Zautomatyzowany system dokumentacji 3D – ZSD3D

Dysponent: Politechnika Warszawska

Kontakt: prof. dr hab. Robert Sitnik koperta

Opis metody

Zautomatyzowany system dokumentacji 3D jest rozszerzeniem klasycznego skanera 3D o zestaw urządzeń pozycjonujących go w relacji do obiektu dokumentowanego, sterowanych specjalizowanymi algorytmami wyznaczającymi strategię pomiarową. Algorytmy te wyznaczając kierunki pomiarowe uwzględniają parametry fizyczne użytego skanera i gwarantują jego bezkolizyjne i optymalne pozycjonowanie względem obiektu. Automatyzacja pozwala na digitalizację obiektów głowicami 3D o bardzo wysokiej rozdzielczości przestrzennej (do 10000 punktów na milimetr kwadratowy), które cechują się bardzo małą objętością pomiarową; eliminację wpływu operatora na wynik pomiaru; pracę w trybie 24/7 bez nadzoru. System dokumentacji 3D wyposażony jest w specjalizowaną aplikację służącą do przetwarzania dużych zbiorów danych 3D, umożliwiającą zachowanie wyników pomiaru we wskazanej przez użytkownika formie (dane surowe, chmury punktów o zredukowanej rozdzielczości, chmury punktów przygotowanej do wizualizacji i analizy w czasie rzeczywistym, siatki trójkątów z lub bez tekstury, siatki trójkątów przygotowanej do wydruku 3D).

Zastosowanie

W dziedzinie badania obiektów zabytkowych system znajduje zastosowanie przede wszystkim do tworzenia wysokorozdzielczej dokumentacji obiektów 3D o powierzchni rozpraszającej (w przypadku obiektów odbijających lub przezroczystych jest to również możliwe po pokryciu powierzchni obojętnym proszkiem TiO2),  wykorzystywanej do:

  • Rejestrowania stanu zabytków w ramach inwentaryzacji zbiorów,
  • Analizy kolekcji wykonywanej przez historyków sztuki i innych specjalistów,
  • Analizy konserwatorskiej (oceny przebiegu procesów starzenia, zmian wywołanych przez niestabilność temperatury i wilgotności),
  • Analizy i oceny przeprowadzonych procesów konserwacji (porównanie obiektu przed i po procesie, przywrócenie obiektu do stanu z danego okresu czasu),
  • Tworzenia kopii wieczystej na wypadek uszkodzenia, zniszczenia, kradzieży obiektu,
  • Oceny autentyczności obiektu,
  • Wizualizacji obiektów w „wirtualnych muzeach” lub aplikacjach mobilnych wzbogacających proces zwiedzania muzeum.

Instrument

W zautomatyzowanym systemie dokumentacji 3D wykorzystywane są następujące urządzenia:

  • Skaner światła strukturalnego w skład którego wchodzi:
    • zmodyfikowany projektor Benq z obiektywem standardowym lub makro,
    • aparat cyfrowy Canon 60D o rozdzielczości 18MPix, APS-C z obiektywem makro,
    • pierścień oświetlający Aperture Amaran LED,
  • Robot przemysłowy Kawasaki FS20N o 6 stopniach swobody, udźwigu 20kg i zasięgu 1653mm (poziomo) / 1503mm (pionowo) o powtarzalności pozycjonowania +/- 0,1mm,
  • Stół obrotowy Labster o udźwigu 100kg, rozdzielczości i powtarzalności kątowej 0,5o.
  • Komputer sterujący pracujący pod kontrolą systemu Microsoft Windows Server 2012, wyposażony w dwa procesory Intel Xeon 5450, 384GB pamięci RAM i macierz dyskową o pojemności 10TB.

