docTechnologie skenování ve 3D
download 
Stížnost Transkript
Technologie skenování ve 3D
spsks.cz Technologie skenování ve 3D Zpracováno v rámci projektu CZ.1.07/3,2, 10/04.0024 financovaného z fondů EU kapitola 1 Technologie skenování ve 3D Obsah 1 ÚVOD....................................................................................................................... 4 2 SLOVNÍK POUŽITÝCH ZKRATEK .......................................................................... 6 3 OBLASTI VYUŽITÍ 3D SKENOVÁNÍ........................................................................ 7 3.1 KONTROLA KVALITY VÝROBY .................................................................................... 7 3.2 ÚPRAVY LISOVACÍCH NÁSTROJŮ ............................................................................... 9 3.3 KOPÍROVÁNÍ VÝROBKU ........................................................................................... 10 3.4 POLOTOVAR PRO OBRÁBĚNÍ ................................................................................... 12 3.5 SKENOVÁNÍ AUTOMOBILŮ ....................................................................................... 14 3.6 ZÁSTAVBY ............................................................................................................ 16 3.7 KONTROLA VIRTUÁLNÍ SESTAVY DÍLŮ ....................................................................... 17 3.8 ARCHIVACE DESIGNOVÝCH KONCEPTŮ .................................................................... 18 3.9 VERIFIKACE FEM ANALÝZ ...................................................................................... 19 3.10 BUDOVY A KOMPLEXNÍ SYSTÉMY POTRUBÍ ............................................................ 21 3.11 OCHRANA HISTORICKÝCH PAMÁTEK ..................................................................... 23 3.12 VIRTUÁLNÍ MUZEA .............................................................................................. 24 3.13 AVATAR A POČÍTAČOVÉ HRY ............................................................................... 25 3.14 SNÍMÁNÍ POHYBU ............................................................................................... 26 3.15 KRIMINALISTIKA ................................................................................................. 27 3.16 DENTÁLNÍ APLIKACE ........................................................................................... 27 3.17 ESTETICKÁ CHIRURGIE ....................................................................................... 29 3.18 PLASTICKÁ CHIRURGIE ....................................................................................... 29 3.19 ORTOPEDIE A PROTETIKA ................................................................................... 30 3.20 POSTTRAUMATICKÁ PÉČE ................................................................................... 30 3.21 ERGONOMIE ...................................................................................................... 30 4 spsks.cz ZÁKLADNÍ PŘEHLED METOD 3D SKENOVÁNÍ .................................................. 31 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 5 MECHANICKÉ ŘÍZENÉ 3D SKENERY ......................................................................... 31 MECHANICKÉ RUČNÍ 3D SKENERY .......................................................................... 33 LASEROVÉ 3D SKENERY ........................................................................................ 34 OPTICKÉ 3D SKENERY „WHITE LIGHT“ ..................................................................... 36 CT 3D SKENERY ................................................................................................... 38 DESTRUKTIVNÍ 3D SKENERY .................................................................................. 39 ULTRAZVUKOVÉ 3D SKENERY ................................................................................ 40 GOM 3D OPTICKÉ SKENERY .............................................................................. 41 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 ATOS COMPACT SCAN ......................................................................................... 42 ATOS TRIPLE SCAN ............................................................................................. 42 ATOS CORE ........................................................................................................ 43 ATOS SCANBOX .................................................................................................. 44 ATOS PLUS ......................................................................................................... 45 6 ATOS COMPACT SCAN ....................................................................................... 47 7 TRITOP (FOTOGRAMMETRIE) ............................................................................ 52 8 SOFTWARE GOM INSPECT................................................................................. 59 9 3D OPTICKÉ SKENOVÁNÍ V PRAXI..................................................................... 68 9.1 PŘÍPRAVA SKENOVANÉHO OBJEKTU ........................................................................ 68 2 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 PŘÍPRAVA 3D SKENERU ......................................................................................... 76 SKENOVÁNÍ ........................................................................................................... 77 9.4 POLYGONIZACE ............................................................................................... 78 OPTIMALIZACE POLYGONÁLNÍ SÍTĚ .......................................................................... 80 USTAVENÍ SKENU DO SOUŘADNÉHO SYSTÉMU .......................................................... 84 VYHODNOCENÍ ...................................................................................................... 86 10 . PRAKTICKÁ CVIČENÍ.......................................................................................... 90 10.1 10.2 10.3 SKENOVÁNÍ NEOPRACOVANÉHO KAMENE ............................................................. 90 SKENOVÁNÍ MODELU HLAVY .............................................................................. 103 SKENOVÁNÍ SOCHY .......................................................................................... 116 11 SHRNUTÍ ............................................................................................................. 136 12 CITACE ................................................................................................................ 137 spsks.cz 3 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D 1 Úvod Tato publikace si klade za cíl seznámit čtenáře s rychle se rozvíjející oblastí 3D optického skenování. Někdy se můžeme setkat i s alternativními pojmy jako 3D digitalizace nebo 3D měření. Jde v podstatě o proces, při němž se fyzický objekt přenáší do digitální podoby. Většina z nás dnes používá tento proces denně ve 2D formě. Skenování papírových dokumentů nebo focení digitálním fotoaparátem jsou běžné činnosti, nad kterými se dnes už nikdo nepozastavuje, a bereme je jako samozřejmost. Poloha libovolného bodu okraje písmene vytištěného na papíře je definovaná 2 souřadnicemi (X, Y). K naskenování papírového dokumentu se používají kopírky, faxy nebo multifunkční zařízení. Poloha libovolného bodu na povrchu prostorového objektu je navíc ještě definovaná hloubkou, takže ve finále 3 souřadnicemi (X, Y, Z). K naskenování prostorových objektů se používají 3D skenery. 3D skenování se od toho 2D tedy liší „pouze“ v tom, že se do počítače přenáší o jednu souřadnici bodu více. V praxi to je samozřejmě trochu složitější, protože do procesu 3D skenování vstupují ještě další vlivy, které u kopírky řešit nemusíme. Oblast 3D skenování je relativně mladým, ale zato velmi rychle expandujícím odvětvím. Matematické základy výpočtu 3D bodu ze sady 2D fotek jsou známé už poměrně dlouho, ale vzhledem k výpočtovým nárokům je dlouho nebylo možné uvést do praxe. Boom tohoto oboru nastal s nástupem výkonných počítačů s procesory Pentium. V letech 1989 až 1990 vznikly 3 firmy, které přenesly do té doby laboratorní zařízení do praxe, a vznikly tak první komerční 3D skenery. První firmou byl v roce 1987 německý Steinbichler, druhou firmou v pořadí byl v roce 1989 německý Breuckmann (v roce 2012 koupen firmou AICON) a v roce 1990 to byla německá firma GOM. spsks.cz Obrázek 1 – Vývojová řada 3D skenerů firmy GOM Díky technologickému náskoku tyto 3 firmy stále udávají trend ve 3D optickém skenování metodou „white light“. V současné době je na trhu už mnohem více firem 4 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D zabývajících se výrobou 3D skenerů, ale jen ty technologicky nejvyspělejší dokážou splnit náročné požadavky průmyslových oborů. Kvalitní 3D skener se dnes nepozná podle čísla udávajícího rozlišení kamery, protože více pixelů neznamená automaticky přesnější měření. Stejně jako pro klasické dotykové měření vznikla odpovídající technická norma i pro optické měřicí systémy. Tato norma definuje požadavky na přesnost měřicího zařízení a nese název VDI/VDE 2634. Pouze profesionální 3D optické měřicí systémy kombinující high-end hardwarové komponenty (objektivy, kamery, projekční jednotka…) a profesionální software jsou schopny splnit limity definované touto normou, zejména pak částí 3 týkající se kombinovaného skenování objektu více záběry. Firma GOM je jedna z mála firem, která u každého vyrobeného skeneru poskytne zákazníkovi protokol o dosažených hodnotách přesnosti daného skeneru. Současné modely 3D skenerů jsou už natolik „user friendly“, že naučit se něco naskenovat je otázkou jen několika málo hodin. Software pro práci s naskenovanými daty lze stáhnout zdarma z internetu. Jak s tímto softwarem pracovat lze zhlédnout v jednotlivých videolekcích na YouTube. Pojďme se tedy podívat do moderního světa oboru 3D digitalizace… spsks.cz 5 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 2 Slovník použitých zkratek CAD ....Computer Aided Design ................................. počítačem podporované navrhování CAM ....Computer Aided Manufacturing .............................. počítačem podporovaná výroba CCD ....Charge Coupled Device ... elektronická součástka pro snímání obrazové informace CMM....Coordinate Measuring Machine..................... zkratka pro dotykové 3D měřicí stroje CT .......Compute Tomography........................................................... počítačová tomografie FEM.....Finite Element Method.......................................................metoda konečných prvků GD&T ..Geometric Dimensioning and Tolerancing.......................... tolerance tvaru a polohy JPEG...Joint Photographic Experts Group.................. formát souboru pro ukládání obrázků Laser...Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation MPx.....Mega Pixel............................................... jednotka udávající počet pixelů CCD čipu PDF .....Portable Document Format .................. formát souboru vyvinutý společností Adobe PNG ....Portable Network Graphics............................. formát souboru pro ukládání obrázků RAM ....Random Accesss Memory.................................................. druh počítačové paměti RPS.....Reference Point Systém.......................... způsob ustavení do souřadného systému STL .....Stereo Lithography ........................................................................souborový formát TXT .....Textový dokument ............................................................................ formát souboru VMR ....Virtual Measuring Room ......... Virtuální měřicí místnost pro simulaci pohybů robota VRML ..Virtual Reality Modeling Language ................... formát souboru ukládající 3D scény WiFi.....Wireless Fidelity ................................................. způsob bezdrátového přenosu dat spsks.cz 6 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 3 Oblasti využití 3D skenování V současné době je oblastí, kde se využívá 3D skenování, celá řada. Původně bylo 3D skenování směrováno do oblasti vývoje výrobků, zejména pak v automobilovém či leteckém průmyslu. Jak postupně rostly požadavky na kontrolu výroby dílů, tak také rostly nároky na jejich měření. Zejména pak designové díly karoserie auta se dnes bez 3D skenování prakticky neobejdou. Záběr této technologie je opravdu široký a uplatnění nachází ve stále nových oborech. 3.1 Kontrola kvality výroby Nejčastěji se 3D skenování používá při kontrole, zda daný výrobek odpovídá teoretickému CAD modelu, který navrhl konstruktér. Samozřejmě nemá smysl skenovat hřídel, když nás zajímá jen průměr hřídele, k tomu stačí posuvné měřidlo nebo mikrometr. Pokud nás však u stejného hřídele bude zajímat válcovitost, tak si s jednoduchými měřidly už nevystačíme. Smysl má tedy skenovat takové objekty, které jsou tvarově složité a nelze je proměřit klasickými měřidly. Může jít třeba o plastový výlisek, plechový výlisek, lisovací nástroje, tvarové vyjiskřovací elektrody a další. Zda je daný naskenovaný díl vyroben přesně dle CAD nejrychleji zjistíme pomocí barevné mapy odchylek. Z takové analýzy lze rychle vyčíst, zda je výrobek vyroben v dané toleranci, popř. najít problematické oblasti. spsks.cz Obrázek 2 – Barevná mapa odchylek plechového výlisku U tolerancí tvaru a polohy označované jako GD&T (rovinnost, kruhovitost, válcovitost, kolmost apod.) je pro správné proměření potřeba analyzované prvky naskenovat dostatečným počtem bodů, aby se zachytily i lokální nedokonalosti povrchu. Poměrně často se lze setkat s měřením těchto veličin na dotykových měřicích strojích CMM, kde se naměří např. hřídel v několika málo řezech po cca 20 bodech a z toho se pak počítá válcovitost. Obecně tohle dotykové měření CMM nelze nazvat 3D skenováním, protože snímání prostorových bodů probíhá diskrétně neboli jeden bod za druhým tak, jak se 7 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 kulička na měřicím hrotu postupně dotýká povrchu. Tento proces je pomalý a bodů se takto získá poměrně málo. Pokud chceme GD&T prvky proměřit správně, měla by se volit některá z optických metod skenování, ať už to je laserový nástavec na CMM stroj (místo dotykové hrotu s kuličkou), nebo některý z optických skenerů používající modré světlo. Obrázek 3 – Válcovitosti stejného prvku z optického měření a z dotykového měření Optické 3D skenování je charakteristické tím, že se za krátký čas nasnímá velký počet bodů s velkou hustotou. Jen pro ilustraci uvedu, že skenery, které jsou v současné době na trhu, jsou schopny nasnímat 12 milionů bodů za 2 sekundy a hustota dat může být až 83 bodů na 1 mm. Z toho je zřejmé, že využití 3D skenování je hlavně tam, kde potřebujeme povrch objektu popsat včetně drobných detailů. Současným módním hitem v automobilovém designu jsou tzv. tornado křivky. Jde o ostré linie na karoserii vozu, které mu dávají dynamický vzhled. Z technického hlediska a z hlediska měření jde o velmi malé oblasti (~1mm široké), kde je velmi malá výseč rádia (~5°). Zda je tato tornado linie na plechovém výlisku vylisovaná tak, jak na začátku navrhl designér, nelze zkontrolovat jinak než právě 3D skenováním s vysokou hustotou. V neposlední řadě má na výsledek analýzy vliv také software, protože vyhodnocení tak malé výseče kružnice na celé tornado linii je velmi citlivé na správnou volbu parametrů vyhodnocovací funkce. spsks.cz Obrázek 4 – Analýza tornado linie (rádius a ostrost) na blatníku automobilu 8 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 Nejen drobné detaily, ale také tvarově složité součástky nelze prakticky zkontrolovat jinak než 3D skenováním. Typickým příkladem může být třeba lopatkové kolo z malého turba nebo velké lopatkové kolo z parní turbíny. Vždy se jedná o geometrii, na kterou jednoduchá měřidla nestačí. Lopatky jsou konstruktérem napočítány na ideální parametry, a pokud je výroba vyrobí špatně, sníží se celkový výkon zařízení. 3D skenováním se v tomto případě odhalí nedokonalosti výroby - ať už půjde o globální deformace (např. zkroucení lopatky), nebo lokální chyby (např. ztenčení profilu lopatky). spsks.cz Obrázek 5 – Analýza profilu lopatky 3.2 Úpravy lisovacích nástrojů V nástrojárnách často řeší problém s úpravou lisovacích nástrojů. Nástroj se sice vyrobí podle CAD dat, ale při prvním lisování se zjistí, že je tvar potřeba upravit. Vylisovaný plech může při lisování praskat nebo vylisovaný tvar úplně nemusí odpovídat představě designéra. V dnešní době existují digitální technologie, které pomáhají konstruktérům a technologům navrhnout nástroj tak, aby se těmto úpravám předcházelo, nicméně s trendem ztenčování tloušťky plechu a s náročnými požadavky kladenými na výsledný design se nedá vyrobit ideální lisovací nástroj hned napoprvé. Pro správné odladění nástroje je zapotřebí know-how lidí, kteří vědí, kde je potřeba materiál přidat a kde ubrat. Například pokud se plech trhá, je zapotřebí zvětšit rádius na nástroji nebo pokud je požadována větší ostrost designové tornado linie, pak je zapotřebí udělat ostřejší hranu na razníku. Jakmile se označí oblasti, kde je potřeba odebírat a kde přidávat materiál, přemístí se nástroj z lisu do svařovacího boxu. Tam se navaří místa, kde materiál chybí, např. v místech, v nichž se rádius bude zostřovat. Konstruktér mezitím upraví CAD data, kde změní rádiusy a navazující plochy. Stav nástroje se naskenuje a porovná s tímto novým CAD modelem. Pomocí barevné mapy odchylek se zjistí, zda je všude přídavek materiálu pro obrábění. Pokud je tomu tak, nástroj se přemístí na frézu a obrobí se požadované oblasti. Po obrobení následuje další testovací lisování. Někdy se tento proces může opakovat i vícekrát, dokud kontrolor kvality nebude spokojený s výliskem. Jakmile je nástroj odladěn, naskenuje se aktuální stav, který poslouží pro pozdější výrobu duplicitního nástroje v případě rozšíření výroby nebo pro opravu původního nástroje po dosažení jeho životnosti. 9 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 Obrázek 6 – Skenování lisovacího nástroje a analýza odchylek 3.3 Kopírování výrobku spsks.cz Často se i v dnešní době stává, že od nějakého výrobku nejsou k dispozici CAD data nebo výkres. Důvodem může být třeba to, že výrobce tyto informace nechce poskytnout nebo si je podmiňuje zaplacením vysoké částky. Pokud tento výrobek naskenujeme, získáme 3D data, která následně mohou posloužit k výrobě duplicitního výrobku. Ze skenování je výstupem mrak bodů nebo polygonální síť ve formátu STL. Tento formát jsou schopny některé CAM softwary přímo zpracovat do NC drah (např. Tebis nebo CATIA). Pokud to CAM neumožňuje nebo je potřeba provést nějakou změnu designu výrobku, pak se na polygonální síti vytvoří plochy. Takto vzniklý plošný model už dokáže zpracovat většina CAM softwarů. V případě takového využití technologie 3D skenování je potřeba zvážit, zda se tím neporuší autorská práva na daný výrobek. 10 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 spsks.cz Obrázek 7 – Duplikát stradivárek (data získaná CT skenerem) Jiným důvodem skenování za účelem získání kopie může být např. výroba opotřebené součástky, která byla vyrobena v době, kdy ještě nebyly CAD softwary pro počítačové navrhování a nedochovaly se ani papírové výkresy. Typickým příkladem jsou elektrárny, kde jsou turbíny staré i několik desítek let. Časem se v nich opotřebují lopatky vlivem kavitace a je potřeba udělat rekonstrukci celé turbíny. V tomto případě se skenují jak lopatky samotné, tak i těleso, ve kterém se hřídel otáčí. Následně se provede rekonstrukce skenů do plošného modelu a udělá se optimalizace tvaru lopatek na základě současných znalostí za účelem zvýšení výkonu turbíny. 