var textForPages = ["Záznam a analýza                  Publikace Záznam a analýza digitálních dat v antropologii se zabývá pro-                blematikou digitálního záznamu povrchových i objemových dat biologic-                kých i nebiologických objektů, tvorbou a editací digitálních 3D modelů a                                     digitálních dat                jejich základní analýzou.                                                                                                         Záznam a analýza digitálních dat v antropologii                Jedná se o praktického průvodce světem virtuální antropologie s konkrét-                ními příklady aplikace na kosterní pozůstatky, živého člověka i artefakty.                Publikace vznikla s podporou projektu OPVK FITEAMP v Laboratoři morfo-                                        v antropologii                logie a forenzní antropologie (LAMORFA), která je součástí Ústavu antro-                pologie PřF MU.                                                                                                                                                      Petra Urbanová                                                                                                                                                    Mikoláš Jurda                                                                                                                                                    Martin Čuta","Záznam  a  analýza  digitálních  dat                                     v antropologii                                                                      Petra Urbanová                                                          Mikoláš Jurda                                                           Martin Čuta                                                              Masarykova univerzita, Brno, 2015","Tato  kniha  vznikla  díky  projektu  FITEAMP  (CZ.1.07/2.3.00/20.0181)  v  Laboratoři         morfologie a fyzické antropologie, která je součástí Ústavu antropologie PřF MU.                           Autoři by rádi poděkovali Mgr. et Mgr. Zuzaně Kotulanové za pomoc při úpravě textu.                                   Tato kniha ani jakákoli její část nesmí být přetiskována, kopírována či jiným způsobem rozšiřována bez         výslovného povolení vydavatele.           Text © Petra Urbanová, Mikoláš Jurda, Martin Čuta         Obálka, grafická úprava © Mikoláš Jurda, Martin Čuta         Sazba, typografická úprava Martin Čuta, Tomáš Mořkovský 2015         Tisk David Knopp, Černčice 24, Nové Město nad Metují         Vydal © Masarykova univerzita, 2015; 1. vydání            ISBN 978-80-210-7754-6 (brožovaná vazba)         ISBN 978-80-210-7842-0 (online : pdf)","Obsah                  Předmluva                                                                   5                Povrchové modely                                                     10                 1. Povrchové 3D modely                                               11                  1.1. Metody záznamu povrchových dat                                11                    1.1.1. Záznam povrchu stabilních objektů                         11                    1.1.2. Záznam povrchu živých objektů                             13                  1.2. Povrchová data – typy a formáty                               15                  1.3. Rozlišení digitálních modelů                                  17                  1.4. Postup tvorby povrchových modelů                              19                  1.5. Triangulační 3D laserové skenery                              21                    1.5.1. Praktická ukázka – digitalizace lidské pánevní kosti skenerem NextEngine   22                    1.5.2. Praktická ukázka – digitalizace lidské lebky za pomoci povrchového skeneru                   MicroScan                                                         31                  1.6. Digitalizace stabilních objektů – fotogrammetrie              37                    1.6.1. Zásady fotografování objektů pro fotogrammetrické modelování   40                    1.6.2. Praktická ukázka – vytvoření modelu lidského zubu v programu 123D Catch  42                  1.7. Digitalizace živých osob – optické skenery                    45                    1.7.1. Praktická ukázka – snímání obličeje skenery Vectra M1 a Vectra XT, analýza                   a editace modelů v aplikacích Face sculptor a Analysis            46                2. Editace trojrozměrných modelů                                     57                  2.1. Editační aplikace                                             58                    2.1.1. Praktická ukázka – postup editace modelu lebky v programu GOM Inspect   58                    2.1.2. Praktická ukázka – práce v programu MeshLab               60                  2.2. Čištění 3D povrchových modelů                                 64                    2.2.1. Odstranění redundantních dat                              64                    2.2.2. Odstranění defektních polygonů                            65                    2.2.3. Odstranění nežádoucích částí sítě – nástroje pro výběr polygonální sítě   65                    2.2.4. Odstranění izolovaných fragmentů sítě                     67                  2.3. Editace geometrie polygonální sítě                            69                    2.3.1. Vyplňování děr                                            69                    2.3.2. Oprava zdvojení polygonální sítě                          72                    2.3.3. Redukce rozlišení                                         73                  2.4. Nastavení velikosti a polohy modelu, virtuální restaurace     75                    2.4.1. Změna velikosti digitálních modelů – úprava fotogrammetrických modelů na                reálné rozměry                                                       75                    2.4.2. Nastavení modelu do definované polohy                     76                    2.4.3. Sestavování digitálních modelů, restaurace ve virtuálním prostředí   78                    2.4.4. Superpozice a spojování dílčích modelů                    79                  2.5. Přenos barevné informace mezi modely                          80                3. Analýza digitálních modelů                                        82                  3.1. Aplikace pro analýzu 3D polygonálních modelů                  82                    3.1.1. Landmark                                                  82                  3.2. Měření lineárních vzdáleností                                 84                                                       3","3.3. Registrace význačných bodů                                    85                  3.4. Editace a export křivek                                       89                3D záznam a zpracování objemových dat                                94                 4. Objemová data                                                     95                  4.1. Metody záznamu objemových dat                                 95                    4.1.1. Výpočetní tomografie                                      95                    4.1.2. Magnetická rezonance                                      96                    4.1.3. Sériová fotografie                                        97                  4.2. Zpracování obrazu                                             97                    4.2.1. Segmentace (prahování)                                   102                    4.2.2. Rendering (vykreslování) 3D modelu                       114                                                                                                          4","Předmluva                                                                       Petra Urbanová                    V  posledních  několika  letech  se   odrážel masivní rozmach 3D skenovacích                v  oblasti  studia  kosterních  nálezů    technologií.  Dnes  představuje  virtuální                a  lidského  těla,  známé  jako  biologic-  antropologie propojení záznamu lidského                ká  antropologie,  začalo  formovat  nové   těla (povrchu těla, měkkých tkání, orgánů                zaměření  spojující  v  sobě  prvky  tradič-  i kostí) s vizualizačními prvky 3D grafiky a                ního zájmu o původ a rozdíly mezi lidmi    analytickými nástroji v prostředí počítače.                a lidskými populacemi s metodikou využí-  Získané  3D  virtuální  modely  se  stávají                vající  výhradně  počítačovou  podporu.   počítačovými  replikami  nálezů,  které                Protože se vědecký výzkum přenáší  plně   v reálném světě podléhají neodkladnému                do virtuálního prostředí počítače, ustálilo   rozkladu, mohou být opotřebovány nebo                se  nazývat  nově  vzniklý  směr  virtuální   nenávratně  poškozeny  manipulací,  trans-                antropologie.                        portem nebo odběrem vzorků na genetic-                   Virtuální   antropologie,   ačkoliv   kou  či  chemickou  analýzu.  V  prostředí                oblast  nová  a  odkrývající  nové  možnosti,   počítače  jsou  volně  ovladatelné,  kombi-                nevznikla   bez   předchozích   základů.   novatelné  a  umožňují  studium  bez  toho,                Navázala  na  bohatou  tradici  využití  RTG   abychom byli omezeni fyzikálními zákony.                vyšetření  při  výzkumu  kosterních  nálezů   Ve  své  podstatě  poskytuje  virtuální                a  mumifikovaných  těl,  dříve  označova-  antropologie  neinvazivní  a  bezkontakt-                nou  jako  paleoradiologie.  Mezi  nejzná-  ní  studium  biologie  člověka.  Těmito                mější  využití  patří  rentgenová  vyšetření   možnostmi úzce navazuje na prapůvodní                egyptských  a  jihoamerických  mumií   záměry, které vedly k formování virtuální                umožňující  zobrazit  nálezy  bez  nutnosti   reality.  Snahou  bylo  vytvořit  takové                porušit  kartonáže,  obalové  vrstvy  nebo   prostředí, jež bude kopírovat reálný svět,                vlastní  tělo  mumie.  Důkazy  přítomnos-  nicméně  bude  interaktivně  ovládatelné,                ti předmětů u těla, zachovalost vnitřních   libovolně přizpůsobitelné a pozměnitelné                orgánů,  přítomnost  nádorů  a  zlomenin   podle  nejaktuálnějších  potřeb.  Na  rozdíl                nebo  poškození  lebky  mumie  mumifikač-  od technických a uměleckých oborů není                ními technikami jsou jen některá základní   pro  virtuální  antropologii  typické,  aby                uplatnění radiologických metod. Význam-  vytvářela virtuální svět úplně od základu.                nost těchto záznamových a vyšetřovacích   Cílem  je  co  nejvěrněji  převést  konkrétní                postupů  dokládá  i  skutečnost,  že  první   vlastnosti  z  reálného  světa  do  prostředí                vyšetření  mumifikovaného  těla  proběhlo   počítače. Virtuální antropologické objekty                záhy (několik měsíců) po objevení paprsků   (např. lidské tělo) jsou nejčastěji virtuální-                X  Wilhelmem  Conradem  Roentgenem   mi replikami objektů, které již v reálném                v  roce  1895.  V  průběhu  20.  století  se   světě existují, a do virtuálního světa jsou                klasická radiologie stala nedílnou součástí   přesunuty  pouze  pro  účely  jejich  studia.                vyšetření  kosterních  nálezů,  kde  slouží   Záleží pak na míře věrohodnosti převodu,                k  odhadu  dožitého  věku,  diagnostice   jaké vlastnosti budou ve virtuální replice                zranění  nebo  patologií  kosterní  soustavy    zachovány. Dnes se technická úroveň 3D                jako  jsou  nádory  nebo  infekční  onemoc-  postupů  rozvinula  natolik,  že  dovoluje                nění.                                vytvořit  virtuální  repliky,  které  jsou  na                   Formování    virtuální   antropolo-  první pohled k nerozeznání od originální-                gie  v  poslední  dekádě  20.  století  bylo   ho  objektu.  Přesnost  převodu  dosahuje                výsledkem  plynulého  rozvoje  zobrazova-  obdivuhodných kvalit a nabývají přesnosti                cích a informačních technologií v technicky   setin  milimetru.  Lze  je  demonstrovat                a  klinicky  orientovaných  oborech.  Vývoj   například  na  záznamu  detailů  středouš-                de facto reagoval na snadnější dostupnost   ních  kůstek  o  celkové  velikosti  pouze                a  ochotu  radiologických  pracovišť  vyšet-  několika milimetrů (Obr. 1).                řovat  antropologické  nálezy  a  především   Využití 3D modelů ve virtuální antropo-                                                       5","Obr. 1. Přesnost záznamu dosahuje přesnosti setin milimetru. Na snímku jsou zobrazeny 3D virtuální modely                nejmenších  kostěných  struktur  lidské  kostry  –  sluchové  kůstky  –  kladívko  (zeleně),  kovadlinka  (oranžově)                a třmínek (modře) o rozměrech několika milimetrů a kostěný labyrint vnitřního ucha člověka.                 logii je podmíněno zachováním původních   jsou skryty lidskému oku, například dutiny                nezkreslených  proporcí  objektu  –  jeho   kostí,  hluboké  vrstvy  měkkých  tkání  či                morfologie.  Morfologie  nálezů  je  zazna-  ochranných obalů. Nejvýznamnější využití                menána  ve  formě  oblaku  bodů,  které   této  technologie  našla  antropologie  při                jsou  vzájemně  propojeny  a  tvoří  malé   výzkumu  již  zmíněných  mumifikovaných                plošky  neboli  polygony.  Odtud  pochází   těl. Pečlivou virtuální preparací lze oddělit                obecný název pro virtuální modely – sítě   a  samostatně  zobrazit  zachované  vrstvy                nebo  polygonální  modely.  Vedle  tvaru    těla  –  od  kůže,  přes  kost,  až  po  zbytky                a velikosti je však každý objekt definován   mozku nebo jiných vnitřních orgánů. Také                také  texturou.  Texturu  je  možné  chápat   u  křehkých  nálezů  vyzvednutých  v bloku                jako kombinaci barevného odstínu, lesku   s  okolním  sedimentem  je  možné  nález                a  jasu  povrchu  studovaného  objektu.   preparovat  bez  toho,  aby  se  nerozpadl.                Například  při  snímání  povrchu  lidského   Postupné odkrývání vrstev měkkých tkání                těla můžeme texturu chápat jako věrnost   a  vyšetření  zachovaných  tělních  orgánů                záznamu  zbarvení  pokožky.  U  virtuální-  bez použití skalpelu patří do oblasti známé                ho  polygonálního  modelu  tvoří  textura   také  jako  virtuální  pitvy  neboli  virtopsie,                digitální obrazový potah, který je nanesený   jež  se  vedle  oblasti  historické  antropolo-                na polygonální model.                gie  uplatňují  také  ve  forenzních  vědách                   V  současnosti  dostupné  techno-  a soudním lékařství.                logie  virtuální  antropologie  můžeme   Druhou  skupinu  technických  novinek                rozdělit do dvou skupin. První skupina se   ve   virtuální   antropologii   zastupují                váže  na  radiodiagnostická  a  radiologic-  skenovací  zařízení,  kde  je  nosičem                ká  pracoviště  klinického  nebo  technické-  informace  o  morfologii  objektu  laserový                ho  zaměření  a  je  přímým  pokračovate-  nebo světelný paprsek. V případě lasero-                lem  již  zmíněné  paleoradiologie.  Vůdčí   vých  skenerů  je  prioritou  maximální                technologií  v  této  oblasti  je  počítačová   přesnost  záznamu.  Laserový  paprsek  je                tomografie  (CT-computed  tomography).   vysílán ze zdroje směrem k objektu, od něj                Tento  postup  nabízí  možnosti  zobrazit   se odráží a na zpáteční cestě je zachycován                vedle  povrchu  vyšetřovaného  objektu   čidlem. Plynulý posun paprsku po povrchu                také  vnitřní  strukturu  a  její  prostoro-  objektu  umožňuje  zaznamenat  jeho                vé  souvislosti.  Tato  skutečnost  přináší   celkový tvar. Podle typu přístroje se buď                značné výhody  u  vyšetření  oblastí, které   skenovaný  objekt  otáčí  tak,  aby  paprsek                                                       6","nebo  paprsky  dopadaly  vždy  na  nové   vnější textury našlo uplatnění v záznamu                místo na povrchu nebo v případě ručních   tvaru  objektů,  u  kterých  má  rychlost                skenerů  lze  zdrojem  laserového  paprsku   záznamu  vyšší  prioritu  než  celková                pohybovat  okolo  fixovaného  předmětu,   přesnost výsledné digitální reprodukce. Ve                na kterém jsou umístěny referenční body,   výzkumu  biologických  vlastností  člověka                které ukotvují polohu skeneru v prostoru.   je  to  záznam  obličeje  nebo  celého  těla.                   Na  druhé  straně  spektra  dostupných   Během několika málo sekund je zachycen                skenovacích  zařízení  najdeme  optické   kompletní  tvar  těla,  což  urychluje                skenery. Tyto přístroje pracují na principu   čas  vyšetření  i  zátěž  na  vyšetřované-                fotogrammetrie  a  samotný  záznam  je   ho.  Nahrazuje  se  tím  zdlouhavé  tradiční                identický  s  principem  digitálního  fotoa-  měření antropometrickými měřidly nebo                parátu.  Párová  optická  zařízení  –  dvojice   nutnost  opakovaných  návštěv  pro  účely                fotoaparátů,  jsou  konstruována  tak,  aby   vyšetření.  Nekontaktní  záznam  lidského                zachycovala  předmět  v  konstantní  vzdále-  těla se prosazuje také v takových oblastech                nosti  pod  přesně  stanoveným  úhlem.   průmyslu,  kde  je  zapotřebí  přizpůsobit                Tvar  povrchu  objetu  je  rekonstruován  na   výrobek pohodlí uživatele, jako je oděvní,                základě geometrických pravidel ze známé   nábytkářský nebo automobilový průmysl.                vzdálenosti,  pozice  a  úhlu  kamer  vůči   V  rutinním  zpracování  kosterních                objektu. Rychlost záznamu, která je srovna-  nálezů,  pohřebišť  i  izolovaných  kostí,  se                telná  s  fotografováním,  a  záznam  textury   postupy  virtuální  antropologie  uplatňují                snímaného  objektu  jsou  hlavní  přednost-  především  při  rekonstrukci  a  restaura-                mi  optických  skenerů.  Nevýhodou  je  pak   ci  fragmentárních  a  jinak  poškozených                relativně  vysoká  pořizovací  cena.  Pokud   kostí. Zlomky kostí jsou v tradičním pojetí                však  není  prioritou  maximální  přesnost   restaurovány  nanesením  vrstvy  lepidla                záznamu nebo objekt je rozměrů, u kterých   nebo jiného pojiva mezi navazující úlomky.                nehrají roli milimetrové odchylky, je možné   Chybějící části jsou dále doplněny sádrou                drahé  přístroje  se  složitým  softwarem   nebo polymerem (pryskyřicí). Výsledek je                nahradit jedním fotoaparátem a vhodnou   kombinací předchozích zkušenosti restau-                počítačovou  aplikací.  Mnohé  z  nich  jsou   rátora,  jeho  vizuální  paměti  a  celkové                dnes  k  dispozici  také  volně  na  internetu   zachovalosti nálezu.                nebo  jako  dále  upravitelné  open  source   Při použití  virtuálních  postupů  začíná                zdroje.                              restaurace převodem každého zlomku kosti                   Využití optických skenerů se záznamem   do  virtuálního  prostoru.  Poté  nastupuje                                      Obr. 2. Virtuální 3D modely jihoamerických mumií z muzejních sbírek Náprstkova muzea v Praze a Kriminalis-                tického ústava Praha.                                                      7","fáze,  při  které  jsou  fragmenty  skládány    Na virtuální lebku jsou modelovány vrstvy                a upravovány v prostředí počítače tak, aby   obličejových  svalů  a  kůže.  Doplněním                byla  opětovně  nastolena  původní  celist-  o  tvar  očí,  nosu,  rtů  a  uší  a  zbarvením                vost nálezu. Výhodou je volnost, se kterou   textury  s  ohledem  na  známé  souvislosti                lze se zlomky manipulovat. Každou z částí   nebo historické záznamy vzniká přibližná                je  možné  libovolně  přesunovat,  otáčet,   podoba.  Hlavní  využití  mají  rekonstrukč-                přikládat  bez  ohledu  na  její  celkovou   ní postupy při rekonstrukci podoby histo-                velikost, původní křehkost nebo zachova-  rických  osobností  nebo  v  kriminalistice                lost okolních částí. Fragmenty mohou být   při  určování  identity  neznámých  koster-                zavěšeny v prostoru, aniž by se vzájemně   ních  nálezů,  kde  se  vytvořená  podoba                dotýkaly,  nebo  se  mohou  naopak   obličeje oběti, i když jen přibližná, zveřej-                překrývat, protože neprostupnost modelů   ňuje  v  médiích  nebo  v  tisku  za  účelem                v počítači je pouze zdánlivá. Současně je   rozpoznání.  Dalším  využitím  zrestauro-                možné chybějící části v počítači domode-  vaných nálezů je převod modelu zpět do                lovat  nebo  využít  zrcadlové  souměrnos-  fyzického  prostoru  metodami  3D  tisku                ti lidské kostry a doplnit mezery ze zacho-  (známé také pod názvy rapid prototyping                vaných  částí.  Další  inovací  je  možnost   nebo stereolitografie).                vytvářet  různé  scénáře  pro  výsledky     Virtuální  antropologie  je  novým                restaurace. Ačkoliv se to může zdát jako   technologickým  impulsem  do  studia                snadná  zábava,  podobně  jako  tradiční   zákonitostí,  které  člověka  obklopují                restaurace může být i virtuální „skládačka“  a současně se ho týkají. Využití virtuálních                poměrně  pracná  zkušenost,  především   modelů  tak  zasahuje  do  mnoha  oblastí                pro začátečníky a nezkušené.         vědy  i  společnosti.  Virtuální  modely                   Výsledné  restaurované  nálezy  jsou   usnadňují  výměnu  informací  a  poznatků                vhodným podkladem pro virtuální rekon-  v  oboru  a  přispívají  k  popularizaci  vědy                strukce  podoby  jedince.  Lebka  člověka,   v  kontaktu  s  laickou  veřejností.  Virtuální                virtuální  i  skutečná,  především  její   sbírky   významných   antropologických                obličejová  část,  je  základním  stavebním   nálezů  napomáhají  chránit  naše  kulturní                prvkem  vnější  podoby  obličeje  člověka.   dědictví.  A  v  neposlední  řadě  poznatky                Představuje  pevnou  konstrukci,  která   získané  studiem  modelů  odkrývají  také                tvoří  základní  podklad  individuálních   nové obzory pro průmyslové, bezpečnost-                rozdílů,  na  který  se  vrství  další  detail-  ní i zábavní využití.                nější  a  lokálnější  nuance.  Podobně  se   Tato publikace představuje nové trendy                postupuje  také  při  rekonstrukci  podoby.   a  techniky  v  oblasti  biologické  antropo-                                     Obr. 3. Záznam objektů na laserovém skeneru i s pomocí počítačového tomografu.                                                      8","Obr. 4 Virtuální restaurace lebky a dolní čelisti člověka ze zachovaných úlomků kostí.                logie,  které  vycházejí  a  jsou  vázány  na   ukázat široké spektrum možných aplikací,                tradiční  (fotografie,  rentgen)  i  pokročilá   které  přesahuje  rámec  biologické  antro-                záznamová zařízení (tomografie, digitální   pologie,  v  našem  pojetí  virtuální  antro-                rentgen,  3D  laserové  skenery,  fotogram-  pologie,  a  současně  poskytnout  ucelený                metrie). Našim cílem je čtenáře seznámit   návod  základních  obecných  zákonitostí                s  možnostmi  dnes  již  relativně  dostup-  práce  s  digitálními  záznamy  a  3D  virtuál-                ných  postupů,  přístrojů  a  technologií,   ními modely.                                Obr. 5 Virtuální rekonstrukce podoby egyptské mumie Hereret vytvořená ve spolupráci Laboratoře morfolo-                gie a forenzní antropologie s Katedrou počítačové grafiky a designu a Muzeem v Moravské Třebové (autorka                rekonstrukce: Helena Lukášová) a s Univerzitou v Sao Paulo, Brazílie (autor rekonstrukce: Cícero André da                Costa Moraes).                                                       9","Povrchové modely                                                                                            Mikoláš Jurda                                                                                                   10","1. Povrchové 3D modely                    Povrchové   skenování   je   proces                záznamu  vnější  podoby  reálně  existu-                jících  předmětů  do  formy  digitálních                dat, která mohou být využita pro tvorbu                trojrozměrných  modelů,  zobrazitelných                a analyzovatelných ve virtuálním prostředí                počítače. Metody povrchového skenování                pracují  na  principu  fyzického  kontaktu                skeneru  se  snímaným  předmětem  nebo                pracují se světlem odraženým od povrchu                skenovaného  předmětu.  Protože  se                získaná  data  omezují  pouze  na  povrch                snímaného  objektu,  neobsahují  žádnou                informaci  o  jeho  vnitřní  struktuře,                hovoříme o tzv. povrchových datech.                   Výhodou  povrchového  skenování  je                věrné zachycení tvaru snímaného objektu                ve  vysokém  rozlišení.  Některé  metody                využívají  digitální  kamery  k  záznamu                barvy  snímaného  objektu  a  produkují   Obr. 6 Záznam 3D souřadnic bodů za pomoci dotyko-                tak  modely  opatřené  barevnou  texturou.   vého digitizéru                Metody  objemového  skenování  nejsou                schopny  barevnou  informaci  zazname-  pohyblivých  objektů.  I  když  se  tyto  dvě                nat!  Na  rozdíl  od  objemových  metod  se   kategorie  technologicky  výrazně  překrý-                při  povrchovém  skenování  nepoužívá   vají,  jde  o  tak  odlišné  oblasti  využití,  že                pronikající   záření,   skenování   tak   se  jimi  budeme  zabývat  v  samostatných                nepůsobí  destrukčně  na  strukturu  kosti   podkapitolách.  Téměř  všechny  metody                a  její  složení  (např.  uloženou  DNA)  a  při   mohou být použity pro kvalitní nasnímání                dodržení  bezpečnostních  pokynů  není   stabilních  objektů.  Základní  výčet  metod                jeho  použití  omezeno  na  živé  objekty.   povrchového skenování a popis využitých                Vybavení nutné pro záznam povrchových   principů  proto  uvedeme  v  podkapitole                dat  je  také  zpravidla  finančně  dostupněj-  zaměřené  na  snímání  stabilních  objektů.                ší než vybavení pro objemové skenování,    Další podkapitolu pak věnujeme výhradně                a mobilnější.                        metodám, které jsou vhodné pro snímání                                                     živých objektů.                1.1. Metody záznamu                povrchových dat                      1.1.1.  Záznam  povrchu  stabilních                                                     objektů                   Povrchová  data  se  zaznamenáva-                jí širokou škálou metod, které se zásadně   Podle  techniky  záznamu  rozlišujeme                liší  v  základních  principech  měření  tvaru   dotykové a bezdotykové skenování.                a  použitých  technologiích.  Metody    Dotykové   skenery   zaznamenávají                poskytují   různou   přesnost,   kvalitu    vnější  tvar  objektu  na  základě  fyzického                a  kvantitu  dat.  V  kontextu  antropolo-  kontaktu.  Součástí  dotykového  skeneru                gie  a  přírodních  věd  obecně  je  zásadní   je  vždy  hrot  (sonda),  který  je  přikládán                rozdělení  metod  na  metody,  které  jsou   na  povrch  skenovaného  objektu.  Skener                vhodné  pro  záznam  stabilních  objektům,   sleduje přesnou polohu hrotu v prostoru                a  metody  určené  pro  záznam  živých,   a  zaznamenává  ji  v  podobě  kartézských                                                     souřadnic.                                                     11","Laboratoř  morfologie  a  fyzické  antro-  předmět  je  skenerem  vyfotografován                pologie je vybavena dotykovými skenery   z více úhlů zároveň a na základě snímků je                firmy MicroScribe. Tyto skenery pracující   vytvořen jeho 3D povrchový model. Díky                na  principu  mechanického  kloubového   rychlosti  záznamu  jsou  optické  skenery                ramena,  které  spojuje  pevně  ukotvenou   vhodné k záznamu podoby živých objektů.                základnu  skeneru  s  pohyblivým  hrotem.   Alternativou  k  optickým  skenerům  jsou                Díky soustavě čidel v kloubech zná skener   fotogrammetrické  aplikace  vytvářející                přesnou polohu hrotu.                trojrozměrné  modely  ze  snímků  poříze-                   Kontaktní  skenery  jsou  vhodné  pro   ných běžnými digitálními fotoaparáty (viz                rychlý  a  přesný  záznam  trojrozměrných   kap. 1.6. Digitalizace stabilních objektů...).                souřadnic bodů a křivek, tedy diskrétních   Aktivní   povrchové   skenování   je                prvků. Některé typy kontaktních skenerů   prováděno  povrchovými  skenery,  které                umožňují věrný záznam úplné povrchové   podle principu záznamu 3D dat rozlišuje-                morfologie,  zpravidla  jsou  však  pro  tyto   me na Time-of-flight skenery a triangulač-                účely  používány  bezdotykové  metody   ní skenery.                povrchového  skenování,  na  které  se   Time-of-flight  (TOF)  skenery  generují                v dalším textu omezíme.              prostorová  data  na  základě  času,  který                   Bezdotykové  metody  (angl.  contact   laserový  paprsek  potřebuje  na  cestu  ke                free surface scanning) pracují s viditelným   snímanému  povrchu  a  zpět.  Vzhledem                světlem  odraženým  od  povrchu  skenova-  k  poskytované  přesnosti,  pohybující  se                ného objektu. Podle toho, jestli je snímání   v řádu milimetrů až centimetrů, jsou TOF                založeno  na  pasivním  záznamu  podoby   skenery  využívány  ke  skenování  objektů                předmětu, nebo na základě odrazu světla   větších rozměrů, např. budov nebo arche-                aktivně promítaného skenerem, rozlišuje-  ologických nalezišť.                me pasivní a aktivní metody záznamu 3D   V  kontextu  věd  zabývajících  se                povrchových dat.                     biologií člověka se více uplatňují skenery                   Pasivní   metodou    povrchového   pracující  na  principu  triangulace,  které                skenování  je  fotogrammetrické  modelo-  jsou  určené  pro  skenování  předmětů  do                vání  (nebo  také  blízká  fotogrammetrie,   velikosti ca pěti metrů a poskytují řádově                angl.  Close-range  photogrammetry),  při   větší  přesnost.  Triangulační  skenery                kterém  jsou  povrchová  data  generována   promítají  na  snímaný  povrch  vzor,  např.                ze  série  fotografií,  zachycujících  modelo-  pruh  světla  nebo  světelnou  mřížku,                vaný předmět z různých úhlů. Na principu   a  zároveň  tento  povrch  snímají  digitální                fotogrammetrie  pracují  optické  skenery,   kamerou, umístěnou mimo osu promítání.                které  jsou  soustavou  pevně  spojených   Povrchová  3D  data  jsou  generová-                digitálních   fotoaparátů.   Modelovaný   na  na  základě  deformace  světelného                                  Obr. 7 Povrchové 3D modely neobsahují informaci o vnitřní struktuře modelovaného objektu. Jde o jednovrs-                tvé duté schránky.                                                      12","vzoru  při  dopadu  na  skenovaný  povrch.   byly  vytvářeny  laserovými  triangulační-                Podle  typu  využitého  záření  rozlišujeme   mi skenery (skener CyberWare 3030RGB/                laserové  skenery  a  skenery  se  struktu-  PS  Scanner  –  technologie  patentová-                rovaným,  bílým  nebo  modrým,  světlem.   na  1985).  Výhodou  laserových  skenerů                Laserové  skenery  promítají  jednu  či  více   je spolehlivost a přesnost záznamu. Kvůli                linek,  kterými  postupně  přejíždějí  po   dlouhému  času  snímání  však  laserové                skenovaném  povrchu.  