Политехники создают акустический сканер для полых объектов
РАЗРАБОТКА ПЯТИКУРСНИКОВ ИНСТИТУТА КИБЕРНЕТИКИ ДМИТРИЯ СТАРИКОВА И ЕВГЕНИЯ РЫБАКОВА, ПОЛУЧИВШАЯ ГРАНТ ПО ПРОГРАММЕ «УМНИК», ОТКРЫВАЕТ НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДЛЯ 3D-ТЕХНОЛОГИЙ. АКУСТИЧЕСКИЙ (УЛЬТРАЗВУКОВОЙ) СКАНЕР СУЩЕСТВЕННО УВЕЛИЧИТ СПИСОК ПОДДАЮЩИХСЯ СКАНИРОВАНИЮ ОБЪЕКТОВ И ПОЗВОЛИТ СНИМАТЬ ПРЕДМЕТЫ, ИМЕЮЩИЕ ВНУТРИ ПОЛОСТИ ИЛИ ПУСТОТЫ.
От идеи к изобретению
На создание нового типа 3D-сканера студентов подтолкнуло сразу несколько факторов. Основным стала потребность в недорогом и точном приборе, позволяющем в небольшие сроки получить качественную трехмерную модель какого-либо предмета.
Сегодня рынок 3D-устройств пестрит предложениями. Однако цена на них достаточно высока: за 3D-сканер просят от 100–150 тысяч рублей и до нескольких миллионов в зависимости от фирмы-изготовителя. Причем недорогие приборы часто выдают неточные данные, по которым строить трехмерную модель сложно и долго — приходится многое дорисовывать самостоятельно.
Разработка политехников станет хорошим конкурентом существующим устройствам. По расчетам разработчиков цена одного акустического сканера с программой для обработки данных составит около 60 тысяч рублей, что значительно дешевле импортных аналогов.
Помимо ценовой конкуренции новый сканер позволит заглянуть внутрь сканируемых объектов. — Это стало возможно благодаря акустическим волнам, — отмечают студенты. — Ведь классический лазерный метод не позволяет сканировать пустоты в предметах.
Кроме того, по расчетам авторов акустический 3D-сканер будет быстрее выдавать готовый результат — трехмерную модель, поскольку все данные обрабатываются на компьютере. В полностью портативных сканерах все решается в самом устройстве, что значительно снижает скорость получения модели.
Еще одним плюсом ультразвукового метода сканирования станет возможность проводить съемку предметов из любых материалов, будь то пластик, дерево, металл, стекло. Снимать можно и предметы с зеркальной поверхностью, что не по силам классическому оптическому методу. Исключением можно считать только поролон: он практически полностью поглощает звуковые (акустические) волны.
Будущий сканер по размеру можно сравнить с СВЧ-печью. Пока что у рабочего прототипа нет стенок. По проекту изнутри они будут выполнены из звукопоглощающего материала. Это позволит снизить помехи при сканировании. Внутри расположена поворачивающаяся на 360 градусов платформа. На нее помещают предмет для сканирования.
Пока акустический 3D-сканер способен проводить съемку объектов размером не больше баскетбольного мяча. В дальнейшем есть возможность увеличить сам сканер, а значит, и снимаемые им объекты.
Сканер для виртуальных музеев
Съемка происходит акустическим датчиком, который закреплен на специальном кронштейне, перемещающем его вверх и вниз. Датчик оправляет акустическую волну на объект, затем при помощи сенсоров принимает отраженную волну и фиксирует расстояние. Сканирование проходит послойно.
После завершения съемки все полученные данные через контроллер отправляются на персональный компьютер, где происходит их обработка программой, написанной политехниками специально для интерпретирования данных для программ САПР (система автоматизированного проектирования). На данный момент студентами уже создан рабочий прототип 3D-сканера и написано программное обеспечение для контроллера. Идет работа над связью котроллера и персонального компьютера.
