Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Головна сторінка



1 аналіз стану питання щодо тривимірного сканування загальна характеристика тривимірного сканування

Скачати 183.05 Kb.

1 аналіз стану питання щодо тривимірного сканування загальна характеристика тривимірного сканування




Скачати 183.05 Kb.
Дата конвертації28.05.2017
Розмір183.05 Kb.


1 АНАЛІЗ СТАНУ ПИТАННЯ ЩОДО ТРИВИМІРНОГО СКАНУВАННЯ

    1. Загальна характеристика тривимірного сканування

Стрімкий розвиток комп'ютерних наук і технологій надає людині можливість відтворення реальних об’єктів на комп’ютерних системах. Тому стає актуальним тривимірне сканування об’єктів.

Багато сфер нашого життя неможливо навіть уявити без тривимірної графіки. Величезна кількість 3-d моделей щодня використовуються в різноманітних областях: кінематографі, рекламі, промисловому виробництві, архітектурі. Перед будь якою людиною, що займається моделюванням, рано чи пізно постає проблема, коли потрібно створити модель того, що вже існує. Для полегшення цієї роботи – використовують тривимірне сканування.

Тривимірне сканування - це систематичний процес визначення координат точок, що належать поверхням фізичних об'єктів з метою подальшого отримання їх просторових математичних моделей.

Триви́мірна гра́фіка (3D, 3 Dimensions, укр. 3 виміри) - розділ комп'ютерної графіки, сукупність прийомів та інструментів (як програмних, так і апаратних), призначених для зображення об'ємних об'єктів.
Математи́чна моде́ль - система математичних співвідношень, які описують досліджуваний процес або явище. Математична модель має важливе значення для таких наук, як: економіка, екологія, соціологія, фізика, хімія, механіка, інформатика, біологія та ін.
Пристрої, за допомогою яких здійснюється сканування об'єктів, називають тривимірними сканерами. Ці пристрої не тільки спрощують процес створення тривимірних моделей, але і дозволяють вирішувати цю задачу з максимальним ступенем достовірності за відношенням до вихідного об'єкту.

Іншими словами 3d сканер - це пристрій, призначений для створення об'ємного зображення. Він зчитує інформацію з просторового об'єкта і перетворює її в електронний варіант, який може бути потім оброблений за допомогою комп'ютера. Робота тривимірного сканера нагадує роботу звичайного сканера, покликаного сканувати плоскі матеріали (як правило тексти або графіки з книг та інших друкованих матеріалів). Створена тривимірним скануванням електронна модель будь-якого об'єкта може бути оброблена з використанням графічних програм, призначених спеціально для 3d моделей.

3d-сканування - це процес оцифровки поверхні. Маючи в наявності будь-який виріб відповідних розмірів ми завжди можемо отримати його копію іншого розміру із застосуванням масштабування по довжині, ширині, і висоті, отримати матрицю або пуансон, відобразити дзеркально по горизонтальній або вертикальній осі, а також, відредагувавши файл після сканування, використовувати його як додатковий елемент. В якості моделі для сканування можна використовувати будь-який виріб з твердою поверхнею, а також моделі, виліплені з пластиліну. Тривимірний сканер вигідно використовувати там, де побудова об'ємної моделі в одному тільки графічному редакторі не доцільна.

Графічний редактор - прикладна програма (або пакет програм), що дозволяє її користувачеві створювати і редагувати зображення на екрані комп'ютера і зберігати їх в графічних форматах файлів, наприклад, JPEG, PNG, GIF, TIFF.
Це буває при побудові моделей предметів складної форми. Тривимірне сканування підходить для тих випадків, коли в графічних програмах немає відповідних шаблонів, або завдання по їх побудові є надмірно складним або важко здійснюваним [1].

Тривимірне сканування сьогодні відноситься до передових сучасних технологій, що дозволяє вирішувати задачі по обробці об'єктів зі складною просторовою формою, яка має складні геометричні параметри. Подібні технічні завдання можуть виникнути не тільки в кінематографі (відомі всім 3d мультфільми та кіно), але і в медичній галузі, в промисловій сфері, дизайні і т.д.

