3D-skanner

3D-skanner kivide, majade jms skannimiseks

3D-skanner (argikeelne 3D-skänner ei ole kirjakeelne) on arvuti lisaseade, mis analüüsib reaalsete esemete kuju ja välimust (näiteks värve). Kogutud andmetest luuakse eseme kolmemõõtmeline (3D-) mudel.

3D-skannerite ehitamisel kasutatakse mitmesuguseid tehnoloogiaid. Igal tehnoloogial on omad puudused ja eelised. Suurimaks probleemiks on mõningate objektide skannimine, näiteks on optilisel tehnoloogial põhineval skanneril suuri probleeme läikivate, peegeldavate või läbipaistvate esemete skannimisel. Andmete kasutusala on väga lai. Neid seadmeid kasutatakse laialdaselt meelelahutustööstuses filmide ja videomängude tootmisel. Suuremat kasutust leiab see veel tootedisainis, meditsiinis proteeside valmistamisel, kvaliteedikontrollides ja kultuuripärandi dokumenteerimisel. 3D-skanneri täpsus on lähivõtterežiimis ±0,127 mm ja kaugvõttel ±0,381 mm.

Funktsioonid

3D-skanneri eesmärk on enamasti koostada esemest punktipilv. Neist punktidest konstrueeritakse tarkvara abil objekti ruumiline kujutis. Kui iga punkti kohta on kogutud ka informatsioon värvi kohta, siis on värv ka mudelil näha. 3D-skannerid sarnanevad kaameratega. Neil mõlemal on koonusekujuline vaateväli ning mõlemad koguvad informatsiooni esemete pinna kohta. Kui kaamera salvestab igas punktis ainult objekti pinna värve, siis 3D-skanner omistab igale punktile ka asukoha XYZ-koordinaadistikus. Enamikul juhtudel ühest skannimisest terve mudeli saamiseks ei piisa. Mitmed skannimised, isegi sajad, eri asukohtadest on vajalikud, et eseme kõik kohad saaksid salvestatud. Igast skaneeringust saab esemest ühe punktipilve ning neist genereeritakse ühtne punktipilv ehk kõik eraldi punktipilved liidetakse.

Rekonstrueerimine

Röntgenskaneering ajust ja silmadest

3D-mudeli rekonstrueerimisel kasutatakse kahte põhilist tehnoloogiat: punktipilvest mudeli genereerimist ja 2D-lõikude kuhjamist.

Punktipilvest

3D-skannerid teevad vajadusel mitme eri nurga alt objektist punktipilve. Seejärel liidetakse need punktipilved omavahel kokku, et saada eseme terviklik ilma mustade kohtadeta punktipilv. Pärast seda lisatakse ka värvid skannimistest või liidetakse punktipilv esemest tehtud fotodega, mis annavad objektile reaalse väljanägemise.

2D-lõikudest

Magnetresonantstomograafia ja röntgen ei loo punktipilve, vaid 2D-lõigud esemest, mis hiljem kokku laotakse. Selle eeliseks punktipilve ees on võimalus ka objekti sisemust näha, kuna punktipilv registreerib vaid informatsiooni eseme pinna kohta.

Tehnoloogia

Kasutusel on mitmeid erinevaid tehnoloogiaid objektide 3D-mudeli tegemiseks. Peamiselt jagatakse need kahte rühma: kontaktipõhised ja mittekontaktipõhised 3D-skannerid. Mittekontaktipõhised skannerid jagunevad veel omakorda aktiivskanneriteks ja passiivskanneriteks.

Kontaktipõhine

Kontaktipõhised 3D-skannerid uurivad esemeid füüsilise puutumise teel. Kontaktipõhine skannimine sobib väiksemate esemete kujutiste loomiseks. Skanneri küljes on väikeste mõõtmetega robotkäsi, mis on suuteline keerama ennast igas suunas. See kombib eset ning loob saadud tulemustest objekti mudeli. Kontaktipõhine skannimine on küllaltki aeganõudev võrreldes teiste skannimisvõimalustega. Kõige suuremaks miinuseks on selle juures oht, et robotkäsi võib skannimise käigus vigastada skannitavat eset. Eriti tuleb see välja ajalooliste ning väga väärtuslike esemete skannimisel.

Kontaktipõhine 3D-skanner

Mitte-kontaktipõhised aktiivsed skannerid

Aktiivsed skannerid saadavad välja teatud tüüpi elektromagnetlaineid ning registreerivad nende peegeldused esemetelt. Tüüpiliselt kasutatakse mingit valgust, ultraheli või röntgenikiirgust.