Skenery  se  struk-  skenery  nepředstavují  příliš  vhodnou                turovaným  světlem  promítají  na  celou   technologii pro záznam živých osob. I když                oblast  zorného  pole  snímače  strukturo-  některé  ze  skenerů  dokážou  nasnímat                vaný obrazec, nejčastěji soustavu světlých    celý  povrch  těla  během  několika  sekund,                a tmavých pruhů nebo mřížku, na stejném   snímání je stále příliš pomalé na to, aby                principu  jako  dataprojektory,  zorné   byl úplně eliminován vznik chyb modelu v                pole  tak  snímají  najednou,  za  kratší  čas   důsledku dýchání, mrkání a mimovolných                než  laserové  skenery.  Vysoká  přesnost,   pohybů  probanda.  Přesto  byla  vyvinuta                schopnost nasnímat předměty o velikosti   řada  laserových  skenerů,  určených  jak                několika milimetrů a využití zdraví neohro-  pro  snímání  celého  těla  (např.  Vitus  3D                žujícího  světla  jsou  hlavními  výhodyami   Body Scanner), tak různých oblastí – horní                skenerů  se  strukturovaným  světlem  ve   poloviny trupu a hlavy (např. CyberWare                srovnání  se  skenery  využívajícími  laser.   Fullhead Scanner) nebo například nohou                Nevýhodou  ve  srovnání  s  laserovými   (skener YETI ).                                                               TM                skenery je vyšší cena.                  Více  se  v  oblasti  záznamu  povrchu                   V následujících kapitolách probereme   těla uplatnily skenery se strukturovaným                především  dvě  metody  povrchového   světlem (např. celotělový skener Mega3p                skenování, používané v Laboratoři morfo-  nebo  skener  BodyScan  3D),  jejichž                logie  a  forenzní  antropologie,  laserové   výhodou  je  krátký  snímací  snímací  čas                skenery  a  fotogrammetrické  modelování   (např. 0,15 s u BodyScan 3D) a zdravotní                za  použití  snímků  pořízených  digitálními   nezávadnost  promítaného  bílého  světla.                fotoaparáty.                         Nevýhodou  skenerů  se  strukturovaným                                                     světlem  je  nutnost  kontroly  podmínek                1.1.2.  Záznam  povrchu  živých      snímání, především osvětlení.                                                        Pravděpodobně  nejvíce  se  při  digita-                objektů                              lizaci  lidského  těla  uplatňují  optické                                                     skenery,  pracující  na  principu  fotogram-                   Pro  záznam  povrchu  lidského  těla   metrického zpracování snímků pořízených                mohou být použity všechny výše popsané   synchronizovanými  fotoaparáty.  Velkou                metody.  Digitalizace  živých  osob  klade   výhodou  optických  skenerů  je  velmi                nároky  především  na  rychlost  záznamu   krátký  čas  expozice,  v  řádu  milisekund,                a   zdravotní   nezávadnost   použitých   který  téměř  úplně  eliminuje  negativní                technologií.  Pro  všechny  bezkontakt-  vliv  pohybu  snímané  osoby  na  kvalitu                ní  metody  představuje  problém  tělesné   výsledného  modelu.  Další  výhodou  této                ochlupení. Chlupy a vlasy jsou často pod   metody  je  velmi  kvalitní  záznam  barev-                rozlišovací schopnost metod a negativně   nosti  snímaných  objektů,  umožňující                ovlivňují výpočet morfologie v zasažených   tvorbu  modelů  opatřených  fotorealistic-                oblastech.  Místa  souvisle  pokrytá  ochlu-  kou texturou.                pením, např. kštice, jsou často modelová-  Pro vytvoření trojrozměrného modelu                na velmi přibližně nebo vůbec, za vzniku   musí  být  objekt  nasnímán  minimálně  ze                děr  ve  výsledném  modelu.  Také  řídký   dvou  pohledů.  Nejjednodušší  skenery                pokryv  a  ojedinělé  chlupy  mohou  být   sestávají  ze  dvou  synchronizovaných                zdrojem artefaktů, které podstatně ovlivní   kamer  nebo  z  jedné  kamery,  snímající                přesnost výsledného modelu.          objekt  zároveň  z  více  pohledů  díky                   První  modely  povrchu  lidského  těla   rozdělené  optické  cestě.  Specializova-                                                       13","né  skenery,  určené  pro  využití  v  oblasti   Ten  24  antics,  DI3D).  Fotogrammetrické                dermatologie,  poskytují  velmi  detailní   zpracování  snímků  pořízených  postupně,                záznam  povrchu  kůže  v  rozsahu  nepře-  jedním  digitálním  fotoaparátem  je  pro                kračujícím několik centimetrů čtverečních.   snímání  živých  objektů  nevhodné  kvůli                Velké  množství  skenerů  poskytuje  zorné   dlouhému času, nutnému pro nasnímání                pole odpovídající velikosti obličeji, nebo je   probanda.                na snímání lidského obličeje přímo desig-  Samostatnou  kapitolu  představují                nováno, včetně příslušných úprav ovláda-  skenery  využívající  rádiové  vlny  a  ionizu-                cího  softwaru.  Vedle  stolních  optických   jící  záření,  tzv.  TSA  Scanners,  umožňují-                skenerů  (Vectra  M1)  jsou  dostupné    cí záznam povrchu těla přes oblečení, bez                i vysoce mobilní systémy, poskytující flexi-  přímého vizuálního kontaktu. Tyto skenery                bilitu  srovnatelnou  s  fotoaparáty  (ruční   se uplatňují v oděvnictví a v bezpečnost-                skenery  Fuel3D  a  Vectra  H1).  Skenery    ním  průmyslu  a  poskytují  pouze  hrubé,                s  větším  zorným  polem,  umožňující   málo detailní modely.                polo-tělové  a  celo-tělové  snímání,  jsou   Ve  výbavě  Laboratoře  morfologie                zpravidla  sestaveny  z  většího  množství   a forenzní antropologie jsou dva optické                snímačů.  Extrémem  jsou  v  této  oblasti   skenery  firmy  Vectra  (Canfield  Scientific                soustavy desítek synchronizovaných fotoa-  Inc.). Vlastnostem těchto skenerů a jejich                parátů, umožňující nasnímat celé tělo ze   praktickému použití je věnována kapitola                všech stran najednou (skenovací systémy   1.5. Laserové triangulační skenery.                                                                                                14","1.2.  Povrchová  data  –  typy       výstupem  povrchového  skenování,  body                                                     mraku jsou považovány za body povrchu                a formáty                            modelovaného předmětu.                                                        V  nejjednodušší  formě  může  být                   Výstupem  povrchového  skenování   bodový  mrak  zaznamenán  pouze  jako                jsou  tzv.  povrchová  data,  informace    seznam  souřadnic,  body  však  mohou                o vnější podobě skenovaného předmětu.   být  charakterizované  také  kvalitou,  např.                   Nejjednodušší  formou  povrchových   informací  o  barvě  bodu.  Bodový  mrak                dat je tzv. bodový mrak (angl. point cloud).   může být vizualizován a použit k základním                Bodový mrak je množina diskrétních bodů,   měřením,  pro  složitější  analýzy  a  prezen-                umístěných  v  jednom  trojrozměrném   taci se však převádí do formy polygonální                prostoru v přesně daných pozicích, defino-  sítě (mesh), případně NURBS modelů.                vaných  hodnotami  (x,y,z)  kartézských   Polygonální  síť  (mesh)  je  soustavou                souřadnic.  Bodový  mrak  je  primárním   jednotlivých  vrcholů  (bodů,  vertices),                                                                Obr. 8 Typy povrchových dat                                                      15","hran  spojujících  tyto  vrcholy  (edges)    v  informaci,  kterou  jsou  schopny  nést.                a jimi vymezených plošek, polygonů (facet,   Soubor  3D  polygonální  sítě  zpravidla                faces).  Na  rozdíl  od  bodového  mraku   obsahuje  informaci  o  1)  poloze  vrcholů,                se  jedná  o  spojitý  útvar,  mnohostěn,   ke  kterým  může  být  připojena  např.                který  má  jednolitou  plochu  a  může  být   informace  o  barvě;  2)  propojení  vrcholů                kompletně uzavřen. Polygonální sítě mají   hranami;   3)   uspořádání   polygonů,                oproti  bodovým  mrakům  řadu  výhod.   u kterých je specifikováno směřování rubu                Zobrazení  uzavřené  sítě  je  mnohem   a líce (normála), případně další vlastnosti                intuitivnější  a  více  odpovídá  skuteč-  jako průhlednost nebo lesklost.                nému  pohledu  na  modelovaný  objekt.   V  tomto  manuálu  se  omezíme  na  tři                Uzavření  objektu  umožňuje  také  složi-  základní formáty obj, stl a ply.                tější  analýzy  modelu  (např.  rovinné  řezy   STL  je  formát  určený  primárně  pro                nebo měření objemu) a připojení barevné   využití  v  trojrozměrném  tisku  –  STereoLi-                povrchové textury. Nevýhodou polygonál-  tografii. Soubor obsahuje pouze souřadni-                ních modelů je větší výpočetní náročnost   ce vrcholů polygonů a normály, neuchová-                jejich  zobrazení  a  složitější  editování,   vá žádnou informaci o barvě. Soubory stl                v porovnání s bodovými mraky.        mohou být typu ASCII a Binary, při ukládání                   K převodu z mraku bodů na polygonál-  do formátu STL aplikace zpravidla vyžadují                ní síť (surface reconstruction, polygonizati-  specifikaci  typu  souboru.  Soubory  typu                on atd.) dochází zpravidla ještě v průběhu   ASCII  mají  uspořádanější  strukturu,  ale                tvorby  a  editace  modelu  v  ovládacím   jsou větší. Protože modely určené pro 3D                rozhraní  skeneru,  případně  v  prostředí   tisk musejí být uzavřené, hlásí v  případě                fotogrammetrických  aplikací,  zároveň   ukládání neuzavřených polygonálních sítí                však  můžeme  model  ve  většině  případů   některé programy chybu.                uložit také v základní formě mraku bodů   OBJ je univerzální formát, který může                a  polygonální  síť  vytvořit  v  některém   být importován a exportován téměř všemi                z editačních programů třetích stran.  aplikacemi pro editaci 3D dat. Formát obj                   Povrchové  3D  modely  mohou  být   může  obsahovat  informaci  o  umístění                uloženy  do  souborů  různých  formátů.   textury  na  povrchu  modelu,  tzv.  souřad-                Jednotlivé  formáty  se  liší  především   nice textury (Texture coordinates).                                          Obr. 9 Textura                                                       16","PLY  formát  může  kromě  geometrie   se  ztrátou  informace.  Každý  digitální                sítě   obsahovat   také   informaci    signál je omezen svým rozlišením. Stejně                o barevnosti vrcholů a facet. Formát .ply   jako  jsou  digitální  fotografie  omezeny                může být propojen se souborem textury.   počtem pixelů, je rozlišení polygonálních                V některých programech (např. MeshLab)   sítí omezeno počtem vrcholů a polygonů.                zobrazení textury nemusí fungovat.   V  praxi  používanými  mírami  rozlišení                   Textura  je  obrázek,  uložený  jako   polygonálních modelů jsou: počet vrcholů                samostatný   soubor   propojený   se   na  jednotku  plochy  (podle  provenience                souborem  modelu.  Při  zobrazování  ve   programu a nastavení počet vrcholů/cm                                                                                      2                                                           2                virtuálním  prostředí  je  tento  obrázek   nebo in ) a vzdálenost vrcholů, respektive                „nabalen“ na virtuální model a dodává mu   délka hrany polygonů.                reálný,  barevný  vzhled.  Jak  jsme  uvedli,   U  modelů  získaných  skenováním  je                také jednotlivé body a facety mohou být   množství  informace  nesené  modelem                opatřeny  informací  o  barvě,  její  detail-  omezeno   rozlišením   poskytovaným                nost  je  však  omezena  rozlišením  polygo-  skenovací  metodou.  Podle  technické                nální  sítě  a  podoba  modelu  tak  nedosa-  specifikace  jsou  skenery  MicroScan                huje kvality, které je dosaženo při použití   a MicroScribe schopny generovat modely                textury.                             o  velmi  vysokém  rozlišení  v  řádu  tisíců                                                     vrcholů na čtvereční palec. Také fotogram-                1.3. Rozlišení digitálních modelů    metrické  aplikace  jsou  schopny  vytvářet                                                     modely o velmi vysokém rozlišení.                   Digitalizací  je  tvar  povrchu  fyzicky   Rozlišení,  tj.  vlastnost  generované                existujícího objektu převeden do digitální   sítě, nesmí být zaměňována s přesností                formy. Protože jde o převod kontinuálního   metody, tedy shody morfologie modelu                signálu do podoby nespojité posloupnos-  se skenovaným objektem, a její citlivostí,                ti celých čísel, je tento proces vždy spojen   schopností metody zachytit detaily.                                                Obr. 10 Různé úrovně rozlišení polygonální sítě nastavitelné při skenování přístrojem NextEngine v režimu                 Wide, v tis. bodů na palec čtvereční.                                                      17","Obr. 11 Různé úrovně rozlišení polygonální sítě nastavitelné při skenování přístrojem NextEngine v režimu                Macro (facies symphysialis), v tis. bodů na palec čtvereční.                    Zpravidla  platí,  že  čím  větší  je  počet   Podle  zvolené  metody  může  být                vrcholů,  tím  detailněji  reprezentuje   rozlišení  výsledného  modelu  ovlivněno                model tvar reálného předmětu. Rozlišení   zpravidla  na  několika  úrovních,  při                polygonálních  modelů  může  teoreticky   snímání, na úrovni bodového mraku nebo                narůstat  do  nekonečna,  současně  s  ním   při  spojování  skenů  do  jednoho  modelu.                však  narůstá  také  velikost  souboru  3D   Redukce  rozlišení  je  také  základním                dat  a  náročnost  počítačového  zpracová-  nástrojem aplikací pro editaci trojrozměr-                ní. Použité rozlišení je vždy kompromisem   ných  modelů  (Amira  –  Simplify;  GOMIn-                mezi účelem, pro který je model využíván   spect – Thin mesh; MeshLab – Quadratic                a  cenou,  nároky  kladenými  na  výpočetní   Edge Collapse Decimation).                vybavení.                     Počet vrcholů polygonální sítě na jednotku plochy                                      Obr. 12 Rozlišení polygonálních modelů                                                       18","Obr. 13 Rozlišení povrchových modelů                Modely s větším rozlišením reprezentují věrněji podobu modelovaného objektu. Při redukci rozlišení dochází k                nevratné ztrátě informace. Umělé navýšení počtu vrcholů s pomocí editačních nástrojů vede ke zhuštění poly-                gonální sítě, ale ne k rekonstrukci ztracené informace!                 Editační aplikace nabízejí také nástroje na   podložky atd. Součástí skenů mohou být                zahuštění polygonální sítě, vždy jde pouze   také  různé  artefakty  skenování,  které  by                o  dopočítání  polohy  nových  vrcholů  na   mohly mít nežádoucí vliv na kvalitu výsled-                základě  informace  obsažené  ve  stávají-  ného modelu.                cím modelu!                 1.4.  Postup  tvorby  povrchových                modelů                   Bez  ohledu  na  použitou  metodu                může být proces tvorby 3D povrchového                modelu rozdělen na tyto základní kroky:                1) Snímání                   Prvním  krokem  je  samotný  záznam                povrchových  dat.  Primárním  výstupem                může být mrak bodů nebo polygonální síť.                   Ať  už  objekt  skenujeme  laserovým   Obr.  14  Oříznutí  částí  skenů  zachycujících  rotační                skenerem nebo ho snímáme pro fotogram-  stolek, na kterém byla umístěna skenovaná pánevní                metrické  modelování,  není  zpravidla   kost.                možné zachytit celý jeho povrch najednou.                Důvodem jsou zakryté a odvrácené části   3)  Zarovnání  dílčích  skenů  (Alignment                povrchu  a  oblasti,  kterými  se  skenovaný   v  programu  NextEngine;  Registration                objekt  dotýká  podložky  nebo  nástrojů,   v programu MicroScan Tools)                které fixují jeho polohu.               Pokud  mezi  záznamem  jednotlivých                   Pro získání kompletního 360° modelu   dílčích  skenů  došlo  k  reorientaci  skenova-                je tak ve většině případů nutné nasnímat   ného  objektu,  např.  k  jeho  obrácení  tak,                objekt  vícekrát  z  různých  úhlů.  Výjimku   aby mohly být nasnímány dříve nedostup-                mohou představovat povrchové reliéfy.  né  části,  jednotlivé  dílčí  skeny  na  sebe                2) Ořezávání (Trimming)              vzájemně  nesedí  –  nevytvářejí  dojem                   Druhým  krokem  je  čištění  skenů  od   jednolitého  modelu.  V  tomto  kroku  jsou                nežádoucích  částí,  jako  jsou  záznamy   dílčí skeny zarovnány tak, aby jejich poloha                bezprostředního  okolí  objektu,  držáků,   odpovídala povrchu skenovaného objektu.                                                       19","Obr. 15 Zarovnání dílčích skenů – původní skeny na sebe neseděly, po zarovnání vytvářejí skeny dojem jedno-                litého modelu zubu.                 4)  Tvorba  finální  polygonální  sítě  (Fuse,  sítě. Model sestavený z překrývajících se                Merge)                               sítí by prakticky nešlo dále editovat a analy-                   Vyrovnané dílčí skeny vytvářejí dojem   zovat.  Editační  nástroje  pracují  většinou                jednolitého  modelu,  stále  však  jde    s  jednou  sítí,  v  místech  překryvu  by  se                o samostatné, překrývající se polygonální   tedy musely editovat všechny sítě zvlášť.                                                     Vícevrstevný model navíc obsahuje velké                                                     množství  redundantní  informace,    která                                                     navyšuje objem dat. Z těchto důvodů jsou                                                     zarovnané dílčí  skeny sloučeny do jedno-                                                     vrstevné  polygonální  sítě,  konečného                                                     modelu.                                                        V  závislosti  na  použité  metodě  může                                                     v  této  fázi  dojít  k  polygonizaci  zarovna-                                                     ných  bodových  mraků,  spojení  zarovna-                                                     ných  dílčích  sítí  (Fuse  při  použití  NextEn-                                                     gine)  nebo  k  převodu  zarovnaných  sítí                                                     na mrak bodů a k opětovné polygonizaci                                                     (MicroScan Tools).                                                     5) Export                                                        Aplikace ovládající skenery a fotogram-                                                     metrické  aplikace  využívají  k  uložení                                                     dat  zpravidla  soubory  vlastních  formátů                                                     (nelze  je  otevřít  v  jiných  aplikacích).  Pro                                                     další použití se proto hotové 3D modely                                                     exportují  do  některého  z  obecných                                                     formátů 3D povrchových modelů (viz kap.                                                     1.2. Povrchová data – typy a formáty)                                                     6) Post-processing                                                        Poslední  fází  tvorby  3D  povrchové-                                                     ho  modelu  je  konečná  úprava  modelu                Obr. 16 Sloučení olygonálních sítí.                                                      20","za  pomoci  editačních  nástrojů.  V  tomto   celé snímané ploše je vytvořen mrak bodů,                kroku jsou využívány nástroje pro opravu   základ 3D povrchového modelu.                polygonální  sítě,  redukci  rozlišení,  zápla-  Ve  vybavení  Laboratoře  morfologie                tování  děr  nebo  úpravy  povrchu.  Řada   a forenzní antropologie jsou dva laserové                nástrojů je v nabídce samotných programů   skenery,  skener  NextEngine  a  skener                pro ovládání skenerů nebo fotogrammet-  MicroScribe.                rických aplikacích (potom jsou prováděny   NextEngine HD je stolní laserový skener,                před  exportem),  zároveň  je  však  volně   umožňující  vytvoření  digitálních  modelů                dostupná  řada  editačních  aplikací  dat   s  plně  barevnou  texturou.  Ovládacím                třetích stran. Editace 3D modelů je náplní   rozhraním  je  nativní  program  ScanStu-                kapitoly 2. Editace trojrozměrných modelů.  dio.  Skener  sestává  ze  snímače  a  stolku,                                                     na  který  se  umísťuje  skenovaný  objekt.                1.5.  Triangulační  3D  laserové     Vlastní  snímač  je  nepohyblivý.    Stolek  je                skenery                              polohovatelný a může být naprogramován                                                     tak, aby se během skenování otáčel kolem                   3D  laserové  skenery  jsou  soustavou   vertikální  osy  a  umožnil  tak  nasnímání                laseru,   vyzařujícího   pruh   světla,    objektu ze všech stran. Skenování tak může                a  digitální  kamery,  která  zaznamená-  být částečně automatizováno. V základní                vá odraz světla od povrchu skenovaného   verzi  umožňuje  NextEngine  skenovat  ve                objektu.  Kamera  je  umístěna  mimo  osu   dvou režimech „Macro“ a „Wide“, které se                promítání, z jejího pohledu se tedy obraz   liší jak rozlišením výsledných modelů, tak                pruhu mění v závislosti na tvaru povrchu,   velikostí, které mohou skenované objekty                na který je promítán. Zdroj laseru, kamera   dosahovat (viz kapitola 1.5.1.).                a  promítaný  obraz  tvoří  pomyslný  trojú-                helník.  Protože  vzdálenost  mezi  zdrojem                a  kamerou  a  úhel  promítání  jsou  známy,                mohou být na základě polohy promítané-                ho obrazu v zorném poli snímače vypočí-                tány,  triangulovány  3D  souřadnice  bodů                obrazu. Triangulací většího počtu bodů na                                                            Obr. 18 Jednoosý stolek a stolek MultiDrive                                                     Ke  skeneru  můžeme  připojit  jednoosý  stolek  (pro                                                     režim WIDE a MACRO), otáčející se podél vertikální                                                     osy,  a  stolek  „MultiDrive“  (pouze  makro),  který  se                                                     může  natáčet  i  okolo  horizontální  osy  a  nabízí  tak                                                     větší  možnosti  polohování  objektu  v  průběhu  ske-                                                     nování                                                       Specifikace  snímacích  režimů  skeneru                                                      NextEngine                                                                   MACRO režim  WIDE režim                                                      rozlišení:   0,013 mm    0,38 mm                                                      velikost objektu:  7,6 x 12,7 cm  25,4 x 33 cm                                                      snímací vzdálenost: 16,5 cm  43 cm                Obr. 17 Triangulace tvaru skenovaného povrchu lase-                rovým skenerem.                                                     21","Skener   MicroScan   je   skenovací                nástavec    ramenového     digitizéru                MicroScribe. Na rozdíl od skeneru NextEn-                gine se během skenování ručně pohybuje                snímačem  umístěným  na  kloubovém                rameni  okolo  snímaného  objektu,  jehož                poloha  je  fixována.  Ramenový  digitizér                poskytuje  informaci  o  přesné  poloze                snímače,   který   zachycuje   povrcho-                vou  morfologii.  Skenování  nemůže  být                automatizováno  a  skener  neumožňu-                je  vytvářet  texturované  modely,  zazna-                menává  pouze  tvar.  Díky  pohyblivému                ramenu a malým rozměrům je však skener                flexibilní,  umožňuje  skenování  větších                předmětů a ploch, které jsou pro snímač                skeneru  NextEngine  špatně  dostupné,                např. vnitřního povrchu dutých předmětů.                   Skener  MicroScan  pracuje  ve  dvou   Specifikace skeneru MicroScan                režimech  Large  laser  a  Small  laser,   Přesnost: 0,1 – 0,3 mm                vhodného pro skenování menších objektů   Rychlost triangulace 28 tis. vrcholů                a detailů, které se liší v hloubce pracovní-  Dva lasery pro skenování předmětů různé veli-                ho pole.                              kosti.                   1.5.1.  Praktická  ukázka  –  digitalizace  lidské  pánevní  kosti  skenerem                NextEngine                Příprava skenování                 •  Ke  skeneru  připojíme  otočný  stolek.  Lidská  pánevní  kost  zhruba  odpovídá  rozměrům  pro                  skenování v nastavení Wide, proto použijeme jednoosý stolek a tento režim.                •  Skener připojíme k počítači.                •  Spustíme program ScanStudio HD.                  Správa souborů v programu NextEngine                 Každý nový projekt (obsahující skeny jednoho objektu, záložní kopie, fotografie pro generování                 textury atp.) je ukládán pod automaticky generovaným jménem                                                3D_scan_##                  do složky určené v nastavení programu. Defaultně je využívána složka \"… > Dokumenty > My 3D                 > …\", tato složka může být změněna v nastavení programu (Edit > Preferences).                  Projekt můžeme ve kterékoliv fázi uložit do námi zvoleného adresáře (File >  Save as…). Původní                 projekt zůstává uložen v nastavené složce a může být vymazán.                 S  přibývajícími  skeny  a  záložními  kopiemi  (vytvářenými  programem  před  každým  editačním                 krokem) narůstá velikost složky projektu o stovky Mb až gigabity!!! K úspoře místa na HDD je                 dobré projekt dotáhnout do konce v původním umístění, vymazat nepotřebné dílčí skeny a až                 na závěr archivovat definitivní podobu projektu v konečném umístění.                                                      22","I. Snímání                 •  Ikonou Scan spustíme skenovací rozhraní.                  Skenovací rozhraní                                      •  Do žlutého okna vepíšeme název projektu                •  Skenovanou pánev umístíme na otočný stolek, správné umístění přitom sledujeme v náhledo-                  vém okně.                •  Pro první snímání zvolíme vertikální orientaci kosti. Skener tak bude moci nasnímat téměř celý                  povrch pánve. Pánev je důležité upevnit tak, aby se vůči stolku nehýbala!!! Pomoci si můžeme                  držáky, které jsou ke skeneru k dispozici.                •  Zvolíme typ skenování                •  Cílem je vytvořit kompletní digitální model pánevní kosti, pro první skenování tedy zvolíme režim                  skenování 360. Počet snímání, tedy počet úhlů, ze kterých bude kost nasnímána, nastavíme                  volbou Divisions. V našem případě nastavíme počet Divisions  na 13. S počtem snímání roste                  kompletnost  výsledného  modelu,  zároveň  však  vzrůstá  časová  náročnost  skenování.  Počet                  Divisions tak nastavujeme v závislostech na komplexnosti skenovaného tvaru a našich časových                  možnostech.                   Positioning – automatizace skenovacího procesu                                 360                                 Při tomto nastavení je předmět nasnímán vícekrát, z různých úhlů.                                 Počet úhlů, ze kterých bude předmět nasnímán, nastavujeme hodnotou                                 Divisions. Např. při nastavení Divisions na 10 je předmět nasnímán z 10                                 různých úhlů. Mezi jednotlivými snímáními se stolek pootočí o 36°.                                  Bracket                                 Skener  nasnímá  objekt  třikrát,  jednou  v  nastavené  poloze  a  dvakrát,                                 pootočený  doprava  a  doleva  o  úhel  daný  hodnotou  Divisions  (360/                                 DIVISIONS).  Volbu  Bracket    můžeme  využít  při  doskenovávání  oblastí,                                 které nebyly pokryty při 360 skenování.                                 Single                                 Skener nasnímá objekt jednou, v nastavené poloze. Typ Single může být                                 využit podobně jako Bracket, je však méně účinný.                                                     23","•  Nastavíme rozlišení skenování na 1,1 k points/inch 2                  Při nastavení 1,1 k points/inch  se vždy můžeme dostat k modelu v maximálním rozlišení (viz                                         2                  následující rámeček), proto využijeme toto nastavení.                  Automatická redukce rozlišení                  Rozlišení výsledného modelu není dáno pouze množstvím snímané informace, ale především                  různým stupněm její následné redukce. Redukce modelu je nastavena a provedena automatic-                  ky podle nastaveného rozlišení skenování. Např. při nastavení rozlišení 4,4, 2,0 nebo 1,1 snímá                  skener vždy v rozlišení 4,4k/in, následně však data redukuje na nastavenou hodnotu.                           Díky tomu, že program uchovává původní, neredukovaná data, můžeme model vždy přepočí-                  tat na nejvyšší rozlišení, dané kvalitou snímání (viz tabulka). K přepočtu rozlišení slouží nástroj                  Regenerate scans (Fuse > Regenerate scans... >...).                •  Ovladači stolku nastavíme počáteční polohu pro skenování.                  Při volbě 360 vždy zkontrolujeme, jestli je kost v zorném poli kamery v průběhu celého cyklu.                  Pokud používáme volbu Bracket nebo Single, nastavíme počáteční polohu tak, aby byla jasně                  viditelná oblast, kterou chceme skenovat.                   Multi-Drive                   Při použití stolku Multi-Drive můžeme nastavit jak                  vertikální,  tak  horizontální  polohu  ovladači  Start,                  resp. Tilt.                      •  Skenování spustíme ikonou Scan.                •  Změníme polohu kosti na otočném stolku a                  skenování opakujeme tak, abychom pokryli                  celý povrch kosti.                  V případě pánve nebyla nasnímána spodní                  část  sedací  kosti,  na  které  pánev  stála                  a  hřeben  kosti  kyčelní,  který  nebyl  pro                  snímač viditelný. Abychom získali kompletní                  model, naskenujeme kost podruhé v poloze                  kolmé  na  původní  polohu.  Skener  tak                  nasnímá  kost  z  jiných  úhlů  než  při  prvním                  skenování a doplní chybějící oblasti.                •  Pokud  nám  to  časové  možnosti  dovolují,                  provedeme  další  skenování  v  režimu  360.                  V  opačném  případně  můžeme  slepá  místa                  doskenovat v módu Bracket.                                                      24","•  V případě potřeby skenování opakujeme v jiné poloze tak, abychom zaznamenali celý povrch                  kosti.                •  Výstup skenování můžeme prohlížet v základním okně aplikace.                  Skeny z jednoho vícenásobného skenování (režim 360 nebo Bracket) tvoří tzv. Family skenů.                  Jednotlivé Family jsou zobrazeny na dolní liště pod náhledovým oknem. První Family je umístěna                  v zeleném poli spodní lišty, každá další skenovaná Family je umístěna do modrého pole                  Skeny patřící do jedné Family jsou vzájemně správně orientovány, vytvářejí dojem jednolité-                  ho modelu, jde však o několik samostatných polygonálních sítí!!! (pokud bychom s pánví mezi                  jednotlivými skenováními pohnuli, skeny by k sobě nepasovaly).                  Dvojitým kliknutím LMB na miniaturu jedné z Family můžeme na dolní liště zobrazit jednotli-                            vé skeny tvořící Family. Na liště pak můžeme skeny z Family oddělit (přetažením dané ikony                  do pravého, modrého pole, nebo kliknutím RMB na ikonu a volbou Detach scan), případně je                  odstranit (volbou Delete).                          V některých případech může dojít k chybné orientaci v rámci                  jedné Family sítí (viz doprovodné obrázky).                   Chyba  může  být  opravena  rozdělením  sítí  Family  a  jejich                  opětovným spojením.                   •  Rozevřeme Family špatně orientovaných skenů (dvojklik                     LMB na miniaturu).                   •  jednotlivé skeny v dolní liště (kromě jednoho) přetáhne-                     me do modrého pole lišty, vpravo.                   •  Pomocí  funkce  Alignment  spojíme  libovolné  dva  skeny,                     zbytek skenů se připojí automaticky.                    Možnosti obecného nastavení skenovacího procesu (Scan > Settings...)                                             Texture  Capture  Mode  –  umožňuje  nastavení  snímání                                            barev na černobílý režim, (resp. stupně šedi, Monochro-                                            me),  standardní  barevný  režim  (RGB)  nebo  kvalitní                                            barevný režim (Multi-Spectral)                                            Turn off Texture Capture – vypnutí záznamu textury                                            Disable Scan-time AutoAlignment - vypnutí automatické-                                            ho alignování dílčích skenů během skenovacího procesu.                                                        25","II. Ořezávání - Trim                 •  Spustíme nástroj Trim.                •  Zobrazíme Family, kterou chceme editovat (kliknutím LMB na příslušnou ikonu ve spodní liště).                •  Za pomoci jednoho ze selekčních nástrojů označíme části sítě, které chceme odstranit.                •  Označujeme za pomoci tlačítka LMB s aktivovanou ikonou „+“ (De/Select). Stejným způsobem                   můžeme vybrané části odznačit s aktivovaným „-“.                       •  Označené oblasti odstraníme kliknutím na ikonu Trim.                •  Protože  nepracujeme  s  jednotlivými  dílčími  skeny,  ale  s  celou  Family  skenů,  označujeme                  a odmazáváme části všech dílčích skenů, které jsou součástí dané Family.                                               Automatické ořezávání – Polish > AutoTrim                  Části  objektu  naskenované  pod  příliš  velkým  úhlem                 mohou  být  zdrojem  nepřesností.  Generované                 polygony jsou v těchto místech zpravidla větší, než je                 nastavené rozlišení a mohou být naskenovány s větší                 chybou (větší vliv triangulační chyby).                 Nástroj  AutoTrim  dovoluje  tyto  polygony  automatic-                 ky odstranit buď na základě úhlu, který svíraly s osou                 skenování, nebo na základě jejich velikosti.                 Automatické  ořezání  může  zvětšit  přesnost  modelu                 a  omezit nežádoucí  artefakty, zároveň však vede ke                 ztrátě dat v oblastech složitější morfologie.                                                      26","III. Zarovnání dílčích skenů – Alignment                 Prvním krokem je manuální, hrubé zarovnání jednotlivých Family                na  principu  Three  point  alignment,  druhým  pak  automatické                dohledání optimální polohy.                V zeleném poli spodní lišty je umístěna referenční Family. Family                z dalších skenování jsou umístěny v modrém poli. Jde o skeny, které                neprošly Alignment.                Nástrojem  Alignment  vždy  zarovnáváme  neorientované  Family,                v modrém poli, na Family referenční.                •  Kliknutím LMB označíme jednu z Family skenů v modrém poli                  spodní lišty.                •  Spustíme nástroj Align.                 •  Na  oba  modely  umístíme  přetažením  minimálně  tři  barevné                  kuličky tak, aby kuličky stejné barvy byly na stejných místech skenovaného objektu.                                         •  Po nadefinování bodů zarovnáme rodiny skenů tlačítkem Attach Scans.                •  Program zarovná skeny na základě polohy tří bodů a následně automaticky hledá největší shodu.                •  Po zarovnání je sken přemístěn do zeleného pole spodní lišty.                •  V některých případech program na příkaz Align nereaguje. Je potřeba odejít z nástroje Align                  a znovu jej aktivovat. Orientační body zůstanou zachovány.                •  Příkazem Refine můžeme zopakovat fázi automatické reorientace skenů.                •  Mírou  přesnosti  zarovnání  je  ukazatel  na  horní  liště.  Pokud  je  nepřesnost  vyšší  než  0,005,                  doporučuje se aplikovat Refinement.                                                                27","Obecná nastavení nástroje Alignment – Edit > Preferences… >  Align settings…                 Nastavení mají vliv především na výpočetní náročnost celého procesu – může být ponecháno                 default nastavení.                                                Max.  Iterations  –  nastavení  počtu  iterací  celého                                                procesu.  Čím  vyšší  počet,  tím  vyšší  přesnost,  ale                                                také časová náročnost (zvýšení počtu je ekvivalentní                                                provedení Refinement).                                                Ignore  Outlier  Vertices  –  při  výpočtu  vzájemné                                                polohy ignoruje polygony příliš vzdálené od průměru                                                Allow  only  small  transform  –  tato  volba  omezí                                                automatickou reorientaci pouze na malé posuny                   IV. Tvorba finální sítě – Fuse                 Family dílčích skenů, které chceme sloučit, musejí být umístěny v zeleném prostoru spodní lišty,                tj. být vzájemně správně orientovány.                        •  Nástroj slučování polygonálních sítí spustíme ikonou Fuse.                •  Nastavíme  úroveň  zjednodušení  Simplify  –  tolerovanou  odchylku  od  původní  morfologie.                  V našem případě nastavíme zjednodušení na nulovou hodnotu tak, abychom dostali co nejde-                  tailnější model. Při tomto nastavení bude mít výsledný model podobné rozlišení jako původní                  skeny.                  Jednotkou  zjednodušení  je  maximální  povolená  odchylka  nově  generované  sítě  od  tvaru                  původních skenů. Tento algoritmus zajišťuje, že si oblasti se složitější morfologií uchovají větší                  rozlišení než oblasti s jednodušší morfologií.                                           V  oblastech  se  složitější                                          morfologií zůstává detail-                                          nější rozlišení                                                                       28","•  Proces  spustíme  ikonou  Fuse.  Výsledkem  je  spojení  všech  vzájemně  se  překrývajících  sítí                  a vytvoření editovatelného jednovrstvého modelu. Miniatura modelu je umístěna v modrém                  poli dolní lišty. Zdrojové sítě jsou přesunuty do zeleného pole.                  Celý  proces  Fuse  můžeme  spustit  také  přes  ikonu  Settings,  otevřené  dialogové  okno  nám                  zpřístupňuje některé volby jako automatické zaplňování děr nebo zvětšení rozlišení výsledného                  modelu (viz následující rámeček).                    Další možnosti nastavení funkce Fuse                  Automatické zaplňování děr                  V případě aktivace jedné z prvních dvou možností                  dojde  zároveň  s  generováním  modelu  také                  k zaplnění děr:                  Water  tight  model  –  nově  vzniklý  polygonový                  model  je  kompletně  uzavřený  –  větší  díry  jsou                  automaticky zaplněny.                  Není  100%  spolehlivý,  v  případě  pánve  78  děr                  zůstalo!!! Volba vhodná pro složité objekty, které                  nechceme následně editovat.                  Fill  holes  –  můžeme  specifikovat  maximální                  rozměry děr, které budou zaplněny. Vhodné pro eliminaci malých děr.                  Zaplňování  děr  může  mít  za  následek  vznik  nechtěných  artefaktů,  pokud  budeme  model                  editovat v dalších programech, nemusíme automatické zaplňování děr využívat.                                          Texture blending                   Nastavení  Texture  blending  ovlivňuje  algorit-                  mus  vytváření  textury  nového  skenu.  Čím                  vyšší, tím je výsledná textura jednotnější – bez                  výrazného efektu na kvalitu modelu.                  Složitější modely mají často výrazně poškoze-                  nou texturu                                                        29","Další možnosti nastavení funkce Fuse                  Resolution ratio (RR)                   Volba  Resolution  ratio  nastavuje  poměr  velikosti  polygonů  výsledného  modelu  k  velikosti                  polygonů původních skenů. V základu je nastaveno na 0,9, tj. polygony výsledného modelu                  budou velikostí zhruba odpovídat velikosti polygonů původních modelů. V případě jemných                  předmětů, předmětů s hranami nebo tenkými stěnami je dobré snížit toto nastavení na ca                  0,2-0,4, při tomto nastavení bude mít výsledný model vyšší rozlišení než původní skeny.                  !!!Nízké hodnoty Resolution ratio při fúzování sítí o vysokém rozlišení vedou k výraznému růstu                  objemu dat a k padání aplikace!!!                  Volba  se  částečně  kryje  s  nastavením  hodnoty  Simplification,  která  má  rozhodující  vliv  na                  rozlišení  výsledného  modelu,  tj.  pokud  nastavíme  vysokou  hodnotu  Simplification,  budou                  modely i při nízké hodnotě RR redukované. V plné míře se nastavení Resolution ratio projeví až                  při nastavení simplifikace 0.                                               Vliv  různého  nastavení  RR  na  rozlišení  výsledného                                             modelu. Skenováno při rozlišení 1,1 k/inch.                                       V. Export modelu                 Polygonální model můžeme exportovat do dvou obecných 3D formátů – .stl a .obj (viz kap. 1.2.                Povrchová data – typy a formáty).                Před exportem se ujistíme, že v zeleném poli dolní lišty je zobrazen pouze definitivní model pánve,                jednotlivé Family skenů jsou umístěny napravo, v modrém poli.                 •  Klikneme na ikonu Output                •  Zvolíme formát pro export                                                            30","•  Pokud chceme dál pracovat s texturovaným modelem, zvolíme formát .obj, v případě, že nám                  jde pouze o morfologii, zvolíme jednodušší formát .stl (viz 1.2. Povrchová data – typy a formáty).                •  Zvolíme složku pro export a model exportujeme.                  1.5.2.  Praktická  ukázka  –  digitalizace  lidské  lebky  za  pomoci                povrchového skeneru MicroScan                Příprava skenování                 Ovládacím rozhraním je nativní program MicroScan Tools.                    Rozhraní programu MicroScan Tools                                          •  Podle  návodu  připevníme  snímací  hlavu  k  ramenovému                  digitizéru a zařízení propojíme s počítačem.                •  Spustíme aplikaci ScanStudio                •  Provedeme  tzv.  Homing  -  rameno  skeneru  uvedeme  do                  základní polohy (na obrázku) a stiskneme tlačítko na jeho                  základně.                •  Ikonou  Connect  propojíme  aplikaci  se  skenerem.  Stav                  připojení můžeme sledovat jako Status, v dialogovém okně                  nalevo  od  pracovní  plochy.  Při  správném  připojení  svítí                  zeleně s nápisem Ready.                •  Pokud  jsme  přístroj  nově  sestavili,  musíme  provést                  kalibraci za pomoci kalibrační koule.                •  Postup  sestavení  přístroje,  ustavení  základní  poloh                  a kalibrace jsou podrobně popsány v návodu skeneru.                                                            31","I. Snímání – Scan phase                •   V  dialogovém okně MicroScan aktivujeme jeden z režimů                  snímání. Large Laser, pro větší objekty, a Small Laser, pro                  skenování s detailnějším rozlišením.                •  Oba typy snímání musejí být kalibrovány zvlášť!                                        •  V dialogovém okně Adjust nastavíme parametry snímání.  Pokud laser snímače                  namíříme na povrch skenovaného předmětu, vidíme v okně Adjust obraz paprsku.                  Parametry v okně nastavíme tak, aby zobrazená čára byla tenká a nepřerušovaná.                       Nastavení skenování – Adjust                      Exposure  –  nastavuje  citlivost  senzoru.  Nízké  hodnoty                     jsou vhodné pro světlé objekty, vysoké naopak pro velmi                     tmavé objekty.                     Tolerance  –  nastavuje  maximální  šířku  obrazu  paprsku.                     Čím  je  hodnota  větší,  tím  je  senzor  tolerantnější.  U                     lesklých předmětů proto volíme vyšší hodnoty.                     •  Lebku umístíme v dosahu skeneru tak, aby se nemohla hýbat. Důležité je, abychom snímačem                  dosáhli pohodlně na celý povrch, který chceme skenovat.                •  Provedeme Homing – tj. ustavíme digitizér do základní polohy a zmáčkneme tlačítko na bázi                  digitizéru.                •  Snímač namíříme na povrch skenovaného předmětu, pokud možno kolmo. Sledujeme obraz                  paprsku v černém okně nalevo, linka by měla být přibližně uprostřed plochy.                •  Záznam  povrchu  spustíme  stisknutím  tlačítka  na  snímači.  Povrch  lebky  snímáme  pomalým,                  nepřerušovaným pohybem. Udržujeme přitom potřebnou vzdálenost od lebky. V okně aplikace                  můžeme pozorovat vytvářející se polygonální síť.                                                      32","•  Snímání ukončíme stiskem tlačítka na snímači.                •  Plocha nasnímaná na „jeden zátah“, dílčí sken, je označována Sweep a je ihned zobrazena v okně                  aplikace. Špatně naskenovaný Sweep můžeme odstranit tlačítkem Delete Last.                •  Skenem můžeme otáčet za pomoci myši při stisknutém RMB. Pro posun skeneru aktivujeme                  ikonu Move.                •  Pokračujeme ve skenování dalších Sweep  a nasnímáme celý přístupný povrch.                •  Změníme  polohu  lebky  tak,  abychom  mohli  nasnímat  oblasti,  které  při  prvním                  skenování nebyly přístupné                •  Stisknutím ikony New Scan vytvoříme nový dílčí sken, skupinu Sweeps (zobrazí se v okně Objects                  nalevo).                •  Provedeme Homing a přístupná povrch nasnímáme (stejně jako v předchozích krocích).                •  Skenování libovolně opakujeme s různě polohovanou lebkou, dokud nenasnímáme celý její                  povrch.                •  Cílem skenování je získat skeny celého povrchu lebky. Je nutné, aby se jednotlivé dílčí skeny                  dostatečně překrývaly tak, aby je následně bylo možné na sebe navázat.                                •  Skenování je dobré průběžně ukládat, v názvu souboru ani v cestě nesmí být diakritika.                  Seznam naskenovaných objektů – okno Objects                 V okně Objects vidíme jednotlivé nasnímané skeny (tvořené jedním                 a více Sweepy).                 Zaškrtnutím políčka nalevo od názvu skenu nastavujeme jeho viditel-                 nost.                 Kliknutím  LMB  na  název,  jednotlivé  skeny  aktivujeme.  Aktivace  je                 nutná u mnoha editačních nástrojů.                 Kliknutím RMB můžeme zobrazit informace o skenu, případně změnit                 některá nastavení.                                                      33","II. Ořezání                 •  V seznamu Objects aktivujeme sken, který chceme editovat (kliknutím                  LMB na název skenu).                 •  Spustíme nástroj pro výběr oblastí skenu – Select.                 •  Oblasti,  které  chceme  odstranit,  označíme                  obkreslením   při   zmáčknutém   LMB.                  K  ovládání  výběru  slouží  ikony  Clear  –                  zruší  výběr;  Invert  –  označí  doplněk;  Cut  –                  odstraní označené oblasti.                        •  Vybrané části odstraníme tlačítkem Cut (případně tlačítkem Delete).                •  Postup opakujeme u všech dílčích skenů.                 III. Zarovnání dílčích skenů (Register)                •  Spustíme nástroj Register. Současně se nalevo zobrazí okno, za pomoci kterého                  registraci ovládáme.                •  Aktivujeme skeny, které chceme zarovnat (současná aktivace se provádí příkazem                  Ctrl + LMB). Primárně označený sken, červeně zabarven, si zachová svoji pozici – je referenční.                •  Na každý z dvojice skenů umístíme nejméně tři body, které si odpovídají polohou. Body umísťu-                  jeme kliknutím LMB. Špatně umístěné body odstraníme příkazem Clear.                                 •  Po umístění bodů obě Sweeps zarovnáme kliknutím na ikonu Register.                 IV. Tvorba finální sítě                Tvorba finální sítě ze zarovnaných dílčích sítí probíhá v programu MicroScan Tools ve třech navazu-                jících krocích, během kterých je možné data dále čistit a editovat.                Sweeps phase                je fází dorovnání dílčích skenů, sweeps, jejich sloučení a převodu na mrak bodů. Při úpravě modelu                využíváme ikon z nabídky Sweeps, postupujeme jimi zleva doprava.                                                     34","•  Prvním krokem je automatické dorovnání dílčích skenů. V okně Objects aktivujeme skeny, které                  chceme zarovnat a spustíme nástroj Register Objects.                •  Nastavíme parametry zarovnání a spustíme tlačítkem Ok.                     Možnosti nastavení parametrů Register                    Search  Range  –  maximální  rozmezí,  ve                 kterém funkce hledá odpovídající si sítě.                  Iterations – počet opakování.                 Area  Sampling  –  určuje,  kolik  procent                 objektů  je  bráno  při  počítání  vzdálenos-                 ti mezi objekty. Čím méně procent, tím je                 proces rychlejší, ale zato méně přesný.                 V průběhu se zobrazují měnící se údaje                 o chybách (průměrná a maximální).                     •  Nástrojem  Merge  Objects  provedeme  sloučení  skenů  do  jednoho                  objektu.                •  Nástrojem  Register  Sweeps  provedeme  automatické  zarovnání  všech                  Sweeps  tvořících  model.  Tento  proces  zlepšuje  kvalitu  výsledného                  modelu.                •  Konečnou operací je převod skenu na bodový mrak za pomoci nástroje                  Generate Pointcloud.                •  Dialogové okno umožňuje nastavit redukci modelu, tj. převést na body                  pouze  část  z  celkového  počtu  vrcholů.  V  našem  případě  tuto  volbu                  nevyužijeme.                Points phase                je fází úpravy bodového mraku. Úpravy zahrnují odstranění odlehlých bodů, redukci počtu bodů,                vyhlazení povrchu a nakonec převedení bodů na polygonální síť.                 •  Spustíme  nástroj  Detect  Noise,  který  slouží  k  odstranění  šumu,  bodů  ležících                  mimo hlavní bodový mrak.                •  V záložce Expert můžeme nastavit parametry bodů, které budou považovány za                  šum. Algoritmus funkce spočítá pro každý bod počet bodů, které se nacházejí                  v určeném poloměru (radius). Když je počet okolních bodů pod zadané číslo                  (Count), bod je považován za bod ležící mimo mimo hlavní mrak.                •  V našem případě ponecháme nastavení nabízené programem.                •  Výběr bodů spustíme ikonou Ok, vybrané body odstraníme stisknutím Delete.                •  Špatně položené body a části modelu mohou být označeny také nástrojem Select                  a následně odmazány.                •  Dalším krokem je redukce počtu bodů za pomoci nástroje Sample, který spustíme                  příslušnou ikonou.                                                      35","Možnosti nastavení nástroje Sample                    Nástroj nabízí dvě metody výběru bodů pro vymazání:                    Density (redukce podle hustoty) – jsou ponechány pouze ty body, které se nacházejí                    blíže jiným bodům, než je zadaná vzdálenost.                    Random (náhodný výběr) – aplikace náhodně vybere zadané procento bodů.                   •  V  našem  případě  zvolíme  metodu  Density  a  nastavíme  aplikaci  tak,  aby  mezi  body  výsled-                  ného mraku byla vzdálenost min. 0,5 mm. Nastavíme tedy hodnotu na 0,5 mm a stiskneme                  Ok. Nástroj vybere body splňující zadaný parametr (jsou zobrazeny červeně). Označené body                  odstraníme tlačítkem Delete.                •  Spustíme nástroj Smooth, sloužící pro vyhlazení bodového mraku. Tuto fázi v případě našeho                  modelu přeskočíme tak, abychom zachovali původní, nevyhlazený tvar.                •  Nástroj Smooth nejprve vypočítá polynomiální povrch v místě každého bodu a následně tento                  bod na povrch projektuje, tím dojde k vyhlazení povrchu.                  Možnosti nastavení nástroje Smooth                 Radius – určuje okolí, na jehož základě bude počítán polynomiální povrch. Čím vyšší je hodnota                       Radius, tím účinnější je vyhlazování a jeho časová náročnost.                 Degree  –  určuje  stupeň  polynomiálního  povrchu,  maximum  je  6.  Čím  je  vyšší,  tím  více  je                        zachováno detailů.                 Density – odstraňuje body před vyhlazováním tak, že vzdálenost mezi každými dvěma body                        bude odpovídat alespoň určené hodnotě. Body jsou sice odstraněny, ale stále jsou                        používány k počítání polynomiálního povrchu.                  •  Posledním krokem fáze Points je převod bodového mraku na polygonální síť,                  nástrojem Triangulate, který spustíme příslušnou ikonou.                •  V dialogovém okně nastavíme Open, protože model není uzavřen. V opačném                  případě bychom využili volbu Closed.                 Mesh phase                Ve  fázi  Mesh  je  upravována  polygonální  síť,  vytvořená  polygonizací  bodového                mraku.  Polygonální  síť  můžeme  vyhladit,  vyplnit  díry,  případně  redukovat  její                velikost. V našem případě tyto kroky přeskočíme a editaci modelu dokončíme                v některém z editačních programů třetích stran (viz kapitola 2. Editace ...)                Pro vyhlazení polygonální sítě slouží nástroj Smooth. Nástroj má podobný vliv na                model jako stejnojmenný nástroj pro vyhlazování mraku bodů. Výhodou je, že                můžeme za pomoci selekčních nástrojů Select specifikovat oblast modelu, která                bude vyhlazená.                 Možnosti nastavení nástroje Smooth (Polygonal phase)                 Average – vyhlazuje síť na základě zprůměrování polohy sousedících bodů. Pro každý bod je                 spočítán průměr všech okolních bodů. Parametr Weight pak určuje, do jaké míry bude bod                 do průměru posunut, při nastavení 0 zůstane v původní pozici, při nastavení 100% je pak bod                 přemístěn přímo do průměru.                 Normal Orientation – síť je vyhlazena posunem každého bodu podél jeho normály. Tato metoda                 je jemnější než první.                                                      36","Nástroj Decimate slouží k redukci polygonální sítě. K dispozici je redukce na počet                vrcholů (Target Triangles), nebo na procento z celkového počtu (Percentage). Stejně                jako u nástroje Smooth můžeme redukovat jen vybranou část modelu (Selection)                  V. Export modelu do některého z obecných formátů                 •  Spustíme dialogové okno Exportu (File > Export…).                •  Nastavíme umístění a požadovaný formát modelu, v našem případě .stl.                •  Model exportujeme.                1.6.  Digitalizace  stabilních  objek-  dušší fotogrammetrické operace je využití                tů – fotogrammetrie                  měřítka  na  snímku  k  měření  velikosti                                                     vyfotografovaných  předmětů.  V  tomto                   V  nejširším  smyslu  je  fotogrammet-  textu se budeme zabývat výhradně digitál-                rie (Albrecht Meydenbauer, r. 1858) obor,   ním  fotogrammetrickým  modelováním                který  se  zabývá  zpracováním  informací   (nebo  také  digitální  3D  fotogrammet-                nesených obrazovým záznamem, v užším   rií), tj. vytvářením 3D digitálních modelů                pak  rekonstrukcí  trojrozměrného  tvaru,   předmětů z fotografií pořízených digitální-                velikosti  a  vzájemné  polohy  vyfotografo-  mi fotoaparáty.                vaných  předmětů.  Příkladem  nejjedno-                  Fotogrammetrické modelování                                                                                      s.                                                                  123D Catch)                                                                            37","Rozvoj  fotogrammetrického  modelo-  např.  jako  vhodný  doplněk  ke  klasickým                vání je úzce spojen především s vývojem   dokumentačním  metodám.  Při  výzkumu                a  rozšířením  dostatečně  výkonných   masového hrobu obětí poválečného násilí                počítačů,  schopných  provádět  složité   z  Dobronína  například  posloužily  hrubé                obrazové analýzy v reálném čase. Výhodou   modely  jednotlivých  fází  odkryvu  hrobu                fotogrammetrie  je  její  nízká  finanční   k  lepšímu  pochopení  složité  nálezové                náročnost  a  flexibilita.  Zájemcům  je    situace.                k dispozici řada bezplatných nebo cenově   Jednou  z  bezplatně  dostupných                dostupných  aplikací,  které  umožňují   aplikací  pro  automatickou  tvorbu  fotore-                vytvořit  kvalitní  3D  digitální  modely.    alistických  modelů  z  fotografií  je  123D                K  pořízení  dostatečně  kvalitních  fotogra-  Catch. Aplikace využívá tzv. Cloud compu-                fií  přitom  postačují  běžně  dostupné   tingu, výpočetně velmi náročné fotogram-                digitální fotoaparáty. Za cenu řádově nižší   metrické výpočty neprobíhají ve vlastním                v  porovnání  např.  s  laserovými  skenery   počítači,  ale  na  serveru  provozovatele.                tak můžeme vytvořit 3D digitální modely   V  počítači  nainstalovaný  program  slouží                pro studijní, prezentační nebo archivační   pouze  jako  rozhraní  pro  nahrání  fotogra-                účely.                               fií na server, jednoduchou editaci výsled-                   S využitím digitálního fotoaparátu jako   ného modelu a export. Pro využití aplikace                jediného záznamového zařízení je spojena   je nutné internetové připojení. Vytvoření                také  řada  dalších  výhod  fotogrammet-  fotogrammetrického  modelu  za  pomoci                rického  modelování.  Zpravidla  platí,  že   123D Catch aplikace bude náplní praktické                může být modelován jakkoliv velký objekt,   části této kapitoly.                pokud  může  být  dostatečně  kvalitně   Bezplatnou  alternativou  je  program                nasnímán.  Stejnými  metodami  může  být   Python  Photogrammetry  Toolbox  (PPT),                vytvořen  detailní  model  lidského  zubu,   určený  primárně  pro  Debian.  Na  rozdíl                stejně jako věrný model nálezové situace   od  123D  Catch  provádí  PPT  výpočty                při  terénním  výzkumu.  Dobrý  model   přímo  v  počítači,  bez  odesílání  fotogra-                lze  vytvořit  s  použitím  několika  desítek   fií. Celá výpočetně náročná operace může                fotografií  (podle  složitosti),  které  mohou   zahltit běžný počítač až na několik hodin.                být pořízeny v řádu minut. Velkou výhodou   Výsledkem  není  definitivní  model,  jako                spojenou  s  využitím  běžně  dostupných   v  případě  123D  Catch,  ale  mrak  bodů                fotoaparátů je také mobilita a nezávislost   v prostoru, vyžadující další editaci. Všechny                na  zdroji  elektrické  energie.  Při  archeo-  aplikace,  potřebné  k  dokončení  modelu                logicko-antropologických  výzkumech  se   jsou volně dostupné a součástí operačního                fotogrammetrické  modelování  osvědčilo,   systému ArcheOS (GNU/Linux).                                  Obr. 19. Fotogrammetrický model lidského zubu (dva projekty, ca 60 fotografií) a jedné z fází odkryvu maso-                vého hrobu v Dobroníně (7 snímků???).                                                       38","Obr. 20. Model lebky vytvořený v programu PPT GUI                       Bezplatně dostupné aplikace pro fotogrammetrické modelování                    123D Catch (Autodesk)                  +      fotorealistické modely pro prezentační účely                  +      minimální časová náročnost, úplná automatizace                  +      nízké požadavky na výpočetní výkon                  −      minimální kontrola nad vytvářeným modelem – výsledkem je téměř definitivní                                   model, polygonová síť                  −      redukované rozlišení – program automaticky redukuje rozlišení fotografií na 3 Mpx                  −      zatím jako freeware program, výrobce si nárokuje práva na výsledné modely                   Python Photogrammetry Toolbox (PPT GUI)                  +      větší kontrola nad výsledným modelem                  +      detailnější modely, vytvořené na základě neredukovaných fotografií                  +      zpracování v prostředí počítače – bezpečnější pro citlivá data                  −      vyšší náročnost na výpočetní výkon                  −      vyšší časová a odborná náročnost, spojená s dokončením mraku bodů a generová                                    ním polygonální sítě                  Bližší informace jsou k dispozici na stránkách                  http://www.arc-team.homelinux.com                                                          39","1.6.1. Zásady fotografování objektů pro fotogrammetrické modelování                   Správné   nasnímání   objektu   je   používané ke generování  3D dat se však                základním   předpokladem   kvalitního   liší, různé aplikace jsou tak různě citlivé na                výsledného  modelu.  Porušení  základ-  porušení konkrétních pravidel.                ních pravidel vede ke vzniku nechtěných   Veškerý  modelovaný  povrch  musí                artefaktů  modelování,  snižujících  kvalitu   být zaznamenán na dvou a více snímcích                výsledného  modelu.  Zásadní  chyby  ve   pořízených z dostatečně rozdílných úhlů.                vstupních  snímcích  mohou  znemožnit   Nedostatečné  pokrytí  snímky  vede                generování modelu.                   ke  vzniku  neúplného  modelu.  Malý                     Veškerá  pravidla,  probraná  níže,   úhel  mezi  osami  fotografií  zachycujících                vycházejí  ze  skutečnosti,  že  aplikace   stejnou oblast vede k nepřesné triangula-                vytvářejí  3D  povrchový  model  pouze  na   ci povrchových dat a k chybám v modelu.                