UNIVERZA V LJUBLJANI PEDAGOŠKA FAKULTETA
POUČEVANJE: PREDMETNO POUČEVANJE
Brina Kurent
VPELJEVANJE TEHNOLOGIJE
3D-SKENIRANJA V OSNOVNOŠOLSKO TEHNIŠKO IZOBRAŽEVANJE
Magistrsko delo
Ljubljana, 2021
UNIVERZA V LJUBLJANI PEDAGOŠKA FAKULTETA
POUČEVANJE: PREDMETNO POUČEVANJE
Brina Kurent
VPELJEVANJE TEHNOLOGIJE
3D-SKENIRANJA V OSNOVNOŠOLSKO TEHNIŠKO IZOBRAŽEVANJE
BRINGING 3D-SCANNING TECHNOLOGY INTO PRIMARY ENGINEERING EDUCATION
Magistrsko delo
Mentor: doc. dr. Janez Jamšek
Ljubljana, 2021
Zahvala
Za vso pomoč, nasvete in spodbude v času nastajanja magistrskega dela se iskreno zahvaljujem mentorju doc. dr. Janezu Jamšku. Hvala tudi za vse podano znanje in strokovno usmerjanje med celotnim študijem.
Za trud, nasvete in predajanje znanja se zahvaljujem tudi vsem profesorjem, asistentom in drugim strokovnim delavcem.
Iskrena hvala mojim najbližjim, družini in prijateljem ter vsem, ki so mi med
celotnim študijem izkazovali podporo in mi pomagali po svojih najboljših
močeh; hvala tudi za izkazano skrb, potrpežljivost in razumevanje v obdobju
nastajanja magistrskega dela.
POVZETEK
V magistrskem delu sta obravnavani tehnologija 3D-skeniranja in njena možnost vključevanja v osnovnošolsko tehniško izobraževanje. Namenjeno je osnovnošolskim učiteljem tehnike in vsem, ki želijo poglobiti znanje iz tehnologij 3D-skeniranja. To je postopek zajemanja podatkov oblike in dimenzij fizičnega predmeta ter njihove pretvorbe v digitalno obliko. V teoretičnem delu so predstavljeni zgodovinski pregled 3D-skeniranja in področja današnje uporabe te tehnologije. Obdelane so različne tehnologije 3D-skeniranja, izmed katerih je, glede na kriterij natančnost/cena, za osnovnošolsko izobraževanje najbolj primerna tehnologija strukturiranega osvetljevanja 3D-skeniranja. Zajet je pregled obstoječih del na področju vključevanja 3D-skeniranja na osnovnošolskem nivoju doma in po svetu. V nadaljevanju so kriterijsko vrednotena najbolj primerna gradiva, materiali in sestavljanke, kot so plastelin, glina, modelirna snov, polimerna modelirna snov, slano testo, vata s polivinil acetatnim lepilom in mivka s polivinil acetatnim lepilom. Med sestavljankami so v naboru zajete kocke LEGO, konstrukcijska zbirka Fischertechnik in sestavljanki tipa »izdelaj sam« iz ekspandiranega polistirena z zobotrebci ter furnirne plošče z lepilnim trakom. Za namen 3D-skeniranja v osnovni šoli se izkaže kot najbolj primeren plastelin. Slednji je uporabljen za predloge izdelkov za tri ključne starostne skupine, 4.–6. razred, 7.–8. razred in 8.–9. razred.
Skupine so določene glede na znanje učencev in zahtevnost izdelave izdelkov, ki pri najmlajših ne vključujejo izdelave podrobnosti. Pri starejših učencih je poleg zahtevnejših oblik z vključujočimi podrobnostmi zahtevano tudi dodatno urejanje 3D-skeniranih modelov s pomočjo 3D-modeliranja. Predlagana izdelka za najmlajšo starostno skupino sta črka za oznako sobe in pripomoček za branje knjig. V srednji starostni skupini sta predlagana pripomočka za slušalke ter notranji šestkotni vijačni ključ. Za najstarejše sta predvidena izdelava ročaja za žago ter popravljanje poškodovanih izdelkov. V magistrskem delu je podana še učna priprava za namen vključevanja 3D-tehnologij v tehniško izobraževanje.
Zajema izdelavo črke – oznake sobe, za najmlajšo skupino učencev, v okviru ur tehniškega dne.
KLJUČNE BESEDE: Tehniško izobraževanje, tehnika in tehnologija, 3D-skener, tehnologije 3D-skeniranja, 3D-skeniranje s strukturiranim osvetljevanjem.
ABSTRACT
The master's thesis encompasses 3D-scanning technology with the possibility of its integration in primary school engineering education. Target group is primary school technology teacher and anyone who wants to deepen their knowledge of 3D-scanning technology. 3D-scanning capturing process of physical object’s shape and dimension data into a digital form. The theoretical part scopes 3D-scanning historical outline and its fields of application. Various 3D-scanning technologies are discussed, among which, according to the accuracy/price criteria, the best suitable technology for primary school education, structured light 3D-scanning, is defined. An overview of existing contributions in the field of bringing 3D-scanning at the primary school level at national in international level is included. In the following, the most suitable materials and construction sets such as plasticine, clay, modelling substance, polymeric modelling substance, salt dough, cotton wool with polyvinyl acetate glue, and sand with polyvinyl acetate glue are treated. The construction set collection includes LEGO puzzles, the Fischertechnik construction set, and do-it-yourself sets made of expanded polystyrene with toothpicks and plywood with adhesive tape. For the purpose of introducing 3D-scanning to primary school level, plasticine turns out to be the most suitable. The latter is used for product templates for three key age groups, 10-12 years old, 13-14 years old, and 14-15 years old students. They are determined according to the students' knowledge and the complexity of product planning and making. Complex shapes and details are not included for the youngest ones. For older pupils, complex shapes including details and 3D-modelling to edit 3D-scanned models are applied. The suggested products for the youngest age group are the door letter and an accessory for reading books. For the middle age group, accessories for headphones and a hex key are suggested. Lastly, handle for a saw and repairing damaged products are proposed for the oldest. Master's thesis also includes a lesson plan for the purpose of integrating 3D-technologies with the production of the door letter, for the youngest group of pupils, within the activity day.
KEYWORDS: Engineering education, technology education, Design and technology, 3D-scanner, 3D-scanning technologies, structured light 3D-scanning.
KAZALO
1 UVOD... 1
1.1 OPREDELITEVPODROČJAINOPISPROBLEMA ... 1
1.2 NAMEN,CILJIINRAZISKOVALNAVPRAŠANJA ... 3
1.3 METODERAZISKOVANJA ... 3
1.4 PREGLEDVSEBINEOSTALIHPOGLAVIJ ... 4
2 3D-SKENIRANJE ... 5
2.1 ZGODOVINSKIPREGLED3D-SKENIRANJA ... 6
2.2 TEHNOLOGIJE3D-SKENIRANJA ... 9
2.2.1 Kontaktna tehnologija 3D-skeniranja ... 12
2.2.2 Brezkontaktna tehnologija 3D-skeniranja ... 14
2.3 STROJNAINPROGRAMSKAOPREMA ... 20
3 TEHNOLOGIJA 3D-SKENIRANJA ZA IZOBRAŽEVALNE NAMENE ... 23
3.1 ODPRTOKODNI3D-SKENERJI ... 23
3.1.1 Laserski 3D-skener »izdelaj sam« ... 23
3.1.2 3D-skener s strukturiranim osvetljevanjem »izdelaj sam« ... 24
3.1.3 Komplet za lastno izdelavo 3D-skenerja HE3D Reprap ... 25
3.1.4 Komplet za lastno izdelavo laserskega 3D-skenerja ... 26
3.2 KOMERCIALNI3D-SKENER ... 26
4 3D-SKENIRANJE V OSNOVNOŠOLSKEM IZOBRAŽEVANJU ... 28
4.1 PREGLEDOBJAVUPORABETEHNOLOGIJE3D-SKENIRANJA ... 28
4.1.1 3D-skeniranje v osnovnih šolah v Sloveniji ... 29
4.1.2 3D-skeniranje v osnovnih šolah v tujini ... 29
4.2 MOŽNAUMESTITEVTEHNOLOGIJE3D-SKENIRANJAVPOUČEVANJETEHNIKE . 33 5 PRIMERI UMESTITVE 3D-SKENIRANJA V TEHNIŠKO POUČEVANJE ... 37
5.1 GRADIVAINMATERIALI ... 37
5.1.1 Preizkusni izdelek in kriteriji vrednotenja izdelkov iz gradiv in materialov ... 39
5.1.2 Rezultati 3D-skeniranja modela kladiva iz gradiv in materialov ... 42
5.1.3 Določitev najprimernejšega gradiva/materiala ... 50
5.2 SESTAVLJANKE ... 51
5.2.1 Preizkušanje sestavljank za namen uporabe pri 3D-skeniranju ... 53
5.2.2 Rezultati 3D-skeniranja modela kladiva iz sestavljank ... 55
5.2.3 Določitev najprimernejše sestavljanke... 61
5.3 PREDLOGIIZDELKOV ... 63
5.3.1 Vključevanje predlogov izdelkov ... 69
6 DISKUSIJA ... 71
7 ZAKLJUČEK ... 74
8 LITERATURA IN VIRI ... 76
9 PRILOGE ... I 9.1 NAVODILA ZA 3D-SKENIRANJE ... I 9.2 LEKCIJA:ERGONOMSKO 3D-NATISNJENO PISALO...II 9.3 LEKCIJA:ERGONOMSKO PREOBLIKOVANJE ...II 9.4 LEKCIJA:VZVRATNO INŽENIRSTVO ... III 9.5 LEKCIJA:IZDELAVA PREDMETA ZA ŠOLSKO UČILNICO ... IV 9.6 LEKCIJA:ORGANSKI DOMAČI PRIPOMOČKI ... V 9.7 LEKCIJA:3D-NATISNJENA ORTOZA ... VI 9.8 IZOMETRIČNA PROJEKCIJA KLADIVA ... VIII 9.9 IZRAČUNI CEN GRADIV, MATERIALOV IN SESTAVLJANK ... IX 9.10 IDEJE IZDELKOV ZA VPELJAVO 3D-SKENIRANJA ... IX 9.11 3D-MODELI PREDLAGANIH IZDELKOV ... XII 9.12 UČNA PRIPRAVA ... XII
AKRONIMI IN OKRAJŠAVE
3D tridimenzionalno
UN učni načrt
OŠ osnovna šola
TIT tehnika in tehnologija
TD tehniški dan
C cilj
RV raziskovalno vprašanje
PVA polivinil acetat
EPS ekspandiran polistiren
UP učna priprava
1 UVOD
Razvoj tehnologije in rast trga vsakodnevno povečujeta dostopnost in uporabnost tehnologije na mnogih področjih. Kljub temu učni načrt (UN) za predmet tehnika in tehnologija (TIT) v Sloveniji temu ne sledi. Šolski sistem je zapleten sistem, kjer do sprememb prihaja počasi. Če želimo slediti tehnološkemu razvoju, napredku in trendom, je potrebno UN posodabljati in vključevati nove tehnologije. Za predmet TIT je glede na širino tega področja in praktično delo, predvidenih relativno malo šolskih ur.
