3d сканирование технология. Использование технологии в России. Экспорт в CAD-систему

Какие характеристики детали и как влияют на трудоемкость сканирования:

1. Размер

3. Материал детали

Черная, блестящая, прозрачная поверхность требует предварительного нанесения матирующего спрея. Таким образом, матированию подлежат все изделия из металла, стекла, черного или серебристого пластика. Спрей высыхает, образуя на поверхности тонкий меловой слой, который затем легко удаляется тряпочкой или щеткой, не портя изделие. В том числе с матированием сканируются мобильные телефоны и другая техника, без нарушения их работоспособности.

Идеальной для сканирования считается белая матовая поверхность.

Пример: матирование блестящего отражателя лампы.

4. Чистота и ровность поверхности

Если поверхность детали грязная, ржавая, масляная - для качественного сканирования ее придется предварительно зачищать. Поэтому мы просим заказчиков готовить детали для сканирования заранее.

Поверхность пористая или неровная, много мусора при изготовлении (сварные швы, артефакты и неровности, полученные при литье) - дополнительное время на обработку сканированной модели.

5. Конфигурация детали и рельеф поверхности

Простым считается одностороннее сканирование плоской детали. При обработке сканированной поверхности задается толщина.

Объемная деталь требует сканирования со всех сторон с переворачиванием. При этом для качественного автоматического сшивания важно, чтобы при каждом новом скане сканер «видел» часть меток с предыдущего скана. Поэтому дополнительную сложность представляют детали с тонкими острыми гранями.

Труднодоступные места представляют собой отдельную сложность для сканирования. Глубокие отверстия с разными внутренними диаметрами и резьбами, раковины, загибающиеся детали могут не попасть в зону видения сканера и не будут отражены в сканированной модели. Такие элементы образмериваются и дорабатываются вручную.

Ручные замеры и контроль погрешностей также требуются в случае:

• наличия ответственных элементов в детали (посадочные места или места сопряжений и т.д., где необходимо указание конкретных допусков и посадок),
• нанесения матирующего спрея (который имеет свою толщину);
• погрешностях в методах обработки сканированной детали (например, выравнивание поверхности по средним точкам).

Пример : вал с кулачками (криволинейные поверхности с ответственными размерами, повышенная сложность).

Сложный рельеф поверхности (большое количество криволинейных поверхностей, элементов детали) не повлияет на трудоемкость сканирования, но сильно повлияет на трудоемкость обработки, особенно при построении твердотельной модели.

Кроме того, чертеж такой детали также потребует больше времени, чем чертеж простой плоской детали.

Пример : колесо ротора - труднодоступные для сканера места, криволинейные поверхности, особая сложность - при построении твердотельной модели.

Встречаются также плоские, небольшие и вроде бы несложные детали, но из-за большого количества размеров (вырезы, отверстия, радиусы) выполнение чертежа становится трудоемкой задачей. В такой, на первый взгляд, несложной детали, как например лопасть, необходимо строить большое количество видов и сечений на чертеже.

Пример : плоская рамка с большим количеством отверстий.

6. Необходимость доработки 3d модели

Задача восстановления износа детали или пожелания заказчика по изменению обязательно потребуют построения твердотельной CAD-модели c конструкторской доработкой.

Для оценки стоимости сканирования детали, пришлите фото и краткое описание задачи!

To be 3D or not to be…

Дмитрий Ошкин

К сожалению, хотя сегодня уже никто не отрицает, что 3D стало не просто очень распространенным, но и де-факто обрело статус стандарта проектирования, до настоящего времени множество продуктов создается в 2D.
Уверен, что вы не раз сталкивались с ситуацией, когда шеф бросает вам на стол новую деталь и требует срочно доработать текущий проект, сопряженный с ней. Причем это надо было сделать еще вчера! Или когда необходимо выпустить чертежи на деталь, изготовленную 10 лет назад. И это при том, что хотя бумажные чертежи и сохранились, никто не удосужился внести в них уточнения и обновления… И подобных ситуаций может быть великое множество.
Что же делать? Паниковать? Самый простой, но и самый бесполезный выход! А между тем решение существует! Это 3D-сканеры.

Применение

Для чего нужны 3D-сканеры? Ответ на этот вопрос зависит только от вас, вернее - от сферы ваших интересов. Итак, 3D-сканеры можно применять в следующих областях.

Контроль качества и инспекция

Под контролем качества и инспекцией подразумевается процесс проверки соответствия изготавливаемой (проектируемой) продукции установленным стандартам. Наиболее близка эта сфера использования 3D-сканеров инженерам. Так, если вы работаете в автомобильной или аэрокосмической промышленности, процесс создания нового изделия подразумевает несколько этапов: проектирование - изготовление макета - тестирование (например, продувка в аэродинамической трубе) - доводка макета - внесение уточнений и выпуск документации. Среди этих этапов одним из самых важных и трудоемких является выпуск документации с учетом внесенных в готовый макет изменений. И вот тут-то 3D-сканеры могут оказать неоценимую помощь. Эта область их применения перекрывает 2/3 потребностей рынка.

Инженерный анализ

Согласно моему любимому словарю Lingvo, инженерный анализ (reverse engineering) проводится для переконструирования (например, для воссоздания секретов технологии изготовления продукции компании-конкурента) или использования полученных данных в различных целях (например, на основе измерения и оцифровки поверхностей изделия можно разрабатывать управляющие программы и чертежи деталей). Это еще треть рынка 3D-сканирования.

Теперь кратко остановимся на наиболее ярких примерах использования 3D-сканеров в областях «обратного» проектирования:

• промышленный дизайн - оцифровка макета, изготовленного вручную, для создания на его основе серийного изделия. Так, например, уникальные орнаменты или скульптуры могут быть оцифрованы для последующего массового воспроизводства с использованием станков с ЧПУ;
• разработка упаковки - использование геометрии образца для последующего быстрого изготовления упаковки на его основе;
• рынок аксессуаров - изготовление запасных частей и аксессуаров для автомобилей и другой техники. Компании, работающие в этой области, используют отсканированные 3D-данные для проектирования изделий, поскольку изготовители техники, как правило, не желают представлять такую информацию в CAD-формате и тем самым делиться своими ноу-хау;
• цифровое архивирование - сканирование и сохранение оригиналов, которые по какой-либо причине не могут быть сохранены в оригинальном виде;
• развлечения и игры - создание цифровых моделей персонажей для компьютерных игр и кинофильмов по авторской модели автора;
• репродуцирование и изготовление на заказ - сканирование объектов, которые очень трудно смоделировать в CAD-системах из-за сложности геометрии;
• медицина и ортопедия - воспроизведение моделей человеческих органов в образовательных целях, а также проектирование ортопедических скоб, браслетов и т.п.

Технологии 3D-сканирования

В настоящее время существуют два основных типа 3D-сканеров: контактные и бесконтактные.

Контактные сканеры

Эти сканеры построены по принципу обвода модели специальным высокочувствительным щупом, посредством которого в компьютер передаются трехмерные координаты сканируемой модели.

Преимущества:

• простота сканирования призматических частей;
• независимость от освещения;
• прекрасное сканирование ребер;
• простота использования;
• малый объем получаемых файлов.
• Недостатки:
• большое время сканирования (за один замер или перемещение осуществляется оцифровка только одной точки);
• невозможность сканирования органических или криволинейных поверхностей;
• невозможность сканирования маленьких и сложных деталей;
• щуп должен касаться объекта сканирования.

Но, конечно, основным недостатком таких сканеров является человеческий фактор. Фактически модель сканирует оператор, от которого в конечном счете и зависит результат.

Бесконтактные 3D-сканеры

Бесконтактные 3D-сканеры могут изготавливаться на основе трех основных технологий:

• фотограмметрическая;
• структурированный белый цвет;
• лазерная.

Рассмотрим вкратце основные преимущества и недостатки каждой из этих технологий.

Технология на основе фотограмметрии представляет собой фотографирование объекта сканирования с различных точек и воссоздание на основе полученных изображений трехмерной модели.

Преимущества:

• низкие затраты на аппаратную часть;
• бесконтактная технология.

Недостатки:

• сложность процедуры установки приемных камер и нанесения точек привязки;
• для базовой установки и калибровки требуется как минимум 4-6 фото;
• обработка осуществляется за счет программного обеспечения;
• большое количество фотографий, необходимых для получения точной модели;
• сложность процедуры сшивки изображений для получения целостной картины сканирования.

Сканирование на основе структурированного белого света заключается в проецировании на объект линий, образующих уникальный узор, каждое изменение которого сканируется приемной камерой.

Преимущества:

• большая скорость сканирования;
• получение порядка 100 тыс. точек сканирования за один проход;
• высокая точность и великолепная деталировка;
• возможность сканирования человеческих лиц благодаря отсутствию лазеров;
• бесконтактная технология.

Недостатки:

• стационарная установка, исключающая возможность мобильного сканирования;
• ограничение размера сканируемой области, не позволяющее сканировать внутренние области;
• сложность при сканировании объектов, находящихся вне помещений, ограничения по яркости;
• большая стоимость системы;
• необходимость проведения процедуры постпроцессинга для сшивки отсканированных частей.

