3D-сканирование было создано для того, чтобы оцифровывать геометрию трехмерного мира, переводить окружающие нас объекты в компьютерные 3D-модели. Однако большинство решений, существующих на сегодняшний день сложны, дороги и громоздки. Поэтому, до последнего времени, создание 3D-моделей отдаленных от сканера объектов, находящихся на улице или, например, хранящихся в музее, было занятием достаточно проблемным.
Но недавно появилась отличная новость – лаборатория компьютерного видения и геометрии разработала приложение, которое превращает практически любой смартфон в 3D-сканер.
В отличие от обычного фотографирования, когда человек стоит на месте, пользователь приложения должен снять объект сканирования обойдя его по кругу. По окончанию съемки проводится обработка полученных данных, и на экране появляется трехмерная модель. Если продолжить съемку, модель будет автоматически дополнена снятыми кадрами и ракурсами, она станет более точной.
Что особенно удобно – так возможность интерактивной доработки модели. Так как весь процесс ее создания происходит тут же, в смартфоне, пользователь в режиме реального времени может получать от приложения информацию о недостающих фрагментах, и сразу же доснимать их.
Марк Поллефейс (Marc Pollefeys), профессор Института Визуальных Вычислений, говорит по поводу преимуществ этой технологии:
Именно эта интерактивная возможность дополнять модель в процессе сканирования выгодно отличает данный метод по сравнению с обычной удаленной облачной обработкой.
Приложение имеет множество удобных настроек
Приложение позволяет прямо на экране смартфона посмотреть на 3D-модель с различных точек зрения и доработать наиболее важные (интересные) области. Практически каждый современный человек всегда имеет под рукой свой телефон, а значит, если установить на него это приложение-сканер, то можно будет получать 3D-модели буквально на ходу, без необходимости использования громоздкого стационарного 3D-сканера.
Программа может предложить пользователю большое количество настроек, таких как, например, съемка в условиях слабой освещенности в музее. Пользователь может быстро создать трехмерную модель музейного экспоната, и потом внимательно изучить его дома. Также, оцифрованную 3D-модель можно сразу же загрузить в облачный сервис для последующей обработки.
Благодаря встроенным датчикам телефона, процесс сканирования стал значительно проще, интуитивно понятнее и надежнее. После начала сканирования, система автоматически определяет нужные моменты для съемки, основываясь на движении пользователя.
Марк Поллефейс говорит:
Всего лишь пару лет назад программное обеспечение такого уровня могло бы работать лишь на мощных стационарных компьютерах. Однако сегодня мы уже смогли оптимизировать его для смартфона, и даже сделать более эффективным.
Повышенная интерактивность для пользователя
В отличие от наиболее распространенных сейчас решений для оцифровки 3D, основанных на создании обычных изображений, новое приложение позволяет определить абсолютный размер сканируемого объекта, а также – его высоту. Из-за высокой сложности вычислений расположения в пространстве сотен тысяч точек поверхности трехмерной модели, при ее визуализации к процессу расчетов привлекается графический сопроцессор смартфона – он позволяет приложению работать быстрее.
Также, эта технология может использоваться для трехмерной оцифровки человеческих лиц, добавляя третье измерение обычным плоским портретам. Имея столь удобный способ получения 3D-моделей, у пользователей появляется возможность копировать любые реальные объекты, создавая их 360° модели. Получившиеся 3D-модели могут быть использованы для различных визуализаций, приложений дополненной реальности или
Вместе с 3D-принтерами и сканерами появляется все больше программ и приложений, позволяющих создавать трехмерные модели для послойной печати. Конечно, 3D-сканер будет идеальным решением, но профессиональное оборудование – дорогое удовольствие. Что же делать, если необходимая техника отсутствует, а получить объемную модель необходимо здесь и сейчас? Ответ – подтянуть знания по основам фотосъемки и взять в руки фотоаппарат или смартфон.
Растущий спрос на послойную печать за последние несколько лет привел к разработке простых и дешевых методов сканирования с помощью подручных средств. Идея оказалась проста: для построения 3D-моделей достаточно нащелкать несколько десятков фото объекта, обработать их с помощью специализированных программ и получить готовую к послойной печати модель.
Обычный фотоаппарат
Для съемки можно использовать цифровые зеркальные камеры. Они позволяют сделать качественные универсальные фото. Причем для сканирования не потребуется покупка профессиональных моделей аппаратов. Так, с задачей справится и Nikon D5000 с разрешением матрицы 12,3 Мп. Более новые модели предложат и более качественные фото с высоким разрешением, но тогда придется пожертвовать временем обработки снимка. Кроме того, большинство цифровых камер имеют опцию сохранения изображений в формате RAW без сжатия, такой режим понадобится для более детального сканирования выбранного объекта.