3d-сканування починається зазвичай з зіставлення 3d сканера та сканованого об'єкта. Однак поверхні предметів бувають різними, вони далеко не завжди підходять для такого сканування. Тому при 3d скануванні часто використовують особливі речовини, що дозволяють позбутися відблисків блискучих поверхонь. Це вдається зробити за допомогою антиблікової речовини, яка рівномірно розпорошується на поверхню сканованого предмета [2].

Сканування є лише першою стадією при побудові 3d моделей, тому що після сканування потрібна обробка електронного зображення за допомогою комп'ютера, де фахівець виробляє з'єднання роз'єднаних сканованих частин отриманого зображення. Програми тривимірної графіки дозволяють склеювати частини зображення, видаляти з нього дірки, обробляти неточності, надавати поверхні ідеальну геометричну форму. Застосування 3d сканування в багатьох сферах дає можливість отримання високого результату з мінімальними витратами [3].




    1. Застосування тривимірного сканування

Інженерний аналіз (reverse engineering) проводиться для переконструювання (наприклад, для відтворення секретів технології виготовлення продукції компанії-конкурента) або використання отриманих даних у різних цілях (наприклад, на основі вимірювання та оцифровки поверхонь виробів можна розробляти керуючі програми та креслення деталей). Тепер коротко зупинимося на найбільш яскравих прикладах використання ЗD-сканування в областях «зворотного » проектування.

Промисловий дизайн - оцифровування макета, виготовленого вручну, для створення на його основі серійного виробу. Так, наприклад, унікальні орнаменти або скульптури можуть бути оцифровані для подальшого масового відтворення.

Розробка упаковки - використання геометрії зразка для подальшого швидкого виготовлення упаковки на його основі.

Ринок аксесуарів - виготовлення запасних частин і аксесуарів для] автомобілів та іншої техніки.

Запасна́ части́на - складова частина виробу, призначена для заміни такої самої частини, що перебувала в експлуатації, для підтримання або відновлення справності чи роботоздатності виробу.
Компанії, що працюють в цій області, використовують відскановані ЗD-дані для проектування виробів, оскільки виробники техніки, як правило, не бажають подавати таку інформацію в CAD-форматі і тим самим ділитися своїми ноу-хау.

Цифрове архівування - сканування та збереження оригіналів, які з якої-небудь причини не можуть бути збережені в оригінальному вигляді [4].

Розваги та ігри - створення цифрових моделей персонажів для І комп'ютерних ігор і кінофільмів за авторської моделі автора.

Репродукування і виготовлення на замовлення - сканування об'єктів, які дуже важко змоделювати в САD-системах через складність геометрії.

Досить широко ЗD сканування використовується в медицині, а зокрема в ортопедії, стоматології, дієтології, пластичній хірургії і т.д.

За даними статистики, від 2 до 4 відсотків світового населення страждає різними формами захворювань хребта, що в абсолютному вираженні становить майже 150 мільйонів чоловік. На жаль, тенденція до збільшення числа подібних захворювань незмінно зберігається протягом останніх десятиліть. Проблеми з хребтом часто виникають у пацієнтів в юному віці і, як правило, починають швидко прогресувати при відсутності належного лікування. Регулярні профілактичні огляди з метою своєчасного виявлення захворювань мають істотне значення для запобігання їх розвитку[3,5].

Ключовим фактором ортопедичного лікування є діагностика функціональних порушень хребта, яка визначає курс подальшої терапії. «Золотим стандартом» діагностики в ортопедії вважається метод Кобба. У більшості випадків, пацієнти щорічно проходять ряд планових радіографічних обстежень (рентгенографію), що дозволяє відстежувати ступінь викривлення хребта, а також ефективність коригувальних заходів. Проте давно доведено, що багаторазове радіаційне опромінення провокує несприятливі наслідки для людського організму.

Людське тіло - фізична структура людини, людський організм. Тіло людини утворено клітинами різних типів, характерним чином організується в тканини, які формують органи, заповнюють простір між ними або покривають зовні.
У зв'язку з цим, значні зусилля були спрямовані на розробку таких систем діагностики, які не піддавали б пацієнтів ризику опромінення [4].

