Λειτουργικότητα λογισμικού συστημάτων τρισδιάστατης αποτύπωσης

Κάθε εμπορικό σύστημα ψηφιοποίησης συνοδεύεται από λογισμικό, το οποίο, εκτός από τη διαχείριση του σαρωτή επιτρέπει στο χρήστη και την αποτελεσματική επεξεργασία και εξαγωγή των δεδομένων. Το λογισμικό που ακολουθεί τους σαρωτές βασίζεται συνήθως στη γνωστή αρχιτεκτονική ολοκλήρωσης ανεξάρτητων μονάδων (modules). Κάθε μονάδα αναλαμβάνει να βοηθήσει το χρήστη στην αποπεράτωση μια συγκεκριμένης διαδικασίας. Η λειτουργικότητα και οι δυνατότητες του λογισμικού επηρεάζουν την ποιότητα του τελικού τρισδιάστατου μοντέλου και του συνολικού χρόνου που απαιτείται για την επεξεργασία των δεδομένων.

Όπως περιγράφηκε αναλυτικά σε προηγούμενο κεφαλαίο, μια τυπική διαδικασία τρισδιάστατης αποτύπωσης αποτελείται από διαφορετικά βήματα που ακολουθούνται με μια συγκεκριμένη σειρά ανάλογα με την μεθοδολογία και το αντικείμενο. Έχοντας σαν κριτήριο αυτά τα βήματα μπορούμε να προσδιορίσουμε τις εξής μονάδες λογισμικού:

• Λογισμικό για τον έλεγχο του συστήματος σάρωσηςΛογισμικό για την επεξεργασία και βελτιστοποίηση του νέφους σημείων
• Λογισμικό για τοποθέτηση προτύπων γεωμετρικών σχημάτων μέσα στο νέφος σημείων για σύγκριση της ορθότητας των αποτελεσμάτων
• Λογισμικό για την δημιουργία πολυγωνικού πλέγματος
• Λογισμικό για την επεξεργασία και χαρτογράφηση της πληροφορίας υφής στην επιφάνεια του μοντέλου (Texture Mapping) με δυνατότητες εξομοίωσης σύνθετων επιφανειακών χαρακτηριστικών (π.χ. γυαλάδα, τραχύτητα)
• Λογισμικό για τη διαχείριση των τελικών δεδομένων και οργάνωσης όλης της εργασίας
  

Σε κάποιες περιπτώσεις, ενώ οι επιδόσεις ενός σαρωτή είναι εντυπωσιακές,το λογισμικό που τον συνοδεύει είναι απογοητευτικό. Καμία εταιρεία δεν προσφέρει ακόμη πραγματικά επαρκές λογισμικό για το σύστημα της [6]. Το γεγονός αυτό οφείλεται κυρίως στο ότι κάποιες από τις μονάδες λογισμικού απαιτούν μεγάλη προγραμματιστική γνώση και εμπειρία. Οι ομάδες μηχανικών λογισμικού των εταιρειών που αναπτύσσουν τον τεχνικό εξοπλισμό δεν μπορούν να προσφέρουν τόσο πολύπλοκο λογισμικό, συνήθως για λόγους κόστους. Από την άλλη πλευρά γνωστά εμπορικά πακέτα CAD και τρισδιάστατης μοντελοποίησης δεν είναι φτιαγμένα για να μπορούν να χειριστούν τον όγκο πληροφορίας που αποδίδουν οι σαρωτές. Έτσι, ανεξάρτητες εταιρείες λογισμικού αποφάσισαν να επενδύσουν στην ανάπτυξη εφαρμογών για την επεξεργασία δεδομένων που προέρχονται αποκλειστικά από τρισδιάστατους σαρωτές. Καθώς, μάλιστα, το ενδιαφέρον για την τρισδιάστατη αποτύπωση συνεχώς αυξάνεται δίνεται στις εταιρείες ένα ακαθόριστο χρονικό περιθώριο να συνεχίσουν να αναπτύσσουν τις εφαρμογές τους παράλληλα με την εξέλιξη των σαρωτών πραγματοποιώντας έμμεσα μια μακροπρόθεσμη επένδυση. Σήμερα, οι ανάγκες ενός χρήστη που επιθυμεί γρήγορη και αξιόπιστη επεξεργασία τρισδιάστατων δεδομένων δεν καλύπτονται από ένα και μοναδικό πακέτο λογισμικού. Αυτό επιβάλλει τη χρήση διαφορετικών εφαρμογών. Σε κάποιες περιπτώσεις αναγκάζεται ο χρήστης να φτάσει σε σημείο συγγραφής των δικών του εργαλείων για να καλύψει κάποιες πολύ συγκεκριμένες ανάγκες. Βλέποντας την πορεία προόδο που διαγράφει η αγορά τρισδιάστατων σαρωτών τα τελευταία χρόνια μπορεί κάποιος να ελπίζει πως στο κοντινό μέλλον θα εδραιωθεί σαν τεχνολογία που θα υποστηρίζεται από υψηλής ποιότητας λογισμικό.

