Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών Τμήμα Μηχανολογίας Τομέας: Σχεδίαση με Ηλεκτρονικό υπολογιστή

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών Τμήμα Μηχανολογίας Τομέας: Σχεδίαση με Ηλεκτρονικό υπολογιστή Τίτλος Πτυχιακής Εργασίας: Μετρητικός Βραχίονας R-SCANR OMEROMEGA 2025: λειτουργία - δυνατότητες - αξιολόγηση - μελέτες περίπτωσης - σύνδεση με σύστημα CAD Ονοματεπώνυμο Φοιτητή: Μάνος Ιωάννης ΑΕΜ: 4392 Επιβλέπων Καθηγητής: Σαράφης Ηλίας Καβάλα 2013 Μάνος Ιωάννης Σελίδα 0 από 232

Μάνος Ιωάννης Σελίδα 1 από 232

Πίνακας περιεχομένων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 1 1.1 ΓΕΝΙΚΑ... 1 1.2 ΣΤΟΧΟΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ... 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΤΡΙΣΔΙΑΣΤΑΤΗΣ ΣΑΡΩΣΗΣ... 3 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 3 2.2 ΣΑΡΩΣΗ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΩΝ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΚΛΑΣΣΙΚΗΣ ΜΕΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΜΕ ΤΟΥΣ ΤΡΙΣΔΙΑΣΤΑΤΟΥΣ ΣΑΡΩΤΕΣ.... 6 2.3 ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΜΕΘΟΔΩΝ... 7 2.3.1ΕΠΑΦΗΣ... 9 2.3.2 ΜΗ ΕΠΑΦΗΣ... 18 2.4 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΩΝ... 41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΡΗΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΩΝ ΤΥΠΟΥ ΦΟΡΗΤΟΥ ΑΡΘΡΩΤΟΥ ΒΡΑΧΙΟΝΑ.... 44 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 44 3.2 ΤΡΟΠΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ... 47 3.3 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ ΣΑΡΩΣΗΣ ΤΩΝ CMM ΜΕ ΑΡΘΡΩΤΟ ΒΡΑΧΙΟΝΑ.... 48 3.3 ΥΛΙΚΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ... 48 3.4 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ... 50 3.5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 50 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΛΕΙΖΕΡ ΤΡΙΓΩΝΙΣΜΟΥ.... 52 4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 52 4.2 ΓΕΝΙΚΗ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΟΛΩΝ ΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΛΕΙΖΕΡ... 52 4.3 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΑΡΧΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΛΕΙΖΕΡ ΤΡΙΓΩΝΟΠΟΙΗΣΗΣ ΚΑΙ ΖΗΤΗΜΑΤΑ ΠΟΥ ΠΡΟΚΥΠΤΟΥΝ... 55 4.4 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ... 72 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5. ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ (ΛΟΓΙΣΜΙΚΑ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΣ ΑΝΑΔΟΜΗΣΗΣ ΤΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ)... 73 5.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 73 5.2 ΟΡΙΣΜΟΣ ΤΙΣ ΤΡΙΣΔΙΑΣΤΑΤΗΣ ΣΑΡΩΣΗΣ... 73 5.3 Η ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ ΣΤΗΝ ΤΡΙΣΔΙΑΣΤΑΤΗ ΣΑΡΩΣΗ... 75 5.4 ΓΕΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ Η ΣΥΜΒΟΛΗ ΤΟΥΣ ΣΤΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΨΗΦΙΟΠΟΙΗΣΗΣ... 76 5.6 ΟΙ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΤΡΙΣΔΙΑΣΤΑΤΗΣ ΑΠΟΤΥΠΩΣΗΣ... 78 5.7 ΛΟΓΙΣΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΤΡΙΣΔΙΑΣΤΑΤΗΣ ΑΠΟΤΥΠΩΣΗΣ... 88 5.8 ΑΝΑΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΤΡΙΣΔΙΑΣΤΑΤΩΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΩΝ... 97 5.9 ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΤΡΙΣΔΙΑΣΤΑΤΩΝ ΜΟΝΤΕΛΩΝ.... 99 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6. R-SCAN... 110 6.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 110 6.2 ΤΑ ΜΕΡΗ ΠΟΥ ΤΟ ΑΠΟΤΕΛΟΥΝ.... 110 6.3 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΗΚΑ... 111 6.4 ΟΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΣΥΣΚΕΥΗΣ.... 114 6.5 ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ... 114 6.6 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ... 114 Μάνος Ιωάννης Σελίδα 2 από 232

