Статьи: Эксклюзив

Под прицелом: 3D сканеры в развлекательной индустрии

Под прицелом: 3D сканеры для индустрии развлечений

     "Человек-паук 2". 3D scanning от Gentle 
                           Giant Studios

Производственный этап по созданию компьютерной графики включает в себя три основных этапа: моделирование, анимацию и рендеринг. В данной статье мы рассмотрим технологию сканирования объекта посредством 3D сканера, как одну из наиболее развивающихся, перспективных и часто используемых при создании компьютерной модели объекта. Проанализируем сильные и слабые стороны столь популярной технологии в работе. Мы рассмотрим 3D сканеры в контексте развлекательной индустрии, а именно gamedevelopment и киноиндустрии. Почему развлекательная индустрия? А потому, что данный сегмент рынка является одним из наиболее перспективных, развивающихся и, вне всякого сомнения, самым интересным для большинства из нас.

Историческая справка

Известно, что первыми заказчиками 3D сканеров были не голливудские студии, а различные конструкторские дизайн-бюро, работающие в области автомобилестроения и самолетостроения. Известно, что для автомобилей и самолетов важен коэффициент аэродинамического сопротивления, который во многом определяется обтекаемостью форм. Корпуса автомобилей и самолетов продуваются в гидродинамических трубах, где уровень обтекаемости форм определяется нагнетательным воздействием потока воздуха*.

«При чем здесь 3d сканер?»- спросите вы. Поясним. Работа по созданию модели автомобиля, самолета делится на несколько этапов. На первом этапе выполняется чертеж будущей модели, затем изготавливается его копия, как правило, из пластичного материала. Далее форма обдувается в гидродинамической трубе и только затем, при помощи сканирующих приборов, информация о ней переносится на компьютер и обрабатывается, чтобы на основе виртуальных моделей выполнить более точные чертежи будущего автомобиля, самолета и т.д. Можно было бы смоделировать и вручную, используя специальные программы, например, Maya, но, во-первых, это дольше, а во вторых, модель будет неточной, и инженеры будут недовольны такой работой. Позднее технология сканирования была принята на вооружение киноиндустрией. Произошло это знаменательное событие в первой половине 90-х годов теперь уже прошлого столетия.

Оливер Рид в фильме "Гладиатор" 
Первые 3D сканеры, использующие лазерную технологию, были впервые выпущены компанией Cyberware в 1991 году. Позднее, в 1992 году, была открыта фирма Cyberscan, специалисты которой соединили 3D сканер, 3D принтер и NCC (numerically controlled computer). Кроме того, в недрах студии была изобретена машина для воспроизведения копий человеческих тел при помощи 3D принтеров, исходя из данных, полученных при сканировании. Новация оказалась невероятно популярной и востребованной, посыпались заказы от голливудских мейджоров – крупных студий.

Следует сразу же заметить, что методы моделирования варьируются в зависимости от проекта. Многое зависит от целей, которые преследует студия или же отдельно взятый разработчик. Существует огромная разница между сканированием кувшина для Интернет-магазина и модели человеческого тела для крупнобюджетной кинопостановки. Употребление определения «крупнобюджетный» не является случайным, потому что использование технологии full body scanner значительным образом увеличивает расходы киностудии. Голливуд, как известно, прейскурантом не напугаешь, поэтому ни один современный блокбастер не обходится без сканирования объектов реквизита и, самое главное, ведущих актеров. К примеру, в ходе съемок небезызвестного фильма «Гладиатор» умер замечательный английский актер Оливер Рид, но съемки не были даже приостановлены, потому что все ведущие актеры заранее были отсканированы, и умершего актера заменил дублер на общих планах и тот же дублер, но уже с оцифрованным лицом Оливера Рида - на крупных. 

Контактные сканеры 

      Контактный сканер компании Immersion

Специалисты выделяют несколько технологий трехмерного сканирования, ни одна из которых не является стандартом в индустрии. Происходит это во многом потому, что нет технологий без недостатков. У каждой из используемых технологий есть свои плюсы и минусы. Можно подразделить все существующие технологии 3D сканирования на два типа: контактные и бесконтактные/дистанционные. Контактный сканер – это тип сканера, который использует в своей работе принцип обводки контура объекта вручную самим оператором. Другими словами, сканеры, работающие с этой технологией, обладают специальным механическим приспособлением – сенсором, который напоминает «щуп». При помощи данного устройства в компьютер передаются выбранные оператором точки сканируемого объекта. 

