Image
22.8.2016 1 Comments

Made in Slovakia: Digitálny 3D model tváre pomocou 3D skenu

Už antickí sochári vedeli zvečniť ľudskú tvár jej vytesaním do mramoru. Dnes sa to isté dá vykonať za pár sekúnd na 3D skeneri. Navyše získaná podoba tváre je skutočne večná. Má totiž digitálnu formu.

O 3D skenovaní

3D skenovanie je metóda, ako získať dáta o povrchu objektov. Nameraním získame tri priestorové súradnice [x, y, z] veľkého množstva bodov na povrchu telesa. Čím hustejšie pokrývajú povrch a čím presnejšie vieme ich súradnice, tým lepšie máme objekt nameraný.

3D skenovanie je užitočné pre množstvo praktických aplikácií – napríklad na kontrolu, či povrch odliatku zodpovedá žiadanému tvaru, na navigáciu priemyselného robotického ramena pri obrábaní kovov alebo pri pohybe mobilného robota v neznámom priestore.

Získané dáta možno zobraziť (a ďalej s nimi pracovať) viacerými spôsobmi. Jedna z možností takého zobrazenia je hĺbková mapa, kde každý bod obrázka namiesto farby kóduje svoju vzdialenosť od kamery. Iný spôsob je zobraziť príslušné body v priestore a umožniť človeku pozorovať ich priemet pri otáčaní, čím získava 3D vnem. Vtedy hovoríme o tzv. mračne bodov. Z geometrického hľadiska sa tieto zobrazenia dajú previesť jedno na druhé. Algoritmy na spracovanie týchto dát môžu pracovať rôznymi spôsobmi: môžu spracúvať dáta po jednotlivých bodoch, môžu preložiť bodmi nejakú matematickú krivku a pracovať s ňou alebo pracovať s objemom, ktorý body v priestore vytyčujú.

Ak nameriame celý objekt, môžeme ho pomerne ľahko vytlačiť na 3D tlačiarni. Pri súčasnej úrovni 3D tlačiarní to však má určité obmedzenia, keďže ich presnosť je zatiaľ ešte stále menšia ako presnosť iných obrábacích metód. Problém môže byť aj cena “náplne”. Veci bežnej potreby sa takisto skladajú z viacerých materiálov, ktoré je problematické tlačiť (napríklad kovové pružiny).

Metódy 3D skenovania

Skenovať povrchy možno viacerými metódami.

  • Možno napodobniť spôsob, ako predstavu o tvare objektov získava človek očami. Vtedy spracúvame obrazy z dvoch kamier (tzv. stereovízia) podobne, ako náš mozog spracúva obrazy z dvoch očí. Na obrazoch treba identifikovať body (v 2D), ktoré zodpovedajú rovnakému bodu v 3D. Ak sa nám to podarí, vzdialenosť bodu v 3D sa dá pomerne ľahko určiť trianguláciou. Problémom je, že ani človeku sa to vždy nepodarí. Ťažkosti sa vyskytnú pri súvislých plochách rovnakej farby, kde sa nemá spracovanie čoho zachytiť a nepodarí sa mu zodpovedajúce si body identifikovať. Touto metódou teda nedokážeme získať povrch ľubovoľného objektu. S úspechom ju však môžeme použiť na vyvolanie príslušného 3D vnemu u človeka, ktorému priamo do očí premietneme nasnímané obrazy – príslušné spracovanie (i s problémami) tak ponecháme na jeho mozog.
  • Iná možnosť je nasvietiť scénu tzv. štruktúrovaným svetlom. Je to uskutočnenie mylného názoru antických Grékov, že oči vidia tým, že vysielajú fluidum, ktoré ohmatáva predmety. Vedľa kamery (len jednej) umiestnime projektor, ktorý na snímaný objekt premieta prúžky rôznej veľkosti, spravidla vo viacerých snímkach za sebou (obrázok 1.). Tieto prúžky následne vidno na obraze, ktorý zachytí kamera, ale na rozdiel od projektora už nemajú pravidelný tvar – sú deformované následkom odrazu od objektu. Z tejto deformácie a znalosti rozloženia kamery a projektora možno potom trianguláciou zrátať vzdialenosť bodu, v ktorom sa štruktúrované svetlo odráža.