11 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 Obrázek 8 – Skenování rotoru turbíny 3.4 Polotovar pro obrábění Často se jako polotovar používají odlitky, u nichž jsou poměrně velké výrobní nepřesnosti. Pokud by na odlitku nebylo dostatek materiálu, mohlo by se stát, že při obrábění by v daném místě neměla fréza co odebírat a tím by vznikly vícenáklady spojené s navařováním daného místa a opětovným obráběním. Může nastat i opačný případ, kdy v daném místě materiál nechybí, ale naopak je tam příliš velký přídavek. Zde hrozí riziko, že se v tomto místě zlomí fréza, když bude muset najednou odebírat velkou třísku, se kterou programátor NC kódu nemohl dopředu počítat. Riziko zlomení frézy se dá částečně eliminovat tím, že programátor zadá velký offset od CAD dat odlitku pro první NC dráhu. Nevýhodou takového řešení je čas, po který fréza jezdí ve vzduchu na offsetovaných drahách. U velkých odlitků to pak můžou být i hodiny promrhaného strojového času. Řešením je odlitek naskenovat, porovnat s CAD modelem a následně použít polygonální model jako výchozí polotovar. Porovnáním naskenovaného odlitku s CAD modelem finálního výrobku zjistíme, zda je všude dostatečný přídavek pro obrábění. Případně je možné pomocí nástrojů v softwaru upravit souřadný systém naskenovaného odlitku tak, aby se i v místě, kde přídavek nebyl dostatečný, situace zlepšila. Software v podstatě spočítá nejlepší možnou polohu naskenovaného odlitku vůči finálnímu CAD modelu pomocí BestFit algoritmu (podmínkou výpočtu je, aby CAD model ležel celý uvnitř objemu naskenovaného odlitku). Samozřejmě může nastat situace, kdy neexistuje řešení této úlohy a část CAD modelu bude přesahovat přes plochu naskenovaného odlitku. I tohle zjištění je přínosem, protože k navaření chybějícího místa může dojít ještě před vlastním frézováním. Po této analýze přídavků naskenovaný odlitek poslouží jako výchozí polotovar, od kterého se začnou generovat první NC dráhy. Tím je dosaženo efektivního využití strojového času, protože hned první dráha nástroje bude brát optimální třísku. Kromě toho se šetří stroj jako takový, protože nehrozí rázy při obrábění způsobené nerovnoměrným odběrem třísky v oblastech s velkým přídavkem. I když 3D skenování spsks.cz 12 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 je technologie, která není nejlevnější, tak pro tento způsob využití je návratnost investice snadno prokazatelná. Obrázek 9 – Skenování odlitku pro následné použití jako polotovaru pro obrábění Při obrábění soch je také potřeba naskenovat výchozí polotovar, kterým je zde kámen. Ten může mít velmi členitý povrch, jehož tvar nelze do CAM systému přenést jinak než 3D skenováním. Cílem tohoto přístupu je šetřit nástroj i stroj od velkých rázů, které by mohly vznikat při velkém úběru materiálu, pokud bychom první dráhou zajely do místa s lokálním výstupkem. Naskenovaný model je přesnou kopií kamene včetně všech lokálních detailů. CAM systém může na základě tohoto naskenovaného modelu vygenerovat první obráběcí dráhu s konstantním úběrem materiálu. Nemůže tedy dojít ke zlomení nástroje nebo poškození stroje. spsks.cz Obrázek 10 – Kámen jako polotovar pro robotické obrábění 13 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 3.5 Skenování automobilů Výrobci zmenšených modelů aut (tzv. angličáků) se snaží co nejvíce okopírovat skutečný model automobilu. Automobilky 3D CAD modely těmto firmám běžně neposkytují, a proto se hledají jiné cesty, jak data pro výrobu angličáku získat. Naskenování reálného auta je cestou nejefektivnější, protože se získají digitální data se všemi detaily. Takový model se pak zmenší v požadovaném měřítku, upraví se velmi malé detaily tak, aby byly vyrobitelné, a zalepí se místa, která nebylo možné naskenovat. Tato digitální data slouží jako vstupní informace pro výrobu forem NC obráběním. Obrázek 11 – Využití skenu pro výrobu modelu 1:18 spsks.cz Nejen výrobci angličáků, ale také samotné automobilky používají 3D skenery ke skenování celého automobilu. V tomto případě je cílem analýza konkurenčního vozu. Zjišťuje se tak například v interiéru vozu ergonomie sedadel, volantu, ovládacích prvků, a to nejen vlastní tvar, ale i mezní polohy daných prvků. Na exteriéru se analyzuje např. kvalita navazování jednotlivých dílů (spáry) nebo ostrost tornado linií. Kvalita výroby vozu je velmi důležitá a současný zákazník je velmi náročný, proto se výrobci snaží kvalitu držet na vysoké úrovni. Analýza konkurenčních vozů v podstatě určuje jakousi laťku, kterou by měl vůz v dané třídě dosáhnout, aby byl konkurenceschopný. 14 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 spsks.cz Obrázek 12 – Skenování interiéru vozu Další důvod skenování částí existujícího vozu jsou profesionální tuningové úpravy. Může se jednat o dodatečně namontované doplňky jako zadní křídlo, mračítka na světla, průduchy apod. nebo o kompletní redesign a výměnu existujícího prvku. V prvním případě stačí naskenovat plochy dané oblasti a na nich vymodelovat designový doplněk. Ve druhém případě je potřeba stávající díl z auta demontovat a naskenovat uvolněný prostor včetně úchytných prvků. Tuningové firmy tak třeba nahrazují stávající karoserii karbonovými díly kvůli maximálnímu odlehčení vozu. Firmy specializující se na pancéřování automobilů tak získávají informaci potřebnou pro vymodelování pancéřového plátu, který pak přesně zapadne mezi vnější plech a interiérovou výplň dveří. 15 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 Obrázek 13 – Tuningové mračítko na Škoda Octavia 3.6 Zástavby spsks.cz V praxi může nastat situace, kdy firma potřebuje svůj výrobek zakomponovat do již existující sestavy a potřebuje vědět, jak svůj výrobek navrhnout, aby se mezi již existující jiné komponenty vešel. Může se jednat např. o přídavnou nádrž nebo klimatizační jednotku, kterou je potřeba vložit do motorového či jiného prostoru nákladního auta. Pomocí 3D skenování se zdigitalizuje stávající poloha všech komponent v oblasti motorového prostoru. Není ani potřeba žádná přesná či detailní digitalizace, protože ve finále se na těchto naskenovaných datech vytvoří zjednodušené obálkové plochy se vzdáleností plochy od skenu v řádu několika milimetrů. Tyto obálkové plochy pak použije konstruktér pro nadimenzování svého výrobku, čímž je schopen maximálně využít volného prostoru. Ze skenu také odměří přesnou polohu úchytných bodů, na které pak může nadimenzovat svůj výrobek. 16 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 spsks.cz Obrázek 14 – Zástavba do zavazadlového prostoru v Opel Astra 3.7 Kontrola virtuální sestavy dílů V tomto případě se skener využívá k naskenování dílů, které spolu přijdou smontovat do sestavy, přičemž jejich výroba probíhá geograficky daleko od sebe. Aby se předešlo problémům při montáži způsobeným případnými výrobními odchylkami, naskenují se díly každý zvlášť v jeho místě výroby a virtuálně se sestaví postupem stejným, jako se budou montovat i ve skutečnosti. Teprve když z analýzy vyjde, že oba díly lze bez problémů smontovat, tak se přepraví na místo montáže. Pokud z analýzy vyjde, že je potřeba něco opravit, lze to učinit ihned ve výrobním závodě bez vícenákladů na zpětnou dopravu. Nejdůležitějším faktorem je ovšem čas, který se takto ušetří. Pokud by se na výrobní chyby přišlo až na místě montáže a nebylo by možné provést opravu na místě, pak čas na dopravu do místa opravy a zpět může být i několik dnů, které zapříčiní zpoždění celého projektu. Tímto způsobem se kontrolují hlavně velké díly, jako jsou části turbín, listy lopatek větrných elektráren apod. V automobilovém průmyslu se takto kontroluje, jak přesně zapadají jednotlivé díly do sestavy. Jednotlivé díly totiž vyrábí různé dodavatelské firmy a nikdy se nepodaří docílit takové přesnosti , s jakou je automobil navržený v CAD datech. Reálné odchylky tvaru, jako např. návaznosti ploch nebo přesahy, lze pak kontrolovat virtuálně na reálných naskenovaných dílech. Automobilka na základě takové analýzy může donutit dodavatele k úpravám tvaru dodávaného dílu (pokud je návaznost na vedlejší díl příliš viditelná) nebo chybu tvaru 17 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 akceptovat (pokud tvar dílu vykazuje odchylku vůči teoretickému CAD, ale tato chyba není viditelná, protože vedlejší díl se v daném místě odchyluje stejným směrem). spsks.cz Obrázek 15 – Virtuální sestava reálných naskenovaných dílů automobilu 3.8 Archivace designových konceptů V automobilovém designu je potřeba archivovat designové studie hliněných modelů aut vznikajících většinou v měřítku 1:4. Než se vybere finální designový model, vznikne několik těchto modelů. Aby se aktuálně nevybraný koncept designéra dal využít u některého z budoucích vozů, zachovává se tvar v digitální podobě ve formátu polygonální sítě. Později se mohou uložené polygonální sítě načíst a dříve vymodelované designové detaily třeba použít u právě vyvíjeného vozu. 18 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 Obrázek 16 – Atos Compact Scan skener při skenování hliněného modelu 3.9 Verifikace FEM analýz 3D skenování se dá využít i pro ověření FEM analýz, které virtuálně predikují budoucí stav součástky. Softwary pro simulaci vstřikování plastů např. simulují na základě znalostí charakteristik materiálu tvarový stav součástky po vytažení ze vstřikovací formy. Do tohoto výpočtu vstupuje poměrně hodně parametrů, které výsledný tvar ovlivňují. Ne všechny parametry se dají ideálně definovat, a proto výsledný nasimulovaný tvar součástky nemusí přesně odpovídat požadovanému tvaru původního CAD modelu. Pokud se reálný plastový výlisek naskenuje a porovná s nasimulovaným tvarem, lze získané informace využít pro upřesnění vstupních parametrů při budoucí simulaci. U FEM analýz zaměřených na pevnostní úlohy se naskenovaná polygonální síť používá jako vstupní model místo CAD modelu. Důvodem je to, že CAD model je idealizovaný tvar, který se ve skutečnosti nikdy nepodaří vyrobit. Pro většinu výrobků je dostačující provedení zjednodušené pevnostní analýzy na CAD modelu. U exponovaných komponent, které jsou dimenzované s ohledem na minimalizaci hmotnosti, je však dobré zkontrolovat, zda součástka bude splňovat pevnostní kritéria i se skutečným neideálním tvarem. Vlivem technologie výroby by mohlo dojít např. k lokálnímu ztenčení tloušťky materiálu, které v ideálním CAD modelu nebylo uvažováno. spsks.cz 19 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 Obrázek 17 – Simulace vstřikování plastového výlisku spsks.cz Jinou zajímavou úlohou spadající do této kategorie je dimenzování sochy. Na začátku je sádrový nebo jiný model postavy významné osobnosti v životní velikosti zhotovený sochařem. Tento model se má zvětšit do nadživotní velikosti, vyrobit odlitím z bronzu a umístit na veřejně přístupné místo. Výroba musí vzít do úvahy bezpečnostní kritéria a také nesmí být příliš nákladná. K optimalizaci tohoto výrobního procesu lze využít právě 3D skenování. Původní model se naskenuje, virtuálně se v softwaru zvětší měřítko a data se následně použijí pro výrobu modelu v požadované velikosti. Následuje odlití sochy z bronzu metodou vytavitelného modelu. Odlít tak velkou sochu z bronzu jako objem by bylo příliš nákladné, proto se socha řešila jako dutá skořepina složená z více částí. Provedená pevnostní FEM analýza spočítaná na naskenovaných zvětšených datech (polygonální síti) určí, jaká musí být minimální tloušťka skořepiny noh sochy, aby unesly váhu těla. Ve výsledku tak technologie 3D skenování ušetří peníze za bronz, kterého by se jinak použilo mnohem větší množství, když by byla socha předimenzovaná. V horším případě, když by se poddimenzovala, by hrozilo riziko, že se pod vlastní vahou zhroutí a ohrozí tak člověka. Tato technologie byla použita při odlévání sochy generála Milana Rastislava Štefánika, která byla odhalena před novostavbou Slovenského národního divadla na nábřeží Dunaje v nové bratislavské čtvrti Eurovea. 20 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 spsks.cz Obrázek 18 – Socha generála M. R. Štefánika vysoká 7,5m 3.10 Budovy a komplexní systémy potrubí Na skenování budov se používají laserové skenery s velkým dosahem a přesností v řádech několika milimetrů. Cílem takového skenování bývá digitální archivování architektonicky zajímavé nebo historicky cenné budovy. Může se jednat o kostely, zámky, muzea nebo jiné budovy s unikátními prvky. Nejen venkovní štuková výzdoba, ale i vnitřní prostory velkých budov jsou cílem skenování. Zde mohou být data použita nejen pro archivaci aktuálního stavu, ale také pro plánování přestavby vnitřních prostor ze staré tovární haly na nový interiér nebo pro analýzu energetické náročnosti prostor a následnou optimalizaci. 21 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 Obrázek 19 – Sken interiéru zámku získaný laserovým skenerem Továrny bývají často propleteny nejrůznějšími trubkami, jejichž stav je potřeba digitálně zmapovat. K tomu slouží speciální skenery, které dokážou proskenovat během několika málo minut celou místnost či halu. Takto získaná data jsou použita např. pro plánování trasy nového potrubí nebo jako archivace stávajícího stavu v případě, že se trasy změnily oproti původně výkresově navrženým. spsks.cz 22 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 spsks.cz Obrázek 20 – Laserovým skenerem naskenovaný tovární systém potrubí 3.11 Ochrana historických památek I do oblasti ochrany historických památek zasahuje technologie 3D skenování. Získání digitálního modelu pískovcové sochy umožní např. zjistit, jaký vliv má prostředí na erozi pískovce. Pokud se socha naskenuje s rozestupem několika let, tak lze zjistit, jak dané prostředí tuto památku znehodnocuje. V případě vzácných soch se tak dá rozhodnout, zda a kdy vyrobit kopii dané sochy, aby byl originál zachován i pro budoucí generace. 3D skenerem nasnímaná data mohou samozřejmě také posloužit k výrobě přesné kopie sochy, což se použitím klasických sochařských metod (přenášení délek z originálu na kopii) nikdy nepodaří úplně dokonale. Pokud dojde k poškození sochy, nebo odlomení části, která se ztratí, tak se někdy těžko dohledávají fotky, podle kterých by sochař mohl aspoň přibližně tuto chybějící část zrekonstruovat. Když je k dispozici 3D sken původního stavu, lze tuto chybějící část vyrobit rychle a přesně. 23 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 spsks.cz Obrázek 21 – Socha sv. Vojtěcha s chybějícím palcem 3.12 Virtuální muzea S rychlým rozvojem digitálních technologií a internetu se rozšiřuje i počet internetových stránek a multimediálních encyklopedií, které virtuálně prezentují unikátní historicky cenné artefakty. V jednodušším případě jsou předměty pouze nafoceny a je možno je prohlížet pouze jako obrázky. 3D skenery jsou schopny předmět naskenovat prostorově, a to včetně textury. Takovým objektem může být třeba fosilie (zuby, kosti), nálezy z vykopávek (pazourek, ruční nástroje, nádoby) nebo umělecké předměty (vázy, šperky, sošky). Cílem takto aplikovaného 3D skenování je zpřístupnění historicky cenných nebo umělecky zajímavých předmětů široké veřejnosti bez nutnosti cestovat do konkrétního muzea či galerie, kde se předmět fyzicky nachází. Tato digitální data pak lze prohlížet v internetovém prohlížeči například přes obecný formát VRML nebo jiné speciální formáty dostupné přes dodatečně nainstalované plug-in moduly. Pro archeologii je sdílení takových digitálních dat také velmi přínosné, protože daný fragment fosilie mohou vědci analyzovat, vzájemně konzultovat a virtuálně skládat s dříve nalezenými digitálně uloženými fragmenty, přičemž originál může být bezpečně uložen v klimatizovaném archivu. 24 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 Obrázek 22 – Digitálně archivovaná nádoba 3.13 Avatar a počítačové hry Avatar je virtuální klon člověka získaný 3D skenováním, který lze použít pro pokročilé virtuální nakupování v internetových obchodech s oblečením. Uživatel si vybere oblečení z nabídky obchodu a na Avatarovi si pak prohlédne, jak by mu slušelo. Internetový obchod také může u přihlášeného uživatele interaktivně přizpůsobit svou nabídku a nabídnout mu z databáze pouze to oblečení, které se na jeho postavu rozměrově hodí. Avatar se dá využít i v případě, když si bude chtít uživatel nechat ušít oblek či šaty na míru. K odměření všech proporcí poslouží Avatar, takže není nutná fyzická přítomnost člověka při zkoušení obleku. Tím se otevírá možnost nechat si ušít šaty třeba na druhé straně zeměkoule a poté si je nechat zaslat poštou. spsks.cz Obrázek 23 – Virtuální navrhování šatů na konkrétní postavu Naskenovaná postava se stále častěji používá i v počítačových 3D hrách. S rostoucím grafickým výkonem počítačů se otevírá prostor pro detailnější a reálnější počítačové postavy a jejich pohyb ve hře. Postavy jsou zde reprezentovány zjednodušenou polygonální sítí s namapovanou texturou získanou speciálními 3D skenery určenými pro digitalizaci postav. Kromě postavy je pro realističtější dojem ze hry potřeba přenést do virtuálního prostředí i výrazy tváře. 25 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 Obrázek 24 – Vytvoření virtuální postavy pro 3D hru spsks.cz 3.14 Snímání pohybu Firma Microsoft přišla se zajímavým nápadem jak 3D skener uvést do herního průmyslu. Díky rozšiřujícímu zařízení Kinect pro svou herní konzoli Xbox umožní počítačovému hráči ovládat hru pohybem vlastního těla. V podstatě jde o jednoduchý optický 3D skener, který ve vymezeném prostoru opakovaně snímá postavu hráče a softwarově pak vyhodnocuje změnu jeho polohy. Microsoft nezůstal jen u her, operační systém Windows 8 je možné po připojení Kinect zařízení ovládat gesty tělem nebo i hlasem. Z oblasti zábavy se tak Kinect přemisťuje i do kanceláří, terapeutických center nebo i na operační sály. Prezentaci lze ovládat jen gestem ruky, při pohybové terapii Kinect hlídá správnost pohybu a chirurgovi umožní při operaci bezdotykové prohlížení rentgenových snímků na obrazovce. 26 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 Obrázek 25 – Kinect při hraní her ovládaných pohybem těla spsks.cz 3.15 Kriminalistika Skenery se používají i v oblasti forenzních věd a kriminalistiky k provedení podrobné studie místa činu a následně k analýze, která pomůže zajistit autentickou rekonstrukci zločinu. V případě dopravních nehod lze skener použít ke shromažďování a uchovávání 3D obrazů poškozených vozidel a jejich vzájemné polohy po nehodě. To pomáhá dopravní polici i pojišťovnám provést podrobnou studii a slouží k přesnějšímu posouzení povahy a příčin nehody. Obrázek 26 – Auto po nehodě skutečné a naskenované 3.16 Dentální aplikace Trend posledních let ukazuje, že využití 3D skenerů v dentálních aplikacích je čím dál častější a s nově vyvíjenými skenery již velmi efektivní způsob, jak klientovi spravit zuby. Nejprve je potřeba udělat otisk zubů do sádry, čímž získáme formu pro vytvoření 27 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 odlitku. Pak následuje naskenování některým ze 3D optických skenerů. Získaná polygonální sít se načte do speciálního softwaru, kde se do volného mezizubního prostoru vymodeluje požadovaný implantát. Tento implantát je pak vyroben klasickým NC obráběním. Do budoucna by však mohla být použita i technologie 3D tisku (Laser Sintering), která pracuje s titanovým práškem a pomocí laseru dokáže postavit 3D fyzický model. Obrázek 27 – 3D optické skenování odlitku zubů spsks.cz Protože vytváření otisku a odlitku je časově náročné a pro klienta ne moc příjemné, tak jsou vyvíjeny i skenery, které tento krok nevyžadují. Pracují na principu optického skenování s velmi krátkou měřicí vzdáleností. Stačí skener umístit do ústní dutiny a postupným natáčením se proskenuje požadovaná oblast. Skeny jsou vzájemně pozicovány pomocí BestFit metody. Obrázek 28 – Dentální skener iTero pro skenování uvnitř ústní dutiny 28 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 Výše zmíněné aplikace využívají metody povrchového 3D skenování. Existují i rentgenové skenery, které jsou během několika sekund schopny získat kompletní informaci o povrchové geometrii zubů a navíc i o stavu kostí. S takovými daty pak lze naplánovat nejen ideální tvar implantátu, ale i jeho nejlepší uchycení do kosti. Výhodou je, že není potřeba vytvářet otisk stávajícího stavu zubů, nevýhodou pak ozáření rentgenovými paprsky. spsks.cz Obrázek 29 – Rentgenový dentální 3D skener PreXion3D 3.17 Estetická chirurgie I v plastické chirurgii se dnes již používají 3D skenery. Při estetických operacích si díky nim může klient virtuálně prohlédnout výsledek dřív, než se vůbec začne s operací. Klient může lékaři vizuálně ukázat, jaké změny požaduje, a lékař pak má možnost ukázat svá doporučení. Eliminuje se tak také případné nedorozumění v případě, že představa klienta je rozdílná od skutečnosti. Nejprve je potřeba naskenovat stávající stav obličeje, hrudníku nebo jiné části těla a takto získaná polygonální data načíst do speciálního softwaru, kde odborník virtuálně upraví danou oblast. Na základě této předlohy pak chirurg naplánuje postup operace a provede vlastní zákrok. 3.18 Plastická chirurgie Jestliže nehoda či nemoc zapříčiní poškození či amputaci některé párové části těla (ruka, noha, prsa, prsty apod.), lze pomocí 3D skeneru provést naskenování nepoškozené části těla. Po ozrcadlení a softwarových úpravách naskenovaných dat lze vyrobit protézu nebo jinou umělou náhradu, která bude tvarově přirozená k pacientovu tělu. V současné době se pracuje i na technologiích jak přenést nejen tvar, ale i 29 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 strukturu a barvu kůže. Reliéf kůže jsou dnes už skenery schopny zdigitalizovat, hledá se však ještě optimální cesta, jak tak malý detail na protéze vyrobit. 3.19 Ortopedie a protetika 3D skenery jsou používány ortopedy a protetiky s cílem získat přesný sken části lidského těla. Pro lékaře to znamená, že mohou vytvořit přesné a dokonale přizpůsobené protézy nebo implantáty s minimálním úsilím. Výsledkem je výrazné snížení nákladů a času stráveného modelováním protézy. Protože technologie 3D skenování nepředstavuje žádná zdravotní rizika, nachází uplatnění již během první návštěvy lékaře při diagnostice. Například poruchy páteře, jako je skolióza, mohou být detekovány již v počáteční fázi. Výsledkem je zhotovení 3D modelu pro měření zakřivení páteře. 