НТВ плюс 

Параметры сканеров Artec. Бесконтактные пассивные сканеры

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.


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.

Интервью с Георгием Казакевичем, экспертом направления технической поддержки 3D-оборудования компании iQB Technologies

– В первой части интервью мы говорили об обратном проектировании (reverse engineering ). Теперь давайте разберемся, что такое контроль геометрии?

Контроль геометрии – это, по сути дела, контроль качества . Вот смотрите: предприятие получает заготовки, которые оно должно доработать. Если производить входной контроль этих заготовок, можно очень сильно уменьшить себе головную боль на этапе изготовления.

Взгляните на схему (рис. 1): для первой детали первые три пункта выполняются вручную (сканирование, подготовка к анализу и непосредственно анализ), а отчет составляет за вас программное обеспечение. Для следующих 999 деталей вручную делается только сканирование, остальные три этапа выполняет ПО. Таким образом, вы тратите время только на оцифровку. А при контроле геометрии сканирование – это обычно от 5 до 15% затраченного времени, не больше. Следовательно, при потоковом контроле или контроле серийного производства мы начинаем экономить массу времени.

Раньше предприятие могло себе позволить контролировать одну деталь из тысячи, потому что на это уходил день. Внедряя 3D-сканирование, можно контролировать сто деталей из тысячи всего за два дня. В первый день мы делаем всё вручную, и лишь еще один день потратим на 99 деталей – их надо только отсканировать. После чего помещаем CAD-модель в определенную папку и говорим программному обеспечению: «Работай».

Рис. 2. Карта отклонений геометрии футеровки

– Расскажите, пожалуйста, как это работает, на примерах из практики iQB Technologies .

– Была задача измерить толщину футеровки, успешно выполненная главным техническим экспертом нашей компании . Существует узел смешения жидкостей, он металлический, потому что жидкости подаются под давлением. Проблема в том, что должным образом обработать металл внутри – это, во-первых, тяжело, во-вторых, дорого. Ко всему прочему, металл – это материал, который вступает во взаимодействие со многими жидкостями, он может ржаветь, подвергаться коррозии и т.д. Этот узел изнутри покрывается специальным пластиковым составом. Для того чтобы достигалось правильное смешение жидкостей, покрытие должно быть равномерным. Если в нем есть рытвины, если оно неравномерно по толщине, внутри будут появляться завихрения. Они создают дополнительное давление на узел, следовательно, уменьшают срок его эксплуатации.

Раньше предприятие контролировало одну деталь из тысячи, потому что на это уходил день. Внедряя 3D-сканирование, можно контролировать сто деталей из тысячи всего за два дня.

Итак, сначала было выполнено 3D-сканирование узла без покрытия, затем с покрытием, и результаты подвергнуты сравнению. Красная зона на скане (рис. 2) – это покрытие. На правой картинке видно, что оно неровное. Исходя из полученных результатов, заказчик может предъявить претензии субподрядчику, который занимается нанесением этого покрытия.

Рис. 3. Контроль сварной конструкции

Следующий пример – выполненный мной контроль сварной конструкции. Я ездил в Нижний Новгород на завод компании Liebherr, который производит для сборки промышленной техники. Сами металлические листы приходят из Германии, в России свариваются и потом отправляются обратно. Из-за того, что конструкция довольно большая (2 м длиной), предусмотрены посадочные отверстия для крепления к другим конструкциям. Если во время сварки произойдет какой-нибудь перекос, деталь в одном месте присоединится, а в другом нет. Чтобы избежать этого, на заводе решили перед отправкой в Германию все детали предварительно сканировать и оценивать на отклонения, которые получились при сварке. В таблице справа (рис. 3) мы видим фактические размеры, которые показало 3D-сканирование. Отклонения отображаются в виде цветовой карты. Зеленый цвет – хороший результат, желтый – в пределах допуска, красный – неприемлемое отклонение. Конкретно та деталь, которую мы сканировали, естественно, не проходит и считается браком.


– В каких еще отраслях Вы применяли 3D-сканер и ПО для контроля геометрии?

