3D skenování
30. 9. 2011
Naskenovat si nějaký text nebo obrázek – žádný problém. Mnozí to doma, ve škole nebo v práci děláme každodenně. Ale co takhle naskenovat sochu, starověký monolit nebo dokonce celý chrám? Nesmysl? Omyl. Dnešní technika umožňuje provést i takové úkoly. S Michaelem se nejprve seznámíme se skenováním světových historických památek. A pak takovým velkým laserovým 3D skenerem naskenujeme Terezu a nakonec si vlastní jednoduchý 3D skener sestavíme doma.
Michael: Prague. A beautiful city with such a high concentration of wonderful architecture.
Praha. Krásné město s vysokým soustředěním nádherné architektury.
Tereza: Loreta. Stojí tady v podstatě jenom pár století. Co by se ale stalo, kdyby byla tak stará, jako jsou například pyramidy? Myslíte si, že se toho dožije? Jak se budou příští generace dívat na takovou památku?
Michael: Well, such a grand architecture can be stored and preserved for eternity thanks to a new technology that works on a principle as a 3D scanner, taking in and recording all the details and dimensions and colors and shapes of building such as this.
Takovou významnou architekturu můžeme zachovat natrvalo díky nové technologii, která je založena na principu 3D skeneru. Ten zachytí a zaznamená všechny detaily, rozměry, barvy a tvary budov jako je tato.
Filip: Skenovat fotografie nebo stránky starého textu, to děláme mnozí často doma – na svých skenerech nebo multifunkčních tiskárnách. Ale skenovat prostorové objekty? Celé budovy! Ne tyhle domečky, ale opravdové stavby! A dokonce ve 3D! Jak tohle může fungovat?
Tereza: Vypravili jsme se proto na Stavební fakultu ČVUT v Praze, kde nedávno probíhalo 23. mezinárodní symposium o dokumentaci kulturního dědictví.
Filip: O dokumentaci ve 3D právě pomocí moderní techniky laserového skenování.
Tereza: Principy metody nám objasnil a na příkladech praktického využití předvedl jeden z jejích zakladatelů – německý optik, Dr. Bernd Breuckmann.
Filip: Na zvlněný povrch snímaného tělesa …
Tereza: … třeba na obličej této sošky …
Filip: … svítíme úzkým paprskem laseru. Přímá svislá čára, jak se nám jeví při pohledu od laseru, však při pohledu ze strany, tedy pod určitým úhlem – už zdaleka není svislá. Mění se na křivky – v závislosti na měnícím se tvaru obličeje.
Tereza: Průběh křivek snímá ze strany dvojice kamer. Vzniklý záznam zpracuje počítač a ze získaných dat vytvoří prostorovou rekonstrukci původního objektu.
Filip: Moderní 3D skenery jsou přenosné a velice přesné přístroje. Používají se ve vědeckém výzkumu i v průmyslu.
Tereza: Výjimečnou roli ale hrají právě při dokumentování historických památek. Třeba při čtení písma starých civilizací umožní jedině 3D sken oddělit vrstvičku barvy od samotného podkladu a usnadní archeologům luštění textů.
Filip: V extrémních podmínkách mongolského vnitrozemí se skenovaly vzácné, tři tisíce let staré megalitické jelení kameny.
Tereza: V maloasijském Efezu se s ohledem na davy turistů skenoval po devět nocí rozsáhlý Hadriánův chrám. Vzniklo 1500 skenů a z nich digitální model.
Filip: Skenovalo se dokonce až v mrazivé Antarktidě. Díky 3D skenům je zdokumentována historická chata Scottových polárních expedic ze začátku 20. století.
Tereza: S Michaelem jsme viděli, že skenování nejrůznějších památek a objektů probíhá po celém světě. Mě ovšem zajímá, jestli je možné naskenovat si něco „z masa a kostí“.
Michael: No nazdar, čekali jsme Tě. Hele, hádej, co jsme pro tebe vymysleli. Dnes nám budeš dělat modelku.
Tereza: Počkej, já?
Michael: Hezky tady stůj. OK, dobrý, ano.
Tereza: Je to jako u fotografa, jo?
Michael: Udělej nějakou takovou zajímavou pozici. Ano takhle. A vůbec se nehýbej aspoň půl minuty. Honzíku, tak připraveni? Můžeme.
Tereza: Ono to na mě kouká.
Michael: Nehýbej!
Tereza: Můžu dýchat?
Michael: Nehýbej se!