Главным достоинством и недостатком одновременно этого типа устройств является их полуавтоматичность: модель, по сути, производит оператор, а не само устройство, что значительно медленнее, более дорогих 3d сканеров, использующих лазерную технологию. К тому же, в отличие от лазерных, бесконтактных сканеров, сенсорные сканеры не считывают текстуру, что в принципе является определяющим критерием при выборе сканера для его использования в киноиндустрии. 
Неудивительно, что подобные сканеры большинство специалистов уже списали со счетов, заявив, что их потолок- это сканирование небольших объектов. Тем не менее, спрос на эти сканеры по-прежнему достаточно высок в силу невысокой, даже низкой стоимости. Не удивительно, что контактные сканеры уже успели окрестить сканерами для бедных, которые предназначены для моделлеров-лентяев, работающих в дизайнерских студиях. Использование контактных сканеров при наличии на рынке бесконтактных, является нецелесообразным и малоэффективным предприятием в работе над фильмом или же компьютерной игрой.

Бесконтактные сканеры

        Бесконтактный сканер от Cyberware
Бесконтактные трехмерные сканеры используют более сложную и передовую лазерную технологию. Большинство из данного типа устройств совмещают в себе следующие приборы: лазерные датчики, которые заменяют контактный сенсор, а также цифровую фототехнику, которая используется для большей точности сканирования и, самое главное, она позволяет получить модель объекта с текстурами. 

Недостатком данного типа устройств является их заоблачная стоимость (о ценах еще будет сказано) и невозможность управлять процессом сканирования. После сканирования модели данным типом сканеров, объект приходится создавать практически заново, потому что модель получается в большинстве случаев малопригодной для анимации. К достоинствам отнесем возможность сканирования трехмерной текстуры, которая требует минимальной доработки. В этом плане бесконтактные лазерные сканеры бьют по всем статьям контактные с их нежеланием работать с текстурой. К тому же лазерные сканеры работают с гораздо более крупными объектами, нежели их механические собратья. 

Технология лазерного сканирования продолжает развиваться по трем главным направлениям: сканирование по зонам, точкам и полосам. Лучшие результаты демонстрирует технология сканирования по полосам. На объект проецируется специальная сетка\полоса и по ее искажениям определяется контур сканируемой поверхности. В киноиндустрии наиболее используемыми являются, конечно же, бесконтактные 3d сканеры, использующие технологию сканирования по полосам. 

Необходимо упомянуть бесконтактные сканеры, которые базируются на ультразвуковых установках. Кроме того, в данный момент специалисты работают над созданием магнитных сканеров, которые определяют координаты в пространстве посредством изменения пространственного магнитного поля. К достоинствам этого типа сканеров следует отнести возможность сканирования тел, находящихся в однородной среде или имеющих внутреннюю структуру. К недостаткам отнесем высокую стоимость и чрезмерную чувствительность к изменениям окружающей среды. Кроме того, ультразвуковые и магнитные сканеры обладают низкой точностью - 1/16 и 1/32 дюйма соответственно. Данный тип сканеров используется преимущественно в медицине. 

Между прочим, существует предубеждение, что лазерные сканеры опасны для человеческих глаз. В действительности же так было раньше, а современные 3D сканеры, использующие лазерную технологию, совершенно безвредны для глаз человека. По крайней мере, об этом твердит производитель. Если же он обманывает, и вы пострадали при работе с 3D сканером, то сообщите об этом нам, и мы поможем вам выиграть судебную тяжбу. Кстати, о производителях.

Производитель и цены 

          Сканер WBX 4 компании Cyberware
На рынке существует большое количество фирм, занимающихся производством 3D сканеров. Мы же расскажем о наиболее известных компаниях, производящих сканеры, которые используются в кино и игровой индустрии. Цены на продукцию, естественно, разнятся и зависят от объема предоставляемых услуг и возможностей аппарата. Ниже мы проанализируем продукцию некоторых ведущих фирм, выпускающих full body scanners, которые можно использовать в производстве компьютерных игр и фильмов. 

В первую очередь, следует упомянуть американскую фирму Cyberware, которая по праву считается одним из лидеров в производстве лазерных 3D сканеров. Компания занимается производством дорогостоящего оборудования, полный комплект которого может быть использован в работе над фильмом с большим количеством сложных эффектов.
Последняя версия The Whole Body X 3D Scanner (WBX) обойдется заказчику в 240 000$. Комплект оборудования поставляется вместе с программой DigiSize, которая занимается измерением, анализом и хранением данных при сканировании. Но не все так просто, потому что кинопроизводителю придется приобрести за отдельную плату созданную компанией программу CySlice, которая необходима для перевода полученного изображения в NURBS, QUADS, SUBD и для упорядочивания полигонов.