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΜΕ ΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ 3DRESHAPER Η ΕΦΑΡΜΟΓΗ PC-DMIS.... 115 7.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 115 7.2 Η ΟΘΟΝΗ ΤΟΥ RESHAPER... 116 7.3 ΕΠΙΛΟΓΗ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΩΝ... 116 7.4 ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΖΟΥΜ ΤΗΣ ΕΙΚΟΝΑΣ... 117 7.5. ΕΙΣΑΓΟΝΤΑΣ ΣΗΜΕΙΑ... 118 7.6. Η ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΝΑΙΡΕΣΗΣ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΩΝΤΑΣ ΤΟΝ ΚΑΔΟ ΑΝΑΚΥΚΛΩΣΗΣ... 121 7.7 ΜΟΝΑΔΕΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ... 122 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8. ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΣΗΜΕΙΑΚΟΥ ΝΕΦΟΥΣ... 131 8.1.ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΗΜΕΙΑΚΟΥ ΝΕΦΟΥΣ... 131 8.2 ΚΑΘΑΡΙΣΜΟΣ ΣΗΜΕΙΑΚΟΥ ΝΕΦΟΥΣ... 131 8.3 ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗ, ΑΛΛΑΓΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΩΝ ΚΑΙ ΚΑΤΑΧΩΡΗΣΗ... 135 8.3.1.1 ΚΑΤΑΧΩΡΗΣΗ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΩΝΤΑΣ ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ... 135 8.3.1.2 ΚΑΤΑΧΩΡΙΣΗ ΜΕ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΓΕΩΜΕΤΡΙΑ.... 142 8.3.1.3 ΚΑΤΑΧΩΡΙΣΗ ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΩΝ ΤΟΥ ΕΝΟΣ ΝΕΦΟΥΣ ΣΗΜΕΙΩΝ ΣΕ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΩΝ... 145 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9. ΠΛΕΓΜΑΤΟΠΟΙΗΣΗ... 149 9.1 ΚΥΡΙΑ ΒΗΜΑΤΑ ΤΗΣ 3D ΠΛΕΓΜΑΤΟΠΟΙΗΣΗΣ... 149 9.1 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ: Η ΝΙΚΗ ΣΑΜΟΘΡΑΚΗΣ.... 149 9.2 ΤΟ 3D ΠΛΕΓΜΑ... 153 9.2.1 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ: ΣΥΜΠΛΕΞΗ ΟΛΩΝ ΤΑ ΣΗΜΕΙΑ... 155 9.2.2 Η ΕΠΙΛΟΓΗ ΤΩΝ "ΚΑΛΩΝ" ΣΗΜΕΙΩΝ ΓΙΑ ΝΑ ΜΕΤΑΤΡΑΠΟΥΝΕ ΣΕ ΠΛΕΓΜΑ, ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΑ ΚΑΙ ΠΟΙΟΤΙΚΑ ΚΡΙΤΗΡΙΑ.... 157 9.2.3 Η ΜΕΙΩΣΗ ΤΟΥ ΘΟΡΥΒΟΥ, ΟΜΑΛΟ ΠΛΕΓΜΑ: ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ... 158 9.2.4 ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΟΠΩΝ... 160 9.2.4.1 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ... 162 9.2.4.2 Η ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΤΩΝ ΟΠΩΝ ΚΑΙ Η ΑΠΟΚΛΙΣΗ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ.... 163 9.2.5 ΟΡΙΣΜΕΝΟΙ ΚΑΝΟΝΕΣ ΓΙΑ ΝΑ ΘΥΜΑΣΤΕ... 164 9.2.6 ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΠΛΕΓΜΑΤΟΣ... 164 9.3 ΡΑΦΙΝΑΡΙΣΜΑ ΑΠΟΚΛΙΣΗΣ ΣΦΑΛΜΑΤΟΣ... 165 9.3.1 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΜΕΙΩΣΗΣ ΤΟΥ ΘΟΡΥΒΟΥ, ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ.... 167 9.3.1 ΕΞΟΜΑΛΥΝΣΗ ΤΩΝ ΠΕΡΙΓΡΑΜΜΑΤΩΝ, ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ.... 169 9.3.3 ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ ΝΕΩΝ ΣΗΜΕΙΩΝ ΜΕ ΣΦΑΛΜΑ ΑΠΟΚΛΙΣΗΣ... 171 9.3.4 ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ ΝΕΩΝ ΣΗΜΕΙΩΝ ΜΕ ΤΑ ΣΗΜΕΙΑ ΟΜΟΙΟΜΟΡΦΑ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΑ.. 173 9.4 Η ΕΞΟΜΑΛΥΝΣΗ... 174 9.4.1 ΑΝΑΔΙΟΡΓΑΝΩΣΗ, ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ... 175 9.4.2 ΕΚ ΝΕΟΥ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΣΗΜΕΙΟΥ, ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ... 177 9.4.3 ΕΞΟΜΑΛΥΝΣΗ ΜΕ ΤΟΝ ΕΛΕΓΧΟ ΑΠΟΚΛΙΣΗΣ... 178 9.4.4 ΕΞΟΜΑΛΥΝΣΗ ΜΕ ΕΛΕΓΧΟ ΣΧΗΜΑΤΟΣ ΤΡΙΓΩΝΟΥ... 179 9.5 ΒΕΛΤΙΩΜΕΝΗ ΣΥΜΠΛΕΞΗ, ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ... 179 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 10. ΑΝΑΚΑΤΑΣΚΕΥΗ CAD ΜΕ NURBS ΚΑΙ BSPLINE ΕΠΙΦΑΝΕΙΕΣ... 183 10.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ, CAD ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗ ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ... 183 10.2. ΚΑΝΟΝΕΣ ΓΙΑ ΝΑ ΚΑΝΕΤΕ ΕΝΑ ΚΑΛΟ ΠΟΛΥΓΡΑΜΜΙΚΟ ΔΙΚΤΥΟ... 185 Μάνος Ιωάννης Σελίδα 3 από 232

10.2.1 ΚΑΝΤΕ ΑΣΥΝΕΧΕΙΕΣ ΟΜΑΛΩΝ ΠΟΛΥΓΡΑΜΜΩΝ ΚΑΤΑ ΜΗΚΟΣ ΤΗΣ ΚΑΜΠΥΛΗΣ.. 185 10.2.2 ΠΡΑΓΜΑΤΟΠΟΙΗΣΗ ΠΟΛΥΓΡΑΜΜΩΝ ΠΟΥ ΔΙΑΣΤΑΥΡΩΝΟΝΤΑΙ ΜΕΤΑΞΥ ΤΟΥΣ... 187 10.2.3 ΚΑΝΤΕ ΟΡΘΟΓΩΝΙΑ ΠΕΡΙΓΡΑΜΜΑΤΑ ΑΠΟ 4 ΣΥΝΟΡΑ... 187 10.3. ΕΝΤΟΛΕΣ RESHAPER ΓΙΑ ΝΑ ΔΗΜΙΟΥΡΓΗΘΕΙ ΕΝΑ ΔΙΚΤΥΟ ΠΟΛΛΥΓΡΑΜΜΩΝ... 188 10.3.2 ΕΠΙΠΕΔΗ / ΑΚΤΙΝΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ... 190 10.3.3 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΓΡΑΜΜΕΣ ΚΑΙ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΓΡΑΜΜΩΝ ΤΟΥ ΠΕΡΙΓΡΑΜΜΑΤΟΣ... 192 10.3.4 ΠΡΟΒΟΛΗ ΤΗΣ BSPLINE... 193 10.3.5 ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΓΡΑΜΜΩΝ ΤΕΝΤΩΜΑ ΓΡΑΜΜΩΝ... 195 10.4. ΕΝΤΟΛΗ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑΣ ΕΠΙΘΑΜΑΤΩΝ... 197 10.4.1 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΟΜΗΣ... 198 10.4.2 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΚΑΜΠΥΛΩΝ NURBS... 200 10.4.3 ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ BSPLINE ΕΠΙΦΑΝΕΙΩΝ... 203 10.5. ΠΡΑΓΜΑΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΠΙΚΩΝ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΕΩΝ ΓΙΑ ΤΗ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΟΥ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΟΣ.... 206 10.5.1 ΣΥΝΔΥΑΖΟΝΤΑΣ ΠΟΛΥΓΡΑΜΜΑ ΚΑΙ ΑΚΜΕΣ... 206 5.2 ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΤΗΣ ΣΥΝΕΧΕΙΑΣ ΜΕΤΑΞΥ ΤΩΝ ΕΠΙΘΕΜΑΤΩΝ... 208 10.6. ΕΞΑΓΩΓΗ ΤΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟ ΣΑΣ... 209 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 11 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 210 11.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 210 11.2 ΓΕΝΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ (ΟΦΕΛΗ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ)... 210 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 12. ΓΛΩΣΣΑΡΙΟ... 211 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 13. Β Ι Β Λ Ι Ο Γ Ρ Α Φ Ι Α... 226 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 14. ΕΙΚΟΝΕΣ... 227 Μάνος Ιωάννης Σελίδα 4 από 232

