В статье рассматривается вопрос использования маркеров в 3D-сканировании и выбор их оптимальных вариантов для применения в работе со сканерами, захватывающими текстуру.
Ключевые слова: 3D-сканер, маркер, захват текстуры .
Введение
Маркер — это небольшая наклейка или магнит с изображением черного круга с белой точкой. 3D-сканер использует эти высококонтрастные изображения для определения своего положения в пространстве (рис. 1). Чтобы повысить точность и стабильность 3D-сканирования, маркеры наносятся непосредственно на сам объект или рядом с ним [1].
Такой подход к использованию маркеров является классическим. В то же время, маркеры нередко необходимо наносить в спешке, но разрешающая способность и технически особенности сканера позволяют использовать в качестве маркера иные объекты. Данная статья посвящена именно этому вопросу.
Рис 1. Маркеры для 3D-сканеров
Для чего обычно нужны маркеры
Без маркеров сканер потеряет ориентацию во время сканирования, и невозможно будет соотнести между собой соседние кадры. Опираясь же на маркеры, программные средства выполняют сопоставление по смежным маркерам, используя их не только для позиционирования, но и для масштабирования различных кадров, что позволяет располагать портативные сканеры произвольно, не выверяя расстояние до объекта. Для этого задействуются сложные алгоритмы, отличные для разных видов сканеров, которые помогают разобраться и принять решение, что, к примеру, нос человека из одного кадра должен совпасть с тем же носом из другого и никак не с другой частью тела или объекта.
Во время всего сканирования в каждом кадре сканер должен видеть, как минимум, 3 маркера. Если маркеров меньше трех, сканирование автоматически прервется. При минимуме 3 маркера в кадре, оптимальное количество маркеров на один кадр — 5 штук. Это необходимо, чтобы исключить такие ситуации, когда маркер хоть и находится в поле зрения сканера, но не распознается им (например, из-за отблеска). Поэтому при оклеивании объекта маркерами (рис. 2), стараются размещать их таким образом, чтобы на любую область 70х100 см приходилось по 5 маркеров [1].
Рис. 2. Объект с маркерами
При наклеивании маркеров на плоские поверхности объекта избегают попадания на углы. 3D-сканер не сможет увидеть маркер, расположенный под неудобным углом. Для того, чтобы углы сканировались легко (например, непрерывное сканирование от багажника машины до ее двери), число маркеров ближе к угловой зоне увеличивается.
С маркерами или без, оптический 3D сканер более точно измеряет область, которая попадает в центр его кадра, а не с краю. Если при оцифровке объекта каждая его зона хотя бы раз окажется в центре поля зрения сканера, это гарантирует наилучший результат.
Этот подход используется для сканеров, которые выполняют частичный захват объекта и, чаще всего, являются фотограмметрическими или оптическими. Использование сканеров на базе технологии LiDAR [2], совмещенных со средством захвата и формирования текстуры, упрощает работу, требует попадания всего трех маркеров, которые, чаще всего, используются для позиционирования объекта или получения его пространственного положения [3].
Альтернативные маркеры
Требования к маркерам:
— Маркер должен быть контрастным с объектом
— Маркер должен иметь фиксированную форму
— Размер маркера должен быть константен
— Если маркер используется для масштабирования и позиционирования, то его размещение должно быть заранее определено.
Выбор маркера с возможностью его выявления на результатах сканирования в описанном типе сканеров обусловлен следующими особенностями [4]:
— Облако точек объединяется в полигональную сетку во время сканирования или сразу после него
— Фрагменты изображения конвертируются в фрагменты текстуры и сопоставляются с вершинами/полигонами
— Маркер выявляется на текстуре поверхности, его размеры и форма сопоставляются с эталоном.
Подходящие под это описание маркеры должны иметь простую правильную геометрическую форму. А за основу при позиционировании и масштабировании объектов должны быть взяты геометрические центры маркеров.
