Сканирование крупных объектов
 |
| Жигалов Кирилл Юрьевич |
Совсем недавно на страницах журнала Render.ru появлялась статья о 3D сканерах, которые используются преимущественно в развлекательной индустрии. Статья имела определенный резонанс, и более того, Жигалов Кирилл Юрьевич, кандидат технических наук и заместитель директора компании «Талка-ТДВ», которая оказывает весь спектр услуг по сканированию крупных объектов, предложил рассказать об особенностях технологии сканирования объектов в промышленных масштабах. Мы с радостью предоставляем ему эту возможность.
Промышленные 3D сканеры
В данной статье мы рассмотрим технологию сканирования объекта в промышленных масштабах как одну из наиболее развивающихся, перспективных и часто используемых при создании компьютерной модели крупных объектов. Давайте изучим плюсы и минусы промышленных сканеров в работе. Промышленные сканеры бывают 2-х типов:
- наземные
- воздушные
Наземные сканеры используются для создания моделей зданий, заводов, кварталов и других больших сооружений. Такой сканер представляет собой две коробки небольших размеров и весом примерно 30-40 кг. Стоимость комплекта сканера с набором программ и вспомогательного оборудования составляет в среднем 120-250 тысяч евро. Дальность сканера составляет порядка 200 метров, на таком расстоянии он может определять объекты с точностью шага до 0.5 см. Современные сканеры в состоянии сканировать окружающую действительность с поворотом на 360 градусов, что позволяет сканировать сразу несколько зданий. Сшивка отдельных сканов выполняется посредством специальных марок или характерных точек рельефа. В итоге получаются модели достаточно точные, что позволяет легко вписывать их в кадр и использовать в киноиндустрии.
Воздушные сканеры крепятся на борт самолета, их основное использование – картографирование местности и создание 3d модели. В киноиндустрии данные сканеры в основном используются для создания моделей поселков и городов. Точность таких сканеров примерно 15 сантиметров. Стоимость – от 1.5 до 2.5 млн. евро. Следует сразу отметить, что в настоящее время студии в России не имеют своих собственных сканеров такого рода, равно как и специалистов, позволяющих с ними работать. Далее в статье мы будем рассматривать только наземные сканеры, так как они наиболее приближены к тематике издания.
Историческая справка
Первые промышленные сканеры вышли на рынок в 1997 году: к этому моменту были изобретены технологии, которые можно было использовать для выполнения сканирования на относительно большом расстоянии от объекта (до 50-и метров). Сканеры начинают применять при создании моделей крупных архитектурных сооружений. Следует сказать, что эти сканеры довольно тяжело внедрялись из-за сравнительной дороговизны технологии, и лишь в 1999 году начался подъем данной индустрии в целом. В России сканеры продаются последние 3-4 года, и прирост сегмента данного рынка равен 50% в год, что довольно неплохо. Мне известно два примера использования технологии лазерного сканирования в нашем кинематографе: «Мастер и Маргарита» и «Дневной дозор».
Технологии
Следует сразу же заметить, что промышленными сканерами можно одинаково легко моделировать как мелкие, так и крупные объекты. Все промышленные сканеры в настоящий момент используют бесконтактную технологию лазерного сканирования. Технология лазерного сканирования продолжает развиваться по трем главным направлениям: сканирование по зонам, точкам и полосам. Промышленные сканеры используют технологию сканирования по точкам.
Современный сканер сочетает в себе следующие устройства:
- лазерный приемник/передатчик для получения метрической информации по объекту;
- цифровая фототехника.
Камера, установленная в сканерах, имеет низкое разрешение и используется в основном для облегчения первичной обработки (сшивка сканов, удаление ошибок) данных со сканера. Для дальнейшего текстурирования используются внешние фотоаппараты с большей детализацией (нашей компанией, в основном, используются полупрофессиональные 8-ми мегапиксельные фотоаппараты компании Canon).
Этапы работы
После сканирования сложный объект (например, скульптуру) приходится создавать практически заново, потому что модель получается в большинстве случаев малопригодной для качественного моделирования. Дело в том, что информация от такого рода сканеров приходит в виде облака точек. Каждая точка имеет реальные координаты, если сделать TIN модель сразу по этим точкам, то мы получим неоднородную поверхность. Существует два способа дальнейшей обработки данных:
1. Передать точки по частям в графический пакет, например 3dsMAX. Точки передаются по частям, потому что графические пакеты обычно не тянут более 1 миллиона точек за раз. Объект средних размеров насчитывает не менее 2-3 миллионов точек.
