по дисциплине «Периферийные устройства» (стр. 1 из 3)

Реферат по дисциплине «Периферийные устройства»

Кафедра КСС – 2006.2007 уч. Год

Любой, кто хоть раз пытался построить на компьютере какую-то трехмерную модель, обязательно задавался вопросом: "А нельзя ли просто взять и как-нибудь считать форму и вид реального предмета, так ведь было бы быстрее и точнее?" Да, так сделать можно. Эту задачу решает целый класс устройств, называемых 3D-сканерами.

3D - моделирование можно отнести к разряду самых популярных и востребованных компьютерных искусств. Многие специалисты считают его наряду с программированием исключительно сложным и кропотливым занятием. Впрочем, с кропотливостью в скором времени будет покончено, т. к. сегодня на рынке присутствует целый ряд доступных устройств пространственного сканирования объектов.

3D - сканирование - это систематический процесс определения координат точек, принадлежащих поверхностям сложнопрофильных физических объектов (в частности, деталей) с целью последующего получения их пространственных математической моделей, которые могут модифицироваться с помощью CAD-систем. Устройства, с помощью которых осуществляется сканирование объектов, называют 3D-сканерами. Эти устройства не только упрощают процесс создания 3D-моделей, но и позволяют решать эту задачу с максимальной степенью достоверности по отношению к исходному оригиналу.

Несмотря на то что сегодня основными потребителями 3D-сканеров являются дизайнерские и кинематографические студии, первыми заказчиками этих устройств стали автомобильные и конструкторские дизайн-бюро, потребность которых в оборудовании данного класса обусловила используемая ими технология работы.

Как известно, дизайн автомобилей и летательных аппаратов до сих пор совершенствуется с помощью гидродинамических труб, где уровень обтекаемости форм определяется нагнетательным воздействием воздушного потока. Математические алгоритмы, моделирующие работу подобных систем, постоянно совершенствуются, но по уровню своей эффективности они далеки от настоящих гидродинамических обдувов и вряд ли когда-нибудь смогут заменить их полностью. Поэтому идеология работы современных дизайнерских бюро многие годы почти не меняется и в настоящее время состоит из трех основных этапов.

На первом этапе создается чертеж модели, которая затем выполняется из пластичного материала. Далее форма модели гидродинамически рационализируется в трубе обдува, а уже потом, при помощи сканирующих приборов переносится и обрабатывается на компьютере. На основе объемных виртуальных моделей делаются новые более точные чертежи, а по ним уже и создаются серийные образцы автомобилей, самолетов и прочих конструкций, для которых важна обтекаемость форм. Как несложно догадаться, этап оцифровки моделей - важнейший в процессе создания изделий, поскольку точность этого процесса и предопределяет гидродинамические характеристики конечного продукта. "Ручной" способ оцифровки малоприемлем, т. к., во-первых, очень трудоемок, а во-вторых, неточности, сопутствующие ему, нивелируют все старания инженеров. Поэтому проблема точной автоматизированной системы создания трехмерных каркасов объемных тел встала перед разработчиками компьютерного оборудования достаточно давно.

Успехов в этой области достигнуто немало, поскольку на рынке представлено несколько совершенно непохожих друг на друга систем оцифровки трехмерных поверхностей и в ближайшем будущем многие из них вполне могут стать популярными настольными решениями с массовым характером распространения. Собственно о технологиях, позволяющих сканировать 3D-модели, а также продуктах, полученных на их базе, и пойдет речь.

Классификация ЗD-сканеров

В настоящий момент многие компании, занимающиеся изготовлением тонкой оптики и механики, производят какие-либо варианты трехмерных сканеров, предназначенных либо для широкого круга задач, либо для чего-то конкретного. Но все же эти устройства можно классифицировать. Условно разделим технологии трехмерного сканирования на два типа: контактные и бесконтактные.

К первым относятся механические устройства, имеющие какой-либо "ощупывающий орган", координаты места соприкосновения которого с объектом и оцифровываются. К этому типу принадлежит большинство выпущенных устройств - рычажных сканеров. Принцип их действия состоит в вычислении координат острия щупа, который крепится на "руке" из нескольких рычагов, соединенных шарнирами. Внутри каждого шарнира находится точный датчик угла поворота, напоминающий датчик вращения шарика в оптико-механических мышах. Именно от его качества зависит то, насколько точно могут быть вычислены координаты щупа, которым прикасаются к поверхности сканируемого объекта. Главным достоинством и недостатком одновременно этого типа устройств является их полуавтоматичность: модель, по сути, производит оператор, а не само устройство, что значительно медленнее, более дорогих 3d сканеров, использующих лазерную технологию. К тому же, в отличие от лазерных, бесконтактных сканеров, сенсорные сканеры не считывают текстуру, что в принципе является определяющим критерием при выборе сканера для его использования.