3.20 Posttraumatická péče Léčba po vážném zranění může být stejně bolestivá jako samotné zranění. Pomocí skeneru lze vytvořit 3D model poraněné části těla bez nutnosti dotýkat se postižené nebo citlivé části těla. Např. při popáleninách tváře lze během několika minut vytvořit 3D model a následně zhotovit přesně padnoucí masku, která nebude způsobovat pacientovi další bolest a umožní tak rychlejší hojení. spsks.cz 3.21 Ergonomie Vytvoření ergonomicky správné židle, sedadla automobilu, klávesnice nebo joysticku lze provést zkoumáním přirozené polohy těla při určité činnosti. Tento výzkum lze provést s pomocí 3D skeneru. Získaný 3D sken se převede na zjednodušený 3D model, se kterým se dále pracuje při vývoji daného produktu. 30 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 4 Základní přehled metod 3D skenování Metod 3D skenování je celá řada a nedá se říct, že by některá z nich byla lepší nebo horší. Každá metoda má svou aplikační oblast, ve které se uplatní její výhody. Někde může být kladen důraz na maximální rychlost, jinde na maximální přesnost a další aplikace zase bude požadovat nízkou cenu skenování. Jak tedy vybrat tu správnou technologii? Následující přehled metod 3D skenování by měl pomoci při volbě toho správného skeneru. Obecně lze technologie 3D skenování rozdělit dle několika kritérií. Skenery se rozpadnou na 2 skupiny, pokud použijeme základní rozdělení na kontaktní a bezkontaktní. Kontaktní skenery potřebují k získání 3D bodu fyzický kontakt se skenovaným objektem. Bezkontaktní skenery informaci o 3D bodě získají optickým způsobem. Existuje i hybridní varianta, kdy se jedná o kontaktní skenování pomocí dotykové sondy, přičemž poloha sondy je v prostoru snímána bezkontaktně (opticky). Optické metody můžeme dále rozdělit na aktivní a pasivní, a to podle toho, zda na objekt něco vysílají či nikoliv. Aktivní optické skenery mají zdroj některého druhu záření a odpovídající přijímač. Na základě analýzy odraženého záření od skenovaného objektu pak počítají 3D souřadnice bodů. Tímto zářením může být buď světlo určité vlnové délky (viditelné, laser, RTG), nebo zvukové vlny (ultrazvuk). Pasivní skenery žádný zdroj záření nemají a pracují pouze s odrazem paprsků přirozeného záření objektu od okolního světla. Aktivní optické metody se dále dělí podle toho, jaká fyzikální vlastnost daného záření se použije pro výpočet prostorové souřadnice bodu. Nejjednodušší metoda se nazývá „time of flight“. Tato metoda je založená na měření času, za jakou dobu se vyslaný paprsek vrátí zpět na snímač po odrazu od objektu. Další možností je metoda „triangulation“, která na základě známého úhlu mezi projektorem a snímačem, známé vzdálenosti projektoru od snímače a známé polohy měřeného bodu na snímači dokáže dopočítat skutečný prostorový bod na povrchu objektu. Některé skenery kombinují obě metody „time of flight“ i „triangulation“ tak, aby z každé vytěžily její výhody. Výhodou metody „time of flight“ je velká vzdálenost, na kterou skener dokáže snímat body (desítky metrů až kilometry), nevýhodou je pak nízká přesnost takto získaných dat (řádově milimetry). Uplatnění najdou např. při skenování budov, výrobních hal a jiných velkých objektů. Metoda „triangulation“ má vlastnosti obrácené a její výhodou je relativně vysoká přesnost (setiny milimetru) a nevýhodou malá měřicí vzdálenost (řádově metry). Hodí se tedy pro malé objekty s požadavkem na vysokou přesnost dat. Další aktivní optickou metodou je „structured light“. Ta používá projekci pravidelného vzoru na objekt a na základě deformace tohoto vzoru pak počítá prostorové souřadnice bodů. Výhodou této metody je obrovská rychlost, s jakou se nasnímá daný povrch objektu. Řádově jde o miliony bodů za několik sekund. Cílem této kapitoly není detailní popis matematických ani fyzikálních metod, s kterými 3D skenery pracují, proto se z teoretické úrovně přeneseme k praktickému popisu a základnímu rozdělení skenerů tak, jak se s ním v praxi většinou setkáváme. spsks.cz 4.1 Mechanické řízené 3D skenery Mechanický způsob skenování je nejstarší metodou, kterou lze do jisté míry realizovat na každém dotykovém měřicím stroji (CMM). Hrot s kuličkou je upnutý v měřicí hlavě, která má citlivé snímače reagující na vychýlení hrotu při dotyku kuličky s objektem. Při každém vychýlení systém zaznamená aktuální polohu os měřicího stroje a tyto 31 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 informace software použije pro výpočet středu kuličky. S každým dotekem se tedy zaznamená 1 bod. Proces to je zdlouhavý, protože pojezdy CMM jsou relativně pomalé. Nevýhodou je také to, že se stroj musí před vlastním skenováním nejprve naprogramovat podle geometrie CAD modelu. Normály CAD modelu jsou potřeba i pro přepočet středu kuličky na povrch objektu (odečtení poloměru kuličky ve směru lokálního normálového vektoru CAD plochy). Dnes se CMM k tomuto účelu používají pouze v krajních případech, pokud není jiná alternativa, jak objekt naskenovat. spsks.cz Obrázek 30 – CMM DEA GLOBAL Silver Performance Výrobci CMM strojů nabízí rozšiřující zařízení, které je schopné skenovat mnohem rychleji než dotykový hrot s kuličkou. Tímto zařízením je laserová sonda, která se upne místo hrotu. Ze CMM se tak stane hybridní skenovací zařízení kombinující výhody laserového skenování triangulační metodou a výhody vysoké přesnosti absolutního polohování CMM stroje. Pro firmu, která již vlastní CMM stroj a nemá jej plně využitý, jde v podstatě o nejlevnější variantu, jak získat 3D skener. 32 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 spsks.cz Obrázek 31 – Laserová sonda Nikon osazená na CMM stroji 4.2 Mechanické ruční 3D skenery Ruční mechanické 3D skenery se od těch CMM liší hlavně ve způsobu měření absolutní polohy dotykové kuličky. CMM stroje jsou stacionární zařízení a mají přesné vedení a přesné odečítání polohy jednotlivých os. U ručního skeneru se odečítání absolutní polohy děje na základě informací o poloze jednotlivých kloubů, ze kterých se skener skládá. V každém kloubu je snímač odesílající v reálném čase informaci o své poloze. Software tyto informace přijímá a na základě známé délky jednotlivých ramen přepočítává polohu kuličky koncového hrotu. Během skenování musí být skener zafixován k základové desce, protože poloha objektu vůči skeneru se nesmí změnit. Výhodou je mobilita a nízká cena. Nevýhodou je nižší přesnost daná součtem nepřesností jednotlivých kloubů a malý měřicí dosah. Stejně jako u CMM tak i tyto mechanické skenery je možné osadit laserovou sondou pro rychlejší skenování. Přesnost se tím ale nezvýší, protože ta je dána mechanickými klouby. Jak už i z názvu vyplývá, tak skenování může probíhat pouze ručně bez jakékoliv možnosti proces zautomatizovat. Opakované měření je tedy vždy originálním měřením závislým na daném uživateli. V praxi se tyto skenery většinou používají pro rychlou kontrolu vytipovaných rozměrů na díle v rámci průběžné kontroly výroby. 33 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 spsks.cz Obrázek 32 – Mechanický 3D skener FaroArm 4.3 Laserové 3D skenery S laserovými skenery se dnes můžeme setkat poměrně často. Ať už jde o rozšiřující skenovací hlavy pro mechanické skenery, nebo o samostatná zařízení. Princip je v zásadě vždy stejný, vyhodnocuje se odraz laserového paprsku od povrchu objektu. V tom nejužším pohledu se tedy laserový skener skládá z vysílače laserového paprsku a ze snímací kamery. Aby bylo možné laserovým paprskem proskenovat celý objekt, musí se buď skener, nebo objekt natáčet v prostoru. Poloha skeneru v prostoru musí být však v každém okamžiku skenování známá, aby se dala spočítat absolutní poloha skenovaných bodů. U mechanických skenerů byla k dispozici informace o poloze os CMM nebo o poloze kloubů, ze které se absolutní poloha laserového skeneru dala dopočítat. Samostatný laserový 3D skener se při skenování drží v ruce, takže tyto informace zde k dispozici nejsou. Místo toho se používá metoda „trackování“ nebo metoda referenčních značek. 34 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 Pro „trackování“ neboli sledování laserového skeneru se používá další optické zařízení, které musí být během skenování v neměnné poloze. Na laserovém skeneru jsou speciální reflexní body (zrcátka), které jsou v reálném čase tímto trackovacím zařízením sledovány. Trackovací zařízení vyhodnocuje vzdálenost a natočení soustavy reflexních bodů v prostoru. Protože je známá poloha reflexních bodů vůči laserovému paprsku a snímací kameře, tak software dokáže přepočítat absolutní polohu bodu na povrchu objektu. Tato metoda skenování může být velmi efektivní, protože objekt nevyžaduje žádnou přípravu před měřením. Laserový paprsek jako takový je velmi přesný, největší chybu do skenování však zanáší trackovací zařízení. Navíc nepřesnost s rostoucí vzdáleností skeneru od trackovacího zařízení roste. spsks.cz Obrázek 33 – Laserový skener T-Scan s trackovacím zařízením Leica Levnější metodou nevyžadující trackovací zařízení je metoda absolutního polohování založená na referenčních značkách. Ty se musí na objekt umístit před skenováním, a to v takovém množství, aby snímací kamery viděly v každém záběru minimálně 3 tyto značky. Vzdálenost kamery od skenovaného objektu je kvůli laserovému paprsku poměrně malá, takže i velikost záběru je omezená na menší oblast. Z toho tedy vyplývá, že značek je potřeba relativně hodně oproti potřebám optického skeneru pracujícím na principu „white light“. Tento typ laserových skenerů je určen pro méně náročné technické aplikace a je cenově poměrně dostupný. Obecnou nevýhodou laserového skeneru při ručním skenování je jeho hmotnost, která se při delším skenování již může projevit jako nepříjemný faktor. 35 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 spsks.cz Obrázek 34 – Laserový skener HandyScan 4.4 Optické 3D skenery „white light“ Označení „white light“ znamená, že se při skenování používá světlo určité vlnové délky. Z názvu vyplývá, že by mělo jít o bílé viditelné světlo, což je základní rozdíl od laserových skenerů, kde se používá laserový paprsek. V dnešní době je tento název už poněkud zavádějící, protože většina výrobců přešla na projekci světla modrého. Důvodem této inovace bylo snížení vlivu okolního denního bílého světla na projekci při skenování, což v závěru zvyšuje přesnost snímání. Většina výrobců také přešla na LED projektory, čímž se výrazně zvýšila životnost projekční jednotky. Při skenování je na povrch objektu projektován pravidelný vzor, který se podle křivosti povrchu zdeformuje. Tento zdeformovaný stav je ve stejný okamžik sejmut levou i pravou kamerou a uložen na disk. V jedné poloze se projekce vzoru a snímání provede několikrát, vždy s mírným posunem vzoru. Pro každou polohu skeneru je pak uložena sada snímků, ze kterých software vypočítá prostorové souřadnice bodů na povrchu objektu. Jednotlivé skeny z různých poloh skeneru jsou v prostoru spojovány pomocí referenčních značek nebo u méně náročných aplikací metodou BestFit na naskenovaný tvar. Profesionální skenery mají 2 CCD kamery s rozlišením alespoň 5 MPx. Existují i skenery s 1 CCD kamerou, které však nedokážou kontrolovat aktuální stav své kalibrace. 36 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 spsks.cz Obrázek 35 – Optický skener ATOS III Triple Scan firmy GOM Některé optické skenery dokážou nejen skenovat, ale i fungovat jako trackovací zařízení. To umožňuje použít dotykovou sondu v místech, kam nevidí kamery, např. v hlubokých otvorech. Další zajímavou inovací je možnost zpětné projekce. V softwaru si uživatel vytvoří bod, kružnici či osy a tyto prvky se přesně naprojektují na fyzický objekt. Pak už jen stačí fixou projekci překreslit na objekt. V této kategorii skenerů je vidět za poslední roky největší progrese a do budoucna to určitě nebude jinak. 37 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 spsks.cz Obrázek 36 – ATOS I skener jako trackovací zařízení 4.5 CT 3D skenery CT skenery používají X-paprsky rentgenového záření a umožňují proskenovat objekt nejen na povrchu, ale i jeho vnitřní geometrii. Původně byly určeny k nalezení vnitřních defektů v odlitcích lopatek nebo jiných strategicky důležitých komponentech. S rozvojem techniky a s novými požadavky na nedestruktivní skenování vnitřních jinak neviditelných částí objektu se rozjel vývoj i v této oblasti. Princip měření je v zásadě jednoduchý, objekt se umístí do uzavřené komory, kde se postupným otáčením zrentgenuje ze všech přístupných stran. Software následně zpracuje pořízené snímky a na základě kontrastu a známé polohy natočení spočítá prostorové body na všech konturách objektu. Díl před skenováním nevyžaduje žádnou přípravu a skenování je poměrně rychlé, přesné a pohodlné. Nevýhodou je relativně malý měřicí prostor, vysoká pořizovací cena a problémy se skenováním, pokud objekt není z jednoho materiálu (např. plastový výlisek s kovovými piny). 38 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 spsks.cz Obrázek 37 – CT skener Wenzel exaCT M100 4.6 Destruktivní 3D skenery Tento typ skenerů je poněkud atypický, protože jde v podstatě o frézku s kamerou. Na začátku je potřeba měřený objekt zalít do bloku tak, aby pomocný materiál dokonale zatekl do všech dutin. Barva tohoto materiálu musí být kontrastní oproti barvě skenovaného objektu. Takto nachystaný díl se upne na desku frézky a postupně se odfrézovávají tenké vrstvičky konstantní tloušťky. Každá nově odkrytá vrstva je vždy vyfocena a snímek uložen pro pozdější zpracování. Výsledkem je tedy sada 2D fotek s uloženou informací, v jaké výšce Z byla fotka pořízena. Software na každé fotce na přechodu barev zalitého objektu a pomocného materiálu vyextrahuje okrajovou křivku. Tato křivka je reprezentována jako body v rovině. Pokud se spojí křivky ze všech odfrézovaných hladin, pak dostaneme 3D mrak bodů. Skenovaný díl se při tomto způsobu skenování sice zničí, ale v porovnání s CT skenery se takto dá získat informace o vnitřní geometrii poměrně levně. 39 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 spsks.cz Obrázek 38 – Zařízení Pearl 700 firmy CGI 4.7 Ultrazvukové 3D skenery Tento způsob 3D digitalizace funguje na principu bezkontaktního snímání povrchu objektu ultrazvukovou sondou. Skenování je prováděno manuálně pistolí s kovovým hrotem, která se přikládá ke skenovanému povrchu. Stiskem spouště pak dojde k vyslání ultrazvukového signálu. Tento ultrazvukový signál je pomocí speciální konstrukce s ultrazvukovými čidly dekódován do prostorových souřadnic. Nevýhodou zařízení je jeho relativně malá přesnost, která se pohybuje v rozmezí 0,3 až 0,5 mm. Dnes se tento typ ultrazvukového 3D skeneru už prakticky nepoužívá. 40 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 5 GOM 3D optické skenery Vývojem optických 3D skenerů se v současné době zabývá velké množství firem. V oblasti nejlevnějších optických skenerů je k dispozici např. řešení DAVIDlaserscanner od firmy DAVID Vision Systems (www.david-laserscanner.com). Ve skupině optických skenerů určených pro aplikace se středními nároky na přesnost a kvalitu skenu má své zastoupení např. firma Creaform se skenerem Go!SCAN 3D (www.creaform3d.com). V nejnáročnější high-end oblasti optických skenerů pak najdeme skenery od firmy GOM (www.gom.com), jejichž produktovou řadu si dále krátce představíme. Firma GOM je německá firma založená v roce 1990. Hlavní vývojové centrum je v Braunschweigu. GOM se od svého založení zabývá výhradně využitím optické 3D digitalizace, a to ve dvou oblastech: měření geometrie povrchu a měření deformací. Jelikož na měření deformací není tato učebnice cílena, tak tyto produkty nebudou zmíněny. GOM 3D skenery jsou profesionální zařízení, která jsou vyvíjena pro nejnáročnější požadavky automobilového či leteckého průmyslu. V produktové řadě však najdeme i levnější skenery zaměřené na méně náročné aplikace. Všechny skenery GOM využívají 13 let získávané know-how v matematicky náročné disciplíně počítačové zpracování obrazu, ve vývoji softwaru na zpracování polygonální sítě a v neposlední řadě také v oblasti inspekce. Podívejme se tedy na to, co firma GOM ve své produktové řadě aktuálně nabízí. spsks.cz Obrázek 39 – 3D skenery GOM Existují tedy 3 modelové řady 3D skenerů: ATOS Compact Scan, ATOS Triple Scan a ATOS Core. Každá tato řada má pak modely lišící se hlavně rozlišením CCD čipů. 41 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 5.1 ATOS Compact Scan Základní řadou je ATOS Compact Scan, zde jsou zastoupeny 2 modely označené 2M a 5M. Jak z názvu vyplývá, má model 2M rozlišení CCD čipu 2 MPx a model 5M má 5 MPx. U této řady není podporovaná plná automatizace s využitím robota, ale poloautomatizace pomocí rotačního stolu možná je. Skenování je založeno na stereo technologii, tzn., že jsou nasnímány pouze ty povrchové body objektu, které v danou chvíli vidí obě kamery. Integrováno je modré LED světlo pro dosažení co nejvyššího kontrastu pruhů projektovaných na povrch objektu. spsks.cz Obrázek 40 – ATOS Compact Scan 5M 5.2 ATOS Triple Scan High-end řadou je ATOS Triple Scan, který má 3 modely lišící se rozlišením kamer. ATOS II Triple Scan má 5MPx kamery, ATOS III Triple Scan má 8MPx kamery a ATOS Triple Scan 12M pak 12MPx kamery. Oproti základní řadě má robustnější provedení a karbonový ochranný kryt, aby mohl být nasazen i v náročném průmyslovém prostředí včetně automatizovaných linek. Rozšiřuje stereo skenování o další úroveň díky unikátní „Triple“ technologii, která doplňuje oblasti nenaskenované stereo technologií. V praxi to znamená, že u tvarově komplikovaných dílů, jako jsou např. plastové výlisky, se s Triple technologií sníží počet nutných záběrů. ATOS Triple Scan je složen v podstatě ze 3 virtuálních skenerů, prvním je klasický stereo skener, druhý je tvořen levou kamerou a projektorem a třetí pak pravou kamerou a projektorem. Když software počítá 3D body z nasnímaných fotek, tak nejprve spočítá oblasti viditelné z obou kamer a následně je pak doplní o oblasti viditelné jen levou nebo jen pravou kamerou. Nejvyššího dosažitelného rozlišení se dosahuje s 8MPx modelem při velikosti záběru 38 x 29 mm, tomu pak odpovídá rozlišení 83 bodů na 1 mm. Stejný skener je také možné překonfigurovat na největší měřicí záběr 2000 x 1500 mm, kde je rozlišení 0,7 bodu na 1 mm. I zde je při projekci použito modrých LED diod. 42 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 Obrázek 41 – ATOS III Triple Scan spsks.cz 5.3 ATOS Core Třetí řadou GOM skenerů jsou produkty s názvem ATOS Core. Na rozdíl od předchozích řad, kde se dal měřicí objem měnit přešroubováním objektivů, u ATOS Core je měřicí objem daný a nelze ho změnit. To s sebou přináší výhodu pro uživatele, kterým stačí pro jejich aplikace pouze 1 měřicí objem. Pokud uživatel potřebuje často během dne měřicí objemy měnit, je opět výhodnější zakoupit více ATOS Core, protože odpadá čas na kalibraci po každé změně měřicího objemu. Díky technologii „Hotplugging“ je výměna ATOS Core s jedním měřicím objemem za ATOS Core s jiným měřicím objemem otázkou jen několika sekund. Software tuto změnu skeneru plně podporuje a lze tedy v rámci jednoho projektu skenovat s různými GOM skenery. Obrázek 42 – ATOS Core ATOS Core je nabízen v několika různých technologických modifikacích. Obecně lze vybírat ze 3 produktových řad nazvaných Essential, Professional a Kinematic line. 43 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 Rozlišení lze volit z variant 2 MPx nebo 5 MPx. Co se týká technologie, tak zde je volba mezi stereo nebo triple skenováním. Plná automatizace je možná pouze u řady Kinematics, řada Professional umožňuje pouze použití výkyvného rotačního stolu a vertikálního polohovadla skeneru (GOMLift). Essential Line Software GOM Scan Professional Line ATOS Professional Rozlišení 2 MPx / 5 MPx / / Triple technologie Automatizace rotačním stolem Automatizace s VMR Tritop Fotogrammetrie Tabulka 1 – Produktová řada ATOS Core Kinematics Line ATOS Professional / ATOS Plus 5.4 ATOS ScanBox ATOS ScanBox je produkt, který umožní plně automatizovat měřicí proces. Základem je robot a rotační stůl. Robot se může pohybovat pouze v prostoru daném velikostí bezpečnostního ohrazení, které se dodává ve 3 rozměrových variantách označených čísly 5108, 5120, 6130. ATOS ScanBox je potřeba doplnit o vhodný skener ATOS určený pro automatizaci, tzn. ATOS Triple Scan nebo ATOS Core. Výhodou ATOS ScanBoxu je, že se jedná o standardizovaný produkt, jehož instalace a zprovoznění je velmi rychlé. Robot je od výrobce Fanuc a má tu výhodu, že kabeláž ke skeneru je protažena dutou šestou osou robota, a proto nemůže dojít k nechtěnému zamotání kabelu. spsks.cz Obrázek 43– Produktová řada ATOS ScanBox Modely ATOS ScanBox používají stejného robota. Liší se nosností rotačního stolu, velikostí pracovního prostoru a použitými bezpečnostními prvky. Nejmenší model 5108 je určený pro měření menších dílů, jako jsou