Редакция Интернет-издания Render.ru связалась со Сью Аддельман, вице-президентом компании Cyberware, и она согласилась ответить на несколько интересовавших нас вопросов.

А. Х.:(Анна Харькина) Сколько времени требуется сканеру для полного сканирования тела человека? 

С.А.:(Сью Аддельман) Полный цикл занимает 17 секунд, если мы говорим об одном проходе. Вообще WBX используется в вооруженных силах для сканирования рекрутов. Приемлемый результат достигается по прошествии 45 секунд. 

А.Х.: Можем ли мы импортировать полученную сканером

СyClise Software для конвертирования файлов 
             и упорядочивания полигонов

информацию в программные пакеты Maya, Max и т.д.?

С.А.: Конечно. Большинство наших клиентов используют в своей работе программные решения Maya и 3ds Max. Наше программное обеспечение, поставляемое с оборудованием, поддерживает различные 3d форматы, включая .3DS. Большинство пользователей Maya приобретают дополнительно CyClise software, который является мощным пакетом для конвертирования файлов формата PLY (формат Cyberware) в NURBS, QUADS, SUBD’s и упорядочивания полигонов. 

А.Х.: Необходимо ли дополнительное освещение для корректной работы сканера?

С.А.: Наше оборудование производится с учетом использования его в самых обыкновенных условиях. Существует, конечно, ряд рекомендаций. Прежде всего, необходимо не допускать попадания прямых солнечных лучей на сканирующие элементы оборудования. 

А.Х.: Какое получается на выходе разрешение текстуры?

С.А.: Предыдущая модель выдавала разрешение 2000х2000. Вообще более подробная информация о предыдущей модели доступна на нашем сайте. Что же касается новой модели, то разрешение будет порядка 3072х2048. В данный момент новый образец проходит тестирование. 

А.Х.: Много ли времени уходит на корректировку материала после окончания сканирования?

С.А.: Немного. 17 секунд уходит на сканирование, полученный материал сразу же становится доступен для работы, благодаря программному обеспечению, которое сразу же «сшивает» полученный материал в файл PLV формата.

Резюмируем. Общий процесс сканирования человека занимает у сканера WBX компании Cyberware порядка 17 секунд. В среднем на выходе получается модель на 250-300 тысяч полигонов при глубине цвета 8 bit и разрешение по оси X – 5мм, по оси Y – 8 мм, по оси Z- 0,5 мм. Стоимость аппарата 240 тысяч долларов.  
Скачайте совершенно бесплатно программу и изучите образец модели, полученный в результате сканирования оборудованием WBX компании Cyberware.  

Значительно дешевле – объединить несколько небольших сканеров в один. Такой способ предлагает несколько фирм, включая канадскую компанию InSpeck. Для того, чтобы отсканировать человека целиком, придется приобрести 6 сканеров, потому что использование только такого количества устройств дает полный обзор в 360 градусов. Обойдется такой комплект в 120 000 евро. 
В сканерах InSpeck используется направленный свет от галогенных ламп, не оказывающий вредного воздействия на здоровье. Процесс сканирования занимает одну секунду и более, в зависимости от требуемого разрешения. При этом можно получить 550 000 точек координат, разрешение по осям варьируется от 0,03 мм до 3мм. К достоинствам сканера следует отнести сенсор, который считывает информацию о текстуре и цвете. Комплект включает в себя программу по обработке данных inSpeck-EM. Она позволяет упрощать полигоны, редактировать полученные данные, переводить их в NURBS, а также экспортировать модели в различные популярные 3D приложения: Maya, Max, Lightwave, XSI. 

 

                       Технология фотосенсорного сканирования компании Realscan 3D

Компания Realscan3D открылась в 2004 году. Тем не менее, несмотря на столь молодой возраст, эта студия сумела завоевать серьезные позиции на рынке предоставления услуг по 3D сканированию. Компания, в отличие от InSpeck и Cyberware, не продает свое оборудование и софт для трехмерного сканирования, а оказывает услуги крупным заказчикам из киноиндустрии и gamedevelopment. Среди последних проектов выделим фильмы «Сокровище Нации» и «Высший пилотаж», а также игру Spy Hunter: Nowhere to run.
В своей работе компания использует бесконтактный сканер, основанный на работе фотосенсоров и запатентованной системы освещения объекта. В секунду камера делает два снимка. Первый снимок сканирует 90 000 координат по осям XYZ, второй снимок сканирует UV с разрешением 3072х2048 color map. Таким образом, сделав несколько снимков, оборудование студии способно производить модели с 3 миллионами полигонов. В то же время разрешение текстуры может достигать 4096х4096 пикселей.

