3D-skannaus

Haluatko ikuistaa jonkin kokoelman esineen 3D-malliksi? Tai kenties tulostaa kopion yleisön ja etenkin uteliaiden lasten hipelöitäväksi? Tämä onnistuu nykyään melko pienelläkin budjetilla ja vaivalla. 3D-skannereita on tarjolla harrastelijakäyttöön soveltuvalla hintatasolla, eikä laadustakaan tarvitse paljoa tinkiä.

Skannaustekniikoita on useita, joihin kannattaa perehtyä ennen laitteen hankkimista. Tähtäimessä olevat kappaleet, niiden muodot, koko, tarkkuus vaikuttavat vaatimuksiin. Samoin toive lopputuloksesta; kaivataanko mittatarkka geometrinen malli, vai pääasiassa visuaalinen, valokuvalaatuinen, aidonnäköinen 3D-malli?

Tekniikat

Valokuvamaisen mallin voi tuottaa fotogrammetrialla, joka tarkoittaa valokuvien yhdistelyä. Mikäli rajallinen tarkkuus riittää, voidaan jopa pärjätä älypuhelimella johon on ladattu jokin lukuisista fotogrammetria-äpeistä. Tämä menetelmä ei toisaalta sovellu tarkkojen geometristen mallien tuottamiseen, ainakaan improvisoidulla välineistöllä.

Tarkkuutta vaativaan skannaukseen soveltuu paremmin laser-tekniikkaan perustuva skanneri, joilla voi päästä jopa 0,01 mm resoluutioon. NIR- tai ”structured light” -tekniikalla resoluutio voi olla luokkaa 0,1 mm. Jotkut skannerit yhdistävät tähän näkyvän valon kameran jolloin skannataan myös esineen väri. Näitä ominaisuuksia on saatavilla myös ns ”handheld” skannereissa, eli käteen mahtuvissa ja helposti kuljetettavissa skannereissa. Handheld-skanneri mahdollistaa isojenkin kappaleiden skannauksen (muutamasta sentistä jopa muutamaan metriin, laitteesta riippuen) mutta tällöin käyttäjän taidolla on iso merkitys lopputuloksen kannalta. Tästä lisää alempana. Kiinteällä pyörityspöydällä varustettu skanneri helpottaa operaatiota merkittävästi, mutta rajoittaa toisaalta kappalekokoa.

Käytännössä

Skannauksessa käytetään usein taustaan ja/tai esineeseen kiinnitettyjä ”markkereita”, eli pieniä heijastintarroja. Näitä käytetään kiintopisteinä, jonka avulla skanneri tietää sijaintinsa suhteessa taustaan tai esineeseen. Lisäksi markkerien avulla on helppo skannata esine joka puolelta; monista esineistä on mahdollista skannata vain yksi puoli kerrallaan. Tällöin täytyy skannaus lopettaa, kääntää esine ympäri, ja skannata toinen puoli erikseen. Skannatut puoliskot täytyy liimata toisiinsa kuin kahtia haljennut maljakko. Varsinkin jos lopputuloksesta halutaan tarkka, tämä on melko vaikeaa puhtaasti osaa pyörittelemällä ja asettelemalla; tässä markkerien antamat kiintopisteet ovat erittäin hyödyllisiä. Monet skannerien ohjelmistot osaavatkin automaattisesti ”liimata” skannaukset näiden kiintopisteiden perusteella.

Museoesineet asettavat skannaukselle tiettyjä rajoitteita; herkkiin esineisiin markkereita ei välttämättä uskalleta liimata. Samoin skannausta helpottavien pinnoitteiden (”scan spray”) käyttö voi olla poissuljettua joidenkin herkkien esineiden kohdalla. Sprayta käytetään heijastavien tai läpinäkyvien esineiden pinnoitukseen, sillä nämä pinnat ovat hyvin haastavia lähes kaikille skannaustekniikoille. Tetynlaiset geometriat muodostavat myös skannaukselle ongelmia. Hankkeessa kokeilluista kappaleista tällaisia olivat mm kappaleet jotka sisältävät syviä aukkoja tai reikiä, kuten kuvan 1 kivinuija.

Kuva 1. Kivinuija

Nuija on muodoltaan hyvin yksinkertainen, mutta siihen porattu läpireikä on haastava skannata. Fotogrammetriamallissa reikä erottuu, mutta syvistä, kapeista koloista on vaikea muodostaa laadukasta pistepilveä.

