Laserové skenování Návod na cvičení: Projekt – Vytvoření modelu sochy Ing. B. Koska
Vytvoření modelu sochy 1. Zadání Proveďte zaměření nepravidelného objektu – sochy s využitím laserového skenovacího systému. Vytvořte trojúhelníkový model zaměřeného objektu. Upravte model tak, aby v zaměřených oblastech objektu neobsahoval žádné díry v trojúhelníkové síti (byl tzv. "vodotěsný"). Pro zvýšení reálnosti zobrazení výsledného modelu na něj promítněte textury z fotografií objektu.
2. Zadaný objekt Postup vytvoření modelu sochy bude ilustrován na příkladu sochy nacházející se na levé straně střední části přední fasády Arcibiskupského semináře. Tento příklad současně demonstruje efektivnost technologie laserového skenování velmi podrobným zaměřením nepřístupného objektu.
obr. 1 – Fotografie zaměřené sochy
1
3. Cyclone Registrace a export se provádí v softwaru Cyclone – Registr a Cyclone – Model.
3.1. Registrace V oblasti laserového skenování se termínem registrace nazývá proces transformace dat z jednotlivých stanovisek do jediného souřadnicového systému. 1) Spusťte program Cyclon (umístněn na ploše). Spustí se tzv. Cyclone – Navigátor. 2) Vyberte použitý projekt: Cyclone – Navigator → Servers → HDS3000_P838 (unshared) → "použitá databáze" → "použitý projekt". 3) Vyberte registraci: V místní nabídce na našem projektu zvolte Create → Registration. 4) Otevřete Registration (místní nabídka, dvoj-klik) a vyberte ScanWorld → Add ScanWorld. 5) Vyberte ScanWorldy (stanoviska), které chcete registrovat (všechny, které obsahují měření) a potvrďte výběr. Jeden (první ve stromové struktuře projektu) ScanWorld bude automaticky nastaven jako Home ScanWorld – stanovisko, do jehož souřadnicové soustavy se budou ostatní ScanWorldy transformovat. 6) Vyberte Constraints (podmínky): Constraint → Auto-Add Constraints (vybrané constraints jsou vidět na kartě "Constraint List") 7) Proveďte registraci: Registrace → Register. 8) Na kartě "Constraint List" zkontroluji odchylky na jednotlivých bodech. Na základě zkušeností je možné říct, že průměrná absolutní odchylka z registrace nepřekročí 2 cm. 9) Kontrola hrubých chyb: Pokud jsou některé odchylky výrazně větší než 2 cm, je to pravděpodobně způsobeno hrubou chybou například v označení identických bodů při měření. Oprava chybně označených bodů je složitější operací a proto je nutná asistence vyučujícího. 10) Kontrola nevhodných bodů: Pokud odchylky na bodech nepřekračují hodnotu 2 cm, ale některý bod(y) (v jedné nebo více podmínkách) má výrazně větší odchylku než ostatní, je možné, při dostatečném množství identických bodů, jeho vypuštění (Místní nabídka na zvoleném bodě a volba Disable). 11) Kontrolu průměrné absolutní odchylky a uložení protokolu o registraci: Registration → Show Diagnostics… … → Save. 12) Tvorbu sloučeného mračna: Registration → Create ScanWorld/Freeze Registration. 13) Aby bylo možné s registrovanými daty pracovat, je nutné vytvořit nový ModelSpace volbou: Registration → Create ModelSpace. 14) Zavřete modul Registration.