Однією з перших подібних систем, що застосовувалися на практиці, стала діагностична система Quantec. В її основі лежав принцип використання растрової стереографії для відтворення тривимірної поверхні по окремо взятому з відеопотоку кадру, зображував проектування дифракційної решітки на спину людини. Система визначала так званий Q-кут, що представляв собою вимір фронтальної асиметрії хребта по фотознімку пацієнта. Незважаючи на свої інноваційні характеристики і безпека застосування, система Quantec відрізнялася громіздкістю, високою вартістю, неточними результатами вимірювань і певною складністю у використанні.

Всі, хто дотримується дієти або займається фізичними вправами, хочуть бачити результати своїх зусиль.

Фізи́чні впра́ви - елементарні рухи, складені з них рухові дії та їх комплекси, систематизовані у цілях фізичного розвитку.
Для інструктора або дієтолога також надзвичайно важливо мати можливість стежити за прогресом і вносити необхідні корективи в дієту або програму занять клієнта. На жаль, в даний час єдиними засобами моніторингу є дзеркала, ваги та вимірювальні стрічки. Очевидно, що вони не дозволяють отримати досить детальні відомості про щоденні зміни форми тіла і, тим самим, не відповідають потребам ринку.

Рішення було знайдено за допомогою 3-D сканування. На ринку з'явилось спеціальне обладнання для тривимірного сканування тіла, що представляє людині докладний візуальний звіт про розмірних показниках його тіла, за якими можна відстежити відбуваються в його формі зміни. Система повністю безпечна і дозволяє проводити систематичні вимірювання, не піддаючи людей ризику радіаційного опромінення. За допомогою системи можна вловити навіть самі незначні зміни фізичного стану тіла, отримати наочний доказ результатів дієти або тренувань, при необхідності внести зміни в свою оздоровчу програму.

Багато людей замислюються про поліпшення своєї зовнішності за допомогою пластичної хірургії, але, як правило, вирішують утриматися від цієї процедури.

Пласти́чна хірургі́я - розділ хірургії, що займається операціями, спрямованими на усунення деформацій і дефектів органу, тканини або поверхні людського тіла.
Серед тих, хто все-таки погоджується на таку операцію, за статистикою 30-40 відсотків згодом відчуває розчарування її результатами. Ця проблема виникає у зв'язку з тим, що клініки часто не мають у своєму розпорядженні досить сучасними методами візуалізації, які дозволили б клієнтові ще до початку операції отримати більш повне уявлення про своє майбутнє зовнішньому вигляді.

Ці проблеми можна вирішити за допомогою 3-D сканерів, показавши людині її теперішній зовнішній стан і провівши певні маніпуляції на ЕОМ. Результат моделювання досить сильно може вплинути на рішення пацієнта змінювати свою зовнішність, тому ЗD сканування є досить важливим фактором.

В стоматології досить часто використовується 3D сканування, так як це є необхідним процесом в конструюванні зубних протезів та попередній оцінці обсягів роботи лікаря стоматолога [4]. З отриманою моделлю можна провести відповідні маніпуляції і зробити прогнозовану 3D-модель щелепи результатів лікування, що може бути вирішальним фактором, що вплине на пацієнта розпочати лікування.


    1. Класифікація та характеристики 3D сканерів

Кінцевим результатом роботи 3D сканера є хмара точок, яка являє собою набір просторових координат поверхні певного об’єкта, визначених з певною точністю у певній координатній системі.

Хмара точок (англ. point cloud) - набір даних про точки в деякій системі координат.
Координати (рос. координаты, англ. coordinates; нім. Koordinaten f pl) - числа, величини, що визначають положення точки у просторі.
Оскільки результатом робіт є цифрова модель реального фізичного об’єкта, то ми можемо говорити про обернений інжиніринг цього предмета. Обернений інжиніринг являє собою повний аналіз певного об’єкта з метою його відтворення як в цифровій, так і у фізичній формі (реплікації) за допомогою верстата чи 3D принтера. Це в багатьох випадках необхідно для вивчення принципу роботи об’єкта сканування та вдосконалення його конструкції. Отже, 3D сканування є однією з основних ланок реінжинірингу. Як вже зазначалось, сканування проводять з різною метою на різних об’єктах. Для забезпечення повноцінної роботи створено різні типи сканерів, які класифікують за певними ознаками. Наведена нижче класифікація (рис. 1.1) є певним узагальненням запропонованого нами поділу, який далі розглянемо детальніше.