В принципе для сканирования модели подойдут даже «мыльницы» и камеры смартфонов. Многие из них дают возможность съемки в ручном режиме, так что, если человек разбирается в азах съемки, можно использовать и менее продвинутые устройства.
Условия съемки
Что же можно легко сканировать? Такой объект должен быть устойчивым, не слишком блестящим, не очень большим (вокруг него придется ходить и снимать фото со всех возможных ракурсов), не слишком маленьким, не содержащим слишком много мельчайших деталей.
Объект лучше всего поместить на возвышение, это может быть стул или коробка. Так будет удобнее делать снимки. Главное здесь – добиться хорошего освещения. Если фотосессия проводится на улице, лучше дождаться пасмурного дня. Если съемка осуществляется внутри помещения, необходимо задействовать как можно больше источников света. Сам свет должен быть рассеянным.
Для этого лампы нужно направить на потолок, специальные экраны или зонтики. В идеале следует добиться наибольшей освещенности при минимальном количестве тени. Встроенная вспышка в данном случае не особо поможет. При ее использовании на фото будут появляться тени. Выходом может послужить применение внешних вспышек, опять же при условии, что они создают ровный рассеянный свет.
Базовые знания
Перед началом съемки необходимо ознакомиться с азами настройки камеры. В настоящее время в Интернете полно сайтов, где желающие могут самостоятельно подтянуть знания по основам работы фотографа. По большому счету, разобраться нужно с несколькими параметрами.
Светочувствительность (ISO), как следует из названия, определяет, насколько чувствительна камера к свету. Чем выше уровень светочувствительности, тем заметнее будут шумы (дефекты изображения); верна и обратная пропорциональность: чем ниже ISO, тем менее выражены шумы на фотографии. По словам специалистов, самые качественные изображения получаются тогда, когда съемка происходит на низких значениях ISO: 50, 100, 200. Верхний предел – ISO:400.
Следующий параметр – приоритет диафрагмы. Он представляет режим автоматического управления экспозицией фотоаппарата или видеокамеры, при котором автоматика бесступенчато выбирает выдержку затвора (время считывания кадра матрицей), в зависимости от установленной вручную диафрагмы. Для наиболее детального снимка выбор делается в сторону значения f11.
Наконец, последний основной параметр – скорость затвора или время, в течение которого затвор остается открытым и свет попадает на сенсор камеры. Если время выдержки невелико, можно «заморозить» движение.
Длинная выдержка позволяет получить «размазанное» движение (motion blur). Его часто применяют в рекламной фотографии автомобилей и мотоциклов, когда нужно передать ощущение скорости или движения автомобиля.
При выдержке более 1/60 камера чувствительна к сотрясению, и снимки могут получиться смазанными. Чтобы этого не произошло, при съемке с длинной выдержкой используется штатив.
Часто на камере в качестве значения выдержки бывает указан только знаменатель. Например, 125 означает скорость затвора 1/125 с. В значении выдержки знаменатель дроби должен, по меньшей мере, равняться фокусному расстоянию или быть больше него. Например, объективом 50 мм можно снимать с рук при выдержке не более 1/50 с, объективом 200 мм – не более 1/200 с.
Методика
Теперь, когда основные параметры выставлены, можно приступать непосредственно к съемке. Следует запомнить место, где делается первая фотография, можно даже его отметить. Здесь же будет и закончена фотосессия. Необходимо постараться, чтобы объект полностью заполнял кадр. В принципе, попавшие на снимок объекты на заднем плане не испортят процесса. Впоследствии они даже могут помочь программному обеспечению определить положение камеры.
Главное – качество 3D-модели будет напрямую зависеть от качества полученных снимков. Если на фото будет слишком много объектов на заднем плане, они попадут и в компьютерную модель.
Итак, съемку следует вести с разных ракурсов, перемещаясь вокруг объекта. Торопиться не следует, лучше сделать больше фото, чем потом столкнуться с их нехваткой и начинать процесс сначала. В зависимости от сложности объекта может потребоваться 40–100 снимков.