Бесконтактные 3D-сканеры являются значительно более сложными приборами, в которых заложены весьма изощренные алгоритмы создания пространственных каркасов. Так, во многих из них используется двойная (дополняющая основную) система ввода координат тела. Многие устройства совмещают лазерные датчики (заменяющие механический "щуп" контактных 3D-сканеров) и цифровой фотоаппарат, который используют для большей точности сканирования, что позволяет получить модели объектов с наложенными текстурами.

Однако вместо лазерных датчиков пространства могут применяться и более сложные системы. Например, в последнее время начали появляться системы 3D-сканирования на базе ультразвуковых установок, преимуществом которых перед конкурентами является режим сканирования тел с внутренней структурой или тел, погруженных в однородную среду.

Активно ведутся разработки магнитных сканеров, использующих для определения пространственных координат объекта изменение его пространственного магнитного поля. Следует отметить, что ультразвуковые и магнитные сканеры крайне чувствительны к различного рода шумам. Так, первые могут реагировать на погодные явления, звуковые волны, создаваемые другим оборудованием, кондиционерами или даже флюоресцентными лампами, а источником помех для вторых могут быть металлические объекты в помещении, не говоря об электропроводке.

Все это многообразие сложных оптико-механических устройств хотя и может очень многое, но без программного обеспечения и вмешательства человека данные, получаемые сканерами, все равно остаются "сырыми" и бессмысленными. Большинство производителей сканеров поставляют собственные программы или даже целые программные комплексы, но со сравнительно простыми задачами справляются и некоторые широкодоступные продукты. Один из них - редактор 3D-изображений Rhinoceros 3D. Строго говоря, это некий гибрид системы CAD и трехмерного редактора, в который авторы изначально включили поддержку рычажных сканеров MicroScribe. Редактор взаимодействует со сканером достаточно просто: когда пользователь указывает сканером очередную точку, она появляется в рабочем окне редактора. Далее, когда точек уже достаточно для построения модели, вы можете воспользоваться любой из многочисленных функций редактора для построения контурных кривых, сечений, а затем объемной фигуры по этим сечениям. Авторы Rhinoceros рекомендуют его и для работы с различными задачами reverse engineering, и для автоматизации дизайна.

Есть контакт!

Классическими и, возможно, самыми доступными моделями трехмерных сканеров являются устройства серии MicroScribe, производимые фирмой Immersion. Эта фирма известна в широких кругах благодаря технологиям force feedback, применяемым в игровых манипуляторах. Сканеры MicroScribe относятся к механическим рычажным. Внешне они очень просты: тяжелое основание с шарниром, "рука" из двух рычагов с датчиками на суставах и стилус, крепящийся одним концом к "руке".

Работа с помощью такого сканера заключается в том, что оператор касается кончиком стилуса поверхности объекта и при этом нажимает кнопку, дающую команду сохранить координаты точки. При этом и объект, и сканер должны быть жестко установлены, чтобы исключить взаимные перемещения во время работы.

Данные о координатах точки передаются по команде оператора в программу, где строится точечная модель. Многие современные трехмерные редакторы, такие как 3D Studio MAX, Rhinoceros 3D и другие, могут использоваться совместно со сканером MicroScribe. Получившаяся точечная модель может быть далее преобразована в модель поверхности или твердого тела уже средствами трехмерного редактора. Еще один прием, применяемый при оцифровке объектов, состоит в предварительной разметке, то есть нанесении на сам объект линий или точек, которые помогут оператору построить наиболее оптимальную цифровую точечную модель.

В текущую линейку MicroScribe G2 входят четыре модели, имеющие интерфейс RS-232 или USB 1.1. Они отличаются размером рабочей области - сферы - и точностью. Модели с индексом "X" имеют вдвое лучшую точность - +/- 0,3 мм, а с индексом "L" - увеличенную рабочую область - 1,67 м в диаметре против 1,27. В продаже можно найти бывшие в употреблении устройства по меньшим ценам. Кроме собственно сканеров, фирма Immersion поставляет также дополнительные приспособления и запчасти к ним.

Приспособления служат главным образом для более надежной фиксации сканера или сканируемого объекта. Это штатив и различные регулируемые универсальные подставки. Также в наличии внешние кнопки и педали для управления построением модели, которые могут понадобиться при использовании сканера в промышленном дизайне. Среди запчастей - сменные наконечники стилуса, имеющие разную форму и предназначенные для различных поверхностей.