Lennuaeg

Lennuaja 3D-skanner on aktiivskanner, mis kasutab esemete uurimiseks laserit. Skanner saadab välja silmale nähtamatu laserkiire ning registreerib, kui kiiresti jõudis objekti pinnalt peegeldunud kiir tagasi. Kuna valguse kiirus $c$ ning kiire lennuaeg objektini ja tagasi $t$ on teada, saab välja arvutada vaadeldava punkti kauguse valemist $(c\cdot t)/2$. Skannitava mudeli täpsus sõltub sellest, kui täpselt suudab skanner mõõta laserkiire lennuaega. Ühe millimeetri läbimiseks kulub laserkiirel ligikaudu 3,3 pikosekundit. Lennuaja 3D-skanner suudab ühes sekundis mõõta 10 000 – 100 000 punkti kauguse. Lennuaja 3D-skanneri eeliseks on nende võimekus töötada väga suurte kaugustega. Seega on need head suurte struktuuride ja looduse skannimiseks. Puuduseks on jällegi täpsus. Kuna valguse kiirus on väga suur, tuleks lennuaega mõõta väga täpselt, mis on kujunenud suureks probleemiks. Samuti tekitab raskusi, kui laserkiir tabab objekti äärt ning seetõttu peegeldub kiir tagasi kahest eri kohast.

Triangulatsioon

Triangulatsioonil põhinev 3D-skanner koosneb kahest seadmest: skannivast laserist ja kaamerast. Objektile saadetakse laserkiir ning kaamera otsib laseri punkti üles. Laser, laserkiire punkt ja kaamera moodustavad kolmnurga, mistõttu seda kutsutakse ka triangulatsiooniks. Laseri ja kaamera asukohad ning laserkiire nurk on teada ning nende ja mõõtmistulemuste põhjal saab punkti asukoha välja arvutada.

Erinevalt lennuajaskannerist ei saa triangulatsioonskanner töötada eriti suurtel kaugustel, kuid on tunduvalt täpsem.

Triangulatsiooni kasutav 3D-skanner

Konoskoopiline holograafia

Konoskoopilise skannimise korral saadab skanner laserkiire objektile, püüab tagasipeegelduva kiire, laseb selle läbi konoskoopilise kristalli ning projitseerib selle CCD peale. Tulemuseks on difraktsiooni muster, mida analüüsides saab kindlaks teha punkti kauguse. Selle eeliseks on, et punkti kauguse kindlakstegemiseks vajatakse ainult ühte kiirt.

Mittekontaktipõhised passiivsed skannerid

Passiivskannerid ise ei eralda mingisugust kiirgust, vaid registreerivad esemelt peegeldunud ümbritsevat kiirgust. Enamik skannereid registreerib nähtavat valgust, kuna see on vabalt saadav väline kiirgus. Samuti kasutatakse infrapunakiirt. Enamasti on passiivskannerid suhteliselt soodsad, kuna nad ei vaja mingit eritehnikat, vaid piisab lihtsast digitaalkaamerast.

• Stereoskoopiline skannimisel kasutatakse kahte teineteisest veidi eemal paiknevat kaamerat, mis on suunatud samasse kohta. Piltide erinevusi uurides saab tarkvara abil punktide kaugused välja arvutada. See süsteem sarnaneb inimese nägemissüsteemiga.
• Fotomeetriline süsteem kasutab ühte kaamerat, kuid teeb samast kohast mitu pilti erinevates valgustingimustes.
• Siluetitehnika kasutab järjestikuste fotode piirjooni. Fotode tegemise ajal on esemete taust hästi kontrastne, et piirjooned oleksid hästi eristatavad. Piirjoonte töötlemise teel saab küll mudeli kuju, kuid objektis esinevad lohud jäävad jäädvustamata.

Rakendused

Tööstus

• Robootika, kus laserskannerit kasutatakse robotsilmana
• Sildade, monumentide jms teostusjoonised
• Ajalooliste paikade dokumenteerimine
• Kvaliteedikontroll

Meelelahutustööstus

3D-skannereid kasutab ka meelelahutustööstus filmides ja videomängudes kasutatavate mudelite loomiseks. Kui tahetakse mõne objekti 3D-kujutist, siis skannimine on tunduvalt kiirem, kui see luua mõne 3D-modelleerimistarkvara abil.