Μετρητικός Βραχίονας R-SCANROMEROMEGA 2025: λειτουργία - δυνατότητες - αξιολόγηση - μελέτες περίπτωσης - σύνδεση με σύστημα CAD Μάνος Ιωάννης Σελίδα 5 από 232

Κεφάλαιο 1. Εισαγωγή 1.1 Γενικά Τη σημερινή εποχή οι ακρίβειες που απαιτούνται για την παραγωγή των διαφόρων εξαρτημάτων είναι μεγάλες και συνεχώς αυξάνονται. Αυτό οφείλεται κατά κύριο λόγο στην αύξηση της πολυπλοκότητας των εφαρμογών όπως και στην ανάγκη συντονισμού των κατασκευαστών που συνεργάζονται για τη δημιουργία των τελικών προϊόντων. Τα γνωστά έως σήμερα όργανα μέτρησης, όπως παχύμετρα, μικρόμετρα, ελεγκτήρες κλπ. υστερούν αισθητά σε ταχύτητα και ακρίβεια για την κάλυψη των ελέγχων. Κυρίως όμως τα κλασικά όργανα μέτρησης αδυνατούν να καλύψουν μετρήσεις σύνθετων διαστάσεων (π.χ. την απόσταση δυο οπών) όπως και των γεωμετρικών ανοχών, προδιαγραφές που είναι απαραίτητες για τις συναρμογές και τη λειτουργία των εξαρτημάτων. Βάσει αυτών των δεδομένων έγινε ακόμα πιο επιτακτική η ανάγκη για γρήγορους και αξιόπιστους ελέγχους της παραγωγικής διαδικασίας. Το κενό αυτό έχουν καλύψει μέχρι στιγμής κατά μεγάλο βαθμό πιο σύνθετα συστήματα μέτρησης τα οποία λειτουργούν με διαφορετικές τεχνολογίες. 1.2 Στόχος Πτυχιακής Εργασίας Στόχος αυτής της πτυχιακής είναι να φέρει τον αναγνώστη σε επαφή με τις τεχνολογίες της τρισδιάστατης σάρωσης και ειδικότερα με την τεχνολογία που χρησιμοποιεί ο αρθρωτός βραχίονας του εργαστηρίου R- SCAN. Επειδή ο βραχίονας χρησιμοποιεί δύο βασικές τεχνολογίες της τρισδιάστατης σάρωσης, λέιζερ και cmm, θα αναφερθούν και οι δύο τεχνολογίες ξεχωριστά ώστε να γίνει κατανοητός ο τρόπος λειτουργίας του R-SCAN. Ακόμα θα δοθούν πληροφορίες για το πώς διαχειριζόμαστε τα δεδομένα ώστε να γίνουν χρηστικά σε διάφορους τομείς και εργασίες. Τέλος σκοπός της εργασίας είναι να δήξει ότι οι παραπάνω τεχνολογίες αν και ακούγονται περίπλοκες μειώνουν τον χρόνο που απαιτούν οι μετρήσεις Μάνος Ιωάννης Σελίδα 1 από 232

και αυξάνουν κατά πολύ την ακρίβεια και βασικότερο δεν απαιτούν ιδιαιτέρες γνώσεις για την χρήση τους. Μάνος Ιωάννης Σελίδα 2 από 232

Κεφάλαιο 2. Τεχνολογίες Τρισδιάστατης Σάρωσης 2.1 Εισαγωγή Ένας 3D σαρωτής είναι μια συσκευή που αναλύει ρεαλιστικά αντικείμενα ή χώρους για τη συλλογή δεδομένων σχετικά με το σχήμα του και, ενδεχομένως, την εμφάνισή του (π.χ. χρώμα). Τα δεδομένα μπορούν στη συνέχεια να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή ψηφιακών, τρισδιάστατων μοντέλων. Πολλές διαφορετικές τεχνολογίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή αυτών των 3D συσκευών σάρωσης. Κάθε τεχνολογία έρχεται με τα δικά της όρια, τα πλεονεκτήματα και κόστη. Πολλοί περιορισμοί στο είδος των αντικειμένων που μπορεί να ψηφιοποιηθεί εξακολουθούν να υπάρχουν, για παράδειγμα, οπτικές τεχνολογίες συναντούν πολλές δυσκολίες με λαμπερά, κατοπτρισμού ή διαφανή αντικείμενα. Τα 3D δεδομένα είναι χρήσιμα για μία ευρεία ποικιλία εφαρμογών. Αυτές οι συσκευές χρησιμοποιούνται ευρέως από τη βιομηχανία του θεάματος στην παραγωγή των ταινιών και video games. Άλλες κοινές εφαρμογές αυτής της τεχνολογίας περιλαμβάνουν βιομηχανικό σχεδιασμό,ιατρική και προσθετική (κομμένων μελών πχ από πόλεμο), αντίστροφη μηχανική (π.χ. για την ανάλυση ενός προϊόντος αφού έχει κατασκευαστεί ) και προτυποποίηση, τον έλεγχο της ποιότητας και τεκμηρίωσης των πολιτιστικών αντικειμένων. Μάνος Ιωάννης Σελίδα 3 από 232

Παραδείγματα 3D μοντέλων Εικόνα 2.1 Εικόνα 2.2 Εικόνα 2.3 Εικόνα 2.4 Εικόνα 2.5 Εικόνα 2.6 Εικόνα 2.7 Εικόνα 2.8 Εικόνα 2.1. Ψηφιακό μοντέλο ανάγλυφου νομού Μεσσηνίας, Εικόνα 2.2. Ανακατασκευή ατυχήματος, Εικόνα 2.3. Σάρωση της Τζιοκόντας. Εικόνα 2.4. Σάρωση εκμαγείου οδοντοστοιχίας, Εικόνα 2.5. Έλεγχος πλαισίου αυτοκινήτου, Εικόνα 2.6. Σάρωση μακέτας για χρήση σε κινηματογραφική ταινία, Εικόνα 2.7. Ψηφιακό μοντέλο παιχνιδιού, Εικόνα 2.8. Ψηφιακό μοντέλο αρχαίου αρχαιολογικού ευρήματος Μάνος Ιωάννης Σελίδα 4 από 232

