3D сканер принцип работы

3D-сканер – стационарное или небольшое ручное устройство для сканирования объектов со сложной пространственной геометрией. Простые сканеры обрабатывают изображения в плоскости, а 3d сканируют физические объемные предметы, выводя информацию полигональной моделью или облаком точек. Трехмерные сканирующие устройства используются в медицине (стоматология, пластическая хирургия, изготовления протезов, моделей органов и пр.), для создания компьютерных игр, в киноиндустрии, дизайне, архитектуре, инженерии, для проектирования промышленных деталей, автомобилей, для реконструкции объектов в археологии. Сканеры анализируют и воссоздают в цифровом виде объемную модель предмета, его форму и цвет с высокой степенью детализации, работая в разных условиях (при недостаточной видимости, в темноте, при вибрации), с любыми материалами, обеспечивают нужный формат выходной информации под программное обеспечение для работы с ней на компьютере.

Как работает 3Dсканер?

Принцип работы 3d сканера — способность прибора определять расстояние до объекта, преобразовывать полученные данные в цифровое изображение (трехмерную модель), передавать его на компьютер. Сканер определяет координаты точек в пространстве на поверхности обрабатываемого объекта, анализирует их, формирует детальную цифровую модель. В его работе задействованы камеры, лазеры, дальномеры, устройства для подсветки.

Технологии 3D сканирования

• Контактная (контактирует с объектом).
• Бесконтактная (без контакта с объектом). Это наиболее перспективные и новые технологии, позволяющие создавать модели объектов просто направив на них лазерный луч, свет, волны. Сканер применяется на расстоянии и способный создать копию труднодоступного объекта без физического контакта с ним.

Бесконтактные 3d сканеры

Наиболее распространены две технологии сканирования: оптическая (пассивная и с использованием излучения) и активная лазерная.

Активный принцип излучения

Сканер излучает структурированный, прерывистый свет, лазерная триангуляция. Направляют на исследуемый предмет луч лазера, сгенерированный специальным способом луч света (диоды, вспышки лампы), волны. На основе анализа их отражения и положения формируется трехмерная копия объекта.

Пассивный принцип излучения

Не излучают ничего, анализируют световое или инфракрасное (тепловое) излучение предмета. Работают наподобие человеческого глаза;

Технология фотометрического бесконтактного пассивного 3d сканирования

На рынке сканеры из этой группы представляет модель XYZprinting. Это достаточно компактные простые модели, имеющие только базовые функции трехмерного сканирования.
Плюсы: доступная цена и компактность.

Устройство

Пассивный 3d сканер устройство (на примере указанной модели): корпус, одна компактная камера, USB-шнур для связи с компьютером и передачи на него изображения сканируемого объекта. Сканер без подставки, ручной, выполненный в форме степлера.

Принцип работы

Чувствительная к свету камера улавливает световое излучение от предмета, обрабатывает его и формирует объемную модель, экспортируя ее на компьютер. Пользователь может располагать двумя режимами работы: сканирование человека или предметов. Для начала работы необходимо установить программное обеспечение на компьютер, подключить прибор посредством USB-шнура к нему, выбрать режим работы, нажать кнопку на сканере и, медленно проводя им перед предметом, осуществить сканирование.

Как работает технология

Устройство работает по фотометрической технологии пассивного сканирования без какого-либо излучения и проецирования на предмет. Работа осуществляется несколько усовершенствованной простой оптической камерой, улавливающей видимый свет. Недостаток в том, что при недостаточности освещения объект нужно дополнительно осветить.

Сканирование производится так называемым методом «силуэт». Он воспроизводит контуры предмета на основе последовательности кадров, запечатленных видеокамерой, проносимой вокруг объекта на хорошо контрастирующем фоне.

Стереоскопическая система бесконтактного пассивного 3d сканирования

Модели c технологией бесконтактного пассивного сканирования

Этот тип устройств представляют модели 3D Systems Sense, 4D Dynamics Gotcha.