                        Оптимизирование сетки при помощи программного пакета Realscan3D 

             В работе Body scanner Vitus pro 8C

Компания Olympus предлагает упрощенные сканеры, основанные также на работе фотосенсоров. При этом качество получаемых объектов получается вполне приемлемое при сравнительно небольшой цене. К тому же фотосенсоры не только сканируют форму и цвет, но также считывает информацию о текстуре. Цена на сканеры данного типа варьируется от 10 000 до 20 000 долларов, что крайне дешево для киноиндустрии, но качество получаемых моделей и текстур оставляет желать много лучшего. 

Следует заметить, что при использовании фотосенсорных сканеров и в том и в другом случае трехмерная модель получается программным путем, после того, как было сделано множество фотографий с разных ракурсов. Для того, чтобы добиться приемлемого результата при данном способе сканирования, необходимо хорошенько потрудиться. 

Немецкая компания Vitronic выпускает две модели сканеров: 3D Body scanner Vitus pro 8C и 16 C.
Эти системы комплектуются видео (для считывания формы) и фото (для съемки цвета) камер. В данном аппарате используется луч, но производитель, что вполне естественно, утверждает, что их способ сканирования абсолютно не вреден для глаз. Процесс сканирования занимает 21 секунду при разрешении 2 мм по оси Z и 11 секунд- при 4 мм по оси Z. Сканирование цвета и текстур возможно как дополнительная опция , при этом цвет фиксируется во всех 3D точках-координатах. Общие показатели данных сканирования: глубина цвета- 12 bit, разрешение по оси X- 2 мм, по оси Z- 2 мм, по оси Y- 2 мм. Аппарат предлагается за 150 000 евро. Кроме того, покупателю придется выложить дополнительно 13 000 долларов за программный пакет Human Solutions для работы с полученным изображением и переводом его в рабочие 3D форматы. 

 

Итоги

На рынке существует достаточно большое количество компаний, которые готовы предложить свои технологические и инженерные решения в области трехмерного сканирования человека. Ни одно из технологических решений не является совершенным, к тому же лазерные технологии, дающие наиболее приемлемый результат, отличаются высокой стоимостью, поэтому труднодоступны для небольших студий, только начинающих свой путь в мир большого кино или игровую индустрию. Ни один современный сканер не в состоянии отсканировать человека таким образом, чтобы затем не понадобилось вмешательство профессионала, работающего в специализированном программном обеспечении. На пост-обработку, полученной сканером информации, хорошему специалисту потребуется несколько часов, что, конечно же, значительно быстрее, нежели моделирование объекта с нуля. Но с другой стороны, моделирование вручную является полностью контролируемым процессом, в отличие от работы трехмерных сканеров, которые не в состоянии избежать разрыва сетки, затрудняются работать со сложным рельефом поверхности и т.д. В результате многие модели получаются по форме достаточно точными, но с таким букетом проблем, что о качественной анимации можно забыть. В любом случае, если даже моделлеру придется создавать модель снова, то имеющаяся под рукой «заготовка» ускорит рабочий процесс. Но стоит ли овчинка выделки?
Конечно. Но только если речь идет о крупном проекте, вроде кинофильма или же дорогостоящей компьютерной игрушки, где важна фотореалистичность персонажей и скорость работы над ними. Менее амбициозные проекты могут обойтись и без технологии трехмерного сканирования, потому что недорогие сканеры малоэффективны, так как не считывают текстуру и, скорее всего, будут ненужным довеском к работе квалифицированного моделлера или дизайнера, нежели необходимым инструментом, способным улучшить качество создаваемой модели.

P.S. В работе над статьей использован визуальный материал следующих сайтов:
www.cyberware.com
www.realscan3D.com
www.vitus.de
www.immersion.com 

* Ричардсон Р., Сканируя пространство. "Экспресс-Электроника",№10/2003 
 Автор благодарит Анну Харькину за содействие при написании статьи.  


29047 Автор:
Актуальность: 708
Качество: 615
Суммарный балл: 1323
Голосов: 16 оценки

Отзывы посетителей:

аватар
 
Константин Мееров 162 0
Спасибо
аватар
 
kreal 2 0
Обожаю такие темы, статья классная!
Зарегистрируйтесь, чтобы добавить комментарий.
Эту страницу просмотрели: 835 уникальных посетителей