measurements // IAPRS. Ottawa. 2002. V. 34(4). Р. 87–95.
9. McIntosh J.R. Comparison of the spatial accuracy of disparate 3D-laser point clouds in large scale 3D-modeling and physical reproduction projects for large Cultural Heritage structures / Thesis of Degree of Master of Science. Curtin University of Technology. December 2006. V. 1. P. 1–25.
10. Fowels P.St. The garden temple at ince blundell: a case study in the recording and non-contact replication of decayed sculpture // J. Cult. Heritage. 2000. V. 1. P. S89–S91.
11. Tucci G., Bonora V. Application of high resolution scanning systems for virtual moulds and replicas of sculptural works // Proc. XXI CIPA. 2007. P. 721–726.
12. Парфенов В.А. Бесконтактное копирование мраморных скульптур с использованием лазерной технологии / В кн.: “Скульптура XVIII–XIX веков на открытом воздухе. Проблемы сохранения и экспонирования”. СПб.: Государственный музей городской скульптуры, 2010. C. 66–69.
13. Tishkin V.O., Parfenov V.A. Coping the marble bust `Primavera`: first case study in Russia of non-contact laser recording and replication of stone Cultural Heritage // Technical Progr. 14th Inter. Conf. on Laser Optics. St. Petersburg, Russia. 28 June–2 July, 2010. Paper TuZ1-04. P. 91.
14. Sansoni G., Docchio F. 3D-optical measurements in the field of cultural heritage: the case of Vittoria Alata of Brescia // IEEE Trans. Instrum. Meas. 2005. V. 54. P. 359–368.
15. Тишкин В.О. Методика сборки и обработки данных, полученных в процессе 3D-сканирования // Научнотехнический вестник СПбГУ ИТМО. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2011. № 1(71). С. 87–93.
16. Тишкин В.О., Вершинин А.Н. Анализ технического состояния 3D-сканера // Сб. тр. конф. молодых ученых “Оптоинформатика, наносистемы и теплотехника”. СПб.: СПГУ ИТМО, 2009. В. 3. С. 176–179.
“Оптический журнал”, 79, 7, 2012
89