Устройство и принцип работы 3d сканера по системе бесконтактного пассивного сканирования

Приборы оснащены двумя камерами и инфракрасным сенсором. Сканер 3D Systems Sense выполнен в форме степлера, это компактный ручной прибор он может использоваться с треногой, в Gotcha (со штативом и ручкой), она есть в комплекте. Принцип работы – пассивный оптический. В обоих случаях питание и передача данных осуществляется посредством USB-провода. Приборы имеют стандартные режимы: сканирование человека и предмета.

Технология сканирования

Камера по этой технологии обнаруживает инфракрасное (тепловое) излучение и обычный свет, отражающийся от предмета. Системы стереоскопические, то есть используют две камеры. Прибор сопоставляет кадры, на основе небольших сравнения различий между ними определяет расстояние в каждой точке изображения и воссоздает объект в цифровом виде.

3d сканеры с лазерным активным сканированием

Эта группа устройств представлена следующими моделями сканеров: 3D Systems iSense, DAVID Starter-Kit ver.2, MakerBot Digitizer.

Устройство

Приборы имеют два лазера и камеру. Следует отметить, что лазерная безопасность гаджетов соответствует уровню І, что является полностью безопасной для глаз. Сканер iSense созданный для работы только с операционной системой iOS и с Apple iPad выше 4 поколения. Он выполнен в компактном корпусе, который устанавливается на мобильный гаджет и подключается к нему USB-проводом, заряда батареи хватает на 4 часа его работы. Он крепится наподобие веб-камеры, сканирует и сразу выводит изображение на iPad.

Модели

DAVID Starter-Kit ver.2 3D сканер устройство: веб-камеры и лазерные датчики с функцией автоматической регулировки. Прибор в комплекте имеет штатив и треногу.

Maker Bot Digitizer по своей конструкции несколько отличается от предыдущей модели. Корпус сканера выполнен как пьедестал, одна часть которого – вращающаяся площадка, вторая оснащена двумя лазерами по бокам и камерой посередине. Они сканируют объект, находящийся на площадке.

Как работает технология

Опишем, как работает 3д сканер. В основе сканирования с помощью лазеров лежит метод триангуляции. Это прибор с активным сканированием. Он использует лазерные лучи, проецируя его на объект. Лазер обрабатывает поверхность объекта, его точки фиксируются на разных его частях. Камера фиксирует лазерные точки на нем, угол смещения лазерного луча и передает данные на компьютер с соответствующим программным обеспечением, которое формирует объект в цифровом виде.

Технология сканирования называется «триангуляцией», так как в работе задействован треугольник функциональных элементов устройства: точка лазера на предмете, его излучатель, камера. В большинстве случаев точка формируется лазерной полосой или пятном, проходящим по поверхности предмета.

Технология 3d сканирования структурированным освещением

Модели, которые в своей работе используют технологию структурированного или прерывистого света: DAVID SLS-2, RangeVision Smart, RangeVision Standard Plus, RangeVision Advanced, RangeVision Premium. Отдельной группой представлены ручные Artec Spider, Artec Eva, Artec Eva Lite.

Устройство

Главными функциональными элементами этих приборов являются камеры и источник света, который структурирует его особым способом и направляет на сканируемый объект. В модели DAVID SLS-2 источником света служит видеопроектор. Эти устанавливаются на штатив с треногой, которые идут в комплекте. Это позволяет настраивать и калибровать приборы, устанавливать их в разных положениях и надежно фиксировать, уменьшая вибрацию. Источниками света в приборах служат галогенные лампы, диоды, видеопроектор.

Artec Spider, Artec Eva, Artec Eva Lite выполнены в компактном корпусе с ручкой, напоминающем утюг. На ручке размещены кнопки управления и выходы для шнуров интерфейса и питания. Внизу также есть отверстие для стандартных фотоштативов и ножки для фиксации прибора на поверхности. 3d сканер устройство имеет следующее. Снизу он оснащен 3D-камерой (в Artec Spider их три) с повышенной разрешающей способностью, сверху прибора – вспышка (проектор) структурированной подсветки, центральная цветная текстурная камера посередине вместе с источниками света в виде 6 или 12 диодных лампочек. Все источники света имеют белое излучение. С прибором поставляется штатный интерфейсный шнур mini-USB и кабель питания. Дополнительно можно купить аккумуляторную батарею.

