3D skenery aneb tvorba objektů do virtuálního světa

Tiskárny pracující jako výstupní zařízení vytvářející trojdimenzionální obraz skutečnosti z virtuálního modelu jsou dnes módní ikonou laické výpočetní techniky (viz 3D tisk aneb tvorba objektů z reálného světa). Vidina snadného vytisknutí modelů či v budoucnu vytvoření vlastního domu či vesmírné stanice na měsíci je však stále hudbou vzdálenější budoucnosti. Podívejme se spíše na druhou stranu mince, a to na vstup trojdimenzionálních modelů v podobě 3D skenerů. Jedná se o zařízení snadno připojitelné k počítači, které zaznamená povrch předlohy a mnohdy i jeho strukturu (texturu), umožňující následné upravování, dotváření, rozpohybování či již zmíněné zpětné vytištění.

Technologie 3D skenerů

3D skenování je založeno na přenesení trojdimenzionální informace o objektu do počítače pomocí různých technologií snímání. Jedinou společnou nutností 3D skenerů je velké (tisícové až milionové) množství měření vzdálenosti skenovaného objektu. Různé druhy skenerů se liší v technologii osvitu objektu. Skenery můžeme také dělit dle využitelnosti. Některé skenery jsou vhodné pro skenování na krátké vzdálenosti a používají se spíše pro menší modely. Druhým pólem jsou skenery na skenování velkých objektů, např. nadživotních soch. Skenery se dále dělí na ruční skenery, kterými se postupně dokola nasnímá objekt a na systémy pro 3D skenování, které jsou automatizovány. 3D skenování má dlouhou tradici ve zdravotnictví, kde první CT (Computed Tomography) pochází již ze sedmdesátých let minulého století, dalším odvětvím je průmysl. V tomto článku se spíše zaměřím na 3D skenery použitelné v edukačním prostředí.

Laserové triangulační skenery

Tyto skenery využívají laserový paprsek, který je vysílán na objekt a po odrazu ho zaznamená čidlo skeneru. Úhel a vzdálenost mezi vysílačem a čidlem je známý, proto pomocí triangulace systém vypočte vzdálenost skeneru od objektu. Tato technologie se používá nejčastěji pro ruční skenery do ohniskové vzdálenosti menší než metr, laserový systém neumožňuje zaznamenat texturu objektu.

Polhemus FastSCAN 3D Laser Scanner

Strukturované světlo

Digitální fotoaparát s vysokým rozlišením synchronizovaný s projektorem, který vysílá strukturované světlo, snímá zakřivení světla dopadajícího na snímaný objekt. Strukturované světlo je obraz přesně vypočítaných černobílých či modrobílých pruhů. Vyhodnocením zakřivení jednotlivých hran pruhů je opět pomocí triangulace vypočtena vzdálenost skeneru od objektu. Díky snímání objektu fotoaparátem umožňuje tato technologie zaznamenat i texturu objektu.

DAVID VISION Structured Light 3D Scanner Overview - Newegg TV

Stereoskopické skenery

Zařízení využívající dvě nebo více kamer zaměřené a zaostřené na jedno místo. Kamery ukládají obraz, který je pak systémem transformován do výsledného modelu. Tato metoda se používá u ručních skenerů a umožňuje zaznamenávat i texturu povrchu. Nevýhodou těchto skeneru je jejich malá přesnost a nutnost dobrého osvětlení skenovaného objektu.

3D Scan - Professional vs Hobby - Artec Eva, Carmine 1.09

Využití 3D skenerů v praxi a výuce

Jak již bylo zmíněno 3D skenování není ve výpočetní technice novinkou, objekty se běžně skenují v průmyslu, architektuře, archeologii či ve filmovém a herním průmyslu. Nespornými výhodami 3D skenování je vznik virtuálního modelu, který je možné distribuovat do celého světa bez nutnosti převážet originál. Oskenování základů budovy či fragmentu kostry nám umožní vytvořit model historického objektu či dávno vyhynulých zvířat.

3D skenování ve školách je výhodné především na odborných školách zaměřujících se na modelování jako na předmět výuky. Jsou to školy uměleckoprůmyslové, průmyslové, informatické, grafické, ale i lékařské či oděvní. Ve všech těchto oborech je potřebná znalost práce s modelem a editace předlohy. Při funkčním propojení s 3D tiskem si může každý student vytisknout svůj model v rámci zásad tvůrčí konstruktivistické výuky.

Modelové řešení naší školy

V rámci plnění OP VK 1.5 jsme na naší škole, kde vyučujeme obor Informační technologie, plánovali po zakoupení 3D tiskárny I3 Prusa zajistit pro předmět 3D Grafika i možná vstupní data pořízená 3D skenerem. Po porovnání technologií hardwaru a doprovodného softwaru jsme šli cestou stereoskopických skenerů. Nespornou výhodou stereoskopických skenerů je jejich pořizovací cena. Profesionální stereoskopické skenery stojí od 50 tisíc korun výše, ale pro školní účely postačí periférie pro konzole Microsoft Kinect či Asus Xtion Pro Live, které stojí v jednotkách tisíc korun. Díky kameře lze zaznamenávat také texturu objektu. Další stránkou 3D skenování je nutný software. Jako škola jsme dali přednost českému prostředí a zvolili jsme ARTEC Studio 9 v multilicenci, který tvořil většinu pořizovací ceny. Pro domácí účely je možné použít i bezplatnou licenci stažitelnou na stránkách ARTEC. Bezplatnou alternativou může být též SKANECT od společnosti Occipital.

3D-Scanning Tutorial Artec Studio and Kinect Scanner

Ovládání Artec Studia 9 je intuitivní, drobnou hardwarovou podmínkou je grafická karta Nvidia či AMD. Na jejím procesoru je pak následná práce s vypočítáváním modelu. Skenování probíhá kontinuálně, kdy na obrazovce vidíte jak vzdálenost od objektu tak daný objekt. Artec Studio neslouží jen pro import modelu, ale i pro následnou práci se skládáním obrazu a jeho finální editací. Výsledný model lze jednoduše uložit do STL souboru, který je standardem pro 3D objekty.

3D technologie a jejich výuka na středních školách je moderním fenoménem díky zlevnění  používaného HW i SW. Druhým důvodem masového rozšíření je současná otevřenost projektů a kombinovatelnost jednotlivých zařízení. Vzniká tak nové odvětví, které může žákům našich škol nabídnout kvalitnější trávení času u počítače.

3D skener včetně prostředí 3D Artec studia jsme pořídili na konci minulého školního roku. Základním testováním prošel již před prázdninami, kdy jsme si vyzkoušeli snímání žáky vytvořených byst. Finálním testováním však náš 3D skener projde až teď v hodinách 3D grafiky. Možnou variantou nasazení je i oskenování jednoho vzoru pro všechny a následná individuální editace vedoucí k rozdílným výsledkům. Finálním ročníkovým projektem by mohlo být naskenování oblíbené fantasy postavičky a její rozpohybování ve free 3D animačním prostředí Blender. Oskenování 3D výtvorů žáků a jejich následné vytisknutí je samozřejmě značným osvěžením výuky, které navíc vede k potřebnému seznámení žáků s technologiemi, které se v blízké budoucnosti stanou v praxi běžně nasazovanými.