Παρακάτω γίνονται αναφορές σε κάποια χαρακτηριστικά πουσυναντούμε στο λογισμικό των συστημάτων τρισδιάστατης αποτύπωσης και παίζουν σημαντικό ρόλο στη λειτουργικότητα του συστήματος κατά τη διάρκεια της αποτύπωσης. Μερικές αναφορές σχετίζονται αποκλειστικά με λογισμικό που συναντούμε σε σαρωτές ακτίνων λέιζερ κοντινών αποστάσεων, ενώ άλλες είναι εφαρμόσιμες και σε συστήματα που βασίζονται σε παθητικές μεθόδους (Σχήμα από Χ, φωτογραμμετρία, κοκ).

Λογισμικό ελέγχου του συστήματος σάρωσης κατά τη διάρκεια της αποτύπωσης

Η πολυπλοκότητα χρήσης ενός σαρωτή αντικατοπτρίζεται και στο λογισμικό που τον συνοδεύει. Μερικές από τις βασικότερες ευκολίες που παρέχει το λογισμικό για τον έλεγχο του σαρωτή κατά τη διάρκεια της αποτύπωσης αναλύονται στις παραγράφους που ακολουθούν.

Παράθυρο προβολής στόχου

Μια διαδικασία σάρωσης μπορεί να οργανωθεί πολύ καλύτερα αν το λογισμικό μπορεί να εμφανίσει ακόμα και σε πραγματικό χρόνο το τμήμα του αντικειμένου που ψηφιοποιείται. Ο χρήστης μπορεί να ρυθμίσει τις παραμέτρους του σαρωτή που επηρεάζουν την διαδικασία αποτύπωσης. Οι ρυθμίσεις αυτές μπορεί να είναι η ακρίβεια αποτύπωσης, η ένταση της ακτίνας λέιζερ, ή ακόμα και η ένταση φωτεινότητας του μοτίβου σε περιπτώσεις παθητικών συστημάτων. Οι βέλτιστες ρυθμίσεις πραγματοποιούνται έχοντας σα γνώμονα την πληροφορία που παρέχει το λογισμικό του σαρωτή. Στην Εικόνα 65 εικονίζεται στιγμιότυπο από το λογισμικό ενός σαρωτή ακτίνων λέιζερ. Ο χρήστης μπορεί να ρυθμίσει την ένταση της ακτίνας λέιζερ ενώ ταυτόχρονα βλέπει τι ακριβώς αποτυπώνει το σύστημα και σε ποιο σημείο πάνω στο αντικείμενο βρίσκεται.

