CC BY
81
© Е.Г. Коржов, Ю.А. Павлов, 2010
УДК 65.015.13
Е.Г. Коржов, Ю.А. Павлов
КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РЕИНЖЕНИРИНГА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА И РЕСТАВРАЦИИ СКУЛЬПТУРНЫХ ОБЪЕКТОВ
Сохранение скульптурного наследия, создание копий-реплик произведений искусства является актуальной задачей, которая без нового подхода к процессам измерения и контроля качества не может быть успешно решена Ключевые слова: реинжиниринг, обратный инжиниринг, реставрация.
у'Ъбратная разработка (обратный
v/инжиниринг, реверс-
инжиниринг, реинжиниринг; англ. reverse engineering) — исследование некоторого устройства или программы, а также документации на них с целью понять принципы его работы в случае необходимости воспроизведения устройства, программы или иного объекта с аналогичными функциями, но без копирования как такового. Этот метод применяется обычно в том случае, когда создатель оригинального объекта не предоставил информации о структуре и способе изготовления (производства) объекта.
При производстве, реставрации и репликации сложных скульптурных изделий необходимы компьютерные технологии моделирования и ввода информации о пространственном объекте. Широко применяемые в машиностроении контактные измерительные системы непригодны для измерения художественных изделий из-за возможного механического изменения и даже разрушения объекта искусства.
Наиболее распространенной последовательностью обратного инжиниринга в производстве является предварительное макетирование объекта, например из
Семинар № 9
гипса, далее измерение и создание математической 3D модели объекта. Области применения: изготовление штам-повой оснастки в автомобильной промышленности, разработка новых игрушек, изготовление изделий из хрусталя, изготовление масштабных копий сложных скульптурных и ювелирных изделий.
Различают несколько технологий трехмерного сканирования, ни одна из которых не является стандартом в промышленности [4]. Происходит это во многом потому, что нет технологий без недостатков. У каждой из используемых технологий есть свои плюсы и минусы. Можно подразделить все существующие технологии 3D-сканиро-вания на два типа: контактные и бесконтактные или дистанционные.
К контактным измерительным устройствам относят устройства, которые работают по принципу обводки контура посредством сенсора-щупа. К бесконтактным измерительным устройствам относят трехмерные сканеры, использующие более сложную и передовую лазерную технологию. Большинство из данного типа устройств совмещают в себе следующие приборы: лазерные датчики, которые заменяют контактный
сенсор, а также цифровую фототехнику, которая используется для большей точности сканирования и, самое главное, она позволяет получить модель объекта с текстурами. Технология лазерного сканирования продолжает развиваться по трем главным направлениям: сканирование по зонам, точкам и полосам [3]. Лучшие результаты демонстрирует технология сканирования по полосам. На объект проецируется специальная сетка или полоса, положение которой записывается внешними видеокамерами; по ее искажениям определяется контур сканируемой поверхности. Постепенно, по мере сканирования модели от одного края до другого, выстраивается точный образ ее поверхности и записывается трехмерная текстура.
Применительно к камнеобрабатывающей отрасли при производст-ве скульптурных изделий имеет смысл автоматизировать процесс измерения и воспроизводства объекта в нужном масштабе с целью реконструкции, реставрации или создания копии.
В связи с этим активно внедряются и разрабатываются системы бесконтактного измерения, лежащие в основе современного принципа реинжиниринга.
С использованием бесконтактного измерительного прибора, при наличии физического объекта данная задача сводится к следующему алгоритму (рис.1):
• бесконтактное измерение образца детали, эталона, мастер-модели;
• создание математической компьютерной модели по результатам измерений;
• формирование траекторий инструмента для механической обработки материала на технологическом оборудовании с ЧПУ по созданной компьютерной модели.
Для решения задач обратного инжиниринга применяются различные алгоритмы, системы и измерительные приборы, ориентированные на достижение определенного конечного результата. Каждая из них имеет свои особенности и область применения. Для создания копий скульптур и производства реставра-ционно-восстано-вительных работ требуется произвести измерения объекта без механического воздействия и нанесения какого-либо вреда, а именно -произвести обмеры, по возможности не извлекая объект из его естественной среды. Следовательно, применение бесконтактного измерения в данном случае актуально.
Для бесконтактных измерений, обработки метрологических данных, осуществления контроля качества целесообразно использовать отечественный программно-аппаратный комплекс «Форма» (рис. 2), разработанный отечественной фирмой «Логос» [1].
