Skanowanie 3D eksponatów z Muzeum Powiatowego w Nysie

Św. Anna Samotrzecia, XVI/XVII w., Śląsk. Rzeźba z drewna lipowego, polichromowana na zaprawie, wys. 50 cm, szer. 30 cm.

Pełnoplastyczna rzeźba polichromowana ukazuje św. Annę, matkę Maryi oraz Dzieciatko Jezus. Ta trójpostaciowa kompozycja była jedną z najpopularniejszych w średniowiecznej ikonografii. Rozumiano ją jako symbol Niepokalanego Poczęcia (Immaculata conceptio) - Maryja poczęta po wielu latach bezdzietności Joachima i Anny - po zwiastowaniu przez anioła, urodziła się jako wolna od Grzechu Pierworodnego i dlatego też mogła zostać Matką Bożą. Rzeźba ze zbiorów Muzeum Powiatowego w Nysie przedstawia tronującą św. Annę ukazaną frontalnie, która trzymając na kolanach swego wnuka obejmuje zarówno Dzieciątko, jak i stojącą tuż przy jej nogach córkę czytającą Biblię. Rzeźba nie ma zachowanych proporcji sylwetek postaci, co było znamienne dla okresu późnego średniowiecza, jednakże fizjonomia każdej z postaci, spojrzenia św. Anny i Maryi podkreślają próbę oddania mistycyzmu Immaculata conceptio.

Madonna na kuli ziemskiej – Immaculata, XVII/XVIII w., Hiszpania (?). Rzeźba drewniana, polichromowana, srebrzona, oczy Madonny i putt wykonane ze szkła białego, kula ziemska oklejona mapą wykonaną na papierze, wys. 100 cm, szer. 52 cm

Pełnoplastyczna polichromowana rzeźba drewniana ukazuje młodą Maryję w charakterystycznym ujęciu - na kuli ziemskiej. Ten motyw ikonograficzny zwany Immaculatą, czyli Niepokalanie Poczętej Maryi utożsamiany był z Niewiastą z Apokalipsy św. Jana (Potem wielki znak się ukazał na niebie: Niewiasta mandorlą 'obleczona w Słońce' i Księżyc pod jej stopami, a na jej głowie wieniec z gwiazd dwunastu (Ap 12,1)).

Immaculatę ukazywano jako młodą, piękną dziewczynę, w białej sukni i niebieskim płaszczu, z dłońmi złożonymi do modlitwy, co znamienne bez Dzieciątka Jezus. Maryję przedstawiano na chmurze, sierpie księżyca, kuli ziemskiej, z wężem pod stopami, otoczoną świetlistą mandorlą lub koroną z gwiazd, adorowaną przez anioły. Rzeźba ze zbiorów nyskich reprezentuje dokładnie ten popularny dla epoki baroku i rokoka wzór Maryi, co jednak ciekawe, kula ziemska w całości pokryta jest mapą wykonaną przez francuskich kartografów, z przedstawieniem Hiszpanii jako świata. Więcej informacji na stronie Muzeum Powiatowego w Nysie.

Spośród wielu urządzeń, które oferuje firma GLOBAL3D wytypowano skaner Calibry firmy Thor 3D z wbudowaną kamerą do tekstur dzięki której uchwycenie tak ważnego elementu jakim jest polichromia nie stanowiło najmniejszego problemu.

Skaner 3D Calibry to urządzanie przeznaczone do skanowania średnich i dużych obiektów. Producent zapewnia, że urządzenie jest w stanie skanować obiekty o gabarytach w zakresie od 0,2 m do 10 m, wliczając w to możliwość skanowania postaci ludzkich, które często są bardzo trudne do zeskanowania. A więc jest to uniwersalne urządzenie, które sprawdzi się w każdej branży, zaczynając od szeroko pojętej ochrony dóbr kultury, architektury, projektowaniu, prototypowaniu, tworzeniu modeli do gier czy filmów na medycynie i przemyśle ciężkim kończąc.

Skaner 3D to urządzenie, które analizuje obiekt bądź jego otoczenie w celu zebrania/zgromadzenia informacji na temat jego kształtu lub tez wyglądu (skanowanie teksturowe) w celu stworzenia jak najwierniejszego trójwymiarowego modelu cyfrowego dzięki czemu jesteśmy w stanie przeprowadzić na nim potrzebne nam działania (prototypowanie, kontrola jakości, inżynieria odwrotna). Ze względu na emitowane przez skaner światło, służące do akwizycji danych, urządzenia możemy podzielić zasadniczo na dwa rodzaje.