Лазерная технология основана на проецировании лазерного луча на объект сканирования. Все искажения воспринимаются измерительной камерой, которая отслеживает физическое положение лазера. Данные передаются в компьютер, где буквально вычерчиваются лазером.

Преимущества:

• недорогие 3D-сканеры для промышленного применения;
• возможность сканирования вне помещений и при различной освещенности;
• возможность работы с объектами, недоступными для сканирования с использованием технологии структурированного белого света;
• бесконтактная технология.

Недостатки:

• невозможность сканирования прозрачных объектов или объектов с большой степенью светоотражения, вызывающая необходимость напыления;
• невозможность сканирования черно-белых объектов;
• необходимость в базовом основании, имеющем ограниченную зону досягаемости.

Несмотря на указанные недостатки, преимущества этой технологии настолько значительны, что именно на ней был основан уникальный сканер ZScanner 700, созданный входящей в холдинг Contex (www.contex.ru) компанией Z Corporation.

Почему уникальный, спросите вы? Да потому что это первый ручной самопозиционирующийся 3D-сканер, обеспечивающий работу в режиме реального времени. То есть результаты работы вы можете видеть на мониторе непосредственно в процессе сканирования.

Технические характеристики ZScanner 700

Чтобы избавиться от предрассудков, давайте расставим точки над «i».

Во-первых, все остальные системы 3D-сканирования нуждаются во внешней системе позиционирования/привязки. Сканер же ZScanner 700 «все свое носит с собой» или, выражаясь инженерным языком, использует систему автопозиционирования к объекту сканирования.

Как это работает?

Привязка к объекту осуществляется простым и наиэффективнейшим образом: на объект сканирования в произвольном порядке с расстоянием от 20 до 100 мм друг от друга наклеиваются самоклеящиеся светоотражающие круглые маркеры.

Это позволяет сканировать объект целиком, со всех сторон, как изнутри, так и снаружи, не прибегая к склейке сканов, что существенно экономит время. Более того, процесс сканирования можно прервать, уточнить и, детально рассмотрев уже отсканированное, продолжить, как будто мы и не останавливались.

Во-вторых, при сканировании осуществляется автоматическая генерация поверхности непосредственно в формате STL, а не в виде облака точек, подлежащих последующей обработке. Весь процесс отображается на мониторе в режиме реального времени.

Когда эта статья готовилась к публикации, компания Z Corporation объявила о выходе новой модели - ZScanner 800, характеристики которой (см. таблицу) значительно подняли планку в области ручных самопозиционирующихся 3D-сканеров. Основное преимущество этой модели по сравнению с ZScanner 700 - в 5 раз большее разрешение и в 2-3 раза возросшая точность сканирования. Достижение таких характеристик стало возможным благодаря использованию третьей дополнительной камеры, расположенной по центру сканера. Со сканером ZScanner 800 будет поставляться программное обеспечение с новой функцией мультиразрешения для оптимизации триангулярной поверхности. Это позволит существенно уменьшить результирующий файл и повысить скорость работы. Технические характеристики ZScanner 800

Реализуется это следующим образом.

Лазер, расположенный в нижней части сканера, проецирует развертку перекрестий лучей на объект сканирования. Две приемные камеры принимают отраженный сигнал, на основе которого в режиме реального времени генерируется поверхность.

Однако использование лазерной технологии сканирования предполагает и наличие некоторых недостатков, не упомянуть о которых было бы несправедливо:

• не могут одновременно сканироваться объекты, содержащие белые и черные области;
• прозрачные объекты и объекты с высокой отражающей способностью нуждаются в предварительной обработке спреем или краской;
• возникают трудности при сканировании объектов с глубоким рельефом.

В определенных случаях недостатком можно считать также необходимость наклеивания светоотражающих маркеров на объект сканирования. Так, например:

• для отдельных музейных экспонатов это недопустимо;
• при сканировании крупных объектов такая процедура достаточно утомительна.
• И еще пара несущественных недостатков:
• при сканировании длинных объектов может возникнуть ошибка;
• сканер должен «видеть» четыре светоотражающих маркера, что в некоторых случаях бывает трудно сделать. Правда, никто не запрещает сканировать объект на специальной площадке с нанесенными маркерами.

Ну, хватит о грустном, давайте вернемся к преимуществам:

• скорость работы . Чтобы установить сканер, достаточно просто подключить его с помощью кабеля в разъем FireWire и откалибровать, с чем справится практически каждый. На все это уходит буквально 2-3 минуты;
• непревзойденная простота использования . Сканер позволяет сканировать предметы в любой области и под любым углом. Необходимо лишь выдерживать расстояние до объекта сканирования в пределах от 200 до 350 мм, что не требует абсолютно никакой тренировки, сноровка появляется буквально через секунды. Система координат, привязанная к объекту, позволяет перемещать его в процессе сканирования. Кроме того, в любой момент работу можно прервать, а затем без проблем продолжить;
• вес . Сканер весит всего 980 г, поэтому и с точки зрения физических нагрузок процесс сканирования прост и неутомителен.

Основные технические характеристики сканера ZScanner 700 приведены в таблице.

Возможность использовать ZScannеr 700 там, где другие 3D-сканеры зачастую бессильны, делают его вашим незаменимым мобильным инструментом.

Теперь несколько слов о программном обеспечении. Утверждать, что после сканирования получается идеальная модель, было бы не совсем корректно: во многих случаях требуется доводка. Естественно, сканируемые объекты бывают разными, впрочем, как и цели сканирования. Поэтому, если на основе полученных данных планируется создать твердотельную модель, без постпроцессинга не обойтись. На рынке представлено множество специализированных программных пакетов, таких как Geomagic Studio (разработка компании Geomagic, Inc.), PolyWorks (разработка InnovMetric Software Inc.), Rapid Form (разработка INUS Technology, Inc.). Впрочем, перечисление всех программных продуктов, обеспечивающих эффективную работу с отсканированными данными, заняло бы много места. Эти продукты позволяют:

Таким образом, уважаемые читатели, вы ознакомились с основными возможностями сканера ZScanner 700, разработанного компанией Z Corporation, и, надеюсь, ответили для себя на вынесенный в заголовок вопрос. Конечно же «to be»!

Следующие публикации будут посвящены принципам работы с отсканированными 3D-данными и получению на их основе полноценной оптимизированной CAD-модели. Так что следите за обзорами!

И очень меня эта тема заинтересовала, хотя быстро пришло понимание того, что ни о каких 30$ для качественного сканирования не может быть и речи.

Но основной плюс, который я вынес из статьи – программа для сканирования David-3D, к которой действительно есть хорошее руководство на русском языке и, что немаловажно, покупка лицензии - это последнее, что требуется, так как ограничение у бесплатной версии только на сохранение результата сканирования. Все остальное работает в полной мере, а значит вполне можно тестировать программу, настройки и свое железо сколько угодно. А если вам и результат не требуется с высокой точностью – то и вовсе без покупки лицензии можно обойтись.

Мне точность требовалась, так как основное, что мне хотелось сканировать это были миниатюры из настольной игры Warhammer (дабы потом их изменять, как хочется и печатать:)). В высота этих «солдатиков» всего 3 см, однако это не мешает им быть очень детализированными.

Если вам не требуется снимать настолько мелкие объекты – то требования к оборудованию у вас будут ниже, а значит и намного проще будет собрать себе подобный сканер.

Принцип работы программы, и соответственно сканирования, хорошо описан в статье, на которую была ссылка выше (дублировать это, думаю, не обязательно). Желательно прочесть ту статью первой, так как эта будет в некотором роде её логичным продолжением.

Но начнем по порядку. Что понадобится для того, чтобы опробовать 3д сканирование в домашних условиях:
1 – проектор.
2 – веб камера.

Собственно все, короткий список на удивление получился. Тем не менее, если вы хотите получать очень точные и качественные сканы, то придется кое что доработать ручками. Без дополнительных затрат тут конечно не обойтись, но в итоге это все все равно обойдется дешевле, чем покупка любого из имеющихся в продаже 3д сканеров, да и качество результата получить можно намного лучше.

Теперь по порядку и подробно.

ПРОЕКТОР.

Свои первые опыты по сканированию я, как и автор предыдущей статьи, начинал с лазерной указки, но они сразу же показали, насколько это неудобный способ. Недостатков тут сразу несколько:
– невозможность получения луча с достаточно тонкой линией. Тем более, что при повороте указки меняется расстояние от линзы до объекта, а значит сбивается фокусировка.
– если требуется регулярно сканировать, поворачивать лазерную указку с достаточной точностью и плавностью вручную очень сложно, да и утомительно просто – руки не такой уж стабильный инструмент когда речь идет о длительном времени.
– сканировать приходится в темноте, дабы была видна только линия лазера и ничего более.