Как работает технология

Такие приборы еще называются структурно-Light 3D сканерами. Технология сканирования подобна лазерной триангуляции (свет, излучатель, камера). Важным есть то, что они могут работать без маркеров – объект не нужно обклеивать множеством маркеров и ставить пометки. Суть технологии структурированного света заключается в проецировании рисунка света на объект и фиксации, анализа его деформации. Световой поток проецируется на предмет несколькими видами источников света: ЖК, видеопроектором, диодами, галогенными лампами.

Камера фиксирует смещения рисунка светового потока, который попадает в ее поле зрения и выглядит как движущиеся линии света на поверхности объекта. Она вычисляет и анализирует расстояние от каждой освещенной точки предмета и, таким образом, формирует его детальную цифровую копию. Преимущество Light 3D сканеров – скорость, высокая точность. Они сканируют не одну или несколько точек, а одновременно скопление точек или все поле зрения сразу.

Мы ежедневно с легкостью наблюдаем за работой миллионов цифровых устройств, которые облегчают как повседневную, так и профессиональную деятельность человека. И одними из них являются 3d сканеры, которые используются во многих современных сферах, начиная от бытовых дел, заканчивая крупными проектами будущего, способными в скором времени развернуться на просторах космоса. Пришло время подробней разобраться с внутренним устройством 3d сканеров и понять, как они работают.

Принцип работы лазерного 3d сканирования

Лазерный 3d сканер в процессе работы измеряет длину лазерных пучков и расстояние до объектов, с которых производится снимок. При этом направление излучений регулируется при помощи специального энкодера, который управляет зеркалами.

Чтобы задать позицию лазерного луча в двух измерениях, необходимо повернуть одно зеркало по двум осям, но во время быстрого сканирования луч отражается от двух зеркал, расположенных на ортогональной оси. При этом сами лазеры могут быть расположены в трех измерениях, а их фокусировка производится при помощи линз.

Для получения точной модели объекта необходимо провести несколько циклов сканирования, данные которых в дальнейшем объединяются во время постобработки.

Скорость работы

Одним из центральных понятий в лазерном сканировании является время возврата луча от поверхности объекта. Лазерный пучок, исходящий из сканера, попадает на поверхность объекта не сразу, то же касается его возврата обратно на устройство.

Скорость света — это известная константа, а расстояние между сканером и объектом измеряется посредством вычисления времени, которое необходимо, чтобы пучок света вернулся обратно. Именно от точности встроенного хронометра зависит точность сканировании объекта. Единственная сложность, которая возникает в процессе захвата облака точек — очень маленькие промежутки времени, необходимые для возврата пучка света на место. Расстояние высчитывается по формуле:

Триангуляция

Многие портативные сканеры используют триангуляцию, которая позволяет добиться более высокой точности. Например, в лазерных сканерах часто используются дополнительные камеры, которые отслеживают лазерные точки, попадающие на поверхность объекта. Несмотря на более точные показатели при использовании данного способа, снижается эффективная дальность самого сканера.

Создание облаков точек

Облако точек — это скопление данных, которые располагаются в Декартовой системе координат. Соответственно все точки находятся в трех измерениях, на осях X, Y и Z. Если рассматривать этот термин в контексте 3d сканирования, эти данные представляют результаты сканирования в виде неструктурированных координат. Типичными и наиболее распространенными форматами облака точек являются TXT, IGS и ASCII.

Точки, полученные в результате сканирования в дальнейшем переводятся в общую систему координат, где могут быть подкорректированы пользователем. При этом сама корректировка может производиться либо непосредственно во время процесса сканирования, либо уже после отправки данных в соответствующие программы.

В зависимости от типа данных и типа дальнейшей обработки данных, облако точек экспортируется в соответствующий файл.