základě série snímků, zachycujících objekt                z  různých  úhlů.  Jde  o  základní  princip   Pro  lepší  kontrolu  nad  pokrytím                fotogrammetrického  modelování,  proto   snímaného objektu a plynulejší zpracová-                pravidla  platí  v  případě  všech  fotogram-  ní projektu je vhodné, aby na sebe snímky                metrických  aplikací.  Konkrétní  algoritmy,   prostorově navazovaly.                    Algoritmy dostatečného pokrytí modelovaného objektu                    Nejjednodušším  způsobem  nasnímání  je  jeden                  prstenec  fotografií,  doporučený  úhel  mezi  snímky                  5-10°.                  Nevýhodou je pouze jedna rovina snímání.                   Členitější  objekty,  zejména  na  straně  přivrácené  k                  podložce, můžeme nafotit ze dvou, výškově separo-                  vaných prstenců.                     V  případě  rozměrnějších  objektů  můžeme  kombi-                  novat  série  fotek,  zaměřené  na  dílčí  části  scény.                  Pokud zachováme mezi oblastmi dostatečný překryv,                  snímky  budou  zkombinovány  do  jednoho  modelu.                  Pro modelování kostry byly nasnímány tři série fotek,                  zaměřené na oblast dolních končetin, pánve a horní                  části trupu.                  Pokud  je  mezi  snímky  dosta-                  tečný překryv, jsou do projektu                  správně  zařazeny  i  snímky                  detailů,  pořízené  z  různých                  poloh.  Focení  proto  můžeme                  zcela   přizpůsobit   tvaru                  modelovaného  objektu,  např.                  nasnímat větší množství detail-                  ních snímků složitějších oblastí.                                                        40","Modelovat lze pouze objekty s jasně   parátu,  dochází  k  drobným  změnám                rozlišitelnou   povrchovou   texturou.   osvětlení,  které  mohou  mít  za  následek                Jednobarevné  a  hladké  povrchy  nemají   chyby  v  modelu.  Aplikace  123D  Catch                dostatečný počet rozlišitelných prvků, na   není na porušení tohoto pravidla výrazně                základě  kterých  by  mohl  být  generován   citlivá.                jejich 3D model, mohou způsobovat chyby   Osvětlení scény musí být neměnné.                v projektu a na jejich místě vznikají díry.  Při snímání nepoužíváme blesk fotoa-                   Na  snímané  scéně  během  focení    parátu, při jeho použití se totiž osvětlení                s ničím nepohybujeme.                scény  mění  s  pohybem  fotoapará-                   Sebemenší  změna  polohy  snímaných   tu.  Změny  osvětlení  během  venkovního                objektů má zásadní dopad na schopnost   snímání mohou vést k chybám modelu.                aplikací  generovat  3D  model.  Z  tohoto   Ze  scény  eliminujeme  průhledné                důvodu  je  velmi  obtížné  touto  metodou   a lesklé předměty.                modelovat živé objekty.                 Průhledné  předměty  nemohou  být                   Snímaný objekt musí být pevně fixován,   fotogrammetricky  modelovány,  protože                pokud  dojde  k  jeho  pohybu  během   se jejich podoba se změnou úhlu pohledu                snímání, musí se celé snímání opakovat.  mění. Odlesky světla od povrchu modelo-                   Pohybujeme  s  fotoaparátem,  ne   vaných  objektů  jsou  jednou  z  největších                s modelovaným objektem.              překážek  fotogrammetrického  modelová-                   I když zajistíme jednotný pohyb všech   ní, i drobné odlesky od povrchu objektů                snímaných  objektů  v  zorném  poli  fotoa-  způsobují chyby ve výsledném modelu.                                                                                Opakující se motivy a symetrie scény                                                     mohou způsobit chybu zpracování.                                                        Pruhy s terči umístěné do tvaru pravi-                                                     delného  šestiúhelníku  způsobily  chybu                                                     v  orientování  fotografií  a  poškození                                                     výsledného modelu.                                                               41","Pokud  můžeme,  fotíme  v  plně      Všechny  snímky  fotíme  s  jedním                manuálním  režimu,  při  jednotném   nastavením   ohniskové   vzdálenosti                nastavení expozice.                  (nezoomujeme) a rozlišení.                   Manuální  nastavení  jedné  hodnoty   Snímky dodatečně neupravujeme!!!                expozice  a  clony  pro  záznam  celé  série   Editace  snímků,  jejich  ořezávání,                snímků zajistí světelnou stálost a kvalitní   upravování barev atp., vede vždy k vážným                textury  výsledného  modelu.  Při  použití   poruchám modelu!                automatického režimu se expozice jednot-  Pokud chceme model využít k měření                livých  snímků  mění,  např.  podle  jejich   reálných  rozměrů,  umístíme  na  modelo-                orientace vůči zdroji světla, textura výsled-  vanou scénu měřítko.                ného modelu pak může být flekatá.       Fotogrammetrické  modely  nemají                   Fotíme  s  co  nejvyšším  nastavením   rozměry  v  reálných  jednotkách.  Modely                clony tak, abychom měli dobře proostře-  můžeme dodatečně naškálovat za pomoci                nou  celou  plochu  snímků.  Při  vysokých   známého rozměru – měřítka.                hodnotách  expozice  používáme  vždy                stativ a časovou spoušť.                  1.6.2.  Praktická  ukázka  –  vytvoření  digitálního  modelu  lidského  zubu                v programu 123D Catch                 Náplní praktické části je vytvoření fotogrammetrického modelu celého lidského zubu s použitím                aplikace 123D Catch. V případě modelování podobných prostorových objektů je potřeba vytvořit a                spojit více dílčích modelů, zaměřených na různé části objektu, analogicky k sestavování více dílčích                skenů při laserovém skenování.                Model zubu vytvoříme ze dvou dílčích projektů, jednoho zaměřeného na oblast korunky a druhého,                modelujícího kořen zubu. Modelovací proces je představen na příkladu korunky, postup modelo-                vání kořene je totožný. Generování dílčích modelů odpovídá fázi snímání, další fáze tvorby 3D                povrchového modelu, tj. zarovnání dílčích skenů a jejich spojení, bude provedena v programu                MeshLab a je součástí praktické ukázky práce v tomto programu (viz kap. 2. Editace...).                 I. Snímání zubu                 Prvním  krokem  je  pořízení  dostatečně  kvalitních  snímků  korunky  zubu  podle  výše  uvedených                pravidel. Zásadní je pokrytí celého modelovaného povrchu dostatečným počtem fotografií.                 •  Zub zafixujeme na podložku tak, aby se vůči okolí nehýbal                •  Jako podložku použijeme čtverečkovaný papír, který obsahuje řadu dobře rozlišitelných prvků,                  jeho využitím tak předejdeme vzniku chyb v projektu.                •  K zubu umístíme měřítko                •  Zvolíme vhodný objektiv a nastavení fotoaparátu.                  Pro snímání zubu použijeme makroobjektiv                •  Aplikace  123D  Catch  automaticky  redukuje                  rozlišení zpracovávaných fotek na 3 MPx. Z tohoto                  důvodu usilujeme o to, aby byl zub nasnímán v co                  největším  detailu  a  zabíral  tak  na  fotografii  co                  nejvíce  místa.  V  případě  zubu  umožňuje  pořídit                  dostatečně detailní snímky právě makroobjektiv.                •  Nasnímáme zub tak, aby byla každá oblast modelovaného povrchu zachycena minimálně na                  dvou, lépe však 3-4 fotografiích. Korunka zubu má poměrně jednoduchou, nečlenitou morfo-                                                      42","logii, nafotíme ji proto metodou jednoho prstence ca 20-30 fotografií. Na členitý kořen zubu                  můžeme použít více, jinak uspořádaných snímků.                         Deset  z  celkem  25  fotografií  použitých  k  vytvoření  modelu                korunky. Vpravo můžeme vidět uspořádání snímků v prostoru                do jednoho prstence.                 •  Spustíme aplikaci 123D Catch                Pro použití aplikace 123D Catch je potřeba zaregistrovat se na stránkách provozovatele (http://                www.123dapp.com/catch) a následně stáhnout a nainstalovat program do počítače. Součástí účtu                je datové úložiště, na které se automaticky ukládají námi vytvořené modely. Díky tomuto úložišti                můžeme naše modely prohlížet a stahovat na kterémkoliv počítači prostřednictvím webového                prohlížeče.                •  Pro  vytvoření  nového  modelu                  zvolíme „Create a new Capture“                  a přihlásíme se k našemu účtu.                •  V  prohlížeči  vybereme  fotogra-                  fie, které chceme použít pro tvorbu modelu                •  Výběr fotografií potvrdíme ikonou „Create project“                  Do  projektu  můžeme  přidat  další  snímky  volbou                  „Add  More  Photos“,  měnit  výběr  snímků  můžeme                  po kliknutí na text „##_photos“, pod ikonou „Create                  project“.                •  V  otevřeném  dialogovém  okně  vyplníme  základní                  údaje o projektu. Výpočet modelu spustíme jednou                  z ikon „Wait“ a „Email me“. Využijeme volbu Wait.                   Wait – aplikace zůstane spuštěna, po nahrání snímků                  na server a výpočtu modelu, jehož postup můžeme                  sledovat,  se  model  automaticky  stáhne  a  otevře                  v rozhraní 123D Catch.                  Email Me – nahrání snímků proběhne na pozadí, link                  na stažení projektu přijde v e-mailové zprávě.                  Po spuštění výpočtu modelu jsou fotografie nahrány                  na server, kde je automaticky generován 3D model.                  Rychlost uploadu a výpočtu závisí na rychlosti inter-                  netového  připojení  a  složitosti  projektu,  zpravidla                  trvá desítky minut.                  Po zpracování se ze serveru stáhne soubor obsahu-                  jící model a automaticky se otevře v rozhraní 123D                  Catch. Soubor je v nativním formátu programu 123D                  Catch  (koncovka  .3dp)  a  může  být  otevřen  pouze                  v této aplikaci. Pro použití modelu v dalších progra-                  mech pro editaci a vizualizaci 3D dat je nutné model                  exportovat do některého z obecných 3D formátů.                                                     43","Manuální polohování snímků v aplikaci 123D Catch                   Při bezchybném zpracování projektu jsou všechny                  snímky, které byly do programu nahrány, správně                  identifikovány  a  využity  pro  tvorbu  modelu.  V                  některých případech může dojít k automatickému                  vyřazení  snímků  nebo  jejich  chybnému  zařazení                  do projektu.                  S prvním případem se můžeme setkat zpravidla při                  nedostatečném překryvu mezi skupinami snímků                  nebo v případě snímků, které se vymykají úhlem                  záběru nebo přiblížením. Nezařazené snímky jsou                  umístěny na spodní liště vpravo, s ikonou vykřič-                  níku.                  V  případě  špatně  zařazených  snímků  můžeme                  na  modelu  pozorovat  chyby  v  geometrii  nebo                  v  textuře.  V  případě  pánevní  kosti                  bylo  chybou  symetrické  uspořádání                  pomocných  terčíků,  kromě  porušené                  geometrie  se  chyba  projevila  typickými                 „duchy“  na  textuře,  dané  prolnutím                  špatně  orientovaných  fotografií.  Identi-                  fikaci  špatně  orientovaných  snímků                  umožňuje režim PhotoLock, ve kterém je                  v náhledovém okně do snímku superpo-                  nován vytvořený model.                   Chybně zpracované snímky mohou být přiřazeny manuální editací lícovacích bodů. Často je                  však chyba výsledkem špatné kvality snímků nebo porušením některého z pravidel. Manuální                  přiřazení snímku může vést v konečném důsledku ke zhoršení modelu.                  Postup manuálního přiřazení                 •  Na nezařazený snímek klikneme RMB a zvolíme „Manually Stitch Photo“                 •  V otevřeném dialogovém okně umisťujeme na různé snímky odpovídající si body.                 •  Po editaci minimálně 4 bodů spustíme přepočet projektu kliknutím na ikonu „Submit“.                    Nezařazené  snímky                    jsou   umístěny   v                    okně  vlevo,  snímky                    zařazené do projektu                    jsou  v  pravých  dvou                    oknech.  Na  nezařa-                    zený snímek musíme                    umístit   minimálně                    čtyři  body,  které                    zároveň   identifiku-                    jeme  na  více  zařaze-                    ných snímcích.                                                          44","Opravení špatně zařazených snímků                  •  Kliknutím  LMB  na  miniaturu  snímku                    nebo ikonu PhotoLock spustíme režim                   PhotoLock, náhled na snímek se super-                    ponovaným modelem.                 •  Přepínáním  mezi  snímky  hledáme                    špatně  přiřazený  snímek,  tj.  snímek,                    na který superponovaný model nesedí.                 •  Špatně orientovaný snímek oddělíme                    volbou RMB (na miniaturu snímku) >                   “Unstitch Photo”                 •  Oddělený snímek manuálně přiřadíme                    do projektu předchozím postupem.                    Další fází tvorby modelu zubu je zarovnání dvou dílčích modelů, modelu kořene a modelu korunky,                a jejich spojení v jeden finální model zubu. Tyto operace jsou náplní praktické ukázky v programu                MeshLab.                Modely  vytvořené  programem  123D  Catch  můžeme  uložit  přímo  v  nativním  formátu  aplikace                (přípona .3dp). Soubor se automaticky ukládá do adresáře, ve kterém jsou zdrojové fotografie.                Aby bylo možné s modely pracovat v programu MeshLab.                •  Otevřeme dialogové okno exportu File > Export Capture As…                •  V dialogovém okně zvolíme umístění a formát .obj                Model  je  ve  formátu  .obj  uložen  do  4  souborů,  obsahujících  zvlášť  3D  informaci,  texturu  atd.                Abychom mohli model otevřít v dalších programech, musíme mít k dispozici všechny tyto soubory!                 1.7.  Digitalizace  živých  osob  –   snímačů  a  je  designována  pro  snímání                optické skenery                      obličeje.  Kvůli  zakřivení  hlavy  není  tento                                                     dvoukamerový  skener  schopný  nasnímat                   Optické  skenery  pro  snímání  živých   najednou  kompletní  povrch  obličeje,                osob  jsou  soustavou  synchronizovaných   včetně jeho okrajových částí, ale poskytuje                fotoaparátů,  které  zaznamenají  podobu   jeho přesný model z jednoho pohledu.                těla z několika úhlů zároveň, ve vysokém   Vectra  XT  obsahuje  celkem  šest                rozlišení.  Pořízené  snímky  jsou  následně   snímačů,  skener  má  větší  zorné  pole                automaticky  zpracovány  fotogrammet-  a  lépe  pokrývá  snímanou  oblast  těla.                rickým  algoritmem.  Výstupem  je  trojroz-  Design  skeneru  umožňuje  současné                měrný  model,  opatřený  fotorealistickou   nasnímání celé plochy obličeje, včetně uší,                texturou. Skener modeluje pouze povrch,   krku a ramen a rozsáhlých částí trupu.                který  je  zachycen  minimálně  na  dvou   Výhodou  optických  skenerů  Laborato-                snímcích.  Stejně  jako  u  jiných  bezkon-  ře je velmi krátká délka záznamu, pohybu-                taktních metod platí, že čím je úhel mezi   jící  se  v  řádu  milisekund.  Tak  krátký                snímaným  povrchem  a  osou  skenování   interval  téměř  eliminuje  chyby  výsledné-                menší, tím nepřesnější je výsledný model.   ho modelu způsobené pohybem snímané                   Ve  výbavě  Laboratoře  morfologie    osoby  a  snižuje  časovou  náročnost                a forenzní antropologie jsou dva optické   skenování.  Použité  bílé  světlo  nepředsta-                skenery  firmy  Canfield  Inc.  –  Vectra  M1   vuje  zdravotní  riziko.  Výhodou  optických                a  Vectra  XT.  Vectra  M1  sestává  ze  dvou   skenerů je také podobnost celého procesu                                                       45","Obr. 21. Snímání skenerem Vectra M1                 s  fotografováním.  Snímané  osoby  tak   Další   nedostatky   skenerů   souvisejí                nejsou v pro ně neobvyklé situaci. Skenery   především  s  omezeními  samotného                Vectra  jsou  designované  pro  použití   fotogrammetrického  algoritmu.  Skenery                v  klinické  praxi.  Díky  tomuto  úzkému   nejsou  schopny  snímat  oblast  kštice                zaměření  jsou  skenery  vybaveny  uživa-  a hustě ochlupených částí těla. Výrazné je                telsky  přívětivým  ovládáním  a  kompakt-  také nedokonalé nasnímání tváře v oblasti                ním designem. Na straně druhé software   očí,  způsobené  přítomností  řas,  obočí                poskytuje  pouze  omezené  množství   a lesklé, průhledné rohovky.                obecně  použitelných  editačních  nástrojů.                                          Obr. 22. Snímání skenerem Vectra XT a výsledné modely                  1.7.1. Praktická ukázka – snímání obličeje skenery Vectra M1 a Vectra XT,                analýza a editace modelů v aplikacích Face sculptor a Analysis                 Náplní praktické kapitoly je digitalizace lidského obličeje skenery Vectra M1 a Vectra XT. Ovládací                rozhraní obou skenerů jsou velmi podobná, v některých detailech jsou však přizpůsobena různým                                                      46","možnostem obou skenerů. Uvedený postup je primárně věnován práci se skenerem Vectra XT,                popsána jsou také specifika práce se skenerem M1.                  I. Příprava skenování                Oba skenery jsou ovládány prostřednictvím aplikace Vectra. Hlavní součástí aplikace je databáze                pacientů (probandů), do které se ukládají nasnímané modely a další, doplňující data jako údaje                o pacientech, fotografie, editované ukázkové modely atd. Veškeré funkce skeneru a ovládacího                rozhraní  jsou  přístupné  prostřednictvím  databáze.  Funkce  jsou  rozděleny  do  tří  samostatných                modulů:                    Struktura programu Vectra                                             Založení nového pacienta                •  Spusťte aplikaci Vectra                •  Klikněte na ikonu new patient                •  Vyplňte informace o pacientovi (datum musí být ve formátu                  MM/DD/YYYY - dokud není vyplněno správně, je pole růžové)                •  Skenovací rozhraní může být aktivováno stiskem ikony new                  capture  nebo  prostřednictvím  karty  nového  pacienta  open                  chart, např. pro nahrání dalších údajů a dat.                •  Pro  vyhledání  již  existujícího  pacienta  stiskněte  ikonu  look                  up patient, do příslušných polí zadejte údaje o pacientovi  -                  průběžné  výsledky  vyhledávání  zobrazíte  stisknutím  Show                  matches. Po vyhledání  pacienta spusťte skenovací  rozhraní                  stiskem ikony new nebo otevřete jeho kartu příkazem open                  chart.                                                      47","II. Skenování                Po  každém  novém  sestavení  a  ustavení  by  skenery  měly  být  kalibrovány  za  pomoci  přilože-                ných kalibračních desek. Chybná kalibrace může vést k nepřesnostem ve výsledných modelech.                Podrobný návod na kalibraci je umístěn na rubu kalibračních desek.                •  Spusťte  skenovací  rozhraní  (např.  za  pomoci  ikony  New                  capture v kartě pacienta)                •  Probanda ustavíme do standardizované polohy tak, aby                  byla oblast, kterou chceme nasnímat, umístěna přibližně                  uprostřed  náhledových  oken.  Při  skenování  obličeje                  skeneru Vectra XT orientujeme probanda pomocí přímek                  v  náhledových  oknech,  u  Vectry  M1  slouží  k  nastavení                  snímání dvojice sbíhavých světel, určujících ideální vzdále-                  nost snímané plochy od skeneru.                •  Při  skenování  ostatních  částí  trupu  Vectrou  XT  platí                  obecnější principy – oblast, kterou chceme digitalizovat,                  musí  být  viditelná  ze všech  nabízených  pohledů,  pokud                  možno  v  jejich  středu.  U  Vectry  XT  můžeme  náhledová                  okna přizpůsobit části těla, kterou skenujeme, za pomoci                  ikon…                                           Obecná pravidla snímání                                      Snímáme zásadně bez šperků a nalíčení                      Pot, mastnota a další mohou být zdrojem lesku a způsobovat chyby ve výsledných                                                modelech                      Vlasy by měly být upraveny tak, aby nezakrývaly obličej, uši a krk – algoritmus není                     schopen modelovat vlasy a ojedinělé vlasy v obličeji mohou být zdrojem nechtěných                                            artefaktů modelování                       Polohu probandů při snímání standardizujeme - standardně se proband dívá do                                zrcátka, má zavřená ústa (jemný stisk) a neutrální výraz                       Orientace probanda při snímání                     Vectra M1                    k  ustavení  probanda  slouží  sbíhavá  bodová  světla  –  skenovaný  povrch  je  v  ideální                    vzdálenosti od skeneru, pokud světla splývají v jeden bod.                            skenování pravého poloprofilu  příklad ustavení při skenování    skenování levého poloprofilu                                                 en-face                •  Při  správné  poloze  probanda  stiskněte  ikonu  Take  picture,  případně  tlačítko  na  dálkovém                  ovladači.  Po  nasnímání  probanda  se  automaticky  spustí  proces  generování  modelu.  Tvorbu                                                      48","modelu můžete zrušit příkazem discard \& retake, případně                  přerušit volbou keep \& retake. V druhém případě se uloží                  původní fotografie a generování modelu můžeme provést                  dodatečně.                  Nově  vytvořený  model  je  automaticky  uložen  do  karty                  pacienta a může být dále zpracován v jednom z modulů                  Sculptor a Analysis. V kartě pacienta můžeme model také                  vymazat příkazem delete, případně přesunout k jinému pacientovi příkazem move.                 III. Face sculptor – odstranění nechtěných částí modelů                Modul Face sculptor umožňuje editaci vytvořeného modelu a nabízí také řadu možnosti automa-                tických analýz tvaru obličeje. Protože jsou skenery Vectra designovány pro využití v estetickém                lékařství, obsahuje modul Sculptor řadu nástrojů simulujících výsledky vybraných kosmetických                zásahů.                 •  V kartě pacienta označte model, se kterým chcete pracovat                •  Model otevřete v modulu Face sculptor kliknutím na ikonu open in Sculptor                       Navigace v modulu Face sculptor                    Základní  ikony  umožňující  nastavení  náhledu  modelu  jsou  umístěny  na  levé  straně                    aplikace                                            Nástroje modulu Sculptor jsou rozděleny do tří módů Contouring, Rhinoplasty a Chin augmentati-                on, mezi kterými se přepíná za pomoci ikon na horní straně náhledového okna. Nástroj Trim image                je součástí všech tří módů, nejpřímější přístup je přes mód Contouring.                                                          49","•  Aktivujte mód Contouring                •  V levém panelu nástrojů aktivujte nástroj trim image                •  Za  pomoci  některého  z  výběrových  nástrojů  označte  část                  modelu, kterou chcete odstranit. K dispozici jsou dva nástroje                  pro výběr sítě: rectangular tool (v některých verzích programu                  box crop nebo manual box) – výběr za pomoci rámečku); lasso                  selection – volný výběr, analogický ke kreslení.                •  Využít můžete také příkaz invert selection pro převrácení výběru.                  Vybrané části se označí modře.                •  Označené části odstraňte kliknutím na ikonu fajfky, umístěnou                  pod seznamem nástrojů.                             IV. Face sculptor – módy Chin augmentation a Contouring - umístění                význačných bodů                 Módy Rhinoplasty a Chin augmentation nabízejí nejširší analytické a editační možnosti. Prvním                krokem při použití těchto módů je poloautomatické umístění sady definovaných bodů na model                obličeje. Správné umístění bodů, odpovídající jejich definicím, je základem správného fungování                následných analýz a nástrojů pro úpravu modelu.                •  Kliknutím na příslušnou záložku spusťte jeden z módů                    •  Program automaticky umístí body na povrch modelu                •  Obvykle  je  nutné  polohu  automaticky  dohledaných  bodů                  poupravit  (přetáhnutím  bodu  myší  se  stisknutým  LMB).                  Automatické  umístění  bodů  můžete  opakovat  stiskem  ikony                  Auto  landmarks.  Pokud  jsou  body  výrazně  špatně  umístěny,                  můžete celou sadu bodů vymazat příkazem Delete landmarks                  a následně body umístit ručně, podle pokynů programu.                •  Překontrolujte  polohu  bodů  také  při  zobrazení  bez  textury.  Zapnutí  a  vypnutí  zobrazování                  textury umožňuje příslušná ikona, umístěná na horní liště programu.                                                      50","Texturovaný model                    Netexturovaný model                   Správná poloha význačných bodů                                                            V. Face sculptor – automatická analýza modelu (nástroje Assessments)                Nástroje  Assessments  nabízejí  možnost  různých  vizuálních,  metrických  a  proporčních  analýz                modelu. Nástroje jsou rozděleny do tří módů Rhinoplasty, Chin augmentation a Contouring podle                toho, pro jaké procedury jsou nejvíce informativní. Nástroje v jednotlivých módech se částečně                                                      51","překrývají, největší množství nástrojů je přístupných v módech Rhinoplasty a Chin augmentation.                 •  Aktivujte příslušný mód                •  Rozbalte nabídku Assessments kliknutím na stejnojmennou ikonu, zvolte některý z nástrojů                      Správná poloha význačných bodů                     Reflection – zobrazí stranově obrácený obličej                     Horizontal  proportions  -  zobrazí  výškové  proporce  dolního  (menton  -  subnasale)                    a středního (subnasale - radix) segmentu obličeje                     Vertical proportions – zobrazí proporce levého a pravého laterálního segmentu obličeje                    (laterální canthus - mediální canthus) a mediální části obličeje (vzdálenost obou bodů                    canthus), rovněž měří vzdálenost mezi body alare                    Tip projection – zobrazí proporce nosu - projekce/délka hřbetu (vzdálenost špička nosu                   - radix)                    Columella-labial angle – úhel labrale superius – subnasale – collumella                     Nasofrontal angle – úhel mezi hřbetem nosu a spodní částí čela (úhel mezi špičkou nosu                   – radix – glabella)                     Nasofacial angle – úhel mezi hřbetem nosu a obličejem (úhel mezi přímkami pogonion                   - glabella a špička nosu - radix)                     Nasomental angle – úhel definovaný body pogonion – špička nosu – radix, zobrazena                    je  také  horizontální  vzdálenost  přímky  pogonion  –  špička  nosu  od  labrale  superius                    a inferius                    Tip deviation – odchylka špičky nosu od střední roviny                     Dorsal height – prominence hřbetu nosu nad linii špička nosu –  radix                     Mód contouring                    Brown spots – zobrazí pouze hnědé barvy textury (poškození od slunce, melasma)                     Red areas - zobrazí pouze červené barvy textury                    Red/Brown – kombinace obou předchozích nástrojů                   VI. Face sculptor – editace modelu                Modul Face sculptor nabízí nástroje pro základní editaci tvaru vygenerovaného modelu a jeho                textury. Tyto nástroje jsou dobrým prostředkem pro editaci modelu při zachování detailní textury.                Editování texturovaných modelů s použitím aplikací třetích stran je náročné a může vést ke ztrátě                a poškození textury.                Editační nástroje jsou dostupné v jednotlivých módech v levém menu, pod záložkou se jménem                aktivovaného módu.                                                     52","V módech Rhinoplasty a Chin augmentation jsou přístupné především nástroje umožňující předde-                finované změny tvaru obličeje např. zúžení a rozšíření nosu nebo konkrétní změnu tvaru brady.                Tyto nástroje byly navrženy pro snadnou vizua-                lizaci chirurgických zákroků. Většina nástrojů se                ovládá stejně.                •   Aktivujte příslušný mód                •   V  menu  v  levé  části  obrazovky  zvolte                    nástroj (např. Rhinoplasty > Dorsal height)                  •   Jezdcem v levé dolní části obrazovky nastavte tvarovou změnu                                  Dorsal height - minimální hodnota      Dorsal height - maximální hodnota                 Výjimkou jsou nástroje Free hand tool a Profile warp tool a Warp, které dovolují volně editovat                profil obličeje.                Mód Contouring nabízí obecnější editační nástroje, které mohou být využity pro volnou remodela-                ci polygonální sítě modelu, odstranění artefaktů skenování nebo úpravu textury. Nástroj Resurface                slouží k vyhlazení (zastření) textury. Nástroj se používá analogicky ke kreslení, kdy se při stisknu-                tém LMB edituje oblast v místě kurzoru.                                        Resurface – před                      Resurface – po                Nástroj  Resurface  přibližuje  texturu  editované  oblasti  přirozenému  zbarvení  kůže,  nástroj  se                používá stejně jako nástroj Contouring.                 Nástroj Wrinkle přenáší barvu z jednoho místa modelu na druhé (nástroj je analogický nástroji                razítko  v  grafických  programech),  umožňuje  podstatné  změny  barvy  modelu,  např.  odstranění                tetování.                                                      53","•  Aktivujte nástroj Wrinkle                •  Za pomoci kurzoru označte oblast, která bude zdrojem textury (např. oblast kůže bez vad)                •  Při stisknutém LMB přeneste barvu textury na cílovou oblast                                 Wrinkle – před                        Wrinkle – po                 Nástroj sculpt umožňuje editovat tvar polygonální sítě. V závislosti na nastavení vtlačuje nebo                vytahuje povrch modelu nebo model v místě editace vyhlazuje.                 •  Zvolte funkci nástroje sculpt                •  Tvar  modelu  editujeme  tahem  kurzoru                  po  povrchu  modelu  při  stisknutém  LMB                  nebo opakovaným klikáním pro postupné                  změny  (při  editování  tvaru  je  dobré                  nastavit netexturované zobrazení)                                       Sculpt – původní model               Sculpt – výsledek editace                Alternativou k nástroji sculpt jsou samostatné nástroje pro změnu objemu modelu (warp, inflate/                deflate a smooth), jejichž ikony jsou umístěné pod nástrojem sculpt.                 