Рис. 4. Контроль геометрии крыла автомобиля

– К примеру, у нас были проекты, связанные с . Запчасти для автомобилей, как вы знаете, достаточно дорогие. Их всегда можно заказать из Китая, но гораздо удобнее наладить производство в России. Наш заказчик, который изготавливает запчасти для машин высокого сегмента, стал получать жалобы: детали «играют», когда их пытаются посадить на место. Мы отсканировали крыло для BMW, сделанное в России, и крыло оригинального BMW. Сравнили их друг с другом и увидели, что российская деталь по размеру чуть больше, чем требуется. На основании этого в производственный цикл были внесены изменения.

Рис. 5. Корпус автобуса

На рисунке 6 вы видите корпус автобуса и результаты 3D-сканирования – это проект, которым занимался Алексей Чехович. В Москве есть предприятие, которое производит автобусы из смолы. Современные смолы по прочности могут соперничать с металлами, при этом они намного легче, а значит, экономичнее с точки зрения расходов топлива. Такой автобус собирается из нескольких частей. На предприятии заметили, что при сборке возникают некоторые перекосы, напряжения. Вначале нас пригласили отснять сделанные заготовки. Мы их отсняли и увидели, что заготовка сама по себе кривая. А в дальнейшем мы выяснили, что проблема даже не в заготовке, а в самой форме, в которой ее делали. То есть заготовка с формой идеально сошлась, а вот сама форма была бракованной, и ее пришлось заменить. После этого было решено, что мы примерно раз в полгода будем проверять форму.

– Контроль качества включает в себя и эксплуатационный контроль. Приходилось ли Вам решать подобные задачи с помощью 3D-сканирования?

Да, и это, как правило, связано со сложными, дорогими устройствами, типа самолета. В процессе эксплуатации на него действуют колоссальные нагрузки, и существуют ограничения на структурные изменения конструкции, которые самолет приобретает в процессе эксплуатации. Компания S7 заказала у нас полное 3D-сканирование Airbus. Анализ мы не выполняли, так как эти данные составляют коммерческую тайну.

Рис. 6. Эксплуатационный контроль Airbus авиакомпании S7

Обратите внимание на скан, где видно наклейку на хвостовой части (рис. 6). Дело в том, что даже такая вещь, как наклейка влияет на расход топлива. Измерительные системы, которые есть в нашем распоряжении, настолько чувствительны, что могут рассчитать оптимальное размещение наклейки. И по просьбе S7 было произведено 3D-сканирование хвоста самолета с наклейкой и без нее, чтобы понять, насколько правильно она расположена.

Рис. 7. Контроль оснастки на авиационном заводе

Упомяну еще один проект из области . Заказчиком iQB Technologies был самолетостроительный завод, изначально поручивший нам анализ листовых изделий довольно большого размера (2 метра и больше). На основании измерений мы выяснили, что деталь гнутая и не укладывается в требуемые допуски. И это при том, что на самом заводе она прошла контроль.

После того как деталь изготовили, ее кладут на деревянный шаблон (рис. 9). Если она лежит ровно, делают вывод, что она годная. Поскольку показывал отклонения, мы предложили проверить шаблон. И вот на скане можно увидеть множество зон с отклонениями. Такие шаблоны больших размеров, по которым изготавливаются узлы или детали, имеют сложный профиль, и поэтому их тяжело контролировать. Негодность самой шаблонной конструкции – это, на самом деле, большая проблема для многих предприятий.

– И здесь на помощь приходит 3D-сканер…


Или любую другую модель, наверное, уже слышал о том, что на рынке высокотехнологичных устройств есть и такие приборы как 3D сканеры. Для тех, кто не знает что это за аппараты, наша статья.

Определение 3D сканера

3D сканеры представляют устройства, предназначенные для сканирования физических объектов и их точного последующего воспроизведения. Простыми словами, трехмерный сканер делает с объектом то же самое, что 2D сканер, который сканирует изображение на листе бумаги и переносит его на компьютер. Только в случае с 3D принтерами сканируется реальный объект, а на монитор передается объемная модель. Современные модели пространственных сканеров могут иметь вид небольших портативных устройств или серьезных стационарных аппаратов, которые имеют специальные лампы или лазеры для осуществления подсветки. Разброс качества передачи изображения в них может существенно отличаться. Это то же самое, если сравнивать возможности построения моделей двух печатающих трехмерных аппаратов - 3D принтера makerbot replicator и маленького дешевого бытового принтера.