Obr. 1 3D skener PhoXi od slovenskej firmy Photoneo;
vpravo je projektor laserového svetla, vľavo kamera

  • Moderná, ale aj veľmi náročná metóda je TOF (Time of Flight). Ide o tzv. svetelný sonar, t. j. funguje na princípe merania času, za ktorý sa svetelný impulz vyslaný laserom odrazí od snímaného objektu a dopadne na detektor. Podobným spôsobom si predstavu o svojom okolí vytvárajú netopiere – tie však nepoužívajú svetlo, ale zvuk, ktorý je podstatne pomalší, a teda čas, za ktorý sa odrazí a vráti, sa meria ľahšie. Náročná na tejto metóde je práve potreba veľmi presného merania veľmi krátkeho času. Taký krátky čas sa nedá priamo zmerať a možno ho len štatisticky odvodiť meraním priebehu svetelnej intenzity v čase.

Pri skenovaní, samozrejme, nevidíme za roh ani dovnútra objektu. Ak chceme získať kompletný povrch z objektu, treba ho preto obísť z viacerých strán a získané dáta spojiť do jediného modelu, čo je ďalšia matematicky i výpočtovo náročná úloha (obrázok 2).

Podobne ako skener na obrázku 1 funguje i známa kamera Kinect, používaná pre herné konzoly, ibaže miesto svetla používa infračervené žiarenie, ktoré nedokážeme vôbec vnímať, a preto hráč na sebe žiadne nasvietené prúžky nevidí (a nie je tým vyrušovaný). Pri použití infračerveného svetla však musíme brať do úvahy, aký materiál snímame. Ukazuje sa, že veci bežnej potreby dobre odrážajú infračervené lúče  (papier, drevo, tkaniny, koža). Väčší problém predstavujú kovy – a to aj pre obyčajné svetlo, ktoré sa od nich zase často odráža až príliš. Vo všeobecnosti sa matné materiály skenujú dobre (samozrejme, nesmú pohlcovať použité žiarenie úplne – čo pri obyčajnom svetle nehrozí), zatiaľ čo lesklé vyžadujú zvláštny prístup.

Obr. 2 Sken z jedného bodu poskytne dáta len o povrchu, ktorý je k nemu otočený, nevidí za roh

Pri skenovaní ľudských tvárí (obrázok 3) vieme dosiahnuť dobré výsledky, pretože koža má difúzny odraz, je to teda materiál vhodný na skenovanie. Sila použitého lasera, ktorým na tvár projektujeme štruktúrované svetlo, sa pritom nastavuje tak, aby bola bezpečná pre používateľa (a nepoškodila mu zrak), takže sa nemá čoho pri skenovaní obávať. Ukážku výsledku skenovania si možno pozrieť na webovej adrese http://www.photoneo.com/potree/face.php.

Využitie

Skenovanie tvárí možno využiť na viaceré účely

  • komprimácia dát pri prenose 3D videokonferencie
  • tvorba sošiek zodpovedajúcich vzoru
  • na bezpečnostné účely (identifikácia osôb)
  • v medicíne (plastické operácie)
  • na účely virtuálnej reality (avatary so skutočnou tvárou hráča)

Obr.3 Sken človeka (z 3D skenera PhoXi) a detail jeho pier po (počítačom vyhotovenom) otočení

Prečo je 3D lepšie?

S rozpoznávaním tváre (v 2D) sa dnes už bežne môžeme stretnúť. Stačí vložiť fotky do sociálnych sietí a systém nám ponúka otagovanie tvárí odfotených osôb. Často pritom aj dostaneme správny tip, o koho ide. Dokonca aj niektoré mobily sa odomykajú na základe rozpoznania tváre svojho majiteľa.