plastové výlisky, lopatky a jiné díly do průměru 0,8 m. Střední model 5120 je schopný měřit díly do průměru 2 m a hmotnosti 44 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 500 kg. V největším modelu 6130 je možné na rotační stůl umístit díl o průměru 3 m a hmotnosti 2000 kg, vstupní zóna je zde zabezpečena optickými senzory. Půdorys ATOS ScanBox 5108 2 m x 2,55 m x 2,7 m 0,8 m ATOS ScanBox 5120 3,3 m x 3,3 m x 2,7 m 2m Max. velikost dílu Max. hmotnost 300 kg 500 kg dílu Šířka průchodu 0,8 m 1,4 m Tabulka 2 – Produktová řada ATOS ScanBox ATOS ScanBox 6130 4,25 m x 4,25 m x 2,7 m 3m 2000 kg 3,1 m Pro specifické požadavky, kterým nevyhovuje žádný ze ScanBoxů, lze navrhnout řešení na klíč. V takovém případě lze zvolit robota, rotační stůl, lineární pojezd nebo jiné kinematické komponenty dle požadavků dané aplikace. Jde o časově i finančně náročnější řešení, které však umožní automatizaci implementovat i v náročném automobilovém průmyslu. spsks.cz Obrázek 44 – Robotizovaná buňka 5.5 ATOS Plus ATOS Plus je fotogrammetrické zařízení, které se používá pouze v úlohách automatizovaného měření. Nejde tedy o skener jako takový, ale o rozšíření ATOS skeneru o fotogrammetrii. Mechanicky připevnit se dá pouze na skenery ATOS Triple Scan nebo ATOS Core, které jsou k automatizaci určené. ATOS Plus nalezne uplatnění hlavně tam, kde se při měření používají měřicí přípravky, do kterých se zakládá měřený 45 kapitola 1 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 díl. Optické měření vyžaduje referenční body a ty se většinou umísťují na měřicí přípravek. Vlivem teplotní roztažnosti nebo třeba také kvůli nešetrnému zacházení při transportu se přípravek může zdeformovat. Pokud by se po každém založení nového měřeného dílu nenafotil aktuální stav referenčních značek, mohlo by docházet k nepřesnostem měření zapříčiněným právě deformací přípravku. Samotné profocení včetně výpočtu je otázkou jen několika minut. Benefitem není jen zvýšení přesnosti měření, ale také snížení nároku na mechanickou tuhost konstrukce přípravku a tedy i jeho cenu. ATOS Plus existuje ve 2 variantách lišících se rozlišením. Model označený ATOS Plus 12M má rozlišení kamery 12 MPx a maximální velikost záběru 2 m x 1,5 m. Vyšší model označený ATOS Plus 29M má maximální záběr 3 m x 2 m s rozlišením 29 MPx. spsks.cz Obrázek 45 – ATOS Plus instalovaný na ATOS Triple Scan 12M 46 kapitola 6 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 6 ATOS Compact Scan ATOS Compact Scan je optický 3D skener firmy GOM, který spojuje nejmodernější technologii projekce modrého světla „GOM Blue Light“, kvalitní objektivy Schneider, rychlé CCD čipy spolu s profesionálním softwarem do kompaktního celku. Modré světlo generované LED diodami je méně citlivé na změny okolního denního světla a měření proto může být přesnější. Životnost LED diod je navíc v porovnání s dříve používanými halogenovými lampami vyšší, což snižuje požadavky na údržbu a náklady na provoz. spsks.cz Obrázek 46 – Měřicí systém ATOS Compact Scan Skener ATOS Compact Scan existuje ve dvou základních variantách lišících se pouze v rozlišení CCD čipů levé a pravé kamery. Nižší model má 2 milióny pixelů a vyšší model má 5 miliónů pixelů. Tato hodnota určuje, jak malé detaily je skener schopen zachytit. Na přesnost měření charakterizovanou tzv. šumem (rozptyl bodů od ideální geometrie) a měřítkem (vzdálenost středu 2 koulí) nemá rozlišení zásadní vliv. Dále se u tohoto skeneru modifikuje vzdálenost kamer v konfiguracích SO (Small Object), 300 a 500. Posouváním kamer se totiž zachovává optimální úhel mezi kamerami, což je 25°. Mění se tím také ohnisková vzdálenost objektivů, takže u malých objemů s konfigurací SO je měřicí vzdálenost kratší než u objemů velkých s konfigurací 500. 47 kapitola 6 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 Obrázek 47 – ATOS Compact Scan v konfiguracích SO/300/500 Objektivy jsou výměnné a jejich vhodnou kombinací se volí tzv. měřicí objem. Výrobce nabízí několik měřicích objemů od nejmenšího 35 x 30 x 20 mm s rozlišením 47 bodů na 1 mm až po největší 1200 x 900 x 900 s rozlišením 2 body na 1 mm. Ke každému měřicímu objemu patří kromě 3 objektivů také kalibrační element s certifikátem o proměření akreditovanou laboratoří a tzv. Acceptance protokolem, který nese informaci o přesnosti skenování daného skeneru. Pro menší objemy se jako kalibrační element používá kalibrační deska a pro větší objemy potom kalibrační kříž. ATOS Compact Scan využívá stereo technologii skenování, což znamená, že v daném záběru se nasnímá vše, co vidí zároveň levá i pravá kamera. Chybějící oblasti se doplní postupným natáčením dílu nebo skeneru. Jednotlivé skeny se pozicují v prostoru pomocí referenčních značek, které systém automaticky rozpoznává a později při výpočtu polygonální sítě také automaticky zalepí. Pro dostatečně členité objekty se dá použít i metoda měření bez referenčních bodů, která ovšem není tak přesná jako s referenčními body. Firma GOM kombinuje obě tyto metody pro dosažení maximální přesnosti sesazení jednotlivých skenů do celku. Pokud se nejprve provede fotogrammetrické měření, pak se skener ATOS Compact Scan dokáže pozicovat i na tyto referenční body. Dvojkamerová technika nejen zvyšuje přesnost skenu, ale také umožňuje při každém záběru vyhodnocovat aktuální stav kalibrace skeneru a při překročení povoleného limitu software ihned upozorní uživatele. Dekalibrace systému může nastat např. při výraznější změně teploty skeneru oproti teplotě, při které byl nakalibrován. Zkalibrování skeneru je velmi jednoduchý proces trvající jen několik málo minut a uživatel je v softwaru naváděn přehledným průvodcem. spsks.cz 48 kapitola 6 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 spsks.cz Tabulka 3 – Přehled všech možných konfigurací skeneru ATOS Compact Scan Obrázek 48 – Kalibrační panel a kalibrační kříž Díky rychlým CCD kamerám ATOS Compact Scanu se dá použít i dotyková sonda pro měření opticky nedostupných míst nebo pro měření geometrických primitiv, jako jsou třeba díry nebo čepy. Dotyková sonda se skládá ze dvou pevně spojených částí, dotykového hrotu s kuličkou a z držáku s referenčními body. Při kalibraci sondy si software vypočítá vzájemnou polohu referenčních bodů na držáku vůči středu kuličku. Dokud není sonda rozebrána (třeba za účelem výměny hrotu s kuličkou) nebo se nějak výrazně nezmění teplota sondy (oproti teplotě při kalibraci), je sondu možno stále používat bez nutnosti rekalibrace, a to i v kombinaci s různými měřicími objemy ATOSu. 49 kapitola 6 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 spsks.cz Obrázek 49 – Dotyková sonda s příslušenstvím Kromě ručního měření na standu nebo stativu existují i alternativy poloautomatického měření s ATOS Compact Scanem. Základním rozšířením měřicího systému může být 1osý rotační stůl označený GOMRot640. Další variantou je 2osý rotační stůl označený „Tilt & Swivel Unit“, který kromě rotace také naklápí. Posledním rozšiřujícím prvkem je vertikální posuvná jednotka označená „GOMLift890“, na kterou se upevňuje skener. Všechny tyto automatizační prvky jsou řízeny softwarem ATOS Professional, který pomocí nich umožňuje naprogramovat opakovaná měření dílů ze stejné série. I poloautomatizace může být velmi efektivní, co se týká ušetřeného času při opakovaném měření. Pokud k proskenování dílu nestačí ani 3 osy polohování dané kombinací „Tilt & Swivel Unit“ + „GOMLift890“, je potřeba uvažovat o plné automatizaci s robotem a s vyšším modelem skeneru. 50 kapitola 6 kapitola 2 Technologie skenování ve 3D kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 spsks.cz Obrázek 50 – Automatizační jednotky „GOMLift890“ a „Tilt & Swivel Unit“ 51 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D 7 kapitola 3 kapitola 4 kapitola 5 TRITOP (fotogrammetrie) TRITOP je fotogrammetrický měřicí systém firmy GOM určený pro ruční měření, který je schopný ze sady 2D fotografií vypočítat prostorové souřadnice referenčních značek. Používá se buď jako samostatný měřicí systém, nebo jako rozšíření ke skenerům Atos. Základem systému TRITOP je profesionální digitální fotoaparát, kalibrační tyče, kódované značky, referenční (nekódované značky), adaptéry a software TRITOP. spsks.cz Obrázek 51 – Fotogrammetrický systém TRITOP Podle typu aplikace lze zvolit mezi dvěma nabízenými fotoaparáty, a to Canon EOS-1D X nebo Nikon D300s. Fotoaparát Nikon je určený pro méně náročné úlohy, kde postačuje rozlišení CCD chipu 12 MPx. Pro aplikace vyžadující vysokou přesnost nebo pro měření velkých objektů je určeny fotoaparát Canon, který má rozlišení CCD čipu 18 MPx a větší šířku záběru. Oba fotoaparáty mají podporu přenosu fotek do počítače přes Wi-Fi rozhraní. 52 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 4 kapitola 5 Obrázek 52 – Fotoaparáty používané pro fotogrammetrii spsks.cz Kalibrační tyče jsou potřebné pro definování měřítka, aby bylo možné přepočítat pixely fotky na milimetry. Mohou být buď invarové, nebo karbonové. Invarové mají tu výhodu, že je lze sestavit do délky ideální pro danou úlohu. Sada obsahuje 2x 0,5m segment a 4x 1m segment. Z toho plyne, že nejmenší délka tyče může být 0,5 m a nejdelší pak 5 m. Karbonové tyče se dodávají v sadách vždy po 2 kusech stejné délky v rozměrech 0,25 m, 0,5 m, 1 m a 2 m. Kalibrační tyče jsou změřeny certifikovanou laboratoří při 20 °C a s touto délkou pak pracuje software při výpočtu fotogrammetrického projektu. Pokud je teplota tyčí při měření jiná, než jaká byla při certifikaci, kompenzuje software délku na základě známého koeficientu délkové roztažnosti. Před měřením je tedy nutné zkontrolovat aktuální teplotu tyčí a tuto zadat do softwaru. V projektu se používají vždy tyče 2, aby bylo možné porovnáním vypočítat chybu na každé tyči. Obecně platí, že délka kalibrační tyče by měla přibližně odpovídat maximálnímu rozměru měřeného objektu. Karbonové tyče v praxi vykazují o něco vyšší přesnost než tyče invarové. Obrázek 53 – Kalibrační tyče Kódované značky jsou speciální značky s kruhovým kódováním, pomocí kterého software identifikuje číslo dané značky. Používá se 15bitové kódování a k dispozici je 428 značek s unikátním kódem. Čísla 0 až 10 jsou rezervována pro značky umístěné na kalibračních tyčích, zbývající značky lze aplikovat na měřený objekt. Značky jsou většinou vytisknuté na magnetické fólii, ale lze také použít samolepicí papírové značky, např. pokud objekt není magnetický nebo se jedná o měření za vyšších teplot, při kterých by se fólie již roztavila. Důležité je mít na středový bod dostatečný počet pixelů, 53 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 4 kapitola 5 optimálních je 10 pixelů na průměr bílého bodu. S fotoaparátem se tedy musí fotit z takové vzdálenosti, aby středový bod měl optimální počet pixelů, a z toho pak vyjde velikost záběru. Kódované značky se dodávají v několika velikostech, aby bylo možné fotit jak malé díly, tak i velké objekty. Rozmístění značek na měřený objekt se řídí pravidlem minimálně 5 viditelných značek v jedné fotce. spsks.cz Obrázek 54 - Referenční značky kódované Referenční bod (nekódovaná značka) se umísťuje tam, kde potřebujeme zaměřit 3D bod. Je to v podstatě bílý kruh na černém pozadí a software TRITOP tento bod identifikuje ve 2D fotce na základě velké lokální změny kontrastu. Každý referenční bod je interně reprezentován jako elipsa z toho důvodu, že kružnice sledovaná pod jiným než kolmým úhlem je na 2D fotce elipsou. Každá elipsa je charakterizovaná středem, normálou a dvěma poloměry. Software TRITOP používá všechny tyto charakteristiky elipsy. Střed elipsy je výsledným 3D bodem, který jsme naměřili. Normálový vektor elipsy je použitý k automatickému odečtení tloušťky papíru samolepky nebo magnetické fólie. Poloměry elipsy slouží k posouzení kvality elipsy a k rozhodnutí, zda se z dané fotky elipsa použije pro výpočet 3D bodu. Poměr rádiů R1/R2 totiž vypovídá o tom, pod jakým úhlem byl daný referenční bod vyfocen. Pokud je poměr R1/R2 roven 1, jde o kružnici a pohled focení je ideálně kolmý. Pokud je pohled focení hodně šikmý, pak je jeden rádius velmi malý a poměr se proto hodně vzdaluje od hodnoty 1. Střed z takové elipsy není tak přesný jako střed získaný z kolmého pohledu a software jej pro výpočet finálního 3D bodu tedy nepoužije. 54 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 4 kapitola 5 Obrázek 55 – Nekódované referenční značky Pokud se TRITOP použije jako měřicí systém, jehož výstupy se přímo použijí pro inspekci nebo rekonstrukci do ploch, umísťují se referenční značky tak, aby se z nich dala zrekonstruovat geometrická primitiva (rovina, válec, kužel…) nebo logické celky (plocha lopatky, vrtule…). Průniky těchto primitiv popřípadě projektováním se pak získají další prvky (kružnice, přímky, body) pro vytvoření požadovaných kót. Poloha středu děr se většinou měří pomocí přesných válcových adaptérů, u plechových výlisků pomocí půlkulových adaptérů. Existují i další typy adaptérů pro měření polohy válcových částí (dřík šroubu, kolík), kulových ploch nebo hran ostřihu plechu. Pokud se referenční značky umístí velmi hustě vedle sebe, lze takto získat i mrak bodů použitelný pro inspekci vůči plochám CAD modelu. Existují i „nekonečné“ lepicí pásky s ref. body, které jsou ideální pro potřeby hustého polepení dílu referenčními body. Na základě kontrastu je software schopný identifikovat i kontrastní čáru, která může být na objektu nakreslena fixem nebo nalepená jako páska. Výsledkem takové kontrastní čáry je 3D křivka ležící na povrchu měřeného objektu, nebo křivka offsetovaná o tloušťku nalepovací pásky. Tuto křivku lze porovnat vůči plochám CAD modelu a získat tak barevnou mapu odchylek. spsks.cz 55 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 4 kapitola 5 Obrázek 56 – Využití systému TRITOP při měření lodi TRITOP může také pomoci zpřesnit a zefektivnit skenování systémem ATOS. Pokud je potřeba skenovat větší objekt s malými detaily nebo je nutné dosáhnout maximální přesnosti měření, kalibruje se ATOS na menší měřicí objem. Malý záběr ATOSu pak zachycuje jen část měřeného objektu. Pomocí postupného navazování malých záběrů ATOSu by se postupně načítala chyba spojování skenů. Fotogrammetrické měření tuto chybu eliminuje, protože záběr fotoaparátu je mnohem větší, dokáže v jednom snímku zachytit více značek a snímky pak matematicky spojit do jednoho celku (tzv. bundle). Cílem takové fotogrammetrie je tedy získat 3D souřadnice všech referenčních (nekódovaných) značek na objektu, na které se následně budou přesně polohovat skeny ATOSu. spsks.cz Obrázek 57 – Referenční body pro ATOS získané fotogrammetrickým měřením Vlastní proces fotogrammetrického měření spočívá ve vyfocení několika fotek při dodržení jednoduchých zásad. Před započetím focení se musí nalézt ideální vzdálenost měření. Ta se hledá tak, že se fotoaparát zaostří na vzdálenost, při které je v záběru 56 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 4 kapitola 5 celý objekt nebo je vidět co největší jeho část. Na druhou stranu musí být také splněn požadavek na dostatečné rozlišení pixelů referenčních značek (minimálně 6 pixelů na průměr značky). Takže je potřeba nalézt kompromis mezi co největším záběrem a rozlišením na referenčních značkách. spsks.cz Obrázek 58 – Nastavení záběru fotoaparátu u velkých objektů Po nalezení ideální měřicí vzdálenosti se na fotoaparátu nastavují hodnoty ovlivňující světlost výsledného snímku. Bílá plocha referenční značky vůči černému okolí značky musí mít co nejlepší kontrast, přičemž nesmí být přeexponovaná ani příliš tmavá. Toho docílíme nastavením blesku a clonového čísla. Pro většinu úloh se blesk nastavuje na čtvrtinovou intenzitu, pro velké objekty (při větších měřicích vzdálenost) se intenzita blesku může zvýšit. Clonové číslo určuje velikost světelného toku, který vstupuje do objektivu fotoaparátu. Nízké clonové číslo znamená větší světelný tok vnikající do objektivu, což umožňuje velmi krátký expoziční čas na úkor nízké hloubky ostrosti. Naopak vyšší clonové číslo znamená menší světelný tok, což si vyžaduje delší expoziční čas, zároveň se však zvyšuje hloubka ostrosti. Pro úlohy fotogrammetrie se většinou nastavují hodnoty 5,6; 8 nebo 11. Ostatní parametry fotoaparátu jsou přednastavené výrobcem. Jakmile jsou nastaveny ideální parametry pro daný projekt, nesmí se už při focení na fotoaparátu nic měnit. Jako první se vytvoří kalibrační fotky, což jsou 4 fotky pořízené na 57 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 4 kapitola 5 stejné místo (fotoaparát se vždy pootočí o cca 90° kolem osy objektivu). Součástí kalibračních fotek nemusí být kalibrační tyče. Následují fotky objektu v takovém rozložení, aby se co nejvíce blížily polokouli. Aby se mohl spočítat 3D bod, tak každá referenční značka musí být nafocena minimálně na 3 snímcích pořízených z různých úhlů (rozdíl mezi snímky musí být alespoň 30°). Pro dosažení co nejlepší přesnosti měření by se tedy referenční značky měly umísťovat do takových míst, kde budou viditelné z co nejvíce poloh focení. Zvláště je takto potřeba uvažovat při umísťování kalibračních tyčí, které dávají měřítko celému projektu. spsks.cz Obrázek 59 – Postup při fotogrammetrickém focení objektu Fotky se do počítače mohou přenášet ihned při focení pomocí WiFi rozhraní nebo klasicky přes čtečku karet. Software TRITOP poté tyto fotky automaticky seskládá v prostoru do tzv. „bundlu“ podle kódovaných značek. Automaticky se identifikují kalibrační tyče a celému projektu se tak nastaví odpovídající měřítko. Nakonec se vypočítají prostorové souřadnice všech nafocených referenčních (nekódovaných) značek. Tímto měření končí, značky se buď použijí pro přímou inspekci, nebo vyexportují pro následné měření ATOSem. 58 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D 8 kapitola 8 kapitola 4 kapitola 5 Software GOM Inspect Na trhu je spousta softwarů, které umí pracovat s polygonální sítí. Některé jsou určeny pro optimalizaci polygonální sítě, jiné pro reverzní inženýrství (tvorba ploch z naskenovaných dat), další pro přímé modelování (vytvářené geometrické elementy nejsou reprezentovány plochami, ale rovnou polygonální sítí) a v neposlední řadě také pro inspekci. GOM Inspect spadá do kategorie softwarů, které mají funkce pro optimalizaci polygonální sítě a pro inspekci. Firma GOM uvedla na trh tento software v roce 2011 jako prohlížeč pro projekty vzniklé v komerčních verzích softwarů ATOS Professional nebo GOM Inspect Professional. Na rozdíl od prohlížečů jiných firem, GOM ve svém prohlížeči uvolnil i většinu funkcí, které má komerční verze GOM Inspect Professional. GOM Inspect je zdarma i pro komerční použití, což umožňuje všem bez omezení se seznámit s oblastí optimalizace polygonální sítě a inspekce. Pro větší podporu uživatelů, kteří by se rádi naučili se softwarem pracovat, jsou k dispozici výuková videa na www.youtube.com. Uživatelé také sdílí své zkušenosti na stránkách veřejně přístupného fóra, odkaz na fórum je na úvodní obrazovce softwaru v záložce Information. Samozřejmostí je také integrovaná nápověda ke každé funkci v softwaru. Pro ty, kteří preferují profesionální zaškolení od zkušeného školitele, jsou určena komerční školení u firem distribuujících GOM produkty. Protože GOM Inspect je velmi komplexní software s velkou spoustou funkcí, budou zde uvedeny jen ty, které jsou zajímavé či unikátní. Jako první bych zmínil polygonizaci (Operations/Point Cloud (Scanner)/Polygonize Point Cloud). Jde o proces, při kterém se z hustého mraku bodů vypočítá trojúhelníková (polygonální) síť. Mrak bodů je většinou výsledkem levnějších 3D optických skenerů, nejčastěji se přenáší přes jednoduchý textový soubor s X, Y, Z souřadnicemi každého naměřeného bodu. Při polygonizaci je každému bodu přiřazena normála a na základě zvolených parametrů se body propojí do trojúhelníků. Tím vznikne tzv. polygonální síť, která je základem pro inspekci v softwaru GOM Inspect. spsks.cz Obrázek 60 – Mrak bodů s náhledem na polygonální síť 59 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 4 kapitola 5 Ať už polygonální síť vytvoříme polygonizací v GOM Inspectu, nebo ji přímo naimportujeme přes formát STL, můžeme ji zde různými způsoby optimalizovat. Běžně se používá vyhlazení (Operations/Mesh/Smooth) pro eliminaci šumu měření nebo redukce počtu trojúhelníků (Operations/Mesh/Thin) pro odstranění zbytečných trojúhelníků v oblastech s malou změnou křivosti. Funkce Thin analyzuje křivost povrchu a podle dvou základních kritérií Surface tolerance (maximální povolená odchylka od originální sítě) a Max. edge length (maximální povolená velikost nového trojúhelníku) zredukuje síť i při zachování detailů skenovaného objektu. Redukce je nutná kvůli tomu, že data získaná z 3D optických skenerů jsou náročná na výpočetní výkon počítače (neredukovaná síť může mít běžně desítky milionů bodů). Obrázek 61 – Polygonální síť před a po vyhlazení funkcí Smooth spsks.cz Obrázek 62 – Polygonální síť před a po redukci počtu trojúhelníků funkcí Thin Naopak