В 1998 г. на конференции SIGGRAPH была представлена мультимедийная инсталляция, предлагающая посетителям совершить прогулку по виртуальному миру, который отображается на экране, стилизованном под видоискатель фотоаппарата. Помимо стандартных навигационных органов управления, пульт симулятора предусматривал спусковую кнопку затвора, ее нажатие сопровождалось зловещим щелчком и вызывало необратимую трансформацию всех объектов, попавших в поле зрения камеры — из объемных они внезапно становились плоскими и безжизненными. Тем самым фотоаппарат уподоблялся чему-то вроде оружия массового уничтожения, превосходящему фантазии создателей даже самых кровавых 3D-шутеров. Должно быть, авторов этой инсталляции просто-напросто вдохновила двусмысленность, заложенная в слове "фотоохота". Хотя, возможно, ими двигал обитающий в темных закоулках нашего сознания "первобытный" страх перед фотоаппаратом, чей мертвенно-неподвижный глаз пристально вглядывается нам в душу — чтобы "похитить" ее. Не исключено также, что в своей работе они руководствовались идеями из книги "Camera Lucida" французского философа-семиолога Ролана Барта, называвшего фотографию "плоской смертью". Впрочем, известно: всякое настоящее произведение искусства допускает множество толкований. В рамках этой статьи наиболее значимым для нас является следующее предположение: что если художественное чутье авторов позволило им интуитивно выразить готовность человека XXI века к восприятию новых технологий и видов искусства, способных, в отличие от традиционной фотографии, фиксировать реальность с сохранением ее естественной трехмерности?
 |
| Minolta 3D 1500 — первая попытка доведения технологий автоматизации трехмерного моделирования до массового пользователя |
Трудно сказать, были ли в числе пользователей описанного симулятора руководители Minolta и MetaСreations; известно лишь, что уже год спустя одной из самых громких сенсаций SIGGRAPH стала разработанная совместными усилиями этих компаний первая массовая трехмерная фотокамера Minolta 3D 1500. Это революционное устройство, сопоставимое по размерам с обычной цифровой "мыльницей", было задумано для предельного упрощения процесса моделирования и текстурирования трехмерных объектов — достаточно их сфотографировать с нескольких сторон и обработать полученные изображения с помощью прилагаемого ПО MetaFlash, позволяющего установить требуемую степень детализации полигональной модели и конвертировать ее в любой из популярных 3D-форматов.
 |
| Лазерный портрет сохранит ваш трехмерный облик на память потомкам |
 |
Увы, эта камера оказалась слишком дорогой для любителей (около $5000) и в то же время слишком несовершенной для профессионалов. Патентованная "трехмерная вспышка" давала сбои в условиях яркой освещенности, а точность моделирования объектов, габариты которых превышали 1 м3, была неприемлемо низкой. Маркетологи из Minolta полагали, что в качестве инструмента оформления виртуальных прилавков новая камера будет иметь спрос у администраторов Internet-магазинов. Однако эти планы расстроил случившийся вскоре массовый крах доткомов, поэтому в настоящее время производство Minolta 3D 1500 прекращено, что отнюдь не означает, будто сама концепция 3D-фото признана бесперспективной. Над совершенствованием технологий автоматизации трехмерного моделирования по-прежнему работает обширное сообщество исследователей, воплощающих в своих творениях последние достижения в области быстродействующей цифровой электроники, прецизионной оптики и механики, а также алгоритмов обработки изображений. И есть все основания надеяться, что "второй блин" выйдет более удачным.
Разумеется, помимо задачи избавления фотографов от метафизического ужаса "плоской смерти", 3D-фототехнологии имеют множество иных приложений более практического свойства. Рассмотрим вкратце некоторые из них.
 |
| Ни землетрясения, ни происки террористов, ни леса реставраторов не смогут отныне лишить человечество статуи Давида, оцифрованной сотрудниками Стэнфордского университета с пространственным разрешением 87,6 dpi в рамках проекта Digital Michelangelo. Посетителям сайта проекта www.graphics.stanford. edu/projects/mich предоставляется бесплатный доступ к утилите ScanView для просматривания моделей в режиме online (сами модели защищены авторскими правами). В проекте задействованы лазерные сканеры компаний Cyberware, Cyra и 3D Scanners. Синтезированное изображение публикуется с любезного разрешения руководителя проекта Марка Левоя (Marc Levoy) |
Топография и архитектура. В этих областях актуальность проблемы восстановления объемности фотоснимков, пожалуй, наиболее очевидна. Не случайно первые методы ее решения были систематизированы уже в 1851 г., т. е. спустя всего лишь десятилетие после изобретения дагерротипа. Честь основания фотограмметрии — науки об определении формы, размеров и положения объектов на основании их изображений на фотоснимках — принадлежит французскому офицеру Эме Лосседа (Aime Laussedat).