Ακόμα υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον από τον χώρο της αρχαιολογίας αλλά ακόμα και του τουρισμού, από την τεκμηρίωση αντικειμένων πολιτιστικής κληρονομίας. Από την τρισδιάστατη καταγραφή ενός αντικειμένου μπορούν, για παράδειγμα, να αντληθούν πληροφορίες για την κατασκευή του όσο και για τις επιπτώσεις του χρόνου σε αυτό. Μέσω μάλιστα της πληροφορίας αυτής μπορεί, ακόμα, να βοηθηθεί το έργο της συντήρησης με το να βρεθούν, για παράδειγμα, αυτόματα οι σωστές θέσεις σαρωμένων θραυσμάτων. Και βέβαια η πλήρης 3D τεκμηρίωση τέτοιων αντικειμένων επιτρέπει και την ανάπτυξη τουριστικών εφαρμογών, όπως η αναπαραγωγή αντικειμένων και η δυνατότητα δημιουργίας εικονικών Διαδικτυακών μουσείων. Αλλά και ο χώρος της ιατρικής είναι από τους πρώτους που είχε χρειαστεί 3D δεδομένα. Η μελέτη και αντιμετώπιση ορθοπεδικών προβλημάτων όπως σκολίωσης και κύφωσης, για παράδειγμα, ή και ερωτημάτων που ανακύπτουν στην ορθοδοντική, διευκολύνονται αποφασιστικά από την ύπαρξη λεπτομερών 3D μοντέλων. Ακόμα, η 3D πληροφορία οχημάτων μετά από ατύχημα επιτρέπει να εντοπίζονται περιοχές αδυναμίας του αμαξώματος για την βελτίωση της ασφάλειας. Παράλληλα, η 3D πληροφορία για βιομηχανικά προϊόντα στο τέλος μίας γραμμής παραγωγής επιτρέπει να βρεθούν οι αποχές από τον αρχικό σχεδιασμό, και έτσι να αξιολογηθεί αυτό ως αποδεκτό ή όχι, ενώ με περιοδικούς ελέγχους μπορεί να μετρηθεί και η αναπόφευκτη παραμόρφωση που υφίστανται οι χρησιμοποιούμενες μήτρες. Ωστόσο ο χώρος που ζητεί σήμερα περισσότερο από κάθε άλλον 3D πληροφορία είναι ίσως εκείνος του κινηματογράφου, των παιγνιδιών και γενικότερα της 3D εικονικής κίνησης (3D animation). Είναι, για παράδειγμα, συχνά πιο εύκολο να δημιουργηθεί μια αναλογική μακέτα του αντικειμένου που θα εισαχθεί στην ταινία ή το ηλεκτρονικό παιχνίδι παρά να δημιουργηθεί το αντικείμενο απευθείας στον υπολογιστή. Η μακέτα σαρώνεται ώστε η ζητούμε-νη πληροφορία να υποστεί πλέον επεξεργασία σε περιβάλλον γραφικών. Ταυτόχρονα, αυξάνει ο αριθμός των παιγνιδιών όπου απαιτείται η δημιουργία 3D μοντέλων σε πραγματικό χρόνο. Μάνος Ιωάννης Σελίδα 5 από 232

Πρόκειται για έναν οικονομικά και εμπορικά πολύ δυναμικό χώρο, ο οποίος μάλιστα έχει ωθήσει στην ανάπτυξη νέων φθηνών μεθόδων αποτύπωσης. Οι πολύ συνοπτικές αυτές αναφορές για την ζήτηση για 3D πληροφορία σε εφαρμογές μικρών αποστάσεων υποδηλώνουν και την ανάγκη για την ανάπτυξη ολοένα και απλούστερων, οικονομικότερων, ακριβέστερων μεθόδων τρισδιάστατης σάρωσης. 2.2 Σάρωση Αντικειμένων Σύγκριση κλασσικής μετρολογίας με τους τρισδιάστατους σαρωτές. Μέχρι να κατασκευαστούν οι πρώτες μηχανές σάρωσης οι μηχανικοί χρησιμοποιούσαν απλά εργαλεία όπως κανόνες, διαβήτες και μικρόμετρα, τα οποία τείνουν να αντικατασταθούν από της μηχανές σάρωσης. Οι λόγοι είναι πολλοί ιδικά όταν θέτετε ζήτημα μοντελοποίησης όλου του αντικειμένου και όχι συγκεκριμένη μέτρηση μιας διάστασης. Μερικοί από τους λόγους είναι: γρήγορη φθορά του εργαλείου μέτρησης, μεταβολές στα εργαλεία λόγω αλλαγών του περιβάλλοντος (π.χ. αλλαγή της θερμοκρασίας, τα μετρητικά εργαλεία είναι συνήθως κατασκευασμένα από μέταλλα τα οποία είναι μεταβάλλουν το μέγεθος τους, συστολή-διαστολή) φθορά του αντικειμένου λόγω συχνής άμεσης επαφής με τον αντικείμενο δυσκολία στην μέτρηση πολύπλοκων αντικειμένων χρόνος μέτρησης για να γίνει αλλαγή στα στοιχεία του μοντέλου πρέπει να γίνει χειροκίνητη εισαγωγή δεδομένων σε πρόγραμμα cad, το οποίο είναι δύσκολο αν το αντικείμενο είναι περίπλοκο περιορισμός στο μέγεθος των αντικειμένων προς μέτρηση η μοντελοποίηση γινόταν σε έντυπη μορφή και δεν έδινε δυνατότητες όπως η επιλογή διαφόρων όψεων του μοντέλου και διόρθωση λαθών. Αν και μπορεί γίνει η ψηφιακή μετατροπή σε αντικείμενα όπως το παρακάτω θα χρειάζονταν μήνες για ακριβή μοντελοποίηση (μέτρηση διαστάσεων) Μάνος Ιωάννης Σελίδα 6 από 232