Mood

3D-skannimise, robootika ja arvutikontrolli koostöös peaks valmima mannekeen, mis oskab end seadistada konkreetse inimese kehakuju ja mõõtude järgi. Samuti saab teha inimesest endast 3D-kujutise ning selle järgi ideaalselt sobivad riided disainida, ilma et peaks neid mitu korda selga proovima.

Kultuuripärand

Mitmeid ajaloolisi paiku skannitakse, et teha neist igavesed koopiad arvutisse. Kuna 3D-mudeleid on väga hea kasutada ehitiste jms taastamiseks, siis skannitakse just ohus olevaid objekte.

Michelangelo

1999. aastal otsustasid kaks eri rühma skannida Michelangelo skulptuure. Marc Levoy juhitud Sanfordi Ülikooli rühm kasutas triangulatsioonipõhist skannimist. Nad skannisid Taaveti kuju "Prigioni" Firenzes ja neli skulptuuri Medici katedraalis. Skannimisel kasutatud laserkiire suuruseks oli 0,25 mm, piisavalt täpne, et näha Michelangelo peitlijälgi. Andmete maht oli väga suur ning nende töötlemiseks kulus viis kuud. Umbes samal perioodil töötaks ka IBM-i uurimisrühm, mida juhtisid H. Rushmeier ja F. Bernardini. Nemad skannisid "Florence Pieta" nii geomeetrilise kuju kui ka värvid. Seda skaneeringut kasutati väga palju 2004. aastal skulptuuri taastamisel.

Kasubi kuningate haud

2009. aasta veebruaris skannis CyArk Kasubi kuningate haua Ugandas. Hoone oli ümmargune, diameetriga 31 meetrit ja kõrgusega 7,5 meetrit. Kogu hoone skannimiseks kulus ligi päev. Ligi aasta aega hiljem, 17. märtsil põleski hoone maha. Kuna hoone oli ehitatud orgaanilistest materjalidest, ei jäänud sellest midagi alles. Kohe pärast põlengut teatas riigi president, et hoone taastatakse. CyArki loodud mudelil on tõenäoliselt suur roll hoone taastamisel.

Rapa Nui kujud

Rapa Nui kujud

Lihavõttesaarel asuvad iidvanad skulptuurid, mis pärinevad aastatest 1250–1500, on ligi 20 meetrit kõrged ja raiutud basalti. Nii pika aja jooksul mõjuvad vihm ja niiskus laastavalt. Lihavõttesaarel puhanud CyArki insener hankis 2007. aastal vajalikud seadmed ning laserskannis viie kuu jooksul saarel asuvad kujud. Skaneeringud on saadaval CyArki arhiivis.

Piusa koopad

Piusa koopad

Aastatel 1922–1966 kaevandati Piusal klaasliiva ning selle tagajärjel tekkisid maa-alused võlvikujuliste lagede ja liivakivist sammastega käikude süsteemid. Tänaseks on koobas turvalisuse huvides suletud ning näha saab vaid väikest osa vaateplatvormilt. Seetõttu otsustas külastuskeskus luua käikudest 3D-mudeli, kus igaüks saaks virtuaalselt koobastes ringi vaadata. Ahhaa teaduskeskuse ja Piusa külastuskeskuse koostöös valmis koobaste 3D-mudel. Kasutatava tehnoloogia töötas välja Eesti firma 3D Technologies R&D ning kasutusele võeti tarkvara 3D-kiosk. Skannimisel kasutati Leica HDS 3000 laserskannerit, A4-le prinditud kontrolltähiseid ja laserdistantsmõõdikut, lisavalgusteid ja muid abivahendeid. Skaneeringuid tehti kokku 24 positsioonist. See tagas tervikliku akudeta (pimedate aladeta) punktipilve, mis koosnes ligi 16 miljonist punktist. Hiljem kulus 24 punktipilve liitmiseks tööpäev ning seejärel see modelleeriti. Mudelile lisati ka fotodest saadud tekstuurid. Lõpptulemuses olid näha ka krobelisused ja graveeringud seintel. Esialgu saab mudelit näha ja kasutada vaid Piusa külastuskeskuses. Mudel on nagu arvutimäng, kus saab käikude vahel ise ringi liikuda.

Meditsiin

3D-skannimist kasutatakse ka vähi diagnoosimisel. Väljatöötatud tehnika määratleb detailid ning teeb alumistest nahakihtidest 3D-skaneeringu, mille põhjal saab vähkkasvaja avastada. Samuti kasutatakse 3D-skannimist proteeside, ortopeedia ja meditsiinilise ohutustehnika disainimisel.