Программы для обработки
Далее получившиеся фото обрабатываются с помощью специального программного обеспечения. Оно бывает как платным, так и бесплатным в зависимости от функционала. К примеру, можно воспользоваться программой ReMake от компании Autodesk. Данное ПО позволяет конвертировать набор снимков в 3D-меши (полигональную сетку) высокого разрешения. Ячейки сетки можно редактировать, чинить, измерять, и оптимизировать. Так что, если при создании трехмерной модели на основе фото в ней появились огрехи, программа поможет устранить их до начала печати.
ReMake использует облачные вычисления, поэтому мощный компьютер для обработки фото конечному пользователю не потребуется. Единственное, нужно создать аккаунт на сайте Autodesk. Выполнив данный шаг, пользователь получит 5 Гб свободного места на 360.autodesk.com. ReMake использует этот ресурс для создания модели на основе снимков.
Убрать лишнее
Как показывает практика, при съемке в кадр попадают сторонние предметы, не относящиеся к нужному объекту. Программа позволяет избавиться от них до печати. Чаще всего получившаяся 3D-модель включает основу, на которой находился предмет при съемке. Чтобы очистить модель, нужно, запустив ReMake, выбрать инструмент lasso. Затем, удерживая левую кнопку мыши, выделяется ненужная область и нажимается delete на клавиатуре.
Иногда полностью убрать ненужные детали не получается. Инструмент lasso захватывает области на самом объекте. Во избежание этого с помощью правой клавиши мыши выбирается режим isolate selection (изоляция) и отмечается область, которую следует удалить с помощью инструмента lasso. Затем необходимо выйти из режима isolate selection, кликнув на соответствующую иконку. Модель почти готова для печати.
Программное обеспечение позволяет автоматически проверить модель на ошибки. Для этого нужно кликнуть по иконке 3D Print. Затем появится окно с предложением проанализировать объект на предмет ошибок. Пользователю остается только выбрать ответ Yes. Обработка данных займет от нескольких секунд до нескольких минут в зависимости от размера и сложности объекта.
В случае обнаружения ошибок на экране появится соответствующее окно, содержащее сообщение Unable to 3D print. Use analysis tools to fix the model (3D-печать невозможна. Используйте инструменты анализа для отладки). Далее нужно нажать кнопку Fix.
Появляется окно анализа, где выводятся данные о количестве «битых» ячеек. Также показывается их расположение на модели. Далее можно нажать кнопку Fix и отладить проблемные области одну за другой или же нажать кнопку Fix all holes, тогда программа преобразует все неправильные ячейки сразу. Различные инструменты программы позволяют вручную сгладить поверхность, удалить или добавить элементы. Для тех, у кого есть навык работы со снимками в Photoshop, редактирование модели в ReMake не должно вызвать трудностей.
Сканирование смартфоном
Создавать 3D-модели могут и приложения смартфонов, в частности Scann3D. Доступно оно для всех желающих в Google Play. Как и в случае с фотоаппаратом, пользователю предлагается сделать несколько десятков снимков с помощью смартфона, обойдя вокруг объекта, который нужно запечатлеть. В обучающем ролике фотографируется ствол дерева на улице. Программа обрабатывает изображения и выдает модель.
В качестве плюсов программы – интуитивно понятная работа приложения. Открыв его, пользователь видит три опции: создать новую модель, посмотреть существующие и продолжить. После того как был выбран вариант создать новую модель, запускается камера. Далее следует нащелкать снимков, неторопливо обойдя объект по кругу. Затем пользователь может просмотреть получившиеся фотографии и удалить ненужные или смазанные. Тапнув на галочку, владелец смартфона запускает процесс обработки снимков, по окончании которого и создается модель.
Трудности
На практике использование Scann3D сразу вызвало трудности. Первая попытка отсканировать сувенирного слона окончилась неудачей – модель вышла расплывчатой и напоминала слона отдаленно. Последующие сессии оказались чуть более удачными. Наконец, заменив объект съемки и приложив больше терпения, получить более-менее сносную модель все-таки удалось.
Для этого потребовался помощник, который стоял напротив камеры смартфона с листком белой бумаги. Это позволило отсечь фон. Всего было сделано 59 фотографий. Как выяснилось позже, нужно было еще штук пять для большей детализации морды фотографируемого игрушечного зверька.
На обработку изображений у не самого слабого смартфона (Samsung S6) ушло около 20 мин, иногда даже казалось, что аппарат завис. Тем не менее в конце концов модель была готова. Далее ее предлагалось экспортировать в различные форматы (obj, pcd, ply и stl) и распечатать на принтере. В общем, приложение оказалось неплохой альтернативой дорогим сканерам при условии, что большой точности конечного продукта не требуется.
- Андрей Филатов