И если со вторым недостатком еще можно бороться путем создания специального поворотного механизма (хотя это уже получается не такая уж и простая задача, во всяком случае, за 5 минут на коленке такое не сделать), то избавление от первого недостатка дороже.

Когда я все это осознал, то решил попробовать сканирование с помощью проектора, для чего взял на время какую-то простую модель у знакомого.

Тут следует сделать небольшое уточнение – в прошлой статье автор упоминал о возможности сканирования с помощью проектора, хотя предложение было, на мой взгляд, весьма странное -

Подойдет проектор с мощной лампой, свет которой нужно направить сквозь узкую щель на сканируемый объект

Возможно, в ранних версиях программы это был единственный вариант, но в версии 3 с которой я экспериментировал, проектор использовался намного лучше, т.к. там есть возможность называемая Structured Light Scanning (SLS). В отличие от лазерного сканирования, проектор сразу проецирует на объект сетки из вертикальных и горизонтальных линий различной толщины, что на порядок уменьшает время сканирования и позволяет в автоматическом режиме снимать цветную текстуру объекта. Ну и при хорошей фокусировке, линия в 1 пиксель шириной намного тоньше, чем возможно получить от недорогой лазерной указки.

К сожалению, фотографии с тех первых опытов я не делал, да и фотографировать особенно было нечего – проектор на столе, рядом с ним веб-камера, все это смотрит в одну сторону:) Однако даже такая простейшая конструкция показала, что этот вариант намного предпочтительней как по скорости сканирования, так и по качеству. Тогда я и решил купить для этих целей себе проектор.

Критерии для выбора проектора были простые – разрешение больше, цена и размеры меньше:)
Выбор остановился на IconBit Tbright x100 - ультракомпактный DLP LED проектор, разрешение 1080 – на тот момент мне казалось, что лучше и не придумаешь, но как выяснилось позже – я ошибался, хотя занимаясь с ним, я получил много интересного опыта.

Первая проблема, которая возникает при сканировании маленького объекта с помощью проектора, заключается в том, что для лучшего результата, размер проецируемой сетки должен примерно соответствовать размеру сканируемого объекта. Данный проектор позволял получить наименьшую диагональ экрана при самом близком фокусе - примерно в 22 см. Согласитесь, что на таком фоне миниатюра в 3 см высотой далека от понятия «примерно равные размеры». Ответ нашелся на официальном форуме – люди в таких случаях устанавливают на проектор фотоаппаратные линзы для макросъемки. Учитывая небольшие размеры объектива проектора, я остановил свой выбор на линзах marumi с диаметром резьбы 34 мм.

Используя два таких комплекта, удалось получить экран проектора с диагональю всего около 3 см. Чего оказалось вполне достаточно, чтоб сделать свой первый микроскан –

Это единичный скан, поэтому и есть «дырки» на модели, рваные края и т.д. Поворачивая монету и сканируя с разных ракурсов, можно получить несколько таких сканов, которые впоследствии объединяются в один объект (сама программа сканирования позволяет правильно совмещать разные сканы, сшивать их и сохранять как единый объект). В процессе сшивания заодно уточняется форма объекта. Но сохранять результаты такого сшивания – возможно только после покупки лицензии.

И вот настал момент первой вещи, которая для сканирования не обязательна, но с ней процесс намного удобнее – это стойка под проектор с камерой. Сам процесс калибровки нужен не только для того, чтоб программа узнала параметры оборудования - софт также должен расчвитать взаимное расположение камеры и проектора. В процессе работы их изменение не допускается (как и изменение фокусировки камеры), а значит, требуется жестко все это закрепить, ведь количество сканов может быть большим даже для одного объекта.

На основной странице David"а и изображена подобная система – ничего сложного она собой не представляет. Да и полистав форум и посмотрев, как это организую себе разные люди, понял, что ничего сложного тут не требуется.

Для этих целей была взята стойка от сгоревшего ЖК монитора, и оргстекло от него же, вырезана и склеена вот такая конструкция, как она выглядела в первом варианте

К подставке для проектора и был приделан крепеж для установки различных линз, что позволяло менять диагональ экрана, и сканировать объекты разного размера.
Следует также упомянуть о том, что сканирование с помощью проектора не требует постоянного нахождения в поле зрения калибровочных панелей. После того как произведена калибровка их можно убрать. Это позволяет откалибровав установку спокойно её переносить, двигать и т.д.
То есть вы можете используя большой калибровочный шаблон произвести дома на стенах калибровку, а затем с этой стойкой и ноутбуком выйти на улицу и отсканировать свой автомобиль, например. Взяли меньший шаблон, поставили пару линз – и можно сканировать ювелирные изделия.

Недавно фирма выпустила усовершенствованный набор для сканирования, вот там уже стойка намного серьезней и интересней смотрится –

Как по мне, при стоимости лицензии на программу около 500$ (это они еще цену подняли недавно), отдавать за такой набор более 2000 евро – не совсем оправданно, собрать самому что-то подобное не сложно и значительно дешевле.

Вернемся к проектору. Как оказалось, у этого проектора был один существенный недостаток для использования в сканере, а именно его родное разрешение (854*480). И все бы ничего, если бы он и на выходе выдавал то же самое, но увы – картинка преобразовывалась к стандартным разрешениям (типа 1024*768), и в результате линия шириной в один пиксель была в разных частях экрана где-то ярче, где-то тусклее, где-то уже а где-то шире… Все это негативно сказывалось на качестве сканирования, выражаясь в виде ряби и полосок на получаемой модели.
К тому времени я уже задумывался о покупке проектора для стереолитографического 3Д принтера (). Рассмотрев несколько вариантов, я остановился на модели Acer P1500, т.к. ей не нужны никакие доработки для использования в принтере (этот проектор без всяких линз способен дать сфокусированное изображение на экране примерно 4*7 см). А значит, и для сканера он подойдет как нельзя лучше. При этом разрешение в 1920*1080 у него реальное. Так оно и вышло, этим проектором пользуюсь до сих пор и полностью доволен результатами.

КАМЕРА.

Критерии при выбора камеры у меня были те же, что и при выборе проектора. Пройдясь по магазинам, остановился на Logitech C615. Скан монеты был сделан именно с неё, без всяких модификаций. Но когда я попытался отсканировать фигурку, то столкнулся с трудностью, которая называется «глубина резкости». Когда объект настолько мал, то фактически у нас получается макросъемка, а резкость при такой съемке достигается только на небольшом отрезке, буквально всего пара миллиметров (именно поэтому монета хорошо отсканировалась – рельеф вполне укладывался в область резкости). Было решено переделать камеру под другой объектив. На Ebay было заказано несколько разных объективов для пробы, а также был вырезан новый корпус под плату камеры. План был такой

Финальный результат немного отличался

Основная идея, я думаю, понятна. А сейчас и на Thingiverse и на форуме программы можно скачать stl для печати корпусов под разные типы вебкамер.

С платы камеры пришлось убрать стандартный объектив, и как выяснилось позже – вместе с ним был убран и ИК-фильтр, так что будьте в этом вопросе аккуратней. Фильтр потом пригодится для использования с другими объективами, хотя можно и отдельно их докупить – цена копеечная.

Таким образом, у меня вот такая коллекция объективов образовалась.

Пока я ожидал доставку объективов, читались различные форумы по фотосъемке. Изучая вопрос с глубиной резкости, я выяснил, что увеличить её можно сильнее закрыв диафрагму объектива. А значит и объектив требовался такой, в котором была возможность регулировать диафрагму (увы, среди заказанных не все обладали такой возможностью, но на мое счастье и парочка таких попалась). В общем, для улучшения камеры желательно иметь варифокальный объектив с зумом и регулируемой диафрагмой. На практике все оказалось так, как и было в теории – закрывая диафрагму, сразу было видно увеличение глубины резкости, что позволило-таки сканировать объемные, но мелкие объекты.

Основной объектив, которым я пользуюсь - на фото выше установлен на камере. Второй, с регулируемой диафрагмой, самый большой, в центре. Его я использую для совсем уж маленьких объектов. Остальные без диафрагмы, так что ими не пользуюсь - оказалось что вполне достаточно и этих двух.

В планах теперь либо найти вебкамеру с большим разрешением (качество и детальность сканов напрямую зависит от разрешения камеры), либо попробовать использовать для этих целей какой-нибудь цифровой фотоаппарат с возможностью съемки видео – обычно в них намного больше разрешение можно получить, да и объективы лучше.

Собственно на этом можно было бы и закончить – вроде обо всем рассказал. Я тоже думал что на этом у меня закончилась сборка сканера, но чем дальше в лес… Изучая форум данной программы я часто натыкался на различные схемы поворотных столиков - благо софт позволяет автоматизировать процесс сканирования. После одного скана подается команда на com-порт, поворотный столик вращается, поворачивая объект на заданное количество градусов, и дает команду на следующий скан. В результате одним кликом мышки мы имеем круговые сканы объекта - казалось бы, чего еще желать? Эту систему я с интересом опробовал, но увы – мне такой подход абсолютно не понравился, и тому есть пара причин.