Εικόνα 65. Λογισμικό Polygonia της εταιρίας Kreon - ρύθμιση της δέσμης φωτός

Κάποια συστήματα επιτρέπουν τη ρύθμιση των οπτικών τους αισθητήρων με αποτέλεσμα την άμεση βελτίωση ποιότητας των δεδομένων. Σε χειροκίνητα συστήματα που βασίζονται σε κάποιο βραχίονα συναντούμε και τη δυνατότητα προβολής του νέφους σημείων καθώς αυτό δημιουργείται σε πραγματικό χρόνο. Ο χρήστης μπορεί να περιστρέψει το νέφος και γενικά να το φέρει σε εκείνη την οπτική γωνιά που τον εξυπηρετεί καλύτερα. Το σημείο του αντικειμένου πάνω στο οποίο ανακλάται η δέσμη φωτός εμφανίζεται με διαφορετικό χρώμα μέσα στο νέφος σημείων. Αυτό αποτελεί απαραίτητη πληροφορία για το χρήστη που πρέπει να γνωρίζει σε κάθε χρονική στιγμή ποιο σημείο της επιφάνειας αποτυπώνεται, ώστε να αποφασίζει αν θα επιμείνει στο σημείο ή θα προχωρήσει σε κάποιο άλλο.

Μέθοδοι οπτικής αναπαράστασης και διαχείρισης νέφους σημείων

Ο όγκος πληροφορίας αυξάνεται ανάλογα με τις διαστάσεις του αντικειμένου που αποτυπώνεται. Το λογισμικό, για να μπορέσει να ανταποκριθεί στις ανάγκες του χρήστη και να εξυπηρετεί άμεσα τις εντολές του, χρησιμοποιεί σύνθετους αλγόριθμους που μειώνουν τον όγκο πληροφορίας με έξυπνο τρόπο, ώστε να επιτρέπουν στην κάρτα τρισδιάστατων γραφικών να παρουσιάζει τα δεδομένα με υψηλό ρυθμό ανανέωσης (frame rate). Η μείωση του όγκου δεδομένων γίνεται με την αναγνώριση των σημείων που ανήκουν στο οπτικό πεδίο του χρήση. Το λογισμικό αναλαμβάνει μόνο του να υπολογίσει το βέλτιστο συμβιβασμό ανάμεσα στην πυκνότητα του νέφους σημείων και στην ταχύτητα απόκρισης στις εντολές. Ο χρήστης μπορεί να περιστρέψει το νέφος, να πλησιάσει ή να απομακρυνθεί από αυτό σε έναν εικονικό τρισδιάστατο χώρο. Του επιτρέπεται, επίσης, να επιλέγει τμήματα από το νέφος ή ακόμα και μεμονωμένα σημεία.

Λογισμικό επεξεργασίας δεδομένων

Οι διαδικασίες που συναντούμε κατά την επεξεργασία των δεδομένων έχουν υψηλές απαιτήσεις, τόσο σε επίπεδο αλγορίθμων, όσο και σε επίπεδο ενός λειτουργικού γραφικού περιβάλλοντος που θα επιτρέπει στο χρήστη να πραγματοποιεί τις εργασίες του εύκολα. Μερικές από τις βασικότερες ευκολίες που παρέχει το λογισμικό για την επεξεργασία των δεδομένων περιγράφονται στις επόμενες παραγράφους.