pro zahuštění trojúhelníkové sítě je k dispozici funkce Refine (Operations/Mesh/Refine), která stávající trojúhelníky rozdělí na 2 či více, čímž vznikne jemnější síť s menšími trojúhelníky. Toho lze využít např. pro vizualizační úlohy, kdy je originální síť hrubá, protože skener neměl dostatečné rozlišení. Po zjemnění je vizualizace kvalitnější, což se projeví např. při mapování textury. Obrázek 63 – Polygonální síť s velkými trojúhelníky a po zjemnění funkcí Refine Velmi užitečná je funkce pro zalepení děr v polygonální síti (Operations/Mesh/Close Holes/). Lze ji použít nejen pro zalepení děr po referenčních bodech, ale také pro doplnění oblastí, které se nepodařilo naskenovat. Na základě křivosti okolních ploch 60 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 4 kapitola 5 software dopočítá tvar chybějící oblasti a zalepí díru napojením trojúhelníků do stávající sítě. Obrázek 64 – Polygonální síť s dírami a po zalepení funkcí Close Holes Interactively Konstruktéři využívající FEM analýzy pak ocení funkce Regularize (Operations/Mesh/Other/Regularize) a Relax (Operations/Mesh/Other/Relax), které umí přepočítat nepravidelnou trojúhelníkovou síť naskenovaného modelu na síť pravidelnou, ideální pro FEM simulace. Funkce Regularize vytvoří novou síť v zadaných mezích od původní sítě, tzn., že se změní počet trojúhelníků podle toho, jaká se povolí tolerance. Funkce Relax zachová počet trojúhelníků původní sítě a optimalizace spočívá v posunu vrcholů trojúhelníků tak, aby se trojúhelník co nejvíce blížil rovnostrannému. spsks.cz Obrázek 65 – Polygonální síť před a po optimalizaci funkcí Regularize Pokud chceme porovnat skutečný tvar (sken) s tvarem teoretickým, který navrhl konstruktér (CAD model), musíme nejprve tento CAD model do softwaru načíst. K dispozici jsou importy pro obecné CAD formáty IGES, STEP nebo JTOpen. Po importu se původně plošný model interně převede na polygonální reprezentaci. Přesnost této konverze se dá ovlivnit parametry v dialogu importu. Obecně platí, že přesnost polygonální sítě CAD modelu by měla být vyšší, než je přesnost naskenovaného porovnávaného dílu. 61 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 4 kapitola 5 Obrázek 66 – CAD model (IGES) naimportovaný s přesností 0,05 mm a 0,001 mm V softwaru GOM Inspect je mnoho způsobů, jakými lze ustavit sken na CAD model (Operations/Alignment/). Pro uživatele nejjednodušším je metoda BestFit, která vypočítá nejlepší možnou polohu skenu vůči CAD modelu přes všechny vybrané body polygonální sítě. To, že i na první pohled jednoduchá funkce BestFit může být komplexnější, dokazují doplňkové parametry této funkce omezující transformace ve zvolených směrech. Velmi často se také používá RPS ustavení, a to zejména v automobilovém průmyslu. V tomto případě se definuje minimálně 6 prvků, které jednoznačně určí polohu dílu v prostoru. Takovým prvkem může být např. Y-souřadnice inspekčního bodu (povrchový bod), Z-souřadnice středu kružnice (prostřižený otvor v plechovém výlisku) nebo třeba X-souřadnice hranového bodu (ostřihová hrana plechového výlisku). Pokud se zadá více než 6 prvků, pak je poloha v prostoru tzv. přeurčená a software pak počítá nejlepší možnou polohou v dané soustavě prvků. spsks.cz Obrázek 67 – Ustavení metodou RPS přes 6 prvků (3x Z, 2x X, 1x Y souřadnice bodu) V rámci jednoho projektu může být definováno několik různých ustavení. Mezi nimi lze kdykoliv přepínat ve správci ustavení, což je výhodné při analýze vlivu ustavení na výslednou inspekci. Software si také v projektu zachovává historii zadaných parametrů, takže zpětně lze vždy dohledat, jaké body či elementy byly pro dané ustavení použity. 62 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 4 kapitola 5 Obrázek 68 – Správce ustavení a dialog RPS ustavení se zadanými prvky Výpočet 3D barevné mapy znázorňující odchylku mezi CAD modelem a skenem (Inspection/CAD Comparison/Surface Comparison on…) stejně jako vytvoření inspekčního 2D řezu (Inspection/CAD Comparison/Inspection Section) jsou základní analýzy, které jsou součástí většiny inspekčních projektů. Nejčastěji se zjišťují odchylky v normálovém směru (ve směru normály plochy CAD modelu), ale změnou parametrů lze nastavit i směr jiný. U 3D barevné mapy umí GOM Inspect odchylky barevně zobrazit buď na CAD modelu, nebo na skenu. Obě zobrazení ukazují absolutní velikost odchylek stejně, liší se však v zobrazení malých detailů. Při zobrazení mapy odchylek na CAD modelu jsou skryty nedokonalosti skenu a při zobrazení na skenu jsou lépe viditelné tvarové detaily, které na CAD modelu třeba nemusí být ani vymodelované. Legenda přiřazuje barvám konkrétní číselné hodnoty, volit lze z několika předdefinovaných legend s možností následné modifikace. Na barevné mapě se dají také vynést konkrétní hodnoty odchylek a tyto pak vyexportovat třeba v tabulce. spsks.cz Obrázek 69 – Barevná mapa odchylek s různým typem legendy Každá inspekce končí vytvořením reportů neboli obrázků s nejrůznějšími analýzami daného dílu. GOM Inspect dokáže takový obrázek z aktuálního stavu pracovního okna nejen vytvořit, ale také tento uložený stav kdykoliv později do pracovního okna zase vrátit k editaci. K tomu slouží funkce 3D View From Report Page, která ušetří spoustu času při upravování stránek reportů (změna viditelných prvků, změna pohledu, změna popisků apod.). Provedené změny se následně do reportu zase uloží pomocí funkce Overwrite Report Page. Velmi efektivní je také použití funkce Update Report Page. A to v případě, kdy je v projektu definováno více ustavení a je požadavek na stejnou sadu obrázků pro každé z ustavení. Takto získané reporty se budou lišit pouze v odchylkách zobrazených na barevné mapě nebo ve vynesených hodnotách odchylek. Úhel pohledu, nastavení legendy a zobrazené elementy zůstanou zachovány. Stačí jen zkopírovat 63 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 4 kapitola 5 existující sadu obrázků v reportech a následně ji vložit za již existující obrázky. Poté v pracovním okně přepnout do požadovaného ustavení a na zkopírované obrázky aplikovat funkci Update Report Page s parametrem 3D. Obrázek 70 – Vrácení se ke stavu uloženému v reportu (funkce 3D View From Report Page) Na výkresech se často objevují značky pro rovinnost, válcovitost, souosost, polohu prvku a další tolerance tvaru a polohy obecně nazývané GD&T. V GOM Inspectu lze analyzovat i tyto GD&T veličiny (Inspection/Check GD&T/), a to dle standardu evropské normy ISO 1101 nebo americké normy ASME Y14.5. Pro správnou analýzu je nutné mít polygonální model s dostatečnou hustotou bodů, aby byly zachyceny i lokální nedokonalosti tvaru povrchu, které tato analýza má zohledňovat z hlediska funkčnosti dílu. Norma definuje danou veličinu vždy jen jednou hodnotou, která je buď v toleranci, nebo ji překračuje. Často je však potřeba také zjistit, proč daný prvek toleranci překročil. V GOM Inspectu je možné kromě hodnoty definované normou také barevně zobrazit odchylky skutečné geometrie od ideálního tvaru, což umožní snadno identifikovat problematické místo. spsks.cz 64 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 4 kapitola 5 spsks.cz Obrázek 71 – Analýza válcovitosti s barevným zobrazením Mezi unikátní funkce bych zařadil např. sadu nástrojů pro analýzu lopatek (Inpsection/Analyze Blades/). Profil lopatky je charakterizován několika základními parametry, jako jsou osa profilu (Profile Mean Line), rádius na náběhové a odtokové hraně (Profile Edge Circles), maximální tloušťka profilu (Max. Profile Thickness) a další. GOM Inspect umí tyto charakteristiky ve 2D řezech vypočítat a porovnat s teoretickou hodnotou CAD modelu. 65 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 4 kapitola 5 Obrázek 72 – Analýza profilu lopatky ve 2D řezu Ani pro analýzy tzv. tornado linií, kde se zjišťuje vrcholový rádius a ostrost designového prolisu na plechovém výlisku, není potřeba žádné investice do drahého softwaru, protože GOM Inspect má potřebné funkce integrované v nástrojích pracujících s 3D křivkami. Pomocí nich lze také kontinuálně analyzovat např. spáry nebo přesahy mezi dvěma zalemovanými plechovými díly v sestavě nebo odpružení a ostřih plechového výlisku. spsks.cz Obrázek 73 – Analýza s využitím křivky (normálová odchylka 2 mm od okraje otvoru) Důležité je také zmínit, že projekty vytvářené v GOM Inspect se dají uložit a následně otevřít pro editaci jiným uživatelem ať už v prohlížeči, nebo v komerční verzi GOM Inspect Professional. Ustavený sken, obrázkové reporty či tabulka naměřených hodnot nejsou nijak blokované proti exportu a lze je z aplikace jednoduše uložit do běžných formátů (STL, PDF, TXT). Mezi volnou a Professional verzí jsou rozdíly, které se projeví zejména při profesionálním využívání aplikace. Jde hlavně o parametričnost, která je 66 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 4 kapitola 5 v plné verzi rozšířena o možnost parametry editovat. Dále to je rozšíření filtrů importu CAD modelů o Catii, Unigraphics a Pro/Engineer. V plné verzi lze také vytvářet makra, statistické analýzy a vlastní šablony reportů. GOM GOM Inspect Inspect Professional Import / Export měřených dat (ASCII, STL, PSL ...) Výpočet polygonální sítě z měřicí série skeneru ATOS Výpočet polygonální sítě z ostatních zdrojů Optimalizace polygonální sítě CAD import obecných formátů (IGES, STEP, JTOpen) CAD import nativních formátů (CATIA, UG, Pro/E) Inspekce (ustavení, barevné mapy odchylek, GD&T, křivky, lopatky) Tvorba protokolů Historie (dohledatelnost vzniku elementů v projektu) Makra Šablony reportů Parametrická editovatelná inspekce Teaching by doing (přepočet projektu při výměně skenu) Vytváření statistických projektů (trendové analýzy) Licenční podmínky zdarma placené Tabulka 4 – Porovnání verzí GOM Inspect a GOM Inspect Professional spsks.cz 67 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D 9 kapitola 8 kapitola 9 kapitola 5 3D optické skenování v praxi Každý způsob skenování vyžaduje trochu jiný přístup. Laserové skenery např. nemusí vyžadovat použití referenčních značek, protože jejich poloha v prostoru může být snímána „trackovacím“ (sledovacím) zařízením. Pro laserové i „white light“ skenery je společný požadavek na zmatnění skenovaného povrchu, aby se světelný paprsek od něj mohl odrazit do CCD kamery. Mírně posunutá je však hranice toho, co se ještě naskenuje bez zmatnění. Laserový skener je díky své vlnové délce schopen nasnímat i to, co už „white light“ skener nedokáže. Z hlediska přesnosti však není vhodné se pohybovat až na krajních mezích toho, co ještě skener nasnímá. Protože rozdílů v metodice skenování mezi jednotlivými skenery je celá řada, zaměříme se v této kapitole na postup při skenování s „white light“ optickým skenerem ATOS Compact Scan 5M ve spojení se softwarem ATOS Professional. 9.1 Příprava skenovaného objektu Při optickém skenování je snímán viditelný povrch, to znamená, že povrch objektu by se měl nejprve očistit od hrubých nečistot, pokud je nechceme mít nasnímané jako defekty povrchu. Pokud se bude povrch i zmatňovat, pak je vhodné i odmaštění. Zmatnění je potřeba provádět u objektů, které mají průhledný nebo velmi lesklý povrch. Průhlednost není určena jen tím, že je přes objekt vidět. Pro optické měření je průhledným povrchem třeba nalakovaná karoserie (vrstva laku je průhledná), plastový díl s příměsí skla (světelný paprsek se odráží několik setin milimetru pod fyzickým povrchem) nebo i voskový model určený pro vytavitelné lití. Lidským okem často nelze rozpoznat, zda je povrch částečně průhledný. Jeví se nám jako neprůhledný, pokud nevidíme skrz. Nejjednodušší metodou odhalení částečné průhlednosti je naprojektování záměrného kříže skeneru na povrch objektu. Pokud bude okraj kříže neostrý, je povrch částečně průhledný (důležité je dodržet správnou měřicí vzdálenost skeneru od objektu, kde je projekce nejostřejší). Někdy se může stát, že prostým naprojektováním kříže nelze s jistotou rozhodnout. Přiložením listu papíru do místa projekce lze porovnáním ostrosti kříže na papíru s ostrostí na povrchu objektu rozhodnout už poměrně snadno. spsks.cz 68 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 9 kapitola 5 spsks.cz Obrázek 74 – Zkouška průhlednosti skenovaného objektu S lesklým povrchem to je podobné jako u průhlednosti. Na začátku skenování je potřeba rozhodnout o tom, zda daný povrch již překročil jakousi pomyslnou hranici skenovatelnosti. Tato hranice je přitom jiná pro různé typy skenerů, závisí také na parametrech nastavených v softwaru a v neposlední řadě také na požadované přesnosti skenování. Extrémně lesklým (odrazivým) povrchem je zrcadlo, které bez zmatnění opticky skenovat nelze. Na opačné straně je bílá matná barva, která je pro optické skenování ideální. Někde mezi je pak většina reálných dílů, jako jsou ocelové plechové výlisky, hliníkové výlisky, svařence, obráběné kovové díly nebo objekty s lesklou povrchovou úpravou. Odleskům lze částečně zabránit tak, že úhel pohledu skeneru na daný povrch nebude kolmý, ale mírně nakloněný, aby se lokální odlesk od světla z projektoru posunul do jiného místa. Více pohledy na stejné místo pod různými úhly natočení skeneru se pak docílí proskenování dané oblasti. K tomu je ideální technologie „Triple Scan“ použitá u vyšších modelů skenerů od firmy GOM, která při jedné poloze skeneru už ze 2 úhlů pohledu prakticky snímá. 69 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 9 kapitola 5 Obrázek 75 – Odlesk na plechovém díle v levé a pravé kameře V případě tzv. „double reflexe“ neboli zdvojeného odrazu paprsku od dvou ploch na objektu může být velmi problematické až nemožné danou oblast naskenovat. Díl totiž může být tvarově tak komplikovaný, že se skener nemusí podařit umístit do takových poloh, aby se odraz podařilo eliminovat. spsks.cz Obrázek 76 - Vznik „double reflexe“ u lesklých dílů Pokud zde ani technologie „Triple Scan“ nepomůže, nastupuje další inovativní technologie firmy GOM, tzv. „adaptivní projekce“. V podstatě jde o to, že se softwarově vymezí oblast projekce pruhů tak, aby plocha způsobující druhý odraz paprsku nebyla projektorem osvětlena. Tím se úloha dočasně zjednoduší na první typ „single reflexe“ a pokračuje se postupem s natáčením skeneru. Touto technologií disponuje opět jen vyšší modelová řada skenerů GOM. Přesnost bodů naskenovaných v takto problematických oblastech může být nižší než u matného (nelesklého) povrchu. 70 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 9 kapitola 5 Obrázek 77 – Adaptivní projekce na lokální oblasti skenovaného objektu Z výše uvedeného postupu je zřejmé, že průhledný a lesklý povrch může nejen zkomplikovat proces skenování, ale také může negativně ovlivnit přesnost nasnímaných dat. Jsou aplikace, které žádné dodatečné zmatnění povrchu nedovolují i za cenu snížení přesnosti a prodloužení časů skenování. Jde např. o skenování plechových výlisků a svařenců v sériové výrobě, skenování finální nalakované karoserie auta nebo skenování dílů, které pak lze obtížně očistit. Pokud to však daný projekt umožňuje, pak se doporučuje aplikovat zmatňující nástřik. spsks.cz Obrázek 78 – Lopatkové kolo bez povrchové úpravy a po zmatnění křídovým sprejem Zmatňujícím médiem může být „vývojka“ používaná běžně pro kapilární zkoušky, křídový sprej používaný pro drobnou defektoskopii, speciální sprej určený právě pro potřeby 3D skenování (jemná křída rozpuštěná v lihu) nebo roztok titanového prášku (mikronová zrníčka titanu rozpuštěná v lihu). Možnosti jsou uvedeny v pořadí od nejméně přesné metody (vrstva nástřiku je silná) po nejpřesnější metodu (vrstva je velmi tenká) aplikace zmatňujícího nástřiku. Vývojka má největší výhodu v tom, že ji lze aplikovat rozprašovací pistolí s velkou šířkou rozstřiku a je snadno omyvatelná vodou. Nevýhodou je, že vrstva nástřiku je 71 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 9 kapitola 5 nepravidelná a často větší jak 1 desetina mm. Vhodná je tedy pro méně přesná měření a pro velké objekty. V praxi se nejčastěji používají křídové spreje, protože je není potřeba nijak připravovat, mají ideální velikost šířky rozstřiku, tloušťka nastříkané vrstvy (řádově setiny mm) je pro většinu aplikací akceptovatelná a jsou i cenově přijatelné. Hodí se pro přípravu jak velkých dílů, jako jsou lisovací nástroje, tak i pro drobné díly, jako jsou plastové výlisky. Odstranění nástřiku lze provádět otřením suchým hadrem nebo kartáčkem a ofoukáním tlakovým vzduchem. spsks.cz Obrázek 79 – Křídové zmatňující spreje Aplikace s vysokými požadavky na přesnost kladou vyšší nároky i na zmatňující nástřik. V takových případech se používá titanový prášek rozpuštěný v lihu rozprašovaný modelářskou „airbrush“ pistolí. Pro docílení rovnoměrné, dostatečné a přitom co nejtenčí vrstvy nástřiku je zapotřebí určité zručnosti i zkušenosti. Někdy se do roztoku přidává kapička inkoustu, která výsledný povrch zabarví do světle modrého odstínu. To usnadní aplikaci nástřiku u bílých objektů, protože by jinak nebylo vidět, co už je nastříkané a co je potřeba ještě dostříkat. Tloušťka vrstvy takového nástřiku se většinou pohybuje kolem 1 setiny milimetru. Nevýhodou je poměrně malý rozstřik „airbrush“ pistole a horší odstranitelnost titanu z objektu po jeho naskenování. 72 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 9 kapitola 5 Obrázek 80 – Airbrushová pistole Dalším důležitým krokem přípravy skenovaného objektu je umístění referenčních značek. Podle velikosti záběru skeneru se zvolí vhodný průměr referenčních značek (průměr vnitřního bílého kruhu). spsks.cz ATOS Compact Scan Název Měřicí objem konfigurace [mm] SO 5M 300 Tabulka 5 500 Průměr značek [mm] 40 x 30 x 20 0,4 70 x 50 x 50 0,4 150 x 110 x 0,8 110 150 x 110 x 0,8 110 300 x 230 x 1,5 230 600 x 450 x 3,0 450 300 x 230 x 1,5 230 600 x 450 x 3,0 450 800 x 600 x 5,0 600 1200 x 900 x 8,0 900 ref. – Doporučené průměry ref. značek pro jednotlivé měřicí objemy Značky se na objekt buď nalepí (samolepky), nebo v případě magnetického materiálu jen položí (magnetická fólie). Jejich rozložení a počet opět souvisí se zvoleným měřicím objemem skeneru a také s tvarovou složitostí skenovaného dílu. Při rozmísťování značek je nutné se řídit základním pravidlem, že v každém záběru skeneru musí být oběma kamerami viděny alespoň 3 referenční značky. K proskenování objektu většího, 73 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 9 kapitola 5 než je záběr skeneru, by však toto pravidlo nestačilo. Další pravidlo požaduje, aby byly v každém novém záběru viděny alespoň 3 referenční značky známé již z předchozích záběrů. Pro dosažení maximální přesnosti skládání jednotlivých záběrů je nutné, aby byly referenční značky správně rozloženy, čímž se přidává další pravidlo týkající se distribuce značek. Ideální stav rozložení referenčních značek v záběru znamená 4 značky v rozích obrazu a 1 značka uprostřed obrazu. Naopak nejhorší situací je záběr se 3 značkami ležícími téměř v jedné přímce. Takový záběr by pak mohl vykazovat velkou chybu ustavení do celkového projektu. Další pravidlo se týká polohy referenční značky vzhledem ke křivosti povrchu. Software má algoritmy, kterými dokáže automaticky zalepit nenaskenovaný povrch pod referenční značkou. Chybějící oblast dopočítává interpolací křivosti povrchu z blízkého okolí značky. Funkce očekává, že blízké okolí kolem značky bude mít neměnnou křivost. Obecně by se tedy referenční značky neměly dávat blízko hran, otvorů, rádiů nebo jiných výrazných změn křivosti povrchu. spsks.cz Obrázek 81 - Chybné (vlevo) a správné (vpravo) umístění ref. značek na objektu Při skenování objektů, které se pro kompletní proměření musí otočit (vršek a spodek dílu), se aplikuje další pravidlo týkající se rozmístění tzv. společných referenčních značek. To jsou značky, které jsou skenerem viděny jak při skenování vršku, tak i spodku. Po nezávislém naskenování spodku a vršku je potřeba tyto 2 projekty spojit do jednoho celku a k tomu se použijí právě tyto společné značky. Teoretický minimální počet těchto společných značek na objektu jsou 3. V praxi se však doporučují minimálně 4 a více. Důležitější než počet je pravidelnost rozmístění těchto značek po obvodu spojovaných oblastí. Špatné rozmístění může mít za následek nepřesné spojení obou projektů, protože může dojít k přitažení ploch s větším počtem společných referenčních značek vůči protější straně objektu, kde nemusí být tato značka třeba žádná. Pravidelné rozložení je zárukou symetrického a tedy i maximálně přesného spojení obou projektů. 74 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 9 kapitola 5 spsks.cz Obrázek 82 – Umístění ref. značek na Lego kostce (správné nahoře, špatné dole) Výše popsaná pravidla se týkají hlavně případů, kdy se referenční značky dávají na skenovaný objekt. Další alternativou je umístění značek mimo skenovaný objekt. Předpokladem v takovém případě je, že měřicí objem skeneru je dostatečně velký na to, aby kromě objektu zabral také tyto značky mimo objekt. Značky mohou být buď na stole, kam se skenovaný díl položí, na měřicím přípravku, do kterého se díl upne, nebo na speciálním rámečku, kam se díl upevňuje pomocí hrotů. Pokud jsou referenční značky mimo díl, nesmí dojít během celého procesu skenování ke změně polohy skenovaného dílu vůči těmto značkám. Možná je také kombinace obou těchto přístupů, tzn. použití referenčních značek mimo díl jako hlavních značek a doplnění o pár nutných značek na díle (společné referenční značky pro následné spojení 2 projektů). 