1 – если объект сложной формы, то просто его вращать его будет недостаточно – требуется еще и наклонять в разные стороны, чтобы камера с проектором дотянулась до всех впадин и других труднодоступных мест.
2 – даже если таких мест нет, и учитывая все сканы, которые были сделаны, на объекте не осталось частей, которые не попали в скан, остается вопрос точности скана.

Допустим, какая-то часть модели на одном из сканов вышла идеально. Но это не значит что на всех сканах, в которые эта часть попала, она выглядит также идеально, а при сшивании сканов с разных ракурсов результат будет усреднен, что не может радовать. Программа позволяет немного редактировать полученные сканы (можно вырезать ненужную часть). Если мы вращаем модель на 20 градусов, значит, после полного оборота у нас будет 18 сканов, нужная нам часть вполне может присутствовать на половине из них, следовательно, чтобы оставить наилучший результат надо будет удалить этот кусок из 8ми сканов… А таких кусков при сложной модели может быть много, в результате от каждого скана будет отрезаться чуть ли не половина, что очень трудоемко и требует много времени.

Вместо этого лучше после первого скана сразу сканировать прилегающие области, и проверять результат. Как только какой-то кусок готов – переходим к сканированию следующего, и так, пока вся модель не будет в идеальном виде. Такой подход дает лучший результат за меньшее время.

Но возникает вопрос удобства. Согласитесь, неудобно вручную пытаться крутить объект, глядя не на него, а на монитор – чтоб контролировать попадание в объектив, не поменяв расстояние до камеры и проектора при этом (дабы не сбился фокус). При очередной подобной эквилибристике я случайно задел камеру, что соответственно сбило всю калибровку, и весь процесс пришлось начать заново. Такой расклад мне категорически не понравился, и я после некоторых размышлений пришел к плану вот такой конструкции (которую, как вы понимаете, впоследствии и собрал).

Это не поворотный столик в обычном понимании этого термина. Благодаря такой конструкции я могу не только вращать модель, но и наклонять её, как мне будет нужно. При этом центр модели остается в плоскости фокуса, но даже если и нет – можно вперед-назад крепление с моделью двигать.

Все это собралось на ардуино, была написана небольшая программа для управления, и в результате мне теперь при сканировании не приходится вставать из-за компьютера – используя программу, я меняю положение сканируемого объекта, и при этом тут же, в окне камеры выбираю оптимальный для сканирования ракурс.

Внутренности

В программу я заложил возможность автоматического сканирования, а так же сканирования непросто по кругу, а с наклонами на 45 градусов в одну и другую сторону, что дает в три раза больше сканов. Тем не менее, в итоге, я все-равно никогда этой возможностью не пользуюсь – слишком неудобно потом разбираться в полученной куче сканов и чистить их от неудачных кусков.

Следует также упомянуть о некоторых нюансах сканирования.
1 – невозможно сканировать блестящие и зеркальные поверхности. Свет от них отражается, или дает такой блик, что программа не может корректно распознать линию. Если есть необходимость сканирования такого объекта, то подобные части придется чем-то замаскировать (смывающейся краской, бумажным скотчем и т.д.).
2 – удобнее сканировать монотонные объекты, так как при настройке камеры на светлый цвет выставляется не такая большая яркость проектора, малая экспозиция и т.д. А для объекта темного цвета требуется большая яркость, так что если у вас объект разноцветный, то для разных его частей требуются разные настройки для получения наилучшего результата. Здесь тоже удобней использовать сканирование объекта частями.
3 – если вы хотите сразу получить цветную текстуру то учтите, что настройки камеры и проектора для скана не влияют на настройки для снятия текстуры (скан вообще в черно-белом режиме делается), так что поиграйтесь настройками в режиме текстуры также, как вы будете это делать в режиме сканирования.

Процесс сканирования у меня сейчас выглядит таким образом:
- Фокусировка проектора и камеры

Свет проектора слишком ярок и на фото не видна проецируемая сетка, но вот вид из камеры в программе

Калибровка сканера

Калибровочный угол был сделан из металлических пластин, а калибровочные шаблоны разного размера были напечатаны на магнитной бумаге - так можно очень быстро подстраиваться под разные размеры сканируемых объектов.

Вид в программе

Рекомендуется, чтобы совокупный угол между лучом проектора и камеры был около 20 градусов. Поэтому такая стойка и используется - при сканировании больших объектов (например, человека) камеру надо гораздо дальше от проектора отставить, здесь же они у меня вплотную стоят. Расположение камеры относительно проектора может быть только вертикальным, или только горизонтальным - в зависимости от геометрии объекта. В данном случае расположение диагональное (13 градусов по вертикали и 36 по горизонтали).

Результаты сканирования с разных ракурсов. Это уже подчищенные сканы, т.е. удалены все неудачные и ненужные (подставка фигуры, попавшее в кадр крепление) части.

Совмещение сканов для последующего объединения в один объект

Благодаря тому, что каждый скан имеет свой цвет удобно контролировать правильность совмещения.

Ну и после объединения сканов с разных ракурсов получаем такие модели

Миниатюра Боромира из властелина колец.

При сканировании разноцветного объекта результат немного хуже, если сильно не заморачиваться. Но зато можно получить объект сразу с текстурой:)

Оригиналы моделей

В галерее работ пользователей на сайте разработчика (http://www.david-3d.com/en/news&community/usergallery) можно найти еще много интересных сканов, даже отпечатки пальцев люди сканируют. И встречаются даже сканы таких же миниатюр из вархаммера

В заключении хочется сказать о том, что какое бы железо вы не использовали, какой бы дорогой 3д сканер вы не купили, но это не панацея для печати чего угодно. Теоретически конечно можно полученный объект отправлять в слайсер и печатать, но есть несколько причин, почему не стоит так поступать, а стоит в любом случае изучать пакеты 3Д графики.

1 - Полученные сканы, при хорошем качестве сканирования (а мы ведь хотим получить наилучшее качество) имеют очень много полигонов. Нет, даже ОЧЕНЬ много. Скан Боромира после слияния содержал более 8 миллионов полигонов - не каждый слайсер сможет работать с таким объектом.
2 - Любые объекты несут на себе следы сборки и изготовления. И если в реальности для исправления этого применяют надфили и наждачку (а иногда все-равно есть недоступные места, где невозможно применить инструменты), то работая с цифровой копией объекта, мы можем изменить его как угодно - убрать дефекты, улучшить детализацию и т.д.
3 - Как я говорил в начале статьи, когда я задумался о сканере, я хотел не копии объектов печатать, а изменять их как мне будет угодно. Я не скульптор, у меня нет инструментов, материалов и навыков, чтобы вылепить такую мелкую модель. Но умея работать в 3Д, мне намного проще, отсканировав подобного Боромира, сделать из него какого-нибудь Принца датского.

Кстати, эта модель содержит уже почти в 100 раз меньше полигонов, чем результат сканирования.

Теги:

• 3д сканер
• diy или сделай сам
• 3д моделирование
• 3д графика

Добавить метки

Здравствуйте, дорогие посетители сайта!

Этим постом я открываю серию статей о 3d сканерах и 3d сканировании. В данной статье мы разберемся с тем, какие методы сканирования существуют, чем они отличаются и где используются. Для начала давайте поймем, что такое вообще 3d сканирование. Представьте, что есть деталь с большим количеством сложных поверхностей, которую обычным штангенциркулем не измеришь, либо придется долго и мучительно повозиться, чтобы получить результаты требуемой точности. А потом по этим данным еще получить математическую модель. Вот тут-то и приходит на помощь 3D сканер . Он позволяет в разы сократить получение математической модели, пригодной для сравнения с эталонной моделью. Применение сканирования на этом не заканчивается. 3d сканирование также используется для получения точных моделей сложнопрофильных объектов, которые в дальнейшем могут быть использованы для получения прототипов изделия, построения новых изделий на базе существующих. Также применяются в киноиндустрии, в медицине, в музейном деле, в промышленном дизайне и в индустрии развлечений, например, при создании компьютерных игр. С помощью трехмерного сканирования можно оцифровывать культурное наследие, археологические объекты, предметы искусства. Кроме того широкое применение трехмерное сканирование нашло в медицинском протезировании, в цифровом архивировании и так далее. Теперь давайте разберемся, какие методы 3d сканирования существуют. На данный момент есть следующие методы сканирования:

1. Контактный метод.
2. Беcконтактные методы:
   • Активный метод.
   • Пассивный метод.

Области применения этих методов:

• Инженерный анализ
• Контроль качества и инспекция
• Разработка упаковки
• Цифровое архивирование
• Промышленный дизайн
• Развлечения и игры
• Рынок аксессуаров
• Репродуцирование и изготовление на заказ
• Медицина и ортопедия

Остановимся на каждом методе поподробнее.