Рисунок 1.1 - Загальна класифікація 3D сканерів

У даній роботі будуть розглядатися лише наземні сканери, які класифікують за:

1) способом встановлення сканера;

2) способом встановлення досліджуваного об’єкта;

3) технологією сканування.

Спосіб встановлення сканера залежить від габаритів самого приладу. На основі цього їх можна поділити на стаціонарні та портативні. До стаціонарних 3D-сканерів належать верстати з числово-програмним управлінням (ЧПУ), які використовують для реплікації, та координатно-вимірювальні машини (КВМ) (рис.1. 2).

Рисунок 1.2 - Класифікація наземних 3D-сканерів за способом встановлення сканера


Залежно від способу переміщення робочої частини, а отже, і від специфіки проведення вимірювань, стаціонарні КВМ поділяють на чотири групи: горизонтальні,вертикальні, мостові та портальні (рис.1. 3) [2].

Рисунок 1.3 - Схеми роботи КВМ: а – горизонтальної;б – вертикальної; в – мостової;

г – портальної

За допомогою горизонтальних та вертикальних установок досліджують порівняно малі деталі. А мостові й портальні КВМ призначені для оцифрування великогабаритних об’єктів.

Особливістю стаціонарних сканерів є те, що для сканування досліджуваний об’єкт необхідно доставити до самого приладу. Це не завжди зручно і можливо. Тому для цього створені та використовуються портативні сканери, які відзначаються мобільністю у транспортуванні.

c:\users\caesar\desktop\рис.png

Рисунок 1.4 – а - КВМ “Рука” FARO Edge з встановленою вимірювальною частиною; б – ручний лазерний сканер ZScanner 800.


Серед представників цієї групи є КВМ типу “Рука” (рис. 1.4, а) [6], ручні сканери (рис. 1.4, б) [7] та інші. Координати точок сканованого об’єкта залежать від положення частин “Руки”. Ручні сканери, на відміну від КВМ, можна вільно переміщати у просторі. Суттєвою особливістю сканерів цієї групи є високий результат точності сканування невеликим їх радіусом. Наприклад, діапазон роботи KВМ FARO Edge сягає 3,7 м, а точність – до 0,34 мм.

У другу групу сканерів відносяться моделі за місцем встановлення сканованого предмета (рис. 1.5), тобто сканери, у яких під час сканування об’єкт встановлюється безпосередньо всередину (повністю закриті) (рис. 1.6, а), або на сам сканер (частково закриті) (рис. 1.6, б) [7].



Рисунок 1.5 - Класифікація наземних 3D-сканерів за способом встановлення досліджуваного об’єкта
Сканери закритого типу використовують для високоточного сканування дрібних деталей та об’єктів. Наприклад, сканер Delcam iMetric з точністю сканування 0,02 мм застосовують у стоматології та ортодонтії з лінійними розмірами об’єктів сканування приблизно до 10 см.
c:\users\caesar\desktop\рис2.png

а) б)


Рисунок 1.6 – а - оптичний сканер Delcam iMetric закритого типу; б - частково закритий лазерний 3D сканер від “Дизель-тест-комплект”.
Дещо більші об’єкти дають змогу сканувати частково закриті сканери. Наприклад, розмір деталі, встановленої у сканер від “дизель-тест-комплект”, не має перевищувати 800x350x350 мм, а точність сканування становить 0,01 мм.

Сканери, які на період проведення вимірювань мають бути нерухомо встановлені на штатив чи інше кріплення, але їх переміщення не є трудомістким, також можна зарахувати до портативних.