Novosti je zato potrebno vpeljevati premišljeno, v skladu z veljavnim UN in v povezavi z že znanimi tematikami [1].
Z razvojem tehnologije se pojavljajo novi stroji, naprave, pripomočki itd., s tem pa se pojavljajo tudi nova poimenovanja in izrazi. 3D-skeniranje je relativno nova tehnologija, za svojo ustalitev pa novi izrazi potrebujejo določen čas (kot ga je npr.
izraz zgoščenka – CD, angl. compact disc). Po pregledu strokovne literature smo za napravo za 3D-skeniranje zasledili izraze 3D-skener, 3D-čitalnik, prostorski (3D) čitalnik, prostorski (3D) čitalec in prostorski (3D) bralnik, trirazsežni čitalnik oz.
trirazsežni bralnik. Izraz 3D-bralnik se navezuje na branje, 3D-čitalnik pa na prevzeto besedo iz hrvaščine – čitanje. Trenutno najbolj uporabljana izraza sta tujka 3D-scanner (angleški izraz) in sposojenka 3D-skener. V magistrskem delu v nadaljevanju uporabljamo za poimenovanje naprave izraza 3D-skener in za postopek 3D-skeniranje zaradi največje prepoznavnosti in uveljavljenosti v stroki [2, 3].
1.1 OPREDELITEV PODROČJA IN OPIS PROBLEMA
3D-tehnologije so tehnologije 3D-skeniranja, 3D-modeliranja in 3D-tiska, katerih končne produkte srečujemo vsakodnevno. 3D-modeliranje omogoča ustvarjanje 3D-modela, ki ga s 3D-tiskanjem enostavno izdelamo. Z razvojem 3D-skeniranja je ustvarjanje digitalnih modelov bistveno hitrejše in enostavnejše. Vse 3D-tehnologije skupaj omogočajo celoten postopek digitalizacije fizičnega objekta in njegovo ponovno poustvaritev [4].
3D-skeniranje se uporablja tudi v razširjeni resničnosti (angl. augmented reality, AR), kjer omogoča vizualizacijo računalniško podkrepljenih podob. Razširjena resničnost se je izkazala kot uporaben vir za popestritev tradicionalno pustega poučevanja. Razvoj in uporabnost razširjene resničnosti na številnih inženirskih, zdravstvenih, snovalskih področjih ipd. nakazujeta, da postaja ta prihodnost tudi na področju osnovnošolskega ter višjega izobraževanja [5].
Ne glede na svojo uporabnost 3D-skeniranje v slovenskih šolah še ni našlo svojega pravega prostora. Izsledki raziskave diplomskega dela [6] kažejo, da 3D-skeniranje pri pouku uporablja le peščica osnovnošolskih učiteljev tehnike. To potrjuje tudi majhno število spletnih zadetkov pri iskanju informacij v povezavi s 3D-skeniranjem v
osnovnih šolah. Podatki o stiku osnovnošolcev z omenjeno tehnologijo temeljijo na objavah učencev oziroma učiteljev na šolskih spletnih straneh [7–9], kjer opisujejo, kako so nove tehnologije povečini spoznali v okviru tehniških dni (TD), ki so jih izvajale zunanje institucije. Z vpeljavo nove tehnologije in predstavitvijo velikega potenciala, ki ga 3D-skeniranje ima, učencev ne bi le bolj motivirali za področje tehnike, marveč seznanili z uporabnostjo tehnologije na številnih področjih (od inženirstva, zdravstva, oblikovanja idr. pa tudi do filmske industrije), na katerih bi se učenci morebiti kasneje izobraževali [1, 6–10].
Vpeljava omenjene tehnologije je smiselna, saj lahko 3D-skeniranje kot atraktivna tehnologija (zlasti s kombinacijo 3D-tiska) na učence deluje zelo motivacijsko in jih navduši nad tehniškim področjem. V splošnem je programska oprema, ki se uporablja za 3D-modeliranje v šolstvu, za osnovnošolce prezahtevna oziroma neprilagojena.
Znanja iz 3D-modeliranja učenci pridobivajo več let. Glede na UN predmeta TIT so učenci zmožni izdelave prostorskega modela šele po treh letih pouka TIT. S 3D-skeniranjem lahko učence enostavno uvedemo v 3D-modeliranje. 3D-model nastane veliko hitreje in lahko zahteva le manjše popravke, na katerih učenci spoznajo in uporabijo to tehnologijo. Samodejna izdelava 3D-modela pri 3D-skeniranju zaobide potrebna znanja za izdelovanje prostorskih modelov. Na ta način lahko hitreje preidemo do trenutno v šolstvu revolucionarne tehnologije – 3D-tiska. TIT pri učencih razvija motorične spretnosti, ustvarjalnost, inovativnost, kritično mišljenje, povezuje teorijo in prakso ter omogoča smiselno medpredmetno povezovanje. Učenci lahko preko predmeta uvidijo, da produkte tehnologij srečujemo na vsakem koraku in da je razvoj skozi zgodovino omogočil življenje, kot ga dandanes poznamo [1, 11].
3D-skeniranje se pri pouku TIT še ne pojavlja prav pogosto. Razloge za to lahko najdemo v visoki ceni 3D-skenerjev, nepoznavanju tehnologije in načinu ter obsegu vpeljevanja te tehnologije glede na trenutno veljavni UN predmeta. Cenovna dostopnost se z leti razrešuje sama, saj z rastjo trga cene 3D-skenerjev padajo. Cenovno še dostopnejše je izdelati lastni odprtokodni 3D-skener, o čemer se lahko veliko poučimo na spletu [12–14]. Slednje od učitelja tehnike zahteva veliko samoiniciative, volje in truda ter poznavanje tehnologije, ki predstavlja razlog za manjšo prisotnost nove tehnologije pri pouku TIT. Nepoznavanje tehnologije, načina vpeljevanja in obsega je treba reševati z izobraževanjem učiteljev, posodabljanjem UN in postavitvijo okvirjev oziroma zasnove za vpeljevanje 3D-skeniranja v posameznih razredih. Ustrezna gradiva, materiali in sestavljanke, namenjeni vpeljavi 3D-skeniranja v šolski prostor, bi učiteljem tehnike pokazali možnosti vpeljave in jim pomagali pri snovanju idej za vpeljevanje 3D-skeniranja. Nakazali bi pot tehnologije 3D-skeniranja do tehniške učilnice. S tem bi popestrili in posodobili pouk TIT in učence motivirali ter soočili z novimi tehnologijami. Vse to kaže na veliko uporabnost in dostopnost tehnologije ter posledično možno vpeljavo le-te v šole v bližnji prihodnosti [6, 12–14].
1.2 NAMEN, CILJI IN RAZISKOVALNA VPRAŠANJA
Namen magistrskega dela je določitev smernic in načina za vpeljavo nove tehnologije 3D-skeniranja v osnovnošolsko tehniško izobraževanje. Glede na sodobnost omenjene tehnologije je področje še zelo malo raziskano. S svojimi lastnostmi izkazuje uporabno vrednost in osmišlja idejo po vpeljevanju 3D-skeniranja v nižje izobraževanje.
Cilji (C) magistrskega dela:
▪ C1: Predstaviti zgodovino 3D-skeniranja, podati pregled tehnologij 3D-skeniranja in njihovo uporabo na različnih področjih.
▪ C2: Podati pregled obstoječe razširjenosti in načina vključevanja 3D-skeniranja v osnovnošolskem tehniškem izobraževanju po svetu.