Контактный метод

Основным принципом данного метода является обводка сканируемого объекта специальным механическим приспособлением, которое является сенсором и называется щуп. Перед началом сканирования на объект наносится сетка, размер ячеек которой в областях высокой кривизны поверхности должен быть минимальным, а в местах малой кривизны — наибольшим. Там, где линии сетки пересекаются, образуются точки. Посредством щупа производится замер координат этих точек, которые потом вводятся в компьютер. Этот способ используется при ручной обводке поверхности объекта. Современным развитием данного метода стало использование для сканирования специального устройства. В этом случае нет необходимости в ручной обводке и нанесении сетки. Щуп движется по поверхности объекта и в компьютер заносятся координаты о его положении. На базе этих координат строится трехмерная модель сканируемого объекта.

Преимущества контактного 3D сканирования :

• простота процесса,
• независимость от условий освещения,
• высокоточное сканирование ребристых поверхностей и призматических деталей,
• компактный объём полученных файлов.

Недостатки:

• невозможность захвата текстуры сканируемого объекта,
• сложность или невозможность сканирования объектов больших размеров.

Бесконтактные методы:

Активный метод

Активный метод основывается на регистрации отраженных лучей от объекта сканирования. Источником таких лучей является с
ам 3d сканер . Сканер может облучать объект следующими видами лучей:

• направленные световые,
• лазерные,
• ультразвук,
• рентгеновские.

Принцип данного метода основывается на измерении расстояния от сканера до точек объекта сканирования. Данными точками могут являться светоотражающие самоклеющиеся маркеры. Также широко используется сканирование оптическими системами, использующими модулированную или структурированную подсветку. В случае модулированной подсветки объект освещается световыми импульсами, изменяющимися определенным образом. Камера считывает отражения и по искажениям получает облик сканируемого объекта. При структурированной подсветке объект освещается определенным “узором” (сеткой), по искажениям которой камера формирует 3d модель. Эти данные либо сохраняются в памяти сканера, а потом передаются на компьютер, либо сразу отправляются в компьютер, где происходит их обработка и построение трехмерной модели. Т.к. 3d сканер в один момент времени видит только часть объекта, в процессе сканирования необходимо перемещать объект сканирования, либо двигать сам сканер. Таким образом в итоге мы получаем модель, сшивая полученные куски объекта. В большинстве случаев отсканированный кусок объекта отображается сразу на экране компьютера. Это позволяет сразу проконтролировать, насколько хорошо выбран угол сканирования и понять, за сколько итераций можно отсканировать объект. Выбирая правильные углы сканирования, можно добиться сокращения сканирования за счет уменьшения количества сканируемых кусков объекта.

Преимущества активного метода 3d сканирования:

• низкая стоимость сканирования,
• возможность применения вне помещения,
• использование при различной освещенности,
• не требуется наносить сетку на объект,
• сканирование производится по бесконтактной технологии,
• есть возможность сканировать объекты недоступные для других методов сканирования.

Недостатки:

• сложность или невозможность сканирования прозрачных и зеркальных поверхностей,
• сканирование мелкоразмерных изделий требует использование более точной оптики, а соответсвенно более дорогих 3d сканеров .

Пассивный метод

Пассивный метод использует уже имеющийся окружающий свет. Отраженмие этого света от объекта и анализируется 3d сканером . По сути этот метод сканирования представляет собой либо съемку объекта обычными видеокамерами при разной освещенности и восстановление их в 3d, либо съемка силуэта объекта на высококонтрастном фоне при помощи стереоскопических или “силуэтных” видеокамер.

Подведем итог. Каждый метод по-своему хорош и привлекателен. Выбор между этими методами стоит осуществлять исходя из финансовых соображений, сложности объекта сканирования и точности, которую вы хотите получить в результате.

3D-сканер представляет собой специальное устройство, которое анализирует определённый физический объект или же пространство, чтобы получить данные о форме предмета и, по возможности, о его внешнем виде (к примеру, о цвете). Собранные данные в дальнейшем применяются для создания цифровой трехмерной модели этого объекта.

Создать 3D-сканер позволяют сразу несколько технологий, различающиеся между собой определёнными преимуществами, недостатками, а также стоимостью. К тому же, существуют некоторые ограничения по объектам, которые могут быть оцифрованы. В частности, возникают трудности с блестящими, прозрачными или обладающими зеркальными поверхностями предметами.

Не стоит забывать и том, что сбор 3D-данных важен и для других применений. Так, они необходимы в индустрии развлечений для создания фильмов и видеоигр. Также эта технология востребована в промышленном дизайне, ортопедии и протезировании, реверс-инжиниринге, разработке прототипов, а также для контроля качества, осмотре и документировании культурных артефактов.

Функциональные возможности

Цель 3D-сканера в том, чтобы создать облако точек геометрических образцов на поверхности объекта. В дальнейшем эти точки могут быть экстраполированы для воссоздания формы предмета (процесс, называемый реконструкцией). Если были получены данные и о цвете, то и цвет реконструированной поверхности также можно определить.

3D-сканеры немного похожи на обычные камеры. В частности, у них есть конусообразное поле зрения, и они могут получать информацию только с тех поверхностей, которые не были затемнены. Различия между двумя этими устройствами в том, что камера передаёт только информацию о цвете поверхности, что попала в ее поле зрения, а вот 3D-сканер собирает информацию о расстояниях на поверхности, которая также пребывает в его поле зрения. Таким образом «картинка», полученная с помощью 3D-сканера , описывает расстояние до поверхности в каждой точке изображения. Это позволяет определить положение каждой точки на картинке сразу в 3 плоскостях.

В большинстве случаев одного сканирования недостаточно для создания полноценной модели предмета. Таких операций потребуется несколько. Как правило, приличное множество сканирований с разных направлений понадобится для того, чтобы получить информацию обо всех сторонах объекта. Все результаты сканирования должны быть приведены к общей системе координат – процесс, называемый привязкой изображений или выравниванием, и только после этого создаётся полная модель. Вся эта процедура от простой карты с расстояниями до полноценной модели называется 3D конвейер сканирования.

Технология

Существует несколько технологий для цифрового сканирования формы и создание 3D-модели объекта. Однако была разработана специальная классификация, которая делит 3D-сканеры на 2 типа: контактные и бесконтактные. В свою очередь, бесконтактные 3D-сканеры можно поделить ещё на 2 группы – активные и пассивные. Под эти категории сканирующих устройств могут подпадать сразу несколько технологий.

Координатно-измерительная машина с двумя фиксированными взаимно перпендикулярными измерительными руками

Контактные 3D-сканеры

Контактные 3D-сканеры исследуют (зондируют) объект непосредственно через физический контакт, пока сам предмет пребывает на прецизионной поверочной плите, отшлифованной и отполированной до определённой степени шероховатости поверхности. Если объект сканирования неровный или не может стабильно лежать на горизонтальной поверхности, то его будут удерживать специальные тиски.

Механизм сканера бывает трёх различных форм:

• Каретка с фиксированной измерительной рукой, расположенной перпендикулярно, а измерение по осям происходит, пока рука скользит вдоль каретки. Эта система оптимальна для плоских или обычных выпуклых кривых поверхностей.
• Манипулятор с фиксированными составляющими и с высокоточными угловыми датчиками. Расположение конца измерительной руки влечет за собой сложные математические вычисления, касающиеся угла вращение шарнира запястья руки, а также угла разворота каждого из соединений руки. Этот механизм идеально подходит для зондирования углублений или внутренних пространств с небольшим входным отверстием.
• Одновременное использование предыдущих двух методов. К примеру, манипулятор можно совместить с кареткой, что позволить получить 3D-данные от больших объектов, обладающих внутренними полостями или перекрывающими друг друга поверхностями.

КИМ (координатно-измерительная машина) представляет собой яркий пример контактного 3D-сканера . Они используются в основном в производстве и могут быть сверхточными. К недостаткам КИМ можно отнести необходимость непосредственного контакта с поверхностью объекта. Поэтому существует возможность изменить предмет или даже повредить его. Это весьма важно в том случае, если сканируются тонкие или ценные предметы, например, исторические артефакты. Ещё один недостаток КИМ перед другими методами сканирования – медлительность. Перемещение измерительной руки с установленным зондом может оказаться очень медленным. Самый быстрый результат работы КИМ не превышает несколько сотен герц. В то же время, оптические системы, к примеру, лазерный сканер, может работать от 10 до 500 кГц.

Ещё одним примером могут послужит ручные измерительные зонды, с помощью которых оцифровывают глиняные модели для компьютерной анимации.

Устройство Лидар используется для того, чтобы сканировать здания, скалы и т.д., что дает возможность создавать их 3D-модели. Лазерный луч Лидара может использоваться в широком диапазоне: его головка поворачивается по горизонтали, а зеркало перемещается по вертикали. Сам же лазерный луч используется для того, чтобы измерить расстояние до первого объекта, на его пути.

Бесконтактные активные сканеры

Активные сканеры используют определённые виды излучения или просто свет и сканируют объект через отражение света или прохождение излучения через объект или среду. В таких устройствах применяется свет, ультразвук или рентгеновские лучи.

