В известном смысле наиболее совершенный 3D-сканер -- это зрительная система человека и его здравый смысл: квалифицированный 3D-дизайнер может убедительно воспроизвести объемную модель строения по одной-единственной его фотографии, что не под силу самым совершенным современным алгоритмам. Поэтому сотрудники компьютерной лаборатории Массачусетского технологического института видят большие перспективы в развитии принципов теснейшего взаимодействия дизайнера и программного обеспечения. Разработанное ими ПО (http://graphics.csail.mit.edu/ibedit/ibedit_s2001_cameraReady.pdf) объединяет черты двух- и трехмерных реакторов. Приписав условную "глубину" некоторым участкам плоского изображения, пользователь получает возможность взглянуть на сцену в произвольном ракурсе и текстурировать открывающиеся его взгляду "оголенные" поверхности с помощью кисти, аналогичной Rubber Stamp из инструментария Photoshop.

Конечно, полученная таким образом модель по качеству будет уступать результатам работы высокоточного фотометрического ПО, одним из наиболее типичных и доступных массовому пользователю примеров которого является программа PhotoModeler Pro компании EOS (стоимость ее текущей версии 5.0 -- около $900). Ознакомиться с ней можно с помощью пробного пакета, распространяемого через сайт www.photomodeler.com (его функциональность ограничена работой лишь с несколькими входящими в инсталляционную поставку учебными проектами).

Исходным материалом для PhotoModeler служат несколько фотографий, изображающих моделируемый объект с разных сторон, а также множество указываемых пользователем опорных точек. Например, для исчерпывающего описания тетраэдра достаточно восьми точек, совпадающих с его вершинами в двух ракурсах. Кроме того, пользователь должен задать соответствие между опорными точками, видимыми в разных ракурсах, и указать связывающую их топологию. Помимо полигональных примитивов, PhotoModeler способен оперировать с цилиндрическими поверхностями и сплайнами. Для уменьшения трудоемкости ручных операций с большим количеством опорных точек предусмотрены режимы их автоматического генерирования и связывания. Результатом анализа автоматически сгенерированных данных является облако трехкоординатных точек -- базовое понятие для 3D-фототехнологий.

Облако трехкоординатных точек, в котором каждому пикселу изображения соответствует одна точка, удобно описывать в виде двухмерного массива вещественных чисел, выражающих расстояние от наблюдаемого элемента сцены до оптического центра объектива; в компьютерной графике такой массив называют z-буфером.

3D-сканеры, способные генерировать z-буфер автоматически, принято разделять на активные и пассивные. Вырожденным примером простого пассивного сканера может служить любой современный фотоаппарат с маркировкой AF: для того чтобы навести объектив на резкость, его система автофокусировки автоматически определяет расстояние до центрального элемента сцены, стремясь достичь наибольшей контрастности в центре кадра. Система автофокусировки, определяющая расстояние до фотографируемых объектов не только в центре, но и в остальных точках кадра, может использоваться для вычисления z-буфера. Наиболее эффективно этот принцип 3D-сканирования срабатывает в макрофотосъемке и оптической микроскопии, характеризуемых очень малыми глубинами резкости (а значит, высокой корреляцией между расстоянием до объекта и контрастностью его изображения -- см., например, www.photogrammetry.ethz.ch/general/persons/jana_pub/niederoest_o3d.pdf).