Основою вищенаведеної класифікації 3D сканерів є порівняльний аналіз їхніх конструктивних особливостей та мобільності. Але разом з цими показниками необхідно розділяти сканери і за методом збору інформації, що, в принципі, є однією з основних характеристик цих приладів.

Задля розділення методів збору даних про об’єкт вживають два терміни – “сканування” та “оцифрування”. Головною відмінністю між цими методами є використання активного джерела випромінювання.

Усі 3D-сканери за методом збирання інформації поділяють на контактні й безконтактні (рис. 1.7).

Контактними називають сканери, які для визначення координат точок використовують спеціальний “щуп”, який безпосередньо механічним способом доторкається до досліджуваного об’єкта. Точці дотику “щупа” та поверхні присвоюють відповідні координати. Весь процес контактного сканування контролює людина, а тому, порівняно з автоматизованим безконтактним методом, є набагато повільнішим. Хоча точність визначення координат точок може бути вищою. Оскільки під час такого сканування у цифровий формат переводять лише обрані оператором точки, що не завжди дає змогу повністю і достовірно відтворити форму досліджуваного об’єкта, то такий процес варто називати оцифруванням [8].

Цифровий формат (англ. Digital data) - тип сигналів і форматів даних в електроніці, що використовують дискретні стани (на відміну від аналогового сигналу, який використовує безперервні зміни сигналу).




Рисунок 1.7 - Класифікація 3D-сканерів за технологією сканування
Безконтактні сканери, на відміну від контактних, визначають координати фізичної моделі на певній відстані від неї за допомогою випромінювання.
Фізи́чна моде́ль - фізичне представлення системи, об'єкта, явища або процесу з метою їхнього дослідження, тобто представлення за допомогою іншого фізичного («реального») об'єкта, що має в тому чи іншому аспекті «аналогічну» динаміку «поведінки», що водночас означає, що математичні моделі об'єкта дослідження та об'єкта-моделі є «аналогічними» (якщо не тотожними).
Залежно від джерела випромінювання, дистанційні сканери поділяють на активні та пасивні.

Пасивні дистанційні сканери визначають просторові координати точок на основі уже існуючого випромінювання. Оскільки джерелом інформації для пасивних сканерів є знімки, створені за допомогою цифрових фотокамер, то цю технологію можна назвати оптичною, а процес перетворення фізичного об’єкта на електронний – оцифруванням.

Методи створення фотозображень, хоча і дуже подібні, але дещо відрізняються. Тому ці прилади поділяють на стереоскопічні, фотограмметричні та сканери описування силуету. Стереоскопічні сканери відтворюють принцип роботи зору людини – дві паралельно розміщені камери фіксують зображення в один момент часу.

Цифрова́ ка́мера, або цифрови́й апара́т - пристрій, що використовується для зйомки відео та створення фото-знімків або ж обох, в якому світлочутливим матеріалом є матриця або кілька матриць, що складаються з окремих пікселів, сигнал з яких представляється, обробляється і зберігається в самому апараті в цифровому вигляді.
Момент часу - точка на часовій осі. Про події, що відповідають одному моменту часу, говорять як про одночасні.
Фотограмметричні фіксують зображення предмета з різних сторін та під різним кутом. Принцип роботи сканерів опису силуету полягає у виділенні сканованого об’єкта на тлі контрастного фону (здебільшого синього). У певних моделей сканерів фотограмметрична технологія сканування поєднується із лазерною. Це дає змогу швидко та точно побудувати 3D модель.

Найпоширенішими та найвживанішими є 3D-сканери, які в процесі сканування випромінюють певні хвилі й належать до групи активних сканерів. Залежно від використаних хвиль та застосування самих приладів, активні 3D сканери класифікують за схемою, зображеною на рис. 1.8.




Рисунок 1.8 - Класифікація активних 3D-сканерів
Особливістю магнітних, ультразвукових чи рентгенівських 3D-сканерів є здатність випромінюваної хвилі проникнути всередину об’єкта. Сканери цього типу використовують у медицині для побудови просторової моделі внутрішніх органів людини чи спостереження роботи цих органів у режимі реального часу [9].
Орган (від др.-грец. ὄργανον - знаряддя, інструмент) - частина тіла певної форми, що складається з однакових груп тканин і виконує певні функції.
Реальний час - режим роботи автоматизованої системи обробки інформації і керування, при якому враховуються обмеження на часові характеристики функціювання.
Точність цих сканерів не відіграє певної ролі у зв’язку зі сферою їх застосування.

