SKANOWANIE 3D JAKO NARZĘDZIE INŻYNIERII ODWROTNEJ

Marek Tomicki, Arkadiusz Salski
Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Nysie
Koło naukowe Abaculus








1. Wprowadzenie

Inżynieria odwrotna, nazywana także inżynierią wsteczną, jest to proces polegający na odtworzeniu istniejącego obiektu poprzez zastosowanie odpowiednich technik pozwalających na pozyskanie parametrów bezpośrednio z gotowego produktu. Celem jej stosowania jest np.: wykonanie odpowiednika,  zapewnienie współdziałania z innym obiektem, modyfikacja już istniejącego przedmiotu. Skanowanie 3D jest jednym z narzędzi inżynierii odwrotnej stosowanym przy modelowaniu przestrzennym lub kontroli jakości. W pracy przedstawiono dwie najogólniej dostępne oraz najmniej kosztowne techniki skanowania – z użyciem kontrolera ruchu dla konsoli do gier Microsoft® Kinect tworzącego chmurę punktów dzięki światłu strukturalnemu, oraz przy zastosowaniu oprogramowania 123D Catch firmy Autodesk® generującego model na podstawie fotografii cyfrowej. Przedstawione zostaną wady i zalety każdego z rozwiązań.


2. Inżynieria odwrotna

Inżynieria odwrotna (ang. Reverse Engineering) jest to proces rekonstrukcyjny dążący do uzyskania wirtualnego modelu lub dokumentacji technicznej. Do tego celu zastosowane mogą być tradycyjne metody pomiarowe z użyciem przyrządów pomiarowych takich jak suwmiarka, mikrometr. Sprawdzają się w przypadku przedmiotów o prostych kształtach. Do odwzorowania skomplikowanych płaszczyzn najczęściej używane są metody bezdotykowe takie jak skanowanie 3D. W urządzeniach tych zastosowano wiele rozwiązań opierających się na różnych zjawiskach. W przemyśle najczęściej spotykane są skanery wykorzystujące światło strukturalne lub laser, wybór metody zależny jest od dokładności jaką chcemy uzyskać. Inżynierię odwrotną stosuje się w różnych dziedzinach. W szeroko pojętym przemyśle do kopiowania i dopasowywania elementów i kontroli jakości, w medycynie i stomatologii do wypełniania ubytków kości lub uzębienia, w rzeźbiarstwie do zaprojektowania form odlewniczych figur, w architekturze i geodezji do odwzorowywania pomieszczeń i terenu. Zastosowań jest bardzo wiele.



3. Skanowanie z użyciem Microsoft® Kinect

3.1 Opis urządzenia

Rys. 2. Wygląd zewnętrzny urządzenia,

Źródło: http://www.xbox.com/pl-PL/Xbox360/Accessories/kinect

Kinect jest kontrolerem ruchu posiadającym dwie kamery, projektor podczerwieni oraz mikrofon. W przypadku konsoli Xbox 360 służy do wirtualizacji ruchów gracza i dostosowaniu ich do gry w czasie bieżącym. Może być używany jednocześnie przez dwie osoby [4]. Początkowo po premierze w 2010 r. kompatybilny był jedynie z konsolą, lecz spore zainteresowanie sprawiło, że po pewnym czasie dostępny był również w wersji dla systemu Windows. W następstwie tego powstały programy umożliwiające wykorzystanie go do skanowania 3D, takie jak ReconstructMe czy Skanect.


3.2  Budowa i zasada działania

Rys. 3. Budowa kontrolera Kinect 

Źródło: http://i.msdn.microsoft.com/dynimg/IC532216.jpg

1. Zestaw mikrofonów
2. Projektor emitujący światło podczerwone
3. Kamera 1 odbierająca światło podczerwone
4. System regulujący nachylenie
5. Przewód zasilająco-sygnałowy
6. Kamera 2 odbierająca światło widzialne

Obraz uzyskiwany jest w z dwóch kamer. Pierwsza z nich przetwarza obraz wizyjny o rozdzielczości 640x480 pikseli oraz tworzy tekstury obiektu. Zasada działania drugiej opiera się na świetle strukturalnym niewidocznym dla ludzkiego oka. Źródłem światła jest projektor podczerwieni, światło odbijając się od obiektu znajdującego się naprzeciwko dociera do kamery pod różnym kątem i z różną prędkością. Na tej podstawie tworzona jest chmura punktów odwzorowująca skanowany kształt. Zakres działania czujnika głębi to 0,4 – 6,5m [2]. Następnie chmura punktów jest digitalizowana i może zostać zapisana w formacie STL, co daje możliwość późniejszego wykorzystania modelu. Poprzez systemy typu CAM (Computer Aided Manufacturing) wykonać można bryłę na drukarce 3D lub frezarce, będącą odwzorowaniem zeskanowanego obiektu.

Rys. 4.Proces skanowania z użyciem Microsoft Kinect i programu Skanect,

Źródło własne.

Metoda ta należy do jednej z najtańszych, ten czynnik negatywnie  rzutuje na dokładność odwzorowywanych obiektów oraz bardzo ogranicza jej zastosowania. Obecnie oprogramowania niezbędne do skanowania z użyciem Kinect dostępne w sieci wymagają zakupu licencji w celu uzyskania ich pełnej funkcjonalności. Niemożliwe jest również skanowanie z bliska obiektów niewielkich rozmiarów, gdyż urządzenie zostało zaprojektowane z myślą o śledzeniu ruchów i gestów ludzkich z odległości do 6,5m. Ponadto pomiar może zostać zakłócony przez zbyt duże natężenie światła słonecznego, co praktycznie wyklucza użycie kontrolera poza pomieszczeniami zamkniętymi. Jednakże łatwość instalacji oraz wykonywania samych pomiarów sprawia, że skanowanie tą metodą idealnie nadaje się do celów edukacyjnych oraz hobbystycznych.

