Skenování s 3D skenerem Cílem cvičení je vytvoření tvaru ojnice pomocí skeneru ATOS Compact Scan 2M s použitím referenčního kalibrovaného rámečku, vytvoření modelu ojnice a úprava a opravy vytvořeného polygonálního modelu.
Obsah 1. Spuštění skeneru a manipulace s měřicí hlavou... 3 Konfigurace projektoru a kamer... 3 Zapnutí skeneru... 5 Manipulace s měřicí hlavou... 5 2. Nastavení a kalibrace skeneru... 7 Nastavení úhlu kamer... 7 Nastavení clon kamer... 8 Zaostření kamer... 8 Nastavení laserových ukazovátek... 8 Kalibrace... 8 3. Příprava snímaného objektu... 11 4. Postup skenování... 12 Použití skenovacích rámečků... 14 Nejčastější problémy při snímání skenů... 15 5. Vytvoření polygonální sítě... 16 Výběr oblasti pro polygonizaci... 16 Polygonizace sítě... 17 6. Úpravy vytvořené polygonální sítě... 19 Výběr oblasti pro úpravu sítě... 19 Odstranění polygonů Delete Selected 3D Area... 19 Uzavření děr v síti Close Holes... 20 Interaktivní uzavření děr v síti - Close Holes Interactively... 21 Automatické uzavření děr v síti - Close holes automatically... 21 Tvorba mostů - Create Bridge... 21 Vyhlazení sítě - Smooth mesh... 22 Oprava sítě - Repair mesh... 22 Redukce polygonů - Thin Mesh... 22
1. Spuštění skeneru a manipulace s měřicí hlavou Konfigurace projektoru a kamer Ke skenování je používán skener ATOS Compact Scan s možností použitáí výměnných měřicích rozsahů. Každá konfigurace projektoru a snímacích kamer skeneru definuje tzv. měřicí rozsah, volitelný podle velikosti skenovaného objektu a požadované přesnosti. Zvolený měřicí rozsah definuje měřicí objem v němž lze skenovat měřený objekt. Měřicí objem zobrazuje software skeneru tak, aby měl uživatel kdykoliv přehled o poloze skenovací hlavy vůči snímanému objektu, jak je vidět z obr. 1. Obr. 1 Umístění skenovaného objektu v měřicím objemu Aby bylo možné dosáhnout malých, středních i velkých měřicích rozsahů odpovídajícíh velikosti snímaného objektu, je možno pro jednotlivé měřící rozsahy vyměnit příslušný projektor a kamery. Ty jsou montovány do výměnných kamerových držáků různé délky podle konfigurační tabulky uvedené v Tab. 1. Pro skenování dané ojnice spalovacího motoru s využitím referenčního rámečku je vhodný měřicí rozsah 250 x 190 x 190 mm s kamerami umístěnými na držáku o délce 300 mm. 3
Tab. 1 Konfigurační tabulka měřicích rozsahů skeneru 4
Zapnutí skeneru Skener je napájen zdrojem stejnosměrného napětí a připojuje se k měřicímu počítači nebo notebooku prostřednictvín datového kabelu typu TP (Twisted Pair), jak ukazuje Obr. 2. Zapíná se tlačítkem na napájecím zdroji. Indikátorem zapnutí je signalizační dioda, která se rozsvítí zprvu oranžově. Po zahřátí skeneru změní dioda barvu na zelenou, což signalizuje, že je skener připraven k použítí a je možno začít skenovat. Obr. 2 Připojení a spuštění skeneru Manipulace s měřicí hlavou Měřicí hlava skeneru je vysoce přesné zařízení. Je upevněna na profesionálním stativu. Stativ umožňuje jak pojezd ve vodorovných osách, tak výškové nastavení hlavy. Klouby stativu umožňují natáčení hlavy ve 3 osách. Při manipulaci se skenovací hlavou je nutno VŽDY POUŽÍVAT ÚCHYTY PRO MANIPULACI S HLAVOU!!! Ty se nacházejí na její horní a zadní straně. Jednou rukou podržíme 5