Сканери із застосуванням технології коноскопічної голографії поки що малопоширені. Практичною перевагою їх застосування є те, що випромінюваний промінь, відбившись від поверхні, повертається тим самим шляхом. Ця особливість дає можливість відскановувати отвори малого діаметра та точно відтворювати кути заломлень поверхні об’єкта [10].

Принцип роботи проекційних 3D-сканерів полягає в освітленні сканованого об’єкта світловими імпульсами або нанесенні певного світлового візерунка у вигляді сітки, смуг тощо. Залежно від рельєфу об’єкта світлове зображення спотворюватиметься. Саме на основі цих спотворень визначають просторові координати поверхні об’єкта. Захоплення сканером проектованого світла забезпечує спеціальна оптична камера, через що цей тип сканерів часто називають оптичними. Джерелом генерації світла на поверхні об’єкта може бути галогенова лампа чи лазерний світлодіод.

Галогенна лампа - лампа розжарення, в балон якої додано буферний газ: пару галогенів (брому або йоду). Це підвищує тривалість життя лампи до 2000-4000 годин, і дозволяє підвищити температуру спіралі. При цьому робоча температура спіралі становить приблизно 3000 К.
Створення світлового візерунка досягається за допомогою проектора (із застосуванням галогенової лампи) чи перехрестям лазерних променів. Інноваційним продовженням технології є вузькосмугове структуроване синє випромінювання [11].

Застосування цієї технології дає надійніші результати завдяки можливості проектування вужчих смуг візерунка та меншій довжині випромінюваних хвиль з високою роздільною здатністю (відстань між точками становить 0,01–0,61 мм) та точністю (до 0,5 мм).

Сканери із застосуванням проектування білого світла (галогенові лампи) можуть застосовуватися для сканування людини, оскільки випромінюване світло є безпечним для зору. До сканерів такого застосування належить Breuckmann faceSCAN-III, точність сканування якого становить 0,2 мм, а відстань між сканованими точками – 0,43 мм.

Перераховані сканери на основі структурованого та модульованого світла належать до сканерів із видимим спектром випромінюваного світла[12].

Також можливе застосування під час сканування і невидимого спектра випромінювання. Невидимість досягається високочастотним проектуванням (ISL), використанням інфрачервоного світла (IRSL) чи спеціального фільтра (FSL).

Св́ітло - електромагнітні хвилі видимого спектру. До видимого діапазону належать електромагнітні хвилі в інтервалі частот, що сприймаються людським оком (7.5×1014 - 4×1014 Гц), тобто з довжиною хвилі від 390 до 750 нанометрів.

Ще одним типом дистанційних 3D-сканерів є лазерні сканери. Використання лазера визначає застосування імпульсного, фазового чи тріангуляційного методу визначення відстані до певної точки.




    1. Тріангуляційний метод визначення відстані

Робота імпульсних та фазових сканерів ґрунтується на принципі роботи імпульсних та фазових віддалемірів. Принцип дії оптичної тріангуляції лазерних сканерів зображено на рис. 1.9.



Рисунок 1.9 - Принцип визначення відстані тріангуляційним способом
Базовий принцип безконтактного сканування з використанням лазерного променя полягає у наступному. Для побудови віртуальної моделі фізичного об'єкта потрібно одержати структурований масив тривимірних координат точок його поверхні. Визначити координати x і y, що лежать в площині, перпендикулярній головній оптичній осі цифрової камери, не складно. Тому головна задача сканування зводиться до вимірювання третьої координати z, що відповідає відстані від камери до об‘єкта. Схема вимірювання координати z представлена на рис. 1.10.