3d сканеры — это уникальные устройства, которые используются действительно для широкого круга операций. Составление трехмерных карт, геодезических подсчетов и многого другого, может с их помощью производиться в несколько тысяч раз быстрей, нежели человеком.

В различных областях деятельности человека завоевывает свое место не только технологии 3D печати, но и такие интересные приборы, как 3D-сканеры. С помощью такого устройства можно выполнять сканирование различных физических предметов, получая их трехмерные цифровые модели, характеризующиеся высокой точностью. Полученные модели с электронными данными о форме конкретного предмета могут быть задействованы в строительной сфере, медицине и игровой индустрии. На то, что ранее требовалось часы или даже дни, в настоящий момент посредством 3D-сканера необходимы лишь считанные секунды.

Принцип работы и преимущества

3D-сканер исследует физический предмет и воссоздает его точную цифровую модель. Современные 3D-сканеры могут выглядеть как ручной прибор небольшого размера, либо быть стационарным устройством, использующим в качестве подсветки лазер или специальную лампу, чтобы увеличить точность измерений. Принцип работы определяется используемой технологией, однако в любом случае данное устройство имеет дело с определением расстояния до сканируемого предмета.

Сканер исследует расстояние до объекта, задействуя две встроенные камеры и подсветку. С помощью этих «глаз» прибор измеряет расстояние до объекта в разных точках, а затем сопоставляет полученные от камер картинки. Все измеренияз аписываются, после чего проводится анализ и на экран уже выводится готовая цифровая модель. Сканирование может осуществляться и лазерным лучом, который перемещается над поверхностью предмета и измеряет расстояние в конкретной точке. Таким способом записываются координаты всех измеряемых точек, что открывает возможность для создания трехмерной компьютерной модели.

Пользователь может оперировать самим процессом сканирования, устанавливая разрешение и соответствующие области, где требуется более высокая детализация. Современные 3D-сканеры уже научились обеспечивать точность получаемых трехмерных моделей вплоть до нескольких десятков или даже сотен микрометров. Причем имеется возможность сканировать объект с передачей не только его формы, но и цвета. В результате, существенно упрощается процесс создания трехмерных макетов – они создаются не только в короткие сроки, но и с очень высокой детализацией. Кроме того, полученное трехмерное изображение всегда можно открыть в редакторе и осуществить дополнительное редактирование по своему усмотрению.

Разные модели сканеров характеризуются различными параметрами и возможностями, но все они находят применение в тех случаях, когда нужно максимально быстро и точно зарегистрировать форму предмета. Преимущество подобных приборов на практике обеспечивается не только существенным упрощением процесса получения 3Dмакетов и, как следствие, экономией времени, но и возможностью работы со сложными деталями и элементами.

Классификация

Все приборы подобного рода делятся на две большие группы:

3D Комбайн MDX-15

Такие приборы используют, как ни трудно догадаться, контактный способ сканирования, то есть они исследуют сканируемый предмет буквально на ощупь, записывая соответствующие координаты. Для этого в их конструкции предусмотрено наличие специального высокочувствительного щупа. Контактные сканеры обладают такими несомненными плюсами, как высокая детализация, независимость от световых условий, возможность сканирования призматической части объекта. В то же время они довольно медленные в работе и во время сканирования возникает риск повреждения каких-либо хрупких предметов.

3D сканер Sense

Здесь применяется бесконтактный способ сканирования. Такие приборы бывают активными и пассивными. Активные устройства сами излучают специальные волны, после чего обнаруживают их отражение и анализируют для получения компьютерной модели. В качестве такого излучения может использоваться рентген, ультразвук или световые потоки. Например, рентгеновские лучи и ультразвук используются в сканерах, используемых в медицинских целях. Пассивные приборы не формируют никакого излучения, а лишь обнаруживают отраженное от объекта окружающее излучение. Например, свет. В целом, бесконтактные сканеры отличаются экономичностью, привлекательной технологией сканирования и возможностью использования вне помещений с различной степенью освещенности.