με τα εργαλεία χειρός καθώς και μεγάλος χρόνος για να γίνει ψηφιοποίηση του σε πρόγραμμα όπως το AutoCAD. Παίζει μεγάλο ρόλο ο ανθρώπινος παράγοντας Τέλος τα σύγχρονα εργαλεία σάρωσης έχουν πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια μετρήσεων.. 2.3 Κατηγορίες Μεθόδων Όλα τα εμπορικά, αλλά και ερευνητικά, συστήματα που συλλέγουν τρισδιάστατες συντεταγμένες από μια δεδομένη περιοχή της επιφάνειας ενός αντικειμένου με έναν συστηματικό ή αυτοματοποιημένο τρόπο θεωρούνται τρισδιάστατοι σαρωτές. Η ψηφιοποίηση αντικειμένων με τρισδιάστατους σαρωτές είναι μια διαδικασία που πραγματοποιείται σήμερα με ένα πλήθος διαφορετικών μεθόδων. Διαφορετικές τεχνολογικές λύσεις έχουν αναπτυχθεί για την αντιμετώπιση αντικειμένων με ιδιαίτερα χαρακτηριστικά, όπως επιφάνειες με υψηλή ανακλαστικότητα, χρωματική ποικιλία, γεωμετρική πολυπλοκότητα κ.α. Η ακρίβεια των αποτελεσμάτων της κάθε τεχνικής είναι το βασικότερο κριτήριο για τις εταιρίες ανάπτυξης εμπορικών τρισδιάστατων ψηφιακών σαρωτών. Ένα μεγάλο τμήμα του συνόλου των εμπορικών σαρωτών βασίζονται στην τριγωνοποίηση με ακτίνες λέιζερ και αυτό γιατί επιτυγχάνει γεωμετρικά αποτελέσματα υψηλότερης ακρίβειας, που φτάνουν και σε επίπεδα πολύ μικρότερα του 1 mm. Εκτός από την ακρίβεια υπάρχουν και άλλα κριτήρια για την επιλογή της καταλληλότερης μεθοδολογίας. Δύο από αυτά είναι η ταχύτητα σάρωσης και το κόστος. Το Σχήμα που ακολουθεί συνοψίζει όλες τις μεθοδολογίες σάρωσης που έχουν χρησιμοποιηθεί μέχρι σήμερα, διαχωρίζοντας τις σε κατηγορίες ανάλογα με το είδος τους και τον τρόπο εφαρμογής τους. Θα δοθεί αναλυτική επεξήγηση για την κάθε μεθοδολογία στη συνέχεια. Κάλο θα ήταν να τονιστεί ότι κάποιες από τις μεθόδους μπορεί να μην θεωρηθούν ως μέθοδοι σάρωσης αλλά κρίθηκε σωστό να γραφτούνε για να υπάρχει μια συνολική άποψη της μετρολογίας και των σαρώσεων για να μπορεί ο αναγνώστης να συγκρίνει τις σαρώσεις και να βγάλει τα δικά του συμπεράσματα. Μάνος Ιωάννης Σελίδα 7 από 232

Εικόνα 2.9. Μέθοδοι σάρωσης Μάνος Ιωάννης Σελίδα 8 από 232

Υπάρχουν πολλοί τύποι 3D σαρωτών, με τον κάθε τύπο να έχει τις δικές του ιδιαιτερότητες και προτεινόμενες χρίσεις. Οι τύποι των συσκευών χωρίζονται σε 2 γενικές κατηγορίες, τα επαφής και μη-επαφής. Οι διάφοροι τύποι των συσκευών αναφέρονται παρακάτω. 2.3.1Επαφής Τα επαφής είναι, συνήθως, μηχανήματα με κάποιον κατάλληλα εξοπλισμένο βραχίονα ο οποίος συνεργάζεται με μία σειρά από αισθητήρες. Ο βραχίονας άρχεται σε επαφή με ένα σημείο της επιφάνειας ενός αντικειμένου και οι αισθητήρες καταγράφουν την θέση των αξόνων στους οποίους στηρίζεται ο βραχίονας. Μετά από διαδοχικές επαφές του βραχίονα με το αντικείμενο, θα υπολογιστεί αντιστρόφως από τα σημεία που καταγράφθηκαν το κάθε σημείο της επιφάνειας του αντικειμένου και η σχετική τους απόσταση και γωνία, με αποτέλεσμα το τρισδιάστατο μοντέλο του. Η μέθοδος αυτή έχει αρκετά μεγάλη ακρίβεια και χρησιμοποιείται πολύ σε βιομηχανικές εφαρμογές. Ένα μεγάλο μειονέκτημα της όμως, είναι ότι πρέπει οπωσδήποτε να υπάρχει επαφή με το αντικείμενο, πράγμα που μπορεί να προκαλέσει φθορά, ειδικά όταν αναφερόμαστε σε αρχαιολογικά ευρήματα. Επίσης, πρόκειται για μία πολύ αργή μέθοδος, συγκριτικά με τις υπόλοιπες, λόγω της πολύ αργής κίνησης του βραχίονα. Ένα παράδειγμα μίας συσκευής CMM (Coordinate Measuring Machine) φαίνεται παρακάτω. Ο βραχίονας του εν λόγο μηχανήματος, μπορεί να κινηθεί σε 3 άξονες, οι θύσεις των οποίων καταγράφονται για τους τελικούς υπολογισμούς. στο κάτω μέρος του βραχίονα φαίνεται ο αισθητήρας επαφής. Οι κατασκευάστριες εταιρίες των συσκευών αυτών, λόγω του μειονεκτήματος της επαφής, έχουν πλέον αρχίσει να αντικαθιστούν τους αισθητήρες επαφής με laser, λευκού φωτός και άλλων τύπων οπτικών αισθητήρων. Μάνος Ιωάννης Σελίδα 9 από 232

Εικόνα 2.10. Μηχανή CMM Αξίζει να σημειωθεί ότι και τα κλασικά μετρητικά εργαλεία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να γίνει τρισδιάστατη σάρωση εφόσον τα δεδομένα περαστούν σε ένα πρόγραμμα CAD, για αυτό και αναφέρονται παρακάτω. 2.3.1.1Χάρακας Ο χάρακας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για πολύ απλά γεωμετρικά σχήματα, π.χ. για κύβους, για τα όποια δεν χρειαζόμαστε μεγάλη ακρίβεια. Εικόνα 2.11. Χάρακας 2.3.1.2 Μικροσκοπία ατομικής δύναμης ή μικροσκόπια σάρωσης ακίδας (SPM). Τα μικροσκόπια σάρωσης ακίδας αποτελούν μια οικογένεια οργάνων που χρησιμοποιούνται για την μελέτη της επιφάνειας των υλικών από την κλίμακα των δεκάδων μικρομέτρων ως μερικά Å. Τα θεμελιώδη συστατικά Μάνος Ιωάννης Σελίδα 10 από 232