vhodný úchyt hlavy, druhou rukou uvolníme příslušný aretační šroub a po nastavení požadované polohy hlavy šroub utáhneme. Šroub jen nutné utáhnout dostatečně, aby nedošlo k samovolnému pohybu skenovací hlavy během snímání ale zároveň s citem tak, aby nedošlo k poškození aretačního mechanismu. Obr. 3 ukazuje polohování skenovací hlavy pomocí kloubu. Obr. 3 Manipulace se skenovací hlavou 6
2. Nastavení a kalibrace skeneru Při výměně měřicího rozsahu, tj. příslušného projektoru a kamer, je potřeba provést jejich správné nastavení a kalibraci. Je přitom potřeba provést nastavení úhlu kamer, jejich clony, zaostření. Následné je možno provést kalibraci pomocí kalibrační desky nebo kalibračního kříže. Tyto nastavovací operace jsou vedeny softwarem skeneru a nachází se v části Set Up levého stranového menu. Po jeho zvolení se zpřístupní horní menu s jednotlivými kroky nastavení, jak ukazuje Obr. 4. Obr. 4 Menu nastavení skeneru Pro použítí ve výuce je skener ve většině případů již nastaven a zkalibrován, proto jsou dále uvedeny pouze význačné kroky v základním přehledu. Nastavení úhlu kamer Úhly kamer jsou již přednastaveny pomocí pevných zarážek. Mírné odchylky je možno eliminovat ručním posunem kamer v rámci vymezovací vůle. Úhel kamer se kontroluje pomocí ustavení promítaných křížů do požadované polohy, jak je vidět na. Obr. 5 Nastavení úhlu kamer 7
Nastavení clon kamer Postupuje se dle pokynů programu. Nejdříve se s použitím kalibrační reflexní fólie nastaví clona levé kamery podle pokynů v ovládacím software. Následně se clona druhé kamery vyváží s kamerou první za pomoci barevného vyrovnání snímaných obrazců. Zaostření kamer Zaostření kamer se provádí pomocí další kalibrační fólie na optimální hodnotu sledovanou a vyhodnocovanou softwarem skeneru. Nastavení laserových ukazovátek Laserová ukazovátka slouží ke snadnému a rychlému určení vzdálenosti hlavy od středu měřicího objemu bez nutnosti mechanického měření vzdálenosti v průběhu měření. Jejich nastavení se provádí posuvovými šrouby na spodní starně skenovací hlavy po ustavení hlavy do předepsané vzdálenosti. Obr. 6 Nastavení laserových ukazovátek Kalibrace Skener se kalibruje v našem případěw pomocí pomocí kalibračních desek (viz Obr. 7). Výběr kalibrační desky se provádí dle Tab. 1. U větších kalibračních desek se z černých plastových transportních boxů se snímá pouze horní díl. KALIBRAČNÍ DESKY jakéhokoliv rozměru SE NEVYJÍMAJÍ Z TRANSPORTNÍCH BOXŮ!!! 8
Kalibrační desky jsou velice přesné příslušenství s citlivým povrchem. POVRCHU KALIBRAČNÍCH DESEK se proto NESMÍ DOTÝKAT PRSTY ČI RUKAMA!!! Obr. 7 Kalibrační deska Při kalibraci se postupuje podle instrukcí software skeneru. Mění se přitom v jednotlivých krocích vzdálenost a poloha hlavy skeneru vůči kalibrační desce. 9
Obr. 8 Umístění kalibrační desky 10
3. Příprava snímaného objektu Pro snímání je potřeba upravit povrch skenovaných ploch. Povrch nesmí být lesklý, nejlépe je snímán povrch bílé barvy. Úprava povrchu se provede nanesením křídového povlaku pomocí speciálního spreje. Nanesená vrstva musí být dostatečná pro zmatnění povrchu, ale její tloušťka by měla být co nejmenší, aby neovklivnila tvar snímaného povrchu. Je vhodné nanášet křídový povlak v tenkých vrstvách a další vrstvu v případě nutnosti nanášet až po zaschnutí vrstvy předešlé. Pro snímání je potřeba na objekt nebo okolo