3.2. Export registrovaných mračen bodů 1) Zobrazení registrovaných mračen: V příslušném registrovaném ScanWorldu vybereme ModelSpace: "název registrovaného ScanWorldu" → ModelSpaces → ModelSpace. V místní nabídce volíme "Create and Open ModelSpace View". 2) Práce v ModelSpace: Tři základní módy: pick mode, view mode a a seek mode. Pick mode slouží k výběru (bodu, mračna, vertexu – vlícovacího
2
3)
4) 5)
6) 7) 8)
bodu), seek mode slouží k určení bodu, kolem kterého se provádí otáčení pohledu, a view mode slouží k základnímu pohybu v 3D prostředí. Ve view modu slouží levé tlačítko myši k otáčení mračna, střední s posunem myši dopředu a dozadu k zvětšování a zmenšování obrazu a pravé k posunu. Zobrazení mračen pro export: Tools → Scanner → ScanWorld Explorer ... . Mračna z jednotlivých stanovisek (ScanWorldů) je nutné exportovat samostatně z důvodu dalšího zpracování v softwaru Geomagic. V levé části nejprve vybereme zájmový ScanWorld a mračna (scany), které se mají zobrazit (pouze scany s největším počtem bodů – obsahuje detailní zaměření objektu). U ostatních ScanWorldů vypneme zobrazení všech mračen. Výběr mračen pro export: Vyberte všechna zobrazená mračna nejlépe příkazem: Selection → Select All. Export bodů: Vyberte: File → Export… . Jako typ souboru vyberte TXT formát, pojmenujte soubor, v dialogu "Export Options" vyberte volby tak, aby vybraná mračna byla zahrnuta a potvrďte. V dalším dialogu nadefinujte výstupní formát (nejlépe souřadnice XYZ oddělené mezerami na čtyři desetinná místa). Vraťte se k bodu 3) a vyberte mračna z dalšího ScanWorldu. Takto vytvořené soubory je možné přímo načíst v softwaru Geomagic, ve kterém bude probíhat další zpracování. Zavřete všechna okna softwaru Cyclone.
4. Geomagic 4.1. Ovládání Software Geomagic má velmi příjemné uživatelské rozhraní. Základní ovládání v 3D prostoru je: Posun – Alt + střední tlačítko myši, Zoom – kolečko myši, Rotace – stření tlačítko myši a posun. Rotace se provádí kolem tzv. Rotation Center, který je možné zvolit po stisku tlačítka Set Rotation Center , na panelu nástrojů. Rotace je v systému Geomagic velmi zajímavě a originálně řešena. Rotace závisí na místě, kde dojede ke stisknutí středního tlačítka myši. Ve střední části orientační koule (ta se objeví po stisknutí středního tlačítka) dochází k rotaci kolem svislé a vodorovné osy v rovinně obrazovky (podle směru pohybu myši). V okrajové části dochází k rotaci kolem vodorovné osy kolmé na rovinu obrazovky. Výběr bodů se provádí stiskem a tažením levého tlačítka myši. Implicitní je výběr nebo lasem (pravý obdélníkovou ohradou. Další možností je výběr polygonem panel nástrojů). Velmi důležitou úlohu mají místní nabídky v pracovním 3D prostoru. Z hlediska výběru bodů jsou to funkce: Clear All – zrušit výběr, Select All – vyber vše a zejména Reverse Selection – inverzní výběr. Software Geomagic neukládá průběžně pracovní soubor a některé složitější funkce neumožňují krok zpět. Proto doporučuji časté zálohování pracovního souboru pod různými názvy, aby se v případě nevhodné úpravy nemusel celý postup opakovat od začátku.
3
4.2. Registrace 4.2.1. Ruční registrace Ruční registrace se nachází pod funkcí: Tools → Registration → Manual Registration. Slouží k přibližné registraci dvou skenů s překrývajícími se oblastmi a je založena na minimalizaci vzdáleností těchto překrytových oblastí. Postup je založen na výběru identických bodů ve dvou mračnech (buď jednoho tzv. "1-Point Registration" – pomalejší postup nebo více tzv. "n-Point Registration"). Funkce je velmi intuitivní a navíc v našem případě je většinou "přibližná" registrace známa ze softwaru Cyclone.
