3D сканирование

Технология 3D сканирования — это применение научных знаний для анализа объекта (или пространства), путем сбора данных о его форме и, иногда о его внешнем виде (цвет, структура), для проектирования 3D цифровой модели. 3D сканер как раз и используется для выполнения данного вида анализа.

ЧТО ТАКОЕ 3D СКАНЕРЫ?

3D сканеры похожи на обычные камеры: у них есть конусообразный угол раскрытия и они могут получать информацию с видимых поверхностей. Различия между ними: камера собирает информацию о цвете и поверхности объекта в пределах своего поля зрения (создание изображений), в то время как 3D сканер использует полученные изображения для извлечения 3D данных (собирая информацию о расстоянии и форме поверхности в пределах его поля зрения). Как правило, получается геометрическое облако точек поверхности объекта. Изображение, воспроизведенное 3D сканером, описывает расстояние до поверхности в каждой точке. Это позволяет определить положение каждой точки на изображение в трех плоскостях.

3D СКАНЕРЫ: ТИПЫ И РАЗЛИЧНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Существует множество типов оборудования используемого для измерения 3D объектов. 3D сканеры  можно классифицировать на 2 типа: контактные и бесконтактные. Однако бесконтактные 3D сканеры также делятся на 2 категории: пассивные и активные.

Существует множество технологий для цифрового моделирования 3D объекта. Каждое устройство имеет свои собственные технические требования и процесс работы.

 

КОНТАКТНЫЕ 3D СКАНЕРЫ

Контактные 3D сканеры исследуют (зондируют) физические объекты непосредственно через контакт с ними, или же объект находится на прецезионной поверочной плите, отшлифованной и отполированной. Если объект сканирования неровный, или не может стабильно лежать на горизонтальной поверхности — его необходимо удерживать с помощью специального устройства.

Механизм сканера оснащен измерительной «рукой», а считывание координат по осям происходит пока рука скользит вдоль объекта. Этот 3D сканер оснащен манипулятором с высокоточными угловыми датчиками, которые позволяют получить информацию о точном положении кончика сканирующего щупа в режиме реального времени.

 

контактный 3D сканер

Рис.1: Шарнирная рука оборудования зондирования с точечным прикосновением.

Разрешение — самый важный параметр при 3D сканировании — он  определяет уровень детализации объекта. Его можно сравнить с разрешением экрана, который определяется числом пикселей. Также возможно одновременное использование двух методов, например манипулятор может быть более сложным, чтобы получить данные о форме больших объектов, обладающих внутренними полостями или перекрывающими друг друга поверхностями.

CMM (координатно-измерительная машина) — это яркий пример системы контактного измерения. Они используются в основном в производстве, и обладают сверхвысокой точностью. Недостаток CMM — необходимость непосредственного контакта с поверхностью объекта. Сканирование объекта может изменить или даже повредить его,  что особенно важно, если сканируются тонкие или ценные предметы, такие как исторические артефакты. Другой недостаток CMM, по сравнению с другими методами сканирования, — медлительность. Перемещение руки с установленным зондом может оказаться очень медленным (лазерные сканеры работат в 5 раз быстрее).

Системы контактного измерения также очень чувствительны к изменениям окружающей среды (колебания, смещение части, температурные изменения). В этом случае, для выполнения поставленной задачи, эти машины необходимо изолировать от данных изменений (установка на отдельной бетонной плите или использование в лаборатории метрологии).

 контактный 3D сканер
 СММ (координатно-измерительная машина) 

БЕСКОНТАКТНЫЕ ПАССИВНЫЕ 3D СКАНЕРЫ

Пассивные сканеры не излучают свет; они используют отраженный свет из окружающего пространства. Большинство таких сканеров обнаруживает видимый свет, поскольку это самый доступный вид окружающего излучения. Также используются другие типы — например инфракрасное излучение. В большинстве случаев пассивные методы сканирования недороги, потому что они не нуждаются в специальном оборудовании, за исключением цифровой камеры. Они обладают низкой точностью сканирования.

