1.2.9. Сканирование объемных предметов

Техника сканирования объемных предметов всегда активно обсуждалась в кругах «продвинутых» компьютерных пользователей. Вначале это было увлечением немногих энтузиастов, которое выглядело со стороны отчасти маргинальным занятием. Накапливалась техника объемного сканирования, отрабатывались ее приемы, некоторые из которых со временем дозрели до уровня полноценных коммерческих продуктов. Некоторые стойкие приверженцы этой технологии считают ее самостоятельным направлением в информатике, которая имеет серьезные приложения в картографии, геодезии, строительстве и пр. Для ее названия предложен очень звучный термин- сканография, а результаты сканирования объемных предметов иногда называют сканограммами. Сейчас в связи с широким распространением и доступностью цифровых аппаратов тема потеряла свою актуальность, но существуют ситуации, когда использование планшетного сканера в роли съемочного аппарата оказывается вполне оправданным решением.
В каких случаях съемка реальных объектов дает лучшие результаты по сравнению со сканированием их изображений? Успех предприятия зависит от технических характеристик сканера и свойств обрабатываемого оригинала. Во-первых, совершенно не подходят для этой работы сканеры, использующие приемные элементы типа CIS (Contact Image Sensor). В этих приборах, получивших широкое распространение в последнее время, применяется упрощенная схема обработки светового потока без линзы, системы зеркал, призмы и пр. Отраженный от оригинала поток света сразу попадает на линейку светочувствительных датчиков, которая располагается очень близко к оригиналу. Упрощенная схема обработки сигнала позволила снизить цену и габариты устройств этого класса. Этим и ограничиваются преимущества CIS-сканеров. Приборы имеют очень маленькую глубину резкости; они дают некорректные результаты даже при оцифровке оригиналов на мятой бумаге или изображений, напечатанных на очень плотной фотобумаге. Для успешной обработки трехмерного оригинала следует использовать сканеры, построенные по традиционной технологии CCD (Charge Coupled Device), принцип действия которых описан в самом начале этой главы.
Многие производители сканирующего оборудования не раскрывают информацию о технологии оцифровки, которая используется в конкретных марках оборудования. Часто об этом можно судить только по некоторым недостоверным вторичным признакам. К числу таковых относятся цена прибора и толщина корпуса. Сканеры, использующие CIS-технологию, отличаются невысокими ценами и очень тонким корпусом. Точный ответ на этот вопрос может дать пробное сканирование. Глубина резкости CIS-сканеров исчисляется несколькими миллиметрами. Они не способны дать четкий снимок предметов, габариты которых сравнимы, скажем, с размерами обыкновенной монеты.
Если принцип действия всех CCD-сканеров совпадает, то их техническое устройство может значительно различаться. Расположение и свойства источника света, оптические параметры призмы, геометрические характеристики системы зеркал - все это вносит тонкие различия в результаты обработки трехмерных объектов. По этой причине в сканографии получено очень мало результатов и рекомендаций, имеющих всеобщее значение. За исключением нескольких элементарных технических приемов, здесь частное преобладает над общим. Фундаментом любого успешного результата являются эксперименты с расположением оригинала, выбором параметров сканирования и расстановкой дополнительных источников света.
Самые жесткие и очевидные ограничения накладывают размеры рабочей зоны сканера. Понятно, что нет шансов на успех у объектов с большими габаритами. В отличие от цифровых камер, все сканеры (даже обладающие совершенной оптической системой) имеют очень небольшую глубину резкости. По этой причине не могут быть обработаны объекты с развитым третьим измерением. Чем меньше предмет и чем ближе его форма к плоскости, тем более высокое качество будет иметь его сканограмма. Прозрачность и распределение бликов оказывают значительное влияние на итоговый результат.
Трудно назвать все случаи успешного применения сканера в роли съемочной камеры. Никакой, даже самый длинный список не может быть исчерпывающим. В перечень удачных случаев, подтвержденных в нескольких экспериментах, входят монеты, медали, ордена, ювелирные украшения небольшого размера, марки, почтовые открытки, образцы растений для включения в гербарий, материалы для создания фонов и текстур, малогабаритные компоненты электронных приборов и т. п. В сети можно встретить описания успешных примеров оцифровки натюрмортов, которые выкладываются непосредственно на стекле сканера. Известны примеры получения автопортретов и снятия отпечатков пальцев. Результативность таких методик сиюминутна; она зависит от искусства оператора и часто невоспроизводима другими пользователями в условиях, отличающихся от оригинальных.
Существуют более развитые авторские методики объемного сканирования (см., например, www.scaner.ru). В них для генерации сканограммы высокого качества требуется получить несколько снимков объекта с различных позиций. Причем съемка производится при освещении объекта специальными источниками света, расстановка которых выполняется по сложным правилам. Полученные результаты обрабатываются программой, которая генерирует объемное изображение. Это сложные методики, требующие специального технического оснащения и приобретения дополнительного программного обеспечения. По этим причинам они не могут быть массовыми. Авторы позиционируют их как законченные промышленные технологии и предлагают в виде коммерческого продукта.
Приведем несколько общих рекомендаций, пригодных в большинстве случаев, когда требуется получить качественный цифровой образ трехмерного объекта.

Перед сканированием физического объекта требуется тщательно очистить поверхность стекла. Поскольку оцифровка мелких предметов требует задания высоких значений разрешения, то даже мельчайшее загрязнение будет захвачено сканером, что внесет дополнительные помехи в результирующий образ.
Практика сканирования трехмерных объектов пока не дает оснований для формулировки четких рекомендаций по выбору параметров оцифровки. Для получения хороших результатов в большинстве случаев придется провести несколько пробных сеансов оцифровки с различным положением объекта и значениями разрешения.
Сеанс сканирования желательно проводить в затемненном помещении. В результате на изображении объект будет окружен равномерным темным фоном, который легко корректируется или удаляется. Если выполнить это условие невозможно, то, по крайней мере, следует исключить воздействие на объект направленных источников света.
Если габариты объекта исключают использование крышки сканера, то объект следует накрыть плотной тканью из неотражающего материала. На результаты обработки влияют цвет материала, его плотность, рисунок волокон и пр. Это еще одна причина для проведения пробных сеансов обработки с разными кандидатами на роль крышки сканера.
Проблемы особого свойства возникают при обработке блестящих предметов, например монет или ювелирных объектов. В этом случае приходится учитывать расположение предмета и направление движения источника света, поскольку от этого зависит распределение бликов и теней на оцифрованном изображении. Сканирование предметов из металла часто приводит к появлению на изображении радужного узора. Очень трудно предложить такие подготовительные мероприятия, которые на стадии сканирование гарантированно предотвращали возникновения этого дефекта. Удаление радуги лучше выполнять средствами растрового редактора. Хорошие результаты дает уменьшение насыщенности дефектных областей при помощи команды Hue/Saturation.
Результаты сканирования реальных объектов почти всегда нуждаются в дополнительной обработке средствами растрового редактора. Объем этой обработки зависит от типа обрабатываемого объекта, но почти всегда приходится выполнять очистку фона и настройку тонового и цветового баланса.