4.2.2. Globální registrace Globální registrace je navazující krok na ruční registraci nebo nedostatečně přesnou registraci v softwaru Cyclon. V případě, že je vstupní mračno složeno z více skenů překrývajících se oblastí a původní registrace v softwaru Cyclone nebyla dostatečně přesná (velká průměrná absolutní odchylka registrace nebo viditelné zdvojení překrytových oblastí viz obr. 2) je možné provést zpřesnění registrace v softwaru Geomagic. Registrace v tomto softwaru je založena na minimalizaci vzdáleností překrytových oblastí.
obr. 2 – Nedostatečná registrace Vyberte funkci Tools → Registration → Global Registration. Ponechte defaultní nastavení s výjimkou položky "Sample Size", kterou nastavte hodnotu odpovídající nejméně 10% bodů v jednotlivých skenech (největší hodnota, kterou je možné nastavit ve verzi 9 je 10 000 bodů). Proces registrace se tím sice trochu zpomalí, ale výsledky budou přesnější.
obr. 3 – Stejná oblast mračna po globální registraci
4
Po dokončení globální registrace slučte jednotlivé skeny do jediného funkcí Points → Merge Points Objects ... . Zobrazení se automaticky přepne do režimu “Shade Points”. Návrat do původního režimu je volbou: View → Shading → Unshade Points.
4.3. Standardní postup tvorby modelu Dále popsaný standardní postup tvorby modelu je založen na osobní zkušenosti autora textu a na schématu pracovního postupu uvedeného v manuálu k softwaru viz obr. 4.
obr. 4 – Schéma standardního pracovního postupu
5
4.3.1. Fáze bodů – Point Phase 1) Manuální mazání – Manual Delete: Pomocí funkce výběru (obdélník, polygon, laso) vyberte oblasti mimo zájmový objekt a proveďte smazání funkcí klávesou Delete. Je výhodné využít funkce místní nabídky "Reverse Selection", kdy se vybere zájmový objekt a po inverzním výběru se provede smazání. 2) Výběr odlehlých oblastí – Select Disconnected : Tato funkce vybere odlehlé oblasti bodů. Ponechte defaultní nastavení a potvrďte výběr. Smažte vybrané body. Pokud bylo pečlivě provedeno manuální mazání, tak tato funkce nenajde žádné odlehlé oblasti. 3) Výběr odlehlých bodů – Select Outliers : Tato funkce vybere body, které jsou z důvodu například hrubých chyb nebo velkého šumu odlehlé. Funkce je velmi užitečná a je možné měnit její účinnost volbou tzv. Sensitivity. Výběr bodů potvrďte a po vizuální kontrole proveďte jejich smazání.
obr. 5 – Efekt funkce Výběr odlehlých měření 4) Snížení šumu – Reduce Noise : Tato funkce je snižuje šum způsobený náhodnými chybami při měření jednotlivých bodů. To například znamená, že body na rovinné ploše nejsou přesně v její rovinně. Za předpokladu plynulých ploch, může tato funkce výrazně zlepšit "přesnost" výstupních dat z měření. Na druhou stranu, v případě malých detailů a velkého šumu, může tato funkce způsobit ztracení těchto detailů. Proto je nutné tuto funkci používat velmi opatrně. Jednou z možností je ruční výběr plochých oblastí bez detailů a aplikace této funkce pouze na tyto oblasti. Funkce má svoji obdobu v další tzv. "polygonové fázi" (funkce "Relax"), kde jsou její dopady vizuálně kontrolovatelnější a proto je její využití bezpečnější. a) Základní poučka tedy je, pokud jsou zaměřené nejmenší detaily výrazně větší než šum měření (v případě systému Leica HDS3000 je šum popsatelný směrodatnou odchylkou od zaměřované plochy přibližně 5 mm) je možné tuto
6
funkci plně aplikovat. V případě menších detailů, je nutná velká opatrnost a minimální nastavení parametrů nebo úplné vynechání této funkce. b) Vyberte Free-form shapes. Nastavte Smoothness Level – Úroveň hladkosti a počet iterací – Iterations (čím více iterací, tím vyšší vyhlazení) v souladu s doporučním v předchozím bodě na minimální hodnoty. c) Spusťte funkci tlačítkem Apply a proveďte vizuální kontrolu po zaškrtnutí volby Display Deviations viz obr. 6. Výsledek buď potvrďte, nebo zkuste jiné nastavení po zrušení volby tlačítkem Cancel.