БЕСКОНТАКТНЫЕ АКТИВНЫЕ 3D СКАНЕРЫ

Активные сканеры используют определённые виды излучения (рентген, ультразвук) или просто свет; они сканируют объект, используя отражение света или прохождение излучения через объект или среду. Свет или излучение, используемые сканером, отражаются сканирующимся объектом и передают информацию обратно в сканер, при этом передавая информацию о расстоянии до поверхности. Однако, у этого типа сканеров есть свои ограничения: сложность сканирования зеркальных или прозрачных объектов.

ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЕ СКАНЕРЫ

Времяпролётный лазерный 3D-сканер использует лазерный луч, чтобы исследовать предмет. Этот тип сканера оборудован времяпролётным лазерным дальномером, который определяет расстояние до поверхности объекта, рассчитывая время пролёта лазера туда и обратно. Лазер излучает импульс света, а детектор измеряет время до того момента, пока свет не отразится.

Так как скорость света известна, 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.  Точность времяпролетного лазерного 3D сканера зависит от того, насколько точно можно измерить время t: приблизительно необходимо 3.3 пикосекунды для того, чтобы лазер преодолел 1 мм.

Лазерный дальномер определяет расстояние только до одной точки в одном направлении. Устройство сканирует всю область по одной точке за одно измерени, изменяя при этом направление дальномера для сканирования различных точек. Сменить направление лазерного дальномера можно либо путем вращения самого прибора или с помощью системы вращающихся зеркал. Обычно используется второй метод, потому что зеркала намного легче в обращении и могут вращаться быстрее и с более высоким уровнем точности.

Стандартный времяпролетный лазерный 3D сканер может измерить расстояние от 10,000~100,000 точек за одну секунду.

лазерный 3D сканер

Профессиональный 3D сканер на штативе — используется для сканирования зданий, скал, и т.д.

 

ТРИАНГУЛЯЦИОННЫЕ СКАНЕРЫ

Триангуляционные лазерные 3D-сканеры также относятся к активным сканерам. Они используют лазерный луч, чтобы прозондировать пространство. Также, как и времяпролетный лазерный 3D сканер, триангуляционные устройства посылают на предмет сканирования лазерный луч и используют камеру для поиска расположения точки, которая появляется в различных местах поля зрения камеры, в зависимости от того, как далеко лазер продвигается по поверхности.

Эта технология называется триангуляцией потому, что лазерная точка, камера и лазерный излучатель образуют треугольник. Три показателя определяют форму и размер треугольника. Во-первых, известна длина одной стороны этого треугольника — расстояние между камерой и лазерным излучателем. Во-вторых, также известен угол наклона лазерного излучателя. В-третьих, угол наклона камеры определяется по расположению лазерной точки в поле обзора камеры. В большинстве случаев используется лазерная полоса вместо единственной лазерной точки — для того чтобы ускорить процесс получения данных.

Национальный научно-исследовательский совет Канады (NRC) был одним из первых научных институтов, разработавших основы технологии триангуляционного лазерного сканирования в 1978 году.

3d-scanning-triangulation
Принцип работы датчика лазерной триангуляции.

СТРУКТУРИРОВАННЫЙ СВЕТ

3D-сканеры, работающие по технологии структурированного света, создают с помощью  видеопроектора или другого постоянного источника света — проекцию координатной сетки на объект. Считывая  деформацию этой сетки, камера, расположенная немного в стороне от проектора, фиксирует форму и вычисляет расстояние до каждой точки в поле зрения. Некоторые существующие системы могут сканировать даже движущиеся объекты в режиме реального времени.

3D-сканеры, использующие структурированный свет обладают двумя главными преимуществами: скорость и точность работы. Фактически, вместо сканирования одной точки за один раз, они сканируют несколько точек или все поле зрения сразу. Т.е. они сканируют все поля зрения лишь за долю секунды, и сгенерированные профили являются более точными, чем лазерные триангуляции. Данный метод снижает (даже устраняет) проблему искажения данных, вызванного движением.

 

МОДУЛИРОВАННЫЙ СВЕТ

3D сканеры на основе модулированного света проецируют на предмет непрерывный световой луч. Луч создает на объекте ряд линейных рисунков  (синусоидный рисунок). Камера фиксирует отражённый свет и определяет расстояние до объекта, путь который преодолел луч света, перемещая каждую полосу.
Модулированный свет также позволяет сканеру игнорировать свет от других источников помимо лазера, что позволяет избежать каких-либо вмешательств.




Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники