3DMADMAC AUTO


Projekt badawczy rozwojowy finansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego realizowany przez grupę OGX będącą częścią Instytutu Mikromechaniki i Fotoniki (Wydział Mechatroniki Politechniki Warszawskiej).

Politechnika Warszawska OGX Instytut Mikromechaniki i Fotoniki Projekt jest realizowany przy współpracy: Akademia Sztuk Pięknych w Warszawie , Muzeum Pałac w Wilanowie, Państwowe Muzeum Archeologiczne w Warszawie. Akademia Sztuk Pięknych w Warszawie Muzeum Pałac w Wilanowie Państwowe Muzeum Archeologiczne w Warszawie.

Celem projektu jest opracowanie systemu i metodyki do digitalizacji trójwymiarowej (3D) obiektów reprezentujących polskie, europejskie i światowe dziedzictwo kulturowe. System będzie wykorzystywał optyczne bezkontaktowe metody polowe z cyfrową projekcją rastra (tzw. oświetleniem strukturalnym). Wynikiem pomiaru są chmury punktów (x,y,z,R,G,B) reprezentujące powierzchnię mierzonego obiektu. Digitalizacja 3D całego obiektu z wielu kierunków będzie realizowana automatycznie dzięki zastosowaniu zrobotyzowanego stanowiska umożliwiającego dowolne pozycjonowanie systemu pomiarowego względem obiektu. Dodatkowo opracowane i zaimplementowane zostaną algorytmy do przetwarzania danych pomiarowych i tworzenia wirtualnej reprezentacji obiektu do: tworzenia dokumentacji muzealnej (tzw. kopii wieczystej - maksymalnie dokładne odwzorowanie geometrii i barwy obiektu), wizualizacji (w zależności od zastosowania z dobieraną dokładnością odwzorowania i jednocześnie rozmiarem pliku danych opisujących obiekt) oraz reprezentacji pozwalającej na wykonywanie rzeczywistej kopii obiektu w technologii druku 3D. System wyposażony zostanie w bazę danych umożliwiającą składowanie zdigitalizowanych i przetworzonych obiektów wirtualnych. Dodatkowo zostanie opracowany i zaimplementowany odtwarzacz zgodny z technologią przeglądarek WWW mający możliwość łączenia się z bazą danych zdalnie i po autoryzacji przeglądania zawartości tej bazy w postaci opisu obiektów oraz wizualizacji trójwymiarowej geometrii.

Oczekiwane parametry prototypu projektowanego systemu:

  • objętość pomiarowa: 2.5x1x1m3, niepewność pomiaru: 0.05mm,
  • szybkość digitalizacji: 400 000 punktów pomiarowych na sekundę,
  • maksymalny ciężar obiektu: 3 tony,
  • mobilność systemu: tak – do objętości 3x2x2m3 (możliwość transportu samochodem typu bus),
  • wynik pomiaru: chmura punktów (x,y,z,R,G,B),
  • wynik analizy: chmura punktów lub siatka trójkątów z teksturą.

Przy założonych parametrach systemu i zastosowaniu detektora CCD o rozmiarze matrycy 8 milionów pikseli liczba punktów w chmurze (odwzorowujących powierzchnię obiektu mierzonego) dla typowych obiektów będzie się wahała w granicach od 40 do 200 milionów. Dotychczasowy czas pomiaru i analizy tego typu obiektów w istniejących rozwiązaniach na świecie sięga okresu kliku miesięcy dla jednego obiektu dla grupy kilku osób, natomiast system proponowany w tym projekcie to samo zadanie będzie realizował w czasie kliku lub kilkunastu godzin i będzie wymagał wprowadzenia zaledwie kilku parametrów od jednego operatora.