▪ C3: Izbrati primerno tehnologijo 3D-skeniranja in gradivo, materiale oziroma sestavljanke za vpeljavo v tehniško izobraževanje v osnovni šoli.
▪ C4: Podati predloge primerov za vpeljavo 3D-skeniranja v posameznih starostnih obdobjih učencev (4.–6. razred, 7.–8. razred in 8.–9. razred).
Raziskovalna vprašanja (RV):
▪ RV1: V okviru katerih tehniških predmetov lahko 3D-skeniranje vključimo na osnovnošolski ravni?
▪ RV2: Katere cilje trenutno veljavnega UN TIT je mogoče dosegati z vpeljavo 3D-skeniranja pri rednem pouku?
▪ RV3: Kakšne so možnosti navezovanja nove tehnologije 3D-skeniranja z že vpeljano tehnologijo 3D-tiska pri tehniškem pouku v osnovni šoli?
▪ RV4: Kako lahko vključevanje 3D-skeniranja v pouk vpliva na domeno izdelkov pri TIT?
1.3 METODE RAZISKOVANJA
V magistrskem delu je kot raziskovalni pristop uporabljena teoretična raziskava.
Uporabili smo deskriptivno raziskovalno metodo. Predstavitev tehnologije, zgodovine in uporabe 3D-skeniranja je narejena na podlagi obstoječe strokovne literature. Pregled trenutnega stanja 3D-skeniranja v izobraževanju pri nas in v tujini je nastal na podlagi dostopnih gradiv. S pregledom UN TIT [1] in izbirnih predmetov [15–17], kjer bi bila vpeljava 3D-skeniranja mogoča, za preučeni nivo standardov znanja učencev ter cilji posameznih predmetov. Na njihovi podlagi so izdelani predlogi primerov za možno vpeljavo 3D-skeniranja na različnih starostnih stopnjah. Preizkušen je model 3D-skenerja EinScan SE blagovne znamke Shining 3D [18], ki deluje s tehnologijo strukturiranega osvetljevanja in je cenovno dostopen. Primeri za vpeljavo tehnologije 3D-skeniranja so opisani in predstavljeni s slikovnim gradivom [1, 15–18].
1.4 PREGLED VSEBINE OSTALIH POGLAVIJ
V drugem poglavju podamo zgodovinski pregled razvoja 3D-skeniranja. Predstavimo različne tehnologije 3D-skeniranja ter njihove prednosti oziroma pomanjkljivosti.
Naredimo pregled uporabe te tehnologije na raznolikih področjih in predstavimo potrebno programsko in strojno opremo za uporabo 3D-skeniranja.
Tretje poglavje magistrskega dela obravnava primerne tehnologije 3D-skeniranja za namene izobraževanja. Predstavljene so torej cenovno dostopnejše naprave in programska oprema, ki je za vključevanje v šolstvo ustrezna oz. zadovoljiva.
Osrednji del magistrskega dela predstavlja četrto poglavje, kjer naredimo pregled dosedanjih dostopnih vpeljav 3D-skeniranja v Sloveniji in tujih šolskih sistemih.
Navedemo najdene lekcije in podamo možnosti za vpeljavo 3D-skeniranja v slovenskem tehniškem osnovnošolskem izobraževanju glede na uveljavljeni UN.
Podamo pregled 3D-skeniranja modelov iz različnih materialov, gradiv in sestavljank ter lastne predloge izdelkov za vpeljavo te tehnologije.
V diskusiji povzamemo ključne ugotovitve in predstavimo doseganje ciljev (C1–C4) ter odgovore na raziskovalna vprašanja (RV1–RV4).
V zaključku na podlagi ugotovitev magistrskega dela naredimo sklep glede uporabne vrednosti 3D-skeniranja, nadaljnjih možnosti raziskovanja na tem področju in ostalih odprtih vprašanj, ki so se med raziskovanjem pojavila.
2 3D-SKENIRANJE
Za razumevanje tehnologije tridimenzionalnega (3D) skeniranja je v poglavju najprej predstavljen osnovni princip delovanja. V nadaljevanju je pojasnjen nastanek potrebe po tehnologiji skeniranja in podan zgodovinski pregled razvijanja in nastajanja te tehnologije. Poglavje zajema še uporabo 3D-skenerjev na različnih področjih in z njimi povezane različne principe delovanja posameznih tehnologij 3D-skeniranja.
Ene same definicije 3D-skeniranja ni, številni avtorji pa 3D-skeniranje opredeljujejo kot proces zbiranja 3D-podatkov fizičnega objekta s 3D-skenerjem in konstrukcijo 3D-modela iz zbranih podatkov z ustrezno programsko opremo, slika 2.1. 3D-skener je torej naprava, ki zajema podatke objekta iz resničnega sveta, in sicer njegovih dimenzij in oblike. Zajeti podatki vsebujejo informacije o položaju posamezne točke predmeta, ki so navadno opisane s koordinatami v prostoru. Nekateri 3D-skenerji lahko zajemajo tudi podatke o barvi površine. Zajete podatke obdela ustrezna programska oprema, ki jo namestimo na osebni računalnik. V programu se generira 3D-model 3D-skeniranega fizičnega objekta. Nastali 3D-model pa lahko nato urejamo v neodvisnih CAD (angl.
computer-aided design) programih, namenjenih 3D-modeliranju [19].
Slika 2.1: Shema 3D-skeniranja [20].
Fotografije prikazujejo zajem podatkov iz okolja v dvodimenzionalni obliki, in sicer s podatki o širini in višini. 3D-skenerji z zajemanjem podatkov pridobivajo podatke še o tretji dimenziji, tj. globini. Tudi ljudje z gledanjem zajemamo podatke iz okolice in jih vidimo v treh dimenzijah. Ko na eno oko zamižimo, izgubimo občutek za globino, sicer takšnih težav nimamo. Razdalja med levim in desnim očesom v povprečju znaša 6 cm.
Vsako oko zajema podatke iz okolice iz svojega položaja, zaradi česar se zajeti sliki nekoliko razlikujeta, slika 2.2. Podatke, pridobljene z očmi, analizirajo možgani, ki iz skupnih točk na obeh slikah sestavijo takšno, ki jo dejansko vidimo. Dve sliki iz različnih položajev vsebujeta dovolj podatkov, da možgani »izračunajo« oddaljenost predmetov, torej poleg širine in višine zaznavajo tudi globino. V primeru, ko na eno oko zamižimo, možgani ne prejmejo dovolj podatkov za določanje globine [21].
Slika 2.2: Človeški vid [21].
Danes uporabljajo princip delovanja človeškega vida s pomočjo različnih algoritmov tudi nekatere naprave, med njimi 3D-skenerji. Človeške oči nadomestijo kamere, ki zajemajo posnetke iz okolice. Na nekaterih področjih, zlasti v ločljivosti in zmožnosti prilagajanja razdalje med kamerami, naprave prekašajo sposobnosti človeškega vida. Po drugi strani pa človeški vid lažje zaznava globino v zahtevnih situacijah z veliko odsevi ali prepletenimi vzorci, kot je na primer pogled skozi krošnje dreves [21].
2.1 ZGODOVINSKI PREGLED 3D-SKENIRANJA
Tehnika, s pomočjo katere delujejo nekateri današnji 3D-skenerji se je uporabljala že pred 5000 leti. Babilonci in Egipčani so v svojem času za izračune uporabljali triangulacijo. Idejo o zajemu informacij nekega predmeta/osebe in izdelavi njegove kopije se je pojavljala tekom celotne zgodovine. Iz tistega obdobja je moč opaziti kopije glav mumij, iz kasnejših obdobji pa vrsto kipov in drugi skulptur. Pri teh procesih so ljudje predmete/osebe takrat zgolj opazovali in jih z različnimi tehnikami poustvarjali [19].
Podobno je nekakšne začetke idej nekaterih današnjih tehnologij 3D-skeniranja razvil francoski umetnik François Willème v Parizu leta 1860. V tistem času računalniki še niso obstajali, zato je zajete podatke predstavil na drugačen način. Takrat se je fotografija ravno razvila, zato je kot kipar izvajal poskuse in si zamislil način, ki mu je olajšal izdelovanje doprsnih kipov. S slednjim je zmanjšal delovne ure, ure sedenja in mirovanja strank ter stroške, ki so nastali pri kiparjenju. Osebo, ki je želela svoj doprsni kip, je postavil v središče sobe. Okrog osebe je bilo enakomerno razporejenih 24 oznak, ki so določale mesto za postavitev fotografske plošče. V sobi je imel tudi ustrezen sistem za regulacijo svetlobe. S svojim postopkom je pridobil 24 fotografij, s katerimi je osebo predstavil v treh dimenzijah. Willème je fotografije, eno za drugo, projiciral na zaslon, z mehansko napravo (pantografom, na katerega je bil pritrjen rezalnik) pa je v les izrezoval posamezne plasti, slika 2.3. Z enim koncem pantografa je sledil obrisu silhuet na projekciji, drugi konec pa je z rezilom obdeloval material. Na koncu je lesene plasti sestavil v grobo armaturo, ki jo je nato ročno popravil (dopolnil z glino, naredil
bronaste ulitke …). Trajanje postopka ni natančno znano, a celoten proces naj bi trajal od 18 ur do 4 dni, med tem ko so tradicionalne kiparske metode zahtevale od 2 do 6 mesecev. Postopek, ki ga je uporabljal Willème, imenujemo foto kiparjenje (angl. photo sculpture). Ideja zajemanja podatkov ima nekaj vzporednic z današnjimi načini 3D-skeniranja [23, 24].
