Как вырастить виртуальное яблоко

Всеволод Киселев

Ультразвуковые сканеры

Электромагнитные сканеры

Лазерные сканеры

Механические сканеры

Первое впечатление

Рабочая область и точность оцифровки устройств из модельного ряда MicroScribe-3D

Оплетая сетью

Современные кисти

Условия работы

Подведем итог

Мы все имеем представление о том, как вырастить настоящее яблоко. Это весьма трудоемкий процесс, но история садоводства насчитывает столетия и все методы давно отработаны. С виртуальным яблоком все сложнее: для того чтобы его нарисовать с помощью какого-нибудь графического пакета, требуется хорошая квалификация и немало времени. Фрукт — это относительно простой объект, а если требуется, чтобы на экране монитора было хорошо прорисованное изображение автомобиля? Альтернативой многодневной работе с редактором являются 3D-дигитайзеры.

Дигитайзеры, как следует из названия, являются инструментом оцифровки трехмерных объектов. Для дальнейшей обработки и редактирования результатов сканирования существует множество различных программ. Задача получения 3D-моделей реальных объектов стоит перед промышленными дизайнерами, инженерами, художниками, аниматорами, разработчиками игровых приложений. Существует несколько типов дигитайзеров, и каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.

Ультразвуковые сканеры

Из всех систем по оцифровке 3D-объектов ультразвуковые (или сонарные) — наименее точные и надежные, но при этом самые чувствительные к изменениям в окружающем пространстве. Ультразвуковые дигитайзеры представляют собой систему передатчиков, жестко закрепленных на стенах и потолке. Смотрятся они весьма неэстетично. Передатчики излучают звуковые волны, на основании информации об отражении которых вычисляются координаты точек поверхности 3D-модели. Так как скорость звука зависит от атмосферного давления, температуры и других условий (например, влажности), то результаты оцифровки одного и того же объекта являются функцией состояния воздуха. Помимо этого данные системы очень восприимчивы к шуму, производимому различным оборудованием (компьютерами, кондиционерами), даже жужжание флуоресцентных ламп влияет на оцифровку. К тому же ультразвуковые системы издают странные «кликающие» звуки, раздражающие оператора и всех находящихся в помещении. В идеальных условиях абсолютная погрешность полученных результатов составляет 1,4 мм. Подобные сканеры применяются в основном в медицине и при оцифровке скульптур.

Электромагнитные сканеры

Принцип работы электромагнитных 3D-дигитайзеров такой же, как у ультразвуковых систем (принцип радара), только для построения пространственной модели вместо звуковых волн используются электромагнитные. Результат работы этих сканеров не зависит от погодных условий, но находящиеся поблизости металлические предметы или источники магнитного поля снижают точность измерений. Естественно, что подобные системы не могут оцифровывать металлические объекты. Даже в специальных помещениях, не содержащих ничего металлического, погрешность магнитных систем составляет не менее 0,7 мм.

Лазерные сканеры

Прежде всего следует отметить, что цена этих так называемых бесконтактных (оператор не обводит объект щупом) систем очень высока и нередки случаи, когда она выражается числом с пятью нулями (в американских долларах). Лазерные дигитайзеры обладают самой высокой точностью, но область их применения также имеет значительные ограничения. Большие трудности вызывает сканирование объектов с зеркальными, прозрачными и полупрозрачными поверхностями, а также предметов большого размера либо имеющих впадины или выступы, препятствующие прямому прохождению лазерного пучка. Лазерные дигитайзеры — полностью автоматизированные системы. Невозможность участия художника в процессе оцифровки не позволяет расставить акценты, например более подробно отобразить определенную часть объекта, или, наоборот, приводит к получению детализированных моделей, занимающих слишком много места и требующих значительных мощностей для их обработки. Сама оцифровка происходит достаточно быстро, но последующий процесс перевода автоматически полученных данных в конечное изображение может занять много времени (особенно это касается систем с точечной проекцией).

Механические сканеры

Эти устройства являются золотой серединой среди всех классов дигитайзеров. Высокая точность и относительно низкая стоимость сделали эти устройства самыми популярными. Принцип их работы заключается в следующем: контуры оцифровываемого объекта обводятся прецизионным щупом, положение которого замеряется механическими датчиками. Затем, используя массив трехмерных координат, специальная программа строит каркасную модель объекта. Большим плюсом механических сканеров является то, что получаемые с их помощью результаты не зависят от погодных условий, уровня шума, наличия электромагнитных полей. Тип поверхности также не имеет значения. Поскольку механические дигитайзеры являются ручными устройствами, их использование требует четкой координации движений и внимательности. Полнофункциональным решением для оцифровки объектов любой формы является дигитайзер MicroScribe-3D производства компании Immersion Corp.