W wyniku realizacji projektu opracowane zostaną jako wynik końcowy:

  • zmodyfikowana metoda pomiaru kształtu i barwy obiektu (dostosowana do wymagań muzealnych),
  • system pomiaru kształtu bazujący na cyfrowej projekcji rastra (prążków sinusoidalnych i kodów Gray’a),
  • zrobotyzowany system pozycjonowania układu pomiarowego wokół obiektu mierzonego, metoda i algorytmy automatycznego wyznaczania kierunków pomiarowych wymagane do pomiaru całej powierzchni obiektu (ang. „next best view”),
  • metoda i algorytmy do analizy i przetwarzania danych pomiarowych (uwzględniające liczność chmur rzędu kilkuset milionów punktów) oraz eksportu do siatki trójkątów z teksturą,
  • opracowanie i implementacja bazy danych obiektów wirtualnych, opracowanie metod kodowania i kompresji bezstratnej chmur punktów w celu zmniejszenia objętości plików je przechowujących (dla 200 milionowej chmury plik z danymi pomiarowymi wynosi ok. 4GB),
  • opracowanie zdalnej przeglądarki obiektów wirtualnych (wizualizacja trójwymiarowa dla chmur punktów oraz siatek trójkątów),
  • testowe digitalizacje kilkunastu reprezentatywnych obiektów wybranych wspólnie z Akademią Sztuk Pięknych w Warszawie, Muzeum Pałac w Wilanowie oraz Państwowym Muzeum Archeologicznym w Warszawie.

Opracowany system będzie mógł być szeroko wykorzystywany do tworzenia wiernych kopi geometrii i barwy obiektów trójwymiarowych w polskich, europejskich i światowych muzeach oraz jednostkach edukacyjno-artystycznych (np. Akademie Sztuk Pięknych).

Dotychczasowe prace miały na celu opracowanie koncepcji systemu i wybór podzespołów do jego budowy. W ścisłej współpracy z partnerami projektu określona została wymagana rozdzielczość systemu. Odbyło się to drogą budowy trzech systemów pomiarowych ze zmniejszającymi się wymiarami objętości roboczej oraz badaniami obiektów ze zbiorów muzealnych. Najmniejsza objętość pomiarowa jaką udało się przygotować miała wymiary (100mm x 70mm x 50mm):

Oto wyniki uzyskane podczas pomiarów:

 

Model cyfrowy:

  • duży system,
  • 20 pomiarów,
  • 18 milionów punktów
  • 800 tysięcy trójkątów

 

Model cyfrowy:

  • średni system,
  • 12 pomiarów,
  • 24 miliony punktów,
  • 600 tysięcy trójkątów.

 

Model cyfrowy:

  • średni system,
  • 4 pomiary,
  • 8 milionów punktów,
  • 350 tysięcy trójkątów.

 

Model cyfrowy:

  • mały system,
  • 12 pomiarów,
  • 31 milionów punktów,
  • 600 tysięcy trójkątów.

Inne fragmenty kominka

 

Widoczne ślady narzędzia

 

Widoczne wysolenia

 

Powyższe wyniki świadczą o wysokiej rozdzielczości pomiarów dzięki której możliwy jest pomiar nawet niewielkich zmian kształtu. Pomimo to w dalszym etapie chcielibyśmy przeprowadzić próbę pomiarów z jeszcze wyższą rozdzielczością tak, aby dodatkowo odwzorować także fakturę powierzchni.

Docelowy system będzie się składać z robota przemysłowego mogącego przenosić głowicę pomiarową o ciężarze 5kg. Słupa z prowadnicą, która będzie przemieszczać ramię robota wzdłuż osi pionowej oraz stołu obrotowego.

Dokonaliśmy już zakupu robota i prowadzimy prace związane ze sterowaniem uwzględniającym detekcję kolizji, algorytmami automatycznej obróbki danych pomiarowych oraz stworzenia bazy danych pozwalającej przechowywać wyniki pomiarów.

 

(C) 2006 Artur Filipczak / OGX|OPTOGRAPHX IMIF PW