Данный программно-аппаратный комплекс характеризуется высокой точностью измерения (0,01 мм), гибкой масштабируемостью программной и аппаратной составляющей за счет использования доступных аппаратных компонентов и открытостью исходных кодов программной части. Предназначен для проведения обмеров (оцифровки) одного вида детали с выдачей результатов в виде файла с координатами точек, поверхности или «пленки» в виде текстового STL- файла и анализ отклонений поверхностей от заданных стандартных геометрических типов или STL-моделей. В отличие от лазерных измерительных приборов, в качестве источника проецирования используется цифровой видеопроектор.
Эталон, мастер-модель, физический образец детали
Г г
р а Измерение (3d-сканирование)
Е Н
Н Формирование математической модели
И п
с Модификация, реконструкция
э 1 г
т а Подготовка д окументации
л 0 н 0 м 1 г
Подготовка управляющей программы для станка с ЧПУ
Производство
Рис. 1. Реинжиниринг в технологическом процессе создания копии объекта
Рис. 2. Компоненты измерительного комплекса «Форма»
Измерительный комплекс относится к системам измерения, основанным на проецировании полос. Комплекс состоит из программной части, позволяющей производить манипуляции с данными измерений и аппаратной, непосредст-
венно производящей измерения. В аппаратную часть входит мультимедийный LCD проектор, который проецирует синусоидальный вертикальный и горизонтальный растр различной толщины на объект измерения, видеокамера, синхронизированная с проектором, которая фиксирует на различных выдержках проекции растра на объекте, тест объект для настройки оптической системы.
Принцип обратного инжиниринга в системе реализован с использованием технологии бесконтактного измерения формы объекта на основании проецирования синусоидального растра на объект, его регистрации фотометрической системой с последующим анализом полученных изображений для восстановления трехмерной компьютерной модели объекта (рис. 3).
::
С
і_______________________________:_______________________________і______________________________і___________________________і]________________________________і
Рис. 3. Результат аппроксимации выбранного сечения кубическим сплайном и ИД-сплайном
Однако измерительный комплекс должен иметь возможность оптимальным образом интерпретировать метрологические данные и оптимизировать их под технологический процесс на оборудовании с ЧПУ. В связи с такой задачей был разработан программный модуль аппроксимации данных на основе ин-тегро-диффе-ренциальных сплайнов слабого сглаживания, математическая модель которого была реализован в прикладном комплексе вычисления и автоматизации расчетов - МайаЬ. Традиционно, для аппроксимации различных экспериментальных данных используют
кубические сплайны. Из теории известно, что недостатком кубических сплайнов является то, что они склонны к осцилляции в окрестностях точки, существенно отличающейся от своих соседей. Анализ показал невозможность применения кубических сплайнов для поставленной задачи сглаживания данных, несущих информацию о кривизне поверхности скульптурной формы.
Таким образом, полученные данные измерений подвергались предварительному слабому сглаживанию и формировались рабочие сечения, для траекторий движения инструмента
Рис. 4. Принципиальная схема измерительного комплекса «Форма»
для станков с ЧПУ, записанные в файловом формате 811. и Ш.
Внедрение данного типа аппроксимации позволило проводить быстрое сглаживание поверхности и избежать шумов, обусловленных работой электронных компонентов системы и нескольких преобразований сигналов, подаваемых видеоадаптером на проектор, далее считываемый камерой и обрабатываемый программным комплексом. Также данный метод позволил обрабатывать и сглаживать создаваемые сечения объекта при записи и подготовки STL-файлов для работы с внешними технологическими системами подготовки производства (САМ-комплексы).
Идея обработки экспериментальных данных заключается в выборке из ре-
зультирующего файла измеренных координат данных, соответствующих проходам измерительного устройства и проведения на основании полученных данных сплайнов, описывающих контуры поверхности тела. Фактически тело разделяем на сечения, проведенные на основании экспериментальных данных, интегро-дифферен-циальными сплайнами (рис. 4).
На основании параболического ин-тегро-дифференциального многочлена [2]:
Щ'М) = / +
( 6 2
> ТТ У';'' - ТТ “>
V П1+1 П1+1 у
( 6 3 ^
V''+1 +—д/ Ь3 і Ь2 '
П.,і II.
V" і+1
+1
(X - х;) + (X - Xі )2
Рис. 5. Процесс бесконтактного измерения и технологической реализации объекта на оборудовании с ЧПУ
в полиноминальной форме, взятого в качестве общей формулы звена будущего сплайна, и параметрической системы
¥~- ТТм‘у
V I+' I+' У
( 6 3
-6- VI’+' +-3- ДЬ ,
1 Л
2 I
/+' у
(X - X, ) + (X - X, )2
(I = о, п -').