něj umístiti referenční body, pomocí kterých budou vzájemně polohovány jednotlivé nasnímané skeny. Velikost referenčních bodů se volí v závislosti na měřicího rozsahu. Pro použití skeneru ATOS Compact s měřicím rozsahem 250x190x190 cm je možno použít referenční body o průměru 3 nebo 5 mm. Body je možno umístit (nalepit) přímo na skenovaný objekt. Má to však nevýhou ve vzniku děr ( holes ) vzniklých při snímání v místech referenčních bodů, které je pak nutno softwarově uzavřít. Vhodnější je ojnici umístit do speciálního skenovacího rámečku pomocí hrotů, jak je vidět z Obr. 9 Ojnice v kalibrovaném rámečku. Je nutné její pozici dobře zajistit, aby se při změně polohy při skenování nezměnila její relativní poloha vůči rámečku. Referenční body jsou pak umístěny na okolním rámečku. Výhodou pak je, že referenční body na rámečku mohou být nasnímány samostatně (s výhodou se používá nafocení fotogrammetrickým systémem Tritop) a před snímáním skenů načteny do systému. Obr. 9 Ojnice v kalibrovaném rámečku Takto připravenou a upevněnou ojnici je možno použít ke skenování. 11
4. Postup skenování Snímání skenů je přístupné ve stranovém menu prostřednictvím ikony Digitize. Po jejím zvolení se rozbalí horní ikonové menu (viz Obr. 10). Sejmutí jednotlivých snímků se inicializuje tlačítkem zvýrazněným na obrázku červeným kroužkem. Systém ATOS snímá skenovaný povrch prostřednictvím promítání proužků, s jejich pomocí sejme tzv. mračno bodů pro každyý snímek. Tato mračna bodů tvoří yákladní data pro převod nasnímaných obrazů do 3D tvaru. Obr. 10 Základní menu pro skenování Digitalizaci provádíme dostatečným potem skenů v různých pozicích skenovací hlavy vůči snímané ojnici (viz Obr. 11) tak, aby byla zajištěno, že obě kamery skeneru v každém snímku sejmou současně jednotlivá místa povrchu ojnice tak, aby bylo provedeno nasnímání skenů ve všech požadovaných místech dílu. Pro správné umístění skenů je přitom nutné, aby obě skenovací hlavy vždy zaznamenaly pokud možno nejméně 4 referenční body (minimum je 3), které jsou již systému známy. Obr. 11 Ojnice po sejmutí prvních snímků 12
Intenzita promítaného světla se nastavuje posunem šipky myši nahoru a dolu v náhledu snímku za podržení levého tlačítkla myši. Jednotlivé snímky jsou zobrazovány v seznamu naskenovaných snímků, jak ukazuje Obr. 12. Obr. 12 Seznam nasnímaných skenů Počet skenovací kroků není omezen. Je však vhodné volit jejich optimální počet vzhledem k časové náročnosti celého měření, velikosti naskenovaných dat a požadované kvalitě výsledného skenu. Všechny skenovací kroky jsou uchovávány a lze s nimi pracovat samostatně (skrývat jednotlivé, vybírat je, nepotřebné mazat, atd.). 13
Použití skenovacích rámečků Při použití skenovacích rámečků provedeme po naskenování ojnice z jedné strany její převrácení i s rámečkem (viz Obr. 13) a skenovací proces opakujeme. Je důležité, aby se při tomto kroku nezměnila poloha ojnice vůči rámečku. Obr. 13 Ojnice po otočení s rámečkem Skenování ukončíme ve chvíli, kdy již další změnou relativní polohy ojnice vůči skenovací hlavě nedosáhneme rozšíření naskenované plochy povrchu ojnice. Spolu s povrchem ojnice je vždy naskenována alespoň část rámečku, neboli předmtu, jež by neměl být součástí výsledného skenu. Proto provedeme jeho odstranění pomocí selekce a následné funkce odstranění. 14