Лазерний промінь в певних точках освітлює фізичний об'єкт. На об'єкт направлена цифрова камера, що фіксує відбиток променя від об‘єкта. Залежно від відстані до поверхні об'єкту, тобто глибини об'єкту, відбиток променя з'являється в різних місцях  поля зору камери. Взаєморозташування лазера, об'єкта і камери утворює прямокутний трикутник.

Прямокутний трикутник - трикутник, один із кутів якого прямий. Прямокутний трикутник займає особливе місце в планіметрії, оскільки для нього існують прості співвідношення між сторонами і кутами.
Довжина однієї сторони трикутника (відстань від камери до лазера) відома. Також задається певний напрямок освітлення лазерного променя. Тому можна обчислити відстань від цифрової камери до поверхні, тобто z - координату за формулою:




http://www.nbuv.gov.ua/portal/natural/vcndtu/2010_42/28.files/image004.jpg

Рисунок 1.10 – Метод отримання z – координати: 1 – об’єкт, що сканується; 2 – цифрова камера; 3 – лазерний генератор лінії


Спираючись на вищесказане, застосовується наступна концепція. Об'єкт освітлює світлова лінія, яка утворюється лазерним променем. Її відбиток фіксується цифровою камерою, а з одержаного набору таких відбитих ліній генерується 3D модель, що зберігається  потім у вигляді типізованого файлу даних.

1.5 PMD камери

Новітній пристрій побудови трьохвимірних зображень поля зору, що називається PMD – камерою (Photonic Mixer Device) працює за принципом «часу польоту» (Time of Flight, TOF).

По́ле зо́ру (кут огляду) - це тілесний кут або лінійні розміри площі зображення навколишнього світу видимого приладом чи оком у певний момент часу.
Його унікальність полягає у тому, що він здатен швидко та в реальному часі оброблювати отримані дані й не потребує для цього процесів сканування, складної обчислювальної техніки чи габаритних деталей.

Принцип Time of Flight (TOF) полягає у вимірюванні значення відстані до певної точки у полі зору шляхом замірювання проміжку часу, за який імпульс світла проходить відстань від об’єкту до приймача випромінювання. Оскільки швидкість світла відома досить точно, можна легко здійснити таке вимірювання.

Електро́нна обчи́слювальна маши́на (ЕОМ) - загальна назва для обчислювальних машин, що є електронними (починаючи з перших лампових машин, включаючи напівпровідникові тощо) на відміну від електромеханічних (на електричних реле тощо) та механічних обчислювальних машин.
Швидкість світла - фізичний термін, який використовується у двох, пов'язаних між собою, але концептуально різних значеннях. Перш за все швидкість світла - фундаментальна фізична стала, швидкість розповсюдження електромагнітної взаємодії у вакуумі.
На практиці джерело та приймач випромінювання розташовуються дуже близько один до одного. Завдяки цьому, прилад – більш компактний, точний та не вносить ефекти затінення. Основний принцип роботи такої камери представлений на зображенні нижче. Джерело випромінює імпульс світла та одночасно запускає таймер високої точності на приймачі випромінювання. Імпульс світла проходить шлях до об’єкту та вертається назад. В момент, коли світло потрапляє на приймач – таймер зупиняється. При розрахунках необхідно враховувати, що світло пройшло відстань двічі, туди й назад. Отже 6.67 нсек на таймері відповідатиме відстані в 1м. Для вимірювання відстані в 1мм необхідна точність вище 7 псек. Важливим фактором в даній системі є те, що джерело та приймач випромінювання повинні працювати з високою синхронністю [13].

PMD або TOF камери – це нове покоління технологій, що здатні відтворювати трьох вимірне зображення об’єктів у полі зору у реальному часі без застосування складної електроніки та процесів сканування. У якості приймача випромінювання використовується твердотільний напівпровідниковий приймач типу CMOS. Пікселі такого приймача визначають як інтенсивність випромінювання, так і відстань від точки у площині предметів до кожного пікселя відповідно. Ще трохи більше десяти років тому єдиним методом, за допомогою якого можна було відтворити пейзаж у трьох вимірах, було стереобачення.