Nástroj  Warp  slouží  pro  volnou  modelaci  označených  oblastí  polygonální-                ho modelu.                 •  Aktivujte nástroj Warp                •  Při stisknutém LMB obtáhněte kurzorem oblast, kterou chcete editovat                •  Při stisknutém LMB modelujte vyznačený povrch                                Warp  –  původní  model  s  označenou  oblastí   Warp  –  výsledek  vytáhnutí  označené  oblasti                               editování                           modelu                                                     54","Podobnou funkci má nástroj inflate/deflate. V případě                nástroje  inflate/deflate  se  oblast  modelu  vybraná  v                prvním  kroku  needituje  ručně,  ale  za  pomoci  jezdce                v  levé  dolní  části  obrazovky  (podobně  jako  v  případě                nástrojů  módů  Rhinoplasty  a  Chin  augmentation).                Stejně  se  používá  nástroj  smooth,  v  případě  kterého                se  za  pomoci  jezdce  nastavuje  požadovaná  úroveň                vyhlazení označené oblasti.                  VII. Face sculptor – zobrazení výsledku editace                 Program nabízí čtyři možnosti, jak vizualizovat rozdíly mezi původním modelem (označen jako                „preop“)  a  výsledkem  editace  (označen  jako  „sim.1“)  a  také  rozdíly  mezi  jednotlivými  modely,                uloženými v kartě pacienta. Nástroje jsou  přístupné  přes nabídku  View results ve všech třech                módech.                Při jednotlivých zobrazeních se mezi porovnávanými modely přepíná v dolní části náhledového                okna.                                                    VIII. Uložení výsledného modelu do karty pacienta                 Editovaný model můžeme uložit do karty pacienta                •  Kliknutím na ikonu diskety v levém horním rohu programu otevřete dialogové okno pro uložení                  modelu                                                      55","•  V dialogovém okně označte možnost Current simulation surface (můžete změnit jméno modelu)                •  Stiskněte save                 IX. Modul Analysis – export modelu do obecného formátu 3D grafiky                Program Vectra uchovává všechny modely v nativním formátu aplikace (soubory s příponou .tom).                Modely mohou být exportovány do některého z obecných formátů 3D grafiky za pomoci exportní-                ho nástroje modulu Analysis.                 •  Model, který chcete exportovat, označte v kartě pacienta                •  Kliknutím  na  ikonu  open  in  Analysis  model  otevřete  v  modulu                  Analysis                •  Příkazem File > Export otevřete dialogové okno nástroje pro export                  modelu                •  Nastavte umístění souboru, jméno a požadovaný formát (pole Files                  of type) a model exportujte příkazem Save                                                                                                     56","2. Editace trojrozměrných modelů                    Modely vytvořené segmentací objemo-  nástrojů může dojít k podstatným změnám                vých  dat,  povrchovými  skenery  nebo   modelu a odchýlení se jeho tvaru od tvaru                fotogrammetrickými  aplikacemi,  jsou   modelovaného  objektu,  tedy  ke  změně                často  v  podobě,  která  nevyhovuje  jejich   informace nesené modelem. Třetí skupina                plánovanému  použití.  Modely  mohou   nástrojů neovlivňuje podobu modelu, ale                obsahovat  nedostatky,  které  navyšují   upravuje jeho velikost a polohu v systému                objem  dat,  omezují  použití  některých   souřadnic.  Tyto  nástroje  jsou  využívány                analytických nástrojů nebo působí rušivě   k  ustavení  modelu  do  některé  z  defino-                při  zobrazení  a  prezentaci  modelu.  Po   vaných poloh nebo pro vzájemné uspořá-                vytvoření modelu tak zpravidla následuje   dání více souvisejících modelů. Příkladem                fáze jeho editace, během níž mohou být   prvně  jmenovaného  využití  je  ustavení                za  pomoci  různých  editačních  nástrojů   modelu  lebky  do  polohy  odpovídají-                téměř  neomezeně  upraveny  různé  vlast-  cí  frankfurtské  horizontále,  usnadňující                nosti modelu.                        jeho další analýzy a prezentaci, vzájemné                   Editační nástroje můžeme rozdělit do   polohování více modelů je pak základem                několika  skupin  podle  toho,  které  prvky   virtuální  restaurace.  Volba  editačních                modelu  upravují.  První  skupinou  jsou   nástrojů  a  pořadí  jejich  použití  záleží  na                nástroje  pro  základní  čištění  modelu  od   stavu  původního  modelu  a  požadova-                nadbytečných  dat  a  defektů  polygonál-  né  výsledné  formě.  Očištění  modelu  je                ní sítě. Tyto nástroje neovlivňují podobu   vhodné provádět hned na počátku editace,                samotného   modelu,   očištění   vede   pořadí  ostatních  kroků  však  musíme                především k redukci objemu dat, a tím ke   přizpůsobit konkrétním okolnostem. Tvar                snížení  výpočetní  náročnosti  další  práce    polygonální  sítě  je  například  vhodné                s modelem. Druhá skupina nástrojů slouží   editovat v co možná nejvyšším, původním                k  editaci  tvaru  modelu.  Použitím  těchto   rozlišení  a  až  nakonec  rozlišení  modelu                      Rozdělení editačních nástrojů                     1) Nástroje pro čištění modelu od nadbytečných dat, defektních polygonů a nežádoucích                    částí                    odstranění redundantních dat                    odstranění defektních polygonů                    odstranění nežádoucích částí sítě                    odstranění izolovaných fragmentů                    2) Nástroje pro úpravu geometrie polygonální sítě                    Oprava zdvojení polygonální sítě                    Vyplňování děr                    Změna rozlišení                     3) Nástroje pro změnu velikosti a polohy modelu v trojrozměrném prostoru                    Škálování modelu                    Nastavení modelu do definované polohy                    Volné polohování modelu                    Zarovnání překrývajících se dílčích modelů                    4) Nástroje pro editaci barevné informace                                                        57","redukovat  podle  požadavků  na  výsledný   škálu  editačních  nástrojů,  v  detailech  se                model.  Příliš  velké  rozlišení  však  zvyšuje   však odlišují.                výpočetní  náročnost  práce  s  modelem,   Program GOM Inspect nabízí výkonné                proto  je  často  nutné  přistoupit  k  jeho   nástroje  pro  editaci  geometrie  polygo-                počáteční  redukci.  Dalším  příkladem  je   nálních  sítí,  nepracuje  však  s  barevnou                odstranění  izolovaných  fragmentů,  které   informací.  Program  MeshLab  pracuje                může být provedeno jako jeden z prvních   téměř  se  všemi  formáty  3D  modelů,                kroků, zároveň však odstraníme fragmenty,   včetně  formátů  obsahujících  barevnou                které  mohou  být  využity  při  vyplňování   informaci, mezi jeho nevýhody však patří                děr v síti (viz 2.2.4. Odstranění...).  menší uživatelská přívětivost a nestabilita.                                                        Aplikace pro editaci 3D modelů pracují                2.1. Editační aplikace               zpravidla  se  svými,  nativními  formáty                                                     souborů,  tzv.  projekty,  které  se  liší  od                   Nástroje  pro  editaci  polygonálních   obecných 3D formátů. Pro editaci musejí                modelů  jsou  často  součástí  samotných   být modely do editačních aplikací nejprve                ovládacích  rozhraní  skenerů,  aplikací   importovány.  U  některých  programů                pro   segmentaci   objemových   dat    (GOM Inspect) se model stává importem                a  fotogrammetrických  aplikací.  Speciali-  součástí  projektu,  u  jiných  programů                zované programy pro úpravu 3D modelů   (MeshLab) obsahuje projekt pouze cestu                však  nabízejí  výkonnější  nástroje  a  širší   k  souboru  modelu.  Stejně  jako  u  jiných                možnosti  nastavení  editačních  kroků.    nativních formátů platí, že projekty mohou                V této kapitole budou prakticky představe-  být  otevřeny  pouze  ve  svém  programu,                ny především dvě volně dostupné aplikace   proto  modely  po  skončení  editace  opět                pro editaci 3D modelů, MeshLab a GOM   exportujeme  do  některého  z  obecných                Inspect. Oba programy nabízejí podobnou   formátů.                 2.1.1. Praktická ukázka – postup editace modelu lebky v programu GOM                Inspect                  GOM  Inspect  je  aplikací  pro  editaci  a  komparaci  polygonálních  sítí.  Pro  nekomerční  využití                je  aplikace  dostupná  bezplatně.  GOM  Inspect  byl  vyvinut  především  pro  oblast  strojírenství,                konkrétně pro analýzu odchylek mezi návrhem součástky, v některém z designovacích programů,                a její finální podobou, digitalizovanou 3D skenerem. Kvůli tomuto zaměření má práce s polygonál-                ními modely v tomto programu svá specifika:                •  modely jsou do programu importovány buď                  jako  CAD  (tzv.  Nominal  elements),  nebo                  Mesh (tzv. Actual elements).                •  Modely importované jako CAD jsou chápány                  jako  referenční  modely,  původní  návrhy,                  proto se nedají editovat.                •  Modely  importované  jako  Mesh  jsou                  chápány jako skeny a jsou editovatelné.                •  Porovnání a superpozice jsou možné pouze                  mezi objektem importovaným jako Mesh a                  modelem importovaným jako CAD.                  Podporované 3D formáty:                •  import: STL, POL, PLY, G3D                •  export: STL, PLY, G3D                                                      58","Základní navigace v programu GOM Inspect                                      LMB - otáčení                                      shift + LMB – otáčení kolem osy pohledu                                      kolečko myši -  ZOOM                                      stisknuté kolečko myši – posun                                      Pro  nastavení  standardního  pohledu                                      je vhodný navigátor v levé dolní části                                      editačního okna.                     Projekt programu GOM Inspect                   Nativním souborem aplikace GOM Inspect je projekt, uložený v samostat-                  ném  adresáři.  Jméno  a  umístění  adresáře  je  nastaveno  při  uložení.                  Adresář  obsahuje  spouštěcí  program  projektu  (přípona  .ginspect_prj),                  stejně jako všechny importované modely, editované prvky atp.                  Pro správné fungování projektu je potřeba celý adresář!!!                   Pozměněné  modely  jsou  při  uložení  součástí  projektu.  Do  některého                  z obecných 3D formátů mohou být exportovány příkazem:                   File > Export > Mesh > Stl… (případně jiný formát)                  V následujícím textu bude stručně představen způsob editace modelu za pomoci nástrojů aplikace                GOM Inspect na příkladu modelu lidské lebky. Blíže se budeme věnovat pouze obecným pravidlům                práce v programu GOM Inspect, návody na použití jednotlivých nástrojů jsou součástí obecného                přehledu editačních nástrojů v druhé části této kapitoly.                •  Model  importujeme  jako  Mesh  do  otevře-                  ného projektu.                •  Do  projektu  importujeme  3D  model  buď                  přes  dialogové  okno  File  >  Import  >  File...,                  nebo  přetažením  ikony  souboru  přímo  do                  okna programu, na ikonu Import.                  •  V dialogovém okně nastavíme typ impor-                    tovaného modelu (Target element type)                    na Mesh, model lebky tak bude importo-                    ván jako editovatelný model.                    Všechny prvky projektu, tj. importované                    modely, editované body, míry atp., jsou                    uvedeny v seznamu Elements nalevo, kde                    jsou  roztříděny  podle  typu.  Importova-                    ná lebka je zařazena do Actual Elements                    > Meshes.                                Projekt obsahující model „H115_lebka-_raw“, impor-                                tovaný jako Mesh, a model „H115_lebka_CT“, impor-                                tovaný jako CAD a zneviditelněný                                                      59","Pokud projekt obsahuje více modelů, editován je vždy jen ten, který je označen/aktivován                    v seznamu Elements. V seznamu Elements můžeme také nastavit viditelnost jednotlivých                    prvků, kliknutím LMB na ikonu oka.                     V rámci projektu můžeme měnit umístění modelů mezi Nominal nebo Actual Elements                    Operations > CAD > Actual Mesh to CAD                    Operations > CAD > CAD to Actual Mesh                 •  Model očistíme od nadbytečných dat a chyb polygonální sítě nástrojem Eliminate Mesh Errors.                •  Nástrojem Thin Mesh provedeme počáteční redukci rozlišení s nastavením Surface tolerance                  0.2mm  a  Max.  edge  length  2mm,  při  tomto  nastavení  se  bude  redukovaný  model  lišit  od                  původního maximálně o 0,2 mm a žádná z hran nebude delší než 2 mm.                •  Označíme všechny izolované polygonální sítě, ověříme, že nechceme žádný z fragmentů využit                  pro další editaci, např. pro vyplňování děr, a odstraníme je příkazem Ctrl + Del.                •  S pomocí nástrojů pro výběr sítě ořežeme případné nežádoucí části modelu. Stejné nástroje                  využijeme také k začištění nerovností sítě, které vznikají na okrajích přirozených otvorů jako                  artefakty skenování. Tyto nerovnosti mohou negativně ovlivnit následné vyplňování děr.                •  Díry v polygonální síti vyplňujeme nejprve automaticky nástrojem Close Holes: Operations >                  Mesh > Close Holes > Automatically (Filling result – normal, Max. hole size – 10, Max. number of                  edges – 30, Delete neighborhood – 1) a poté za pomoci manuálního nástroje, nastavení přizpů-                  sobujeme  tvaru  a  velikosti  díry.  Velké  otvory,  jako  např.  apertura  piriformis,  vyplňujeme  za                  pomoci polygonálního můstku. Pokud jsou díry součástí zdvojeného povrchu a složitějších chyb                  sítě, musíme nejdříve tyto chyby odstranit.                •  Model lebky ustavíme do frankfurtské horizontály za pomoci nástroje Operations > Alignment >                  Single Element Transformation > 3-2-1…                •  Po  skončení  editace  model  exportujeme  do  některého                  z  obecných  formátů.  Před  exportem  můžeme  provést                  redukci rozlišení, případně reorientaci modelu do defino-                  vané polohy (viz kap. 2.4. Nastavení velikosti a polohy...).                  •  Model označíme v seznamu Elements nalevo.                  •  Příkazem  File  >  Export  >  Mesh  >  Stl…  aktivujeme                    dialogové okno pro export do formátu .stl                  •  Zvolíme  složku,  do  které  bude  model  exportován                    a exportujeme stiskem tlačítka Ok.                  •  Bez nastavení cílové složky se model exportuje do složky                    Export umístěné v adresáři projektu.                  2.1.2. Praktická ukázka – práce v programu MeshLab                   MeshLab je volně dostupná, opensou-                rce  aplikace,  zaměřená  na  zpracová-                ní  a  editaci  polygonálních  modelů.  Mezi                výhody  patří  velké  množství  editačních                nástrojů a podporovaných formátů, včetně                formátů  modelů  opatřených  barevnou                texturou nebo informací o barvě vrcholů.                Nevýhodou  programu  je  nestabilita                a časté padání Windows verze programu.                   Podporované 3D formáty:                Import: PLY, STL, OFF, OBJ, 3DS, COLLADA, PTX, V3D, PTS, APTS, XYZ, GTS, TRI, ASC, X3D, X3DV,                VRML, ALN                Export: PLY, STL, OFF, OBJ, 3DS, COLLADA, VRML, DXF, GTS, U3D, IDTF, X3D                                                     60","MeshLab – základní navigace                  LMB – otáčení                  Ctrl + LMB – posouvání                  ZOOM – přibližování/oddalování                  Shift + ZOOM – změna FOV (field of view)                  Ctrl + h – návrat k originální poloze                 Help  >  On  screen                  LMB + Ctrl + Shift – ovládání osvětlení               quick help                                            Projekt programu MeshLab, správa modelů                   Nativním souborem aplikace MeshLab jsou  tzv. projekty (přípona .mlp).                  Projekt  je  jednoduchý  textový  soubor,  obsahující  pouze  cesty  k  jednotlivým  modelům,                  případně  tzv.  roto-translační  matice,  ne  už  samotné  modely.  Modely  jsou  vždy  načítány                  z externích souborů – v případě, že změníme cestu k modelům (přesuneme je do jiné složky,                  případně odstraníme), projekt v plné podobě nenačteme!!!!!                   Po  editaci  modelu  v  prostředí  MeshLab                  (posuneme  v  prostoru,  umažeme,  zjedno-                  dušíme atd.), je tento model v Layer Dialog                  označen hvězdičkou – to znamená, že model                  byl  změněn  v  projektu,  ale  nebyl  uložen,                  soubor modelu je nezměněn!!!!                   Editované modely musejí být exportovány –   Projekt  se  dvěma  importovanými  modely.  Vidi-                  File > Export Mesh...              telný pro úpravy je pouze model kořene, který byl                                                     současně editován bez uložení, proto je označen                                                     hvězdičkou.                 V následujícím textu bude stručně představen způsob editace modelu za pomoci nástrojů aplikace                MeshLab. Modelovým příkladem bude dokončení modelu zubu ze dvou dílčích modelů, vytvo-                řených v programu 123D Catch. Součástí postupu je vyčištění modelů a jejich následné spojení                                                      61","v jeden definitivní model zubu. Blíže se budeme věnovat pouze specifikám práce v programu                MeshLab,  konkrétní  návody  na  použití  jednotlivých  nástrojů  jsou  součástí  obecného  přehledu                editačních nástrojů v druhé části této kapitoly.                                      Dva dílčí modely, vytvořené s pomocí aplikace 123D Catch  Konečný model zubu                 •  Do  projektu  MeshLab  importujeme  oba  modely  zubu                  (jeden  modelující  kořen  zubu,  druhý  polovinu  zubu                  s korunkou). Import provedeme příkazem File > Import                  > Import Mesh nebo přetažením ikony souboru do okna   Seznam  importovaných  objektů                  aplikace.                                    a nastavení jejich viditelnosti                   Importované modely jsou zobrazeny v Layer                  Dialog,  dialogovém  okně  umožňujícím                   nastavení  viditelnosti  (LMB  kliknutím  na                   ikonu  oka)  a  aktivaci  jednotlivých  modelů.                  Layer  Dialog  spustíme  příslušnou  ikonou.                  Všechny editační nástroje účinkují vždy jen na                   ten model, který je aktivován v Layer Dialog.                  V našem  případě  provedeme  první  úpravu   Historie příkazů                  dílčího  modelu  kořene  zubu  a  následně                   úpravu dílčího modelu korunky (model aktivujeme kliknutím LMB na jeho název v Layer Dialog)                •  Odstraníme nadbytečná data modelu.                   Modely exportované z aplikace 123D Catch jsou zpravidla čisté, bez redundantních dat a defekt-                   ních polygonů. Model zubu, vyrobený za pomoci programu 123D Catch, obsahuje pouze malé                   množství Self-intersecting polygonů. Bez dodatečných úprav nemá odstranění těchto polygonů                   smysl.                •  Pokud je zapotřebí, redukujeme rozlišení modelu.                •  Za pomoci nástroje Filters > Cleaning and Repairing > Remove Isolated pieces (wrt. Diameter.)…                  odstraníme izolované fragmenty. Chceme odstranit všechny izolované fragmenty, bez ohledu                  na jejich konkrétní velikost, proto nastavíme hodnotu „perc on“ např. na 50. Při tomto nastavení                  budou odstraněny všechny fragmenty menší než 50% velikosti celého modelu.                •  Automatickým nástrojem vyplníme díry v polygonální síti – Filters > Remeshing, Simplificati-                  on and Reconstruction > Close Holes. Maximální velikost vyplňovaných děr nastavíme na 20.                  Aktivací volby Prevent creation of self-intersecting faces zabráníme vzniku sebe-protínajících se                  polygonů.                                                      62","•  Provedeme škálování obou modelů podle přiloženého měřítka.                •  Editace velikosti, polohy nebo orientace je v programu MeshLab spojena s tzv. roto-translační                  maticí, do které jsou dané editační kroky nejprve uloženy a až následně musejí být aplikovány                  na samotný model (viz následující rámeček).                   Roto-translační matice                 Při  změně  velikosti,  polohy  nebo  orientace                 modelu  nedochází  rovnou  ke  změně                 samotného  modelu,  přepočítání  polohy                 vrcholů  v  prostoru,  ale  pouze  k  uložení                 změn  ve  formě  tzv.  roto-translační  matice,                 která je k modelu přiřazena a přes kterou je                 model  zobrazován.  Při  uložení  projektu  se                 matice stává jeho součástí a původní modely                 zůstávají nezměněny, při opětovném otevření                 projektu jsou modely opět zobrazeny přes roto-translační matici.                 Modely,  ke  kterým  je  připojena  roto-translační  matice,  jsou  v  seznamu  objektů  označeny                 hvězdičkou, při jejich aktivaci je vpravo dole matice zobrazena.                 Aplikaci roto-translační matice na model provedeme příkazem Freeze Current Matrix v menu,                 které otevřeme kliknutím RMB na název modelu v seznamu vrstev. Přepočtem modelu matice                 v pravé části spodní lišty zmizí. Stejně jako u ostatních editačních kroků,  musí být upravený                 model následně exportován (File > Export Mesh...).                  Volbu Freeze Current Matrix obsahují dialogová okna řady editačních nástrojů. Při jejím zatržení                 je rovnou model rovnou editován bez toho, aby k němu byla nejprve přiřazena matice.                  •  Za pomoci nástroje Z-painting odstraníme nežádoucí části obou                  modelů.                •  Modely vzájemně zarovnáme za pomoci nástroje Align tak, aby                  vytvořily dojem jednolitého modelu.                                •  Oba dílčí modely sloučíme do jednoho nástrojem Flatten Visible Layers.                •  Klikneme RMB na jeden ze dvou modelů v seznamu Layer Dialog a v menu zvolíme Flatten                  Visible Layers.                •  V  dialogovém  okně  zvolíme  možnost  Delete  Layers,  po  vytvoření  nového  modelu  budou                  původní dílčí modely z projektu odstraněny. Výsledkem je jeden model, který exportujeme do                  jednoho souboru. Nedochází k žádné změně morfologie původních, spojovaných polygonálních                                                      63","sítí, ani k jejich vzájemnému propojení, příkaz pouze sloučí viditelné sítě do jednoho modelu.                •  Pokud náš projekt obsahuje více modelů a chceme spojit jen některé, využijeme volbu Merge                  Only Visible Layers a nastavíme jako viditelné pouze ty modely, které chceme spojit.                •  Na definitivní model přeneseme z dílčích modelů textury.                •  Model exportujeme                  •  Exportovaný model aktivujeme v seznamu Layer Dialog                  •  Model exportujeme příkazem File > Export Mesh...                  2.2.  Čištění  3D  povrchových       vrcholy  a  polygony  definované  stejnými                modelů                               souřadnicemi  (duplicated  vertices,  dupli-                2.2.1.  Odstranění  redundantních    cated  faces)  a  polygony  s  nulovou                                                     plochou,  například  polygony  definova-                dat                                  né  třemi  totožnými  vrcholy  (tzv.  degene-                   Soubory  3D  modelů  obsahují  často   rated  faces).  Odstraněním  těchto  prvků                redundantní data, která zbytečně navyšují   nedojde k žádné změně informace nesené                datovou  velikost  modelu  a  zvyšují   modelem,  pouze  k  redukci  objemu  dat,                výpočetní  náročnost  práce  s  modelem.   a tím k zefektivnění další práce s modelem.                Nejčastějšími typy redundantních dat jsou                 GOM Inspect – odstranění redundantních dat                Program GOM Inspect obsahuje nástroj Eliminate Mesh Errors, který odstraňuje redundantní data                společně s defekty polygonální sítě.                 •  Označíme celý model – RMB na náhledové okno > Select all                •                •  Spustíme nástroj čištění modelu – Operations > Mesh > Eliminate                  Mesh Errors                Po vyčištění modelu program zobrazí informace o počtu opravených                chyb.                 MeshLab – odstranění redundantních dat                Nástroje pro odstranění redundantních dat jsou součástí nabídky Filters > Cleaning and Repairing.                 •  V okně LayerDialog aktivujeme model, který chceme editovat (LMB)                •  Následně aplikujeme nástroje z nabídky Filters > Cleaning and repairing…                …> Remove Duplicated Vertex – odstraní zdvojené vrcholy                …> Remove Duplicate Faces – odstraní zdvojené polygony                …> Remove Zero Area Faces – odstraní nulové polygony                …>  Remove  Unreferenced  Vertices  –  odstraní  vrcholy,  které  nejsou  součástí  žádného  polygonu                (samostatné body)                  Redundantní  informace  modelu  peruánské                  lebky, skenovaného přístrojem MicroScan                  Původní model :                  Vrcholů – 6800 K                  Velikost – 495 MB                  Po odstranění redundantních vrcholů:                  Vrcholů – 1142 K                  Velikost – 114 MB                                                     64","2.2.2. Odstranění defektních polygonů                Defekty  polygonální  sítě  nejsou  překážkou   další editaci polygonální sítě a bránit aplikaci                běžného využití modelů pro měření a prezen-  některých editačních nástrojů.                taci,  jejich  přítomnost  však  může  ztěžovat                Nejčastějšími defekty sítě jsou:                        Non-manifold edge                Non-manifold  edges  –  hrany,  které  jsou  součástí                více než dvou polygonů.                Non-manifold vertices – vrcholy, které jsou součástí                více polygonů, které nesdílejí své strany.                 Self-intersecting  faces  –  polygony,  které  protínají                sama  sebe.  Pokud  jsou  tyto  polygony  odstraně-                ny bez další editace, vznikají v síti díry, které jdou                zaplnit  opět  pouze  self-intersecting  polygony,                proto k tomuto kroku často nepřistupujeme.  Non-manifold vertex                 GOM Inspect – odstranění defektů polygonální sítě                Pro odstranění některých typů defektů slouží nástroj Eliminate Mesh Errors                 •  Označíme celý model – RMB na náhledové okno > Select All                •  Spustíme nástroj čištění modelu – Operations > Mesh > Eliminate Mesh Errors                 MeshLab – odstranění defektů polygonální sítě                 •  V okně LayerDialog aktivujeme model, který chceme editovat (LMB)                •                •  Nástroje z nabídky Filters > Cleaning and Repairing… slouží k označení příslušných defektních                  polygonů               •  … > Select Self Intersecting Faces               •  … > Select non Manifold Edges               •  … > Select non Manifold Vertices                •                •  Označené prvky odstraníme stiskem Del.                  2.2.3. Odstranění nežádoucích částí sítě – nástroje pro výběr polygonál-                ní sítě                   Nechtěné  části  modelu  zbytečně   překážet  následným  analýzám  nebo                navyšují  jeho  datovou  velikost,  mohou   působit rušivě při vizualizaci.                 Odstranění nežádouchích částí sítě – GOM Inspect                •  Za pomoci některého z nástrojů výběru označíme část polygonální sítě, kterou chceme odstranit.                •  Označenou oblast sítě odstraníme příkazem Ctrl + Del                                                          65","Nástroje pro výběr polygonální sítě                  Nástroje výběru polygonální sítě jsou v nabídce Edit > Selection in 3D …, některé nástroje jsou                  přístupné i rychlou volbou RMB > …  a na liště umístěné ve spodní části náhledového okna.                  Výběr sítě neslouží pouze k čištění modelu, ale obecně ke specifikaci editované oblasti při                  použití různých nástrojů (např. vyhlazování sítě nebo automatického vyplňování děr).                   Základní možnosti výběru jsou:                  výběr všech sítí, které jsou nastavené jako viditelné                  Edit > Selection in 3D > Main Selection > Select All (také přes RMB)                  výběr části sítě, ohraničené definovaným polem a otočené lícem (front side)                  Edit > Selection in 3D >  Surface Selection > Select/Deselect on Surface (také přes RMB)                  1) Spustíme nástroj                 2) Za stisku LMB obkreslíme oblast, kterou chceme označit                 3) Stiskneme RMB a vybereme, jestli chceme danou oblast označit „+“ nebo                 odznačit „-„ (funguje i na odznačení specifických částí sítě)                  výběr části sítě, ohraničené definovaným polem a přímo viditelné v náhledo-                  vém okně (v případě zdvojených povrchů vybere jen vrchní, viditelný)                 Edit > Selection in 3-D >  Surface Selection > Select/Deselect In Viewing Direction                                     výběr všeho, co se nalézá v definovaném poli (i zakrytých částí a částí sítě obrácených rubem)                  Edit > Selection in 3D >  Surface Selection > Select/Deselect Through Surface                                                                         66","Odstranění nežádouchích částí sítě – MeshLab                 Výběrovými  nástroji  programu  MeshLab  jsou  Select  Faces  in  Rectangular  region  a  Z-painting.                První ze jmenovaných nástrojů nemusí fungovat správně na některých výpočetních konfiguracích                (program se zasekává), proto k výběru sítě použijeme nástroj Z-painting, který funguje analogic-                ky k malování od ruky.                 •  V Layer Dialog aktivujeme model, který chceme ořezat.                •  Příslušnou ikonou aktivujeme nástroj Z-painting.                •  V dialogovém okně zvolíme nástroj pro výběr sítě.                •  Při  stisknutém  LMB    vybereme  kurzorem  části  sítě,  které                  chceme vymazat. Vybrané části sítě můžeme odznačit stisknu-                  tím RMB. Pro pozdější použití ponecháme u modelů měřítka.                •  Vybrané části sítě vymažeme za pomoci  nástroje pro odstra-                  nění polygonů a vrcholů nebo stiskem Del.                •  Vybereme  a  zviditelníme  druhý                  model a postup opakujeme.                •  Stejně  jako  u  jiných  editačních                  kroků modely po skončení editace                  exportujeme.                 2.2.4.  Odstranění  izolovaných      většina  editačních  programů  je  nerozliší                fragmentů sítě                       a  pracuje  s  modelem  jako  s  celkem.                   