Сохранение культурных ценностей. Очевидно, что решение этой задачи, о важности которой неоднократно говорилось на страницах "Компьютерного Обозрения" (itc.ua/10828), невозможно без применения средств автоматизации. Ни один музей мира не имеет достаточного бюджета для оплаты труда профессиональных 3D-дизайнеров, способных с высокой точностью воспроизвести в цифровом виде десятки тысяч экспонатов с помощью традиционных средств.
Ведение документации в правоохранительных органах. Доступность подробных 3D-моделей ДТП или мест преступления приводит к существенному повышению оперативности и результативности работы следственных органов. Достаточно сказать, что для измерений, производимых современными криминалистами с помощью архаичной рулетки, в будущем достаточно будет пары щелчков мышки. Преимущества 3D-фото особенно очевидны для баллистической экспертизы и анализа объемных отпечатков подошв и протекторов, а также для каталогизации 3D-фотопортретов подозреваемых, поскольку традиционные снимки "в профиль и анфас" ограничивают точность опознания преступников, которые могут быть запечатлены охранными системами наблюдения в самых произвольных ракурсах. Кроме того, 3D-фото могут повысить эффективность идентификации подозреваемых по форме ушных раковин и иным подобным индивидуальным чертам. Несколько производителей 3D-сканеров заявляют, что перспективы внедрения их технологий изучаются в настоящее время руководством ФБР.
Оформление Web-сайтов электронных универмагов и агентств по торговле недвижимостью. Успех последних во многом зависит от того, насколько соответствуют действительности демонстрируемые ими рекламные образы. По этой причине стандартной формой презентаций в последнее время стали панорамные фотографии объектов недвижимости, при рассматривании которых потенциальный покупатель волен сам выбирать угол обзора, уменьшая свою зависимость от произвола фотографа. Распространение 3D-фотоаппаратов позволит администраторам агентств по торговле недвижимостью отказаться от плоских фото в пользу формата VRML.
Индустрия развлечений. 3D-сканирование исполнителей и объектов реквизита уже является обязательным этапом съемок блокбастеров вроде "Атаки клонов". В видеоиндустрии влияние 3D-фототехнологий также становится все более ощутимым. В виртуальных съемочных студиях (называемых еще "голубыми комнатами") взаимодействие между телеведущими и синтетическим антуражем организовано в нескольких плоскостях, упорядочение которых требует кропотливого труда. 3D-сканеры реального времени, работающие синхронно с видеокамерами, позволяют автоматизировать этот процесс и использовать модели качественно нового уровня сложности, где синтетические и реальные объекты способны взаимно контактировать, при этом отбрасывая тени друг на друга. В то же время несколько ведущих, связанных телемостом, могут быть "усажены" за общий круглый стол. С первыми попытками коммерциализации подобных проектов можно ознакомиться на сайте компании Zaxel. 3D-фототехнологии дадут новый импульс игровой индустрии, снизив степень квалификации, необходимую геймерам для составления собственных игровых уровней и моделирования персонажей, а также улучшат качество подвижных игр, рассчитанных на использование тела игрока как устройства ввода (одним из передовых разработчиков игр подобного рода является компания Vivid Group.
Компрессия видеосигнала. Дополнительные сведения о характере изображения часто позволяют увеличить эффективность его компрессии. К примеру, информация о глубине сцены может быть использована для ее разбивки на объекты, что существенно улучшает качество сжатия видео в формате MPEG-4 и других объектно-ориентированных форматах. Внедрение 3D-камер в видеотелефонии, накладывающей особенно суровые ограничения на пропускную способность коммуникационных каналов, дает возможность выделить объект, находящийся на переднем плане изображения (т. е. лицо абонента) и транслировать его с более высоким пространственно-временным разрешением, чем малоинформативный фон.