1. Skanery, w których źródłem światła jest dioda bądź wiele diod LED emitujących światło strukturalne.

2. Skanery, w których źródłem światła jest laser.

Nie można jednoznacznie stwierdzić, aby którychś z tych dwóch rodzajów mechanizmów pracy skanera był lepszy bądź gorszy. Każdy z nich, odpowiednio użyty spełni swoje zadanie w jak najlepszym stopniu. Należy jednak pamiętać o ograniczeniach jednych i drugich, którymi zajmiemy w dalszej części. Na razie skupmy się na podstawowych zasadach pracy tych dwóch rodzajów urządzeń.

1. Skanery, w których źródłem światła jest dioda bądź wiele diod LED emitujących światło strukturalne.

Skanery światła strukturalnego wyświetlają wzór światła na skanowanym obiekcie. Wzorce selekcji są śledzone jednocześnie przez jedną kamerę lub wiele kamer. Przy zastosowaniu specjalnej kamery dostępne jest również przechwytywanie kolorów. Wzór światła tworzony jest za pomocą modulatorów świetlnych.

Skaner 3D ze światłem strukturalnym może uchwycić duży rozmiar w kilka sekund, a także gwarantuje wysoki poziom dokładności i wysoką rozdzielczość. Źródło światła nie jest niebezpieczne dla ludzkiego wzroku, więc technologia skanowania światłem strukturalnym może być używana do skanowania ludzi. Skanery światła strukturalnego mogą być montowane na statywie do skanowania stacjonarnego, a także używane w trybie ręcznym. Są jednak wrażliwe na warunki oświetlenia otoczenia oraz mają problemy ze skanowanie obiektów połyskujących i ciemnych.

2. Skanery, w których źródłem światła jest laser.

Skanowanie laserowe działa poprzez projekcję punkt laserowy, wiązka lub wiele wiązek na obiekt, a następnie przechwytywanie odbicia lasera z czujnikami. Główną zaletą skanowania laserowego jest to, że może on osiągnąć wysoką rozdzielczość i dokładność. Jest również mniej wrażliwe na światło otoczenia i lepiej sprawdza się przy skanowaniu błyszczących lub ciemnych powierzchni.

Większość tego typu skanerów to urządzenia ręczne. Choć lepiej radzą sobie od skanerów opartych o światło strukturalne przy skanowaniu obiektów połyskujących i ciemnych, tym niemniej mają problem ze skanowaniem obiektów prześwitujących bądź przezroczystych.

Można zauważyć, że wykorzystanie skanerów 3D w szeroko pojętej ochronie dóbr kultury to ostatnio trend zyskujący na popularności. Technologia tworzenia wirtualnych modeli 3D pozwala na archiwizowanie, ewidencjonowanie lub też cyfrową ekspozycję eksponatów, które w normalnych okolicznościach nie mieszczą się w salach ekspozycyjnych. Jest to o tyle ważne w przypadku muzeów, że bez konieczności angażowania znacznych sił można udostępnić „zwiedzającym wirtualnie” większą ilość eksponatów. Kolejną zaletą jest możliwość digitalizacji całego procesu konserwatorsko-restauratorskiego poszczególnych eksponatów celem zwiększenia świadomości odwiedzających i wzbogacenia ich wiedzy z zakresu prac jakie wykonuje się w muzealnych pracowniach konserwatorskich.

W związku z tym że skanery 3D są urządzeniami o wysokiej dokładności, w przypadku skanera Calibry jest to około 0.5 mm możliwe jest tworzenie modeli jako materiałów poglądowych np. w prowadzeniu wstępnych badań konserwatorskich polegających na ocenie stanu zachowania, tworzeniu map występujących na obiekcie polichromii bądź też zanieczyszczeń czy też z wykorzystaniem oprogramowania do postprocesingu przygotowywaniem proponowanych uzupełnień ubytków bądź też dobrania kolorystki przy punktowaniu polichromii. To tylko kilka możliwości, które niesie ze sobą technologia skanowania 3D i tylko w wydaniu skanerów ręcznych przeznaczonych do skanowania małych i średnich obiektów (w przypadku skanera 3D ta wartość wynosi od 0.2m do 10 m). Istnieje również wiele innych skanerów przeznaczonych do skanowania również całych pomieszczeń jak i również digitalizacji dużej powierzchni wykopalisk archeologicznych, jednakże w tym artykule pozostańmy przy skanowaniu małych i średnich obiektów.