Первое впечатление

MicroScribe-3D выполнен в черно-красной цветовой гамме, на несимметричной основе прикреплен трехшарнирный рычаг, оканчивающийся пером-датчиком. Внешне он похож на застывшую многосуставчатую конечность некоего футуристического робота. Благодаря наличию противовеса для управления этой механической «рукой» не требуется прилагать значительных усилий: шарниры с низким уровнем трения обеспечивают практически абсолютную свободу перемещения стального пера. Старшая модель из линейки MicroScribe может оцифровывать предметы, находящиеся в радиусе 840 мм, младшая — 635 мм. Рычаг устройств — жесткий, наличие шарниров позволяет провести дугу с максимальным углом в 330°. Наконечник «руки» может иметь разную форму: в виде шарика или острой иголочки — для снятия более точных показаний. Для удобства работы объект оцифровки должен находиться не слишком близко к основанию дигитайзера. В комплекте со сканером поставляются также ножные педали, которые играют роль правой и левой кнопок мыши.

Рабочая область и точность оцифровки устройств из модельного ряда MicroScribe-3D

Оплетая сетью

Установка MicroScribe-3D очень проста: достаточно подсоединить сканер к последовательному интерфейсу (Com-порту), проинсталлировать прилагающееся ПО — и можно работать. Перед каждой оцифровкой дигитайзер должен быть откалиброван. Пользователь выбирает три реперные точки (переднюю правую, переднюю левую и заднюю правую) и вводит их координаты в компьютер с помощью ножных педалей. После этого можно приступать непосредственно к оцифровке. Механические дигитайзеры обладают достаточно высокой точностью — до 0,2 мм. Модели из серии MicroScribe-3D могут снимать координаты со скоростью 1000 точек в секунду и передают информацию со скоростью 38 Кбит/с.

Перед сканированием многие дизайнеры расчерчивают объект, вырисовывают линии, по которым пройдет перо. Оцифровывать можно в полуавтоматическом и ручном режимах.

В полуавтоматическом режиме при обводке объекта пером дигитайзер через определенный промежуток самостоятельно измеряет координаты точек (при этом оператор должен держать ножную педаль нажатой). Этот способ занимает относительно мало времени, но получаемые модели зачастую перегружены лишними деталями, что увеличивает размер файла и время его обработки.

В ручном режиме оператор самостоятельно нажимает на педаль каждый раз, когда перо находится в той точке, которая затем станет одним из узлов сетки. Двойной щелчок по педали означает конец сканируемой линии. Подчас ограничения в свободе передвижения пера не позволяют прочертить заранее намеченную линию до конца, в этом случае следует немного изменить положение дигитайзера (но не объекта) и продолжить линию. Опытные пользователи планируют сканирование таким образом, что им, как правило, не приходится прибегать к этому приему.

На подготовку к сканированию и саму оцифровку сложного объекта может уйти несколько часов, но с накоплением опыта работы с дигитайзером это время значительно сокращается. Некоторым пользователям неудобно работать с ножными педалями, для них компания Immersion Corp выпустила ручные манипуляторы (их два вида: одни похожи на мышь, а другие на джойстик).

Современные кисти

В процессе сканирования объекта, по мере того как координаты точек попадают в компьютер, на мониторе вырисовывается пространственная модель. Для построения 3D-образов можно использовать программы от Immersion Corp (набор Digitizing Software Application), которые позволяют представлять отсканированные объекты различными способами, например в виде точек, линий, проволочного каркаса, сплайнов, NURBS (неоднородных рациональных B-сплайнов), а также редактировать и сохранять 3D-образы в файлах форматов dxf, IGES, obj, txt, 3ds для последующего импортирования в другие приложения. Для пользователей, привыкших работать с другими графическими редакторами, выпущены (и продолжают выпускаться) утилиты, связывающие MicroScribe-3D со многими графическими пакетами: 3D Studio MAX, AutoCAD, Cadkey, LightWave и др. Компания Yonowat выпустила ПО специально под дигитайзер MicroScribe-3D — редактор Amapi, который получил большое распространение благодаря своим широким возможностям и удобному интерфейсу; многие компании-реселлеры продают сканер от Immersion в пакете с этой программой.

Условия работы

Как ни странно, но для работы с таким многофункциональным устройством, как MicroScribe-3D, не требуется мощного компьютера, необходимы только 4 Мбайт ОЗУ, 15 Мбайт свободного места на жестком диске, свободный последовательный порт (COM-порт), ОС Windows 3.x или более поздняя. Намного больше компьютерных мощностей требуется для работы с современными графическими пакетами.

В модельном ряде MicroScribe — четыре дигитайзера: MicroScribe-3D предназначен для применения в сфере мультимедиа и анимации, MicroScribe-3DX — для научных целей и приложений в области CAD, а MicroScribe-3DL и MicroScribe-3DLX — для сканирования больших объектов.

Подведем итог

3D-дигитайзеры экономят большое количество времени для разработчиков. Механические сканеры обладают высокой точностью и умеренной ценой. Цель специалистов компании Immersion при разработке MicroScribe-3D состояла в обеспечении художников, аниматоров, разработчиков, промышленных проектировщиков и инженеров высокоэффективной системой трехмерной оцифровки. В результате появилось многофункциональное и компактное решение, которое делает многие проблемы оцифровки трехмерных объектов неактуальными. Жаль только, что оцифрованное яблоко нельзя съесть.

«САПР и графика» 10'2000