γύρω από τα οποία δομούνται αυτά τα όργανα είναι μία ακίδα (probe tip) και ένας σαρωτής-πιεζοκρύσταλλος (scanner), σχήμα 1. H ακίδα είναι το εργαλείο με το οποίο εξερευνάται η επιφάνεια του υλικού, ενώ ο πιεζοκρύσταλλος (στη περίπτωση του δικού μας μικροσκοπίου) ελέγχει και καθορίζει την ακριβή θέση της ακίδας σε σχέση με την επιφάνεια, μετακινώντας το δείγμα κάθετα και παράλληλα προς αυτήν. H διαδικασία κατά την οποία λαμβάνεται η τοπογραφία επιφάνειας από ένα SPM είναι, σύμφωνα με το σχήμα 1, η ακόλουθη: 1. Αρχικά ο πιεζοκρύσταλλος μετακινεί το δείγμα κάθετα προς την ακίδα ώστε επιφάνεια δείγματος και ακίδας να έρθουν πολύ κοντά μεταξύ τους σε απόσταση ατομικής κλίμακας. 2. Ο πιεζοκρύσταλλος μετακινεί το δείγμα παράλληλα κάτω από την ακίδα και ανάλογα με τις ανωμαλίες που υπάρχουν στην επιφάνεια, ποικίλες αλληλεπιδράσεις συμβαίνουν σε ατομική κλίμακα, οι οποίες αποτελούν την αρχή λειτουργίας για τα μικροσκοπία σάρωσης ακίδος. 3. Η ακίδα αντιλαμβάνεται, μέσω οπτικών ή ηλεκτρονικών διατάξεων, τις εν λόγω αλληλεπιδράσεις με τρόπο ώστε αυτές να συσχετίζονται είτε με την απόσταση είτε με την δύναμη μεταξύ δείγματος-ακίδας. 4. H ουσία της όλης διαδικασίας (και επιδίωξη του SPM) είναι καθ όλη την διάρκεια της σάρωσης να διατηρείται η αλληλεπίδραση δείγματος-ακίδας σταθερή σε μια τιμή που έχει προκαθοριστεί (setpoint). 5. Ένα κύκλωμα ανάδρασης επιτρέπει στον πιεζοκρύσταλλο να αντιλαμβάνεται τις μεταβολές είτε στην δύναμη είτε στην απόσταση και να μετακινείται ανάλογα κατά την z διεύθυνση ώστε οι μεταβολές αυτές να σταθεροποιούνται. 6. Η τιμή z καταγράφεται για κάθε θέση (x,y) της ακίδας πάνω στην επιφάνεια. Στην συνέχεια κάθε σημείο (x,y,z) αποκωδικοποιείται και μετατρέπεται σε εικόνα. Μάνος Ιωάννης Σελίδα 11 από 232

Εικόνα 2.12. SPM Ανάλογα με τα οπτικά ή ηλεκτρονικά μέσα που χρησιμοποιούνται και ανάλογα με την αλληλεπίδραση ακίδας δείγματος, η μικροσκοπία σάρωσης ακίδας διακρίνεται σε μικροσκοπία ατομικής δύναμης (Atomic Force Microscopy, AFM) και μικροσκοπία ρεύματος σήραγγας με ακίδα (Scanning Tunneling Microscopy, STM). Εικόνα 2.13. Παράδειγμα σάρωσης γυάλινης επιφάνειας Εικόνα 2.14. Ο πρώτος σαρωτής ατομικής δύναμης με διάσταση (20 µm 20µm 420nm). Μάνος Ιωάννης Σελίδα 12 από 232

2.3.1.3 Παχύμετρα, μικρόμετρα Σε αυτήν την κατηγορία είναι μετρητικά εργαλεία που βασανίζονται για την λειτουργία τους στην σταθερά του Βερνιέρου. Είναι πολύ χρηστικά για μετρήσεις γιατί είναι απλά στην χρήση τους και πολύ οικονομικά αλλά δεν επαρκούν όταν θέλουμε να κάνουμε τρισδιάστατη μοντελοποίηση γιατί δεν έχουν την ακρίβεια που απαιτείτε, δεν είναι εύκολο να μετρήσουμε με αυτά πολύπλοκα σχήματα, θα χρειαζόμασταν άπυρο χρόνο για τις μετρήσεις επειδή δεν συνεργάζονται με cad πρόγραμμα και θα έπρεπε να κάνουμε χειροκίνητα μία μία τις μετρήσεις. Εικόνα 2.15. Παχύμετρο Εικόνα 2.16. Ηλεκτρονικό Εικόνα 2.17. Μικρόμετρο Εικόνα 2.18. Ηλεκτρονικό μικρόμετρο Παχύμετρα: τρόπος μέτρησης 1. Πρώτα εξετάζουμε τη διακριτική ικανότητα του Βερνιέρου, δηλαδή εάν πρόκειται για μετρητικό με διακριτική ικανότητα 0,1, 0,05 ή 0,02 mm (πολλές φορές συμβολίζεται και ως 1/10, 1/20 και 1/50). Μάνος Ιωάννης Σελίδα 13 από 232

2. Διαβάζουμε τα χιλιοστά στην ένδειξη της ακίνητης κλίμακας (κανόνας) 3. Διακρίνουμε ποια γραμμή από τις διαβαθμίσεις του Βερνιέρου αποτελεί προέκταση των γραμμών του κανόνα και αποφαινόμαστε για τα δεκαδικά. (ΠΡΟΣΟΧΗ είναι στη διακριτική ικανότητα του οργάνου να αποφανθούμε σωστά για το πόσα και ποια είναι τα δεκαδικά ψηφία της μέτρησης). Ζ = 3,58 mm Εικόνα 2.19. Κανόνας Βερνιέρου Μικρόμετρα: τρόπος μέτρησης: 1. Τα μικρόμετρα μας παρέχουν ενδείξεις ακριβείας της τάξεως του 0,01 mm. 2. Διαβάζουμε την ένδειξη που είναι ορατή στο σταθερό κανόνα, στο άκρο του βαθμολογημένου τυμπάνου σε mm. 3. Στη συνέχεια προσθέτουμε τα δεκαδικά ψηφία (εκατοστά του mm) που διαβάζουμε στον περιστρεφόμενο κανόνα, στην ευθεία που τέμνεται με τον σταθερό. Μάνος Ιωάννης Σελίδα 14 από 232

5,78mm Εικόνα 2.20. Βαθμολογημένο τύμπανο 2.3.1.3 Παντογράφος Για πρώτη φορά ο π. εμφανίστηκε κατά το 16ο αι. και πήρε την τελική, σημερινή του μορφή, το 1743 από το Λανγκλουά. Όργανο κατάλληλο για τη γραφική αναπαραγωγή ενός σχεδίου σε διαστάσεις διαφορετικές από αυτές του πρωτοτύπου. Η αρχή λειτουργίας του π. βασίζεται στην ιδιότητα των όμοιων σχημάτων, τα οποία αναπαράγονται μηχανικά από ένα Μάνος Ιωάννης Σελίδα 15 από 232

