به طور ساده، پویش سه بعدی یک نمونه از تصویر برداری از اجسام واقعی اطراف ما میباشد که به ما این اجازه را می دهد تا این اجسام را در محیط مجازی به صورت مشابه بازسازی کنیم. روش های مختلف برای تهیه پویش سه بعدی وجود دارد. برخی از این روش ها تنها موقعیت محیطی اجسام را بدون در نظر گرفتن رنگ واقعی جسم تهیه میکنند در صورتی که برخی روش ها حتی رنگ اجسام را نیز در پویش سه بعدی در نظر میگیرند. هنگامی که ما پویش سه بعدی جسمی را در رایانه ی خود داشته باشیم میتوانیم از آن برای تحقیقات علمی، درست کردن اثر های هنری و یا حتی چک کردن کیفیت قطعه های صنعتی استفاده کنیم.

تکنولوژی تهیه و پردازش پویش سه بعدی بسیار پیچیده است و ما در اینجا قصد توضیح خیلی عمیق این موضوع را نداریم. موضوعاتی خیلی پایه ای در مورد چگونگی کارکرد پویش سه بعدی - اینکه پویش سه بعدی چطور در صفحه ی نمایشگر شما نشان داده میشود -  وجود دارند که به شما برای ماجراجویی تان در تهیه ی پویش سه بعدی از محیط اطرافتان کمک میکنند. در اینجا اول ما در مورد این موضوعات پایه ای صحبت میکنیم و بعد از آن در مورد ساده ترین و در دسترس ترین راه تهیه پویش سه بعدی به نام "سنجش از راه دور" یا فوتوگرامتری photogrametry صحبت خواهیم کرد. همچنین روش دانلود کردن و نصب یک نرم افزار بازسازی پویش سه بعدی را به شما آموزش میدهیم.

کاربرد های پویش سه بعدی

"پویش سه بعدی" 3D Scannig یا "برداشت از واقعیت" یک تکنولوژی جدید با هزاران کاربرد جالب و متنوع است. این تکنولوژی به شما این اجازه را میدهد تا مدلی از هر گونه شی واقعی در اطراف خود را به صفحه رایانه ی خود منتقل کنید. هنگامی که شما این پویش از محیط و یا اشیاء اطراف را تهیه کردید، میتوانید آن را به هر صورتی، مثلا تهیه ی بازی کامپیوتری، ساخت مجسمه، پرینت سی بعدی و هزاران کاربرد دیگر در این بین، استفاده کنید.

تصویر فوق اقتباس شده از گالری Remard طراحی شده توسط Chris Anderson است.

در ساخت و طراحی اشیاء، معمولا چرخش های متعددی بین نمونه های اولیه ی ساخت و نمونه ی دیجیتالی شی (که با استفاده از تکنولوژی پویش سه بعدی تهیه شده است) صورت میگرد که باعث میشود بهترین طراحی از محصول نهایی شکل بگیرد و به تبع آن بهترین محصول از لحاظ کیفی و اقتصادی و کاملا مطابق با شرایط محیطی تولید گردد. به عنوان مثال، معماران از پویش سه بعدی سازه ها استفاده میکنند تا طرحی کلی از مشخصات و ابعاد سازه را تهیه کنند و با استفاده از آن ساختمان های مخصوص و دقیق متناسب با محل مورد نظر را طراحی کنند. یا طراحان بازی های رایانه ای پویش سه بعدی را برای ساخت دنیای مجازی منطبق با دنیای واقعی استفاده میکنند. تعداد بسیار زیادی از پژوهشگران، باستان شناسان و موزه داران از تکنولوژی پویش سه بعدی برای محافظت از طبیعت و یا اشیاء باستانی استفاده میکنند. تهیه داده سه بعدی از طبیعت همچون سواحل مرجانی به زیست شناسان این امکان را میدهد که تغییراتی که در گذر زمان در زیست بومها اتفاق می افتد را بدون تخریب طبیعت و یا دستکاری در آن مورد مطالعه قرار دهند.

تصویر فوق مدل سه بعدی یک جمجمه ی مدرن از کنیا در گالری Remak می باشد.

تهیه ی مدل دیجیتال از اشیاء باستانی به محافظت هرچه بیشتر از آنها در مقابل فرسودگی و همچنین در اختیار قرار دادن آنها برای تعداد بیشتری از افراد در سرتاسر جهان کمک میکند. در سالیان اخیر، پروژه های مختلفی از پویش سه بعدی برای بازسازی اماکن و اشیاء باستانی تخریب شده در اثر جنگ و خشونت استفاده شده است. با جمع آوری تعداد زیادی از عکسهای گرفته شده توسط گردشگران از اماکن باستای تخریب شده و با استفاده از روشی به نام سنجش از راه دور (photogrammetry) (یکی از روش تهیه پویش سه بعدی) یک شی باستانی تخریب شده و یا حتی نابود شده میتواند بازسازی شده و زندگی دباره بگیرد که بسیار ارزشمند میباشد. در صورت اطلاعات بیشتر درباره این موضوع میتوانید به این صفحه مراجعه کنید.

یکی دیگر از کاربرد های جذاب و بسیار مشکلگشای تکنولوژی پویش سه بعدی استفاده از آن برای ساخت اعضای مصنوعی بدن مخصوصا برای کودکان می باشد. به دلیل رشد سریع کودکان، اعضای مصنوعی آنها باید در فاصله زمانی های کوتاه تعویض شود. به همین دلیل تهیه ی اعضا به طریق سنتی مقرون به صرفه نیست. گروه هایی مثل Enable با به کارگیری تکنولوژی پویش سه بعدی اعضای مصنوعی متنوع، سرگرم کننده، جذاب و با قیمت پایین برای کودکان تهیه و تولید میکند.

