research #2 scan your *bodyshape iam.tugraz.at/studio comme des costumes* Thomas Diewald Jacob Wegerer

Transkript

1 research #2 scan your *bodyshape

2 2 INHALTSVERZEICHNIS 1 Techniken Verfahren 3 #Kontakt-3D-Scanner ##CCM #Kontaktlose 3D-Scanner Aktive Systeme ## Time-of-Flight ## Triangulations 3D - Scanner ## konoskopische Holographie ## handgeführte Laser ## Streifenprojektion Passive Systeme ## Steroskopisch ## Photometrisch ## Silhouette / Konturerfassung 2 Anwendungsgebiete 9 3 Systeme 6 #Full-Body-Scanner ##Lichtschnittverfahren ##Triangulationsverfahren ##Texturerfassung ##Technische Daten ##Scanvorgang #Low-Cost 3D-Scanner - David 4 Verweise Quellen 15 # weiterführende Links

3 3 1 Techniken, Verfahren Kontakt-3D-Scanner CMM (coordinate measuring machine) - -> link wikipedia Vorteile: können durchsichtige Materialien Scannen Nachteile: kann das Scan-Objekt zerstören oder verändern langsamer als Laserscanner -> weiter Informationen Kontaktlose 3D-Scanner Aktive Systeme: senden Strahlen bzw. Licht und erfassen die Reflektion vom Objekt Emitter: Licht, Ultraschall, Röntgenstrahlen -> weitere Informationen Time-of-Flight Die Zeit, die der Laser braucht, vom Scanner zum Objekt und Zurück wird gemessen. Die Genauigkeit des Scans hängt somit von der Genauigkeit der Zeitmessung ab. Um das gesamte Objekt scannen zu können muss sich entweder der Scanner bewegen, oder Spiegel lenken den Laser rundherum. Die Geschwindigkeit dieser Methode liegt bei ca Punkten pro Sekunde. Vorteile: funktioniert auch über längere Distanzen (Mehrere Kilometer)

4 4 Nachteile: nur mäßig Genau (Abweichung von mehreren Millimetern) Abhängig von der gewünschten Auflösung kann die Scanzeit mehrere Minuten dauern, was bei beweglichen Objekten Probleme bereitet. Als Bewegung gilt hierbei schon eine geringe Ausdehnung bei zb. thermischer Veränderung. -> weitere Information Triangulation-3D-Scanner Diese Methode wurde bereits um 1978 entwickelt. Benötigt wird ein Laser (LinienLaser, Strichlaser) und eine Kamera. Der Laser legt eine Linie auf das Objekt, während die Kamera von einer anderen Position aus den Laserstrich analysiert. Kamera, Laser und die Laserlinie (Eigentlich lauter einzelne Punkte) bilden so ein Dreieck (Triangulation). Bei Kenntnis der Strahlrichtung und des Abstandes zwischen Kamera und Lichtquelle und dem von der Kamera erfassten Streulicht auf dem Objekt kann damit der Abstand vom Objekt zur Kamera bestimmt werden. Aus Sicht der Kamera bildet die Laserlinie bei einer gewölbten Oberfläche keine Gerade mehr, sondern eine Kurve. Vorteile: Sehr genau (Mikrometer) Nachteile: Distanzen nur im Meterbereich

5 5 konoskopische Holographie Mit Hilfe eines Laserstrahls wird auf einem Messobjekt ein Lichtpunkt erzeugt, dessen Licht diffus, d.h. in alle Richtungen, zurückstrahlt. Ein Teil des von diesem Lichtpunkt zurück gestrahlten Lichts wird vom Objektiv des Sensors erfasst und fällt auf einen Kristall. Dort werden die eintreffenden Lichtstrahlen zunächst in Teilstrahlen gespalten und nach Austritt aus dem Kristall wieder überlagert. Dort entsteht ein Interferenzmuster, das mit Hilfe eines CCD-Sensors erfasst wird und elektronisch ausgewertet wird. Im Interferenzmuster sind Informationen über den Winkel des eintreffenden Lichtstrahls gespeichert. Im konoskopischen System wird dieser Winkel analysiert. Der Messprozess beruht auf der Rekonstruktion des Abstandes des Lichtpunktes aus den Winkelinformationen. -> link wikipedia Vorteile: genauer als Triangulation, da Mittelwerte von mehreren Diffus reflektierenden Strahlen berechnet werden. Durch ein Austauschen der Line kann der Messbereich verändert werden. Da nur von einer Sicht gemessen wird (vlg. Triangulierung - Kamera-Laser-Winkel), können zb. tiefe schmale Löcher vermessen werden.