Slika 2.3: Projektor in mehanska naprava s pantografom v Willèmejevem studiu [23].
Z razvojem računalnikov je postajala vedno bolj verjetna tudi tehnologija, ki bi omogočila zajemanje fizičnega sveta in njegovo shranjevanje v digitalni obliki. Takrat so se znotraj panog oblikovanja in raziskovanja pojavile potrebe po poustvarjanju površin predmetov, pokrajin … [25].
Načini zajema 3D-podatkov, ki jih poznamo tudi danes, segajo v začetek šestdesetih let dvajsetega stoletja. Takrat so se razvile koordinatne merilne naprave (CMM). Delujejo tako, da s premikanjem mehanske sonde po površini predmeta CMM zajema podatke o koordinatah teh točk. Prvotni CMM, ki je merjenje izvajal le v dveh dimenzijah, je v poznih štiridesetih letih za vojaške namene razvilo podjetje Ferranti. CMM z možnostjo merjenja v treh dimenzijah je v šestdesetih letih razvila italijanska družba DEA.
Nedolgo po tem so se pojavili prvi računalniško nadzirani CMM, v osemdesetih letih pa je prenosni CMM revolucionarno spremenil načine merjenja, saj je inovacija odpravila potrebo po selitvi v posebno okolje. Nemško podjetje Leitz je izdelalo konstrukcijo naprave s premično mizico. Razvoj tehnologije je pomenil tudi spremembo iz ročnega premikanja sonde na krmiljenje le-te s krmilno palico. David McMurtry je z razvojem elektronske sonde s sprožanjem na dotik v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja drastično izboljšal natančnost meritev. Danes je postopek vodenja sonde avtomatski [26, 27].
Kot so se v šestdesetih letih razvile koordinatne merilne naprave, v ta leta segajo tudi začetki 3D-skeniranja s pomočjo svetlobe. Skenerji so delovali s pomočjo kombinacije luči, projektorja in kamer. Zaradi omejitve takratne tehnologije 3D-modeli niso bili
idealni. Skeniranje je zajemalo velike količine podatkov, zato se je stanje izboljšalo s povečavo pomnilnika trdega diska [10, 25].
Posledico razvoja laserjev v šestdesetih letih dvajsetega stoletja je moč videti tudi pri tehnologiji 3D-skeniranja. Lasersko tehnologijo so pri skeniranju začeli uporabljati v osemdesetih letih dvajsetega stoletja. Slednje velja za resnični začetek 3D-skeniranja s sodobnimi tehnologijami. V primerjavi s kontaktnimi skenerji so načini merjenja s pomočjo svetlobe hitrejši in manj invazivni. Tako se je uporabnost 3D-skenerjev povečala, saj je bilo omogočeno tudi skeniranje bolj krhkih in mehkih predmetov. Do leta 1985 so se uveljavili načini skeniranja s pomočjo bele svetlobe, laserjev in zaznavanja senc. Razvili so se 3 različni načini 3D-skeniranja [26, 28]:
▪ točkovni,
▪ črtni in
▪ površinski.
Med omenjenimi se je najbolj obdržal črtni način. Način površinskega skeniranja je tehnično zelo zapleten, točkovni pa je počasen, saj zahteva veliko premikov senzorja in posledično ni nič kaj hitrejši od starejših tehnologij. Črtni način skeniranja je pri 3D-skenerjih prisoten še danes. S pomočjo črte, s katero 3D-skener osvetli površino predmeta, izbere veliko referenčnih točk za merjenje, zato je omenjena tehnologija hitra in natančna [28].
Do devetdesetih let dvajsetega stoletja sta problema 3D-skeniranja predstavljala tudi zajemanje iz različnih položajev in omejenost skeniranja raznobarvnih površin. Izziv s katerim so se soočali, je bilo združevanje zajemov iz različnih položajev in s tem povezano podvajanje informacij, zaradi česar so morali podvojene podatke filtrirati.
Leta 1994 je razvoj REPLICE omogočil veliko natančnejše in hitrejše skeniranje, kar je povzročilo velik napredek laserske tehnologije 3D-skeniranja. Kljub izboljšavam pa 3D-skeniranje še ni dopuščalo resničnega 3D-skeniranja, tj. z ustrezno hitrostjo in natančnostjo, kot ga poznamo danes. Podjetje Digibotics je izdelalo napravo s štirimi osmi, ki bi lahko zagotovila popoln 3D-model z enim zajemom. Delovala je s točkovnim načinom 3D-skeniranja, zato je bila prepočasna in ni omogočala zajema barvne površine [10, 28].
3D-skener ModelMaker je z združitvijo črtnega načina 3D-skeniranja in ročnega upravljanja leta 1996 na področju 3D-skeniranja povzročil velik preobrat, slika 2.4. Z ročnim upravljanjem skenerja sta bila omogočena hitro in natančno skeniranje kompleksnih oblik ter zajem barvnih površin predmetov, kar je danes mogoče že v nekaj minutah [10].
Slika 2.4: 3D-skener s črtnim načinom in ročnim upravljanjem [10].
V svojih začetkih so bili 3D-skenerji uporabljeni za merjenje, skeniranje človeškega telesa ipd. Dandanes so, v kombinaciji z ostalimi, nepogrešljiva tehnologija v inženirstvu, medicini, zdravstvu, arhitekturi, umetnosti, oblikovanju, filmski industriji itn. S čedalje večjo dostopnostjo se njihova uporaba širi na nivo vsakega posameznika [10].
Na področju inženirstva 3D-skeniranje poenostavlja obratno oz. vzvratno inženirstvo (angl. reverse engineering). Omogoča hitro izboljševanje in nadgradnjo starejših predmetov, strojnih delov ter ustvarjanje 3D-modelov fizičnih predmetov, katerih digitalni zapisi ne obstajajo. Poenostavlja prototipiranje izdelkov, snovanje in oblikovanje, merjenje ter določanje mehanskih lastnosti. 3D-skeniranje je prisotno tudi na drugih znanstvenih področjih pri proučevanju materialov, optičnih meritvah, shranjevanju podatkov v digitalni obliki ipd. Uveljavlja se v filmski industriji, pri razvoju navidezne resničnosti in izdelavi animacij, kjer zmanjšuje stroške in povečuje kakovost izdelkov. V medicini in zdravstvu je 3D-skeniranje nepogrešljivo za preučevanje teles, odkrivanje nepravilnosti in bolezni. Na področju protetike in zobne protetike pa časovno in stroškovno olajšuje izdelavo implantantov, protetičnih udov in drugih pripomočkov po meri. Uporablja se tudi za zajem posnetkov krajev zločina, poustvarjanje nesreč, analizo vzorcev krvnih madežev ipd. V arhitekturi in geodeziji omogoča hitro merjenje, pridobivanje prostorskih informacij, vizualizacijo in nadaljnje popravke 3D-modelov. Pogosto ga uporabljajo tudi za ohranjanje zgodovinske zapuščine. Omogoča nastanek zelo natančnih kopij različnih umetnin, zgradb, kipov in drugih artefaktov. Nastali 3D-modeli so v primerjavi z originali bolj primerni za analize in meritve. Omogočajo pa tudi enostavno deljenje zgodovinske zapuščine z ostalimi znanstveniki po vsem svetu [4, 10, 29–31].
2.2 TEHNOLOGIJE 3D-SKENIRANJA
Tehnologije, ki jih uporabljajo 3D-skenerji, so med seboj zelo različne. Za izvedbo 3D-skeniranja potrebujemo ustrezno strojno opremo, ki podatke iz fizičnega sveta zajame, in programsko opremo, ki jih nato digitalno obdela. Pridobljeni podatki fizičnega predmeta predstavljajo skupek točk z informacijami o položaju in morebiti
barvi. Skupek teh točk imenujemo oblak točk. V procesu rekonstrukcije se računalniško povežejo sosednje točke. Tako se zapolnijo praznine med zajetimi točkami. S pomočjo večkotnikov, krivulj ipd. nastanejo površine, ki tvorijo 3D-model [19, 28].
Pri postopku 3D-skeniranja se moramo držati določene metodologije. Sprva poskrbimo za ustrezno okolje, pripravimo objekt skeniranja, umerimo ali kalibriramo 3D-skener, nastavimo parametre, večkrat zajamemo podatke s 3D-skenerjem in jih izvozimo, dobljene podatke uredimo in evalviramo. Pogoje okolja prilagodimo glede na uporabljeno tehnologijo in poskrbimo, da zaradi vlažnosti ozračja ali temperature predmet med 3D-skeniranjem, ne bi spremenil svoje oblike. Velik vpliv ima osvetljenost oziroma svetloba okolice, saj ta neposredno vpliva na postopek umerjanja pri optičnih 3D-skenerjih. Laserske tehnologije so na osvetljenost v splošnem manj občutljive kot optične, ki uporabljajo slikovne senzorje (CCD ali CMOS). Za 3D-skeniranje moramo pripraviti tudi predmet. Površina predmeta mora biti takšna, da jo bo 3D-skener lahko zaznal. Prozorni predmeti bodo namreč zlahka 3D-skenirani s kontaktno tehnologijo, v primeru optičnega 3D-skeniranja pa bo prišlo do večjih težav ali pa 3D-skeniranje ne bo mogoče. Pred 3D-skeniranjem je potrebno 3D-skener ustrezno umeriti ali kalibrirati. Izvede se več kalibracijskih meritev. Pri optičnih in laserskih tehnologijah se običajno uporablja vnaprej pripravljeno kalibracijsko ploščico, ki jo skeniramo na različnih razdaljah, pod različnimi nakloni ipd. Kalibracija je pomemben postopek, saj vpliva na natančnost meritev. Če kalibracije ne izvedemo ali je ne izvedemo pravilno, bo pri postopku zajemanja podatkov prišlo do napak in odstopanj, kar bo vidno na 3D-modelu skeniranega predmeta. Nekatere tehnologije 3D-skeniranja zahtevajo nastavitve določenih parametrov, na primer intenziteto laserskega žarka, število zajemov, kot rotacije objekta, zajem teksture ipd. V fazi zajemanja podatkov je zaradi morebitnega pomanjkanja informacij, prekrivanja ali drugih težav priporočljivo postopek večkrat ponoviti. Izvoženi podatki oblikujejo oblak točk, ki se rekonstruira v 3D-model s pomočjo ustrezne programske opreme. 3D-model lahko popravimo, prilagajamo, urejamo v CAD-programih ter ga vrednotimo [19, 29].