Совершенствование традиционных фототехнологий. Информация о глубине изображения расширяет возможности для постобработки отснятого материала: с ее помощью фотограф может "задним числом" изменить глубину резкости или оптимизировать экспокоррекцию для многоплановых кадров, снятых со встроенной вспышкой.
 |
| В рамках одного из учебных проектов, входящих в поставку демо-версии PhotoModeler Pro v.5, пользователю предлагается преобразовать несколько фотографий игрушечного автомобиля Ferrari в трехмерную текстурированную модель |
А еще в 3D-фототехнологиях очевидным образом заинтересованы специалисты в области робототехники и пластической хирургии, протезисты, портные, обувщики, дизайнеры интерьеров… Не будет преувеличением сказать, что 3D-фото представляет интерес для всех, особенно если учесть, что область его применения постоянно расширяется. Так, в течение двух-трех последних лет в торговых и развлекательных центрах крупнейших городов мира получили распространение небольшие салоны трехмерного портрета. Процесс "фотографирования" в них занимает менее секунды: за это время с помощью маломощного лазерного луча определяются трехмерные координаты нескольких тысяч узлов решетки, проецируемой на лицо клиента. После того как отсканированная объемная модель его головы оказывается в памяти компьютера, оператор настраивает яркость текстуры и устанавливает заготовку, отлитую из благородного сорта стекла, в устройство размером с небольшой холодильник. Объемный портрет составляется приблизительно из сотни тысяч пузырьков, прожигаемых в толще стекла лазерными лучами. Взаимное расположение пузырьков и очередность их прожигания оптимизируются с целью уменьшения вероятности появления трещин, связанных с внутренним статическим напряжением. Вся процедура занимает несколько минут и обходится заказчику приблизительно в $50. Подробнее об этой технологии можно узнать на сайте компании Crystalix — одного из ведущих поставщиков оборудования для таких салонов.
Другим примером принципиально новой области применения 3D-фототехнологий является инициатива компании Canesta (а также itc.ua/11332), организовавшей производство "виртуальных клавиатур", проецируемых на поверхность стола. В этой технологии, ориентированной на производителей PDA, для отслеживания пространственного положения пальцев пользователя применяется миниатюрная 3D-фотокамера.
В известном смысле наиболее совершенный 3D-сканер — это зрительная система человека и его здравый смысл: квалифицированный 3D-дизайнер может убедительно воспроизвести объемную модель строения по одной-единственной его фотографии, что не под силу самым совершенным современным алгоритмам. Поэтому сотрудники компьютерной лаборатории Массачусетского технологического института видят большие перспективы в развитии принципов теснейшего взаимодействия дизайнера и программного обеспечения. Разработанное ими ПО (https://graphics.csail.mit.edu/ibedit/ibedit_s2001_cameraReady.pdf) объединяет черты двух- и трехмерных реакторов. Приписав условную "глубину" некоторым участкам плоского изображения, пользователь получает возможность взглянуть на сцену в произвольном ракурсе и текстурировать открывающиеся его взгляду "оголенные" поверхности с помощью кисти, аналогичной Rubber Stamp из инструментария Photoshop.
 |
 |
 |
| Суперпозиция зон наибольшей контрастности в изображениях, получаемых при вращении кольца наводки на резкость (либо при постепенном изменении расстояния между объективом и объектом), может использоваться для автоматического вычисления z-буфера |
Конечно, полученная таким образом модель по качеству будет уступать результатам работы высокоточного фотометрического ПО, одним из наиболее типичных и доступных массовому пользователю примеров которого является программа PhotoModeler Pro компании EOS (стоимость ее текущей версии 5.0 — около $900). Ознакомиться с ней можно с помощью пробного пакета, распространяемого через сайт www.photomodeler.com (его функциональность ограничена работой лишь с несколькими входящими в инсталляционную поставку учебными проектами).
Исходным материалом для PhotoModeler служат несколько фотографий, изображающих моделируемый объект с разных сторон, а также множество указываемых пользователем опорных точек. Например, для исчерпывающего описания тетраэдра достаточно восьми точек, совпадающих с его вершинами в двух ракурсах. Кроме того, пользователь должен задать соответствие между опорными точками, видимыми в разных ракурсах, и указать связывающую их топологию. Помимо полигональных примитивов, PhotoModeler способен оперировать с цилиндрическими поверхностями и сплайнами. Для уменьшения трудоемкости ручных операций с большим количеством опорных точек предусмотрены режимы их автоматического генерирования и связывания. Результатом анализа автоматически сгенерированных данных является облако трехкоординатных точек — базовое понятие для 3D-фототехнологий.
Облако трехкоординатных точек, в котором каждому пикселу изображения соответствует одна точка, удобно описывать в виде двухмерного массива вещественных чисел, выражающих расстояние от наблюдаемого элемента сцены до оптического центра объектива; в компьютерной графике такой массив называют z-буфером.