Digitální  model  je  velmi  často  tvořen   Izolované  sítě  mohou  působit  potíže  při                nejen  hlavní  polygonální  sítí,  ale  také   aplikaci  některých  editačních  a  analytic-                větším  množstvím  drobných  izolova-  kých nástrojů (např. zaplňování děr nebo                ných  sítí,  které  vznikají  jako  artefakty   měření objemu). Pokud fragmentární sítě                skenování  (fragmenty,  zdvojení  povrchu,   nenesou  využitelnou  informaci,  přistupu-                okolí  atp.).  Pokud  jsou  izolované  sítě   jeme k jejich odstranění.                součástí  jednoho  souboru,  modelu,                                        Renderovaný model (vlevo) lidské lebky získaný za pomoci skeneru NextEngine a stejný model se žlutě zvýraz-                něnými samostatnými sítěmi (vpravo).                                                      67","Ne vždy jsou izolované sítě nežádoucí                součástí modelu. Může jít o sítě, které jsou                naskenovány správně a mohou být využi-                telné  např.  při  vyplňování  děr.  Odstraně-                ním  těchto  sítí  můžeme  přijít  o  podstat-                nou část informace.                      Odstranění izolovaných fragmentů – GOM Inspect                 •  Spustíme nástroj Select Path – Edit > Selection in 3D >                  Select Path                •  LMB klikneme na model                •  Tento nástroj slouží k označení jedné, spojité polygonál-                  ní sítě. Pokud klikneme na hlavní síť, která tvoří model,                  označí  se  pouze  ta  a  izolované  fragmenty  zůstanou                  neoznačené (zelené).                •  Použijeme nástroj Invert Selection - Edit > Main Selecti-                  ons > Invert Selection                •  Nástroj  Invert  Selection  slouží  k  obrácení  výběru,  po                  jeho  použití  by  měly  být  vybrány  pouze  izolované                  fragmenty.                •  Ověříme,  že  jsou  vybrány  pouze  fragmenty,  které                  chceme odstranit. Fragmenty, které nechceme vymazat,                  odznačíme  nástrojem  Select  Path  a  stisknutím  Ctrl  +                  LMB                •  Označené sítě odstraníme stisknutím Ctrl + Del                 Program také umožňuje výběr všech sítí menších než je                definovaná velikost – Edit > Selection in 3D > Other selecti-                ons  >  Select  Patches  By  Number  of  Points....  Maximální                velikost sítí může být definována procenty vrcholů celého                modelu  (Max.  percentage)  nebo  počtem  vrcholů  (Max.                number of points)                 Odstranění izolovaných fragmentů – MeshLab                MeshLab umožňuje odstranit polygonální sítě na základě definované velikosti.                •  Spustíme nástroj pro odstranění fragmentů – Filters > Cleaning and Repairing > Remove Isolated                  Pieces (wrt Diameter.)…                •  Definujeme velikost polygonálních sítí, které mají být odstraněny. Chceme-li odstranit všechny                  izolované fragmenty, bez ohledu na jejich konkrétní velikost, můžeme nastavit hodnotu „perc                  on“ např. na 50. Při tomto nastavení budou odstraněny všechny fragmenty menší než 50 %                  velikosti celého modelu.                  Ve  stejném  dialogovém  okně  můžeme  nastavit  velikost  odstraněných  fragmentů  také                   v absolutní hodnotě „world unit“. Varianta stejného nástroje, Remove Isolated pieces (wrt Face                  num.), pak umožňuje nastavit velikost fragmentů v počtu polygonů.                •  Fragmenty odstraníme příkazem Apply.                                                      68","2.3.  Editace  geometrie  polygonál-  otvorům  modelovaného  objektu  nebo                ní sítě                              díry  vzniklé  v  místech,  která  nemohla                2.3.1. Vyplňování děr                být  nasnímána,  např.  z  důvodu  zákrytu                                                     nebo špatné dostupnosti. Velké množství                   Polygonální sítě tvořící 3D model často   nepatrných  děr  vzniká  také  v  důsledku                obsahují  velké  množství  děr.  Nemusí  jít   chybného generování polygonální sítě, jde                pouze  o  díry  odpovídající  přirozeným   o artefakty tvorby modelu.                                      Díry  v  polygonální  síti  mohou  být   3D tisk – některé aplikace z tohoto důvodu                překážkou  aplikace  některých  analy-  hlásí  chybu  při  ukládání  neuzavřeného                tických  nástrojů  (např.  měření  objemu,   modelu do formátu stl, nativního formátu                vytváření  rovinných  řezů).  Úplná  uzavře-  stereolitografie, jedné z metod 3D tisku.                nost polygonálních sítí je nutná také pro                 Vyplňování děr v polygonální síti – GOM Inspect                GOM Inspect nabízí nástroj pro automatické zaplnění děr definovaných rozměrů, který je vhodný                pro vyplnění malých děr v polygonální síti. Pro vyplnění větších děr je k dispozici manuální nástroj,                poskytující větší kontrolu nad tvarem výplně. Komplexní díry mohou být před vyplněním přemos-                těny za pomoci polygonálního můstku. Pokud je model tvořen dvěma nezávislými polygonální-                mi sítěmi, nemohou být tyto sítě spojeny za pomoci automatického vyplňování děr (díry musí být                zcela ohraničena polygony). V takových případech využijeme k propojení sítí polygonální můstek                a až následně vzniklé díry vyplňujeme. Stejný postup zvolíme v případě, kdy chceme fragment sítě,                umístěný v prostoru díry, využít pro tvorbu výplně.                 Automatické vyplňování                •  Označíme celý model – LMB > Select All.                •  Spustíme nástroj pro automatické vyplňování – Operations > Mesh > Close holes > Automati-                  cally…                •  Nastavíme parametry děr, které chceme automaticky zaplnit (podle obrázku níže).                  U  řady  nástrojů  lze  parametry  jejich  použití  nastavit  automaticky,  kliknutím  Ctrl  +  LBM  na                  relevantní oblast polygonální sítě. Automatické vyplňování nastavíme kliknutím na okraj díry                  tak, že budou vyplněny díry stejné a menší velikosti.                •  Nástroj aplikujeme stiskem Apply                  U našeho modelu lebky vedlo dané nastavení k zaplnění 226 děr z 260.                                                         69","Podoba výplně, u malých děr                                                                   nemá  nastavení  podstatnější                                                                    vliv na výsledek.                                                                    Max. velikost editovaných děr                                                                    v mm                                                                     Max. velikost editovaných děr                                                                    v  počtu  ohraničujících  poly-                                                                   gonů                                                                    Počet řad polygonů obklopují-                                                                   cích  díru,  které  budou  odma-                                                                   zány  (vyšší  číslo  znamená                                                                   zpravidla vyšší úspěšnost zapl-                                                                   ňování děr)                 Manuální vyplňování děr                 •  Spustíme nástroj manuálního vyplňování děr – Operations > Mesh > Close                  holes > Interactivelly... nebo příslušnou ikonou.                •  Díru, kterou chceme editovat, vybereme kliknutím Ctrl + LMB do blízkosti                  jejího okraje                •  Po nastavení parametrů výplně aplikace dopředu vypočítá její tvar (v případě složitějších děr                  může tato operace trvat několik sekund).                •  Nastavení  Filling  result  měníme  podle  požadovaného  výsledku.  V  případě  některých  děr  je                  dobré zvolit jemnější přechod, respektující tvar okolí díry, v případě přirozených děr můžeme                  použít rovnou výplň (Plane-based).                •  Výplň aplikujeme příkazem Apply.                •  Celý proces opakujeme u dalších děr modelu.                       Vliv různého nastavení Filling result na podobu výplně                                                                                 70","Volba Delete neighborhood                  Volba Delete neighborhood udává počet řad polygonů sousedících s dírou, které budou před                  vyplněním odmazány. Umožňuje tak nastavit, do jaké míry bude tvar výplně respektovat tvar                  okrajů díry.                  Podobná volba je přítomna u řady editačních nástrojů.                  Vliv různého nastavení hodnoty Delete neighborhood na tvar výplně.                                              Vyplňování děr za pomoci polygonového můstku                                          •  Spustíme nástroj Mesh Bridge – Operations > Mesh > Close                                            holes > Mesh Bridge...                          •  Kliknutím LMB + Ctrl k okrajům díry definuje-                  me začátek a konec polygonálního můstku.                                              •  Hodnotou Tangential tension nastavíme zakřivení můstku –                                            čím menší, tím více můstek respektuje tvar krajů.                                          •  Můstek vytvoříme volbou Ok                                          •  Nové díry zaplníme nástrojem pro interaktivní vyplňování                                             děr                                                      71","Vyplňování děr s využitím izolovaných fragmentů                •  Fragmenty propojíme polygonovými můstky.                •  Vzniklé díry interaktivně vyplňujeme.                            Vyplňování děr v polygonální síti – MeshLab                 Program MeshLab obsahuje nástroj, který automaticky vyplňuje všechny díry do velikosti defino-                vané počtem polygonů ohraničujících díru.                 •  Spustíme nástroj automatického vyplňování                  děr – Filters > Remeshing, Simplification and                  Reconstruction > Close holes                  Definujeme max. velikost vyplňovaných děr.                  Pro vyplnění drobných děr zvolíme nějakou                  přibližnou hodnotu, např. 20 (při nastavení                  na tuto hodnotu budou editovány všechny                  díry, které jsou ohraničeny dvaceti a méně                  polygony). Nastavení příliš velké hodnoty by                  mohlo vést k nechtěnému uzavření větších                  děr.                 Volba Prevent creation of selfintersecting faces zamezí vytvoření self-intersecting polygonů.                 2.3.2.  Oprava  zdvojení  polygonál-                ní sítě                   Zdvojení polygonální sítě je defektem,                který může komplikovat některé editační                kroky. Součástí zdvojení je často díra, jejíž                uspořádání je tak složité, že nejde uzavřít.                Problémem  je  tak  např.  úplné  uzavření                modelu obsahujícího zdvojené povrchy.                   Oprava  zdvojeného  povrchu  může                znamenat  podstatný  zásah  do  tvaru                modelu!!!                 Oprava zdvojení polygonální sítě – GOM Inspect                 •  Za pomoci nástroje Select/Deselect On Surface označíme oblast zdvojení.                •  Aplikujeme nástroj Repair, bez volby Cut Selected Area.                  Výsledkem mohou být díry a velké množství fragmentů.                •  Pokud žádný z fragmentů nechceme využít k zacelení sítě, označíme všechny malé fragmenty                                                      72","volbou Select Patches By Number of Points a odmažeme je  stiskem Del.                  Pokud chceme některý ze vzniklých fragmentů využít, spojíme jej s hlavní sítí polygonovými                  můstky (viz 2.2.4. Odstranění izolovaných fragmentů sítě).                •  Díry vyplníme za pomoci interaktivního nástroje.                  Výsledkem je hladký, uzavřený povrch.                 2.3.3. Redukce rozlišení                                                     velikost  souboru  a  výpočetní  náročnost                   Redukce  rozlišení  je  krokem,  ke   jeho  zpracování,  proto  často  přistupu-                kterému  můžeme  přistoupit  v  různých   jeme k redukci rozlišení na počátku celé                fázích editace modelu. V ideálním případě   editace tak, abychom snížili její výpočetní                pracujeme  s  modelem  v  původním,   náročnost.  Zvolené  rozlišení  je  vždy                maximálním   rozlišení,   daným   např.   kompromisem mezi množstvím uchované                nastavením  3D  skenování.  S  rostoucím   informace, zachycených detailů, a velikostí                rozlišení  modelu  však  úměrně  stoupá   souboru.                 Redukce rozlišení polygonální sítě – GOM Inspect                •  Vybereme celý model – RMB > Select All…                •  Spustíme nástroj pro redukci rozlišení „Thin                  Mesh“ – Operations > Mesh > Thin…                  Zvolíme   nastavení   Surface   tolerance                  a zadáme maximální odchylku, kterou může                  mít  nový  model  od  originálu.  Můžeme                  aktivovat  také  volbu  Max.  edge  length,                  která  omezuje  délku  hran  nově  vzniklých                  polygonů.                  Např.  při  nastavení  Surface  tolerance  na                  hodnotu  0.2  a  Max.  edge  length  2  bude                  výsledkem redukce polygonální síť, která se                  tvarově neliší od původní sítě o víc než o 0.2                                                      73","mm a jejíž vrcholy nejsou od sebe dál než 2 mm.                •  Redukci spustíme tlačítkem Apply                  Druhou možností je nastavení přesného počtu vrcholů redukované polygonální sítě (Number of                  points). Výhodou nastavení maximální odchylky je, že nemusí být specifikován konkrétní počet                  bodů, závislý na velikosti sítě a její složitosti, ale jen tvarová tolerance.                    Vliv různého nastavení redukce na výslednou polygonální síť                                   Původní model           Surface tolerance 0,1 mm  Surface tolerance 0,5 mm                  Redukce rozlišení polygonální sítě – MeshLab                •  V  Layer  Dialog  aktivujeme  model  (LMB),                  jehož rozlišení chceme redukovat                •  Spustíme nástroj redukce rozlišení – Filters                  > Remeshing, Simplification and Reconstruc-                  tion > Quadric Edge Collapse Decimation...                •  Nastavíme  parametry  redukce  a  aplikuje-                  me – Apply                •  Target number of faces – nastavíme počet                  polygonů výsledného modelu                •  Preserve   Normal,   Preserve   Topology,                  Preserve  Boundary  –  volby  zabraňují-                  cí  větším  změnám  v  geometrii  modelu.                  Při  aktivace  bude  zachováno  směrování                  polygonů,  redukce  rozlišení  nepovede  ke                  změnám topologie modelu, např. vyplnění                  děr  v  modelu,  a  ke  změnám  tvaru  děr                  v polygonální síti.                •  Jednotlivé  volby  jsou  podrobně  popsány                  v  nápovědě,  která  může  být  aktivována                  tlačítkem  Help  v  dialogovém  okně.  Stejná                  nápověda je k dispozici u většiny nástrojů.                                                             74","2.4.  Nastavení  velikosti  a  polohy   využity pro měření ve virtuálním prostředí,                modelu, virtuální restaurace         musejí  být  zvětšeny  nebo  zmenšeny  tak,                                                     aby  jejich  rozměry  odpovídaly  reálným                2.4.1.  Změna  velikosti  digitálních   rozměrům  modelovaných  objektů.  Pro                modelů – úprava fotogrammetric-      kalibraci  modelu  musíme  znát  některý                kých modelů na reálné rozměry        délkový  rozměr  modelu.  Nejspolehlivější                                                     je modelovat současně s předmětem také                   Fotogrammetrické  modely  nemají   měřítko.                reálné  rozměry.  Pokud  mají  být  modely                 Změna velikosti digitálního modelu – MeshLab                 •  Model aktivujeme v panelu Layers Dialog                •  Za pomoci nástroje Measuring Tool změříme známý rozměr modelu, v našem případě 16 mm                  dlouhý úsek měřítka                •  Aktivujeme nástroj Measuring Tool                  Kliknutím  LMB  umístíme  první  a  druhý  bod  rozměru.  Vzdálenost  se  zobrazí                  u jednoho z bodů, nikam se automaticky nezaznamenává, dalším kliknutím LMB                  původní rozměr zmizí a začínáme nové měření.                               •  Naměřenou hodnotou zaznamenáme a vydělíme                  skutečnou vzdáleností (16 mm).                  V našem případě získáme hodnotu 1,06 (17/16,2).                •  Model  transformujeme  vypočteným  poměrem                  za  pomoci  nástroje  Transform:  Scale  (Filters  >                  Normals, Curvatures and Orientation > Transform:                  Scale...)                •  Označíme  příslušný  model  a  spustíme  nástroj                  změny velikosti.                •  Do pole X Axis zadáme vypočtený poměr                •  Zaškrtneme  pole  Uniform  Scaling,  tak  dojde                  k uniformní transformaci modelu. Pokud by tato                  volba  nebyla  zaškrtnuta,  model  by  se  měnil  jen                  podél jedné ze souřadnicových os a došlo by ke změně jeho tvaru.                •  Díky zaškrtnutí pole Freeze Matrix dojde rovnou k přepočítání modelu (viz rámeček Roto-trans-                  lační matice v kapitole 2.1.2.).                •  Velikost modelu změníme příkazem Apply.                Změna velikosti digitálního modelu – GOM Inspect                Nástroje pro změnu velikosti modelu jsou v nabídce Operations > Alignment > Single Element                Transformation > Scale…                                                     75","•  Model aktivujeme kliknutím LMB na jméno                  modelu v seznamu Elements.                •  Spustíme  nástroj  Scale,  vybereme  volbu                  By  factor  –  změnu  velikosti  na  základě                  zadaného faktoru.                •  Zadáme faktor změny velikosti a aplikujeme.                  2.4.2.  Nastavení  modelu  do  defi-  okně ve skutečnosti měníme úhel pohledu                nované polohy                        a ne orientaci modelu.                                                        Editační  programy  umožňují  změnu                   Digitální modely jsou tvořeny vrcholy,   polohy a orientace modelu v jeho soustavě                jejichž  poloha  v  prostoru  je  definována   souřadnic  –  tj.  přepočítání  polohy  všech                hodnotou tří souřadnic. Každý model má   vrcholů  modelu.  Tyto  nástroje  můžeme                tedy určitou polohu a orientaci v kartézské   využít  k  ustavení  modelu  do  některé  ze                soustavě  souřadnic.  Poloha  modelu,   standardních  poloh  (např.  anatomické                získaného skenováním nebo fotogramme-  polohy nebo frankfurtské horizontály), do                tricky, je často dána polohou objektu při   polohy  vhodné  k  prezentaci  (například                snímání nebo kalibrací dotykového digiti-  do  takové  polohy,  že  se  při  otevření                zéru. Poloha modelu v soustavě souřadnic   v  editačním  programu  model  zobrazí                není  totožná  s  polohou,  ve  které  se   v  anatomické  poloze)  nebo  při  virtuální                na  model  díváme  v  náhledovém  okně   restauraci.                aplikací. Otáčením modelu v náhledovém                   Orientace souřadnicové soustavy                  Programy pro editaci a prezentaci 3D dat se liší ve směřování souřadnicových os a jejich                  orientaci při načtení modelu.                  GOM Inspect                                                        Orientace  souřadnicové  sou-                                Směřování os           stavy při spuštění programu                    Landmark                                   Orientace   souřad-                                 nicové  soustavy  při                                 spuštění                   Amira                  Program Amira nabízí rychlou orientaci modelu                  do  poloh  odpovídajících  základním  anatomic-                  kým rovinám.                  Aby  orientace  modelu  odpovídala  schématic-                  kému zobrazení ikon, musí být model oriento-                  ván podle schématu napravo.                                                         76","Nastavení  digitálního  modelu  do  definované  polohy  v  programu  GOM  Inspect  –                ustavení lebky do frankfurtské horizontály                Frankfurtská horizontála je podle definice taková orientace lebky, při níž leží horní okraje vnějších                zvukovodů a dolní okraje očnic (antropometrické body porion, resp. orbitale) ve vodorovné rovině.                Poloha lebky ve frankfurtské horizontále je považována za anatomickou (fyziologickou) polohu a je                jednou ze standardních poloh využívaných v antropologii. Řada antropometrických bodů a měr je                definována vzhledem k frankfurtské horizontále nebo jejich definice vycházejí z lebky orientované                v této poloze. Standardizace digitálního modelu do polohy analogické k frankfurtské horizontále                nám umožní standardizaci měření modelu a je výhodná také pro prezentační účely.                Všechny  nástroje  pro  změnu  polohy  a  orientace  digitálního  modelu  jsou  v  nabídce  Operati-                ons > Alignment > Single Element Transformation... Pro ustavení lebky využijeme nástroj 3-2-1…,                orientaci modelu za pomoci 6 bodů.                •  Model lebky importujeme jako Mesh do projektu GOM Inspect (model můžeme importovat                  také jako CAD)                •  Na modelu vytvoříme celkem 6 bodů, které poslouží k nastavení lebky do frankfurtské horizon-                  tály. Pro vytvoření bodů na povrchu modelu slouží nástroj  Construct > Point > Surface Point…                  Polohu bodu definujeme kliknutím Ctrl + LMB na model a následně volbou Create. Pro přehled-                  nost můžeme v dialogovém okně každý bod pojmenovat.                  Postupně na model lebky umístíme kraniometrické body pravý a levý porion, orbitale, nasion,                  lambdu a prosthion (viz následující obrázek).                                        •  Spustíme nástroj 3-2-1… pro polohování modelu                •  Dialogové  okno  nastavíme  podle  obrázku  napravo.  K  definici                  základní roviny využijeme oba body porion a bod orbitale, frank-                  furtská horizontála tak bude odpovídat rovině X . Body nasion                  a  lambda  definujeme  orientaci  roviny  Y,  prosthion  využijeme                  k  určení  směřování  osy  Z.  Výsledné  postavení  lebky  bude                  odpovídat uvedenému schématu.                Polohu mění vždy všechny prvky aktivované v seznamu Elements.                Pokud  chceme  polohovat  model  lebky  společně  s  definovanými                body, je nutné označit v seznamu všechny tyto prvky!                                                      77","2.4.3.   Sestavování    digitálních     Příkladem  mohou  být  modely  kostí                modelů, restaurace ve virtuálním     pánve, které byly skenovány samostatně.                prostředí                    Nástroje  pro  polohování  digitálních                modelů  jsou  často  využívány  k  sestavo-                vání modelů do vyšších celků. V kontextu                kosterní antropologie se nejčastěji jedná                o  znovu-sestavení  kosti  ze  samostat-                ných modelů jejích zlomků nebo ustavení                kostí  do  původní,  fyziologické  polohy.                Protože  jde  o  postup  analogický  ke                klasickým  restauračním  metodám,  ale   Do  fyziologické  polohy,  do  podoby                probíhající  plně  ve  virtuálním  prostředí   pánve,  musejí  být  modely  ustaveny                počítače, hovoříme o tzv. virtuální restau-  v některém z editačních programů.                raci.                   Digitální  modely,  získané  některou                z   metod   povrchového   skenování,                jsou  orientovány  nezávisle  na  sobě,                v  různých  souřadnicových  soustavách,                tj. při současném načtení do některého                z editačních programů nejsou vzájemně                správně orientovány.                                                        78","Volné polohování digitálních modelů – MeshLab                K volnému polohování digitálních modelů slouží nástroj Manipulators Tool                 •  V seznamu Layer Dialog aktivujeme model, který chceme polohovat.                •  Spustíme nástroj Manipulators tool.                •  Stiskem T aktivujeme změnu polohy, stiskem R aktivujeme otáčení.                •  Při stisknutém LMB nastavíme myší novou polohu, orientaci modelu.                  Stisknutím X, Y nebo Z můžeme zafixovat rovinu, podél které bude model posunován, resp.                  osu, okolo které bude model rotovat. Další možnosti ovládání jsou uvedeny v dialogovém okně                  nástroje.                •  Novou polohu, orientaci aplikujeme tlačítkem Enter. Stiskem Backspace nastavené polohování                  zrušíme. Celý proces můžeme libovolně opakovat.                  Stejně  jako  je  tomu  u  jiných  editačních  nástrojů,  je  i  v  tomto  případě  k  modelu  nejdříve                  připojena roto-translační matice. Samotný model změníme aplikací matice příkazem Freeze                  Current Matrix (možnost se zobrazí po stisku LMB na název objektu v Layer Dialog). Následně                  může být model exportován.                 Volné polohování digitálních modelů – GOM Inspect                Nástroje pro polohování modelu jsou součástí nabídky Operations > Alignment > Single Element                Transformation >…                Nástroje neumožňují volné polohování, jako je tomu u aplikace MeshLab, pro virtuální rekonstruk-                ci jsou velmi obtížně použitelné.                 •  Translate                  Vektor  posunu  definujeme  dvěma  body,                  které  umístíme  na  model  kliknutím  Ctrl  +                  LMB.                 •  Rotate                  Rotaci definujeme úhlem otočení a osou, okolo které model rotujeme.                 2.4.4. Superpozice a spojování díl-  tvarových  rozdílů,  nebo  pro  vzájemné                čích modelů                          zarovnání  dílčích  modelů,  využitelné  při                   Editační  programy  nabízejí  nástroje,   tvorbě  ucelených  fotogrammetrických                které  automaticky  nebo  polo-automatic-  modelů.  Polohování  můžeme  provést                ky  zarovnávají  modely  na  základě  jejich   manuálně (viz kapitola 2.4.3.), v případě,                tvarových  podobností.  Tyto  nástroje   že  se  dílčí  modely  překrývají,  je  jedno-                mohou  být  využity  pro  superpozici   dušší  využít  některý  ze  specializovaných                polygonálních modelů, např. pro ilustraci   nástrojů pro zarovnání sítí.                  Zarovnání a spojení dílčích modelů – MeshLab                •  Oba modely importujeme do programu                •  Aktivujeme nástroj Align pro poloautomatické superponování polygonálních sítí.                •  V dialogovém okně nástroje Align jsou dva modely, stejně jako v Layer Dialog.                •  Aktivujeme model, který chceme využít jako referenční, a klikneme na volbu Glue Here Mesh,                  tím polohu modelu zafixujeme.                •  Označíme druhý model a klikneme na Point Based Glueing.                                                      79","Point  Based  Glueing  slouží  k  hrubé,  základní  superpozici  sítí.  Algoritmus  je  analogický  3-point                Alignment sítí při laserovém skenování                 •  Na každý model umístíme postupně 3 body tak, aby odpovídající si body (stejné pořadí) byly                  na stejných místech. Body umisťujeme dvojitým kliknutím na model, špatně umístěné body                  odstraníme Ctrl + 2x LMB.                •  Modely superponujeme volbou OK.                •  V  dialogovém  okně  Align  jsou  referenč-                  ní  síť  a  sítě,  které  na  ni  byly  superpo-                  novány,  označeny  hvězdičkou.  Pokud                  nejsme  s  výsledkem  manuální  superpozi-                  ce  spokojeni,  oddělíme  superponovanou                  síť  příkazem  Unglue  Mesh  a  superponová-                  ní opakujeme.                •  Druhou fází je automatické dorovnání super-                  ponovaných  sítí,  které  spustíme  příkazem                  Process. Program automaticky najde největší shodu mezi oběma sítěmi a dokončí jejich super-                  pozici.                  Po zarovnání je druhému modelu přiřazena roto-translační matice (viz 2.1.2.). Aby si model                  uchoval svoji novou orientaci, aplikujeme volbu Freeze Current Matrix a model exportujeme.                  V této fázi tvar superponovaných sítí odpovídá tvaru modelovaného zubu, stále však jde o dvě                  izolované polygonální sítě, umístěné ve dvou souborech.                 2.5.  Přenos  barevné  informace     souborem, obsahujícím texturu. Aplikace                mezi modely                          pro  editaci  digitálních  modelů  nabízejí                   Digitální modely mohou mít informaci   nástroje, za pomoci kterých lze barevnou                o  barvě  přiřazenou  k  samotným  prvkům   informaci mezi texturou a prvky modelu                polygonální  sítě,  vrcholům  a  polygonům,   přenášet.                nebo  mohou  být  propojeny  s  externím                  Přenos barevné informace z textury na prvky polygonální sítě – MeshLab                Celý postup je velmi náchylný na padání programu. Na některých sestavách je nutné po každém                kroku model exportovat a program restartovat.                 •  Do  projektu  importujeme  model,  na  který  chceme  přenést  barevnou  informaci,  a  zdrojový                  model.                •  Spustíme nástroj pro přenos barevné informace z textury na vrcholy - Filters > Texture >  Texture                  to Vertex Color...                                                     80","•  Jako  Source  Mesh  nastavíme  „barevný“                  model, jako Target Mesh zvolíme model bez                  barevné informace.                •  Hodnotu  Max.  Dist  Search  necháme                  v  původním  nastavení,  nebo  zvolíme                  hodnotu Perc např. 1                •  Hodnota  udává,  v  jaké  vzdálenosti  od                  textury  bude  program  hledat  vertexy  pro                  přenos barevné informace.                •  Barvu přeneseme volbou Apply                •  Pokud  přenášíme  informaci  z  více  modelů,                  jako je tomu v případě modelového příkladu fotogrammetrického modelu zubu, celý proces                  opakujeme. Kvůli nestabilitě aplikace je dobré cílový model nejdříve exportovat, aplikaci restar-                  tovat a celý proces opakovat s druhým zdrojovým modelem.                                                                                                        81","3. Analýza digitálních modelů                    Polygonální  modely  mohou  být   rovinných  řezů  v  programu  Amira,  který                zkoumány  prostřednictvím  řady  digitál-  je  dále  představen  v  kapitole  věnované                ních  nástrojů,  které  v  řadě  ohledů   záznamu a zpracování objemových dat.                přesahují možnosti nástrojů aplikovaných                v  reálném,  fyzickém  prostředí.  Digitální   3.1.1. Landmark                nástroje umožňují nejen základní délková                měření  modelů,  ale  také  přesné  měření   Landmark je volně dostupnou aplikací                objemu objektů a obsahu jejich povrchu,   pro editaci, analýzu a interpretaci morfo-                neinvazivní  tvorbu  rovinných  řezů,  regis-  metrických dat. Aplikace umožňuje editaci                traci  morfometrických  dat  a  prezenta-  bodů  na  povrchu  digitálních  modelů,                ci tvarových rozdílů mezi porovnávanými   export  prostorových  souřadnic  těchto                modely.                              