Nejčastější problémy při snímání skenů Movement pohyb při snímání. Při tom problému dochází k nepatrnému pohybu buď měřeného objektu, skenovací hlavy nebo celého stativu, vyvolanému většinou chvěním přeneseným z okolí. Je potřeba vyvarovat se vzniku chvění např. chůzí okolo skeneru a zopakovat měření. Pokud software hlásí tuto chybu opakovaně, je potřeba zkontrolovat aretaci hlavy, použít použijte brzdy koleček stativu stativu, případně zkontrolovat upevnění skenovaného objektu. Unable to compute transformation nemožnost umístění nasnímaného skenu. V zorném poli není dostatek kódovaných bodů. Je potřeba upravit polohu hlavy skeneru vůči objektu tak, aby snímací kamery zaznamenaly pokud možno minimálně 4 nebo více již referenčních bodů (minimální počet, při kterém software provede snímání, jsou 3 body). Je možno řešit také doplněním referenčních bodů do příslušných míst. The deviation is too high překročená odchylka transformace. Stává se v případě měkkých dílů, které se snadno deformují nebo při málo tuhém upnutí měřených dílů. Díly je třeba upnout tak, aby v průběhu skenování nedocházelo k jejich deformaci nebo změně polohy vůči referenčním bodům. V případě deformace se geometrie sice naskenuje, dojde však k vysoké odchylce vůči ostatním skenům. Vada se může ale nemusí projevit varovnou značkou vykřičníku u skenu v Property Window (po přepočítání projektu). Překročená odchylka Transformation je vidět v informačním okně na pravé straně obrazovky, které se vyvolá klávesou TAB. Pokud dojde k deformaci pouze části měřeného dílu, software nemusí chybu identifikovat. V tom případě je potřeba provést vizuální kontrolu ve 3D zobrazení skenů. 15
5. Vytvoření polygonální sítě Na základě nasnímaných skenů systém vytváří polygonální síť tvaru objektu ve formátu *.stl. Tento proces se skládá ze dvou fází, zarovnání skenů vůči sobě a polygonizace sítě. Obě tyto fáze jsou v současných verzích obslužného software skeneru ATOS Compact Scan prováděny jednou společnou funkcí. Výběr oblasti pro polygonizaci Před spuštěním vytváření polygonální sitě je potřeba vybrat plochy, ze kterých bude polygonální síť vytvořena a z tohoto výběru vyřadit plochy, které sice byly naskenovány, ale netvoří skenovaný tvar ojnice (např. plochy rámečku), jak ukazuje Obr. 14. Obr. 14 Výběr ploch pro vytvoření polygonální sítě Často používané nástroje pro výběr oblasti ve 3D se nacházejí v panelu na spodní straně obrazovky (viz Obr. 15). Obr. 15 Nástroje pro výběr oblasti 16
Kompletní nabídka nástrojů pro výběr se nachází v menu Edit -> Selection in 3D (viz Obr. 16). Obr. 16 Menu s nástroji pro výběr Nejpoužívanějšími nástroji pro výběr oblasti (Obr. 17) jsou Select/deselect through surface a Select/deselect on surface nebo Select/Deselect All. Tyto nástroje se nacházejí také v kontextové nabídce, kterou lze vyvolat kliknutím pravým tlačítkem myši v 3D okně. Jsou dostupné rovněž pod klávesovými zkratkami, uvedenými v kontextovém menu. U možností Select/deselect through surface a Select/deselect on surface vyberte levým tlačítkem myši požadovanou oblast pomocí polygonu, potom podržte pravé tlačítko a vyberte ikonu + pro přidání výběru nebo pro jeho zrušení. Obr. 17 Kontextové menu pro nejčastější funkce výběru Polygonizace sítě Vytvoření polygonální sítě se provede pomocí tlačítka Polygonize and Recalculate (viz Obr. 18) na horním panelu nástrojů, které je posledním tlačítkem příslušným ke stranovému menu Digitize. Obr. 18 Tlačítko Polygonize and Recalculate pro výpočet polygonální sítě 17