obr. 6 – Vizuální kontrola funkce Reduce Noise 5) Sjednotit vzorkování – Uniform Sample : Tato funkce je velmi důležitá. Provede sjednocení vzorkování celého mračna s výjimkou oblastí s velkou křivostí (maximální křivostí v zadané oblasti), kde se ponechá plný počet bodů. Jedná se o inteligentní funkci, která může značně snížit počet bodů při zachování všech detailů. Funkci můžeme aplikovat na část nebo celé mračno. Po spuštění funkce navrhne průměrnou vzdálenost bodů na základě analýzy vstupního mračna Absolute → Spacing. Tato hodnota představuje požadovanou vzdálenost bodů v oblastech s malou křivosti. Je výhodné nastavit tuto hodnotu na výrazně vyšší než je změřená, protože skenování se většinou provádí s vyšší hustotou z důvodu zachycení hran a oblastí s vyšší křivostí a v oblastech rovinných je tato hustota nadbytečná (nastavte například 5 – 10 mm). Základní volbou je volba Optimaze → Curvature Priority (priorita křivosti). Vyšší volba výrazně prodlužuje dobu výpočtu, ale optimalizuje poměr kvality výsledného mračna a počtu jeho bodů. Proto je vhodné vždy volit maximální volbu. Vhodnou volbou těchto parametrů (Spacing a Curvature Priority) je možné zmenšit celkový počet bodů na desítky procent bez snížení kvality nesené informace viz obr. 7.
7
obr. 7 – Zobrazení výsledků funkce Uniform Sample při vhodném nastavení 6) Generace trojúhelníkové sítě – Wrap : Tato funkce provede vygenerování trojúhelníkové sítě a přepne Geomagic do tzv. polygonové fáze. Pro sochy volíme Wrap Type → Surface. Vzniklý model bude pravděpodobně nedokonalý viz obr. 8. Poznámka: Obrázek vznikl ve verzi Geomagicu č. 8, kde není funkce Odstranění šumu tak výkonná. Ve verzi č. 9 je model výrazně více vyhlazen.
obr. 8 – Výsledek funkce Wrap
4.3.2. Fáze polygonů – Polygon Phase Tato fáze má několik odlišností od předchozí. Existuje něklik důležitých přepínačů pro výběr bodů, které se nacházejí na pravém panelu nástrojů. Jedná se zejména o Backfaces Mode , který umožňuje výběr trojúhelníků i ze zadní strany. Každý trojúhelník má totiž normálu, která definuje pření a zadní stranu. Přední strana je implicitně vybarvena modře a zadní žlutě viz obr. 9. Normály trojúhelníků je možné měnit volbou Polygons → Flip Normals ... .
8
obr. 9 – Zobrazení přední a zadní strany trojúhelníků Dalším důležitým přepínačem je Select Visible
- vybrat viditelné a Select
Through - vybrat skrz. Z názvů přepínačů je zřejmý jejich význam. 1) Manuální vymazání neúplných a odlehlých oblastí: Z hlediska vizuální kontroly je polygonová fáze mnohem přehlednější než bodová fáze. Proto je výhodné provést opět manuální kontrolu trojúhelníkové sítě objektu, přesto že tento bod není uveden ve schématu standardního pracovního postupu viz obr. 4. : Tato funkce vyhledá všechny otvory v 2) Vyplnění otvorů – Fill Holes trojúhelníkové síti a umožní jejich zaplnění. Po ukončení této funkce by měl být tzv. "vodotěsný" model. Tato funkce obsahuje řadu nástrojů, jejichž použití bud dále vysvětleno. a) Vyplň – Fill : Tento nástroj provede zaplnění vybraného otvoru trojúhelníkovou sítí. Výběr se provádí klinutím na hranu otvoru, která je označená červenou linií. V dolní části pracovního dialogu jsou tlačítka '<' a '>', která umožňují procházení přes všechny nalezené otvory. V případě, že je okraj otvoru nekvalitní, je vhodné nejprve použít nástroj "Clean Up" viz níže. b) Vyplň částečně – Fill Partial : Tato funkce umožňuje vyplnění ne zcela uzavřených otvorů nadefinováním jejich okraje. c) Vytvoř most – Create Bridges : Tato funkce umožňuje zaplnění oblastí, které nejsou uzavřeny na dvou stranách. d) Vyčisti – Clean Up : Provede vymazání vybraných trojúhelníků. Je vhodné aplikovat na očištění "roztřepených" okrajů otvorů viz obr. 10.