Технологии сканирования

К текущему моменту наибольшее распространение получили две технологии 3D-сканирования:

Лазерный сканер REVscan из серии ручных самопозиционирующихся сканеров Handyscan 3D

В данном случае устройства основаны на действии лазера. При использовании таких приборов на сканируемый объект, в определенных его точках наносятся особые светоотражающие маркеры, что позволяет обеспечить более высокую точность сканирования. Преимущество лазерных устройств состоит как раз в очень высокой точности создаваемых моделей. Однако лазерные приборы используются для сканирования исключительно статичных объектов и фактическине могут быть задействованы для получения моделей подвижных предметов (в этом случае процесс сканирования отнимает очень много времени). Благодаря тому, что лазерные сканеры дают возможность воссоздать невероятно точную модель, они применяются в разнообразных промышленных сферах, в частности, в машиностроении.

Лазерные сканеры оказываются практически бесполезными, когда требуется отсканировать объекты, находящиеся в движении. Например, осуществить сканирование человеческого тела для медицинских задач. И тут на помощь приходят оптические приборы. Они осуществляют процесс сканирования предмета путем проецирования на него линий, формирующих своеобразный узор. Данные о поверхности предмета содержатся в искажениях формы проецируемой трехмерной картинки.

Оптические устройства могут похвастаться высокой скоростью работы. Это автоматически устраняет проблему искажения компьютерной модели в случае движения сканируемого объекта. Кроме того, здесь не требуется наносить на предмет специальные метки. То есть оптические сканеры могут с успехом применяться для сканирования подвижных предметов или человеческого тела. Несмотря на то, что оптические приборы уступают по точности создания 3D моделей лазерным аналогам, они характеризуются большей универсальностью. В то же время и у них есть свои минусы. В частности, оптические устройства не способны осуществлять сканирование предметов с зеркальными или блестящими поверхностями.

Области применения

Получение 3D моделей отдельных объектов или предметов является очень важной задачей для многих сфер деятельности человека. Можно перечислить лишь несколько ключевых областей, где 3D-сканеры находят широкое применение:

— Дизайн: создание трехмерного макета, на основе которого можно будет получить серийное изделие, изготовление дизайнерской упаковки, а также возможность получения и исследования формы объекта с ее последующей доработкой.

— Медицина: возможность создания трехмерных моделей суставов, строений кости и отдельных органов человеческого тела, планирование операционных манипуляций, проектирование разнообразной анатомической обуви и ортопедических конструкций.

— Реверс-инжиниринг: получение точной компьютерной модели предметов, которых требуется воссоздать.

— Архитектура:3D-сканеры могут применяться для сканирования на заказ различных архитектурных деталей и элементов, например, колонн, статуй и декораций.

— Индустрия развлечений: получение анимационных моделей для игр и фильмов, возможность создания цифрового мультимедиа контента, основанного непосредственно из концептуальной модели разработчика. Это актуально, прежде всего, для видеоигр и разработки игровых персонажей, навеянных творческой фантазией.

— Строительная промышленность: получение чертежей мостов и сооружений в трехмерном исполнении, реконструкция автомобильных трасс и магистралей.

— Контроль качества продукции: проверка соответствия создаваемой продукции установленным требованиям и техническим нормам.

— Музейное дело и сохранение культурного наследия: точное восстановление формы устаревших скульптур или памятников для их последующей реконструкции, возможность организации виртуальных музейных экскурсий, сканирование старинных, антикварных предметов.

— Архивирование: создание цифрового архива прототипов изделий.

— Киноиндустрия: получение цветной трехмерной модели человека.

Итак, использование столь технологичного прибора, как 3D-сканер, может облегчить деятельность человека во многих сферах. Это динамично развивающаяся технология, которая предоставляет уникальные возможности – от планирования медицинских операций и создания объемного дизайн-макета до контроля качества создаваемых изделий. 3D-сканеры требуются во всех случаях, когда нужно определить форму предмета с большой точностью и в минимально короткие сроки.