در اوایل ورود به دنیای تکنولوژی سه بعدی شاید شما به این کاربردهای مفید و در عین حال بسیار پیچیده فکر نکنید و بیشتر این تکنولوژی را برای ساخت اشیا سرگرم کننده، جذاب و ساده همچون طراحی و ساخت گوشواره هایی که در شکل زیر میبینید استفاده کنید. همچنین میتوانید برخی از پروژه های بسیار جالب دیگر را در این صفحه مشاهده کنید.

 

روش های گوناگونی تا به حال برای تهیه و پویش سه بعدی اجرا شده است. برخی از این روش ها دارای دقت بالا, برخی مفید برای کاربردی خاص و برخی هم مورد استفاده برای کاربرد های پیچیده صنعتی و علمی می باشند. در زیر به معرفی سه روش شناخته شده می پردازیم:

 

فوتوگرامتری (photogrametry): یکی از قابل دسترس ترین روش های تهیه ی پویش سه بعدی و همچنین روشی است که ما در این بلاگ برای توضیحات بیشتر استفاده میکنیم. در فوتوگرامتری عکس های مختلف از زوایای متفاوت اشیا استفاده میشود تا مدل سه بعدی آنها تهیه شود. به دلیل اینکه در این روش داده ما عکس میباشند, این روش قادر است که رنگ و سطح اشیا را مانند واقعیت در مدل بگنجاند. به همین دلیل فوتوگرامتری برای کاربردهایی نظیر تهیه بازی رایانه ای, واقعیت مجازی و معماری ساختمان بسیار  مفید و پرطرفدار است. فوتوگرامتری همچنین برای تهیه ی پرینت سه بعدی و کاربردهای جسمانی دیگر کاربرد دارد.

ساختار نور (structure light): در این روش الگوهایی از نور توسط یک پروژکتور به جسم تابانده میشود و در حین آن از جسم عکسبرداری میگردد. انعکاس این الگوهای نوری و الگور منحرف شدن نورها توسط برنامه رایانه ای مورد استفاده قرار میگیرد تا مدل سه بعدی جسم در رایانه بازسازی شود. روش ساختار نور میتواند بسیار دقیق باشد ولی یادگیری آن و تبهر در انجام آن نیز وقت گیر است. همچنین این روشی پرهزینه هم از لحاظ نرم افزاری و هم سخت افزاری میباشد.
برای اطلاعات بیشتر در مورد روش ساختار نور به این صفحات مراجعه کنید:  لینک۱ لینک۲

لیزر: در این روش با استفاده از تاباندن پرتو لیزر به سطح اجسام و محاسبه ی فاصله ی دوربین تا جسم (عمق جسم) مدل سه بعدی تهیه میگردد. این یکی از روش های متداول تهیه پویش سه بعدی است. تهیه ی مدل های سه بعدی با روش لیز میتواند بسیار دقیق باشد ولی همانند روش ساختار نور نسخه های حرفه ای پویشگرهای لیزری پرهزینه هستند. 

 

فوتوگرامتری چگونه کار میکند؟

تمام چیزی که در روش فوتوگرامتری نیاز است یک دوربین و برنامه ی مخصوص پردازش عکس های دو بعدی و تبدیل آنها به مدل سه بعدی میباشد. در کل تهیه ی مدل سه بعدی بسیار دقیق با این روش کمی سخت است ولی با تمرین زیاد و یادگیری ترفندهای خاص آن شما میتوانید مدل های با کیفیتی را بدون استفاده از پویشگرهای گران قیمت در بازار تهیه کنید.

برای ساخت مدل فتوگرامتری از اجسام، شما نیاز دارید که عکس های تعددی از زوایای مختلف جسم داشته باشید. نرم افزار فوترگرامتری ویژگی هایی را در جسم تشخیص می دهد که می تواند نقاط مشترک همپوشانی عکس ها را پیدا کند و با استفاده از آن مکان قرارگیری دوربین در هر عکس را محاسبه کند. با محاسبه ی همه ی نقاط مشترک به طور همزمان، نرم افزار یک نمای سه بعدی را که از نقاط مختلف روی سطح ساخته شده است، ایجاد می کند. این نوع مدل یک ابر نقطه ای (point cloud) نامیده می شود.

ابرهای نقطه ای مدل های سه بعدی واقعی نیستند، بلکه به تنها مجموعه ای از نقاط در یک سیستم مختصات سه بعدی هستند. آنها می توانند برای برخی از برنامه های کاربردی مانند معماری و اسکن سایت استفاده شوند که نیازی به ویرایش ندارند. اما برای بسیاری از کاربردهای دیگر، ابرهای نقطه باید به نوع دیگری از مدل تبدیل شوند تا مفید باشند. بیشتر نرم افزار فتوگرامتری این کار را به طور خودکار انجام می دهد، که شامل متصل کردن نقاط و پرکردن فضاهای بین آنها و ایجاد یک سطح جامد به نام مش (mesh) میباشد.

مدل های مش در انواع مختلف بر اساس نحوه اتصال نقاط و تولید سطح طبقه بندی میشوند. مشها میتوانند از مثلث یا چندظلعی ضلعی ساخته شوند و هر نوعی از مش برای هدفی بهتر است. نرافزار ReCap Photo به طور خودکار مش های مثلثی ایجاد می کند که می تواند در محیط نرم افزار و همچنین برنامه هایی مانند Meshmixer ویرایش و تزیین شوند. برای مدل سازی پیشرفته تر اغلب نیاز است که فایل های 3D را به مدل دیگری از مش مثلا یک مش چهارگوش تبدیل کنیم. ما در مورد این نوع تبدیل های در آینده صحبت خواهیم کرد.