3D-сканер MAPSCAN представляет собой "гибрид" бытовой видеокамеры и устройства для считывания штрихкодов
Другая разновидность пассивных 3D-сканеров имитирует бинокулярное зрение человека, анализируя стереопары, получаемые с помощью двух фотообъективов с параллельными оптическими осями: чем ближе расположен объект, тем более явным становится его параллаксное смещение. Стабильность работы таких сканеров зависит от способности алгоритмов, реализованных в их встроенном ПО, устанавливать безошибочное соответствие между сходными элементами текстур. Последнее поколение алгоритмов такого рода может работать с большим количеством источников изображения, расположенных в разных местах и по-разному ориентированных. Структурой данных, используемой для описания сцены, в этих алгоритмах часто служит трехмерный массив ("воксельный куб"), элементам которого в ходе последовательного приближения приписываются оптимальные значения прозрачности и цветности. Под оптимальностью в данном случае понимается соответствие конкретной конфигурации вокселов исходным изображениям, снятым в разных ракурсах (www.cs.cornell.edu/People/vnk/papers/KZ-ECCV02-recon.pdf).

Очевидно, что слабым местом пассивных систем является их зависимость от освещенности сцены и характера текстур. 3D-сканеры, основанные на фокусировке, не способны определить расстояние до объекта, на поверхности которого нет достаточно контрастных элементов, а алгоритмы поиска сходных текстурных элементов могут быть "сбиты с толку" регулярно повторяющимся рисунком вроде "шахматки". Заметим -- подобным образом зрительная система человека дезориентируется при разглядывании стереограмм.

Внешний вид 3D-сканера AFI 4000 и схема оптического тракта его излучателя, формирующего пару точечных источников путем расщепления лазерного луча

Последняя проблема разрешима, если укомплектовать любую из описанных выше систем проектором либо вспышкой, проецирующей на сканируемую поверхность достаточно информативную текстуру, что, однако, переведет их в разряд активных.

Точные сведения о расположении и ориентации текстурирующего проектора, а также о фокусном расстоянии его объектива могут быть использованы для вычисления формы объекта на основании анализа искажений, претерпеваемых на его поверхности текстурным рисунком. Примером наиболее прямолинейной реализации этого принципа является система ShapeWare компании Eyetronic, представляющая собой комплект ПО и обычную цифровую камеру, смонтированную на легком переносном шасси со вспышкой, проецирующей решетчатую текстуру. Это же шасси при необходимости может нести обычную вспышку, с помощью которой делают "нормальные" снимки, используемые для текстурирования готовой модели (хотя для получения качественных текстур обычно рекомендуются бестеневые лампы).

Упомянутую выше камеру Minolta 3D 1500 можно рассматривать в качестве сильно уменьшенного и полностью автоматизированного аналога ShapeWare. Ее низкая приспособленность к съемкам габаритных объектов объясняется, в частности, малым расстоянием между объективом и текстурирующей вспышкой.

В линейке стационарных сканеров серии Minolta Vivid функцию текстурирующего устройства выполняет подвижное зеркальце, отклоняющее лазерный луч, который подсвечивает поверхность объекта множеством светящихся полосок. Маломощный лазер безопасен для глаз, и это позволяет применять его для сканирования лиц в салонах трехмерного портрета.

3D-сканер MAPSCAN (Manual And Portable Scanner), выпускаемый компанией INO, уникален тем, что его запрещено использовать со штативом. Данное устройство рекомендуется перемещать вдоль поверхности сканируемого объекта на расстоянии от 10 до 20 см, подобно аэрозольному баллончику с краской. В ходе манипуляций MAPSCAN непрерывно излучает узкую световую полосу (формируемую быстрым отклонением лазерного луча) и передает форму ее проекции на компьютер. Кроме того, в каждый момент времени компьютер располагает данными о положении и ориентации самого сканера (их источником является система из нескольких эхолокационных датчиков). Обработка всей этой информации позволяет получать модели с пространственным разрешением до 1 мм. Максимальная скорость движения сканера составляет 10 см/сек, а объем зоны действия эхолокационной системы -- 1 м3.

Последнее достижение в области текстурирования сканируемой поверхности -- основанная на принципах интерферометрии технология AFI (Accordion Fringe Interferometry), разработанная компанией Dimensional Photonics. В качестве излучателя в ней используется пара точечных источников света, заполняющая пространство трехмерной интерференционной текстурой.