Glede na konstrukcijo 3D-skenerjev jih delimo na stacionarne in premične. Slednji so načeloma manjši in omogočajo 3D-skeniranje večjih, nepremičnih predmetov. Glede na uporabljeno tehnologijo jih delimo na kontaktne in brezkontaktne, ki pa se nato delijo glede na optično, lasersko in drugo tehnologijo, preglednica 2.1 [19, 32].
Preglednica 2.1: Delitev 3D-skenerjev glede na uporabljeno tehnologijo [19, 32].
3D-skenerji
kontaktni brezkontaktni
▪ koordinatna merilna naprava (CMM)
▪ merilne roke
▪ optični
▪ laserski
▪ rentgenski
▪ magnetni
▪ ultrazvočni
Brezkontaktne 3D-skenerje lahko delimo tudi na aktivne in pasivne. Aktivni 3D-skenerji so skenerji, ki oddajajo nekakšno sevanje, običajno svetlobo in s pomočjo le-te pridobivajo informacije o 3D-lastnostih direktno iz objekta. Pasivni 3D-skenerji pa so tisti, ki zajemajo podatke brez kakršnega koli osvetljevanja ali sevanja [26].
Ker se 3D-tehnologije z dneva v dan razvijajo, s tem rasteta tudi povpraševanje in trg.
Na spletu je moč zaslediti ogromno ponudnikov različnih 3D-skenerjev. Pred odločitvijo o tem, kateri 3D-skener bi za svoje delo uporabili, se je potrebno vprašati, kako velike in kakšne vrste objektov želimo skenirati, kakšno ločljivost in natančnost potrebujemo in tudi kakšne so naše omejitve glede cene. Če namreč želimo skenirati ogromne objekte ali stavbe, so pred strukturiranim osvetljevanjem primernejši laserski 3D-skenerji in fotogrametrija. Med najpomembnejše lastnosti uvrščamo natančnost.
Slednja je tesno povezana s ceno. Za 3D-skenerje z natančnostjo do 0,03 mm lahko odštejemo do 41 300 EUR, za natančnost do 0,1 mm 3300–7500 EUR, za tiste z manjšo natančnostjo pa do 2500 EUR. Podobno kot natančnost je tudi ločljivost povezana s ceno 3D-skenerja. Ločljivost in natančnost pa med seboj nista povezani. Tudi hitrost je lastnost 3D-skenerjev, za katero odštejemo večjo količino denarja. Ta pride predvsem v poštev, ko skeniramo ljudi ali živali oziroma stvari, ki se lahko med skeniranjem premaknejo. Na ceno 3D-skenerjev vplivajo tudi cene licenc za potrebno programsko opremo, dodatki strojne opreme, kot so vrtljiva mizica, možnost zajema teksture idr., ter tip 3D-skenerja glede na konstrukcijo. Cena ročnih v primerjavi z namiznimi 3D-skenerji je lahko tudi do 4-krat večja [33].
Na spletu je moč najti različne ponudnike 3D-skenerjev. Slika 2.5 prikazuje razmerje cene in natančnosti nekaterih 3D-skenerjev leta 2018 [34].
Slika 2.5: Primerjava 3D-skenerjev glede na ceno in natančnost (leto 2018) [34].
V preglednici 2.2 so zbrani podatki o ločljivosti in ceni 3D-skenerjev različnih tehnologij, ki jih lahko najdemo na spletu [35–39].
Preglednica 2.2: Primerjava 3D-skenerjev različnih tehnologij glede na ceno in ločljivost [35–39].
Tehnologija 3D-skeniranja Cena/EUR Ločljivost/mm Kontaktno 3D-skeniranje
(industrijski) 9900 –19800 0,0004
Lasersko pulzno 3D-skeniranje
(stacionarni) 77 500–87 100 0,8
Lasersko skeniranje s
triangulacijo (namizni) 2500 0,1
3D-skeniranje s strukturiranim
osvetljevanjem (namizni) 1050 0,1
Fotogrametrija (namizni) 8300–14 300 0,053
Vsaka tehnologija ima svoje prednosti in slabosti, zato je v različnih situacijah potrebno uporabiti različne tehnologije. V nadaljevanju bodo v podpoglavjih podrobneje predstavljene posamezne tehnologije 3D-skeniranja iz preglednice 2.1.
2.2.1 Kontaktna tehnologija 3D-skeniranja
Kontaktna tehnologija 3D-skeniranja že v imenu razkriva, da je za zajem podatkov s kontaktnim 3D-skenerjem potreben fizični stik. Kontaktni 3D-skenerji zajemajo podatke s pomočjo sonde, ki je pritrjena na konec mehanske roke, slika 2.6. Skenerji so umerjeni za delovanje na fiksni ploščadi, kamor se postavi predmet. Sonda je lahko upravljana ročno ali je programsko vodena. S premikanjem sonde po površini predmeta pridobivamo podatke o položaju točk na površini, torej o x, y in z koordinatah sonde.
Zbrani podatki tvorijo oblak točk, ki ga programsko še obdelamo in uredimo do želenega 3D-modela. Skeniranje poteka počasi, saj lahko sonda naenkrat zajame podatke le za eno točko na površini. Poleg omenjene slabosti kontaktni 3D-skenerji niso najbolj primerni za skeniranje občutljivih predmetov, kot so na primer umetniška dela ter predmeti, ki jih je mogoče hitro poškodovati in preoblikovati. Prednosti kontaktnega 3D-skeniranja pa sta izjemna natančnost ter zmožnost skeniranja prozornih in svetlečih se predmetov [40, 41].
Slika 2.6: Kontaktno 3D-skeniranje z ročnim vodenjem sonde [42].
a) Koordinatna merilna naprava
Koordinatna merilna naprava (CMM, angl. coordinate measuring machine) se uporablja za merjenje fizičnih geometrijskih lastnosti predmetov. Zaradi visoke natančnosti se jo pogosto uporablja v industriji, za dimenzijske meritve, merjenje profilov, kotnosti, orientacije, pregledovanje in nadzor delov in morebitnih težav. Glavni sestavni deli naprave so konstrukcija s ploščadjo in tremi premikajočimi se osmi, sonda in krmilnik ter računalnik z ustrezno programsko opremo. Osi so med seboj pravokotne in tvorijo kartezični koordinatni sistem v prostoru. Vsaka os ima določeno skalo, s pomočjo katere se locirajo koordinate sonde, ki se premika v omenjenih treh smereh. CMM uporabi podatke x, y in z koordinat sonde, ki je v stiku s predmetom in določa položaj točke na mikrometer natančno. Prednost CMM-jev je torej visoka natančnost, pomanjkljivost teh naprav pa je hitrost. Ročno upravljani CMM-ji so zelo počasni.
Najhitrejši CMM-ji lahko delujejo s frekvenco nekaj 100 Hz (hertz), kar je v primerjavi z nekaterimi optičnimi sistemi od 100- do 5000-krat počasneje. Laserski 3D-skenerji lahko namreč delujejo s frekvenco 10 do 500 kHz [26].
Slika 2.7: Koordinatna merilna naprava [43].
Dostopni so v različnih velikostih, s sondami različnih tehnologij. Upravljani so lahko ročno ali avtomatsko preko računalniškega sistema ter so različnih konfiguracij: stoječi, namizni in prenosni. Slednji imajo pogosto robotsko roko z več vrtljivimi osmi namesto klasičnih linearnih. V osnovi so lahki, a nekoliko manj natančni. Primerni so za hitro prototipiranje in vzvratno inženirstvo [26].
Najbolj osnovne CMM-je imenujemo mostični CMM-ji, slika 2.7. Poimenovani so po konstrukciji dveh nog z mostom, kjer je nameščeno tudi sredinsko vreteno. Premikanje mostu opisuje gibanje v ravnini xy, vreteno pa gibanje v navpični smeri (z-koordinatna os). Sonda je pritrjena na koncu vretena. Premikajoča se mizica na natančnost meritev nima vpliva, a omogoča lažji dostop sonde do predmetov zapletenih geometrij.
Obstajajo tudi različice CMM-jev, kjer je omogočena rotacija same merilne sonde, in
različice z vodenimi rokami. Slednje lahko dostopajo tudi v notranjost nekaterih predmetov ali izvajajo meritve s pomočjo kotnih meritev in izračunov [26].