3D-сканеры, способные генерировать z-буфер автоматически, принято разделять на активные и пассивные. Вырожденным примером простого пассивного сканера может служить любой современный фотоаппарат с маркировкой AF: для того чтобы навести объектив на резкость, его система автофокусировки автоматически определяет расстояние до центрального элемента сцены, стремясь достичь наибольшей контрастности в центре кадра. Система автофокусировки, определяющая расстояние до фотографируемых объектов не только в центре, но и в остальных точках кадра, может использоваться для вычисления z-буфера. Наиболее эффективно этот принцип 3D-сканирования срабатывает в макрофотосъемке и оптической микроскопии, характеризуемых очень малыми глубинами резкости (а значит, высокой корреляцией между расстоянием до объекта и контрастностью его изображения — см., например, www.photogrammetry.ethz.ch/general/persons/jana_pub/niederoest_o3d.pdf).
Другая разновидность пассивных 3D-сканеров имитирует бинокулярное зрение человека, анализируя стереопары, получаемые с помощью двух фотообъективов с параллельными оптическими осями: чем ближе расположен объект, тем более явным становится его параллаксное смещение. Стабильность работы таких сканеров зависит от способности алгоритмов, реализованных в их встроенном ПО, устанавливать безошибочное соответствие между сходными элементами текстур. Последнее поколение алгоритмов такого рода может работать с большим количеством источников изображения, расположенных в разных местах и по-разному ориентированных. Структурой данных, используемой для описания сцены, в этих алгоритмах часто служит трехмерный массив ("воксельный куб"), элементам которого в ходе последовательного приближения приписываются оптимальные значения прозрачности и цветности. Под оптимальностью в данном случае понимается соответствие конкретной конфигурации вокселов исходным изображениям, снятым в разных ракурсах (www.cs.cornell.edu/People/vnk/papers/KZ-ECCV02-recon.pdf).
Очевидно, что слабым местом пассивных систем является их зависимость от освещенности сцены и характера текстур. 3D-сканеры, основанные на фокусировке, не способны определить расстояние до объекта, на поверхности которого нет достаточно контрастных элементов, а алгоритмы поиска сходных текстурных элементов могут быть "сбиты с толку" регулярно повторяющимся рисунком вроде "шахматки". Заметим — подобным образом зрительная система человека дезориентируется при разглядывании стереограмм.
Последняя проблема разрешима, если укомплектовать любую из описанных выше систем проектором либо вспышкой, проецирующей на сканируемую поверхность достаточно информативную текстуру, что, однако, переведет их в разряд активных.
Точные сведения о расположении и ориентации текстурирующего проектора, а также о фокусном расстоянии его объектива могут быть использованы для вычисления формы объекта на основании анализа искажений, претерпеваемых на его поверхности текстурным рисунком. Примером наиболее прямолинейной реализации этого принципа является система ShapeWare компании Eyetronic, представляющая собой комплект ПО и обычную цифровую камеру, смонтированную на легком переносном шасси со вспышкой, проецирующей решетчатую текстуру. Это же шасси при необходимости может нести обычную вспышку, с помощью которой делают "нормальные" снимки, используемые для текстурирования готовой модели (хотя для получения качественных текстур обычно рекомендуются бестеневые лампы).
Упомянутую выше камеру Minolta 3D 1500 можно рассматривать в качестве сильно уменьшенного и полностью автоматизированного аналога ShapeWare. Ее низкая приспособленность к съемкам габаритных объектов объясняется, в частности, малым расстоянием между объективом и текстурирующей вспышкой.
В линейке стационарных сканеров серии Minolta Vivid функцию текстурирующего устройства выполняет подвижное зеркальце, отклоняющее лазерный луч, который подсвечивает поверхность объекта множеством светящихся полосок. Маломощный лазер безопасен для глаз, и это позволяет применять его для сканирования лиц в салонах трехмерного портрета.
3D-сканер MAPSCAN (Manual And Portable Scanner), выпускаемый компанией INO, уникален тем, что его запрещено использовать со штативом. Данное устройство рекомендуется перемещать вдоль поверхности сканируемого объекта на расстоянии от 10 до 20 см, подобно аэрозольному баллончику с краской. В ходе манипуляций MAPSCAN непрерывно излучает узкую световую полосу (формируемую быстрым отклонением лазерного луча) и передает форму ее проекции на компьютер. Кроме того, в каждый момент времени компьютер располагает данными о положении и ориентации самого сканера (их источником является система из нескольких эхолокационных датчиков). Обработка всей этой информации позволяет получать модели с пространственным разрешением до 1 мм. Максимальная скорость движения сканера составляет 10 см/сек, а объем зоны действия эхолокационной системы — 1 м3.
 |
| 3D-сканер MAPSCAN представляет собой "гибрид" бытовой видеокамеры и устройства для считывания штрихкодов |
Последнее достижение в области текстурирования сканируемой поверхности — основанная на принципах интерферометрии технология AFI (Accordion Fringe Interferometry), разработанная компанией Dimensional Photonics. В качестве излучателя в ней используется пара точечных источников света, заполняющая пространство трехмерной интерференционной текстурой.