Років тому - шкала часу, що широко використовується в археології, геології та інших науках для датування подій в минулому. Оскільки час відрахунку змінюється, стандартна практика пропонує використання 1950 року як еталонної точки «сучасності».
Типова схема стереобачення складається з двох камер, що мають обмежене поле зору. Як показано на рис. 1.11 а точка простору розглядається двома камерами у перспективі. Якщо відповідний цій точці простору піксель знайдено на матрицях обох камер – то її положення в просторі може бути визначено. Найбільшою проблемою є співставлення відповідних пікселів для правильного розрахунку місця знаходження (проблема відповідності), що особливо важко досягти у реальному часі. На рис. 1.11 б зображується принципова схема PMD камери.
Принципо́ва схе́ма - схема, що визначає повний склад елементів і зв'язків між ними і, як правило, дає детальне уявлення про принципи роботи виробу (установки).


c:\users\drag0n\appdata\local\microsoft\windows\temporary internet files\content.word\новый рисунок.bmp
Рисунок 1.11 – Схеми стереобачення та PMD камери: а - типова схема стерео бачення; б - принципова схема PMD камери

У цьому випадку використовується одна камера, що складається з джерела та приймача випромінювання. З джерела випромінювання імпульс світла потрапляє на об’єкт і відбившись від нього, надсилається назад на приймач випромінювання, де вимірюється час затрачений на шлях від джерела до об’єкту та назад. З цих даних та відомої швидкості розповсюдження світла далі знаходиться відстань до об’єкту. Таким чином виконується розрахунок на кожному пікселі матриці. Такі пікселі називаються «розумними пікселями» (smart pixels). Далі за допомогою комп’ютерного обладнання будується тривимірне зображення пейзажу у полі зору камери. Для того щоб отримати результати відстаней з точністю до міліметрів приймачеві випромінювання необхідно мати точність до псек. (6.67 псек. для 1мм). Для реалізації такої точності всі компоненти системи обробки сигналу повинні мати широку смугу пропускання.

Смуга пропускання частот (англ. Bandwith) - діапазон частот, у межах якого амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) акустичного, радіотехнічного або оптичного пристрою є досить рівномірною для того, щоб забезпечити передачу сигналу без суттєвого викривлення його форми.
Обробка сигналів - галузь схемотехніки, електротехніки і прикладної математики, яка досліджує теорію перетворення як цифрових, так і аналогових сигналів, що є змінними в часі або просторі фізичними величинами.
На практиці, замість використання одного лазерного променя, яким необхідно було б сканувати поле зору щоб отримати 3-D зображення, використовується модульоване випромінювання [14].

Перевагою PMD пристрою є те, що освітлений об’єкт спостереження можна візуалізувати за допомогою матриці з «розумними пікселями», де кожен піксель сам вимірює час проходження модульованого випромінювання туди й назад. Зазвичай це реалізується за допомогою постійної модуляції та вимірювання зміщення фази на кожному пікселі. Існують й інші прилади, що здійснюють побудову глибинної картини поля зору, але ці системи потребують потужного обладнання або скануючи пристроїв. Вони є дуже дорогими і не здатні працювати у реальному часі, а також мають проблеми із цілісністю та однорідністю зображення [15].
Висновки

В розглянутому вище розділі було проведено аналіз існуючих методів 3D сканування та сфери його застосування. Тривимірне сканування сьогодні відноситься до передових сучасних технологій, що дозволяють вирішувати задачі по обробці об'єктів зі складною просторовою формою, яка має складні геометричні параметри. Подібні технічні завдання виникають в різноманітних галузях: кінематографі(3d мультфільми та кіно), медичній галузі, в промисловій сфері, дизайні і т.д.



Розглянуто тріангуляційний метод визначення відстані від камери до об‘єкта.

В кожного з розглянутих видів настільних 3d-сканерів є свої переваги та недоліки. Основним недоліком усіх таких сканерів є висока вартість, в результаті чого їх використання ще не набуло широкого поширення.


Скачати 183.05 Kb.

  • Застосування тривимірного сканування
  • Класифікація та характеристики 3 D сканерів Кінцевим результатом роботи 3D сканера є хмара точок
  • Тріангуляційний метод визначення відстані
  • 1.5 PMD камери