6 6 Handgeführte Laser beruht auf dem Prinzip der Triangulation. Nur muss hier zusätzlich die Position des Handlasers bestimmt werden. Dies geschieht entweder durch Berechnung von fixen Referenzpunkten oder durch ein zusätzliches Tracking System (Kameras, Infrarotlicht, ) Streifenprojektion (Streifenlicht-topometrie) Mittels eines Projektors oder Lasers wird ein Muster (Streifen, Linien) auf eine Oberfläche projiziert. Eine Kamera nimmt aus einer anderen Position das Muster auf und berechnet ähnlich wie bei der Triangulationsmethode die Punkte von dem Muster im 3-Dimensionalen Raum. Vorteile: Diese Methode ist sehr schnell, weshalb eine Bewegung des Objektes kaum Probleme verursacht. Es können sogar bewegliche Objekte in Echtzeit gescannt werden. -> link wikipedia streifenprojektion -> link structured light Beispiele: -> link -> link

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8 8 Passive Systeme: Diese Systeme arbeiten aktive ohne zusätzliche Beleuchtung oder Bestrahlung, sondern reagieren auf die Reflektionen des Umgebungslichtes. Hier wird entweder die sichtbare Strahlung oder auch die Infrarotstrahlung verwendet. Diese Systeme sind billiger als die aktiven da keine spezielle Hardware benötigt wird. -> weitere Informationen Passive Systeme Stereoskopisch Aus unterschiedlichen Blickwinkeln nehmen zwei Kameras das zu scannende Objekt auf. Dadurch können die Punkte berechnet werden. Diese Methode macht sich das Selbe Prinzip zu Nutze, nach welchem auch wir Menschen drei dimensional sehen können (durch den Abstand unserer Augen). Passive Systeme Photometrisch Bei dieser Methode genügt eine Kamera. Es müssen aber dafür mehrere Bilder bei wechselndem Umgebungslicht aufgenommen werden. Durch die veränderte Schattierung auf der Oberfläche, also den unterschiedlichen Pixelfarben können räumliche Koordinaten berechnet werden. Passive Systeme Silhouette / Konturerfassung Aus vielen verschiedenen Blickwinkeln werden mit einer Kamera Bilder aufgenommen und sie Silhouette/Umriss berechnet. Durch Extrusion und Verschnitt der einzelnen berechneten Kurven wird das Objekt generiert. Um einen Exakten umriss zu bekommen, muss das Objekt vor einem kontrastreichen Hintergrund aufgenommen werden. Vertiefungen von Objekten könne mit dieser Methode nicht erfasst werden.

9 9 2 Anwendungsgebiete Unterhaltungsindustrie - Filme, Computerspiele - Scannen von Modellen, Menschen, Körperteilen usw. statt Modellieren - Hier wird öfters mit Handscannern gearbeitet -> link Industrial Design / Produktdesign - Bekleidungsindustrie: Maßanfertigungen - Human Solutions führt Studie durch: Size Germany Männer, Frauen und Kinder werden gescannt um Aktuelle durchschnittliche Körpermaße zu gewinnen. ->link - Autoindustrie: Prototypenbau kann reduziert werden Kosteneinsparung, Ergonomischen Analysen werden effizienter Autointerieur kann ergonomisch angepasst werden - alte, kaputte Teile, von denen es keine Daten mehr gibt, können reproduziert werden. Medizin - Orthetik: Prothesen, Orthopädie, - Zahntechnik ( Sport - Haltungsanalysen - Bewegungsoptimierung - Fußstellungen, Sportschuhe, Einlagen

10 10 Reverse Engineering - Analyse, Weiterentwicklung, Rapid Prototyping Qualitätskontrollen - Pressteile, Spritzgussteile, Gussteile, werden gescannt und mit einem Referenzmodell verglichen wodurch kleinste Abweichungen und Fehler sichtbar werden. - Verschleißteile werden auf Gebrauchstauglichkeit untersucht. - Scannen von Objekten auf Verformungen, Verzehrrung, Verbiegung, Archäologie - Dokumentation, Archivierung - Objekte werden gescannt, und mittels 3D-Prints originalgetreu reproduziert, oder fehlende und kaputte Teile ergänzt. - Objekte werden gescannt und in kleinerem oder Größerem Maßstab mittels 3D-Printern reproduziert. - Schäden von Objekten können leichter digital erkannt und verarbeitet werden. - Gemälde werden gescannt, um Strukturen und Farbschichten zu analysieren ohne dass ein physischer Eingriff nötig ist.