V začetku so na sonde spajkali trde konice, ki so bile odlične za merjenje ravnih, valjastih ali sferičnih površin. Kasneje so uporabljali sonde bolj specifičnih oblik, s katerimi so merili posebne lastnosti. Pogosto so bile meritve z ročnim upravljanjem sonde nenatančne, saj je pritisk sonde na predmet od upravljalca do upravljalca drugačen. Razvoj tehnologije je rezultiral v sistemu krmiljenja sonde s krmilno palico.
Dandanes pa so že avtomatsko vodene [26].
Primer komercialnega 3D-skenerja za kontaktno 3D-skeniranje je ARTECH CMM, ki je industrijska koordinatna merilna naprava. Visoka ločljivost posledično pomeni višjo ceno omenjene naprave, preglednica 2.2 [35].
2.2.2 Brezkontaktna tehnologija 3D-skeniranja
Brezkontaktne tehnologije delimo glede na aktivnost in pasivnost ter glede na uporabljene tehnologije. Laserske in optične tehnologije se zaradi svojih lastnosti soočajo z nekaterimi omejitvami. Predmeti z zapleteno geometrijo in veliko luknjami onemogočajo usmeritev svetlobe na celotno površino, zato 3D-skenerji ne zmorejo pridobiti vseh potrebnih podatkov oblike in videza predmeta. Prozorni oziroma prosojni predmeti prepuščajo svetlobo skozi površino. Odbije se le malo svetlobe, ki jo 3D-skener lahko zazna, zato so pridobljeni podatki pogosto nenatančni. Če ima predmet svetleče površine, se svetloba odbije veliko bolj kot sicer, zato tudi v tem primeru prihaja do nenatančnega zajema. Predmeti temnejši odtenkov ali črne barve absorbirajo skoraj vso vpadlo svetlobo, zaradi česar 3D-skener ne zajame dovolj podatkov, kar onemogoča uspešno skeniranje in generiranje 3D-modela. Zaradi omenjenih težav se za lažje skeniranje priporoča obarvanje predmeta z belo barvo ali prekritje z belim prahom [4, 32].
Aktivne tehnologije 3D-skeniranja vključujejo sevanje oziroma oddajanje svetlobe.
Mednje na primer uvrščamo lasersko 3D-skeniranje s pomočjo triangulacije, 3D-skeniranje s strukturiranim osvetljevanjem idr. 3D-skenerji so ponavadi sestavljeni iz vira sevanja oz. svetlobe, zaznavne komponente (npr. kamere), mizice (ki je lahko vrtljiva) in računalnika, na katerem je ustrezna programska oprema. Slabost aktivnih tehnologij je v tem, da večjih predmetov, ki jih ne moremo enostavno položiti na mizico, ni mogoče 3D-skenirati, zato je potrebno naprave prenašati okoli predmeta, kar je zamudno, naporno in zato lahko tudi manj natančno [26, 44].
Pasivni 3D-skenerji za razliko od aktivnih zaznavajo oddano vidno svetlobo, s katero je predmet osvetljen iz okolja. Pasivne tehnike so v osnovi cenejše, saj ne potrebujejo zahtevne strojne opreme. Pogosto je dovolj že preprosta digitalna kamera. Med pasivne tehnologije 3D-skeniranja uvrščamo fotogrametrijo in računalniški vid [26].
V nadaljevanju so predstavljene naslednje brezkontaktne tehnologije 3D-skeniranja: (a) koordinatni merilni sistem, (b) lasersko pulzno 3D-skeniranje, (c) lasersko 3D-skeniranje s triangulacijo, (d) 3D-skeniranje s strukturiranim osvetljevanjem, (e) 3D-modeliranje na osnovi fotografij in (f) 3D-tehnologije v zdravstvu.
(a) Koordinatni merilni sistem
Koordinatni merilni sistem deluje podobno kot koordinatna merilna naprava.
Uporabljata enako zasnovo, a drugačen senzor. Koordinatna merilna naprava je kontaktna naprava, koordinatni merilni sistem pa brezkontaktna. S pojavljanjem potreb po neinvazivnem načinu so začeli razvijati optične sonde, ki delujejo s pomočjo slikovnih senzorjev (CCD, angl. charge coupled device). Enako kot mehanske sonde se optične premikajo s pomočjo vodil v treh koordinatnih smereh. Za razliko od mehanskih pa le-te za merjenje ne potrebujejo dotika, marveč se sondo v določeno točko zgolj usmeri [26].
Na trgu je moč zaslediti novejše brezkontaktne sonde za 3D-skeniranje, ki delujejo s pomočjo laserskega točkovnega skeniranja in triangulacije, laserskega črtnega skeniranja in skeniranja z belo svetlobo. S pomočjo projiciranja svetlobe na površino in zajemov teh podatkov pa se računalniško ustvari 3D-model. Tradicionalni CMM s kontaktno sondo je danes kombiniran z ostalimi merilnimi tehnologijami (laserji, bela svetloba), kar omogoča multisenzorno merjenje [26].
(b) Lasersko pulzno 3D-skeniranje
Laserski pulzni 3D-skener je ponekod poimenovan tudi kot 3D-skener »časa preleta«, saj meri čas, ki ga laser potrebuje, da prepotuje določeno razdaljo. Lasersko pulzno 3D-skeniranje deluje tako, da se z laserjem sproži ogromno impulzov, ki se od predmeta odbijejo, slika 2.8. Ker je hitrost svetlobe znana, je mogoče izračunati oddaljenost predmeta z merjenjem časa od trenutka, ko laser sproži svetlobni pulz, do trenutka, ko odbito svetlobo senzor na 3D-skenerju zazna. Čas, ki ga izmeri, je čas povratnega potovanja svetlobe, zato je potrebno za izračun oddaljenosti upoštevati dvojno dolžino.
Laserski pulzni 3D-skener lahko v nekem trenutku zajema podatke le ene točke, in sicer tiste, v katero je usmerjen. Natančnost teh 3D-skenerjev je odvisna od natančnosti merjenja časa. Ebrahim [26] navaja, da svetloba za potovanje dolžine 1 milimetra potrebuje 3,3 ps (pikosekund). Metodo so izboljšali z vrtljivimi ogledali, ki jih je mogoče natančno in hitro rotirati. Običajni laserski pulzni 3D-skenerji lahko v sekundi zajamejo med 10 000 in 100 000 točk. Prednosti laserskih pulznih 3D-skenerjev so v tem, da imajo veliko merilno območje oziroma merilno razdaljo, zato so primerni za 3D-skeniranje večjih stavb in pokrajin. Na račun večje razdalje do predmeta skeniranja se zmanjšuje natančnost skeniranja, tudi do milimetra. Do večjih napak lahko pride, če se svetloba laserja odbije od roba predmeta in jo kamera zazna kot dve točki. V tem primeru programska oprema za položaj točke vzame povprečje zaznanih dveh, zato je
le-ta gotovo napačen. Z ožjim laserskim žarkom lahko možnost za tovrstne napake zmanjšamo, a s tem zmanjšamo tudi merilno razdaljo [26, 40].
Slika 2.8: Princip delovanja laserskega pulznega 3D-skenerja [45].
Laserskim pulznim 3D-skenerjem so podobni laserski 3D-skenerji s faznim zamikom.
Delujejo tako, da primerjajo čas laserskega žarka pri faznem zamiku in brez njega.
Delovanje je torej zelo podobno, le da fazni zamik omogoča natančnejšo določitev razdalje. Merjenje z visoko frekvenco da natančne podatke, a hkrati zmanjša merilno razdaljo. Hitrost skeniranja je višja kot pri laserskem pulznem 3D-skeniranju, vendar oblak točk vsebuje več šumov. Merilna razdalja laserskega 3D-skenerja s faznim zamikom je okoli trikrat krajša (70–80 m) kot merilna razdalja laserskega pulznega 3D-skenerja (200–300 m) [26].
Primer komercialnega 3D-skenerja laserske pulzne tehnologije je Z + F OMAGER 5016 z nižjo ločljivostjo in visoko ceno, preglednica 2.2 [36].
(c) Lasersko 3D-skeniranje s triangulacijo
Lasersko 3D-skeniranje s triangulacijo je skeniranje, kjer laser odda svetlobo v obliki točke ali črte. Kamera zaznava projekcijo laserja na objektu. Položaj laserja, kamere in projekcije točke na predmetu tvori trikotnik. Zaradi znane razdalje med laserjem in kamero ter znanega kota med pravokotnico laserskega žarka in smerjo vidnega polja kamere je mogoče s pomočjo trigonometrije izračunati razdaljo do objekta. Na sliki 2.9 je prikazan princip triangulacije. Znana sta kot (kot med laserjem in kamero) in razdalja (med laserjem in kamero). S pomočjo kotnih funkcij (2.1) se da izračunati razdaljo (med laserjem in objektom) [26].
(2.1)
Slika 2.9: Princip delovanja laserskega 3D-skeniranja s triangulacijo.
Za razliko od laserskih pulznih 3D-skenerjev so laserski 3D-skenerji s triangulacijo veliko bolj natančni. Meritve opravljajo do 10 μm (mikrometer) natančno. Njihova pomanjkljivost pa je relativno majhna merilna razdalja, torej razdalja do skeniranega predmeta, ki znaša nekaj metrov [26].