Tieto systémy však ľahko oklame fotografia alebo obraz zavesený na stene. Spomínaný mobil by sa odomkol, keby sme mu ukázali dostatočne kvalitnú fotku majiteľa. Keby sme chceli zabezpečiť týmto spôsobom bankomat, museli by sme sa postarať, aby sa takéto niečo nedalo urobiť nielen s fotkou, ale povedzme ani s kvalitne urobenou sochou.

Ideálne sa tu zdá skenovať tvár počas rozprávania, kontrolovať mimiku, pohyby svalov. Keby nejaké filmové štúdio aj toto zvládlo, nič mu už nebráni ísť rovno do banky a oklamať priamo pracovníka. Napríklad známy Fantomas by to pomocou svojich masiek dokázal, nevedel by však úplne verne napodobniť mimiku. Lenže tú ani bežný pracovník banky nedokáže zaregistrovať tak presne. Pomocou 3D kamery sa aj toto dá kontrolovať, a teda si trúfame povedať, že systém postavený na dynamickom 3D skenovaní by bol bezpečnejší (obrázok 4).

Obr. 4 Fantomas sa 3D skenovaniu nepoteší. Zdroj: http://www.fantomas-lives.com

Spoločenské otázniky

3D skener tvárí zbiera biometrické údaje, čo u nás podlieha zákonu o ochrane osobných údajov. Legislatíva zabezpečuje vyváženosť veľmi intenzívneho spoločenského dopytu po bezpečnosti na jednej strane a zabezpečenia osobnej slobody na druhej strane.

Odneste si tvar vašej tváre!

V rámci akcie Extrapolácie 2016 budú mať záujemcovia z radov verejnosti možnosť vyskúšať si 3D skener a odniesť si na kľúči USB sken svojej tváre. Akcia sa koná v obchodnom centre Bory Mall v Dúbravke 15. - 16. 10. 2016. Zabezpečuje ju kolektív výskumníkov z Katedry aplikovanej informatiky Fakulty matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave a pracovníci známeho startupu Photoneo.

Michal Malý, Photoneo a KAI FMFI UK Bratislava

Zobrazit Galériu

Nechajte si posielať prehľad najdôležitejších správ emailom

Mohlo by Vás zaujímať

Technológie

Koniec dokazovania, že nie sme robot. Google pripravuje systém Neviditeľná reCAPTCHA

07.12.2016 11:38

Pred niekoľkými rokmi Google zjednodušil používateľom webu dokazovanie, že sú ľudia, a nie automatizované roboty, keď nahradil systém CAPTCHA (akronym pre Completely Automated Public Turing test to te ...

Technológie 1

Video: Virtuálna realita ukazuje, čo sa môže stať, ak budete auto šoférovať opití

07.12.2016 00:21

Britská spoločnosť Diaego, ktorej patria značky ako Johnnie Walker, Smirnoff či Guinness použila „taktiku zastrašovania“  a spojila svoje sily so Samsungom pri tvorbe dosť hrôzostrašného videa s virtu ...

Technológie

Telefón nabitý do minúty a batéria poháňaná baktériami? Na alternatívne zdroje energie si ešte počkáme

07.12.2016 00:16

Hoci batériám stále dominujú tie lítiovo-iónové, vedci priebežne hľadajú efektívnejšie alternatívy. Nové prototypy vydržia napríklad 7500 cyklov vybitia a nabitia, majú až osemkrát vyššiu energetickú ...

1 Comments

  1. toto hádam nie!!! reakcia na: Made in Slovakia: Digitálny 3D model tváre pomocou 3D skenu
    24.8.2016 13:08
    chváliť sa cudzím perím https://vimeo.com/37320991 L.
    Reagovať

Vyhľadávanie

Kyocera - prve-zariadenia-formatu-a4-s-vykonom-a3

Najnovšie videá