Filip: Mgr. Jan Řezníček z laboratoře fotogrammetrie Stavební fakulty spolu s Ing. Janem Buriánkem ze společnosti AV Media rozjíždějí speciální 3D skener pro snímání budov a jiných větších objektů. Naše Terezka je pro něj jen drobnůstka. No, uvidíme, jak si s ní poradí.
Tereza: Na obrazovce nejprve nabíhá průběh skenování. Ten skener mě vidí nějak moc při těle, ne?
Filip: Bez obav. To byla jen nepřesně zadaná perspektiva.
Tereza: Tak tohle je už lepší.
Filip: Vzápětí se probudila velká prosklená krabice u zdi. Její miniaturní radlice nejprve zarovnala dokonale rovný povrch speciální práškové hmoty – něco jako sádry.
Tereza: Honza vybírá jeden z naskenovaných předmětů. A začíná opačná operace: z údajů ze skenu, z práškové a spojovací hmoty vzniká vrstvička po vrstvičce reprodukce prostorového objektu.
Filip: Tou „krabicí u zdi“ je totiž velice přesná 3D tiskárna. A z práškové hmoty se zrodila – dokonce v původních barvách originálu – Ona.
Filip: Historický skvost. Replika starověkého symbolu krásy egyptské královny Nefertiti.
Tereza: Z Honzovy 3D tiskárny pocházejí i další dokonalé prostorové repliky. Tohle je naše ve 3D fungl nově vytištěná Nefertiti.
Michael: Elegantní žena, že, pánové.
But today’s challenge for us is by using just simple equipment to change this 3D model of Nefertiti into its digitalized form. To convert her into a 3D image on our computer.
Ale naším dnešním úkolem je pomocí jednoduchého zařízení změnit tento 3D model Nefertiti do digitalizované formy. Převést ji v našem počítači na 3D obraz.
Tereza: Pomocí domácího 3D skeneru.
Michael: Welcome to our home made 3D scanner. OK. Here we have our model, the lovely Nefertiti, who I’ve placed in a centre of this simple turntable. And Nefertiti’s image we’re recording, using a simple web-camera. And the image of course we will be recording and saving using our laptop computer.
Vítejte u našeho domácího 3D skeneru. Tady máme náš model, nádhernou Nefertiti. Tu jsem umístil doprostřed tohoto jednoduchého otočného stolku. Nefertitin obraz budeme zaznamenávat pomocí jednoduché webové kamery. A zaznamenávat jej budeme do tohoto notebooku.
Nefertiti has to be exposed using a laser lines. We’ll get the actual 3D image of Nefertiti. Now line I’ve created using a simple laser pen. And that laser pen usually gives us just a laser beam. I want to diffract that beam into a line. And to do that I’ll be using this part of a wine glass, you can see here. And that’s everything. Easy.
Nefertiti bude snímat laserový paprsek. Získáme tak skutečný 3D obraz. Laserový paprsek nám poskytne jednoduché laserové ukazovátko. To nám obvykle dává jen úzký paprsek. Ten chci rozložit do linky. K tomu využiji tuto část vinné číše. A to je všechno. Snadné.
Filip: Nejprve musíme pomocí vodováhy prověřit, že naše točna je skutečně vodorovná.
Tereza: Pak musíme najít a raději ověřit její střed. Přesně na něm bude stát naše Nefertiti.
Filip: Pomocí provázku či nitě naznačíme dráhu laserového paprsku k Nefertiti i cestu obrázku od ní k webové kameře.
Tereza: Musíme totiž změřit úhel, který tyto obě dráhy svírají v bodě osy, kolem níž se Nefertiti bude otáčet.
Filip: Teď nastoupí naše znalosti goniometrie, abychom zjistili vzdálenost povrchu Nefertitiny tváře od osy, kolem níž se otáčí.
Tereza: Tuto vzdálenost vypočteme pomocí funkce sinus tohoto úhlu. V našem pravoúhlém trojúhelníku je sinus dán poměrem strany a ku přeponě čili vzdálenosti povrchu hlavy od osy, kolem níž se otáčí.
Filip: Velikost strany a si změříme a velikost úhlu – 30 ° - známe.
Tereza: Záznam z webové kamery vložíme do počítačového programu, který si můžete stáhnout na této adrese.
Filip: Program je napsán v jazyce mathlab. Proto k němu musíme stáhnout programovací prostředí matlab nebo octave. A tady je 3D Nefertiti i naše Tereza.
Autoři: Vladimír Kunz, Michael Londesborough