Během výpočtu polygonální sítě jsou nasnímané skeny konvertovány na síť trojúhelníků, jak je vidět z Obr. 19. Obr. 19 Celkový pohled na vytvořenou síť Síť trojúhelníků má různou hustotu v závislosti na zakřivení povrchu měřeného objektu, ajk je patrné z Obr. 20. Obr. 20 Detail vytvořené sítě v místě horního oka ojnice Vytvořenou polygonální síť je možno v programu ATOS V7 exportovat do souboru typu *.stl, který je dále využíván k dalšímu zpracování polygonálních dat. 18
6. Úpravy vytvořené polygonální sítě Vytvořenou polygonální síť je možno upravovat jak v software ATOS V7, tak v programu GOM Inspect. V obou případech se používá funkcí Mesh Editing přístupných pod stejnojmennou ikonou v levém stranovém menu Workspace. Po zvolení ikony Mesh Editing se nejpoužívanější nástroje pro úpravu sítě se zobrazí v horním kontextovém panelu po přepnutí do prostředí Mesh editing. Základními úpravami polygonálním modelu jsou: odstranění nežádoucích polygonů, uzavření děr, vyhlazení sítě, oprava sítě, redukce polygonů a odstranění chyb v síti. Kompletní nabídka nástrojů pro editaci sítě se nachází v hlavním panelu v položce menu Operations -> Mesh. Close holes Interactively Create bridge Refine mesh Smooth mesh Thin mesh Repair mesh Obr. 21 Nástroje pro úpravu polygonální sítě Výběr oblasti pro úpravu sítě Výběr oblasti pro úpravu sítě se provádí obdobně a stejnými nástroji jako výběr naskenovaných dat pro polygonizaci, jak bylo popsáno v předešlé kapitole. Odstranění polygonů Delete Selected 3D Area K odstranění vybraných polygonů se používá funkce Delete Selected 3D Area, která se nachází v panelu nástrojů Edit v horním menu a je dostupná pod klávesovou zkratkou Ctrl+Del. K rychlému odstranění nežádoucích polygonů v okolí naskenované geometrie se často používá následující postup: Pomocí výběru Select patch se označí naskenovaný plát, provede se obrácení výběru Invert Selection a odstranění polygonu pomocí zkratky Ctrl+Del. Je potřeba se ujistit, že všechny naskenované plochy, které nechceme odstranit, zůstaly spojeny s hlavní polygonální sítí součásti. V tomto konkrétním případě byl výběr oblasti k polygonizaci proveden tak, aby nebylo u polygonální sítě ojnice nutno funkci Delete Selected 3D Area použít. 19
Uzavření děr v síti Close Holes Kompletní nabídka nástrojů pro uzavírání děr se nachází v horním menu pod položkou Operations -> Mesh -> Close Holes. Díry (viz Obr. 22) vzniknou většinou buďto v místech referenčních bodů, pokud jsou umístěny přímo na skenovaný povrch, nebo v hůře přístupných místech, ve kterých je problém, aby jej zaznamenaly obě kamery. Obr. 22 Díry (holes) v polygonální síti Obr. 23 Uzavírání děr 20
Interaktivní uzavření děr v síti - Close Holes Interactively Funkce se nachází pod ikonou v horním ikonovém menu. Při interaktivním uzavírání děr (Obr. 23) je možné zvolit počet polygonů, které budou v okolí díry smazány a nahrazeny. Dále se nastavuje stupeň křivostního/rovinného napojení nově vytvořených polygonů od Rough po Very Smooth. Výběr díry se provádí kliknutím levým tlačítkem myši v blízkosti díry a současně podřením Ctrl. V případě složitějšího tvaru, je možné díru uzavřít postupně pomocí ikony Close holes partialy v menu Operations -> Mesh -> Close Holes -> Interactively. Pomocí levého tlačítka myši se vytvoří dělící linie a následně pomocí Ctrl+levého tlačítka myši se vybere strana, která bude uzavřena a vyplněna polygony. Automatické uzavření děr v síti - Close holes automatically Slouží k uzavírání většího počtu děr současně dle zadaných kritérií. Volí se maximální velikost uzavíraných děr a maximální počet hran díry (Obr. 24). Pokud se aktivuje možnost Max. hole complexity, budou uzavírány pouze díry s menší složitostí, než je zadaná hodnota. Pokud kliknete v okolí konkrétní díry pomocí Ctrl+levého tlačítka myši, vyplní se tyto informace v okně Close Holes Automatically pro danou díru. Díky tomu získáte představu o volbě těchto parametrů. Obr. 24 Parametry pro automatické uzavírání děr Tvorba mostů - Create Bridge Funkce přístupná rovněž prostřednictvím horního ikonového menu slouží k vytvoření mostu (jedné řady polygonů) mezi dvěmi oblastmi s možností volby křivosti. Současným podržením klávesy Ctrl+pravého tlačítka myši se vyberou dva body na obou stranách spojované oblasti. Partametr Tangential tension se nastavuje mezi hodnotami 0 až 1, 1 znamená rovinné napojení a 0 křivostní (Obr. 25). 21
Obr. 25 Uzavírání děr po částech Close Holes Partialy Vyhlazení sítě - Smooth mesh Slouží k vyhlazení nerovnosti na povrchu sítě. Velikost vyhlazení se řídí pomocí tolerance drsnosti. Dále je možné volit stupeň zachování detailů a velikost okolí, ze kterého bude počítáno vyhlazení. V náhledu je možno zobrazit původní síť, vyhlazenou síť a mapu odchylek. V tomto případě skenované ojnice není nutno funkci použít. Oprava sítě - Repair mesh Slouží k opravě nežádoucích lokálních výstupků na síti. Nástroji pro výběr 3D oblasti vyberte polygony, které budou nahrazeny. Nejdříve je třeba vybrat oblast, která má být opravena pomocí nástrojů pro výběr oblasti ve 3D. Rovněž tuto funkci není potřeba na skenu ojnice použít. Redukce polygonů - Thin Mesh Slouží ke změně velikosti polygonů sítě. Hustota polygonální sítě je často nedostatečná nebo naopak zbytečně vysoká, což má zásadní vliv na velikost souboru. Při použití tohoto nástroje dochází pouze k minimálním odchylkám tvaru, neboť v místě vyššího zakřivení zůstává síť hustá a redukuje se především v rovinných oblastech. Nastavením tolerance změny drsnosti se řídí velikost redukce. Dále je možné řídit velikost redukce pomocí počtu bodů, které zůstanou v síti po redukci, případně zadáním maximální velikosti hrany polygonů. V náhledu je možno zobrazit původní síť, redukovanou síť a mapu odchylek. Vzhledem k vytvořené polygonáální síti ojnice není nutno použít ani tuto funkci. 22
Oprava defektů na síti Eliminate Mesh Errors Vygenerovaná polygonální síť může obsahovat vadné trojúhelníky, jako např.: trojúhelníky, které se protínají trojúhelníky, které se překrývají trojúhelníky s velkou délkou osamocené trojúhelníky osamocené body osamocené hrany a další Tyto defekty je možné opravit pomocí nástroje Eliminate Mesh Errors (Obr. 26), který se nachází v horním menu Operations -> Mesh -> Others -> Eliminate Mesh Errors. Obr. 26 Výpis chyb modelu 23