— Мы интерпретируем массивы данных и переводим их в доступный вид, — пояснил Дмитрий Стариков. — Новым продуктом станет как раз связка между нашей аппаратной частью и компьютером с известными программными продуктами, таким как Inventor и 3ds Max.
Эти программы предназначены для создания цифровых прототипов изделий и для редактирования трехмерной графики и анимации. Работают они с файлами формата STL, который используется для хранения трехмерных моделей объектов и в технологиях прототипирования. Последним этапом сканирования станет преобразование данных на персональном компьютере в STL-модель.
Как рассказали авторы разработки, для получения изображения объекта с полостью необходимо два датчика. Сейчас они работают над тем, чтобы принимать и обрабатывать данные с двух сенсоров. Первые результаты уже есть — показания с акустических датчиков приходят на контроллер и компьютер. Теперь главное — научиться правильно их интерпретировать и обрабатывать для программ САПР. В итоге это позволит получать картинку, как при УЗИ внутренних органов.
— Сейчас мы заняты разработкой математических моделей для поиска полостей в объектах и обработкой этих данных, — поделился Евгений Рыбаков. — Мне кажется, что это одна из самых трудоемких задач.
В будущем у потребителей не возникнет проблем с эксплуатацией акустического 3D-сканера. По словам Дмитрия и Евгения, обращаться с прибором сможет любой человек, владеющий навыками работы с персональным компьютером и оргтехникой.
— Мы все делаем так, чтобы было предельно просто пользоваться, — уточнил Дмитрий. — Нажал кнопку «пуск», и сканер приступил к работе. Датчики будут автоматически подстраиваться под габариты сканируемого объекта.
Потенциальные потребители ультразвукового сканера — это различные производственные и промышленные предприятия. 3D-сканирование поможет им в создании точных 3D-моделей элементов автомобилей и агрегатов. Это ускорит выпуск новых товаров, даст возможность выявить брак в инструментах и потенциальные проблемы эксплуатации еще на первых этапах производства, а значит, уменьшит затраты.
Кроме того, новый сканер окажет неоценимую помощь ученым, историкам, искусствоведам при создании виртуальных музеев, выставок и архивов. Он позволит создать точные копии изделий, существующих в единичном экземпляре (ручная работа, произведения искусства, археологические находки).
Заинтересует акустический сканер и многочисленные фирмы, специализирующиеся на 3D-печати небольших предметов.
— Допустим, у вас сломалась какая-то деталь в автомобиле, — приводит пример Евгений Рыбаков. — Купить ее отдельно сложно, дорого и долго. Выход — напечатать новую. Для этого нужно сканировать сломанную деталь или использовать мастер-модель. Также сканер можно использовать для прототипирования запчастей к игрушкам, бытовой и оргтехнике.
Планы на будущее
Завершить работу над рабочим образцом акустического 3D-сканера для полых объектов, а также получить патент на изобретение студенты ИК планируют летом 2016 года. Параллельно они активно трудятся над новым проектом — акустической камерой. Она будет находить неисправности у работающих насосов, двигателей и других крупных агрегатов.
С помощью микрофонов, расположенных по радиусу объектива, камера будет улавливать изменения звука при работе агрегата, будь то инородный шум, стук, скрип или изменение частоты работы. Далее идет расчет расстояния от каждого микрофона до источника звука и, соответственно, определяется, где конкретно находится неисправность.
Плюсами такого метода диагностики станет возможность находить поломки на самых ранних сроках возникновения и точно их локализовать. Это значительно удешевит ремонт. Кроме того, для поиска повреждений нет необходимости останавливать работу агрегата. Специальные фильтры удалят помехи, а компьютерная программа вычленит из общего шума те звуки, которых при работе быть не должно.
У Дмитрия Старикова и Евгения Рыбакова уже готов прототип камеры, который они презентуют и на конкурсе «УМНИК» в этом году.
Лариса Богомазова