Так называемые лазерные 3D-сканеры также принадлежат к категории активных систем. Их примером может служить устройство DeltaSphere 3000 от компании 3rdTech, ключевыми конструктивными компонентами которого являются лазер и фотодетектор, укрепленные на штативе с моторизированной поворотной головкой. Это устройство автоматически сканирует пульсирующим лазерным лучом заданную область окружающего пространства, фиксируя время, затрачиваемое светом на двукратное преодоление расстояния от лазера до светоотражающей поверхности (сходный принцип используется в радиолокационных установках). Продуктивность DeltaSphere 3000 достигает 25 тыс. точек в секунду, диапазон измеряемых расстояний -- от 0,38 м до 15,2 м, а точность при определении пространственных координат точек, удаленных от лазера на расстояние 15,2 м, составляет около 8 мм. Изменение цвета отраженного светового импульса может использоваться для анализа цветовых характеристик поверхности. Сканирование полной панорамы (охватывающей 360° по горизонтали и 145° по вертикали) длится около получаса, что, разумеется, делает устройство непригодным для работы с движущимися объектами. DeltaSphere 3000 комплектуется ПО, позволяющим компоновать облака трехкоординатных точек, получаемые за несколько сеансов сканирования (в ходе которых штатив размещается в разных точках сцены), и преобразовывать результат в полигональные модели. При стоимости около 50 тыс. долл. маркетологи из 3rdTech считают DeltaSphere 3000 оптимальным решением для криминалистики и кинопроизводства.

Недостатком лазерных 3D-сканеров является нестабильная работа с поверхностями, видимость которых частично перекрывается полупрозрачными объектами вроде клубов пыли, проволочных заборов и т. п. И если для 3D-сканера DeltaSphere 3000 эта проблема не столь актуальна, учитывая скромный радиус его действия (оператор в большинстве случаев может принять меры для исключения из сцены нежелательных помех), то для более "дальнобойных" устройств она нередко выходит на первый план. Таковы 3D-сканеры серии LPM, производимые компанией Riegl USA и рассчитанные на работу с объектами, габариты которых исчисляются километрами. Встроенное ПО сканеров LPM анализирует каждый отклик, вызываемый световыми импульсами, отсекая ложные отражения и запоминая лишь два последних всплеска. Это позволяет формировать двухслойный z-буфер, расширяющий возможности моделирования: к примеру, строения могут сканироваться с учетом внешнего слоя остекления. "Расплатой" за точность и большой радиус действия является относительно малое быстродействие (ниже, чем у DeltaSphere 3000, примерно на порядок).

Самый быстрый из серийно производимых лазерных 3D-сканеров -- IMAGER 5003-25200 компании Zoller+Froehlich, способный измерять до 625 тыс. координат в секунду. В нем используется непрерывный лазерный луч, интенсивность которого особым образом модулируется, что позволяет вычислять расстояние на основании фазового сдвига отраженного сигнала. На сканирование полной панорамы IMAGER затрачивает всего около трех минут.

Технология, разработанная компанией Canesta, является изящным развитием принципов лазерного сканирования: пульсирующий широкозахватный излучатель работает в инфракрасном диапазоне, а вместо единственного фотодетектора используется миниатюрная цифровая камера с фирменной CMOS-матрицей. Вычисления в ней идут на основе определения времени запаздывания светового отклика, что позволяет достигать очень высоких частот регенерации z-буфера.

Стремительное совершенствование и удешевление 3D-сканеров заставляет думать, что в будущем плоские цифровые фотографии будут восприниматься как трогательные пережитки прошлого вроде серо-желтых снимков из бабушкиных альбомов. А наиболее горячие головы из числа экспертов в области технологий 3D-сканирования пророчат даже скорое массовое распространение "3D-факсов" и "3D-ксероксов", оснащенных стереолитографическими принтерами.

Источник: Компьютерное обозрение