Rys. 5. Zeskanowany obiekt,

Źródło własne.

4. Skanowanie 3D przy użyciu aparatu fotograficznego i programu Autodesk® 123D Catch


4.1. Opis programu

123D Catch jest aplikacją stworzoną przez firmę Autodesk® pozwalającą na wykonywanie trójwymiarowych skanów na bazie zdjęć wykonanych aparatem fotograficznym. Nie wymaga zastosowania sprzętu fotograficznego wysokiej klasy, wystarczający jest aparat zainstalowany w telefonie komórkowym. Działa zarówno w trybie online jak i offline. Udostępniony jest nieodpłatnie dla studentów [3].


4.2.  Proces skanowania

 Cały proces skanowania rozpoczynamy od przygotowania modelu, tła oraz dostosowania odległości. Metoda ta pozwala na odwzorowanie zarówno dużych jak i stosunkowo małych obiektów, gdyż obraz tworzony jest na podstawie zarysu kształtowego niezależnego od odległości z jakiej zdjęcie zostało wykonane. W celu uzyskania jak najwyższej dokładności należy stosować jednobarwne tło stanowiące kontrast pomiędzy obiektem a otoczeniem. Zdjęcia należy wykonywać seriami w równych odstępach tak, aby uchwycić wszystkie powierzchnie. Po uzyskaniu zdjęć eksportujemy je do 123D Catch w ilości nie większej niż 70.

Rys. 6. Rozmieszczenie wykonywanych zdjęć,

Źródło: http://www.123dapp.com/howto/catch

Program na ich podstawie generuje model bryłowy składający się z przestrzennej siatki trójkątów. Interfejs daje nam możliwość dostosowania obiektu poprzez usuwanie zbędnych obszarów oraz wypełnianie ubytków. Dostępne formaty zapisu gotowego pliku to OBJ i STL.  Dokładność odwzorowania obiektu w dużej mierze zależy od rozdzielczości i ostrości wykonanych zdjęć. Bardzo negatywny wpływ ma nadmiar światła słonecznego, co utrudnia pracę z obiektami poza pomieszczeniami zamkniętymi [1].


4.3  Przykładowy pomiar

Badanym obiektem była Fontanna Trytona w Nysie. Poniżej przedstawiono jedną z wykorzystanych fotografii, w sumie do wygenerowania modelu wykonano ich 66.

Rys. 7. Zdjęcie obiektu przed wczytaniem do programu,

Źródło własne.

Pierwotny obiekt mierzył trzy metry wysokości. Znajdował się w miejscu osłoniętym przed nadmiarem światła słonecznego, co zredukowało natężenie odbijanego światła i wpłynęło pozytywnie na jakość kształtową obiektu po digitalizacji.

Rys. 8. Zeskanowany model bryłowy (z lewej), z naniesioną siatką (z prawej).

Źródło własne.

Przedstawiona wyżej metoda z użyciem programu 123D Catch staje się coraz bardziej popularna ze względu na uniwersalność użycia. Nie nadaje się jednak do celów przemysłowych. Istnieją metody zwiększenia dokładności pomiarów poprzez zastosowanie równomiernego oświetlenia, specjalnego tła czy też stanowisk ze stołami obrotowymi. Rozwiązanie to nadaje się do celów hobbystycznych lub edukacyjnych.

5. Podsumowanie

Przedstawione narzędzia dostępne są dla każdego kto chciałby poznać tajniki inżynierii odwrotnej bez konieczności zakupu drogiego sprzętu. Pozwalają uzyskać techniczne użyteczne modele pozwalające między innymi na określenie objętości lub masy skanowanego obiektu. Techniki te mają coraz szersze zastosowanie, co powoduje zwiększenie zainteresowania owymi rozwiązaniami. Istnieje wiele innych metod skanowania, lecz opisane powyżej należą do najtańszych i najłatwiejszych do opanowania, co sprawia, że idealnie nadają się dla amatorów projektowania w trzech wymiarach.


6. Bibliografia

1. 123D Catch, 2014 http://123dapp.com/catch
2. Microsoft, 2014 http://msdn.microsoft.com/pl-pl/library/kinect-sdk--wprowadzenie.aspx
3. Naszą pasją jest druk 3D, 2014 http://materialination.com/skanowanie-3d-omowienie-technik-skanowania/
4. Podlasiak P., Sprawdzenie możliwości wykorzystania kontrolera Kinect jako skaner 3d do rejestracji kolorowych chmur punktów, Politechnika Warszawska, Wydział GK, Zakład Fotogrametrii, Teledetekcji i SIP.
5. Skanect, 2014 http://skanect.manctl.com/
6. Wyleżoł M., Inżynieria odwrotna w doskonaleniu konstrukcji, Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn, Politechnika Śląska, Gliwice 2006.
7. Xbox, 2014 http://www.xbox.com/pl-PL/Xbox360/Accessories/kinect


3D SCANNING AS A TOOL OF REVERSE ENGINEERING

KEYWORDS: 3D scanning, Kinect, 123D Catch, Reverse Engineering

Reverse engineering is the process of restoring an existing object through the use of appropriate techniques allow for obtaining the parameters directly from the finished product. The purpose of the application is, for example: performance equivalent, providing interaction with another object, the modification of an existing object. 3D scanning is one of the tools used for reverse engineering spatial modeling or quality control. This paper presents two of the most generally available and least expensive scanning techniques - using a motion controller for game console Microsoft ® Kinect witch creates a cloud of points by the structural light and using software from Autodesk 123D Catch® witch generates a model based on digital photography. The paper present the advantages and disadvantages of each solution.