75 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 9 kapitola 5 Obrázek 83 – Plastový díl upnutý v referenčním rámečku 9.2 Příprava 3D skeneru Před skenováním je potřeba se rozhodnout, jaký měřicí objem je ideální pro danou úlohu. Ke každému skeneru je k dispozici tabulka s nabízenými měřicími objemy. Volba toho správného měřicího objemu je v podstatě bilancováním mezi 3 faktory: optimální velikostí záběru, dostatečným rozlišením a co nejvyšší přesností. Pokud je objekt malý a má spoustu drobných detailů, bývá rozhodujícím faktorem rozlišení. S tím však souvisí relativně malý měřicí objem. Velké objekty s drobnými detaily se většinou malým objemem neskenují. V takových případech se musí zvolit kompromis, použije se větší měřicí objem a některé detaily se prostě nenaskenují. Také je tu alternativa v kombinaci více měřicích objemů v rámci jednoho projektu. Nejprve se objekt naskenuje velkým objemem a po překalibraci skeneru na menší objem se doskenují detaily s vyšším rozlišením. Přesnost skenování bývá hlavním rozhodujícím faktorem např. při porovnávacích měřeních či při měření etalonů. spsks.cz ATOS Compact Scan Název Měřicí objem konfigurace [mm] SO 5M 300 500 Rozlišení skenu [bodů na mm] 40 x 30 x 20 59 70 x 50 x 50 34 150 x 110 x 16 110 150 x 110 x 16 110 300 x 230 x 8 230 600 x 450 x 4 450 300 x 230 x 8 230 600 x 450 x 8 450 800 x 600 x 3 1 Přesnost (šum) [mm] 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,010 0,007 0,011 0,017 76 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 9 600 1200 x 900 x 2 900 kapitola 5 0,026 Tabulka 6 – Přesnost a rozlišení měřicích objemů skeneru ATOS Compact Scan 5M Jakmile je vybrán správný měřicí objem, připraví se podle toho 3D skener. Nejprve se nastaví vzdálenost kamer podle odpovídající konfigurace SO/300/500. Poté se našroubují odpovídající objektivy na obě kamery a na projektor. U objektivů je důležité správné zaostření a nastavení clonového čísla. Obě tyto hodnoty jsou přednastavené výrobcem, takže je není potřeba měnit. Dále se nastaví správná měřicí vzdálenost a seřídí se poloha pomocných laserových paprsků. Nakonec se natočí kamery tak, aby se středy kamer ztotožnily se středem projekce. Pokud se nemění vzdálenost mezi kamerami (konfigurace SO/300/500), stačí jen přešroubovat 3 objektivy. Tímto jsme učinili všechny kroky přípravy hardwaru skeneru. Dále se pokračuje softwarovou kalibrací. Ta je řízená přehledným obrázkovým průvodcem s popisy jednotlivých kroků. Proces kalibrace je otázkou jen několika málo minut. Výsledkem je číselný report udávající kvalitu kalibrace. Kdyby nebyla dosažena dostatečně přesná kalibrace, software o tom uživatele informuje hláškou. Tímto je skener nachystaný ke skenování. spsks.cz Obrázek 84 – Příprava skeneru na kalibraci 9.3 Skenování Přístup ke skenování závisí na tom, jaký je poměr mezi velikostí objektu k velikosti měřicího objemu. Dále také na tom, zda byla před skenováním použita fotogrammetrie pro nasnímání poloh referenčních značek nebo se značky doplňují postupným přeplátováváním záběrů skeneru. Na začátku je tedy potřeba promyslet optimální strategii skenování. U velkých objektů, které vyžadují přesouvat stojan (stand), se snažíme minimalizovat toto přesouvání. Z jedné polohy standu se skener snažíme vyklopit do různých poloh, aby se naskenovalo co nejvíce oblastí z jednoho místa. Až už není skener jak naklopit, přesune se stand na další místo a postup s naklápěním se opakuje. 77 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 9 kapitola 5 Strategie používaná u středně velkých dílů se nejprve zaměřuje na naskenování detailů. Jakmile jsou všechny požadované detaily naskenované, doplňují se záběry na chybějící globální tvary objektu. Tímto postupem se ušetří celkový čas skenování, protože při skenování detailů se většinou už naskenuje i velká část globálního tvaru objektu. U malých objektů se většinou nastaví jedna poloha skeneru a díl rotuje na rotačním stole. Takto je potřeba postupovat pro 2 až 3 polohy skeneru. Na zbývající nenaskenované oblasti se pak skener musí napolohovat zvlášť. Obecně skenování probíhá tak dlouho, dokud nejsou nasnímány všechny plochy, které jsou potřebné pro následné vyhodnocení. Skener sám o sobě není schopen analyzovat, co ještě nebylo naskenováno. Uživatel musí na základě vizualizace skenů ve 3D pracovním okně sám rozhodnout, zda již má naskenováno vše, co potřebuje. spsks.cz Obrázek 85 – Oblasti, které ještě nebyly naskenované 9.4 .Polygonizace Při skenování vzniká při každém záběru sken, který pokrývá část povrchu skenovaného objektu. Skeny z různých úhlů záběrů jsou spojovány s použitím referenčních značek popř. metodou BestFit na tvar. Software tyto jednotlivé skeny zaznamenává v přehledné stromové struktuře. U každého skenu jsou také uloženy informace o jeho přesnosti transformace na ostatní skeny, o změně světla a relativnímu pohybu skeneru vůči objektu během skenování. 78 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 9 kapitola 5 spsks.cz Obrázek 86 – Stromová struktura skenů a informace u vybraného skenu Tyto skeny jsou vizuálně reprezentovány jako náhledová polygonální síť. To znamená, že není zobrazena plná hustota skenu. Plnohodnotnou síť získáme až polygonizací, kdy software odstraní překrývající se oblasti a vypočítá každý naskenovaný bod. Přestože jde o poměrně složitý matematický proces, uživatel nastavuje jen několik základních parametrů. Hlavním parametrem „Postprocessing“ se definuje, jak má algoritmus optimalizovat výslednou síť po polygonizaci. V podstatě jde o intenzitu funkcí „Smooth“ (vyhlazení) a „Thin“ (redukce počtu trojúhelníků), které se provedou automaticky v rámci funkce „Polygonize And Recalculate“. Na výběr jsou možnosti: „No“, „More details“, „Standard“, „Less details“ a „Smallest data volume“. Nejčastěji se používá parametr „Standard“, protože výsledná síť má ideální bilanci mezi počtem trojúhelníků, vyhlazením šumu a dostatečně ostrými detaily povrchu. Při skenování odlitků, soch nebo jiných objektů bez drobných detailů se doporučuje polygonizovat s parametrem „Less details“. Výsledná síť má méně trojúhelníků, jejichž počet je ovšem pro tyto typy úloh naprosto dostatečný. Naopak u objektů s velmi malými detaily, u nichž se velikost blíží hodnotám šumu skenu, se používá parametr „More details“. Takto spočítaná polygonální síť má velké množství trojúhelníků a místy může být pozorovatelná „pomerančová“ struktura povrchu skenu. V těchto oblastech se algoritmu úplně nepodařilo odstranit šum skenu, který bývá v řádu tisícin až setin milimetru v závislosti na velikosti měřicího objemu. Dalším volitelným parametrem je „Fill reference points“ (zalepení děr). Při zaškrtnutí této volby se automaticky zalepí díry po referenčních 79 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 9 kapitola 5 značkách. Software používá interpolaci plochou 3. řádu, takže je schopný kvalitně zalepit pouze takové díry, u kterých má blízké okolí konstantní křivost. Pokud tento parametr zaškrtnutý není, software pouze vyřízne předdefinovanou oblast (dle známé velikosti referenční značky) a nechá díru nezalepenou. Poslední volitelný parametr polygonizace se nazývá „Polygonize large data volumes“ (polygonizace velkých dat). Na kvalitu výsledné sítě tento parametr vliv nemá. Určuje jen to, zda se má polygonizace rozdělit na více parciálních úloh s menší velikostí dat. Tato volba se používá u velmi extrémních úloh, např. když projekt obsahuje velké množství skenů (více než 150), skeny mají vysoké rozlišení (malý měřicí objem), je zvolena polygonizace s parametrem „More details“ a počítač nemá dostatek paměti RAM (méně než 32 GB). Po dokončení procesu polygonizace se ve stromové struktuře objeví nový objekt v podmenu „Meshes“. Je to výsledná polygonální síť, kterou můžeme buď ihned vyexportovat do formátu STL, nebo ji můžeme dále optimalizovat a upravovat. spsks.cz Obrázek 87 – Menu funkce „Polygonize And Recalculate“ 9.5 Optimalizace polygonální sítě První úpravou sítě bývá odřezání nepotřebných oblastí, které se naskenovaly spolu s hlavním objektem (deska stolu, pomocný rámeček, přípravek, okolní objekty apod.). Pro tyto účely je velmi užitečná kombinace funkcí „Select Patch“ a „Invert Selection“. První funkci použijeme pro výběr objektu („patche“), který chceme zachovat. Stačí kliknout kdekoliv na plochu tohoto „patche“ a software automaticky vybere všechny trojúhelníky, které jsou vzájemně propojeny. Tím se tedy vybere spojitá oblast a odloučené nespojené „patche“ zůstanou nevybrané. Funkcí „Invert Selection“ následně tento výběr invertujeme, čímž se vyberou všechny „patche“ kromě toho, který jsme označili na začátku. Nakonec se takto označené trojúhelníky vymažou přes funkci „Delete Selected 3D Area“. Oblast k vymazání lze samozřejmě také vybírat i klasickou metodou pomocí lasa, např. funkcí „Select/Deselect Through Surface“. 80 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 9 kapitola 5 Obrázek 88 – Výběr pomocí funkcí „Select Patch“ a „Invert Selection“ Po ořezání sítě od nepotřebných trojúhelníků můžeme přistoupit k optimalizaci sítě. Začíná se vyhlazením („Smooth Mesh“), kterým se odstraňuje šum měření. Tato funkce analyzuje křivost lokální malé oblasti. Když tam nalezne bod, který se odchyluje od hladkého průběhu okolí, tak tento bod posune směrem k ideální hladké ploše. Uživatel může ovlivnit chování této funkce několika parametry. Parametrem „Surface tolerance“ se softwaru definuje o kolik maximálně může optimalizovaným bodem posunout. V rozbalovacím menu „Filter rádius“ se nastavuje velikost oblasti, ze které se bude počítat lokální ideální hladká plocha. Čím větší se tato oblast nastaví, tím více to ovlivní výsledný tvar objektu. Posledním parametrem je „Detail sharpness“, kterým se nastavuje chování funkce na hranách a lokálních detailech objektu. spsks.cz Obrázek 89– Princip funkce „Smooth Mesh“ - parametr „Surface tolerance“ = 0,04 mm Po vyhlazení se aplikuje funkce „Thin Mesh“. Ta v oblastech s malou hodnotou křivosti (tvar se blíží rovině) odebírá nadbytečné trojúhelníky a v oblastech s velkou křivostí (malé rádie) zanechává jejich původní počet. Hlavním řídicím parametrem je „Surface tolerance“ definující maximální povolenou odchylku od původního plochy. Dalším parametrem „Max. edge length“ se ovlivní počet trojúhelníků v rovných oblastech, kde by software jinak vytvořil jen několik málo velkých trojúhelníků. Rovina může být teoreticky popsána jedním velkým trojúhelníkem, což ovšem není pro většinu aplikací žádoucí. Proto se definuje maximální velikost trojúhelníku v rovných oblastech a software pak i na ideální rovině musí vytvořit větší množství trojúhelníků. 81 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 9 kapitola 5 Obrázek 90– Princip funkce „Thin Mesh“ Dokonale vyhlazené a zredukované polygonální sítě se dosáhne opakovaným použitím funkcí „Smooth Mesh“ a „Thin Mesh“. Pokud chceme maximálně zachovat detaily objektu a přitom chceme mít dokonale vyhlazené okolní plochy, je nutné aplikovat jiné parametry funkcí pro oblasti s malou křivostí a jiné pro oblasti s velkou křivostí. Jediná možnost, jak toho můžeme dosáhnout, je pečlivý výběr oblastí s velkou křivostí a pomocí „Invert Selection“ pak výběr invertovat na oblasti s malou křivostí. Výběr si lze usnadnit pomocí funkce „Select Curvature-Based“, která při správně zvoleném parametru „Curvature“ vybere většinu detailů objektu automaticky. Ideální nastavení parametrů pro „Smooth Mesh“ a „Thin Mesh“ vyžaduje určitou úroveň zkušeností, nicméně živý náhled u těchto funkcí práci velmi usnadňuje. spsks.cz Obrázek 91– Plastový výlisek s křivostním výběrem Často používanou funkcí pro úpravu polygonální sítě je „Close Holes Interactively“ (interaktivní zalepování děr). Díry po referenčních značkách, které se při polygonizaci nepodaří softwaru automaticky zalepit, nebo oblasti, které se nepodařilo naskenovat, se touto funkcí mohou doplnit. Jde o interaktivní nástroj, takže stačí jen ukázat na okraj díry 82 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 9 kapitola 5 a software v náhledu ukáže, jak by byla díra zalepena s aktuálně nastavenými parametry. Pro dokonalé zalepení díry je potřeba najít ty správné parametry. Důležitý je zejména výběr mezi volbami „Plane-based“ a „Normal“ v menu „Filling result“. První volba zalepí díru rovinou, druhá volba ji interpoluje obecnou plochou. Pro díry ležící na rovné ploše je tedy lepší použít „Plane-based“ parametr a pro všechny ostatní zkusit parametr „Normal“. Ostatní volby v tomto menu se používají jen zřídka. U děr, jejichž okraj není hladký, je potřeba nastavit správnou hodnotu u parametru „Delete neighborhood“ (výmaz okolí). Při nastavení na hodnotu „1“ software odmaže 1. řadu trojúhelníků okraje díry a teprve pak díru zalepí. Díky živému náhledu lze snadno vyzkoušet, kolik řad trojúhelníků se musí odmazat pro dokonalé zalepení díry. U křivostně složitých děr, kdy se díru nedaří zalepit najednou, se úloha dá zjednodušit rozdělením na 2 menší díry pomocí funkce „Close hole partially“ nebo „Create Mesh Bridge“. spsks.cz Obrázek 92– Funkce „Close Holes Interactively“ s náhledem Zajímavou funkcí usnadňující opravovat polygonální síť je „Repair Mesh“, která se používá pro odstraňování lokálních defektů sítě. Stačí ukázat na místo, kde je nějaký defekt, a mít správně nastavenou velikost ořezávané oblasti „Neighborhood size“. Software v daném místě nejprve vytvoří díru odmazáním definované oblasti a tu pak zalepí interpolací dle křivosti blízkého okolí. 83 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 9 kapitola 5 Obrázek 93– Odstraňování defektů pomocí funkce „Repair Mesh“ V softwaru ATOS Professional stejně tak jako i v softwaru GOM Inspect je spousta dalších funkcí určených pro úpravy polygonální sítě. Výše byly zmíněny jen ty nejčastěji používané. 9.6 Ustavení skenu do souřadného systému spsks.cz Až do této chvíle jsme pracovali s polygonální sítí bez ohledu na to, kde se nacházela v prostoru. Při skenování se totiž definuje souřadný systém na základě polohy prvního záběru, což je z hlediska skenovaného objektu v podstatě náhodná poloha. Ustavování do souřadného systému se dá rozdělit na 2 přístupy. Prvním je ustavení do logického souřadného systému objektu a druhým je ustavení do souřadného systému CAD modelu. Logický souřadný systém si určí sám uživatel. Většinou se používá metoda 3-2-1. U této metody se 3 body definuje rovina (např. rovina Z jako spodní rovina objektu), dalšími 2 body se definuje směr jedné osy (např. osa Y z boční stěny objektu) a posledním bodem se definuje počátek osy X. V softwaru jsou k dispozici i jiné metody ustavování. Mimo jiné se také dají použít různé kombinace základních geometrických prvků (roviny, válce, koule…), jejich průsečíky či projektované prvky. Souřadný systém se v tomto případě definuje kvůli aplikacím, které s naskenovaným modelem budou dále pracovat. Na ustaveném modelu se také mnohem snadněji odměřují délkové míry nebo polohy děr. 84 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 9 kapitola 5 Obrázek 94– Ustavení metodou 3-2-1 Pokud ke skenovanému objektu existuje CAD model, pak se ustavuje do souřadného systému, který v CAD modelu nadefinoval konstruktér. Může se jednat o logický souřadný systém objektu, jehož určení však není libovolné jako v předchozím případě, ale je přesně definované. V poznámce na výkresech bývá uvedeno, které prvky na objektu se mají pro ustavení použít. V automobilovém průmyslu se pracuje se souřadným systémem auta, to znamená, že všechny díly daného auta mají totožný souřadný systém. Ten se na první pohled nemusí zdát logický, protože se nenachází na díle. Souřadný kříž auta je umístěn na přední nápravě, takže např. zadní nárazník může být od počátku souřadného systému 4000 mm daleko. Pro ustavení do takového souřadného systému je nejprve nutné naimportovat do aplikace příslušný CAD model. Potom se použije funkce „Prealignment“ s aktivovanou volbou „Compute additional bestfit“. Software přetransformuje sken na CAD model nejlepším možným způsobem na tvar bez ohledu na to, kde se předtím objekty vzájemně nacházely v prostoru. Často se po „Prealignment“ transformaci definuje i další ustavení, které přesněji respektuje požadavek od konstruktéra. „Prealignment“ totiž zahrnuje do výpočtu celou polygonální síť včetně oblastí, které z hlediska funkce výrobku nejsou důležité a mohou být tudíž nepřesně vyrobené. Kvalitnějšího ustavení dosáhneme např. výběrem takových oblastí na polygonální síti, o kterých víme, že jsou tolerované, funkční nebo přesně vyrobené. Funkce „Local Best-Fit“ tento výběr respektuje a vypočítá nejlepší možnou polohu vybraných tvarů metodou nejmenších čtverců. Další ustavovací funkce využívají primitiv, jakou jsou válce, roviny, přímky, body a jejich vzájemné průsečíky nebo projekce. U plechových výlisků se jako finální ustavení používá metoda „RPS“, u plastových dílců to bývá metoda „Plane-Line-Point“ a u odlitků „Local Best-Fit With Tolerances“ s podmínkou přídavku materiálu. Důvodem ustavení skenu na CAD model je následná analýza tvarových odchylek. spsks.cz 85 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 9 kapitola 5 Obrázek 95– Poloha skenu (šedý model) před ustavením na CAD model (modrý model) spsks.cz 9.7 Vyhodnocení Nejrychlejší metodou, jak můžeme porovnat sken s CAD modelem, je barevná mapa odchylek. Ta se vytvoří funkcí „Surface Comparison On CAD“ nebo „Surface Comparison On Actual“ podle toho, jestli chceme odchylky vizualizovat na CAD modelu nebo na skenu. Nastavením legendy se upravuje barevné rozložení mapy, hodnota spočítané odchylky se tím nezmění. Na výběr je legenda s plynulými barevnými přechody („GOM continuous“), legenda s 8 nebo 3 pevně definovanými barevnými segmenty („GOM 8 colors“ a „GOM 3 colors“) a legenda respektující tolerance zadané na CAD plochách („Tolerance Legend“). Nejlépe čitelná je mapa odchylek reprezentovaná legendou s 8 barevnými segmenty, protože se u ní dá snadno nastavovat rozmezí tolerančního pole. To může být symetrické vůči nule (např. ±0,2 mm) nebo nesymetrické (např. +0,4 mm/-0,1 mm). Zelenou barvou jsou potom zabarveny ty oblasti, které zadané toleranci vyhovují. Obrázek 96– Symetrická a asymetrická tolerance u legendy „GOM 8 colors“ Pokud je tvarová tolerance na díle různá, je potřeba u jednotlivých ploch CAD modelu tuto toleranci nastavit pomocí funkce „Tolerances From Patch Color“. Teprve poté se dá 86 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 9 kapitola 5 zvolit vizualizace barevné mapy s legendou „Tolerance Legend“. Pro úlohy, kterým přednastavené legendy nevyhovují, lze vytvořit legendou speciální. Uživatel si může navolit vlastní počet barevných segmentů i rozsahy odchylek. Obrázek 97 – Barevná mapa s legendou „Tolerance Legend“ Inspekční řezy zobrazují odchylky skenu od CAD modelu v definované řezové rovině. Jejich poloha je prakticky libovolná a záleží jen na uživateli, kam bude chtít řez umístit. Inspekční řezy rovnoběžné se základními rovinami souřadného systému (X, Y, Z) lze vytvořit přímo funkcí „Inspection Section“. Pro řezy, které jsou vůči souřadnému systému nějak natočené, se musí nejprve zkonstruovat pomocná rovina definující polohu řezu. Tato rovina se pak objeví v seznamu „Reference plane“ funkce „Inspection Section“. Odchylky jsou reprezentovány barevnou křivkou, pro kterou platí stejné možnosti nastavování legendy jako u barevné mapy. spsks.cz Obrázek 98 – Inspekční řez s odchylkami a legendou „GOM Continous“ Kromě těchto základních řezů se v softwaru dá vytvořit sada paralelních rovinných řezů („Multisection Parallel“) nebo rovinné řezy zarovnané podle křivky („Multisection Curve“). Speciální funkcí je „Cylinder-Based Section“, která používá místo roviny jako řezový element válcovou plochu. Výsledkem je tedy řez ležící na stěně válce definovaného průměru. Pomocí funkce „Unroll Cylinder-Based Section“ lze takový řez rozvinout do roviny, kde se dá zakótovat. Tento způsob vyhodnocení se používá např. u lopatkových kol. 87 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 9 kapitola 5 Obrázek 99 – Řezy válcovou plochou K zobrazení odchylek v konkrétních místech je určena funkce „Deviation Labels“. Kdekoliv na barevné mapě nebo barevné křivce inspekčního řezu se dá nakliknout místo, kde vznikne „label“ s odchylkou. Těchto „labelů“ si uživatel může vytvořit libovolné množství. Umísťují se většinou tam, kde mapa vykazuje nějaké výraznější odchylky, nebo do míst, která jsou funkčně důležitá. spsks.cz Obrázek 100 – Barevná