αρθρωτό παραλληλόγραμμο. Ο απλούστερος τύπος π. είναι ένα αρθρωτό παραλληλόγραμμο, που το αποτελούν κανόνες (πήχεις) από σκληρό ξύλο. Οι δύο απέναντι κανόνες είναι βαθμονομημένοι και ενώνονται, μέσω δρομέα, με έναν μικρό χάρακα, επίσης βαθμονομημένο, ο οποίος φέρει τη γραφίδα. Αν κρατηθεί σταθερή μία από τις κορυφές του παραλληλογράμμου και διανυθούν οι γραμμές του πρωτότυπου με τον οδηγό-δείκτη, ο οποίος βρίσκεται στην αντίθετη κορυφή, αναπαράγεται το όμοιο σχήμα στην αναλογία που έχει οριστεί. Οι σύγχρονοι π. είναι ηλεκτρονικοί ή ψηφιακοί ή χρησιμοποιούν την τεχνολογία των λέιζερ. Στη μηχανολογία, χρησιμοποιείται ο π. μηχανών για τον σχεδιασμό τομών και την κατασκευή υποδειγμάτων, ενώ υπάρχει και το ομώνυμο όργανο που χρησιμοποιείται στα σιδηροδρομικά δίκτυα για να εξασφαλίζεται σταθερή ρευματοληψία σε μεγάλες ταχύτητες. Εικόνα 2.21. Παντογράφοι 2.3.1.4 Μηχανή μέτρησης συντεταγμένων (CMM) Οι συσκευές αυτές καταγράφουν απευθείας τις συντεταγμένες μίας ακίδας μόλις αυτή έρθει σε επαφή με το αντικείμενο. Έχουν είτε την μορφή γέφυρας, όπου η ακίδα κινείται στις τρεις διευθύνσεις, και ανεξάρτητα, είτε την μορφή βραχίονα, όπου η ακίδα κινείται με μεγαλύτερη ελευθερία Μάνος Ιωάννης Σελίδα 16 από 232

(Εικ.2.23). Για την πλήρη καταγραφή της μορφής του αντικειμένου, ο χρήστης ή το σύστημα κινεί την ακίδα πάνω στην επιφάνειά του. Το αποτέλεσμα είναι πράγματι πολύ ακριβές, αλλά η διαδικασία είναι χρονοβόρα και, όταν απαιτείται η συμβολή του χρήστη, προφανώς και κοπιαστική. (α) (β) Εικόνα 2.22. Συσκευές μέτρησης συντεταγμένων: α) τύπου γέφυρας β) τύπου βραχίονα Οι συσκευές μέτρησης συντεταγμένων είναι μία αμιγώς μηχανική απάντηση στο πρόβλημα συλλογής σημείων της επιφάνειας αντικειμένων που απαιτεί επαφή με το αντικείμενο. Σαν σημείο μέτρησης έχουν την κορυφή μιας ακίδας ή ενός αισθητήρα αφής που τοποθετείται στην άκρη ενός βραχίονα. Εφαρμογές βρίσκουν κυρίως στην επιθεώρηση βιομηχανοποιημένων μηχανικών εξαρτημάτων. Η επιθεώρηση των διαστάσεων αποσκοπεί στην μέτρηση της γεωμετρίας του αντικειμένου και των χαρακτηριστικών της επιφάνειάς του. Η εφαρμογή τους περιορίζεται στο χώρο της βιομηχανίας και της αντίστροφης μηχανικής. Για τη λειτουργία των συστημάτων αυτών απαιτείται η επαφή του αισθητήρα ή της ακίδας με την επιφάνεια του αντικειμένου που εξετάζεται. Η ακρίβεια τους αγγίζει την τάξη των 25 μm. Η διαδικασία συλλογής δεδομένων είναι πολύ αργή. Ένας μέσος όρος ρυθμού αποτύπωσης συντεταγμένων αγγίζει μόλις ένα σημείο ανά δευτερόλεπτο. Τα συστήματα Μάνος Ιωάννης Σελίδα 17 από 232

αυτά δε χρησιμοποιούνται για τη συλλογή μεγάλου όγκου πληροφορίας κάτι που τα καθιστά, σε γενικές μια όχι και τόσο ελκυστική επιλογή για εργασίες μεγάλου μεγέθους. Στην Εικόνα 23 δίνεται περιγραφή της αρχής λειτουργίας του αισθητήρα αφής που χρησιμοποιείται για την αποτύπωση τρισδιάστατων συντεταγμένων. Ο αισθητήρας αγγίζει την επιφάνεια του αντικειμένου και μετακινείται προς μια κατεύθυνση. Η μεταβολές της επιφάνειας του αντικειμένου αλλάζουν την θέση του αισθητήρα. Η αλλαγή αυτή καταλήγει σε μια μεταβολή φορτίου που καταγράφεται διαρκώς. Η μεταβολές του φορτίου μεταφράζονται σε τρισδιάστατες γεωμετρικές συντεταγμένες και αφορούν εκείνα τα σημεία, τα οποία άγγιξε προηγουμένως ο αισθητήρας. Η πληροφορίας αυτή, σε συνδυασμό με το σύστημα συντεταγμένων του βραχίονα, αποδίδει με μεγάλη ακρίβεια την γεωμετρική θέση του αντικειμένου στον χώρο. Εικόνα 2.23. Αισθητήρα αφής 2.3.2 Μη επαφής Οι μέθοδοι μη επαφής δεν απαιτούν το μετρητικό αισθητήρα να έρχεται σε επαφής με το αντικείμενο, αυτό μας εξυπηρετεί όταν έχουμε ευπαθή ή μεγάλα αντικείμενα προς μέτρηση. Οι μέθοδοι μη-επαφής βασίζονται στην εκπομπή κάποιου κύματος ή φωτός και ανιχνεύουν την ανάκλαση του για να υπολογίσουν την επιφάνεια του αντικειμένου. Πιθανά είδη εκπομπών μπορεί να είναι laser, φως και άλλα. Υπάρχουν διάφορα Μάνος Ιωάννης Σελίδα 18 από 232