кг"+2
1 1
---------1---------
V Л ,+' у
(
= 3
,+' Л
и, + /_
V Л,2 Л,2+' у
(3)
, (I = ', П -')
(2)
решается задача аппроксимации данных измерений, которая была адаптирована под систему «Форма (рис. 5).
Таким образом, программно аппаратный комплекс «Форма» с интегро-дифференциальным модулем аппроксимации данных позволяет выполнять
1
Л
+
+
Рис. 6. Исходный объект и процесс измерения комплексом «Форма»
Рис. 7. Этап выборки информации для вывода во внешний файл в комплексе «Форма»
Рис. 8. Результат сканирования скульптуры и ее вывод во внешний 3D-формат
Рис. 9. Существующий интерьер МГГУ и расположенные в нем скульптурные фигуры
измерения, обработку и подготовку 3D-объектов для дальнейшей модификации, реставрации и использования в технологическом процессе на оборудовании с ЧПУ.
Рассмотрим процесс бесконтактного измерения на примере сканирования гипсовой модели скульптуры Святой Варвары - покровительницы горняков (скульптор А. Степанов, каф. ТХОМ, МГГУ). На основании полученной 3D-модели скульптуры выполнен дизайн-проект по улучшению интерьера Московского государственного горного университета.
На рис. 6, 7 и 8 представлен процесс измерения, обработки и вывода информации об измеренном объекте во внешний файл. В результате измерений создаётся виртуальная копия физического объекта, готовая к модификации в программах 3D-дизайна и загрузке в САМ-комплекс подготовки управляющей программы для обработки на технологическом оборудовании с ЧПУ.
В результате восстановления некоторых деталей объекта, подбора текстуры и вписывания объекта в имеющийся интерьер были получены композиционные решения, представленные на рис. 9.
Таким образом, бесконтактный измерительный комплекс «Форма» и встроенный в него интегро-диффе-ренциальный алгоритм аппроксимации данных позволяют использовать новый эффективный метод компьютерного реинжиниринга художественных и технических объектов для воспроизводства, масштабирования, изучения, реконструкции и каталогизации.
Качество промышленного изготовления и реставрации скульптурных объектов методом компьютерного реинжиниринга достигается комплексным системным подходом дизайна, проектирования технологической подготовки производства и метрологии.
Процесс художественного проектирования художественных изделий необходимо интегрировать с технологической подготовкой производства.
Метрологический контроль качества целесообразно осуществлять бесконтактным методом измерения и методом сравнения результатов измерений с эталонной математической моделью.
1. Руководство пользователя системой «Форма». - М.: Фирма «Логос», 2008.
2. Пантелеев А.В, Киреев В.И. Численные методы в примерах и задачах. - М.: Высшая школа, 2004. - 480 с.
3. A. Patrioli, G.Sansoni, F. Docchio. OPL-3D: A novel, portable optical digitizer for
fast acquisition of free-form surfaces // 1NFM and Laboratory of Optoelectronics. University of Brescia, Italy.
4. B. Curless, M. Levoy. Better Optical Triangulation through Space-time Analysis // Computer Systems Laboratory of Stanford University, USA.EEH
— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------------------
Коржов Е.Г. - аспирант кафедры Технологии художественной обработки материалов, [email protected]
Павлов Ю.А. - профессор кафедры Технологии художественной обработки материалов, [email protected]
Московский государственный горный университет Moscow State Mining University, Russia
------------------------------------------------------- ОТДЕЛЬНАЯ СТАТЬЯ
ГОРНОГО ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО БЮЛЛЕТЕНЯ
ПРЕПРИНТ
Певзнер Л.Д., Костиков В.Г., Костиков Р.В., Камолов И.А.
МЕТОДИКА РАСЧЕТА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМОВ ТОКОСЪЕМНЫХ УСТРОЙСТВ. Отдельные статьи Горного информационно-анали-тического бюллетеня. — 2009. — №12, —54 с. — М: издательство «Горная книга»
ISSN 0236-1493
Разработана методика, позволяющая оценить влияние скорости взаимного перемещения контактов и теплофизических констант материалов на температурный режим токоведущего кольца.
Pevzner L.D., Kostikov V.G., Kostikov R. V., Kamolov I.A.
DESIGN PROCEDURE AND RESEARCH OF TEMPERATURE MODES OF CURRENT-COLLECTING DEVICES
It is developed the technique allowing to estimate influence of speed of mutual moving of contacts and thermal constants of materials on a temperature mode of a coll-ring.