Времяпролётные сканеры

Времяпролётный лазерный 3D-сканер – это активный сканер, который использует лазерный луч, чтобы исследовать объект. В основе этого типа сканера лежит времяпролётный лазерный дальномер. В свою очередь, лазерный дальномер определяет расстояние до поверхности объекта, исходя из времени пролёта лазера туда и обратно. Сам лазер используется для создания светового импульса, в то время как детектор измеряет время до того момента, пока свет не отразится. Учитывая, что скорость света (c) – величина постоянная, то зная время пролёта луча туда-обратно, можно определить расстояние, на которое переместился свет, оно будет в два раза больше расстояния между сканером и поверхностью объекта. Если (t) – это время полёта луча лазера туда-обратно, тогда расстояние будет равно (c*t\2). Точность времени пролёта лазерного луча 3D-сканера зависит от того, насколько точно мы можем измерить само время (t): 3,3 пикосекунды (приблизительно) необходимо для того, чтобы лазер преодолел 1 миллиметр.
Лазерный дальномер определяет расстояние только одной точки в заданном направлении. Поэтому устройство сканирует все своё поле зрения по отдельным точкам за раз, меняя при этом направление сканирования. Менять направление лазерного дальномера можно либо путем вращения самого прибора, либо с помощью системы вращающихся зеркал. Зачастую используют последний метод, ведь он намного быстрее, точнее, а также легче в обращении. К примеру, времяпролётные 3D-сканеры могут измерять расстояние от 10 000 до 100 000 точек за одну секунду.
Времяпролётные девайсы также доступны в конфигурации 2D. В основном, это касается времяпролётных камер.

Триангуляционные сканеры

Принцип работы датчика лазерной триангуляции. Показано две позиции объекта.

Облако точек создаётся с помощью триангуляциии лазерной полосой.

Триангуляционные лазерные 3D-сканеры также относятся к активным сканерам, которые используют лазерный луч для того, чтобы прозондировать объект. Подобно времяпролётным 3D-сканерам триангуляционные устройства посылают на объект сканирования лазер, а отдельная камера фиксирует расположение точки, куда попал лазер. В зависимости от того, как далеко лазер продвигается по поверхности, точка появляется в различных местах поля зрения камеры. Эта технология названа триангуляцией потому, что лазерная точка, камера и сам лазерный излучатель образуют своеобразный треугольник. Известна длина одной стороны этого треугольника – расстояние между камерой и лазерным излучателем. Также известен угол лазерного излучателя. А вот угол камеры можно определить по расположению лазерной точки в поле обзора камеры. Эти 3 показателя полностью определяют форму и размер треугольника и указывают на расположение угла лазерной точки. В большинстве случаев, чтобы ускорить процесс получения данных, вместо лазерной точки пользуются лазерной полосой. Так, Национальный научно-исследовательский совет Канады был среди первых научных организаций, разработавших основы технологии триангуляционного лазерного сканирования ещё в 1978 году.

Преимущества и недостатки сканеров

Как времяпролётные, так и триангуляционные сканеры обладают своими сильными и слабыми сторонами, что определяет их выбор для каждой конкретной ситуации. Преимущество времяпролётных устройств в том, что они оптимально подходят для работы на очень больших расстояниях вплоть до нескольких километров. Они идеальны для сканирования зданий или географических объектов. В то же время, к их недостаткам можно отнести точность измерений. Ведь скорость света довольно высока, поэтому при подсчете времени, которое требуется лучу, дабы преодолеть расстояние до и от объекта, возможны некоторые огрехи (до 1 мм). А это делает результаты сканирования приблизительными.

Что же касается триангуляционных дальномеров, то у них ситуация с точностью до наоборот. Диапазон их действия составляет лишь несколько метров, а вот точность относительно высока. Такие устройства могут измерить расстояние с точностью до десятков микрометров.

Негативно на точность работы времяпролётных сканеров влияет исследование края объекта. Лазерный импульс посылается один, а отражается сразу из двух мест. Координаты рассчитываются, исходя из позиции самого сканера, при этом берётся среднее значение двух отражений луча лазера. Это приводит к тому, что точка будет определена в неправильном месте. При использовании сканеров с высоким разрешением шансы на то, что лазерный луч попадёт точно на край объекта возрастают, но при этом за краем появится шум, что негативно отразится на результатах сканирования. Сканеры с небольшим лучом могут решить проблему сканирования края, но у них ограничен диапазон действия, поэтому ширина луча превысит расстояние. Существует также специальное программное обеспечение, которое позволяет сканеру воспринимать только первое отражение луча, игнорируя при этом второе.

При скорости работы 10 000 точек за секунду сканеры с низким разрешением справятся с задачей в течение нескольких секунд. А вот для сканеров с высоким разрешением нужно сделать несколько миллионов операций, на что уйдут минуты. Стоит учитывать, что данные могут исказиться, если объект или сканер будут двигаться. Так, каждая точка фиксируется в определённый момент времени в определённом месте. Если объект или сканер переместится в пространстве, то результаты сканирования будут ложными. Поэтому так важно устанавливать и объект, и сканер, на фиксированной платформе, и свести возможность вибрации к минимуму. Следовательно, сканирование объектов в движении практически невыполнимо. Однако в последнее время ведутся активные исследования того, как можно компенсировать влияние вибрации на искажение данных.

Стоит учесть и тот факт, что при сканировании в одном положении в течение длительного времени небольшое смещение сканера может произойти из-за изменения температуры. Если сканер установлен на штативе и одна из сторон сканера подвержена сильному влиянию солнечных лучей, то в таком случае штатив будет расширяться, а данные сканирования будут постепенно искажаться с одной стороны на другую. Вместе с тем, некоторые лазерные сканеры обладают встроенными компенсаторами, которые противодействуют любому движению сканера во время работы.

Коноскопическая голография

В коноскопической системе лазерный луч проецируется на поверхность объекта, после чего луч отражается по той же траектории, но уже через коноскопический кристалл, и проецируется на ПЗС (прибор с зарядовой связью). В результате получается дифракционный образец, из которого с помощью частотного анализа можно определить расстояние до поверхности объекта. Основное преимущество коноскопической голографии в том, что для измерения расстояния нужен только один ход луча, что позволяет определить, к примеру, глубину небольшого отверстия.

Ручные лазерные сканеры

Ручные лазерные сканеры создают 3D-изображение по принципу триангуляции, описанному выше. Лазерный луч или полоса проецируются на объект из ручного излучателя, а сенсор (зачастую, ПЗС или координатно-чувствительный детектор) измеряет расстояние до поверхности объекта. Данные собираются относительно внутренней системы координат и следовательно для получения результатов, если сканер находится в движении, место положения устройства должно быть точно определено. Это можно сделать с помощью базовых пространственных объектов на сканируемой поверхности (наклеивающиеся отражающие элементы или природные особенности) или же посредством метода внешнего слежения. Последний способ зачастую принимает форму лазерного трекера (предоставляющего датчик положений) со встроенной камерой (для определения ориентации сканера). Также можно использовать фотограмметрию, обеспечивающуюся 3 камерами, которая придаёт сканеру шесть степеней свободы (возможность совершать геометрические движения в трехмерном пространстве). Обе техники, как правило, используют инфракрасные светодиоды, подключённые к сканеру. За ними наблюдают камеры через фильтры, обеспечивающие стойкость амбиентного освещения (отражение света с разных поверхностей).

Данные сканирования собираются компьютером и записываются в качестве точек трехмерного пространства, которые после обработки преобразуются в триангулированную сетку. Затем система автоматизированного проектирования создаёт модель, используя для этого неоднородный рациональный B-сплайн, NURBS (специальная математическая форма для создания кривых и поверхностей). Ручные лазерные сканеры могут совмещать эти данные с пассивными датчиками видимого света, которые захватывают текстуру поверхности и ее цвет, что позволяет создать или провести обратный инжиниринг полноценной 3D-модели .

Структурированный свет

3D-сканеры , работающие по технологии структурированного света, представляют собой проекцию световой сетки непосредственно на объект, деформация этого рисунка и представляет собой модель сканируемого предмета. Сетка проецируется на объект с помощью жидкокристаллического проектора или другого постоянного источника света. Камера, расположенная чуть в стороне от проектора, фиксирует форму сети и вычисляет расстояние до каждой точки в поле зрения.
Сканирование структурированным светом до сих пор остаётся активной областью исследований, которой ежегодно посвящается довольно много научно-исследовательских работ. Идеальные карты также признаны полезными, как структурированные световые узоры, которые могут решить проблемы соответствия и позволяют не только обнаружить ошибки, но и исправить их.

Преимущество 3D-сканеров , использующих структурированный свет, в их скорости и точности работы. Вместо сканирования одной точки в один момент времени, структурированные сканеры сканируют одновременно несколько точек или все поле зрения сразу. Сканирование всего поля зрения занимает долю секунды, а сгенерированные профили являются более точными, чем лазерные триангуляции. Это полностью решает проблему искажения данных, вызванного движением. Кроме того, некоторые существующие системы способны сканировать даже движущиеся объекты в режиме реального времени. К примеру, VisionMaster – сканирующая система в формате 3D – обладает 5-мегапиксельной камерой, благодаря чему каждый кадр содержит 5 миллионов точек.