mapa s vynesenými odchylkami Inspekční report se vytváří pomocí „snapshotů“ obrazovky resp. pracovních oken aplikace. Uživatel si ve 3D pracovním okně nachystá elementy, které chce mít na dané stránce reportu, a přes funkci „Create Report Page“ danou obrazovku uloží do stromové 88 kapitola 6 kapitola 7 Technologie skenování ve 3D kapitola 8 kapitola 9 kapitola 5 struktury reportů. Uložené stránky se dají kdykoliv vyvolat zpět do 3D okna k úpravě nebo updatu zobrazovaných hodnot. Kromě elementů z 3D okna se dají do reportu vkládat i tabulky nebo grafy. Stránky reportů se dají opatřit poznámkami, grafikou, logem firmy i klíčovými slovy. Výsledný report se exportuje do PDF formátu pomocí funkce „Export As PDF“. Také je k dispozici export stránek ve formě obrázků (JPEG, PNG) nebo tabulek jako textový soubor (CSV). spsks.cz Obrázek 101 – Ukázka reportu 89 kapitola 10 Technologie skenování ve 3D 10 . Praktická cvičení V následujících 3 příkladech si ukážeme, jak postupovat při skenování jednoduchých objektů. Požadovaným výstupem je ve všech příkladech polygonální model vyexportovaný do formátu STL. 10.1 Skenování neopracovaného kamene Cíl: Optimalizovaný polygonální model ustavený do logického souřadného systému. Aplikace: Polygonální model se použije jako polotovar pro NC obrábění na robotickém pracovišti. Předpoklady: 3D skener ATOS Compact Scan 5M Software ATOS Professional Postup: 1. Příprava skenovaného objektu Objekt umístíme na takové místo, abychom kolem něj měli volný prostor alespoň 2 m. Ideální je hladká a tvrdá podlaha, na které se bude snadno manipulovat se stojanem. Na objekt umístíme referenční značky velikosti 8 mm, protože pro skenování použijeme velký měřicí objem MV1200. Počet značek musí být dostatečný pro navazování jednotlivých skenů. spsks.cz Obrázek 102 – Objekt připravený na skenování 90 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 2. Příprava 3D skeneru Na skener našroubujeme objektivy určené pro měřicí objem MV1200. Odstraníme ochranné plastové krytky z objektivů a zapneme skener. Po připojení skeneru k počítači přes ethernet kabel spustíme aplikaci ATOS a skener inicializujeme. Žlutá inicializační ikona informuje o aktuálním čase, který ještě zbývá, než se skener zahřeje na provozní teplotu. Po uplynutí této doby ikona změní barvu na šedou. Obrázek 103 – Inicializace senzoru V „Set up“ módu aplikace zvolíme funkci „Set Up Sensor“, kde vybereme z rozbalovacího seznamu „Camera distance“ hodnotu „500“ a pro „Measuring volume“ položku „MV1200 (1200 x 900 x 900)“. Tlačítkem „Next“ vybrané nastavení potvrdíme. Na „Next“ klikneme ještě 6x, dokud se neobjeví tlačítko „Finish“. Ostatní kroky, které jsme přeskočili, se provádí pouze v případě, když se mění konfigurace senzoru nebo měřicí vzdálenost. spsks.cz Obrázek 104 – Nastavení skeneru v Set Up módu 91 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 Objektivy jsou od výrobce standardně nastavené na daný měřicí objem - jsou zaostřené na měřicí vzdálenost a mají správně nastavenou clonu. Pokud bychom měli objektivy rozostřené nebo se špatně nastavenou clonou, pak bychom je v tomto módu mohli seřídit. V tomto příkladu se ale nastavením objektivů zabývat nebudeme a přejdeme rovnou ke kalibraci. Přehledného průvodce vyvoláme přes ikonu „Calibrate Sensor“ v horním menu. Obrázek 105 – Ikona kalibrace skeneru V dialogu vybereme odpovídající kalibrační objekt označený „CP40/MV1200“ a doplněný o sériové číslo. Zde ponecháme zaškrtnutou volbu „Instructions“. spsks.cz Obrázek 106 – Výběr kalibračního elementu Po kliknutí na „Next“ přejdeme do dalšího dialogu, kde zkontrolujeme, zda máme zadaných 8 mm pro „Focal length (camera)“, a nastavíme teplotu kalibračního 92 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 kříže. Teplotu změříme dotykovým teploměrem nebo můžeme vyjít z teploty místnosti, pokud v ní byl kalibrační kříž dostatečně dlouho temperovaný. spsks.cz Obrázek 107 – Nastavení teploty kalibračního objektu Po dalším kliknutí na „Next“ se objeví shrnutí nastavených parametrů, které potvrdíme tlačítkem „Finish“. Tím se dostáváme k vlastní kalibraci, kde se už budeme řídit jednotlivými obrázky a popisky softwarového průvodce. Pro nakalibrování skeneru musíme provést 24 snímků s různým natočením kalibračního kříže. Pokud necháme zatrženou volbu „Automatic exposure time“, tak software při každém snímku automaticky nastaví ideální expoziční čas. 93 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 spsks.cz Obrázek 108 – Softwarový průvodce kalibrací Na konci kalibrace software zobrazí informaci, zda byly splněny interní limity kvalitní kalibrace. Pro přepnutí z jednoduchého výpisu na kompletní stačí kliknout na ikonu se zdvojenými šipkami. Obrázek 109 – Informace o provedené kalibraci 3. Skenování Přes úvodní obrazovku softwaru ATOS Professional založíme nový projekt. Vznikne dočasný projekt uložený v adresáři uživatele. Název projektu zadáme později. 94 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 spsks.cz Obrázek 110 – Úvodní obrazovka softwaru ATOS Professional Přepneme se do měřicího módu „Digitize“, čímž se nám objeví nástrojová lišta s funkcemi pro skenování. Obrázek 111 – Měřicí mód „Digitize“ Než začneme skenovat, musíme nastavit správné parametry pro identifikaci referenčních značek. To provedeme v dialogu „Acquisition Parameters“, který najdeme v menu Acquisition. V záložce „Reference points“ vybereme typ referenčních značek „8 mm round“ a kvalitu nastavíme na hodnotu „Get more points“. Zbývající 2 parametry necháme zatržené. 95 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 Obrázek 112 – Dialog „Acquisition Parameters“ V dalším kroku musím najít ideální expoziční čas pro skenovaný povrch. Tato hodnota souvisí s intenzitou okolního osvětlení a s barvou skenovaného povrchu. Ve 2D okně kamery se přepneme přes spodní ikonu do režimu expozičního času pro povrch a tažením myši nastavíme ideální hodnotu. Povrch by neměl být červený (přeexponovaný) ani tmavý (podexponovaný). Většinou se nechává takový expoziční čas, kdy zmizí většina červených oblastí. spsks.cz Obrázek 113 – Nastavení expozičních časů na povrch objektu Nejen na povrch, ale také na referenční značky musíme nastavit správný expoziční čas. Ten je nezávislý od toho povrchového. Nastavuje se po přepnutí ikonou ve spodním 2D okně kamery. Zásady při nastavování platí podobné jako u povrchu, body nesmí být přesvícené (červené) ani příliš tmavé. Software nás navíc u každé referenční značky informuje o aktuálním stavu nasvícení hláškou „overexposed“ nebo „low contrast“. Ideální expoziční čas je takový, kdy u referenčních značek není ani jedna z uvedených hlášek. 96 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 Obrázek 114 – Nastavení expozičních časů na referenční značky Další parametry se nastavují přes ikonu „Parameters For New Measurements“ umístěnou v horní nástrojové liště. Musíme zde definovat, kolik expozičních časů má software při skenování použít. To závisí na barvě skenovaného povrchu. Pokud je barva objektu všude v přibližně stejném odstínu, stačí nastavit 1 nebo 2 expoziční časy. Pokud se barva mění od světlé po tmavou, používají se expoziční časy 3. Pro tuto úlohu zvolíme 2 expoziční časy. Parametr „Quality“ ovlivňuje přesnost výsledného skenu. V našem případě skenování hrubého kamene si můžeme dovolit použít i body identifikované jako méně přesné, nastavíme tedy parametr „More Points“. Nakonec nastavíme rozlišení na „Fast scan (half resolution)“, aby bylo skenování rychlejší. Pokud bychom potřebovali některý záběr, kde budou malé detaily, udělat v maximálním rozlišení, pak není problém v tomto nastavení hodnoty dočasně změnit. spsks.cz Obrázek 115 – Nastavení parametrů pro jednotlivé skeny Dále potřebujeme založit novou měřicí sérii, do které bude software zapisovat jednotlivé skeny. Tu vytvoříme v menu „Acquisition/Measurement Series/New…“, kde zvolíme „Atos measurement series“. 97 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 Obrázek 116 – Vytvoření nové měřicí série Nyní tedy můžeme začít skenovat přes ikonu „Scan Measuring Object“ umístěnou v horní nástrojové liště nebo přes klávesovou zkratku „mezerník“ popř. s využitím dálkového ovladače. spsks.cz Obrázek 117 – Spuštění skenování Při skenování postupujeme takovým způsobem, aby skeny na sebe postupně navazovaly přes referenční značky. Pokud se nebude někde dařit skeny navázat kvůli nedostatku referenčních značek, můžeme značky během skenování doplnit. Objekt skenujeme tak dlouho, dokud není proskenován kompletní povrch. 4. Polygonizace Ke zpolygonizování naskenovaných dat použijeme funkci „Polygonize and Recalculate“ umístěnou v horní nástrojové liště. Software automaticky vybere všechny skeny, pokud jsme předem neprovedli vlastní výběr toho, co chceme zpolygonizovat. V dialogu nastavíme „Postprocessing“ na hodnotu „Normal“ a zatrhneme možnost „Fill reference points“. Po kliknutí na OK software začne polygonizovat, což trvá několik minut v závislosti na počtu skenů. Po ukončení výpočtu se ve stromové struktuře objeví nový objekt pod položkou „Meshes“. 98 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 spsks.cz Obrázek 118 – Polygonizace skenů 5. Optimalizace polygonální sítě Po polygonizaci můžeme přistoupit k optimalizaci sítě. Pro zpřístupnění nástrojové lišty s optimalizačními funkcemi se musíme přepnout do pracovního módu „Mesh Editing“. Nejprve odmažeme nepotřebné oblasti, které se naskenovaly spolu s hlavním objektem. Potom přes klávesovou zkratku „CTRL“ + „A“ vybereme všechny trojúhelníky a zvolíme funkci „Smooth Mesh“. Nastavíme parametry „Filter radius“ na „Large“, „Detail sharpness“ na „Normal“, „Surface tolerance“ na 0,08 mm a necháme provést vyhlazení kliknutím na „Apply“ se stisknutou klávesou „ALT“ (podržením klávesy „ALT“ zůstane zachovaný výběr trojúhelníků). Dále použijeme funkci „Thin Mesh“ s parametry „Surface tolerance“ 0,05 mm a „Max. edge length“ 2,0 mm. Tím dojde k redukci počtu trojúhelníků. 99 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 Obrázek 119 – Parametry nastavené v první fázi optimalizace Pokud na objektu zůstaly nezalepené díry po referenčních značkách nebo nějaké nedoskenované oblasti, můžeme je zalepit interaktivním nástrojem „Close Holes Interactively“. Optimálními parametry, které by měly přesně zalepit většinu děr, jsou „Filling result“ „Normal“ a „Delete neighborhood“ 2. Pomocí ikony „zeleného trojúhelníku“ v plovoucí nástrojové liště potvrdíme zalepení aktuální díry a necháme software vyhledat další díru. Takto postupujeme, dokud nezalepíme všechny díry. spsks.cz Obrázek 120 – Zalepování děr v polygonální síti Pro lepší optimalizaci polygonální sítě nyní aplikujeme funkce „Smooth Mesh“ a „Thin Mesh“ ještě jednou s mírně pozměněnými parametry. Pro vyhlazení změníme parametry „Filter radius“ na „Normal“ a „Surface tolerance“ na 0,05 mm. Redukci počtu trojúhelníků provedeme se změněným parametrem „Max. edge length“ 5,0 mm a hodnotu „Surface tolerance“ ponecháme na 0,05 mm. 100 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 Obrázek 121 – Parametry nastavené ve druhé fázi optimalizace Nakonec použijeme funkci pro odstranění vnitřních chyb polygonální sítě. Tato funkce nemá žádné parametry k nastavení. Automaticky odstraňuje např. degenerované trojúhelníky nebo vzájemně se protínající trojúhelníky. Najdeme ji v menu „Operations/Mesh/Other/Eliminate Mesh Errors“. spsks.cz Obrázek 122 – Odstranění vnitřních chyb polygonální sítě 6. Ustavení skenu do souřadného systému Pro ustavení použijeme funkci „3-2-1“, kterou najdeme v menu „Operations/Initial Alignments/3-2-1…“. Nadefinujeme 3 body v Z-rovině, 2 body v Y-směru a 1 bod pro X-směr. Směr os lze otáčet přes parametr „Plane positive“ nebo „Line positive“. 101 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 spsks.cz Obrázek 123 – Ustavení skenu funkcí 3-2-1 7. Export dat Posledním krokem je export polygonálního modelu do formátu STL. To provedeme přes funkci „File/Export/Mesh/STL…“. Přes šipku u názvu souboru si zvolíme, kam na disku se má soubor vyexportovat. Parametr „Data mode“ nastavíme na „Binary“ formát a v menu „File type“ zvolíme „GOM“. Pokud chceme zachovat jednotlivé skeny v měřicí sérii, tak můžeme uložit celý projekt přes funkci „File/Save As…“. 102 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 spsks.cz Obrázek 124 – Export do formátu STL 10.2 Skenování modelu hlavy Cíl: Optimalizovaný polygonální model ustavený do logického souřadného systému. Aplikace: Polygonální model se použije jako výchozí model pro virtuální sochařství. Předpoklady: 3D skener ATOS Compact Scan 5M Software ATOS Professional Postup: 1. Příprava skenovaného objektu Objekt umístíme na ruční rotační stůl a ten dáme na pevný stůl. Na objekt umístíme referenční značky velikosti 1,5 mm, protože pro skenování použijeme měřicí objem MV300. Počet značek musí být dostatečný pro navazování jednotlivých skenů. Můžeme si také pomoct značkami umístěnými na rotační stůl 103 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 v blízkém okolí skenovaného objektu. Důležité je, aby se během otáčení rotačním stolem značky vůči objektu nepohnuly. spsks.cz Obrázek 125 – Objekt na skenování 2. Příprava 3D skeneru Na skener našroubujeme objektivy určené pro měřicí objem MV300. Odstraníme ochranné plastové krytky z objektivů a zapneme skener. Po připojení skeneru k počítači přes ethernet kabel spustíme aplikaci ATOS a skener inicializujeme. Žlutá inicializační ikona informuje o aktuálním čase, který ještě zbývá, než se skener zahřeje na provozní teplotu. Po uplynutí této doby ikona změní barvu na šedou. 104 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 Obrázek 126 – Inicializace senzoru V „Set up“ módu aplikace zvolíme funkci „Set Up Sensor“, kde vybereme z rozbalovacího seznamu „Camera distance“ hodnotu „500“ a pro „Measuring volume“ položku „MV300 (300 x 230 x 230)“. Tlačítkem „Next“ vybrané nastavení potvrdíme. Na „Next“ klikneme ještě 6x, dokud se neobjeví tlačítko „Finish“. Ostatní kroky, které jsme přeskočili, se provádí pouze v případě, když se mění konfigurace senzoru nebo měřicí vzdálenost. spsks.cz Obrázek 127– Nastavení skeneru v Set Up módu Objektivy jsou od výrobce standardně nastavené na daný měřicí objem - jsou zaostřené na měřicí vzdálenost a mají správně nastavenou clonu. Pokud bychom měli objektivy rozostřené nebo se špatně nastavenou clonou, mohli bychom je v tomto módu seřídit. V tomto příkladu se ale nastavením objektivů zabývat nebudeme a přejdeme rovnou ke kalibraci. Přehledného průvodce vyvoláme přes ikonu „Calibrate Sensor“ v horním menu. 105 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 Obrázek 128 – Ikona kalibrace skeneru V dialogu vybereme odpovídající kalibrační objekt označený „CP40/MV300“ a doplněný o sériové číslo. Zde ponecháme zaškrtnutou volbu „Instructions“. spsks.cz Obrázek 129 – Výběr kalibračního elementu Po kliknutí na „Next“ přejdeme do dalšího dialogu, kde zkontrolujeme, zda máme zadaných 35 mm pro „Focal length (camera)“, a nastavíme teplotu kalibrační desky. Teplotu změříme dotykovým teploměrem nebo můžeme vyjít z teploty místnosti, pokud v ní byla kalibrační deska dostatečně dlouho temperovaná. 106 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 spsks.cz Obrázek 130 – Nastavení teploty kalibračního objektu Po dalším kliknutí na „Next“ se objeví shrnutí nastavených parametrů, které potvrdíme tlačítkem „Finish“. Tím se dostáváme k vlastní kalibraci, kde se už budeme řídit jednotlivými obrázky a popisky softwarového průvodce. Pro nakalibrování skeneru musíme provést několik změn polohy skeneru vůči kalibrační desce. Pokud necháme zatrženou volbu „Automatic exposure time“, nastaví software při každém snímku automaticky ideální expoziční čas. Na konci kalibrace software zobrazí informaci, zda byly splněny interní limity kvalitní kalibrace. Pro přepnutí z jednoduchého výpisu na kompletní stačí kliknout na ikonu se zdvojenými šipkami. Obrázek 131 – Informace o provedené kalibraci 107 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 3. Skenování Přes úvodní obrazovku softwaru ATOS Professional založíme nový projekt. Vznikne dočasný projekt uložený v adresáři uživatele. Název projektu zadáme později. spsks.cz Obrázek 132 – Úvodní obrazovka softwaru ATOS Professional Přepneme se do měřicího módu „Digitize“, čímž se nám objeví nástrojová lišta s funkcemi pro skenování. Obrázek 133 – Měřicí mód „Digitize“ Než začneme skenovat, musíme nastavit správné parametry pro identifikaci referenčních značek. To provedeme v dialogu „Acquisition Parameters“, který 108 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 najdeme v menu Acquisition. V záložce „Reference points“ vybereme typ referenčních značek „1,5 mm round“ a kvalitu nastavíme na hodnotu „High accuracy“. Zbývající 2 parametry necháme zatržené. spsks.cz Obrázek 134 – Dialog „Acquisition Parameters“ V dalším kroku musím najít ideální expoziční čas pro skenovaný povrch. Tato hodnota souvisí s intenzitou okolního osvětlení a s barvou skenovaného povrchu. Ve 2D okně kamery se přepneme přes spodní ikonu do režimu expozičního času pro povrch a tažením myši nastavíme ideální hodnotu. Povrch by neměl být červený (přeexponovaný) ani tmavý (podexponovaný). Většinou se nechává takový expoziční čas, kdy zmizí většina červených oblastí. Obrázek 135 – Nastavení expozičních časů na povrch objektu Nejen na povrch, ale také na referenční značky musíme nastavit správný expoziční čas. Ten je nezávislý od toho povrchového. Nastavuje se po přepnutí ikonou ve spodním 2D okně kamery. Zásady při nastavování platí podobné jako u povrchu, body nesmí být přesvícené (červené) ani příliš tmavé. Software nás 109 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 navíc u každé referenční značky informuje o aktuálním stavu nasvícení hláškou „overexposed“ nebo „low contrast“. Ideální expoziční čas je takový, kdy u referenčních značek není ani jedna z uvedených hlášek. Obrázek 136 – Nastavení expozičních časů na referenční značky Další parametry se nastavují přes ikonu „Parameters For New Measurements“ umístěnou v horní nástrojové liště. Musíme zde definovat, kolik expozičních časů má software při skenování použít. To závisí na barvě skenovaného povrchu. Pokud je barva objektu všude v přibližně stejném odstínu, stačí nastavit 1 nebo 2 expoziční časy. Pokud se barva mění od světlé po tmavou, pak se používají expoziční časy 3. Pro tuto úlohu zvolíme 1 expoziční čas. Parametr „Quality“ ovlivňuje přesnost výsledného skenu. V našem případě skenování sádrového modelu nastavíme parametr na „High“, protože povrch je ideálně bílý a matný, a proto by „méně přesné“ body teoreticky neměly ani vznikat. Nakonec nastavíme rozlišení na „Full resolution“ pro získání co nejlepšího detailu. spsks.cz Obrázek 137 – Nastavení parametrů pro jednotlivé skeny Dále potřebujeme založit novou měřicí sérii, do které bude software zapisovat jednotlivé skeny. Tu vytvoříme v menu „Acquisition/Measurement Series/New…“, kde zvolíme „Atos measurement series“. 110 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 Obrázek 138 – Vytvoření nové měřicí série Nyní tedy můžeme začít skenovat přes ikonu „Scan Measuring Object“ umístěnou v horní nástrojové liště nebo přes klávesovou zkratku „mezerník“ popř. s využitím dálkového ovladače. spsks.cz Obrázek 139 – Spuštění skenování Při skenování postupujeme takovým způsobem, aby skeny na sebe postupně navazovaly přes referenční značky. Pokud se nebude někde dařit skeny navázat kvůli nedostatku referenčních značek, můžeme značky během skenování doplnit. Objekt skenujeme tak dlouho, dokud není proskenován kompletní povrch. Nakonec můžeme hlavu i otočit a přes již známe referenční značky umístěné na objektu doskenovat i spodní plochu. Protože otočením hlavy došlo ke změně vzájemné polohy značek ke skenovanému objektu, při doskenování spodní plochy již nesmí být v záběru body nalepené na desce rotačního stolu. 4. Polygonizace Ke zpolygonizování naskenovaných dat použijeme funkci „Polygonize and Recalculate“ umístěnou v horní nástrojové liště. Software automaticky vybere všechny skeny, pokud jsme předem neprovedli vlastní výběr toho, co chceme zpolygonizovat. V dialogu nastavíme „Postprocessing“ na hodnotu „Normal“ a zatrhneme možnost „Fill reference points“. Po kliknutí na OK software začne polygonizovat, což trvá několik minut v závislosti na počtu skenů. Po ukončení výpočtu se ve stromové struktuře objeví nový objekt pod položkou „Meshes“. 111 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 spsks.cz Obrázek 140 – Polygonizace skenů 5. Optimalizace polygonální sítě Po polygonizaci můžeme přistoupit k optimalizaci sítě. Pro zpřístupnění nástrojové lišty s optimalizačními funkcemi se musíme přepnout do pracovního módu „Mesh Editing“. Nejprve odmažeme nepotřebné oblasti, které se naskenovaly spolu s hlavním objektem. Potom přes klávesovou zkratku „CTRL“ + „A“ vybereme všechny trojúhelníky a zvolíme funkci „Smooth Mesh“. Nastavíme parametry „Filter radius“ na „Large“, „Detail sharpness“ na „Normal“, „Surface tolerance“ na 0,05 mm a necháme provést vyhlazení kliknutím na „Apply“ se stisknutou klávesou „ALT“ (podržením klávesy „ALT“ zůstane zachovaný výběr trojúhelníků). Dále použijeme funkci „Thin Mesh“ s parametry „Surface tolerance“ 0,01 mm a „Max. edge length“ 1,0 mm. Tím dojde k redukci počtu trojúhelníků. Obrázek 141 – Parametry nastavené v první fázi optimalizace 112 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 Pokud na objektu zůstaly nezalepené díry po referenčních značkách nebo nějaké nedoskenované oblasti, můžeme je zalepit interaktivním nástrojem „Close Holes Interactively“. Optimálními parametry, které by měly přesně zalepit většinu děr, jsou „Filling result“ „Normal“ a „Delete neighborhood“ 2. Pomocí ikony „zeleného trojúhelníku“ v plovoucí nástrojové liště potvrdíme zalepení aktuální díry a necháme software vyhledat díru další. Takto postupujeme, dokud nezalepíme všechny díry. spsks.cz Obrázek 142 – Zalepování děr v polygonální síti Pro lepší optimalizaci polygonální sítě nyní aplikujeme funkce „Smooth Mesh“ a „Thin Mesh“ ještě jednou s mírně pozměněnými parametry. Pro vyhlazení změníme parametry „Filter radius“ na „Normal“ a „Surface tolerance“ na 0,03 mm. Redukci počtu trojúhelníků provedeme se změněným parametrem „Max. edge length“ 3,0 mm a „Surface tolerance“ 0,008 mm. Obrázek 143 – Parametry nastavené ve druhé fázi optimalizace Nakonec použijeme funkci pro odstranění vnitřních chyb polygonální sítě. Tato funkce nemá žádné parametry k nastavení. Automaticky odstraňuje např. degenerované trojúhelníky nebo vzájemně se protínající trojúhelníky. Najdeme ji v menu „Operations/Mesh/Other/Eliminate Mesh Errors“. 113 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 Obrázek 144 – Odstranění vnitřních chyb polygonální sítě 6. Ustavení skenu do souřadného systému Pro ustavení použijeme funkci „3-2-1“, kterou najdeme v menu „Operations/Initial Alignments/3-2-1…“. Nadefinujeme 3 body v Z-rovině, 2 body v Y-směru a 1 bod pro X-směr. Směr os lze otáčet přes parametr „Plane positive“ nebo „Line positive“. spsks.cz Obrázek 145 – Ustavení skenu funkcí 3-2-1 114 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 7. Export dat Posledním krokem je export polygonálního modelu do formátu STL. To provedeme přes funkci „File/Export/Mesh/STL…“. Přes šipku u názvu souboru si zvolíme, kam na disku se má soubor vyexportovat. Parametr „Data mode“ nastavíme na „Binary“ formát a v menu „File type“ zvolíme „GOM“. Pokud chceme zachovat jednotlivé skeny v měřicí sérii, můžeme uložit celý projekt přes funkci „File/Save As…“. spsks.cz Obrázek 146 – Export do formátu STL 115 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 10.3 Skenování sochy Cíl: Optimalizovaný polygonální model ustavený do logického souřadného systému. Aplikace: Polygonální model se použije pro archivaci aktuálního stavu sochy. Po několika letech se socha může znovu naskenovat a porovnáním se zjistí vliv eroze na tvar sochy. Předpoklady: 3D skener ATOS Compact Scan 5M Tritop systém s kamerou Nikon D300s Software ATOS Professional XL Postup: 1. Příprava skenovaného objektu Sochu umístíme na takové místo, abychom kolem objektu měli volný prostor minimálně 3 m. Na objekt umístíme referenční značky velikosti 8 mm, protože pro skenování použijeme velký měřicí objem MV1200. Hustota značek nemusí být tak vysoká jako při skenování bez fotogrammetrie. Ideální počet referenčních značek je 5 v záběru. Dále musíme udělat přípravu pro fotogrammetrické měření Tritopem. Na objekt rozmístíme kódované značky a položíme 2 kalibrační tyče. spsks.cz 116 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 spsks.cz Obrázek 147 – Skenovaný objekt 2. Fotogrammetrie Na fotoaparátu Nikon D300s, který je součástí systému Tritop, zaostříme objektiv na správnou měřicí vzdálenost, nastavíme clonu a intenzitu blesku. Změříme teplotu obou kalibračních tyčí a v případě rozdílné teploty spočítáme průměrnou hodnotu. Začneme se 4 kalibračními fotkami focenými na stejné místo sochy s pootočením fotoaparátu vždy o 90° kolem osy objektivu. Poté profotíme sochu pokud možno v několika výškových úrovních, aby fotky tvořily obálkovou polokouli. 117 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 spsks.cz Obrázek 148 – Rozložení fotek v polokouli Přes úvodní obrazovku softwaru ATOS Professional založíme nový projekt. Vznikne dočasný projekt uložený v adresáři uživatele. Název projektu zadáme později. 118 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 spsks.cz Obrázek 149 – Úvodní obrazovka softwaru ATOS Professional Vytvoříme fotogrammetrickou měřicí sérii přes menu Acquisition/Measurement Series/New., kde zvolíme „Photogrammetry measurement series“. Obrázek 150 – Volba typu měřicí série V dalším okně nastavíme teplotu kalibračních tyčí, ohniskovou vzdálenost objektivu (24 mm), vybereme kalibrační tyče, zvolíme správnou velikost referenčních značek (8 mm) a jejich přesnost při focení i při skenování. 119 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 spsks.cz Obrázek 151 – Parametry fotogrammetrické měřicí série Přepneme se do fotogrammetrického módu „Photogrammetry“, čímž se nám objeví nástrojová lišta s funkcemi pro fotogrammetrii. Obrázek 152 – Pracovní mód „Photogrammetry“ Z fotoaparátu vyjmeme paměťovou kartu, vložíme ji do čtečky karet a tu přes USB rozhraní připojíme do počítače. Přes ikonu „Add Images“ v nástrojové liště a 120 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 volbu „Add Images From Removable Disk…“ se objeví dialog, přes který překopírujeme fotky z karty do projektu. Pokud máme k počítači připojených více USB disků, dbáme na výběr správného zdroje. Volbu „Delete images from removable disk“ necháme zatrženou, aby se po úspěšném překopírování fotek do počítače fotky z karty smazaly. Obrázek 153 – Překopírování fotek do počítače Po načtení jsou fotky seřazeny do tabulky. V tuto chvíli má software u každé fotky identifikovány kódované referenční značky jako tzv. „image points“ (body ve 2D fotce). Dvojklikem myší na zvolenou fotku si můžeme zobrazit informace k jednotlivým fotkám. spsks.cz Obrázek 154 – Stav po nakopírování fotek z karty Aby se fotky ustavily v prostoru, musíme projekt přepočítat pomocí žluté ikony „Recalculate“ v nástrojové liště. Pokud bylo focení provedeno správně, tak všechny záběry získají zelenou ikonu stejně jako nadřazená měřicí série. 121 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 Obrázek 155 – Fotogrammetrická měřicí série po přepočítání spsks.cz Tímto krokem jsme ukončili fotogrammetrické měření. Ze skenované sochy odstraníme kódované značky i kalibrační tyče a můžeme přistoupit ke skenování Atosem. 3. Příprava 3D skeneru Na skener našroubujeme objektivy určené pro měřicí objem MV1200. Odstraníme ochranné plastové krytky z objektivů a zapneme skener. Po připojení skeneru k počítači přes ethernet kabel inicializujeme skener v otevřené aplikaci s fotogrammetrickým projektem. Žlutá inicializační ikona informuje o aktuálním čase, který ještě zbývá, než se skener zahřeje na provozní teplotu. Po uplynutí této doby ikona změní barvu na šedou. Ideální je skener připojit a inicializovat před fotogrammetrickým měřením, za dobu focení se stihne nahřát na provozní teplotu. 122 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 Obrázek 156 – Inicializace senzoru V „Set up“ módu aplikace zvolíme funkci „Set Up Sensor“, kde vybereme z rozbalovacího seznamu „Camera distance“ hodnotu „500“ a pro „Measuring volume“ položku „MV1200 (1200 x 900 x 900)“. Tlačítkem „Next“ vybrané nastavení potvrdíme. Na „Next“ klikneme ještě 6x, dokud se neobjeví tlačítko „Finish“. Ostatní kroky, které jsme přeskočili, se provádí pouze v případě, když se mění konfigurace senzoru nebo měřicí vzdálenost. spsks.cz Obrázek 157 – Nastavení skeneru v Set Up módu Objektivy jsou od výrobce standardně nastavené na daný měřicí objem - jsou zaostřené na měřicí vzdálenost a mají správně nastavenou clonu. Pokud bychom měli objektivy rozostřené nebo se špatně nastavenou clonou, mohli bychom je v tomto módu seřídit. V tomto příkladu se ale nastavením objektivů zabývat nebudeme a přejdeme rovnou ke kalibraci. Přehledného průvodce vyvoláme přes ikonu „Calibrate Sensor“ v horním menu. 123 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 Obrázek 158 – Ikona kalibrace skeneru V dialogu vybereme odpovídající kalibrační objekt označený „CP40/MV1200“ a doplněný o sériové číslo. Zde ponecháme zaškrtnutou volbu „Instructions“. spsks.cz Obrázek 159 – Výběr kalibračního elementu Po kliknutí na „Next“ přejdeme do dalšího dialogu, kde zkontrolujeme, zda máme zadaných 8 mm pro „Focal length (camera)“, a nastavíme teplotu kalibračního kříže. Teplotu změříme dotykovým teploměrem nebo můžeme vyjít z okolní teploty, pokud v ní byl kalibrační kříž dostatečně dlouho temperovaný. 124 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 spsks.cz Obrázek 160 – Nastavení teploty kalibračního objektu Po dalším kliknutí na „Next“ se objeví shrnutí nastavených parametrů, které potvrdíme tlačítkem „Finish“. Tím se dostáváme k vlastní kalibraci, kde se už budeme řídit jednotlivými obrázky a popisky softwarového průvodce. Pro nakalibrování skeneru musíme provést 24 snímků s různým natočením kalibračního kříže. Pokud necháme zatrženou volbu „Automatic exposure time“, nastaví software při každém snímku automaticky ideální expoziční čas. 125 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 spsks.cz Obrázek 161 – Softwarový průvodce kalibrací Na konci kalibrace software zobrazí informaci, zda byly splněny interní limity kvalitní kalibrace. Pro přepnutí z jednoduchého výpisu na kompletní stačí kliknout na ikonu se zdvojenými šipkami. Obrázek 162 – Informace o provedené kalibraci 4. Skenování Pro skenování se přepneme do měřicího módu přes ikonu „Digitize“. V horní liště se objeví nástroje pro ovládání skeneru. 126 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 Obrázek 163 – Měřicí mód „Digitize“ V dalším kroku musím najít ideální expoziční čas pro skenovaný povrch. Tato hodnota souvisí s intenzitou okolního osvětlení a s barvou skenovaného povrchu. Ve 2D okně kamery se přepneme přes spodní ikonu do režimu expozičního času pro povrch a tažením myši nastavíme ideální hodnotu. Povrch by neměl být červený (přeexponovaný) ani tmavý (podexponovaný). Většinou se nechává takový expoziční čas, kdy zmizí většina červených oblastí. spsks.cz Obrázek 164.– Nastavení expozičních časů na povrch objektu Nejen na povrch, ale také na referenční značky musíme nastavit správný expoziční čas. Ten je nezávislý od toho povrchového. Nastavuje se po přepnutí ikonou ve spodním 2D okně kamery. Zásady při nastavování platí podobné jako u povrchu, body nesmí být přesvícené (červené) ani příliš tmavé. Software nás navíc u každé referenční značky informuje o aktuálním stavu nasvícení hláškou „overexposed“ nebo „low contrast“. Ideální expoziční čas je takový, kdy u referenčních značek není ani jedna z uvedených hlášek. 127 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 Obrázek 165 – Nastavení expozičních časů na referenční značky Další parametry se nastavují přes ikonu „Parameters For New Measurements“ umístěnou v horní nástrojové liště. Musíme zde definovat kolik expozičních časů má software při skenování použít. To závisí na barvě skenovaného povrchu. Pokud je barva objektu všude v přibližně stejném odstínu, stačí nastavit 1 nebo 2 expoziční časy. Pokud se barva mění od světlé po tmavou, používají se expoziční časy 3. Pro tuto úlohu zvolíme 2 expoziční časy. Parametr „Quality“ ovlivňuje přesnost výsledného skenu. V našem případě skenování sochy si můžeme dovolit použít i body identifikované jako méně přesné, nastavíme tedy parametr „More Points“. Nakonec nastavíme rozlišení na „Full resolution“, aby byl povrch zachycen s co nejlepším detailem. spsks.cz Obrázek 166 – Nastavení parametrů pro jednotlivé skeny Dále potřebujeme založit novou měřicí sérii, do které bude software zapisovat jednotlivé skeny. Tu vytvoříme v menu "Acquisition/Measurement Series/New…“, kde zvolíme „Dependent ATOS measurement series“. Takto vytvořená série bude závislá na fotogrammetrické měřicí sérii a bude si z ní přebírat informace o referenčních značkách. 128 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 spsks.cz Obrázek 167 – Vytvoření nové měřicí série Nyní tedy můžeme začít skenovat přes ikonu „Scan Measuring Object“ umístěnou v horní nástrojové liště nebo přes klávesovou zkratku „mezerník“, popř. s využitím dálkového ovladače. 129 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 spsks.cz Obrázek 168 – Spuštění skenování Při skenování můžeme postupovat libovolným způsobem, nemusíme dodržovat postupné navazování skenů, jak to je nutné v projektu bez fotogrammetrického měření. Pokud se nebude někde dařit skeny navázat kvůli nedostatku referenčních značek, značky můžeme doplnit během skenování. Objekt skenujeme tak dlouho, dokud není proskenován kompletní povrch. 5. Polygonizace Ke zpolygonizování naskenovaných dat použijeme funkci „Polygonize and Recalculate“ umístěnou v horní nástrojové liště. Software automaticky vybere všechny skeny, pokud jsme předem neprovedli vlastní výběr toho, co chceme zpolygonizovat. V dialogu nastavíme „Postprocessing“ na hodnotu „Normal“ a zatrhneme možnost „Fill reference points“. Po kliknutí na OK software začne polygonizovat, což u velké sochy může trvat i několik desítek minut v závislosti na počtu skenů. Po ukončení výpočtu se ve stromové struktuře objeví nový objekt pod položkou „Meshes“. 130 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 spsks.cz Obrázek 169 – Polygonizace skenů 6. Optimalizace polygonální sítě Po polygonizaci můžeme přistoupit k optimalizaci sítě. Pro zpřístupnění nástrojové lišty s optimalizačními funkcemi se musíme přepnout do pracovního módu „Mesh Editing“. Nejprve odmažeme nepotřebné oblasti, které se naskenovaly spolu s hlavním objektem. Potom přes klávesovou zkratku „CTRL“ + „A“ vybereme všechny trojúhelníky a zvolíme funkci „Smooth Mesh“. Nastavíme parametry „Filter radius“ na „Large“, „Detail sharpness“ na „Normal“, „Surface tolerance“ na 0,08 mm a necháme provést vyhlazení kliknutím na „Apply“ se stisknutou klávesou „ALT“ (podržením klávesy „ALT“ zůstane zachovaný výběr trojúhelníků). Dále použijeme funkci „Thin Mesh“ s parametry „Surface tolerance“ 0,05 mm a „Max. edge length“ 2,0 mm. Tím dojde k redukci počtu trojúhelníků. 131 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 Obrázek 170 – Parametry nastavené v první fázi optimalizace Pokud na objektu zůstaly nezalepené díry po referenčních značkách nebo nějaké nedoskenované oblasti, můžeme je zalepit interaktivním nástrojem „Close Holes Interactively“. Optimálními parametry, které by měly přesně zalepit většinu děr, jsou „Filling result“ „Normal“ a „Delete neighborhood“ 2. Pomocí ikony „zeleného trojúhelníku“ v plovoucí nástrojové liště potvrdíme zalepení aktuální díry a necháme software vyhledat díru další. Takto postupujeme dokud nezalepíme všechny díry. spsks.cz Obrázek 171 – Zalepování děr v polygonální síti Pro lepší optimalizaci polygonální sítě nyní aplikujeme funkce „Smooth Mesh“ a „Thin Mesh“ ještě jednou s mírně pozměněnými parametry. Pro vyhlazení změníme parametry „Filter radius“ na „Normal“ a „Surface tolerance“ na 0,05 mm. Redukci počtu trojúhelníků provedeme se změněným parametrem „Max. edge length“ 5,0 mm a hodnotu „Surface tolerance“ ponecháme na 0,05 mm. 132 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 Obrázek 172 – Parametry nastavené ve druhé fázi optimalizace Nakonec použijeme funkci pro odstranění vnitřních chyb polygonální sítě. Tato funkce nemá žádné parametry k nastavení. Automaticky odstraňuje např. degenerované trojúhelníky nebo vzájemně se protínající trojúhelníky. Najdeme ji v menu „Operations/Mesh/Other/Eliminate Mesh Errors“. spsks.cz Obrázek 173 – Odstranění vnitřních chyb polygonální sítě 7. Ustavení skenu do souřadného systému Pro ustavení použijeme funkci „3-2-1“, kterou najdeme v menu „Operations/Initial Alignments/3-2-1…“. Nadefinujeme 3 body v Z-rovině, 2 body v Y-směru a 1 bod pro X-směr. Směr os lze otáčet přes parametr „Plane positive“ nebo „Line positive“. 133 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 Obrázek 174 – Ustavení skenu sochy funkcí 3-2-1 8. Export dat Posledním krokem je export polygonálního modelu do formátu STL. To provedeme přes funkci „File/Export/Mesh/STL…“. Přes šipku u názvu souboru si zvolíme, kam na disku se má soubor vyexportovat. Parametr „Data mode“ nastavíme na „Binary“ formát a v menu „File type“ zvolíme „GOM“. Pokud chceme zachovat jednotlivé skeny v měřicí sérii, můžeme uložit celý projekt přes funkci „File/Save As…“. spsks.cz 134 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 spsks.cz Obrázek 175 – Export do formátu STL 135 kapitola 11 Technologie skenování ve 3D 11 Shrnutí Jelikož oblast využití 3D skenování se neustále rozšiřuje, rostou stejně rychle i nároky na uživatele 3D skeneru. Každá oblast má své vlastní know-how, se kterým by se měl uživatel seznámit. V oboru 3D skenování působím již více než 13 let a v této učebnici jsem se snažil alespoň částečně shrnout zkušenosti a poznatky za tu dobu získané. Učebnice nabídla obecný přehled 3D skenerů, aplikací a metodiky skenování. Detailněji jsme se podívali na 3D skenery firmy GOM, která je aktuálně jedním z lídrů v oblasti 3D optické digitalizace. Naučili jsme se pracovat se skenerem ATOS Compact Scan a získané znalosti bychom měli být schopni využít při skenování jednoduchých objektů. Závěrem děkuji firmě MCAE Systems za získané zkušenosti, které jsem využil při psaní této učebnice. Ing. Robert Navrátil spsks.cz 136 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 13 12 Citace 3D skenery firmy GOM: http://www.gom.com/ Český distributor 3D skenerů firmy GOM: http://www.mcae.cz/ 3D skenery firmy Steinbichler: http://www.steinbichler.com/ 3D skenery firmy Aicon: http://www.aicon3d.com/start.html 3D skenery DAVID-LaserScanner: http://www.david-3d.com/ 3D skenery firmy Creaform: http://www.creaform3d.com/ 3D skenery firmy Faro: http://www.faro.com/en-us/products 3D skenery firmy Cyberware: http://www.cyberware.com/ 3D skenery firmy Canfiled: http://www.canfieldsci.com/ 3D skenery firmy Artec Group: http://www.skenovanive3d.cz/ 3D skenery firmy 3D Digital: http://www.3ddigitalcorp.com/ 3D skenery firmy Revware: http://www.revware.net/ Přehled 3D skenerů určených pro dentální aplikace: http://exocad.com/oem-integration/ Dentální skener pro skenování uvnitř ústní dutiny: http://www.itero.com/why-itero Rentgenový dentální skener: http://www.prexion.com/ Microsoft Kinect: http://www.microsoft.com/en-us/kinectforwindows/ Meotdy 3D skenování: http://en.wikipedia.org/wiki/Laser_Range_Scanner#Technology Virtuální navrhování oblečení: http://assystbullmer.co.uk/industries/clothing/ Virtuální muzeum: http://hampson.cast.uark.edu/ Skenování budov a interiérů: http://www.surfaceandedge.com/index.php Software pro inspekci a Reverse Engineering firmy RapidForm: http://www.rapidform.com/home/ Software pro inspekci a Reverse Engineering firmy Geomagic: http://www.geomagic.com/en/ Software pro inspekci a Reverse Engineering firmy InnovMetric: http://www.innovmetric.com/ Software pro inspekci a Reverse Engineering firmy Tebis: http://www.tebis.com/ spsks.cz 137 kapitola 12 Technologie skenování ve 3D kapitola 10 Software GOM Inspect (zdarma): http://www.gom.com/3d-software/gom-inspect.html Videa k skenerům firmy GOM: http://www.youtube.com/user/GOMMetrology/ spsks.cz 138
Podobné dokumenty
tzropaplyn
Úplné stanovení složení ropy nebylo provedeno, což vyplývá z její extrémní složitosti. U
lehčích podílů (např. benzín) byla provedena podrobná analýza. V benzínové frakci
z americké ropy bylo odhal...
Vzdělávací program 2016
− ustavení na CAD (3-2-1, Plane-Line-Point, RPS, BestFit, Iterativní
ustavení a další)
− porovnání vůči referenčnímu CAD modelu (barevná mapa ve 3D, v
řezech nebo odchylky v definovaných bodech, ba...
SPS-3
přemísťování materiálu v prostoru. Potřeba měnit prostor a polohu u materiálů může mít
z technologického pohledu několik důvodů. Prvním je doprava technologická, která vyžaduje
transport a polohová...
TZK-3
splňovat základní požadavky pevnosti, nasákavosti a mrazuvzdornosti.
Barva kamene je nejvýraznější po vyleštění povrchu. Podle zatřídění
materiálů do skupin jsou u magmatických hornin dostupné všec...
Vyšší odborná škola, Střední škola, Centrum odborné přípravy
výrobou desetivrstvého plošného spoje na nějţ jsou kladeny vysoké technologické
nároky. U této výroby jsem byl osobně přítomen při odborné praxi ve firmě PCB
Benešov. Prošel jsem celým výrobním pro...
Manuál k aplikaci JanMap v.2.5.1
Generate Quads... - nástroj na generování kvadrátů síťového mapování na území ČR
Generate Buffers... - nástroj pro vytváření obalových zón
Vector Analyses... - analytické funkce pro vektorové...