Skannauksen jälkeen tapahtuva käsittely on lähes yhtä suuressa roolissa kuin itse skannaus. Monien skannerien mukana tulee ohjelmisto, joka osaa käsitellä skannerin tuottamaa pistepilveä (”point cloud”, suuri määrä pisteitä, joista skannattu geometria koostuu) moninaisilla työkaluilla; paikata aukkoja, poistaa taustaesineitä tai artefakteja, ja siloittaa skannauspinnan ryppyjä. Nämä ohjelmat osaavat tyypillisesti myös luoda pistepilvestä verkon (”mesh”), eli esim. STL tai OBJ tiedoston, joka voidaan viedä muihin ohjelmistoihin. Verkkoa joutuu joko skannerin omassa softassa tai muussa ohjelmassa (meshlab, meshmixer tms) hieman käsittelemään, vähintäänkin tekemään verkon yksinkertaistusta; usien skannaus tuottaa turhan tarkan pistepilven, jolloin kappaleen tiedostokoko paisuu hyvin suureksi ja käsittelystä tulee hankalaa. Esimerkiksi nyrkin kokoiseen kappaleeseen tulee helposti miljoonia pisteitä, vaikka geometria tulee aivan yhtä tarkasti esille esim. 10 kertaa pienemmällä määrällä pisteitä.

Kokemuksia

Sata3D-hankkeen puitteissa kokeiltiin esineiden skannausta useammallakin laitteella, sisältäen noin 1000 € Creality Raptor CR-scan:in, noin 10 000€ Einscan HX:n, sekä useiden kymmenien tuhansien eurojen ZEISS T-Scan-laitteen. Creality ja Einscan ovat handheld- skannereita, jotka tukevat sekä laser- että ”structured light” (NIR ja LED vastaavasti) -tekniikkaa ja värikuvausta. Laserin käyttö vaatii markkereita, NIR/LED-moodissa periaatteessa laite osaa seurata sijaintiaan ilmankin. Toisaalta laser-moodi on paljon tarkempi ja nopeampi. CR-scan väittää maksimiresoluutioksi lasermoodissa 0.02 mm ja Einscan 0.04 mm. Vastaava luku T-Scanille on 0.04 mm. T-Scan on myös laserpohjainen laite, mutta huomattavasti kookkaampi (vaatii oman huoneen) ja soveltuu isojenkin kappaleiden skannaukseen, sillä ZEISSin järjestelmään kuuluu erillinen skanneria optisesti seuraava puomi, jonka ansiosta markkereita tai muita jippoja skannerin sijainnin seurantaan ei tarvita.

Varsinaisten esineskannausten lisäksi hankkeen edullisin skanneri (CR-scan) annettiin kokeiluun ummikolle, jolla ei ollut kokemusta tai opastusta laitteen käytöstä. Oppimiskäyrä ei ollut kovin merkittävä; suurin hankaluus liittyy skannauksen suunnitteluun ja suorittamiseen käsivaraisesti. Kappaleen suunnitelmallisella asettelulla voidaan välttää useamman skannauksen liimailu, ja ”sokeat pisteet”. Samoin markkereiden asettelu ja riittävän määrän varmistaminen on tärkeää. Pieniä piirteitä sisältävien kappaleiden kanssa tämä voi olla haastavaa, kun pienetkin 3mm markkerit eivät meinaa mahtua tai jäävät näkyviin skannauksen pintaan. Pienehköjen kappaleiden kanssa fiksua on käyttää pyörityspöytää ja/tai pystytaustaa jossa on markkereita. Mikäli markkereita on vain pöytäpinnassa, skannaus matalasta kulmasta ei meinaa onnistua kun laite hukkaa pöytään liimatut markkerit. Parin päivän harjoittelulla päästiin pisteeseen, jossa noin 30cm kappale saatiin skannattua kahdelta puolelta ja liimattua/jälkikäsiteltyä tyydyttävään kuntoon noin tunnissa.

3D-skannaus on nykyään harrastelijatason laitteiden myötä helposti lähestyttävissä, ja jo alle tuhannen euron laitteella pääsee varsin hyviin tuloksiin. Fotogrammetriaa voi kokeilla kännykällä, ja jotkin kännykät sisältävät jo LIDAR-sensorin jota voi myös käyttää skannauksessa. Oppimiskäyrä ei ole merkittävä, ja harjaantumisen myötä skannaus onnistuu melko nopeasti omalla työpöydällä.