Сканеры, работающие в режиме реального времени, используют цифровую проекцию края и фазосдвигающую технику (одна из методик применения структурированного света), что позволяет захватить, восстановить и создать компьютерную модель с высокой плотностью деталей динамически изменяющихся объектов (к примеру, мимика) при 40 кадрах в секунду. Недавно был создан новый тип сканера. Различные модели могут быть использованы в этой системе. Частота кадров для захвата и обработки данных достигает 120 кадров в секунду. Этот сканер может обрабатывать и отдельные поверхности. Например, 2 движущиеся руки. Используя метод бинарной дефокусировки, скорость съемки может достигать сотен, а то и тысяч кадров в секунду.

Модулированный свет

При использовании 3D-сканеров на основе модулированного света световой луч, направленный на объект, постоянно меняется. Зачастую смена света проходит по синусоиде. Камера фиксирует отражённый свет и определяет расстояние до объекта, учитывая путь, который преодолел луч света. Модулированный свет позволяет сканеру игнорировать свет от других источников, кроме лазера, что позволяет избежать помех.

Объемные техники

Медицина

Компьютерная томография (КТ) – специальный медицинский метод визуализации, который создаёт трехмерное изображение внутреннего пространства объекта, используя большую серию двухмерных рентгеновских снимков. По похожему принципу работает и магнитно-резонансная томография – ещё один приём визуализации в медицине, который отличается более контрастным изображением мягких тканей тела, чем КТ. Поэтому МРТ используют для сканирования мозга, опорно-двигательного аппарата, сердечно-сосудистой системы, поиска онкологии. Эти методики позволяют получить объемные воксельные модели, которые можно визуализировать, изменять и преобразовывать в традиционную 3D-поверхность используя алгоритмы экстракции изоповерхности.

Производство

Хотя МРТ, КТ или микротомография более активно используются в медицине, но они также активно применяются и в других областях для получения цифровой модели объекта и его окружения. Это важно, к примеру, для неразрушающего контроля материалов, реверс-инжиниринга или изучения биологических и палеонтологических образцов.

Бесконтактные пассивные сканеры

Пассивные сканеры не излучают свет, вместо этого они используют отраженный свет из окружающего пространства. Большинство сканеров этого типа предназначены для обнаружения видимого света, ведь это наиболее доступный вид окружающего излучения. Другие типы излучения, к примеру, инфракрасное, также может быть задействовано. Пассивные методы сканирования относительно дешёвые, ведь в большинстве случаев они не нуждаются в специальном оборудовании, достаточно обычной цифровой камеры.
Стереоскопические системы предусматривают использование 2-ух видеокамер, расположенных в разных местах, но в одном направлении. Анализируя различия в снимках каждой камеры, можно определить расстояние до каждой точки на изображении. Этот метод по своему принципу похож на стереоскопическое зрение человека.

Фотометрические системы обычно используют одну камеру, которая производит съемку нескольких кадров при любых условиях освещения. Эти методы пытаются преобразовать модель объекта, чтобы восстановить поверхность по каждому пикселю.

Силуэтные техники используют контуры из последовательных фотографий трехмерного объекта на контрастном фоне. Эти силуэты экструдируют и преобразуют, чтобы получить видимую оболочку объекта. Однако этот метод не позволяет просканировать углубления в объекте (к примеру, внутреннюю полость чаши).

Существуют и другие методы, которые основаны на том, что пользователь сам обнаруживает и идентифицирует некоторые особенности и формы объекта, опираясь на множество различных изображений объекта, которые позволяют создать приблизительную модель этого объекта. Такие методы можно применять для быстрого создания трехмерной модели объектов простых форм, к примеру, здания. Сделать это можно, воспользовавшись одним из программных приложений: D-Sculptor, iModeller, Autodesk ImageModeler или PhotoModeler.

Этот вид 3D-сканирования основан на принципах фотограмметрии. К тому же, эта техника в некоторых моментах похожа на панорамную фотографию, за исключением того, что фотографии объекта сделаны в трехмерном пространстве. Таким образом, можно скопировать сам объект, а не делать серию фото из одной точки трехмерного пространства, что привело бы к воссозданию окружения объекта.

Реконструкция

Из облаков точек

Облака точек, которые создают 3D-сканеры , могут напрямую использоваться для измерений или визуализации в области архитектуры и конструирования.
Однако большинство приложений используют вместо полигональных 3D-моделей, моделирование поверхности объекта через неоднородный рациональный B-сплайн, NURBS или же редактируемые CAD-модели (также известные, как объемные (монолитные) модели.

• Модели из полигональной сетки: В полигональном представлении формы кривые поверхности состоят из множества небольших плоских поверхностей с гранями (яркий пример – шар на дискотеках). Полигональные модели весьма востребованы для визуализации в области АСТПП - автоматизированная система технологической подготовки производства (например, механическая обработка). Вместе с тем, такие модели довольно «тяжёлые» (вмещают большой объем данных) и их довольно сложно редактировать в таком формате. Реконструкция в полигональную модель предполагает поиск и объединение соседних точек прямыми линиями, пока не образуется непрерывная поверхность. Для этого можно использовать ряд платных и бесплатных программ (MeshLab, Kubit PointCloud для AutoCAD, 3D JRC Reconstructor, ImageModel, PolyWorks, Rapidform, Geomagic, Imageware, Rhino 3D и т.д.).
• Поверхностные модели: Этот метод представляет собой следующий уровень сложности в области моделирования. Здесь применяется набор кривых поверхностей, которые придают вашему объекту форму. Это может быть NURBS, T-Spline или другие кривые объекты из топологии. Использование NURBS, преобразует, к примеру, сферу в ее математический эквивалент. Некоторые приложения предполагают ручную обработку модели, но программы более продвинутого класса предлагают также автоматический режим. Это вариант не только более легок в использовании, но и предоставляет возможность видоизменять модель при экспорте в систему автоматизированного проектирования (САПР). Поверхностные модели поддаются редактированию, но только в скульптурном отношении. Хорошо поддаются моделированию органические и художественные формы. Возможность моделирования поверхности представлена в программах Rapidform, Geomagic, Rhino 3D, Maya, T Splines.
• Объемные САПР-модели: С точки зрения инженерной и производственной перспективы, этот вид моделирования представляет собой полноценную оцифрованную форму параметрической САПР -модели. В конце концов, САПР – это общий «язык» промышленности, позволяющий описать, отредактировать и сохранить форму активов предприятия. К примеру, в САПР сферу можно описать параметрическими функциями, которые легко редактировать, меняя их значение (скажем, радиус или центральную точку).

Эти САПР-модели не просто описывают оболочку или форму объекта, но они позволяют также воплотить проектный замысел (то есть, критические функции и их отношение к другим функциям). В качестве примера проектного замысла, не выраженного в форме, могут выступить ребристые болты тормозного барабана, которые должны быть концентричны с отверстием в центре барабана. Этот нюанс определяет последовательность и способ создания САПР-модели, поэтому инженер, учитывая эти особенности, будет разрабатывать болты, привязанные не к наружному диаметру, а наоборот, к центру. Таким образом, для создания подобной САПР-модели нужно соотнести форму объекта с проектным замыслом.

Существует несколько подходов, позволяющих получить параметрическую САПР-модель. Одни предполагают только экспорт NURBS-поверхность, оставляя САПР-инженеру завершить моделирование (Geomagic , Imageware, Rhino 3D). Другие используют данные сканирования для создания редактируемой и поддающейся проверке функций модели, которую можно полностью импортировать в САПР с неповреждённым полностью функциональным деревом, предоставляя завершенное слияние формы и проектного замысла САПР-модели (Geomagic , Rapidform). Тем не менее, другие САПР-приложения достаточно мощны, чтобы манипулировать ограниченным количеством точек или полигональными моделями в САПР-среде (CATIA, AutoCAD, Revit).

Из набора срезов формата 2D

3D-реконструкция головного мозга или глазных яблок по результатам КТ происходит по изображениям формата DICOM. Их особенность в том, что участки, на которых отображен воздух, или кости с большой плотностью сделаны прозрачными, а срезы накладываются в свободном интервале выравнивания. Внешнее кольцо биоматериала, окружающее мозг, состоит из мягких тканей кожи и мышц на внешней стороне черепа. Все срезы производятся на чёрном фоне. Поскольку они представляют собой простые 2D-изображения, то складываясь один ко одному при просмотре, границы каждого среза исчезают, благодаря своей нулевой толщине. Каждое DICOM-изображение представляет собой срез толщиной около 5 мм.