Διαδικασία καταχώρησης τμηματικών σαρώσεων

Η διαδικασία καταχώρησης είναι μια χειροκίνητη διαδικασία που πραγματοποιείται από το χρήστη μέσα σε ένα τρισδιάστατο διαδραστικό περιβάλλον. Σημαντικό λοιπόν για το χρήστη είναι να μπορεί να χρησιμοποιεί και να διακρίνει τους ειδικούς στόχους που ορίζουν τα κοινά σημεία ανάμεσα στις τμηματικές σαρώσεις. Η καλύτερη λύση που μπορεί να προσφέρει ένα λογισμικό για τη διαδικασία καταχώρησης είναι ο ταυτόχρονος έλεγχος των επικαλυπτόμενων τμημάτων αλλά και των σημείων αναφοράς που δίνει ο χρήστης. Στην Εικόνα66 φαίνεται το γραφικό περιβάλλον της εφαρμογής Scanalyze του Εργαστηρίου Γραφικών του Πανεπιστημίου Stanford. Το συγκεκριμένο λογισμικό διατίθεται δωρεάν υπό την μορφή πηγαίου κώδικα μέσα από το Διαδίκτυο. Οι διαφορετικοί χρωματισμοί που παρατηρούνται στο μοντέλο αναπαριστούν τις τμηματικές σαρώσεις. Ενώ το γράφημα κάτω δεξιά αποτελεί μια δισδιάστατη προβολή της επιφάνειας των επικαλυπτόμενων σαρώσεων που επιτρέπει στο χρήστη την καλύτερη επίβλεψη της ευθυγράμμισης.

Εικόνα 66. Γραφικό περιβάλλον εφαρμογής ευθυγράμμισης τμηματικών σαρώσεων

Φιλτράρισμα νέφους σημείων

Ένα καλής ποιότητας λογισμικό θα πρέπει να μπορεί να πραγματοποιήσει τον ομαλό καταμερισμό σημείων μέσα στο νέφος. Σε προχωρημένα λογισμικά συναντούμε την ύπαρξη κατωφλίων και άλλων ρυθμίσεων που αφορούν στα φίλτρα π.χ. στην επιλογή διατήρησης του συνολικού όγκου που καταλαμβάνει το νέφος. Οι επιπρόσθετες αυτές ρυθμίσεις δίνουν στο χρήση ένα μεγαλύτερο εύρος επιλογών βελτιώνοντας τα αποτελέσματα της διαδικασίας φιλτραρίσματος. Τα αποτελέσματα των φίλτρων μπορεί να γίνουν ορισμένες φορές ιδιαίτερα έντονα. Το λογισμικό ενημερώνει το χρήστη πριν την εφαρμογή του φίλτρου για τα πιθανά του αποτελέσματα. Αυτό προκύπτει είτε με μηνύματα είτε με κάποια ενδεικτικά ποσοστά απώλειας ακρίβειας.

Πολυγωνικά πλέγματα και οπτική αναπαράσταση

Οι προχωρημένοι αλγόριθμοι δημιουργίας πολυγωνικών (τριγωνικών) πλεγμάτων επιτρέπουν τη μοντελοποίηση δομών που φέρουν εσωτερικά τους κενά (hollows) αλλά και ανοιχτές δομές, όπως για παράδειγμα το εσωτερικό ενός βάζου. Το λογισμικό που διατίθεται μαζί με τα συστήματα αποτύπωσης ποικίλει σε επίπεδο ποιότητας και δυνατοτήτων. Η δημιουργία ενός αποδεκτού μοντέλου μπορεί να επιτευχθεί με ένα καλοσχεδιασμένο λογισμικό στο ένα δέκατο του χρόνου που θα απαιτούσε κάποιο άλλο. Το γραφικό περιβάλλον που συναντούμε στα περισσότερα λογισμικά αποτελείται από ένα κεντρικό παράθυρο όπου προβάλλεται το μοντέλο ενώ όλα τα διαθέσιμα εργαλεία βρίσκόνται γύρω από αυτό (Εικόνα 67, Εικόνα 68).

Εικόνα 67. Φιλικό γραφικό περιβάλλον – Digital Minerva – ISTI-CNR

Εικόνα 68. RapidForm2002: αυτόματη αναγνώριση και ομαλοποίηση ασυνεχειών

Στα πιο πρόσφατα λογισμικά συναντούμε και τη δυνατότητα μοντελοποίησης με NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines). Αυτή η μέθοδος μειώνει τον όγκο πληροφορίας που απαιτείται για την αποθήκευση του μοντέλου. Η ανωτερότητα τους εμφανίζεται κυρίως σε αντικείμενα με ομαλές επιφάνειες καθώς αφαιρεί τον πιθανό θόρυβο πάνω από το πλέγμα.