Оптимальная форма маркера (рис. 3):
— Круглый маркер
— Треугольный марке
— Квадратный маркер
Оптимальный вид маркера (рис 3.):
— Яркий желтый цвет
— Яркий зеленый цвет
— Яркий красный цвет
— Яркий оранжевый цвет
— Яркий голубой цвет
— Белый цвет
— Черный цвет
— Двуцветный маркер с шахматной раскраской из контрастных цветов (для квадратного маркера, разделенного на 4 равные части — рис. 4).
Рис. 3. Варианты маркеров
Рис. 4. Двуцветные маркеры
Выбор формы и внешнего вида маркера обусловлены следующими факторами:
— Геометрическая фигура должна быть различима и легко распознаваема независимо от формы поверхности, к которой она прикреплена
— Нахождения центра фигуры должно укладывать в нахождение середины между крайними точками по всем трем координатам
— Маркеры должны быть контрастны к исследуемому объекту
Дополнительные особенности применения маркеров
В случае необходимости захвата оригинальной текстуры всей поверхности, оптимальными будут маркеры, цветовую составляющую которых легко исключить из анализа изображения [5]. Количество применяемых маркеров в таком случае необходимо сводить к 5 и более, а во время сканирования поочередно устранять их с объекта, оставляя активными и видимыми сканеру не менее трех, что позволит сопоставить расширенные результаты сканирования с результатами первого прохода и выявить заменяемые фрагменты текстуры [6].
Заключение
В ходе написания этой статьи были проанализированы существующие на сегодняшний день методики 3D-сканирования, определены инструменты, применяемые при 3D-сканировании, в частности, маркеры для позиционирования. Проанализирован подход к применению этих маркеров и обусловленность их геометрической формы, внешнего вида и особенностей использования.
Для выбранного метода сканирования были подобраны адекватные альтернативы используемым маркерам с учетом конструкционной и технической особенностей сканирующего устройства. Были сделаны выводы по особенностям эксплуатации выбранных маркеров с учетом их геометрических и цветовых особенностей.
Дополнительно была предложена методика сканирования объектов с использованием этих маркеров, при которой возможно их удаление с текстуры поверхности конечного объекта. Результаты данного исследования в дальнейшем будут применены при выполнении выпускной квалификационной работы по моделированию сравнения результатов сканирования поврежденных поверхностей с эталонным объектом. В дальнейшем данная тема может быть развита в полноценный программный или программно-аппаратный комплекс.
Литература:
- Все про маркеры для 3D-сканирования. — Текст: электронный // THOR3D: [сайт]. — URL: https://thor3dscanner.com/uploads/Markery_dlya_Thor3D.pdf (дата обращения: 02.03.2022).
- Коваленко, Р. А. LIDAR как средство пространственной ориентации / Р. А. Коваленко, А. А. Сорокин, Е. А. Яковлева // Вопросы технических и физико-математических наук в свете современных исследований: сборник статей по материалам XXXIII международной научно-практической конференции. — Новосибирск: ООО «Сибирская академическая книга», 2020. — С. 20–25.
- Программы для 3D-сканирования: обзор и применение на практике. — Текст: электронный // Top 3D Shop: [сайт]. — URL: https://top3dshop.ru/blog/programmy-dlja-3d-skanirovanija-obzor-i-primenenie-old.html (дата обращения: 02.03.2022).
- Сорокин, А.А. 3D-сканер как ЧПУ-станок / А. А. Сорокин, Р. А. Коваленко, Е. А. Яковлева // Российская наука в современном мире: сборник статей XXXIV Международной научно-практической конференции, часть 1. — М.: ООО «Актуальность.РФ», 2020. — С. 106–109.
- Сорокин, А. А. Системы трехмерного машинного зрения на микроконтроллерах и микропроцессорах: монография / А. А. Сорокин, Е. А. Яковлева, Р. А. Коваленко. — Казань: Бук, 2021. — 136 с. — ISBN 978–5-00118–733–2.
- Сорокин, А. А. Моделирование задачи захвата текстуры при 3D-сканировании / А. А. Сорокин, Р. А. Коваленко // Вопросы технических и физико-математических наук в свете современных исследований: сборник статей по материалам XXXIV международной научно-практической конференции. — Новосибирск: ООО «Сибирская академическая книга», 2020. — С. 33–37.