Główne parametry systemu dokumentacji 3D znajdują się poniżej:

  • Rozdzielczość przestrzenna głowicy pomiarowej: 100 – 10000 punktów/mm2 (przestrajalna),
  • Objętość robocza głowicy pomiarowej: 210mm x 290mm x 150mm @100 punktów/mm2, 50mm x 50mm x 12mm @10000 punktów/mm2,
  • Niepewność pomiarowa głowicy pomiarowej: 50um @100 punktów/mm2, 5um @10000 punktów/mm2,
  • Liczba punktów w pojedynczym pomiarze: ok. 12 mln.,
  • Czas trwania pojedynczego pomiaru: ok. 120 sekund z podstawową filtracją wyników,
  • Odległość głowicy od powierzchni mierzonej: 600mm,
  • Maksymalny wymiar mierzonego obiektu: 1000 mm x 1000 mm (podstawa) x 1200 mm (wysokość),
  • Przykładowe parametry dla typowego obiektu muzealnego (figurka biskwitowa, ok. 200mm wysokości):
    • Liczba pomiarów: ok. 150,
    • Wielkość modelu po filtracji: ok. 80GB,
    • Czas digitalizacji: ok. 12 godzin,
    • Czas przetwarzania danych: ok. 10 godzin.

Warunki badania

Aktualnie nie przewiduje się transportu systemu pomiarowego do obiektu. Obiekty mogą być badane zarówno w położeniu pionowym, jak i poziomym, nie mogą jednak wykraczać poza zakres maksymalnej wielkości obiektu roboczego. Instrument zasadniczo przeznaczony jest do tworzenia cyfrowego modelu powierzchni badanego obiektu (powierzchnia musi mieć charakter rozpraszający dla promieniowania w zakresie widzialnym), nie pozwala natomiast na uzyskanie informacji o wnętrzu obiektu. Należy również uwzględnić przenikalność światła projektora przez warstwę powierzchniową obiektu, w przypadku takiej możliwości należy pokryć powierzchnię proszkiem TiO2. Poniżej zdjęcie systemu:

zds3D

Rys. 1. Instrument

Format wyników

Wyniki dostarczane są w postaci zestawu chmur punktów zapisanych w formacie COPSXML. Dla każdego punktu, oprócz jego współrzędnych 3D (x, y, z) dostępna jest informacja o barwie (r, g, b), wektorze normalnym (nx, ny, nz) i jakości (w zakresie 0 – 1, wartość uzależniona od kontrastu prążków skanera w danym punkcie). Dodatkowo, każda chmura zawiera informację o położeniu skanera podczas pomiaru oraz identyfikator macierzy kalibracyjnej skanera używanej podczas pomiaru. Chmury zapisane w tym formacie danych mogą zostać skonwertowane do jednego ze standardowych formatów (ply, obj, txt). Może również zostać wykonana konwersja chmury punktów do siatki trójkątów z teksturą. W tym wypadku model zapisywany jest w postaci pliku ply, obj lub vrml.

zsd3D2

Rys. 2. Wizualizacja przykładowych wyników działania zautomatyzowanego systemu dokumentacji zabytków

Przykładowe wyniki (bibliografia)

  1. Karaszewski, Maciej, Robert Sitnik, and Eryk Bunsch. „On-line, collision-free positioning of a scanner during fully automated three-dimensional measurement of cultural heritage objects.”Robotics and Autonomous Systems 9 (2012): 1205-1219,
  2. Sitnik, Robert, et al. „3DMADMAC| AUTOMATED: synergistic hardware and software solution for automated 3D digitization of cultural heritage objects.”Geoinformatics FCE CTU6 (2011): 323-329,
  3. Sitnik, Robert, and Maciej Karaszewski. „Automated processing of data from 3D scanning of cultural heritage objects.”Digital Heritage. Springer Berlin Heidelberg, 2010. 28-41,
  4. Sitnik, Robert, et al. „Automated full-3D shape measurement of cultural heritage objects.”SPIE Europe Optical Metrology. International Society for Optics and Photonics, 2009,
  5. Sitnik, Robert, Małgorzata Kujawinska, and Wojciech Załuski. „3DMADMAC system: optical 3D shape acquisition and processing path for VR applications.” Optical Metrology. International Society for Optics and Photonics, 2005