11 11 3 Systeme Full-Body-Scanner Bei Full Body Scanner ist der Scan-Vorgang automatisiert - das jeweilige Objekt ist in einem Durchgang erfassbar. Um dies zu ermöglichen, wird der Einsatz von mehreren Sensoren aus unterschiedlichen Richtungen notwendig, da ein einzelner Sensor nur die ihm zugewandten Bereiche vermessen kann. Die Anzahl der verwendeten Sensoren hängt von der erforderlichen Auflösung und dem erforderlichen Scan-Volumen ab. Das komplette 3D-Objekt wird mittels eines automatischen Einmessvorgangs aus den einzelnen Bildfeldern berechnet. Lichtschnittverfahren Diese Methode nutzt einen Linienlaser als Lichtquelle. Eine Laserlichtebene wird mit Hilfe eines galvanischen Spiegels über das zu erfassende Objekt bewegt. Die Oberfläche des Objekts reflektiert das Laserlicht. Jede Scan-Ebene wird in einem Einzelbild, das durch eine Kamera aufgenommen wird, festgehalten. Die Kontur der abgetasteten Oberfläche wird dann aus den aufgenommenen Bildern der reflektierten Laserlichtebenen abgeleitet. Die Position eines beleuchteten Punktes der Oberfläche relativ zum Winkel der Aufnahme wird über das Triangulationsverfahren bestimmt. Triangulationsverfahren Mittels einer Videokamera wird aus einem definierten Winkel die Position der Laserlinie auf dem Objekt aufgenommen. Aufgrund des Triangulationswinkels (Winkel zwischen Kamera und Lichtquelle) und der

12 12 festgelegten optischen Positionierung von Kamera und Beleuchtung kann die Position eines Profilschnitts in X- und Y-Richtung errechnet werden. Einfacher gesagt: Durch den bekannten Winkel ist es so möglich, die Position der Lichtlinie, also eine planare Scheibe des Objekts, zu berechnen. Um die Dreidimensionalität zu erreichen, wird die Lichtlinie in der Z-Richtung bewegt. Auf diese Weise wird die Kontur des Objekts Scheibe für Scheibe erfasst. Die dabei generierte Punktewolke besteht aus einer Vielzahl von Messpunkten, die jeweils über eine X-, Y- und Z-Koordinate verfügen. Der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Lichtlinien hängt von der Verfahrensgeschwindigkeit des Sensors ab. Bei Verwendung einer Standard-Videokamera werden 50 Bilder und somit 50 Profilschnitte pro Sekunde und pro Lichtschnittsensor erzeugt. Texturerfassung bei Vitus pro - 3D Bodyscanner Während des Scan-Vorgangs erfassen Farbkameras zeitgleich die Texturinformationen des Objekts. Voraussetzung hierfür ist, dass die Position der Farbkameras und der 3D-Oberfläche im Raum bekannt sind. Für jeden Bildpunkt der Farbkamera wird zunächst mit Hilfe einer Kalibrierung ein Sehstrahl berechnet. Mit Hilfe des Sehstrahls kann dann für jeden Punkt der entsprechende Ausschnitt aus der Textur ermittelt und somit 3D-Information mit Farbinformation verknüpft werden. Texturaufnahmen dem 3D-Modell zuweisen: Während des Obj2Max- Import-Dialogs die entsprechende Material-Library (tex.mtl) angeben. Den verschiedenen IDs des 3D-Modells werden dann automatisch die jeweiligen Texturen zugeordnet.

