Екстремна макро 3D реконструкция

Въведение

Следващите документи упражнение за 3D реконструкция на 22 малки мъниста от черупки, използвани за оформяне на огърлица, хартията, описваща предметите, може да бъде намерена тук. Взетият подход е фотографски, често наричан фотограметрия, използва се програмно осигуряване MetaShape. Размерът на мънистата варираше от 4 мм до 20 мм.

Силно желана цел за фотографска реконструкция е рязкото фокусиране на изображенията и добрата дълбочина на фокусиране, но дълбочината на фокусиране е точно това, което човек няма при макро фотографията. Едно от решенията за това е да фокусирате стека, , като комбинирате множество снимки, всяка с различен диапазон на дълбочина на фокуса. За този проект този подход беше изключен поради екстремните времена за улавяне, които биха изисквали, както и увеличеното време за постпродукция. Например, използваният подход за единична снимка на позиция отне средно 1 час на обект, подреждането на фокуса би удължило това поне с коефициент 4. Постпроизводството ще изисква допълнителна стъпка, въпреки че може да бъде до голяма степен автоматизирано.

Първоначалната платформа на камерата се състоеше от обекта, монтиран на пластмасов блок, 100-милиметров макро обектив Canon и линеен макро плъзгач.

Първоначална тестова камера е настроена

Докато това беше функционално за по-големи обекти (15 мм до 20 мм на сензора с пълна рамка), той страдаше от редица проблеми: линейната макро релса включваше грубо и отнемащо време ляво/дясно подравняване с помощта на контролите за глава на статив, а макро обективът от 100 мм е все още в най-добрия случай 1:1 обектив, така че не е идеален за по-малки обекти с или под 10 мм, където обикновено ще се използва по-малко от 1/4 от сензора.

Крайното решение включваше двуосова макро релса, лява и дясна за подравняване и напред-назад за фокусиране. Крайният обектив беше 65-милиметрова макроскопия на Canon с увеличение между 1:1 и 5:1, въпреки че за тези обекти всъщност беше използвано не повече от 3: 1 увеличение.

Canon MP-E 65 мм обектив

Има алтернативи на закупуването на относително необичайни лещи с увеличение 5:1, например обратната леща.

Окончателна настройка на камерата

Тъй като е необходим пълен 3D модел, обектите са снимани в две ориентации с обикновено поне 30% припокриване. Формата на всеки обект варира и за всеки тип форма са използвани различни монтажи. Критично е, разбира се, обектът да не се движи по време на сканиране, въпреки че може да се толерира движение, предизвикано от малки вибрации, тъй като то съответства на смяна на камерата или наклон.

Използвана е светлинна кутия, за да даде и по-високи нива на светлина, за да може да се постигне малка бленда (увеличена дълбочина на фокусиране). Той също така премахва светлинните ефекти върху самите обекти, позволявайки максимална възможност за осветяване в презентациите.

Типично изображение и размер на сензора

Улавяне

За увеличение 1:1 и 2:1 е имало достатъчно припокриване във фокусни области и следователно достатъчно припокриване на точката на характеристиките, като се правят стъпки от 20 градуса по дължина и се извършват четири 360 пръстена по географска ширина. Тъй като обхватът на географската ширина обикновено е от 0 (екватор) до 80 градуса, това е и размер на стъпка от 20 градуса по географска ширина. В много случаи за най-висока географска ширина са били необходими само стъпки от 30 градуса за достатъчно припокриване. Следователно за всяко половин сканиране са необходими или 66, или 72 снимки. Камерата беше Canon 5D Mk III (пълен кадър).

Автоматичното въртене е постигнато с ротационен блок Edelkrone Head One.

Edelkrone Head One ротатор

Софтуерен интерфейс Edelkrone Head One

В светлинната кутия имаше достатъчно светлина за максималната бленда f16, като същевременно се поддържаше разумна ISO 200 и 1/20 скорост на затвора. На всеки кадър беше взето решение за региона, върху който да се фокусира, обикновено поради формата на обекта, това беше най-близката повърхност до камерата. Макро релсата е използвана за фокусиране, тъй като този обектив няма възможност за автоматично фокусиране. Дори и с автоматичен фокус, макрообективите обикновено имат значително фокусирано дишане, което променя фокусното разстояние за всеки кадър, което не е добра идея за алгоритмите за 3D възстановяване. И накрая, след фокусиране с помощта на увеличен изглед на LCD дисплея, кадърът е направен, след като вибрациите са се уталожили. Средно целият този процес за един изстрел отне 15 секунди.

В обобщение процесът включва първо настройка на височината на статива за предстоящото сканиране на географска ширина, след това за всяка позиция на географската дължина:

• атиснете бутона на мобилния телефон, за да преместите ротатора с 20 градуса
• Натиснете бутона за увеличение на LCD дисплея на камерата
• Подравнете обекта върху сензора, като използвате хоризонталния плъзгач на макрорелсата
• Фокусирайте с помощта на плъзгача за вход/изход върху макро релсата
• Изчакайте вибрациите на системата да се уталожат
• Направете снимката с дистанционното с кабел

Обработка

Горната и долната половина след процеса на подравняване на камерата са показани по-долу. Поради малката дълбочина на фокусиране, като цяло всичко, което не е върху обекта, е било доста извън фокуса и не са открити точки на характеристиките. Поради това в повечето случаи маскирането не се изисква, спестявайки значително количество човешко време.

Първа страна

Втора страна

Като цяло нямаше достатъчно припокриване между двете половини за автоматично подравняване и обединяване на базата на точки. Вместо това на всяка половина бяха идентифицирани редица съвпадащи маркери и беше извършено подравняване и обединяване по маркер. Пример, показан по-долу.

По-долу са показани обединените набори от камери.

Като цяло по-добри резултати бяха получени чрез преизчисляване на облака с гъста точка след процеса на сливане.

Обединени комплекти камери

Накрая обединеният модел.

Нетекстуриран и текстуриран краен модел

Типично резюме на проекта може да бъде както следва.

Бележки

• Програмно осигуряване за реконструкция имаше голям шанс да се провали, ако бяха направени две снимки от много сходни позиции. За някои обекти беше представено, че човек може да фокусира върху предната повърхност и след това да направи друга снимка от малко по-различна позиция, фокусирайки се върху задната повърхност. Това обикновено би се провалило. Ако е необходим набор от снимки на преден и заден фокус, тогава по-добре променете позицията на камерата, например леко повдигнете или спуснете.

• Въпреки че изборът на MetaShape е успешен, има известна неудовлетвореност от привидно недетерминирания характер на моменти по време на фазата на подравняване на снимката. Подравняването понякога се проваляше и се променяше много малко (ако нещо) и тогава щеше да успее. Изборът дали да се изберат всички параметри като „фото-инвариантни“ изглеждаше необходим за някои набори от изображения и въпреки това щеше да се провали при други, въпреки използваната същата камера, обектив и техника.

• Изглежда, че калибрирането на лещите не е променило резултатите, наистина резултатите често са по-ниски.

• Докато Edelkrone Head One се представяше безупречно, имаше някои досадни ограничения в техния софтуер. Изглежда, че програмно осигуряване „философия“ представя по-малко функции, смисълът е, че е създаден само за начинаещи потребители. Авторът от друга страна предполага, че много малко клиенти за това устройство са начинаещи.