Primer komercialnega 3D-skenerja za lasersko 3D-skeniranje s triangulacijo je NEXTENGINE z nižjo ločljivostjo in ceno, preglednica 2.2 [37].
(d) 3D-skeniranje s strukturiranim osvetljevanjem
3D-skener s strukturiranim osvetljevanjem je sestavljen iz projektorja in kamere (ali več njih, pogosto dveh). Projektor na predmet projicira določen vzorec, ki je pogosto sestavljen iz vzporednih črt oziroma svetlobnih pasov, slika 2.10. Glede na način osvetljevanja se projicirani vzorci razlikujejo: so črno-beli, sivine, barvni, njihove ponovitve projiciranja, širine pasov ipd. ter kombinacije le-teh. Vsak vzorec s pasovi določene širine se spreminja tako, da izgleda, kakor da v horizontalni smeri potuje preko predmeta. Svetloba pade na površino, ki zaradi svojih geometrijskih značilnosti popači vzorec, ki ga kamera zazna. Z zaznavanjem robnih delov svetlobnih pasov in programske opreme izračunava razdaljo do teh točk. Med enostavnejšimi načini je črno-bel, binarno-kodirani vzorec, za zmanjšanje števila potrebnih binarno-kodiranih vzorcev pa so bili razviti vzorci s sivinami, barvami idr. [26, 40, 46].
Slika 2.10: Princip delovanja 3D-skenerja s strukturiranim osvetljevanjem [13].
Programska oprema s postopkom, podobnim triangulaciji, določa kot in razdaljo predmeta do 3D-skenerja. Iz podatkov se oblikuje oblak točk, kateremu sledi nadaljnja računalniška obdelava do želenega 3D-modela. Prednost 3D-skenerjev s strukturiranim osvetljevanjem je hitrost, saj lahko pridobivajo informacije ne le celotne osvetljene črte, ampak celotnega vidnega polja, ki je z vzorcem osvetljen. Tehnologija se hitro razvija, zato danes že obstajajo 3D-skenerji, ki omogočajo zajem premikajočih se predmetov [47].
Mongon idr. [48] navaja, da tako osvetljevanje z barvno, kot tudi belo svetlobo uspešno osvetli predmete, katerih površine so obarvane belo, sivo ali črno. Prednosti barvnega osvetljevanja predmetov se na tipičnih zapletenih površinah za 3D-skeniranje niso pokazale. Ugotovili so, da se večje težave pojavijo, ko so barve, s katerimi osvetljujemo, in barve predmetov, ki jih osvetljujemo, komplementarne [48].
Primer komercialnega 3D-skenerja s strukturiranim osvetljevanjem je EinScan-SE z nizko ceno in ločljivostjo, preglednica 2.2 [38].
(e) 3D-zajem na osnovi fotografij
Z razvojem fotografije so se začele razvijati tudi tehnologije, ki bi omogočale branje fotografij in zaznavanje 3D-lastnosti objektov na fotografijah. V začetku je bilo branje fotografij optično-mehansko, dandanes pa je s pomočjo računalnikov in algoritmov postopek digitaliziran [49].
3D-zajem na osnovi fotografij, kamor spadata fotogrametrija in računalniški vid, je priljubljena tehnologija za 3D-skeniranje preprostejših predmetov, spomenikov, nezahtevnih arhitektur, predmetov enostavnih in pravilnih oblik ipd. [50].
Tako fotogrametrija kot računalniški vid na fotografijah identificirata homološke (tj.
skupne) točke. Glavna razlika je v tem, da koncept fotogrametrije izhaja iz povezave med fizičnim modelom in fotografijami, računalniški vid pa to povezavo nekoliko izgubi na račun močnih povezav fotografij z matematičnimi koncepti in algoritmi.
Danes sta obe tehnologiji pogosto uporabljeni in je med njima težko ločevati, saj ideje računalniškega vida uporabljajo tudi v nekaterih fotogrametrijskih programskih opremah [51].
Fotogrametrija je postopek, pri katerem iz fotografij, ki so dvodimenzionalne, poustvarimo tridimenzionalno vsebino fotografij. Postopek zajema fotografiranje, merjenje in uporabo različnih algoritmov. Objekt moramo fotografirati iz različnih položajev, da dobimo več fotografij iz različnih pogledov, kot prikazuje slika 2.11.
Programska oprema nato zazna homološke točke objekta na različnih fotografijah.
Posamezne točke so tako opisane z več informacijami, kar omogoča nastanek 3D-modela. Pogosto se fotogrametrijo uporablja pri izdelovanju kart, 3D-skeniranju zgodovinskih izdelkov, vzvratnem inženirstvu, analizi struktur, navigacijskih sistemih idr. [49, 50].
Princip delovanja posnema človeški vid. Kot ljudje zaznavamo svet s pomočjo dveh slik, lahko 3D-lastnosti predmetov pridobivamo iz fotografij. Po analogiji sta za pretvorbo 2D-informacij s fotografije v 3D-informacije potrebni dve fotografiji, ki vsebujeta homološke točke. Za oblikovanje popolnega 3D-modela je priporočljivo posneti čim več fotografij, z ozirom na zahtevnost predmeta, ki ga 3D-skeniramo [44, 52].
Slika 2.11: Prikaz zajema enake situacije iz različnih kotov [53].
Med fotografiranjem je potrebno paziti na nastanek senc, dovolj svetlobe, vidno polje kamere in posledično zajem nepotrebnih informacij iz okolice, ki bi lahko povzročile napake v procesu ustvarjanja 3D-modela. Pogoje lahko izboljšamo z uporabo osvetlitve, bliskavice in polarizacijskega filtra [44].
Nastale fotografije je potrebno pregledati in neustrezne izločiti. Velik vpliv na natančnost 3D-modela ima tudi resolucija kamere, saj lahko ob večji resoluciji program
zazna več skupnih točk. Kljub temu pa večja resolucija ob slabi kvaliteti fotografij (npr.
zamegljenosti) ne omogoča velike natančnosti [44].
Večje število fotografij pomeni večje število informacij o položaju določene točke, ki jo programska oprema zazna. Najbolj primerno je objekt fotografirati v razmaku 10–30°.
Če je razmak večji, lahko prihaja do pomanjkanja informacij in posledično lukenj ali popačenja 3D-modela. Če objekt fotografiramo večkrat, lahko zajamemo podvojene, odvečne informacije, ki zahtevajo nepotrebno daljši postopek konstruiranja 3D-modela.
Postopek je najlažje izvesti, če je kamera ves čas na enaki višini in enako oddaljena od objekta. Ko objekt obkrožimo, spremenimo višino kamere in postopek ponovimo [44].
Primer komercialnega 3D-skenerja z uporabo fotogrametrije je Aurum 3D. Višja ločljivost se odraža tudi v višji ceni naprave, preglednica 2.2 [39].
(f) 3D-zajem v zdravstvu
V zdravstvu se pojavljajo rentgenske, magnetne in ultrazvočne tehnologije za pridobivanje 3D-lastnosti. Zajem informacij z rentgenom izkorišča lastnosti mehkih tkiv, ki za razliko od kosti rentgenskih žarkov ne absorbirajo. Podobno deluje računalniška tomografija (CT), ki zajame več rentgenskih posnetkov, na primer možganov, oči, srca … Slikanje z magnetno resonanco (MRI) za zajem uporablja močno magnetno polje in radijske valove, ultrazvok pa informacije pridobiva na osnovi odboja ultrazvočnih valov od površin različnih tkiv. Zajeti podatki omenjenih tehnologij ne tvorijo oblaka točk, ampak t. i. 2D-rezine, ki jih je mogoče z združitvijo oblikovati v 3D-model. Uporaba omenjenih tehnologij 3D-skeniranja vsakodnevno rešuje življenja, a ima tudi nekaj slabosti. Večji slabosti sta zdravstveno ogrožanje (možnost nastanka raka ali mutacij določenih celic) ter cena tehnologije [26, 30].
2.3 STROJNA IN PROGRAMSKA OPREMA
Večina podatkov o natančnem delovanju 3D-skenerjev in programske opreme, je zaradi velike konkurence in poslovnih skrivnosti podjetij nedostopna. Poleg zunanjih vplivov oziroma pogojev okolice imajo na končni produkt 3D-skeniranja velik vpliv lastnosti strojne in programske opreme. Običajno proizvajalci ponujajo 3D-skener in ustrezno programsko opremo v kompletu, kar pomeni, da je cena programske opreme zajeta v ceni 3D-skenerja.
Tudi nepoznavalec lahko opazi, da so 3D-skenerji običajno sestavljeni iz projektorjev ali laserjev, kamer in drugih senzorjev, stojal, ohišij, morebitnih ploščadi ali mizic ter pogosto kablov za napajanje in prenos podatkov. Nekateri 3D-skenerji v okviru strojne opreme ponujajo tudi t. i. sledilne predmete, ki omogočajo združevanje delnih zajemov s programsko opremo. Vsa strojna oprema ima določene značilnosti, glede katerih se izvedbe razlikujejo. V veliki meri na lastnosti vplivajo karakteristike projektorjev, laserjev in kamer ter drugih senzorjev [29].