Wracając do skanowania rzeźb w Muzeum Powiatowym w Nysie. Obie rzeźby były skanowane w salach ekspozycyjnych bez przeprowadzania specjalistycznych przygotowań. Mimo że skanery niezbyt dobrze radzą sobie w jasnych pomieszczeniach oraz przy oświetleniu punktowym na obiekt, to warunki panujące w większości muzeów wydają się być idealne do przeprowadzania takich prac. Duże pomieszczenia, oświetlenie w dużej mierze rozproszone, łatwy dostęp z każdej strony do eksponatów to niewątpliwie duże zalety, których osoby zajmujące się skanowaniem 3D nie mogą nie docenić. Pomieszczenia typu pracownia konserwatorska bądź magazyn/archiwa również spełniają podstawowe wymagania dotyczące pracy ze skanerem 3D.

Do zeskanowania ww. obiektów zastosowano podstawowy profil skanowania Calibry Human w którym ustawiono dokładność skanu na poziomie 1mm, choć sam skaner oferuje nawet 0,1 mm. Pozostałe ustawienia skanera opierały się o uzyskanie jak najlepszej jakości tekstury. Obiekty skanowano w oparciu o przechwytywanie tekstury jak i również przechwytywanie geometrii obiektu. Jest to sprawdzona metoda w przypadku obiektów złożonych z dużej ilości teksturowanych powierzchni jaki o złożonej geometrii (sylwetki ludzkie są tego doskonałym przykładem). W czasie procesu skanowania poza przechwytywaniem informacji o modelu skaner 3D co kilka klatek wykonuje zdjęcie tekstury obiektu a następnie algorytm wplata je w odpowiednie miejsce.

Sam model w przypadku skanera Calibry nie jest tworzony w czasie rzeczywistym, a wymaga ustawienia parametrów, które mają wpływ na jakość skanu oraz jego dokładność. Producent przewidział kilka podstawowych profili, których można używać w zależności od skanowanego obiektu. Jednakże ze względu na dużą otwartość oprogramowania Calibry Nest możemy sami sobie tworzyć nowe profile dzięki którym oszczędzamy czas w przypadku, gdy skanujemy kilka podobnych do siebie obiektów.

Po stworzeniu wirtualnego modelu skanowanego obiektu, korzystając z zaimplementowanych narzędzi edycyjnych możemy przeprowadzić szereg operacji dzięki którym będziemy w stanie np.: usunąć przechwycone w czasie skanowania przypadkowe obiekty, załatać otwory- powstałe w skutek niedoskanowania którejś z płaszczyzn na obiekcie, wygładzić powierzchnie modelu, zmniejszyć bądź zwiększyć ilość trójkątów z której zbudowany jest model, dokonać pomiarów.

Kiedy już etap edycji jest zakończony, aczkolwiek nie jesteśmy zadowoleni z naszej pracy i posiadamy inne skany tego samego obiektu, możemy przeprowadzić proces nakładania na siebie skanów celem osiągnięcia jak najlepszych efektów końcowych. Proces ten polega na wskazaniu kilku lub kilkunastu punktów wspólnych na powierzchni modeli a później algorytm programu dopasowuje oba skany. Im więcej punktów wspólnych wybierzemy tym większa dokładność łączenia. Istotne jest, aby punkty wspólne w czasie procesu łączenia znajdowały się jak najdalej od siebie tak jak jest to możliwe. Dzięki temu algorytm składania nie będzie się gubił.

Skaner Calibry w tej kwestii przewyższa swoją konkurencję, w oprogramowaniu, której najczęściej możemy wyznaczyć trzy takie punkty. Fakt ten jest bardzo ważny w przypadku, gdy chcemy uzyskać wysoką dokładność złożenia skanów.

Po przeprowadzeniu wszystkich ww. procesów możemy przystąpić do teksturowania obiektu. Jak wspominaliśmy wcześniej algorytm nakłada barwną teksturę na model roboczy wykorzystując do tego barwne zdjęcia wykonywane w czasie skanowania obiektu.Tak jak w przypadku tworzenia modelu tak i teksturowanie, czy raczej prędkość tego zadania uzależniona jest od mocy obliczeniowej komputera. Przy komputerze średniej klasy czas ten nie przekracza 2-3 minut.

Po zakończeniu pracy ze skanerem i jego oprogramowaniem, stworzony model 3D poddać procesowi korekty barwnej oraz korekty jasności i ostrości w edytorze oprogramowania Calibry Nest i jeśli jesteśmy zadowoleni możemy zakończyć pracę.

Poniżej przedstawiamy wyniki skanowania obiektów:

Zapoznaj się z polecanymi skanerami 3D: