Осязающий луч: Трехмерные сканеры с легкостью копируют окружающий мир

Получив любезное разрешение руководства Палеонтологического института РАН и заведующего Палеонтологическим музеем Александра Карху, мы решили использовать портативный ручной 3D-сканер для создания виртуальной модели одного экспоната- черепа человека, жившего около 6000 лет назад, а также модели целой экспозиции, где выставлены скелеты динозавров. Сканеры нам для этого понадобились разные.

Алексей Чехович, консультант по 3D-оборудованию компании ConsistentSoftwareDistribution, бережно берет со стола череп и начинает методично наклеивать на желтоватую поверхность кости бумажные метки, похожие на маленькие мишени. Затем в его руках оказывается портативный ZScanner 700 CX, похожий то ли на фантастический бластер, то ли на голову игрушечного робота. Аппарат вспыхивает белой светодиодной подсветкой, а на черепе лазер уже рисует две красные перекрещивающиеся линии. Алексей свободно поворачивает череп одной рукой, а другой наводит сканер на разные участки. «Поскольку ни сканер, ни объект жестко не закреплены, — объясняет Алексей Чехович, — прибору необходима постоянная привязка к системе координат. Для этого на сканируемый объект наносятся светоотражающие маркеры». Принцип работы сканера основан на цифровой фотографии. Источник лазерного излучения проецирует на сканируемый предмет «крест» — две пересекающиеся под прямым углом линии. Ложась на искривленную поверхность, рисунок преломляется. Изменения вида лазерного креста фиксируются с помощью двух встроенных в сканер высокоскоростных камер. Специальное ПО аппарата анализирует эти картинки и на их основе строит геометрию объекта. По центру стоит еще одна камера, функция которой — фотографирование поверхности объекта в цвете.

Результаты сканирования Алексей Чехович отслеживает на мониторе ноутбука. На экране видно, где модель уже полностью сформировалась, а где череп еще предстоит отсканировать. В любом случае, само сканирование — это еще только начало процесса. Впоследствии модель дорабатывается на компьютере, например, с целью убрать посторонние элементы, попавшие в поле зрения сканера.

«Не всегда геометрию можно сходу описать математикой, — продолжает рассказ Алексей. — В инженерном деле бывает так, что рассчитанный на компьютере прототип вытачивают на фрезерном станке с ЧПУ или распечатывают на 3D-принтере. А затем продувают его в аэродинамической трубе. Выявляются недостатки, и начинается ручная корректировка. Попросту говоря, для придания образцу более оптимальной аэродинамической формы конструкторы лепят на него пластилин. Наконец, усовершенствованная пластилином модель ведет себя в трубе идеально. Но вот беда — ее точной цифровой модели уже не существует. Пластилиновые заплатки автоматически в CAD-модель не заносятся. Как вернуть доработанную модель в виртуальное пространство? Вот тут-то нам и пригодится 3D-сканер».

Разрешающая способность сканера 0,05 мм, и этого вполне достаточно, чтобы копировать для последующих воспроизведений детали двигателей и прочих точных механизмов. Хотя кроме собственно скана важно и оборудование, на котором 3D-образ вновь воплощается в реальность. Позже мы попросили сделать для нас распечатку части модели черепа на одном из трехмерных принтеров- прекрасной машине для прототипирования, печатающей методом склейки композитного порошка на основе гипса. Однако для создания научно достоверной копии черепа его разрешающей способности немного не хватило.

«Мы сравнили слепок, который был получен методом 3D-печати, со слепком, изготовленным по нашей традиционной технологии, — говорит Александр Карху. — Они очень похожи, но при сравнении деталей слепок, отпечатанный на принтере, уступает тому, что выполнен стандартным способом. Имеется в виду тонкая проработка рельефа кости, который весьма важен при изучении образца. Однако я уверен, что именно этим технологиям принадлежит будущее. То, что я увидел — огромный прогресс по сравнению с виденным мною пару лет назад».

Пока Алексей колдовал с черепом, в одном из больших залов Палеонтологического музея работал Максим Кирилловский из петербургской компании «Промышленные технологии». Он привез с собой диковинный аппарат на штативе и передвигался с ним вокруг популярной экспозиции с окаменевшими скелетами динозавров. Его Surphaser — лазерный сканер полярного типа. Сканирование в нем происходит с помощью вращающейся головки с источником лазерного излучения. Принцип работы здесь не такой, как в портативном ZScanner. Surphaser ничего не фотографирует, он лишь определяет расстояния до множества точек окружающего пространства, вычисляя разность фаз исходящего и отраженного луча. Кроме того, с помощью датчиков поворота определяются угловые расстояния между точками. Для каждой точки записываются не только координаты, но и параметры интенсивности отражения. Surphaser предназначен для сканирования макрообъектов, и чтобы создать 3D-модель дома или корабля, необходимо провести съемку с нескольких точек (стоянок). Чем больше стоянок, тем качественнее скан. По окончании съемок при помощи специального ПО все полученные данные сводятся воедино, привязываются к общей системе координат.

«Недавно в Индонезии я сканировал огромное буровое судно в процессе постройки, — рассказывает Максим. Это была долгая и кропотливая работа — судно снималось и снаружи (оно было в сухом доке), и изнутри. Только чтобы создать модель машинного отделения, пришлось сделать двадцать стоянок. Зато перед установкой на судно трубопроводов и бурового оборудования мы могли увидеть на виртуальной модели, насколько эти конструкции впишутся в корпус судна. Это выгоднее дорогостоящих переделок.

Другой интересный проект, в котором мне недавно довелось участвовать, — сканирование технологического проема в шахте АЭС. Требовалось заменить парогенератор, но было не очень понятно, позволят ли габариты шахты и находящихся в ней конструкций вынуть старый, отслуживший свое узел и поставить новый. Эту операцию обязательно надо было отрепетировать в виртуальной реальности».

Наш визит в Палеонтологический музей, возможно, и не имел такого научно-практического значения, как сканирование атомных станций. Однако он стал еще одним свидетельством тому, что сфер, где 3D-сканирование оказалось бы лишним, попросту не осталось.