bodů  a  komparaci  modelů  na  základě                                                     rozdílů v poloze definovaných bodů. Body                3.1. Aplikace pro analýzu 3D poly-   jsou editovány jako tzv. primitives, tj. buď                                                     jako  samostatné  body,  body  rozmístě-                gonálních modelů                     né na křivce nebo ploše nebo jako body                   V současné době je volně dostupná řada   definující vzdálenost.                aplikací nabízejících široké spektrum analy-  Nativním  formátem  programu  je                tických nástrojů. Následující text se zaměří   soubor  .land.  Všechna  importovaná                na  lineární  měření  modelů,  vytváření   a  editovaná  data  jsou  součástí  souboru                rovinných  řezů  a  registraci  3D  souřadnic   projektu.  Aplikace  umožňuje  import                bodů  ve  freeware  programech  Landmark,   modelů ve formátu .ply, a import prosto-                MeshLab  a  GOM  Inspect.  Programy   rových  dat  ve  formátu  NTS  a  pts.  Ve                MeshLab  a  GOM  Inspect    nabízejí  vedle   stejných  formátech  mohou  být  souřadni-                analytických  nástrojů  řadu  nástrojů  pro   ce význačných bodů exportovány.                editaci povrchových modelů. Základy práce   Ke  stažení  je  program  na  adrese  -                v  těchto  aplikacích  byly  proto  představe-  http://www.idav.ucdavis.edu/research/                ny  v  kapitole  2.  Editace  trojrozměrných   EvoMorph                modelů.  Kapitolu  uzavírá  ukázka  tvorby                                                                                 82","Prostředí aplikace Landmark                  Importovaná data jsou vypsána                       Editace   primiti-                  ve stromu projektu nalevo.                          ves  probíhá  pouze                                                                      v hlavním, největším                  Před editací musejí                                 náhledovém  okně.                  být   importované                                   Okna A a B maxima-                  modely   nahrány                                    lizujeme  kliknutím                  příkazem Load into                                  LMB na lišty                  A,  Load  into  B  (v                  nabídce aktivované                  kliknutím  RMB  na                  model  ve  stromu                  projektu)  do  okna                  A nebo B.                         Primitives                  Všechny typy primitives se umisťují na povrch modelu příkazem Shift+LMB, stejnou kombinací                  mohou být prvky uchopeny (zvýrazní se žlutě) a přesunuty.                   Editace různých typů primitives:                               Body                              Kliknutím Shift + LMB jsou body automaticky umístěny na povrch modelu                              a očíslovány podle pořadí.                             !!!Číslování začíná od 0!!!                              Křivky                              Každá křivka je definována třemi body, které umisťujeme postupně na povrch                              modelu. Jednotlivé křivky na sebe můžeme navázat tím, že jako první bod                              křivky označíme poslední bod křivky předcházející.                               Vzdálenosti                              Vzdálenost je vždy definována dvěma body. Body mohou být nově umístěny                              nebo mohou být označeny už existující body.                    Vlastnosti prvků mohou být editovány v dialogovém okně Edit primitives.                                                                 83","Formáty NTS a pts                                 NTS                                pts                  Soubor  souřadnic,  uvedený  standardizo-  Jednoduchý  soubor  obsahující  pouze                  vanou hlavičkou:                   název prvků a souřadnice.                  1 data ve formě matice                  1L – jeden objekt s popiskou                  57  –  počet  souřadnic  pro  jeden  objekt                  (počet bodů x dimenze)                  1 – obsahuje chybějící data                  9999 – označení chybějících dat                  Dim=3 – trojrozměrné souřadnice                  Import a zobrazení modelů v aplikaci Landmark                 •  Spustíme aplikaci a otevřeme nový projekt File > New, v dialo-                  govém  okně  projekt  pojmenujeme  a  zvolíme  jeho  umístění.                  Projekt spustíme stiskem Ok.                •  Do  projektu  importujeme  model  ve  formátu  .ply  volbou                  Project > Import (nebo File > Import > Into project).                •  Importovaný  model  se  pod  svým  názvem  objeví  ve  stromu                  projektu nalevo.                •  Prvním  krokem  je  nahrání  modelu  do  jednoho  ze  zobrazo-                  vacích oken A nebo B příkazem Load into A, res. Load into B,                  z nabídky Project nebo z menu zobrazeném kliknutím RMB na                  název modelu.                •  Následně model zobrazíme v hlavním okně kliknutím LMB na                  záhlaví okna.                   Postup exportu dat se u jednotlivých prvků mírně liší, je proto probrán pro každý typ                prvků samostatně jako součást editačního postupu.                 3.2. Měření lineárních vzdáleností                                                     potřeba  využít  specializovaných  nástrojů,                   K  měření  vzdáleností  na  digitálních   které  promítají  přímou  vzdálenost  na                modelech  slouží  nástroje  měřící  přímou   definovanou rovinu nebo simulují branže                vzdálenost  mezi  definovanými  body   posuvného  měřidla  (obojí  v  nabídce                povrchu modelu, analogicky k dotykovým   programu GOM Inspect).                měřidlům. K měření projektivních měr je                                                       84","Měření přímých vzdáleností – Landmark                •  Model zobrazíme v hlavním okně.                •  Aktivujeme nástroj Measurements                •  Příkazem  Shift  +  LMB  umístíme  na  model                  body  definující  vzdálenost.  Pokud  jsou                  na  modelu  umístěné  samostatné  body,                  můžeme je pro definování vzdálenosti použít.                  Lineární  vzdálenosti  můžeme  využít  pro  kalibraci  importovaného  modelu.  V  prvním  kroku                  definujeme známou vzdálenost. Otevřeme dialogové okno Edit primitives („Primitive type“ musí                  být nastaven na „Distance“) a do pole Actual measured distance vepíšeme reálnou hodnotu                  této vzdálenosti.                     •  Vzdálenosti jsou exportovány ve formě prostorových souřadnic definujících bodů prostřednic-                  tvím okna Project > Export. (Soubory vzdáleností mají příponu .dims).                          Měření přímých vzdáleností – MeshLab                 Aplikace  nabízí  jednoduchý  nástroj  pro  měření  vzdáleností,  nástroj  neumožňuje  exportovat                naměřenou hodnotu nebo projekt s definovanými vzdálenostmi uložit.                 •  Otevřeme projekt s importovaným modelem.                •  Spustíme nástroj lineárního měření.                •  LMB  umístíme  první  a  druhý  bod,  definu-                  jící  vzdálenost.  Aplikace  následně  zobrazí                  hodnotu vzdálenosti.                  Data se nikam neexportují a při opětovném                  použití zobrazená hodnota zmizí.                     3.3. Registrace význačných bodů                                                     přístupnost  různých  struktur  analyzova-                   Registrace  polohy  význačných  bodů   ného  objektu.  Nevýhodou  je  především                na  digitálních  povrchových  modelech   horší  lokalizace  některých  význačných                odpovídá  digitalizaci  význačných  bodů   bodů,  v  závislosti  na  kvalitě/přítomnos-                na  objektech  dotykovým  digitizérem.   ti  textury  a  přesnosti  modelu.  Prvním                Výhodou digitálního prostředí je možnost   krokem je umístění bodů na povrch digitál-                uložit  postup  práce  a  dodatečně  kontro-  ního modelu, druhým export 3D souřadnic                lovat  umístění  bodů,  stejně  jako  větší   těchto bodů, obvykle v textovém formátu.                                                       85","Editace a export význačných bodů– Landmark                •  Model  zobrazíme  v  hlavním                  náhledovém okně.                •  Na  model  umisťujeme  jednotli-                  vé význačné body stiskem Shift +                  LMB. Stejnou kombinací můžeme                  body  uchopit  a  posunout  po                  povrchu modelu.                  Body  jsou  automaticky  číslovány                  od s00…                  Pokud  bychom  editovali  body                  pro   geometricko-morfometric-                  ké  analýzy,  na  více  modelech,                  musíme  vždy  dodržet  pořadí                  bodů!!!                •  V dialogovém okně Edit Landmark                  Primitives   můžeme   jednotli-                  vé  body  pojmenovat  (Annotation),  změnit  jejich  pořadí  (Re-order),  případně  body  vymazat                  (Delete). Pro editaci bodů nastavíme Primitive type na Single Points.                  Body můžeme také označit jako tzv. Missing data, takto označené body budou mít při exportu                  souřadnice „9999 9999 9999“. Tuto možnost můžeme využít například při registraci bodů pro                  geometricko-morfometrické  analýzy.  V  případě  těchto  analýz  musí  být  na  všech  porovnáva-                  ných objektech zaznamenán stejný počet bodů, ve stejném pořadí. Pokud nemůžeme na model                  některý bod umístit, např. z důvodu neúplnosti modelu, umístíme tento bod do jiného místa                  a po registraci bod označíme jako Missing, zachováme tak stejné pořadí a počet bodů u všech                  modelů.                •  Spustíme dialogové okno exportu Project > Export                •  Nastavíme formát exportního souboru. Pro export souřadnic bodů jsou určeny formáty .dta                  a .pts. Pokud projekt obsahuje více druhů Primitives, specifikujeme v okně Advanced options“                  pouze Points. Volbu Use calibrate… necháme aktivovanou.                                      •  V liště Into folder nastavíme adresář, do kterého budou soubory exportovány, a data exportu-                  jeme volbou Ok.                •  Program Landmark umožňuje importovat body uložené ve formátu .dta nebo .pts. Tuto funkci                                                      86","můžeme například využít v případě, že chceme v programu Landmark pracovat s body, které                  jsme zaznamenali v jiné aplikaci, například v programu MeshLab, který pracuje s barevnými                  modely. Body importujeme do programu příkazem File > Import > Into Project.                 Editace a export význačných bodů– GOM Inspect                •  Otevřeme projekt s modelem.                •  Spustíme nástroj editace povrchových bodů                  Construct > Points > Point..                                     •  Body umisťujeme na povrch modelu příkazem Ctrl + LMB. V dialogovém okně můžeme změnit                  jméno bodu. Vytvoření bodu potvrdíme příkazem Construct.                  Všechny definované prvky jsou součástí projektu a jsou uvedeny v seznamu Explorer jako tzv.                  Geometries…                  Prostorové  souřadnice  všech  prvků  mohou  být  exportovány  ve  formátu  CSV  nebo  ASCII                  příkazem File > Export > Geometry…                •  V seznamu Explorer označíme body, které chceme exportovat nebo nadřazenou složku Points                  v případě, že chceme exportovat všechny body.                •  Souřadnice bodů exportujeme přes dialogové okno File > Export > Geometry                  Pokud nezměníme cílové umístění exportovaných dat, uloží se do složky Export, která je součástí                  projektu.                   Formáty CSV a ASCII                   CSV – tabulka s hlavičkou, názvy a souřad-                  nicemi  jednotlivých  bodů,  případně                  dalšími daty (např. normály)                      ASCII  –  jednoduchý  soubor  obsahující                  pouze souřadnice bodů. Soubor je impor-                  tovatelný do dalších aplikací                                                          87","Editace a export význačných bodů– MeshLab                 Body  editujeme  za  pomoci  nástroje  PickPoints.  Nástroj  pracuje  s  předpřipravenými  šablonami,                do kterých jsou doplňovány souřadnice. Prvním krokem je příprava šablony s konfigurací bodů,                druhým pak samotná registrace polohy bodů.                •  Otevřeme projekt s importovaným modelem.                •  Spustíme nástroj PickPoints                •  Volbou Add Point přidáme do šablony potřebný počet bodů, pro lepší přehled body pojmenu-                  jeme.                •  Vedle Add Point jsou v Template Controls umístěny také další nástroje pro ovládání šablony.                  Námi vytvořenou šablonu můžeme uložit pro pozdější použití volbou Save, dříve vytvořenou                  šablonu můžeme nahrát volbou Load. Volbou Clear šablonu kompletně vymažeme.                  K editaci bodů, obsažených v šabloně, slouží                  nabídka  pod  seznamem  bodů.  Možností                  je  body  přejmenovat  (Rename  Point),                  odstranit  body  ze  šablony  (Remove  Point),                  vymazat souřadnice bodu (Clear Point).                •  V  dialogovém  okně  označíme  první  bod                  (kliknutím  LMB)  a  určíme  jeho  polohu  na                  modelu  pravým  tlačítkem  myši.  Pokračuje-                  me v umístění všech bodů šablony, do dialo-                  gového okna jsou automaticky zaznamená-                  ny jejich souřadnice.                  Špatně umístěný bod můžeme znovu zazna-                  menat  nebo  využít  volby  Move  Point,  kdy                  s bodem můžeme při stisknutém RMB volně                  hýbat po povrchu modelu.                •  Šablonu se souřadnicemi uložíme příkazem                  Save.                  Souřadnice  jsou  uloženy  ve  formátu  .pp.                  Soubor může být otevřen např. v textovém editoru a souřadnice překopírovány do tabulky.                 Editace a export význačných bodů– Amira                •  Spustíme  program  a  importujeme  do  něj                  model  spodní  čelisti  přetažením  souboru                  do okna Pool (vlevo) nebo přes příkaz Open                  data.                  Datové  moduly  –  modely,  souřadnice,  řezy                  atd. jsou v programu Amira zobrazeny zeleně.                •  Kliknutím  LMB  aktivujeme  model  v  okně                  Pool a příkazem SurfaceView jej zobrazíme.                  K modelu se připojí modul zobrazení (Surfa-                  ceView). Zobrazení mají žlutou barvu.                •  Vytvoříme  datový  modul,  který  bude                  obsahovat souřadnice registrovaných význač-                  ných bodů – Create > Data > Landmarks                  V  Pool  se  objeví  nový  zelený  modul                  Landmarks,  do  kterého  budou  ukládány                  souřadnice bodů.                                                      88","3.4. Editace a export křivek                                                     křivky  mohou  být  exportovány  ve  formě                   Aplikace  nabízejí  řadu  nástrojů  pro   vektorů,  častěji  jsou  však  exportová-                tvorbu  volně  definovaných  povrchových   ny a dále zpracovávány souřadnice bodů,                křivek a rovinných řezů, průsečíků modelů   kterými křivka prochází.                s  definovanými  rovinami.  Vytvořené                 Editace a export křivky – Landmark                 Program  Landmark  umožňuje  editaci  křivek  za  pomoci  bodů  umístěných  na  povrch  modelu,                křivka je body interpolována bez ohledu na polygonální síť modelu, kterou může volně procházet,                nejedná se tedy o skutečnou povrchovou křivku.                 •  Editovaný model importujeme do programu a zobrazíme v hlavním editačním                  okně.                •  Aktivujeme nástroj Curve. Základní křivky jsou v aplikaci Landmark definovány                  vždy třemi body, umisťovanými na povrch modelu příkazem Shift + LMB. Jednot-                  livé křivky na sebe mohou být navázány (první bod křivky umístíme do posledního bodu křivky                  předcházející), stále se však jedná o samostatné křivky, samostatné Primitives, uvedené a edito-                  vatelné v dialogovém okně Edit Landmark Primitives zvlášť.                               Aplikace  neumožňuje  export  křivek  ve                  formátu  vektorové  grafiky,  ale  pouze  ve                  formě souřadnic tzv. semi-landmarks, bodů,                  kterými  křivka  prochází.  Počet  semi-land-                  marks se nastavuje v dialogovém okně Edit                  Landmark Primitives, volbou Semilandmark                  density  (Primitive  type  musí  být  nastaven                  na  Curves).  Počet  semi-landmarks  nastavu-                  jeme pro každou křivku zvlášť, ne pro celou                  spojitou  křivku,  body  proto  nejsou  podél                  celé spojité křivky pravidelně rozmístěny.                •  Souřadnice semi-landmarks exportujeme ve                  formátu .nts nebo .pts přes dialogové okno                  exportu  (Project  >  Export).  Pokud  projekt                  obsahuje  více  druhů  Primives,  specifikuje-                  me v okně Advanced Options prvek Curves.                 Editace a export křivky – GOM Inspect                •  Otevřeme projekt a importujeme model.                •  Spustíme nástroj pro konstrukci povrchových křivek (Construct > Curve >  Surface Curve…)                                                      89","•  Umísťováním bodů na povrch modelu (Ctrl + LMB) editujeme průběh křivky. Pokud v průběhu                  editace  křivky  klikneme  na  její  první  bod,  křivku  uzavřeme.  Vytvoření  naeditované  křivky                  potvrdíme volbou Ok.                                           Křivka je zařazena do seznamu Explorer, do                  oddílu Geometries > Surface Curves.                  Na rozdíl od křivek editovaných v programu                  Landmark  je  výsledkem  jediná  povrchová                  křivka (a ne řetězec křivek), přesně kopíru-                  jící povrch modelu.                  Program  exportuje  křivky  ve  formě                  souřadnic  velkého  počtu  bodů,  kterými                  procházejí.  Počet  bodů,  jejichž  souřadni-                  ce exportujeme je nastaven automaticky (v                  případě křivky editované na pánvi jde o ca                  500 bodů).                •  Křivku, kterou chceme editovat, označíme v seznamu Explorer a spustíme dialogové okno pro                  export File > Export > Geometry…                •  V dialogovém okně nastavíme jméno souboru a jeho umístění, křivku exportujeme příkazem                  Export.                  Editace a export rovinných řezů – GOM Inspect                 Program GOM Inspect umožňuje vytvářet rovinné řezy digitálními modely. Výsledkem je křivka                odpovídající průsečíku polygonálního modelu a definované roviny.                Vytvoření rovinného řezu probíhá ve dvou krocích. Prvním krokem je definování roviny řezu (v                případě,  že  nechceme  vést  řez  rovnoběžný  s  rovinami  souřadnicového  systému),  druhým  pak                vytvoření samotné křivky.                                                          90","•  Otevřeme projekt a importujeme model.                •  Spustíme nástroj vytvoření roviny za pomoci tří bodů (Construct > Plane >  3-Point plane…)                •  Příkazem Ctrl + LMB umístíme na povrchu                  modelu  3  body,  kterými  bude  rovina                  procházet.                •  Rovinu vytvoříme příkazem Create.                  Rovina  je  jedním  z  geometrických  prvků                  (stejně  jako  body).  Vytvořené  roviny  jsou                  proto  uvedeny  v  seznamu  Explorer  jako                  Sections.                •  Označíme část modelu, kterou chceme vést                  řez. V našem případě celý model.                •  Spustíme  nástroj  pro  vytvoření  rovinného                  řezu (Construct > Section > Single Section…)                              •  V  dialogovém  okně  zvolíme  za  Reference                  plane námi definovanou plochu.                  Volba Position umožňuje posun plochy řezu                  vůči  referenční  ploše,  v  našem  případě                  ponecháme  nastavení  0.  Řez  bude  veden                  přímo námi definovanou plochou.                •  Rovinný řez vytvoříme příkazem Create.                  Rovinné řezy jsou uvedeny v seznamu prvků Elements jako Sections.                •  Křivku, kterou chceme editovat, označíme v seznamu Explorer a spustíme dialogové okno pro                  export File > Export > Geometry…                •  V dialogovém okně nastavíme jméno souboru a jeho umístění, křivku exportujeme příkazem                  Export.                                                     91","Editace a export rovinných řezů – Amira                 •  Spustíme program a importujeme do něj model dolní čelisti, kterou zobrazíme (viz kroky 1 a 2                  v předchozí podkapitole)                •  LMB aktivujeme zobrazovací modul SurfaceView                •  Kliknutím na červenou ikonu Cutting Plane aktivujeme nástroj pro tvorbu rovinných řezů.                  Moduly nástrojů jsou zobrazeny červeně.                                 •  V  režimu  Interact  nastavíme  za  pomoci                  ovladače rovinu řezu do požadované polohy.                  V našem případě tak, aby ležela v sagitální                  rovině.                •  Po  nastavení  správné  polohy  vytvoříme                  rovinný  řez  kliknutím  LMB  na  ikonu  Cut                  v  okně  Properties  (musí  být  aktivován                  modul CuttingPlane).                  Příkazem  je  vytvořen  datový  modul                  rovinného řezu CuttingLine.                                   •  Křivku exportujeme volbou Save Data As, která je dostupná v nabídce File (při aktivovaném                  datovém modulu CuttingLine) nebo v menu, které zobrazíme kliknutím RMB na datový modul                  křivky.                  Program Amira umožňuje exportovat křivky ve formě vektoru (v exportním okně nastavíme                  formát dxf) nebo ve formě souřadnic velkého počtu bodů, kterými křivka prochází (v exportním                  okně nastavíme formát .lineset).                                                        92","Formáty exportu křivek                   Lineset  –  jednoduchý  textový  soubor                  obsahující  hlavičku  a  souřadnice  bodů                  ležících na křivce                          DXF  –  formát  obsahující  křivku  ve                  vektorové  podobě,  neredukovanou  na                  body. Formát dxf být importován do celé                  řady  aplikací  pro  editaci  3D  dat,  např.                  Rhinoceros.                                                                                                    93","3D záznam a zpracování objemových dat                                                                                             Martin Čuta                                                                                                   94","4. Objemová data                    jsou informace z řady po sobě poříze-  objektu  z  velkého  počtu  sériových                ných  záznamů  –  řezů  –  pozorované-  rentgenových  snímků.    Metoda  využívá                ho  objektu.    Tyto  informace  jsou  méně   adsorpce  rentgenového  paprsku  vysíla-                často získávány metodou sériové fotogra-  ného  pohybující  se  rentgenkou,  což                fie fyzických řezů objektem, nebo častěji   umožňuje záznam objektu z mnoha úhlů.                pomocí pokročilých zobrazovacích metod   Na  základě  slábnutí  radiace  dopada-                (CT  –  počítačová  tomografie,  MRI  –   jící  na  senzory  (díky  jejímu  pohlcová-                magnetická rezonance).  Surová pořízená   ní  závislému  na  hustotě  objektu  –  např.                objemová  data  tedy  mají  podobu  na   rozdílných  tkání  lidského  těla)  určuje                sebe  navršených  řezů.  Ve  většině  zázna-  složitý  výpočtový  algoritmus  prosto-                mových formátů (nejužívanější je formát                záznamu  medicínských  dat  DICOM)  je                sken  opatřen  doplňujícími  informace-                mi  (metadata  –  informace  o  paciento-                vi,  datum  pořízení,  typ  přístroje  a  další                technické údaje).  Každý z řezů má určitou                šířku  a  výšku,  jeho  plocha  je  rozdělena                na pixely (stejně jako u digitální fotogra-                fie – pixel = picture element). Každý pixel                má udané souřadnice x, y v karteziánské                soustavě. V závislosti na typu a nastavení                přístroje  (pro  příklad  uveďme  běžný                medicínský  CT  přístroj),  mají  jednotlivé                řezy  různou  vzdálenost  od  sebe  (která   Obr.23 Výpočetní tomograf                určuje rozlišení) a tloušťku, která udává                třetí  rozměr  (a  výslednou  souřadnici  Z)                v karteziánské soustavě. Takto vymezená                jednotka je základní jednotkou třídimen-                zionálního  zobrazení  objemových  dat  –                voxel.                 4.1. Metody záznamu objemových                dat                   Jak bylo uvedeno výše, objemová data                mají podobu sériových řezů zkoumaným                objektem.  Tomografie  je  obecný  název                pro  metody  tvorby  virtuální  podoby                objektu na základě řezů – „slice“ – jedná se                o  tenké  řezy  (planární  rovinné  podjed-                notky) hmotným objektem.                 4.1.1. Výpočetní tomografie                   Pomocí  výpočetní  nebo  také  počíta-                čové  tomografie  (z  anglického  názvu                Computed    Tomography)   vytváříme                kompletní  zobrazení  objemu  snímaného   Obr. 24 Sériové snímky pořízené výpočetním tomo-                                                     grafem                                                       95","rové  uspořádání  struktur  adsorbují-  pomocí  ionizujícího  záření,  ale  princip                cích  záření.  Na  množství  takovýchto   nukleární magnetické rezonance ve velmi                měření  slábnutí  záření  závisí  prostorové   silném  magnetickém  poli.  Při  medicín-                rozlišení  každého  nasnímaného  obrazu.    ském využití MRI je vzhledem k vysokému                U současných medicínských CT přístrojů je   obsahu  vody  v  lidském  těle  využíváno                maximální úroveň prostorového rozlišení   rezonance  jader  vodíku  (obsahujících                0,6 mm – tedy každý nasnímaný obraz –   jeden  proton)  v  magnetickém  poli.  Tato                řez – má tloušťku 0,6 mm. CT řezy slouží   metoda  je  vhodná  především  pro  zobra-                jako vstupní data pro skládání 3D modelu   zování  měkkých  tkání  (ze  všech  neinva-                metodou segmentace a následné vykres-  zivních  zobrazovacích  metod  poskytuje                lení 3D modelu – rendering (viz dále).   jejich nejkontrastnější vizi). Na výsledném                                                     zobrazení  jsou  od  sebe  jednotlivé  tkáně                4.1.1.1. Micro-CT (mikro-tomografie)  zřetelně  odlišeny,  což  je  dáno  rozdílnou                                                     odpovědí  různých  tkání  na  magnetic-                   Tato  zobrazovací  metoda  je  princi-  ké pole o stejné hodnotě (v závislosti na                piálně  shodná  s  medicínskou  výpočetní   obsahu vody).                tomografií  (CT),  ale  poskytuje  zobrazení                ve  vysokém  rozlišení  –  v  řádech  mikro-                metrů.  Toto  rozlišení  hraničí  se  sférou                jiné biomedicínské disciplíny – histologie.                Získáváme tím možnost (do značné míry)                pozorovat vše, co lze pozorovat na velmi                tenkých  mikroskopických  řezech,  avšak                bez nutnosti objekt fyzicky řezat.                                                               Obr. 26 Přístroj pro vyšetření magnetickou rezonancí                        Obr. 25 Mikro-tomograf                4.1.2. Magnetická rezonance                    Stejně  jako  v  případě  výpočetní                tomografie,   magnetická   rezonance                (Magnetic  resonance  imaging  –  MRI)                generuje  objemová  data  v  podobě  na                sebe navršených paralelních řezů (zbarve-                ných  v  odstínech  šedé).  Metoda  pořizo-                vání  záznamu  je  však  podstatně  odlišná                –  není  využíván  princip  zobrazování   Obr. 27 MRI snímek ramene                                                       96","4.1.3. Sériová fotografie                   Pokud máme k dispozici sérii fyzických                řezů zkoumaným objektem (např. lidským                tělem),  je  možné  snímky  použít  jako                zdrojová  data  pro  skládání  3D  podoby                objektu.  Digitální  fotografie  série  řezů                (případně   digitalizované   fotografie                pořízené  na  kinofilm)  lze  po  správném                uspořádání  do  posloupnosti  ve  speci-                alizovaných  programech  segmentovat                a   následně   vykreslit   3D   virtuální                (objemový)  objekt.  Rozlišení  výsledné                vizualizace  objektu  závisí  na  tloušťce                fyzických  řezů  –  viz  obr.  29  (The  Visible                Human Project).                                                           Obr. 29 Virtuální 3D model vytvořený na základě séri-                                                     ových fotografií – The Visible Human Project                                                     obrazu zahrnuje segmentaci – prahování                                                     pořízených  snímků  a  následné  vykreslo-                                                     vání  (rendering)  virtuálního  3D  objektu.                                                     Jedná se o postupy náročné na hardware                                                     i  specializovaný  software.  Běžně  jsou                Obr. 28 Fotografie řezu lidskou hlavou – The Visible   používány  komerční  programy  Amira                Human Project                        (zaměřením  spíše  pro  biomedicínský                4.2. Zpracování obrazu               výzkum) či Avizo (pro industriální výzkum                                                     a praxi). Alternativami jsou např. software                   Post-processing  neboli  zpracování   3D Slicer či OsiriX.                     Software Amira                 Program  Amira  je  profesionální  komerční  software  umožňující  zpracování  primárně  biome-                 dicínských dat pro účely vědeckého bádání. Program je primárně koncipován pro konstrukce                 a rekonstrukce 3D objektů, jejich vizualizace, editaci a analýzy. Jedná se o velmi výkonný nástroj                 s širokou škálou možností – ať už se týká typů dat, která dokáže importovat (od fotografií, přes                 snímky  z  CT,  laserových  či  optických  skenerů  až  po  komplexní  polygonální  modely),  nebo                 o typy přípravných datových operací, až po úpravu a analýzy hotových virtuálních modelů v 3D                 prostředí. V neposlední řadě nabízí řadu možností pro export modelů, od možnosti prohlížení                 v základním prohlížeči Adobe Acrobat Reader 9.0 a vyšší, po vytisknutí 3D objektu v 3D tiskárně                 (tzv. stereolitografie) (FEI, 2014).                                                             