Glede na potrebe 3D-skenerja so poleg lastnosti strojne opreme zelo pomembne lastnosti programske opreme. Kvaliteta programske opreme bistveno vpliva na natančnost 3D-modela in hitrost njegovega nastanka. Sestavljena je iz različnih modulov za [54]:
▪ nadzorovanje 3D-skenerja,
▪ obdelavo oblaka točk,
▪ ujemanje enostavnih oblik z oblakom točk,
▪ ustvarjanje površinskih modelov,
▪ preslikavo tekstur in
▪ upravljanje podatkov.
Moduli programske opreme skrbijo za okno 3D-skeniranja, ločljivost in vizualizacijo.
Omogočajo izbiranje različnih oken 3D-skeniranja ter avtomatsko in pol-avtomatsko prilagajanje ločljivosti (manjša ločljivost na gladkih površinah, večja na robovih) za namen doseganja konstantne mreže predmeta. Med samim procesom skeniranja pa sprotno evidentiranje in vizualizacijo oblaka točk. Omogočajo tudi prostorsko vrtenje, redčenje točk, filtriranje in prečiščevanje podatkov. Pri uporabi filtriranja se je potrebno zavedati, da filter enako filtrira vse površine – gladke površine in robove. Prečiščevanje podatkov pa je potrebno zaradi neželenih podatkov odsevov predmetov iz ozadja, delnih odbojev, večkratnih odsevov žarkov, napak zaradi osvetlitve, napak zaradi odbojnosti površine itn. Veliko omenjenih je mogoče odpraviti že z omejitvijo obsega 3D-skeniranja. Modul programske opreme 3D-modele iz oblačnih točk ustvari z različnimi tehnikami [26, 54]:
▪ modeli z mrežami večkotnikov,
▪ NURBS-površinski modeli,
▪ trdni CAD-modeli.
Moduli poskrbijo tudi za preslikanje slike in teksture, ki je pomembna za vizualizacijo.
Najosnovnejša in preprosta je bela tekstura, ki ustvari izgled alabastra. Nazadnje pa omogočajo izvoz podatkov v CAD-programe [54].
Produkt 3D-skeniranja je tipično datoteka s 3D-modelom formata STL, OBJ, PLY idr.
Datoteke STL sodijo med najpogostejše datoteke, ki so kompatibilne z veliko večino strojne in programske opreme 3D-tiskalnikov. Od ostalih dveh se razlikujejo v tem, da ne vsebujejo informacij o barvi, teksturi in materialu 3D-objekta. 3D-model, zapisan v STL-datoteki, je sestavljen iz mnogo trikotnikov. Datoteka PLY shranjuje podatke 3D-modela v obliki večkotnikov. Tako PLY in OBJ omogočata shranjevanje informacij o barvi, teksturi in materialu, sta pa zato nekoliko manj združljivi z drugo programsko opremo za urejanje [55].
Datoteke je mogoče urejati v številnih grafičnih, risarskih ali animacijskih programskih orodjih, ki so lahko plačljivi ali ne. V preglednici 2.3 so predstavljena nekatera
brezplačna programska orodja (oz. njihove osnovne verzije, ki so zastonj, vendar je omogočeno doplačilo za profesionalne različice) za urejanje datotek s 3D-vsebino [56].
Preglednica 2.3: Brezplačna programska orodja za obdelavo 3D-modelov določenih vrst datotek [56].
Programsko orodje Stopnja znanja
obdelave 3D-modelov Vrste datotek
3D Slash Začetna STL, OBJ, 3DSLASH
SelfCAD Začetna STL, OBJ, MTL, PLY, DAE
Thinkercad Začetna STL, OBJ, SVG, 123DX, 3DS, C4D, MB
FreeCAD Nadaljevalna STL, OBJ, SVG, STEP, IGES, DXF, SCAD, IV, IFC, FCSTD
Fusion 360 Nadaljevalna STL, OBJ, CATPART, DWG, DXF, F3D, IGS, PDF, SAT, SLDPRT, STP
Meshmixer Nadaljevalna STL, OBJ, AMF, MIX, OFF
SketchUp Free Nadaljevalna STL, PNG, SKP
Blender Napredna STL, OBJ, PLY, SVG, 3DS, DXF, DAE, FBX, X, LWO, VRML, BLEND
Houdini Napredna GEO, CLIP
OpenSCAD Napredna STL, DXF, SCAD, AMF, OFF
3 TEHNOLOGIJA 3D-SKENIRANJA ZA IZOBRAŽEVALNE NAMENE
V poglavju so zajeti 3D-skenerji, primerni za uporabo v osnovni šoli. Široka paleta 3D-skenerjev in njihovih raznolikih lastnosti omogoča uporabo 3D-skeniranja na različnih področjih. Za uporabo 3D-skenerjev za osnovnošolske namene ne potrebujemo visoke natančnosti. Finančna sredstva šol so omejena in glede na preglednico 2.2 je za osnovno šolo primerna izbira 3D-skeniranja s strukturiranim osvetljevanjem. Cenovno še dostopnejšo možnost za samoiniciativne učitelje tehnike predstavljajo 3D-skenerji, ki jih lahko izdelamo sami. Za delovanje je potrebno imeti tudi osebni računalnik, na katerega namestimo programsko opremo. Slednja zahteva nekatere specifikacije računalnika. Običajno so zahtevani določen operacijski sistem in centralno procesna enota, vhod za priključitev kabla, najmanjša velikost delovnega pomnilnika in grafične kartice ter vrsta grafične kartice. V nadaljevanju so predstavljeni prosto dostopni projekti izdelave lastnega 3D-skenerja in ustrezen komercialni 3D- skener za uporabo v osnovni šoli [18].
3.1 ODPRTOKODNI 3D-SKENERJI
Splet omogoča dostop do podatkov odprtokodnih projektov, ki spadajo v t. i. kategorijo
»izdelaj sam« (DIY, angl. do it yourself). Najdemo lahko veliko projektov za izdelavo lastnega 3D-skenerja z določeno tehnologijo. Dostopni projekti zajemajo podatke o potrebni strojni opremi, navodila za izdelavo ter informacije o možni namestitvi ustrezne programske opreme. Slednja je za nekatere projekte tudi prosto dostopna na spletu. V nadaljevanju so predstavljeni nekateri odprtokodni projekti z vidika cenovne dostopnosti strojne in programske opreme.
3.1.1 Laserski 3D-skener »izdelaj sam«
Za izdelavo laserskega 3D-skenerja so potrebni naslednji sestavni deli: računalnik na eni plošči (SBC, angl. single board computer) (Raspberry Pi 2), pomnilniška kartica (Micro SD), koračni motor in gonilnik motorja (A4988), integrirano vezje FabScan-Shield (vtični modul), črtni laser, kamera (Raspberry Pi Camera), okrogla plošča za vrtljivo mizico, enosmerno napajanje (12 V) in ohišje, slika 3.1. Lasersko črto na predmetu zazna kamera. Koračni motor je uporabljen za rotacijo vrtljive mizice, ki vrti predmet sinhronizirano z ostalo strojno opremo, za kar poskrbi SBC. Izdelan laserski 3D-skener za svoje delovanje uporablja programsko opremo (FabScan), ki je prosto dostopna na spletu. Nastali oblak točk lahko z ustreznim programom (npr.
MeshLab) preoblikujemo v želen format datoteke. V preglednici 3.1 je podan pregled sestavnih delov in njihova okvirna cena v spletnih trgovinah AliExpress, Poulu robotics and electronics in Wetterott electronics (osebni računalnik med sestavnimi deli ni zajet).
Slednja omogoča tudi nakup paketa elektronskih komponent in ohišja za 200 EUR [12, 57].
Slika 3.1: Laserski 3D-skener »izdelaj sam« [12].
Preglednica 3.1: Okvirna cena sestavnih delov za izdelavo lastnega laserskega 3D-skenerja [58–69].
Sestavni del Okvirna cena/EUR
SCB (Raspberry Pi) 58
Kamera (Raspberry Pi Camera) 2,5
Pomnilniška kartica (MicroSD 64 GB) 8
Koračni motor in gonilnik (A4988) 32
Črtni laser 25
Integrirano vezje FabScan-Shield 10
Napajanje 12 V 2,5
Napajanje 5 V 4
Arduino 4
USB-kabel 1
Pesto 5
Ohišje in vrtljiva plošča /
Skupaj 152
3.1.2 3D-skener s strukturiranim osvetljevanjem »izdelaj sam«
Za izdelavo projekta »izdelaj sam« 3D-skener s strukturiranim osvetljevanjem je potreben video projektor (Infocus LP330), ki predstavlja vir svetlobe in je prilagodljiv ter široko dostopen, slika 3.2. Za zajem sta potrebni dve spletni kameri (Logitech C920C). Pri izbiri kamere je smiselno uporabiti kamere, ki jih je mogoče programsko nadzorovati zaradi prilagajanja ostrine, svetlosti in ločljivosti. Vse skupaj povezuje stojalo iz akrilnega stekla in lesa. Kameri in projektor so povezani z računalnikom. Za programsko opremo je bil uporabljen dostopen program, zapisan v programskem jeziku Python, ki je uporaben na različnih operacijskih sistemih in je prilagodljiv glede izbire kamer in projektorja (z resolucijo 1024x768 točk). Opisana izdelana različica je za razliko od izdelanega laserskega 3D-skenerja poenostavljena, saj ne omogoča vrtenja predmeta z vrtljivo mizico. V preglednici 3.2 so prikazani sestavni deli in njihova okvirna cena v spletni trgovini AliExpress (osebni računalnik med sestavnimi deli ni zajet) [13].