13 13 Vitus pro - 3D Bodyscanner Technische Daten: Anzahl der Kameras: 16 Aufnahmeprinzip: Lichtschnittverfahren, Class-2 augensicher Gescanntes Volumen: 1200 mm x 800 mm (elliptische Grundfläche) x 2100 mm (Höhe) Auflösung in X: ca. 2 mm Auflösung in Y: ca. 2 mm Auflösung in Z (typisch): ca. 2 mm Scangeschwindigkeit: (abhängig von der Z-Auflösung) 21 Sek. (2 mm Z-Auflösung), 11 Sek. (4 mm Z-Auflösung) Abmessungen: 2500 mm x 1800 mm x 3050 mm Texture Map: Optional RGB Preis ca Vitus smart - 3D Bodyscanner Technische Daten: Anzahl der Kameras: 8 Aufnahmeprinzip: Lichtschnittverfahren, Class-2 augensicher Gescanntes Volumen: 1000 mm x 800 mm (elliptische Grundfläche) x 2040 mm (Höhe) Auflösung in X: ca. 5 mm Auflösung in Y: ca. 5 mm Auflösung in Z (typisch): ca. 4 mm Scangeschwindigkeit: variabel, typisch 11 Sekunden

14 14 Scanvorgang Prozedere Der Scan-Vorgang als solcher ist schnell beschrieben: Man betritt das Messportal, nimmt eine Haltung mit leicht abgewinkelten Armen ein und ballt die Hände zu einer Faust. Dies hat den folgenden Hintergrund: Die Finger einer offenen Hand können aufgrund gegenseitiger Verdeckung nicht korrekt erfasst werden. Nach wenigen Sekunden ist der Scan in Form einer Punktwolke abgeschlossen. Bei genauerer Betrachtung stellen wir jedoch fest, dass während der Abtastung einige Details verloren gegangen sind. Um die Verdeckungsproblematik zu umgehen, wäre eine höhere Auflösung und/oder die Vermessung durch mehrere Scans vorteilhaft. Je mehr Aufnahmen angefertigt werden, desto genauer ist das Ergebnis. Die erhaltenen Rohdaten müssen als Nächstes aufbereitet werden. Unerwünschte Details oder Überlappungen werden von Hand selektiert und entfernt. Ist die grobe Anpassung der einzelnen Scans abgeschlossen, berechnet die Software (z.b. Geomagic Studio von Raindrop) aus den verschiedenen Aufnahmen ein zusammenhängendes Objekt. Die Problematik beim Scannen liegt in der Abweichung der eingenommenen Positionen oder Bewegungen (Muskeln bewegen sich kaum merklich, aber verändern die einzelnen Aufnahmen etc.). Diese Abweichungen führen zu Schwierigkeiten in der Synchronisation der verschiedenen Aufnahmen, da diese auch zum Teil manuell aufeinander angepasst werden müssen. Wer kann schon komplett erstarren? Dunkle Haare oder schattige Stellen erweisen sich bei der Abtastung als ein Problem und werden beim Scan-Vorgang nicht erfasst. Soll die Form des Kopfes oder das Haar trotzdem erfasst werden, kann man sich eine Bademütze überziehen oder die Haare mit einem weißen Spray besprühen.

15 15 Low-Cost 3D-Scanner - David Laserscanner DAVID ist eine frei erhältliche Software, die es erlaubt, dreidimensionale Objekte zu scannen/digitalisieren. Es wurden viele Ansätze zur kontaktlosen Objektoberflächenvermessung und 3D-Objekt-Rekonstruktion vorgestellt; aber oft setzen diese komplexe und teure Ausstattung voraus. Nicht zuletzt wegen der schnell steigenden Zahl effizienter 3D-Hardware- und Software-Systemkomponenten gibt es eine große Nachfrage nach alternativen, preisgünstige Lösungen. DAVID ist solch ein preisgünstiges System zur Gewinnung von 3D-Daten. Die einzigen Hardwareanforderungen sind ein einfacher, kommerzieller, handgehaltener Linienlaser und eine Webcam oder eine Standard-Graubildkamera. -> link 4 Verweise Handscanner: Linksammlung: Artikel: 3D Body Scanning Technology: Its applications (by P. Kanakaraj and L. Ashok Kumar) Wikipedia

16 16 Low-Cost Scanner Artikel (PDF): Self-made Low-cost 3D-Scanner - Westfälische WilhelmsUniversitätMünster downloads/3dscanner-ausarbeitung.pdf instructables: DIY 3-D Laser Scanner 3d Bodyscanner - Digitale Maßschneider nano/bstueck e/116216/index.html 3d Bodyscanner - Cornell University - College of Human Ecology Digital Media for Artists - DMA Scannen von durchsichtigen Objekten e0005bb2a6/b19d28923d0d97d5c f12fc!OpenDocument

17 17 Low-Cost 3D Scanner html Motion Capture in Echtzeit