97","Orientace v pracovním prostředí software AMIRA verze 5.0.1                V základním prostředí programu se nachází čtyři podokna (každé z oken má libovolně nastavitel-                nou velikost – velikost je možné nastavit kliknutím na kraj okna a tahem myší do požadované                vzdálenosti).                •  a) největší okno v základním nastavení programu představuje primární pracovní prostředí, ve                  kterém se zobrazuje a interaktivně manipuluje buď s 3D virtuálním modelem, nebo s 2D snímky                  (CT skeny, fotografie atd.).                  Primární okno lze přepínat do jednoduché-                  ho, půleného či segmentárního uspořádání                  ikonami  na  liště  vpravo  nahoře.  V  každém                  segmentu je možné zobrazit rozdílný pohled                  na model nebo snímky či simultánní pohledy                  na různá zobrazení základních dat.                                                     •  Zcela  vlevo  na  liště  primárního  pracovního  okna  se  nachází  manipulační  nástroje.  Šipka                  zastupuje nástroj Interact, který má využití např. při ořezu snímků či editaci.                •  Nástroj Trackball otáčí celým virtuálním prostorem podle tří os (libovolně nastavitelných, viz                  dále).                                                            98","•  Nástroj Translate posouvá celým virtuálním modelem dle tří os.                •  Nástroj Zoom umožňuje přiblížení či oddálení prostoru.                •  Nástroj Rotate otáčí prostorem podle středu otáčení.                •  Nástroj Seek přiblíží označený bod.                •  Nástroj  Home  vrátí  prostor  do  původní  pozice,  nástroj  Set  home  umožní  nastavení  výchozí                  pozice.                                         •  Nástroj Perspective umožňuje přepínat mezi ortogonálním nastavením (2D pohled na objekt                  – projekce na rovinu obrazovky) a „3D“ prostorem, kdy je pomocí perspektivy (simulace 3D                  prostředí) dosaženo dojmu pohledu na reálný objekt – vzdálenější objekty jsou menší atd.                                          Následují  ikony  zastupují  nástroje,  které  umožňují  změnu  orientace  tří  na  sebe  kolmých  os                a nástroje, které umožňují měření, tvorbu snímku pracovního okna (nejde o screenprint, program                vytvoří  a  do  souboru  exportuje  .jpg  reprodukci  s  vysokým  rozlišením  objektu  v  primárním                                                      99","pracovním okně, případně obraz lze odeslat přímo do tiskárny nebo do poznámkového bloku)                a stereo zobrazení. Nejvíce vpravo se nachází ikony umožňující rozdělení pracovní plochy na více                oken, ve kterých je možné zobrazovat data v různých projekcích.                 •  b)  Vlevo  od  primárního  pracovní-                  ho  okna  se  nachází  Okno  správce                  dat, které je možno zapnout ve třech                  módech  v  závislosti  na  prováděné                  operaci.  Mód  Pool  (aktivuje  se                  kliknutím  na  ikonku  Object  Pool)                  zobrazuje probíhající projekty, prová-                  zanost jednotlivých typů dat a prove-                  dených kroků. Obecně platí – zelené                  ikonky  označují  datové  soubory,                  červené  provedené  operace  a  žluté                  výsledná zobrazení.                •  V módu Pool otevíráme (nahráváme                  –  Load)  datové  soubory  kliknutím                  na  ikonku  Open  Data.  Otevře  se                  navigační okno, ve kterém vybíráme                  požadované soubory, které budou do programu nahrány.                                         •  V módu Pool se nacházejí ikonky jednotlivých datových souborů, jejich vzájemné provázání                  a navázání na provedené operace. Je možné se mezi jednotlivými kroky vracet, měnit a upravovat                  je, případně rušit provázání, mazat. Tyto změny však mohou měnit i navázané datové soubory                  či provedené operace. Každá ikonka v módu Pool je označena dvěma čtverečky; oranžová barva                  levého čtverečku značí, že je ikona aktivní (zobrazuje se), kliknutím na čtvereček ji můžeme                  deaktivovat. Pravý čtvereček umožňuje manipulaci s provázáním jednotlivých datových souborů                  a operací. Kliknutím na ikonu pravým tlačítkem myši se zobrazují dostupné operace, které je                  možno s daným souborem provést. Nejpodstatnější z těchto operací se zobrazují v příkazové                  liště okna Pool.                •  Z dalších módů využijeme Segmentation Editor (zcela vpravo). Segmentation Editor umožňuje                  výběr a úpravu snímků pro tvorbu 3D modelu.                                                     100","•  c)  Pod  oknem  správce  dat  se  zobrazuje  (v                  závislosti  na  zvoleném  módu  Správce  či                  na  dalších  nastaveních)  okénko  Proper-                  ties,  které  zobrazuje  vlastnosti  zvolených                  dat  nebo  zvolená  nastavení  prováděných                  pracovních kroků s možností jejich změny.                 •  d) pod pracovním oknem se nachází okénko                  Console, ve kterém jsou v textovém formátu                  zaznamenány provedené kroky.                                         Formáty dat v SW AMIRA                Amira dokáže otevírat širokou škálu vstupních 2D i 3D grafických dat. Provedené datové operace                se ukládají do projektů s příponou .hx vlastní pouze pro SW AMIRA. Projekty načítají jak cestu                k jednotlivým souborům dat různého formátu, které jsme otevřeli nebo vytvořili v rámci projektu,                ale také jejich provázanost. Jednotlivé datové formáty jsou ještě ukládány samostatně (s příponou                .am, labels.am, .surf podle formátu dat) a program při ukládání projektu vyžaduje také uložení                jednotlivých datových souborů.                                                                        101","4.2.1. Segmentace (prahování)        v programovém prostředí např. software                                                     Amira proces nastavení pracovního prahu                   Jedná se o proces, jehož pomocí speci-  podobá práci v obrazových editorech typu                alizovaný  software  (viz  výše)  virtuálně   Photoshop:  iteračním  procesem  pomocí                odlišuje  konkrétní  strukturu  od  struktur   posuvníků  nastavíme  práh  kontrastu                sousedících.  Po  segmentaci  lze  s  touto   a jasu snímaných struktur tak, aby byly co                strukturou  nakládat  jako  se  samostat-  nejlépe zřetelné, a na základě takto nasta-                nou  jednotkou.  Např.  software  Amira   veného  prahu  potom  software  pomocí                nabízí  škálu  segmentačních  nástrojů,   segmentačních   nástrojů   vyhledává                které  umožňují  automatizaci  procesu  na   a označuje struktury (např. kost).                všech načtených řezech v sérii či segmen-  Segmentační   editory   umožňují                taci  manuální  v  jednotlivých  snímcích   prahování  objektů,  které  jsou  tvořeny                postupně.  Manuální  segmentace  je   pouze  jedním  typem  tkáně  (např.  z  CT                z důvodu obrovského objemu dat většinou   skenů  lidských  kosterních  pozůstatků)                neproveditelná,   a   plně-automatická   nebo  více  typy  tkání  (např.  z  CT  skenu                segmentace z důvodů velké diverzity tkání   mumie,  nebo  z  CT  skenu  či  MRI  snímků                lidského těla (a velké rozmanitosti struktur   těla  živého  člověka).  Možnosti  prahování                kostní tkáně při zpracování snímků, např.   v  segmentačním  editoru  se  liší  podle                lidského  skeletu  v  antropologicko-ar-  technologie, kterou byly pořízeny sériové                cheologickém  kontextu,  případně  kostní   snímky.  CT  snímky  těla  živého  člověka                tkáně v kombinaci s měkkými tkáněmi při   umožňují  jednoznačné  odlišení  kosti                zpracování  snímků  mumií  anebo  snímků   a  měkkých  tkání.  Měkké  tkáně  jsou  však                tkání živého člověka) není ideální, nejčas-  na snímku uniformní a neumožní odlišení                těji  pracujeme  metodou  tzv.  semi-auto-  jednotlivých  struktur.  Využití  CT  snímků                matické  segmentace.  Velmi  zjednodu-  je  v  tomto  případě  vhodné  například                šeně  se  dá  říci,  že  většina  softwarových   při  vizualizaci  či  tvorbě  modelu  podoby                nástrojů  provádí  proces  prahování  na   obličeje  konkrétního  jedince  v  závislos-                základě následujících základních principů:   ti  na  kostním  podkladu.  Pokud  máme                kontrastního  a  barevného  rozdílu  (na   k  dispozici  snímky  pořízené  metodou                úrovni  jednotlivých  pixelů)  mezi  nasní-  magnetické rezonance – MRI, umožní nám                manými  strukturami  –  tzv.  histogram   detailní vykreslení jednotlivých tkáňových                (pixel)-  based  procedury;  identifikova-  struktur. Konkrétní struktury jsou od sebe                telných  přechodů  mezi  objekty  –  tzv.   jednoznačně odlišitelné, ale snímky (tkáně,                edge-based  procedury;  tzv.  region-ori-  mimo tkání s vysokým obsahem vody) jsou                ented  procedury  vyhledávají  propojené   málo  kontrastní.    Sériové  snímky  z  MRI                objekty  ve  velkém  množství  obrazových   přístroje jsou vhodné jako vstupní materiál                prvků;  dále  existují  tzv.  model-based   pro  vizualizaci  konkrétních  orgánů  či                a  texture-based  procedury.  V  praxi  se   tělesných struktur.                 4.2.1.1. Praktická ukázka – segmentace na základě 2D zdrojových dat                ve formátu DICOM (data z CT snímkování lebky – objekt tvořený jedním                typem tkáně)                   Popis prostředí segmentačního editoru SW AMIRA                 Segmentation  editor  aktivujeme  pomocí  ikony  vpravo                 na liště Okna správce dat. Jedná se o prostředí, v němž                 pomocí  operací  podobných  práci  v  grafických  progra-                 mech  vybíráme  (označujeme)  oblasti  dat,  které  budou                 segmentovány a na jejichž základě bude tvořen virtuální                 3D model.                                                     102","V okně editoru existuje možnost přepínání mezi primárním oknem                 v jednoduchém či segmentárním uspořádání, tak jako v primárním                 pracovním prostředí. Kromě toho je možné klikáním na ikonu zastu-                 pující jednoduché zobrazení přepínat mezi zobrazeními dat v základ-                 ních anatomických rovinách (transverzální, sagitální a frontální) a konečně i náhledem na data                 v 3D zobrazení.                                           Pro operace výběru oblastí dat pro segmen-                  taci se v Segmentation editoru nachází řada                  nástrojů.  V  okně  Zoom  and  Data  Window                  pomocí  posuvníků  nastavujeme  zvětšení                  a  kontrast  a  světelnost  snímku.  Dále  zde                  můžeme nastavovat různé filtry pro zvýraznění požadované oblasti.                  V okně Selection se nacházejí nástroje pro                  přidání, mazání, odstranění a přecházení                  mezi vybranými oblastmi pro segmentaci                  a také se zde provádí vlastní segmentace.                  V okně Display and Masking vytváříme                  hranice  prahu,  na  jehož  základě  bude                  vybrána  oblast  snímků  pro  segmenta-                  ci. Práh vyhledává obrazové body, proto                  je  důležité  provést  odpovídající  přizpů-                  sobení snímku v okně Zoom and Data Window. Nastavení prahu provádíme opět pomocí                  posuvníků způsobem podobným práci v grafických programech. Můžeme si zde opět nastavit                  různé  filtry  pro  zvýrazněné  požadované  oblasti,  nastavujeme  si  zde  také  vykreslení  osové                  mřížky  v  3D  náhledovém  zobrazení  a  také                  pomocí  3D  Volume  rendering  vykreslení                  vstupních dat bez označení jakékoli oblasti.                  V nejspodnějším okně se nacházejí nástroje                  pro výběr požadované oblasti. Nachází se zde                  nástroje Pick and Move, Brush, Lasso, Magic                  Wand, Threshold a Blow Tool (viz dále).                                                     103","Segmentace v SW AMIRA – pracovní postup                •  Spustíme program AMIRA, objeví se vstupní obrazovka, nejsou načtena žádná data.                •  Klikneme na zelenou ikonku Open data vlevo v módu Pool a z umístění DICOM souboru jej                  označíme a zahájíme nahrávání (Load); objeví se okno pomocníka DICOM Loader s informace-                  mi o názvu, počtu, povaze a zdroji dat; kliknutím na OK data nahrajeme. Může se objevit okno                  s informacemi o surových datech (necháme beze změn).                                    •  Data  se  pod  svým  původním  názvem  (Lebka-Detkovice)  objeví  jako  zelená  (datová)  ikonka                  v módu Pool. Kliknutím ikonku aktivujeme, objeví se okénko Properties (informace o vlastnos-                  tech dat).                •  Na příkazové liště klikneme na ikonku Segmentation Editor.                                          •  V řádku Image data se objeví Lebka-Detkovice, v řádku Label data je označeno None. Klikneme                  na New a vytvoří se soubor označených dat Lebka-Detkovice.Labels, se kterým dále pracujeme                  (a jehož ikona se objeví v okně Pool). V tabulce Materials se nachází jedna modalita – Exterior.                  Nejlépe je vytvořit New – kliknutím na toto tlačítko, vznikne Material 2. Můžeme si pro něj                  vybrat barvu dle libosti (tak, aby byla dobře zřetelná na CT snímcích). Zaškrtneme u něj okénka                                                     104","2D i 3D (pro náhled v pracovním okně). Dále pracujeme s tímto Material 2 (lze libovolně pojme-                  novat a zvolit jakoukoli barvu), označíme kliknutím na Select.                •  Jednotlivé CT řezy se objeví v pracovním okně, šipkou nahoru a dolů na klávesnici, kolečkem na                  myši, případně posuvníkem na dolním okraji pracovního okna mezi těmito snímky přepínáme.                  Zvětšení  či  zmenšení  se  provede  v  okénku  vlevo  pod  názvy  dat  –  Zoom  and  Data  Window                  (označeno lupou).                •  V posuvné liště v tomto okně si posuvníky vhodně nastavíme jas a kontrast a zvýrazníme viditel-                  nost oblasti, kterou budeme chtít segmentovat – CT řez kostmi lebky.                                          •  V  nejspodnějším  okénku  s  grafickými  symboly  šipky,  štětce  atd.  provádíme  označení,  výběr,                  oblastí na jednotlivých či všech snímcích, oblastí, které budou v posledním kroku segmentová-                  ny. Máme na výběr dvě obecné možnosti – automatický výběr či manuální výběr (bližší popis                  v následujících rámečcích). Oba přístupy mají svoje výhody a nevýhody. Automatický přístup                  je výrazně méně časově náročný při velkém počtu nasnímaných obrazů. Kostní tkáň však na CT                  snímcích nevytváří homogenní stín, navíc je často přítomen rušivý šum a automaticky vybrané                  oblasti vyžadují manuální kontrolu a odstranění či úpravu. Manuální přístup je časově náročněj-                  ší, ale vhodnější pro nehomogenní struktury; máme pod přímou kontrolou, která oblast bude                  vybrána pro následnou segmentaci.                                                                        105","Automatický výběr struktur pro segmentaci                 Pro automatický výběr lze využít dvou nástrojů, zřejmě nejvhodnější je pomocí nástroje Práh                 – Threshold (symbol sloupcového grafu).                                             Pomocí   manipulace   s   posuvníky                  v  okénku  Display  and  Masking                  nastavíme  (prahujeme)  oblast,  která                  bude automaticky vybrána pro segmen-                  taci.                  Při  vhodně  nastaveném  prahu  se  zabarví  oblast,  kterou  chceme  označit  pro  segmentaci                 (kostní tkáň). Nástroj Threshold vybere všechny oblasti snímku, které odpovídají nastavené-                  mu prahu. Tyto oblasti jsou při zaškrtnutní All Slices vybrány na všech snímcích po kliknutí na                  tlačítko Action: Select.                                                                              106","Pro automatický výběr je také vhodný nástroj                  Magic  Wand.  Od  nástroje  Threshold  se                  při  automatickém  výběru  takřka  neliší,  rozdíl                  se  projeví  při  manuálním  výběru  (viz  dále).                  Zvolené  oblasti  jsou  při  zaškrtnutí  All  slices                  vybrány na všech snímcích.                                                    Manuální výběr struktur pro segmentaci                   Pro manuální výběr je možné využít následu-                  jících nástrojů:                  Nástroj   Threshold   používáme   stejným                  způsobem  jako  u  automatického  výběru,                  pouze  nezaškrtneme  volbu  All  slices.                  V  daném  snímku  si  nastavíme  požadova-                  né  hodnoty  prahu  a  kliknutím  na  Select                  označíme  vybranou  oblast  pouze  pro  daný                  snímek. V následujícím snímku můžeme zvolit                  jiný práh vhodný pro tento snímek a označit                  oblast odlišně od snímku předchozího.                                                             107","108","Nástroj  Magic  Wand  se  od  nástroje  Threshold                  (v  manuálním  módu)  liší  pouze  tím,  že  v  daném                  prahovaném rozsahu (dle nastavení obrazu pomocí                  posuvníků  v  okénku  Display  and  Masking)  po                  kliknutí vybere ohraničenou oblast na snímku, která                  odpovídá zmíněnému prahu. Pokud jsou na snímku                  jasně  ohraničené  struktury,  po  kliknutí  nástrojem                  do  jedné  struktury  se  (opět  dle  nastavení  prahu)                  většinou označí pouze tato jedna struktura uvnitř prahové hranice. Více struktur je možné                  označit  pomocí  stlačení  tlačítka  Shift  a  kliknutí  myši.  Používáme  stejným  způsobem  jako                  u automatického výběru, pouze nezaškrtneme volbu All slices. V daném snímku si nastavíme                  požadované hodnoty prahu a kliknutím myší označíme vybranou oblast pouze pro daný snímek.                  V  následujícím  snímku  můžeme zvolit  jiný  práh  vhodný  pro  tento  snímek  a  označit  oblast                  odlišně od snímku předchozího. Jak bylo uvedeno výše, Magic Wand vybírá (dle nastavení                  prahu) jednotlivé od sebe více či méně izolované struktury a umožňuje lepší kontrolu nad                  vybíraným materiálem.                                           Nástroj Brush (štětec) po kliknutí „vybarvuje“ obtaženou oblast, je vhodný pro oblasti, které                  obtížně zachytíme plošným prahováním snímku. Nástroj umožňuje nastavení tvaru a velikosti                  kurzoru, který vybarvením vybírá požadovanou oblast.                                                                      109","Nástroj  Lasso  umožňuje  vyplnit  obtaženou                  oblast,  zvláště  se  zvoleným  nastavením  Auto                  trace vyhledává zřetelné kontury (dle nastavení                  posuvníků  v  Zoom  and  Data  window;  výběr                  usměrňujeme  postupným  klikáním  kotevních                  bodů) a kopíruje je. Je vhodný pro segmentaci                  např. dutin. Umožňuje i zcela manuální obkres-                  lování.                                            Nástroj  Blow  Tool  expanzně  vyplňuje  oblast                  ohraničenou  prahem,  je  vhodný  pro  segmen-                  taci  např.  dutin.  Nástroj  umožňuje  nastavení                 „tvrdosti“ a tolerance.                                                                              110","•  Zkontrolujeme, zda jsou vybrány požadované struktury (poté, co máme zvoleny oblasti pro                  segmentaci). Máme několik možností – první možnost je postupným prohlížením jednotlivých                  snímků.                  Další  možnost  je  pomocí  živého  3D  náhledu.  Náhled  se  zobrazí  poklikáním  na  ikoně  pro                  přepínání  mezi  jednotlivými  pohledy  na  snímky  nebo  simultánně  při  zobrazení  více  oken  –                  viz  kap.  Popis  prostředí  segmentačního  editoru.  (Existuje  možnost  prohlížet  snímky  v  „3D“                  zobrazení,  a  to  sice  po  kliknutí  na  třetí  ikonku  vpravo  v  úrovni  Display  and  Masking  -  3D                  volume rendering). Živý náhled je orientační, ale může ukázat největší artefakty či nevybrané                  oblasti,  které  můžeme  následně  manuálně  upravit.  AMIRA  dokáže  (při  aktivovaném  3D                  volume rendering) vytvořit 3D náhled i bez jakéhokoli vybraného materiálu. Vychází ze snímků                  a nastavení kontrastu v oblasti Data Window.                  Třetí možnost je provedení segmentace a vygenerování vlastního 3D modelu (viz níže). Model                  je možné detailně prohlédnout a po návratu zpět do segmentačního editoru upravit oblasti                  vybrané pro segmentaci.                                                                                                       111","•  Předtím než přistoupíme k manuální opravě, je vhodné odstranit šum pomocí funkce Remove                  Islands (na liště nástrojů zcela nahoře, klikneme na Segmentation a Remove Islands). Zadáme                  velikost ostrůvků, Select a Remove.                                          V  případě,  že  výše  popsanými  způsoby  zjistíme  nesprávně  označené  struktury,  můžeme  je                odznačit. Buďto je možné odstranit celý snímek, nebo jen určité nesprávně označené oblasti na                snímku – např. artefakty (většinou na nejkraniálnějších či nejkaudálnějších snímcích, které jsou                způsobeny rozptylem paprsků).                 •  Odstranění  celého  snímku  –  vrátíme  se  zpět  do                  segmentačního editoru či do 2D náhledu v tomto                  editoru. Pomocí šipek, kolečka na myši či posuvníku                  na  dolním  okraji  pracovního  okna  najedeme  na                  snímek,  který  jsme  v  náhledu  zhodnotili  jako                  nevhodný. Zaklikneme Current slice a kliknutím na tlačítko – (mínus) jej odznačíme.                                                                            112","•  Odstranění označené oblasti snímku, kterou                  nechceme  segmentovat  (artefakty,  šum)  –                  po návratu zpět do segmentačního editoru                  v  daném  snímku  pomocí  nástroje  Brush                  (štětec) při stisknuté klávese Ctrl odznačíme                  oblast, která nebude segmentována.                                          •  Vlastní  segmentaci  provádíme  po  výběru,                  kontrole  a  případném  vyčištění  oblastí                  zájmu.  V  okně  Selection  zaškrtneme  All                  slices  a  tlačítkem  +  řezy  segmentujeme.                  Segmentované oblasti jsou označeny linkou                  v  barvě  Materiálu,  se  kterým  pracujeme                  (Material 2).                                                                              113","•  Uložíme  přes  možnost  uložení  –  File  –  Save  Network  (program  vyzve  i  k  uložení  souboru                  s příponou labels.am, což potvrdíme). Ukládáme pokud možno průběžně.                                   •  Klikneme na ikonu na příkazové liště zcela vlevo a přepneme                  zpět do okna Pool.                 4.2.2. Rendering (vykreslování) 3D                modelu                   Prostorové  informace  o  konkrétních                strukturách obsažených v souboru objemo-                vých  dat  (na  snímcích  –  řezech)  vybrané                pomocí  procesu  prahování  lze  spojit  a                vykreslit  virtuální  model  zobrazovaného                objektu. Výsledný model je třídimenzionál-                ním popisem objektu a obsahuje informace                o geometrii, úhlu pohledu, textuře, barvě a                osvětlení. K dosažení výsledku je využívána                celá  řada  postupů  (např.  rastrování,                stínování, texturování atd.). V závislosti na                tom, zda chceme zobrazit povrch či vztah                vnitřních a překrývajících se struktur nebo                rozdíly v hustotě tkáně, máme dvě základní                vstupní  volby  –  povrchové  vykreslování                (surface rendering) a objemové vykreslová-                ní (volume rendering).                   Povrchové  vykreslování  (rozumějme                – na základě objemových dat) je většinou                generováno ve formě isosurface, povrchu                představujícího body se shodnými charak-  Obr.  30  3D  model  lebky  vykreslený  metodou  povr-                teristikami. U CT nebo MRI skenů se jedná   chového vykreslování                o  voxely,  které  se  pohybují  v  definova-                ném  prahu  stupňů  šedi.  Výsledný  povrch   Při  objemovém  vykreslování  jsou                se  skládá  z  polygonů,  ve  většině  případů   hodnoty šedi jednotlivých voxelů odstup-                trojúhelníkových políček. Body, ve kterých   ňovány  v  závislosti  na  hustotě  tkáně.                se  polygony  stýkají,  se  nazývají  vrcholy   Podle  tmavosti  či  světlosti  konkrétních                (vertex).                            oblastí  jednolitého  objektu  lze  „vidět                                                      114","dovnitř“  a  při  převedení  na  barevné   jící se struktury či neočekávané zásahy do                schéma  umožňuje  rozpoznávat  překrýva-  tkáně (např. novotvary).                 4.2.2.1. Praktická ukázka – vykreslování modelu ze segmentovaných dat                (data z CT snímkování lebky – objekt tvořený jedním typem tkáně)                  •  V okně Pool klikneme na soubor –„labels.am“, obsahující data segmentované lebky (z předchozí                  praktické ukázky); zobrazí se možnosti dalšího zpracování; pro spíše náhledové zobrazení 3D                  modelu vygenerujeme Isosurface. V okénku Properties jsou možnosti úprav, které prozatím                  nevyužijeme, klikneme na Apply. V pracovním oknu se zobrazí vygenerovaný povrch.                                                                  •  Segmentované struktury v souboru „labels.am“ umožňují i komplexnější vykreslení 3D modelu                  pomocí volby SurfaceGen. V okénku Properties zaškrtneme volbu None u Smoothing (vyhlazení),                                                     115","tedy žádné vyhlazení (vyhlazování snižuje rozlišení modelu), klikneme na Apply a vytvoříme                  soubor s příponou .surf. Na tuto ikonu klikneme a zobrazí se možnosti dalšího postupu. Zvolíme                  SurfaceView. V pracovním okně se zobrazí 3D model vytvořený na základě segmentace objemo-                  vých dat.                                                                                                                     116","4.2.2.2.  Praktická  ukázka  –  specifika  při  segmentaci  a  vykreslování                virtuálního modelu na základě dat z CT snímkování lidské hlavy – objekt                tvořený více typy tkání                Postup segmentace při tvorbě 3D modelu na základě CT snímků živého člověka se od segmentace                snímků kosterních pozůstatků liší jen v detailech.                •  Po načtení dat do pracovního prostředí softwaru Amira je pro úspěch dalšího postupu potřeba                  vytvořit  v  segmentačním  editoru  samostatné  soubory  (labels)  pro  každý  typ  tkáně,  který                  chceme segmentovat. V našem případě se jedná o dva soubory, jeden pro kostní tkáň, druhý                  pro zbývající (měkké) tkáně. Jednotlivé typy měkkých tkání od sebe na CT snímcích nejsou                  odlišitelné.                                                                                  117","•  Postup prahování je shodný s postupem popsaným výše; vhodná je kombinace automatických                  či poloautomatických nástrojů s následnými manuálními úpravami.                 •  Rendering – vykreslení segmentovaných struktur je též shodné s výše popsaným postupem.                  Pro každý z vygenerovaných souborů „labels“ vytvoříme vlastní 3D model (funkcí IsoSurface či                  SurfaceGen-SurfaceView; pro soubor „labels“ obsahující měkké tkáně zvolíme při generování                  modelu možnost „Transparent“ v políčku Draw Style) a v prostředí Pool obě vykreslení aktivu-                  jeme.                                             Transparent                                 Dojde  k  jejich  překrytí  a  lze  např.                  sledovat souvislost podoby obličeje                  s reliéfem skeletu splanchnokrania.                                                                  118","4.2.2.3.  Praktická  ukázka  –  specifika  při  segmentaci  a  vykreslování                virtuálního  modelu  na  základě  dat  z  MRI  snímkování  lidské  hlavy  –                objekt tvořený více typy tkání                Sériové snímky pořízené metodou magnetické rezonance poskytují detailní zobrazení jednotlivých                tkáňových struktur, přičemž konkrétní struktury jsou od sebe jednoznačně odlišitelné. Pro postup                prahování však představují jednu nevýhodu – nízká kontrastnost snímků (kromě tkání s vysokým                obsahem  vody)  výrazně  snižuje  možnost  využití  plně  automatického  postupu  prahování,  což                zvyšuje časovou náročnost přípravy modelu. Vysoká schopnost odlišení jednotlivých tkáňových                struktur od sebe je výhodná zvláště při vizualizaci či tvorbě modelu konkrétního orgánu či jeho                části.                                                                              119","•  Postup segmentace při tvorbě 3D modelu na základě MRI snímků živého člověka se od segmen-                  tace snímků kosterních pozůstatků liší jen v detailech, zvláště pak ve zvýšeném podílu manuální                  práce při prahování.                •  Po  načtení  dat  do  pracovního  prostředí  SW  Amira  je  pro  úspěch  dalšího  postupu  potřeba                  vytvořit v segmentačním editoru tolik samostatných souborů (labels), kolik typů tkáně chceme                  segmentovat. Postup prahování je shodný s postupem popsaným výše; vhodná je kombinace                  automatické segmentace s následným manuálním odstraněním struktur, které si ve výsledném                  souboru (labels) nepřejeme.                                             •  Kromě izolovaných orgánů je možné segmentovat i komplexní objekt (lidskou hlavu) se všemi                  zobrazenými útvary. Takový model může mít využití při vizualizaci topografických vztahů.                                                                               120","Záznam a analýza                  Publikace Záznam a analýza digitálních dat v antropologii se zabývá pro-                blematikou digitálního záznamu povrchových i objemových dat biologic-                kých i nebiologických objektů, tvorbou a editací digitálních 3D modelů a                                     digitálních dat                jejich základní analýzou.                                                                                                         Záznam a analýza digitálních dat v antropologii                Jedná se o praktického průvodce světem virtuální antropologie s konkrét-                ními příklady aplikace na kosterní pozůstatky, živého člověka i artefakty.                Publikace vznikla s podporou projektu OPVK FITEAMP v Laboratoři morfo-                                        v antropologii                logie a forenzní antropologie (LAMORFA), která je součástí Ústavu antro-                pologie PřF MU.                                                                                                                                                      Petra Urbanová                                                                                                                                                    Mikoláš Jurda                                                                                                                                                    Martin Čuta"];