КТ, промышленное КТ, МРТ или микроКТ сканеры создают не облако точек, а срезы формата 2D (именуемые «томограммой»), которые накладываются друг на друга, в результате чего образуется своеобразная 3D-модель. Есть несколько способов провести такое сканирование, которые зависят от требуемого результата:

• Объемный рендеринг: Разные части объекта обычно обладают различными пороговыми величинами и плотностью полутонов. Исходя их этого, трехмерную модель можно свободно сконструировать и отобразить на экране. Несколько моделей можно сделать из различных пороговых величин, позволяя разным цветам обозначать определённую часть объекта. Объемный рендеринг чаще всего применяется для визуализации сканируемого объекта.
• Сегментация изображений: Когда разные структуры обладают похожими величинами порога или полутонов, может оказаться невозможным разделить их просто посредством изменения параметров объемного рендеринга. Решением проблемы станет сегментация – ручная или автоматическая процедура, которая удалит ненужные структуры с изображения. Специальные программы, поддерживающие сегментацию изображений, позволяют экспортировать сегментированные структуры в формат CAD или STL, что позволит продолжить с ними работу.
• Сетка на основе анализа изображений: Когда для компьютерного анализа используются данные 3D-изображения (CFD и FEA), простая сегментация данных и создание сетки из САПР-файла может потребовать довольно много времени. Кроме того, некоторые типичные данные изображения могут, по сути, оказаться неподходящими для сложной топологии. Решение лежит в создании сетки на основе анализа изображений – это автоматизированный процесс генерации точного и реалистического геометрического описания данных сканирования.

Применение

Обработка материалов и производство

Лазерное 3D сканирование описывает общий способ измерения или сканирования поверхности посредством лазерной технологии. Оно применяется сразу в нескольких областях, отличаясь в основном мощностью лазеров, которые используются, и результатами самого сканирования. Низкая мощность лазера нужна, когда не должно оказываться влияние на сканируемую поверхность, например, если она нуждается только в оцифровке. Конфонкальное или 3D лазерное сканирование – это методы, позволяющие получить информацию о сканируемой поверхности. Ещё одно маломощное применение предполагает проекционную систему, которая использует структурированный свет. Она применяется для метрологии плоскости солнечной батареи, включающей вычисление напряжения с пропускной способностью более 2 000 пластин в час.

Мощность лазера, применяемого для лазерного сканирования оборудования в промышленности, составляет 1Вт. Уровень мощности обычно находится на уровне 200мВт или меньше.

Строительная промышленность

• Управление роботом: лазерный сканер выполняет функцию «глаз» робота
• Исполнительные чертежи мостов, промышленных предприятий, монументов
• Документирование исторических мест
• Моделирование места и планировка
• Контроль качества
• Обмер работ
• Реконструкция автотрасс
• Постановка метки уже существующей формы\состояния, дабы определить структурные изменения после экстремальных событий – землетрясения, воздействия корабля или грузовика, пожара.
• Создание ГИС (Географической информационной системы), карт и геоматики
• Сканирование недр в шахтах и карстовых пустотах
• Судебная документация

Преимущества 3D-сканирования

Создание 3D-модели посредством сканирования обладает следующими преимуществами:

• Повышает эффективность работы со сложными частями и формами
• Способствует проектированию продуктов при необходимости добавить часть, созданную кем-то другим.
• Если САПР-модели устареют, 3D-сканирование обеспечит обновлённую версию
• Замещает пропущенные или отсутствующие части

Индустрия развлечений

3D-сканеры активно используются в индустрии развлечений для создания цифровых 3D-моделей в кинематографе и видеоиграх. Если у создаваемой модели есть аналог в реальном мире, то сканирование позволит создать трехмерную модель гораздо быстрее, нежели разработка этой же модели посредством 3D-моделирования. Довольно часто деятели искусства сперва лепят физическую модель, которую затем сканируют, чтобы получить цифровой эквивалент, вместо того, чтобы создавать такую модель на компьютере.

Обратная разработка (реверс-инжиниринг)

Реверс-инжиниринг механических компонентов требует весьма точной цифровой модели объектов, которые нужно воссоздать. Это хорошая альтернатива тому, чтобы множество точек цифровой модели преобразовать в полигональную сетку, использовать набор плоских и кривых поверхностей NURBS или же, что идеально для механических компонентов, создавать объемную САПР-модель. 3D-сканер может использоваться для того, чтобы привести в цифровую модель объекты, свободно меняющие форму. Также как и призматическую конфигурацию, для которой обычно используют координатно-измерительную машину. Это позволит определить простые размеры призматической модели. Эти данные в дальнейшем обрабатываются посредством специальных программ для обратного инжиниринга.

3D печать

3D-сканеры также находят активное применение в сфере 3D печати, так как позволяют в короткие сроки создавать достаточно точные 3D модели различных объектов и поверхностей, пригодные для последующей доработки и печати. В этой сфере используются как контактный, так и бесконтактный методы сканирования, оба метода имеют определенные преимущества.

Культурное наследие

Пример копирования реального объекта посредством 3D-сканирования и 3D-печати. Существует множество исследовательских проектов, которые проводились с применением сканирования исторических мест и артефактов для их документирования и анализа. Совместное использование 3D-сканирования и 3D-печати позволяет копировать реальные объекты без использования традиционного гипсового слепка, который во многих случаях может повредить ценный или деликатный артефакт культурного наследия. Скульптура фигуры слева была оцифрована с помощью 3D-сканера, а полученные данные преобразовывали в программе MeshLab. Полученная цифровая 3D-модель была напечатана посредством машины для быстрого прототипирования, которая позволяет создавать реальную копию исходного объекта.

Микеланджело

Существует множество исследовательских проектов, которые проводились с применением сканирования исторических мест и артефактов для их документирования и анализа.

В 1999 году 2 разных исследовательских группы начали сканировать статуи Микеланджело. Стэндфордский университет вместе с группой, возглавляемой Марком Левоем, использовал обычный лазерный триангуляционный сканер, созданный компанией Cyberware специально для того, чтобы просканировать статуи Микеланджело во Флоренции. В частности, знаменитый Давид, «Рабы» и ещё 4 статуи из часовни Медичи. Сканирование производится с плотностью точек равной 0,25 мм, достаточной для того, чтобы увидеть следы от долота Микеланджело. Столь детальное сканирование предполагает получения огромного количества данных (около 32 гигабайт). На их обработку ушло около 5 месяцев.

Примерно в это же время работала исследовательская группа от компании IBM, под руководством Х.Рашмейера и Ф.Бернардини. Перед ними встала задача просканировать скульптуру «Флорентийская пьета», чтобы получить как геометрические данные, так и информацию о цвете. Цифровая модель, полученная в результате сканирования Стэндфордского университета, была полностью использована в 2004 году для дальнейшего восстановления статуи.

Применение в медицине CAD/CAM

3D-сканеры активно используются в ортопедии и стоматологии для создания 3D-формы пациента. Постепенно они заменяют собой устаревшую гипсовую технологию. Программное обеспечение CAD/CAM применяется для создание протезов и имплантатов.
Многие стоматологии используют CAD/CAM, а также 3D-сканеры для захвата 3D-поверхности средства для зубов (в естественных условиях или в пробирке), для того, чтобы создать цифровую модель с помощью САПР-технологий или же CAM-методов (к примеру, для фрезерного станка под управление ЧПУ (числовое программное управление), а также 3D-принтера). Такие системы предназначены для облегчения процесса 3D-сканирования препарата в естественных условиях с дальнейшим его моделированием (например, для коронки, пломбы или инкрустации).

Обеспечение качества и промышленная метрология

Оцифровка объектов реального мира имеет огромное значение в различных областях применения. Весьма активно 3D-сканирование применяется в промышленности для обеспечения качества продукции, к примеру, для измерения геометрической точности. Преимущественно все промышленные процессы, такие как сборка, являются довольно сложными, они также отличаются высокой степенью автоматизации и обычно основаны на CAD (автоматизированное проектирование данных). Проблема в том, что та же степень автоматизации требуется и для обеспечения качества. Яркий пример, автоматизированная сборка современных автомобилей, ведь они состоят из множества частей, которые должны точно совпадать друг с другом.
Оптимальный уровень производительности гарантируется системами обеспечения качества. В особенной проверки нуждаются геометрические металлические детали, ведь они должны быть правильного размера, подходить к друг другу, чтобы обеспечить надёжную работу.
В высокоавтоматизированных процессах результаты геометрических измерений передаются на машины, которые производят соответствующие объекты. Из-за трения и других механических процессов, цифровая модель может немного отличаться от реального объекта. Для того, чтобы автоматически фиксировать и оценивать эти отклонения, произведённые детали нужно заново сканировать. Для этого и применяются 3D-сканеры, которые создают модель-образец, с которой сравниваются полученные данные.
Процесс сравнения 3D-данных и CAD-модели называют CAD-сравнением, и может быть полезным методом для определения уровня износа пресс-форм и станков, точности окончательной сборки, анализа разрывов, а также объемной поверхности разобранной детали. В настоящее время лазерные триангуляционные сканеры, устройства, использующие структурированный свет и сканирование контактов являются ведущими технологиями, которые применяются в промышленных целях. Контактные методы сканирования, хоть и являются самым медленным, но наиболее точным вариантом.