DSC_0014 kopie-prezentace.jpg
Úvod do 3D skenování
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591 www.VSTECB.cz

Úvod
•Tato kapitola se věnuje základnímu vymezení pojmů používaných v oblasti 3D skenování
•Jsou zde vysvětleny principy optického 3D skenování.
•Dále jsou zde popsány základní principy fungování 3D skenerů a jejich omezení možnosti využití.
1 Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591 www.VSTECB.cz

3D skenery a skenovací systémy
2 Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591 www.VSTECB.cz
•3D skenery
•Zařízení, která jsou schopná po zadání parametrů skenování automaticky určit prostorové souřadnice
bodů objektu.
•Je součástí tzv. skenovacího systému, který se dále skládá z řídící jednotky, programu pro řízení
skenování, programu pro zpracování již měřením získaných dat a dalšího příslušenství, jako je
například externí baterie, kabely či stativ.

3D skenery a skenovací systémy
3 Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591 www.VSTECB.cz
•3D skener je tedy zařízení schopné zachytit tvar, texturu a případně barvu daného fyzického
předmětu.
•Obvykle jsou snímány body na povrchu objektu, pomocí kterých je objekt v počítačovém programu
zobrazen jako shluk bodů – můžeme jej označit jako mračno bodů.
•Mračno bodů lze převést na tzv. geometrický, trojrozměrný model pomocí polygonů (většinou se jedná
o polygonální síť tvořenou trojúhelníky).

3D skenery a skenovací systémy
4 Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591 www.VSTECB.cz
•Mračno bodů i polygonální síť lze vidět na obrázku.
•
Obrázek 1: Mračno bodů a polygonální síť tvořená trojúhelníky
Zdroj: https://www.ems-usa.com/tech-papers/3D%20Scanning%20Technologies%20.pdf

3D skenery a skenovací systémy
5 Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591 www.VSTECB.cz
•Získaná data lze sloučit do kompletního modelu automaticky již během samotného skenování nebo až
v dalším kroku při jejich dalším zpracování.
•Během následné editace jsou taktéž provedeny úpravy jako například vyčištění dat od nežádoucích
bodů z mračna bodů, vyplnění děr, oprava chyb, vyhlazení povrchu apod.

3D skenery a skenovací systémy
6 Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591 www.VSTECB.cz
•Na trhu se již nachází velké množství zařízení, která umožňují převod trojrozměrných objektů do
digitální podoby.
•Při jejich výběru je nutné zohlednit některá kritéria, protože každý skener je více či méně vhodný
k danému účelu.
•Mezi posuzovaná hlediska patří například následující: rozměry objektu, požadovaná přesnost,
materiál a textura objektu, okolní podmínky, požadovaný výstup dat.

3D skenery a skenovací systémy
7 Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591 www.VSTECB.cz
•Obtížně se skenují:
•Opticky obtížné materiály (průhledné, lesklé) – vyřešit lze speciálním matujícím sprejem (např.
křídovým) nebo polepením speciální páskou.
•Předměty, které jsou umístěny velmi blízko sebe nebo se překrývají.
•Jemné tenké prvky – např. chlupy, vlasy či peří.
•Hluboké a nesnadno přístupné díry – vnitřní povrch lze domodelovat v počítači.
•Pohybující se objekty – ty je možné skenovat pouze ve skenovacím studiu s mnoha pevně umístěnými
senzory, které sejmou daný objekt synchronizovaně v jeden okamžik.
•Nechtěně se pohybující objekty v okolí - vegetace, lidé, auta a apod.
•
•

3D skenery a skenovací systémy
8 Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591 www.VSTECB.cz
•Optické skenery
•
•Zařízení, které využívá k měření trojrozměrného objektu promítaný strukturovaný světelný vzor
(structured light).
•Promítání úzkého paprsku světla na trojrozměrný povrch vytváří světelný pruh, který se oproti
projekci jeví jako zkreslený vlivem zakřivení povrchu a může být použit pro přesnou geometrickou
rekonstrukci tvaru povrchu.
•

3D skenery a skenovací systémy
9 Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591 www.VSTECB.cz
>
>
>
Používané vzory strukturovaného světla
Zdroj: Salvi,Pagès, Batlle (2004)

3D skenery a skenovací systémy
10 Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591 www.VSTECB.cz
•V počítači je porovnán snímaný vzor se vzorem promítaným.
•S využitím vhodného algoritmu jsou tyto informace převedeny na prostorové mračno bodů, ze kterého
lze dalšími úpravami vytvořit finální 3D model.

3D skenery a skenovací systémy
11 Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591 www.VSTECB.cz
•Metodou strukturovaného světla lze měřit tvar objektu v jednom okamžiku pouze z jedné perspektivy.
•Celkový 3D model je tedy kombinací různých měření provedených z různých úhlů.
•Vytvoření finálního modelu lze dosáhnout připevněním tzv. značkovacích (vlícovacích) bodů na
objekt a následnou kombinací jednotlivých měření pomocí spojení těchto bodů.

