Zpracováváme polygonální 3D data pro vizualizaci

Tags: ATOS | Autodesk | GOM | Showcase | Skenování

Nové technologie a postupy v 3D navrhování s sebou v posledních letech přináší řadu novinek. Jednou z nich je bezesporu technologie získávání 3D dat pomocí speciálních skenerů. Tato zařízení dovolují získávat polygonální geometrii v podobě prostorových sítí s velkým množstvím definičních bodů. Data lze poté zpracovávat v různých technických oblastech. Lze nad nimi dále vytvářet konstrukční řešení nových výrobků, využívat je v oblasti architektury, medicíny, archeologie apod. Další z možností je využít například tato data v kombinaci s technickými NURBS plochami přímo pro přípravu lisovací formy.

Typická konfigurace 3D skeneru ATOS Compact Scan při digitalizaci složitého dílu

V současné době řešíme v jednom z našich projektů nasazení technologie 3D skenování. Pokusím se proto s našimi čtenáři podělit o pár zkušeností s touto jistě perspektivní technologií ve vazbě na vizualizaci polygonálních modelů v produktu Autodesk Showcase. Zkušenosti vychází především z pohledu technika, který se snaží proniknout do tajů 3D skenování a především do možností využití získaných 3D dat.

Krásná ukázka 3D digitalizace – Svatý Vojtěch na Karlově mostě – v režii společnosti MCAE z Kuřimi

V článku je využito několika ukázek polygonálních sítí vytvořených novinkou z produkce společnosti GOM, která je od letošního ledna dostupná na světovém trhu. Jedná se o 3D skener ATOS Compact Scan, který v sobě zúročuje dosavadní zkušenosti společnosti GOM v oblasti profesionální digitalizace 3D dat. Skener je dostupný na trhu ve dvou základních variantách s několika volitelnými měřicími rozsahy. Jedná se o zařízení pracující na stativu s vysokou přesností na technologii modrého světla, které má na jiné vlnové délce výrazně lepší prostupnost prostorem než světlo bílé. Zařízení snímá povrch modelu v blocích, které jsou dány velikostí pracovního prostoru skeneru. Velmi příjemná je především podpora různých metod automatizace měření, která je stěžejní pro masovější nasazení této technologie v průmyslu. K dispozici jsou různé typy stativů, pozorovacích stolů apod. Skener ATOS Compact Scan ovšem potěší i příznivce mobilních řešení, vše je zabaleno do jednoho masívního kufru a dodávka je řešena až na úroveň software a pracovní stanice.

Svatý Vojtěch na Karlově mostě - mračno bodů v počítači a vyrobené kopie

Jak pracovat s velkým mračnem bodů?

Průmyslově využívané skenery jsou charakteristické svou přesností a precizností digitalizace. Je tedy vždy nutné počítat s poměrně vysokými požadavky na hardware, který používáme pro digitalizaci modelu s danou přesností. Ta se pohybuje řádově v setinách milimetru. Kvalitu a přesnost vytvářené polygonální sítě lze ovšem při uložení na pevný disk modifikovat na optimální hodnoty a tím umožnit její zpracování i na méně výkonných strojích.

Alfou a omegou celého řešení 3D digitalizace není ovšem pouze kvalita zařízení, ale také precizně vyladěný software pro zpracování mračna bodů a jeho polygonizaci. Tato aplikace musí nejen dokázat načíst obrovské mračno bodů, které může mít často statisíce až milióny objektů, ale také je musí dokázat analyzovat a proložit souvislou polygonální sítí bez chyb. Nespornou výhodou pro naše potřeby byla bezplatně dostupná verze aplikace GOM Inspect, která je k dispozici na stránkách výrobce 3D skeneru. Jedná se o softwarové řešení, které svým výkonem a funkcemi patří ke špičce programů pro zpracování a verifikaci 3D dat. Je ideálním nástrojem také pro školy, pro které je často jiné softwarové řešení obtížně dostupné v rozsáhlejší multilicenci především díky své ceně.

Detail polygonální sítě v aplikaci GOM Inspect (469 176 bodů)

Pro naše první testování možností využití 3D dat pořízených skenerem ATOS Compact Scan jsme zvolili sošku sovy ze skla. Volba nebyla až tak náhodná. Právě v této době realizujeme na VOŠ a SPŠ ve Žďáře nad Sázavou jiný projekt věnovaný CAD technologiím v rámci projektu UNIV2 KRAJE, kde se soustředíme na nasazení nových postupů a technologií do výuky. Uvedený grantový projekt je financován na naší škole z prostředků Evropského sociálního fondu a státního rozpočtu České republiky.

Průhledné a tmavé objekty jsou obecně pro potřeby 3D skenování problematické. Odlesky a nízká intenzita odraženého světla musí být kompenzovány povrchovou úpravou modelu, případně zvýšením intenzity svitu skeneru. V našem případě byla sova naprášena bílým kontrastním práškem pro maximálně precizní výstup dat ze skeneru. Prášek byl v tomto případě aplikován v podobě spreje a je beze stopy odstranitelný omytím vodou.