9
obr. 10 – "Roztřepený", vyčištěný a vyplněný otvor e) Posuň – Move : Užitečný nástroj, který umožňuje vyplněné otvory dále upravovat posunem trojúhelníků ve směru normál. 3) Vyhlaď – Relax : Velmi výkonný nástroj k odstranění šumu trojúhelníkové sítě. Je obdobou funkce na odstranění šumu v bodové fázi, ale na rozdíl od bodové fáze, je zde velmi dobře vidět její efekt (a kdy již dochází ke ztrátě požadovaných detailů), a proto je možné optimálnější nastavení. Nastavení se provádí pomocí dvou posuvníků: "Smoothness level" – úroveň vyhlazení a "Strength" – síla. Doporučuji nastavit sílu na minimální úroveň a vizuálně kontrolovat efekt různých úrovní vyhlazení. Výsledný model viz obr. 11.
obr. 11 – Model před a po aplikaci funkce Relax 4) Sniž počet polygonů – Decimate Polygons : Tento nástroj je obdobou nástroje "Uniform Sample" ve bodové fázi. V polygonové fázi je opět lepší vizuální kontrola výsledku. Nastavuje se buď cílový počet trojúhelníků, nebo procento z aktuálního počtu. Jako v bodové fázi se nastavuje priorita křivosti, kterou je vhodné nastavit opět na maximum (způsobí zachování všech trojúhelníků na
10
hranách a dalších oblastech s velkou křivostí). Na následujícím obrázku obr. 12 je vidět efekt snížení počtu trojúhelníků o 50% z přibližně 280 tisíc na 140 tisíc.
obr. 12 – Model před a po aplikaci funkce Decimate Polygons 5) Nástroje na lokální úpravy. Tyto nástroje jsou v schématu pracovního postupu (viz obr. 4) uvedeny ještě před funkcí Relax. Toto začlenění není logické, protože je výhodnější nejprve provést globální automatické úpravy a pouze v oblastech, které nesplnily naše očekávání, je vhodné použít tyto manuální funkce : Nástroj nahradí vybrané trojúhelníky vyhlazenějšími a) Uprav – Defeature a pravidelnějšími trojúhelníky. b) Brusný papír – Sendpaper : Tato funkce umožňuje poloautomatickou vyhlazení zašuměných a překrytých trojúhelníků opakovaným přejížděním přes vybrané oblasti (postupné upravování povrchu jako při použití brusného papíru). 6) Projekce textur – Project Image ...: Tato funkce slouží k potažení trojúhelníkové sítě barvami z fotografického snímku objektu. Napřed je nutné objektu umožnit projektování textur funkcí: Tools → Color →Generate Texture… . Dále je možné naprojektovat zadaný snímek funkcí: Tools → Color →Project Image... . Je doporučeno identifikovat nejméně 7 identických bodů. Po vybrání identických bodů je nutné provést transformaci volbou "Register", dále přenést textury tlačítkem "Apply" a po vizuální kontrole dialog potvrdit.
5. Závěr Byl vytvořen detailní model zadaného objektu. Základní fáze tvorby modelu a různé výstupy jsou zachyceny na následujících obrázcích.
11
obr. 13 – Fotografie a mračno bodů zaměřené sochy
obr. 14 – Model zaměřené sochy a model s texturou
12