При сканировании точность передачи изображения двух приборов может отличаться на порядок и изменяться от 10 до 100 микрон, эта величина зависит от типа прибора и его возможностей. Кроме этого, сканеры могут передавать изображение с полной цветовой гаммой или переносить только формы поверхности. Кроме различия в качестве получаемого изображения и в функционале, сканеры можно разделить на контактные и бесконтактные, то есть те, которые контактируют непосредственно с объектом или сканируют его на некотором, иногда до нескольких километров, расстоянии.

Преимущества

Если анализировать общие преимущества всех сканеров, то необходимо отметить:

  • Максимальную точность сканирования объектов. Воспроизводятся даже самые мелкие его детали.
  • Скорость сканирования максимальная- от нескольких секунд до нескольких минут.
  • Сканер можно размещать в разных пространственных положениях. Это особенно важно для получения объемных моделей больших предметов (домов, памятников и т.д.).

Если анализировать преимущества контактных и бесконтактных моделей, то первые:

  • Качественно сканируют вне зависимости от освещения.
  • Максимально точны в работе.
  • Просты в управлении.

Бесконтактные приборы могут снимать на больших расстояниях, не контактируя с предметом, и более энергоэкономичные в использовании.

Из недостатков всех сканеров отметим невозможность качественного сканирования движущихся объектов, а также плохое качество изображения объектов, имеющих блестящую или прозрачную поверхность.

Область применения

Возможности сканеров запечатлеть с максимальной точностью форму практически любого объекта, обеспечили им применение в разных сферах жизни человека. Они используются в медицине для сканирования мозга, опорно-двигательного аппарата, сердца, а также для поиска опухолей. В производстве 3D сканирование незаменимо в реверс-инжениринге, а в строительстве для контроля качества, реконструкции автотрасс и в определении пустот под землей.

Виртуальных объектов, которые можно распечатать с помощью трехмерного принта, в Интернете - великое множество. Так, без особого труда можно найти изображения великолепных украшений, которые сделают честь любой моднице, трехмерные чертежи деталей к замысловатым механизмам и сувениров со смыслом. При желании, несложно будет отыскать даже объемные модели обуви и одежды.

Не найдя желаемого в открытом доступе, вовсе не стоит отчаиваться и отказываться от желания обладать лучшим. Если под рукой оказался хороший 3д принтер, способный печатать не только фигурки слоников и кирпичи, а предметы более сложной формы, желаемое можно сделать действительным.

Для этого понадобится специальный сканер, способный считывать трехмерную информацию и заводить ее в память принтера. 3d сканирование - задача, с которой может справиться даже обычный школьник. Нужно просто выбрать объект, который хочется скопировать, например, макет вертолета, и начать считывание…

Конечно же, подобная техника стоит немало, зато избавляет от необходимости приобретать дорогую программу для виртуального построения модели и осваивать ее.

Наша компания предоставляет услуги по 3d сканированию, цены которых отличаются доступностью. Почти полная идентичность оригинала и копии, приемлемая цена и минимальные временные затраты - это способно удивить!

Услуги 3D сканирования: мы гарантируем качество

По мере роста спроса на трехмерную печать увеличилось и количество предложений выполнения подобных заказов. Но для того, чтобы облечь в форму предмет, изображенный в трехмерном формате, необходимо иметь достаточно функциональный агрегат и расходный материал хорошего качества.

При наличии принтера «вырастить» несложную или цельную модель можно даже самостоятельно - без чьей-либо помощи. Другое дело, если необходимо скопировать объект, 3д-программной модели которого не существует, например, дефицитную деталь автомобиля или сустав человеческой ноги. В подобной ситуации помочь сможет наша компания, предоставив услуги 3д сканирования.

С помощью портативного устройства, сканирующего объекты в трехмерном формате, можно создавать их виртуальные модели, а потом изготавливать способом литья или любым другим. Цена на услуги 3d сканирования зависит от размера объекта, а также особенностей его поверхности. Чем больше на ней мелких деталей, тем стоимость подобной работы будет выше, но все же останется вполне доступной.