Πληροφορία υφής, χαρτογράφηση εικόνων και ρεαλιστική απόδοση

Οι διαδικασίες διαχείρισης της πληροφορίας υφής είναι ποικίλες και πολλές φορές αδύνατο να συμπεριληφθούν όλες σε μία και μόνο εφαρμογή αφού οερευνητικός χώρος της φωτογραμμετρίας και της εφαρμοσμένης επεξεργασίαςεικόνας είναι μεγάλος. Μερικές από τις βασικές ιδέες που έχουν αναπτυχθείαλγοριθμικά και αποτελούν μονάδες λογισμικού είναι ο συνδυασμός πληροφο-ρίας υφής από διαφορετικές φωτογραφικές πηγές, η προβολή εικόνων πάνω στηγεωμετρία και το ομαλό συνονθύλευμα τους. Για την χρωματική ομοιομορφία το λογισμικό προσφέρει δισδιάστατα φίλτρα εικόνων που πραγματοποιούν ομαλοποίηση των χρωματικών διαφορών που εμφανίζουν οι φωτογραφίες. Ένα παράδειγμα αποτελέσματος ομαλοποίησης χρωματικών διαφορών φαίνεται στην Εικόνα 69.

Εικόνα 69. Εργαλείο ομαλοποίησης χρωματικών διαφορών – Viewpoint 3D Photo Studio

Το λογισμικό εξομοιώνει τα ανακλαστικά χαρακτηριστικά της επιφάνειας του αρχικού αντικειμένου και επιτρέπει την απόδοση των επιφανειών με εντονότερα χαρακτηριστικά. Έτσι, με ψηφιακό τρόπο, γίνονται οι αποδόσεις των φωτοσκιάσεων που δημιουργούν οι τραχιές επιφάνειες αλλά και οι ανακλάσεις που δημιουργούν οι λείες και γυαλιστερές επιφάνειες. Ένα παράδειγμα διαφόρων τεχνιτών αποδόσεων φωτοσκίασης φαίνεται στην Εικόνα 70.

Εικόνα 70. Τεχνητές αποδόσεις φωτοσκίασης και χαρακτηριστικών επιφάνειας

Διαχείριση Δεδομένων και καταγραφή διεργασιών

Οι διαδικασίες που απαιτούνται για να καταλήξουμε από ένα νέφος σημείων στο τελικό τρισδιάστατο μοντέλο είναι πολλές και πολύπλοκες. Είναι χρήσιμο για το λογισμικό να κρατά αυτά τα βήματα με κάποιας μορφής ιστορικό έτσι ώστε να επιτρέπει στο χρήστη να γυρίσει σε προηγούμενες καταστάσεις εύκολα και γρήγορα. Σε διαδικασίες που περιλαμβάνουν μετασχηματισμούς θα πρέπει να αποθηκεύονται δεδομένα όπως οι πιθανές σταθερές γεωμετρικές αποκλίσεις. Το γραφικό περιβάλλον του λογισμικού προβάλει τις διαφορές ανάμεσα στο αρχικό νέφος σημείων και στο επεξεργασμένο μοντέλο. Το πλήθος των διαφορετικών τύπων αρχείων τρισδιάστατης γεωμετρίας που υποστηρίζει το λογισμικό επιτρέπει στο χρήστη να μεταφέρει άμεσα τα δεδομένα του σε άλλες εμπορικές εφαρμογές. Υπάρχουν πολλά πρότυπα αρχείων, τα οποία ακολουθούνται πιστά από εμπορικά πακέτα τρισδιάστατων σαρωτών. Η μετατροπή σε κάποιο από τα πρότυπα γίνεται ενημερώνοντας το χρήση για τις πιθανές απώλειες ακρίβειας ή αλλαγές που θα υποστούν τα δεδομένα.