Потом эти точки используются как шаблон, по которому производится ручная отрисовка поверхности. Таким образом можно следить за уровнем детализации. Отрисовка этим методом известной скульптуры «Рабочий и Колхозница» с максимально возможной детализацией и точностью у специалистов нашей компании заняла две недели.
 |
 |
2. Обработать в специальном пакете в своего рода «усреднители». Данная программа автоматически усредняет все точки и формирует поверхность. Детальность модели сильно не меняется, но скорость возрастает в несколько раз. К сожалению, в настоящее время подобное программное обеспечение не позволяет хорошо смоделировать очень сложные объекты (например, поверхность человека) в связи с чем применяется значительно реже. В обоих случаях текстуру накладывают уже потом всеми привычными стандартными способами.
 |
 |
 |
 |
 |
 |
В настоящее время в промышленных сканерах начинают применять технологию ультразвука, что позволит получать не только модели видимой поверхности, но и заглядывать «под шкуру». Ожидается, что первые сканеры такого рода выйдут на рынок в 2007 году. Между прочим, существует предубеждение, что лазерные сканеры опасны для человеческих глаз. В действительности есть два типа сканеров:
- с излучающим лазером красного спектра;
- с излучающим лазером зеленого спектра.
Считается, что лазер зеленого спектра не вреден для глаз, в то время как красный спектр раздражает сетчатку глаза. Рекомендуем перед сканированием поинтересоваться спектром излучения используемого сканера. Кстати, о производителях.
Использование технологии в России
К сожалению, данными технологиями пока обладают лишь крупные геодезические компании. Некоторые из них уже выходили на представителей кинематографа и даже делали сканирование для ряда фильмов. Я сказал "к сожалению", потому что представители геодезических компаний умеют качественно сканировать, но не умеют создавать приемлемые для анимации модели, в итоге несколько попыток такого сотрудничества провалилось.
Но есть и примеры удачной совместной работы. Например, в фильме «Мастер и Маргарита» используется отсканированная модель целого квартала Санкт Петербурга, в сцене полета Маргариты на метле.. Также сканирование использовалось при создании фильма «Дневной дозор» и некоторых других проектов. К примеру, компания «Талка-ТДВ» сейчас делает несколько моделей для двух новых российских игр.
Производитель и цены
На рынке существует 3 крупные компании, занимающиеся производством промышленных лазерных сканеров наземного базирования. Примерные цены разнятся от степени «раскрученности» компании и типа сканера.
В первую очередь следует упомянуть швейцарскую компанию Leica Geosystems, которая по праву считается одним из лидеров в производстве лазерных 3D сканеров. Компания занимается производством дорогостоящего оборудования, полный комплект которого может быть использован для работы в любых областях. Считается, что сканеры данной компании самые надежные и точные. Единственный минус - они не работают (пока) при минусовых температурах. Сканер последнего поколения, сканирующий пространство вокруг себя, обойдется заказчику в 250 000 Евро. Комплект оборудования поставляется вместе с программой Cyclone, которая занимается измерением, обработкой и хранением данных при сканировании. Кроме закупки данного оборудования (для получения фотореалистичной модели) вам придется купить еще и AutoCAD с 3dsMAX.
Следующая компания, достойная внимания это Trimble (Франция). Продукция этой компании стоит на порядок дешевле. Полный комплект сканера стоит около 160 тысяч долларов. К сожалению, без 3dsMax в данном случае тоже не обойтись. Последний сканер данной компании интересен тем, что, по заверениям специалистов, работает при температуре воздуха до -25.
Еще одна крупная компания, работающая на нашем рынке – Reigal. Эта компания является первой, представившей пользователям круговой сканер. Ее сканирующие системы стоят около 130 тысяч долларов. Сканер в состоянии работать при температуре окружающего воздуха до -10.
Итоги
На Российском рынке уже существует несколько компаний, которые готовы предложить свои технологические и инженерные решения в области трехмерного сканирования человека, статуй и любых других сложных объектов. К сожалению, в данный момент эти технологии еще довольно дороги (день сканирования и обработки стоит около 500-800 долларов), что делает невозможным использование этих сканеров большинством российских студий. Ни один современный сканер не в состоянии отсканировать сложный объект 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.
Компанией «Талка-ТДВ» сейчас активно внедряется технология проведения работ по сканированию и пост-обработке в лизинг. Это увеличивает возможности использования данных технологий мелкими студиями. Уже проведено несколько работ по данной схеме, заказчики оплачивают около 30-40% от стоимости работ в начале, а все остальное по завершению проекта. Надеемся, что такое решение будет способствовать увеличению числа качественных игр и фильмов.
P.S. Весь визуальный материал предоставлен редакции автором статьи. Подготовил материал к публикации Мееров Константин.