είδη τέτοιων συσκευών τα οποία εξυπηρετούν διαφορετικές ανάγκες και αναφέρονται στην συνέχεια. Οι μη επαφής μέθοδοι μπορούν να διαχωριστούν σε μεθόδους οι οποίες είναι Παθητικές (Passive) και σε μεθόδους οι οποίες είναι Ενεργητικές (Active). Οι παθητικοί μέθοδοι βασίζονται εξ ολοκλήρου στην επεξεργασία των δεδομένων που λαμβάνει η κάμερα ως είσοδος (παθητικός δέκτης). Ενώ οι ενεργητικοί μέθοδοι βασίζονται στις ιδιότητες του φωτός (ταχύτητα, μήκος κύματος). 2.3.2.1 Παθητικές Οι παθητικοί μέθοδοι βασίζονται εξ ολοκλήρου στην επεξεργασία των δεδομένων που λαμβάνει η κάμερα ως εισόδους (παθητικός δέκτης) και χρησιμοποιούν φωτεινούς σχηματισμούς (light patterns) προκειμένου να κωδικοποιήσουν" την επιφάνεια του αντικειμένου. Γνωστές παθητικές μέθοδοι οι οποίες εφαρμόζονται είναι οι ακόλουθες: 2.3.2.1.1 Σχήμα από σιλουέτες Η τεχνική Σχήμα-Από-Σιλουέτες ανήκει στην κατηγορία παθητικών τεχνικών και βασίζεται μόνο στην πληροφορία που προσφέρει ένα σύνολο από δυσδιάστατες φωτογραφίες. Στην ίδια κατηγορία με την τεχνική αυτή συναντάμε και την μεθοδολογία Σχήμα-Από-Στερεοσκοπική- Φωτογράφηση, καθώς και άλλες γνωστές τεχνικές, όπως οι Σχήμα-Από- Κίνηση, Σχήμα-Από-Σκίαση, Σχήμα-Από-Μεταβολή-Εστίασης, οι οποίες βρίσκονται ακόμα σε ερευνητικό επίπεδο, καθώς οι υπάρχουσες υλικοτεχνικές λύσεις δεν έχουν ξεπεράσει τα σύνορα των ερευνητικών εργαστηρίων. Το 1960 ο Francois Villeme επινόησε μια μέθοδο γνωστή ως Φώτογλυπτική. Χρησιμοποίησε 24 κάμερες για να αποκτήσει ένα σύνολο από Μάνος Ιωάννης Σελίδα 19 από 232

σιλουέτες του αντικειμένου φωτογραφημένο από διαφορετικές γωνίες. Η αποτύπωση τους γινόταν πάνω σε φωτογραφικές πλάκες της εποχής και προβαλλόταν σε μια σκηνή με την βοήθεια μιας συσκευής προβολής στατικών φωτεινών εικόνων (magic lantern). Στη συνέχεια οι σιλουέτες μεταφέρονταν πάνω σε κομμάτια από πυλό με την χρήση ενός παντογράφου. Εμπορικές εφαρμογές αναπτύχθηκαν πολύ γρήγορα, όπως ήταν αναμενόμενο, ενώ σε μεγάλες πρωτεύουσες όπως Παρίσι, Λονδίνο και Νέα Υόρκη άνοιξαν εξειδικευμένα στούντιο, τα οποία λειτούργησαν για λίγα μόνο χρόνια (από το 1863 έως και το 1867), αφού η διαδικασία της Φώτο-γλυπτικής δεν ήταν οικονομικότερη από παραδοσιακές μεθόδους. Ήταν εμφανές το πρόβλημα πως ακόμα και με τις 24 σιλουέτες η διαδικασία απαιτούσε την ανθρώπινη παρέμβαση σε υψηλό βαθμό. Από την άλλη, μεγάλο ήταν και το κόστος του απαραίτητου εξοπλισμού (κάμερες, προβολείς στατικών εικόνων). Τελευταία, αλλά εξίσου σημαντική, ήταν η ανάγκη πρακτικής εξάσκησης του γλύπτη στη χρήση αυτών των συστημάτων, η οποία καθυστερούσε ακόμα περισσότερο την διαδικασία. Μετά από 100 χρόνια περίπου, με την έλευση των υπολογιστών η διαδικασία σύλληψης σχημάτων με οπτικές μεθόδους ξανακέρδισε το ενδιαφέρον των ερευνητών. Η Σχήμα-Από-Σιλουέτες είναι μια αυτοματοποιημένη μέθοδος κατασκευής τρισδιάστατων μοντέλων από φυσικά αντικείμενα. Είναι μια πολύ δημοφιλής τεχνική τρισδιάστατων ανακατασκευών για κινητά αντικείμενα. Η ιδέα πρωτοπαρουσιάστηκε από τον Baumgart το 1974 στα πλαίσια της διδακτορικής του διατριβής. Πρωτοποριακή έρευνα στη δημιουργία τρισδιάστατων μοντέλων από πολλαπλές οπτικές γωνίες με χρήση ογκομετρικών στοιχείων έγινε από τους Martin και Aggarwal το 1983. Παρουσίασαν την μέθοδο των «κρυφών περιγραμμάτων», κατά την οποία εξήγαγαν σιλουέτες αντικειμένων από σύνολα φωτογραφιών ενώ δημιουργούσαν το τρισδιάστατο μοντέλο με την ορθογραφική προβολή των σιλουετών. Ο ελεγχόμενος χώρος που χρησιμοποίησαν αποτελούνταν από μια σταθερή κάμερα πάνω σε ένα τρίποδα τοποθετημένο μπροστά από ένα τραπέζι με ελεγχόμενο βήμα Μάνος Ιωάννης Σελίδα 20 από 232

περιστροφής. Το φόντο πίσω από το τραπέζι ήταν μονοχρωματικό, ώστε να επιτρέπει τον εύκολο διαχωρισμό του από το αντικείμενο. Στην Εικόνα 24 αναπαριστάνεται το ελεγχόμενο περιβάλλον ενός τυπικού συστήματος τρισδιάστατης σάρωσης, βασισμένο στην τεχνική Σχήμα-Από-Σιλουέτες. Εικόνα 2.24. Σχήμα-Από-Σιλουέτες Σύμφωνα με τους Tosovic και Sablatnig το D κατά μέσο όρο κυμαίνεται στα 120 εκατοστά ενώ το d βρίσκεται κοντά στα 3 χιλιοστά ενώ σε ιδανικές καταστάσεις είναι μηδέν. Ο συνολικός αριθμός των σιλουετών παίζει σημαντικό ρόλο στην πιστότητα του ανακατασκευασμένου αντικείμενου καθώς λεπτομέρειες του αντικειμένου είναι εμφανείς από συγκεκριμένες οπτικές γωνίες. Πριν τη λήψη των φωτογραφιών, πρέπει να βρεθεί η γεωμετρική σχέση ανάμεσα στην θέση της κάμερας και του τραπεζιού, έτσι, ώστε το τελικό μοντέλο να ανταποκρίνεται στις διαστάσεις του πραγματικού αντικειμένου. 2.3.2.1.2 Σχήμα από δομημένο φως Η αρχή λειτουργίας της συγκεκριμένης μεθόδου είναι απλή. Η ανάκτηση της πληροφορίας βάθους πραγματοποιείται με την προβολή ενός μοτίβου φωτός πάνω σε ένα αντικείμενο, από γνωστή οπτική γωνία. Η Σχήμα-Από-Δομημένο-Φως βασίζεται στην τριγωνοποίηση, όπως και η σάρωση με ακτίνες λέιζερ κοντινών αποστάσεων. Οι δύο μεθοδολογίες έχουν παρεμφερή χαρακτηριστικά ενώ οι εμπορικές υλικοτεχνικές κατασκευές πολλές φορές ταυτίζονται μεταξύ τους. Εξαίρεση αποτελεί η Μάνος Ιωάννης Σελίδα 21 από 232