Detail polygonální sítě v aplikaci GOM Inspect (61 475 bodů)

Skenování bylo provedeno bez referenční sítě bodů, které mají obecně pro správnou digitalizaci zcela zásadní význam a umožňují přesné překrytí pořízených mračen bodů, které jsou dále optimalizovány a proloženy jednovrstvou polygonální sítí. Jednotlivé body se nejčastěji lepí na objekt jako samolepicí symboly, které lze beze stopy z objektu odstranit. To je příjemné i v poměrně kritických aplikacích. V případě, že není možné objekt značkami opatřit, například u archeologických nálezů, je možné využít libovolného rastru bodů, který je umístěn na jiném objektu, například desce stolu. Pak ovšem nesmí být vzájemná poloha v průběhu skenování změněna.

Modifikace skupiny polygonů pomocí integrovaných funkcí

V našem případě bylo ovšem využito postupu vytvoření polygonální sítě pomocí automatické optimalizace polohy jednotlivých segmentů vůči sobě. Tato funkce umožňuje v aplikaci skeneru GOM najít optimální polohy segmentů sítě a vytvořit z ní po optimalizaci jednovrstvou homogenní síť, která je provázána v identických bodech. Finální síť si vyžádala pouze dvě jednoduché úpravy v softwaru a byla uložena do formátu STL. Výsledek nelze nazvat jinak než precizní. Pracnost vlastního vytvoření sítě je navíc minimální díky globálnímu snímání velkého pracovního prostoru skenerem umístěným na stativu. Finální velikost modelu STL byla překvapivě téměř 50 MB s polygony proloženými v 469 176 bodech.

Využití polygonálního modelu v aplikacích společnosti Autodesk

Naším hlavním cílem bylo získaná data načíst do některého z nástrojů společnosti Autodesk pro vizualizaci a připravit prezentaci modelu pro potřeby projektu. Tyto aplikace jsou dostupné opět studentům v rámci sítě Autodesk Academia a lze s nimi řešit projekty v řadě technických i netechnických oborů. Osobně jsem byl zvědav na možnosti zpracování poměrně velkého polygonálního modelu. Sova o výšce necelých 100 mm měla ve finále téměř půl miliónu bodů a já měl k dispozici pouze 32bitový operační systém Windows 7, který podporuje maximálně 4 GB operační paměti.

Precizní struktura polygonálního modelu po načtení do Autodesk Showcase (469 176 bodů)

Autodesk pracuje s polygonálními modely standardně v aplikacích pro vizualizaci a animaci. Jedná se především o 3ds Max, Autodesk Showcase a některé produkty z řady Alias. První software je výhodnější z hlediska modifikace sítě, ale pracnost tvorby vizualizace a hardwarové nároky 3ds Max jsou výrazně vyšší. Proto bylo pro vizualizaci využito programu Autodesk Showcase 2012. Tato aplikace má pro práci s polygonálními modely integrován výkonný importní algoritmus, který je součástí samostatného modulu Autodesk DirectConnect.

Velmi příjemně překvapí v případě Autodesk DirectConnectu především bleskové načtení modelu s téměř půlmiliónem definičních bodů. Spotřeba operační paměti se při tom pohybuje na hranici 350 MB. Obdivuhodný je také výkon aplikace při vlastní tvorbě vizualizace a případných náhledů. Pohyb modelu je i na necertifikovaném akcelerátoru NVIDIA zcela plynulý, ať se již pohybujeme na úrovni wire, nebo shade.

Rychlá vizualizace polygonálního modelu pomocí akcelerované grafiky

Skenování bloku motoru

Autodesk Showcase poskytuje svému uživateli skvěle propracované nástroje pro tvorbu prezentačních vizualizací. Zcela zásadní výhodou této aplikace pro prezentaci a komunikaci digitálních prototypů je především zásadní podpora nejnovějších akceleračních funkcí. Grafický výstup je díky nim již na základní úrovni prakticky srovnatelný s kvalitní statickou vizualizací. Po aktivaci raytraceru je výsledek srovnatelný s tím nejlepším, co je v oblasti vizualizace na světovém trhu dostupné. Pokud přidáme navíc flexibilní nástroje pro tvorbu variant a šablony prostředí, je Autodesk Showcase vynikajícím prezentačním nástrojem pro každý kreativní obor, kde jsou využita 3D data. Jak je vidět na našem benchmarku, je i na 32bitovém systému vizualizace složitého polygonálního modelu bezproblémová.

ATOS compact scan - přenosná sada

Rychlá kontrola skenovaného dílu v softwaru ATOS Professional

Technologie a postupy využívané pro digitalizaci 3D modelů jsou realizovány v rámci partnerství Filozofické fakulty Univerzity Hradec Králové a techniků z VOŠ a SPŠ ve Žďáře nad Sázavou v rámci projektu „Modernizace a inovace studijních programů Filozofické fakulty Univerzity Hradec Králové" s číslem CZ.1.07/2.2.00/28.0106. Grantový projekt je financován z prostředků Evropského sociálního fondu a státního rozpočtu České republiky. 3D digitalizace je využívána pro řešení heterogenních problémů v oblasti archivace archeologických památek a technických věd. Ukazuje tak široké spektrum možností nasazení 3D digitalizace v praxi.