3D skenery a skenovací systémy
12 Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591 www.VSTECB.cz
>
Umístění značkovacích bodů a světelný vzor skládající se ze světelných pruhů je patrný z obrázku.
Obrázek 3: Objekt se značkovacími body a promítaným světelným vzorem
Zdroj: Samadi (2013)

3D skenery a skenovací systémy
13 Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591 www.VSTECB.cz
•Skener se skládá ze tří částí (jednotek):
•projekční jednotka – videoprojektor, který promítá na objekt světelný vzor (nejčastěji se jedná o
světelné pruhy)
•vizuální jednotka – alespoň jedna kamera, která slouží ke snímání zdeformovaného světelného vzoru,
který je promítán na skenovaný objekt (příklad skeneru se dvěma kamerami je na svou následujících
obrázcích)
•jednotka pro zpracování a analýzu – slouží ke zpracování a analýze snímaných dat
•

3D skenery a skenovací systémy
14 Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591 www.VSTECB.cz
Stacionární světelný skener s dvěma kamerami
HDI Carbon with projection pattern
Zdroj: https://www.polyga.com/3d-scanning-101/

3D skenery a skenovací systémy
15 Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591 www.VSTECB.cz
Stacionární světelný skener s dvěma kamerami – princip získávání dat
Zdroj: https://www.polyga.com/3d-scanning-101/
>

3D skenery a skenovací systémy
16 Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591 www.VSTECB.cz
•Výhody optických skenerů
•+ je kompaktní, skládá se pouze ze 3 částí
•+ obvykle malé ruční zařízení
•+ bezkontaktnost
•+ vysoké rozlišení
•+ rychlost
•+ cenová dostupnost
•+ využití v mnoha odvětvích (zábavní průmysl, medicína, strojírenství…)
•+ bezpečnost při pohledu do světla oproti laserovým
•

3D skenery a skenovací systémy
17 Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591 www.VSTECB.cz
•Nevýhody optických skenerů
-Vhodné jen pro skenování menších objektů (cca 1cm – 3m)
-Nejsou vhodné pro skenování všech materiálů
-Nutnost pořízení specializovaného softwaru ke zpracování dat

3D skenery a skenovací systémy
18 Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591 www.VSTECB.cz
•Požadavky a omezení
•Skenovaný objekt musí být zajištěn proti pohybu a dostupný ze všech stran
§Lze zajistit zavěšením nebo zajištěním lany proti rotaci
§Zachytit lze i hýbající se tělesa (např. člověka, kde dochází k mírnému pohybu), musíme ovšem
počítat se vznikem nepřesností a snížení kvality digitalizovaného modelu.
•
•

3D skenery a skenovací systémy
19 Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591 www.VSTECB.cz
•Obtížně se skenují objekty z průhledného či lesklého materiálu
§Paprsky světla emitované projektorem se na těchto površích mohou odrazit pod úhlem nevhodným pro
zachycující zařízení nebo dokonce projít skrze povrch.
§Základní podmínkou je, aby objekt měl dostatečnou difúzní odrazivost, jinak dochází k výraznému
ovlivnění a zkreslení naměřených dat      pozice naměřených bodů se liší od souřadnic skutečných
bodů.
§Lze vyřešit alespoň částečně nanesením například křídového matujícího spreje.

3D skenery a skenovací systémy
20 Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591 www.VSTECB.cz
•Pokud je to možné, je nejvhodnější skenovat objekt v neosvětlené místnosti.
§Naopak nevhodné je skenování na přímém slunečním světle ( brání správnému odrazu strukturovaného
světla a tím pak dochází k chybám v měření či vzniku děr)
§Pokud nelze skenovat v interiéru, je nejlepší objekt po dobu skenování zastínit.
§Problém způsobuje i mokrý povrch.
•

21 Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591 www.VSTECB.cz
•
•Kontrolní otázky
•1. Co chápete pod pojmem 3D skener?
•2. Definujte pojem strukturovaný paprsek světla.
•3. Popište, co rozumíte pod pojmem vlícovací bod a k čemu slouží?
•4. Jaké povrchy jde obtížně skenovat?
•5. Z jakých jednotek se skládá skener?
•

Děkuji za pozornost
Realizováno v rámci projektu:
Kurzy pro společnost 4.0, s registračním číslem: CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_031/0011591,
ve výzvě č. 02_16_031 Celoživotní vzdělávání na vysokých školách v prioritní ose 2 OP, Operačního
programu Výzkum, vývoj a vzdělávání.
Realizace projektu je spolufinancována z prostředků ESF a státního rozpočtu ČR.
www.VSTECB.cz
dedic@mail.vstecb.cz

Zdroje obrázky
•Obrázek 1: Mračno bodů a polygonální síť tvořená trojúhelníky……………………… 4
•Obrázek 2: Používané vzory strukturovaného světla ……………………………..………… 9
•Obrázek 3: Objekt se značkovacími body a promítaným světelným vzorem …… 12
•Obrázek 4: Stacionární světelný skener s dvěma kamerami…………………….……… 14
•Obrázek 5: Světelný skener se dvěma kamerami – princip získávání dat……….... 15
•
www.VSTECB.cz