Так называемые лазерные 3D-сканеры также принадлежат к категории активных систем. Их примером может служить устройство DeltaSphere 3000 от компании 3rdTech, ключевыми конструктивными компонентами которого являются лазер и фотодетектор, укрепленные на штативе с моторизированной поворотной головкой. Это устройство автоматически сканирует пульсирующим лазерным лучом заданную область окружающего пространства, фиксируя время, затрачиваемое светом на двукратное преодоление расстояния от лазера до светоотражающей поверхности (сходный принцип используется в радиолокационных установках). Продуктивность DeltaSphere 3000 достигает 25 тыс. точек в секунду, диапазон измеряемых расстояний — от 0,38 м до 15,2 м, а точность при определении пространственных координат точек, удаленных от лазера на расстояние 15,2 м, составляет около 8 мм. Изменение цвета отраженного светового импульса может использоваться для анализа цветовых характеристик поверхности. Сканирование полной панорамы (охватывающей 360° по горизонтали и 145° по вертикали) длится около получаса, что, разумеется, делает устройство непригодным для работы с движущимися объектами. DeltaSphere 3000 комплектуется ПО, позволяющим компоновать облака трехкоординатных точек, получаемые за несколько сеансов сканирования (в ходе которых штатив размещается в разных точках сцены), и преобразовывать результат в полигональные модели. При стоимости около 50 тыс. долл. маркетологи из 3rdTech считают DeltaSphere 3000 оптимальным решением для криминалистики и кинопроизводства.
 |
| Внешний вид 3D-сканера AFI 4000 и схема оптического тракта его излучателя, формирующего пару точечных источников путем расщепления лазерного луча |
Недостатком лазерных 3D-сканеров является нестабильная работа с поверхностями, видимость которых частично перекрывается полупрозрачными объектами вроде клубов пыли, проволочных заборов и т. п. И если для 3D-сканера DeltaSphere 3000 эта проблема не столь актуальна, учитывая скромный радиус его действия (оператор в большинстве случаев может принять меры для исключения из сцены нежелательных помех), то для более "дальнобойных" устройств она нередко выходит на первый план. Таковы 3D-сканеры серии LPM, производимые компанией Riegl USA и рассчитанные на работу с объектами, габариты которых исчисляются километрами. Встроенное ПО сканеров LPM анализирует каждый отклик, вызываемый световыми импульсами, отсекая ложные отражения и запоминая лишь два последних всплеска. Это позволяет формировать двухслойный z-буфер, расширяющий возможности моделирования: к примеру, строения могут сканироваться с учетом внешнего слоя остекления. "Расплатой" за точность и большой радиус действия является относительно малое быстродействие (ниже, чем у DeltaSphere 3000, примерно на порядок).
Самый быстрый из серийно производимых лазерных 3D-сканеров — IMAGER 5003-25200 компании Zoller+Froehlich, способный измерять до 625 тыс. координат в секунду. В нем используется непрерывный лазерный луч, интенсивность которого особым образом модулируется, что позволяет вычислять расстояние на основании фазового сдвига отраженного сигнала. На сканирование полной панорамы IMAGER затрачивает всего около трех минут.
Технология, разработанная компанией Canesta, является изящным развитием принципов лазерного сканирования: пульсирующий широкозахватный излучатель работает в инфракрасном диапазоне, а вместо единственного фотодетектора используется миниатюрная цифровая камера с фирменной CMOS-матрицей. Вычисления в ней идут на основе определения времени запаздывания светового отклика, что позволяет достигать очень высоких частот регенерации z-буфера.
Стремительное совершенствование и удешевление 3D-сканеров заставляет думать, что в будущем плоские цифровые фотографии будут восприниматься как трогательные пережитки прошлого вроде серо-желтых снимков из бабушкиных альбомов. А наиболее горячие головы из числа экспертов в области технологий 3D-сканирования пророчат даже скорое массовое распространение "3D-факсов" и "3D-ксероксов", оснащенных стереолитографическими принтерами.