Как выбрать подходящую технологию 3D- сканирования?

Сегодня мы расскажем о видах и типах 3D сканеров, а также об эффективном применении их в различных сферах.

3D сканирование находит широкое применение в промышленности, медицине и в быту. Более того, многие современные производственные процессы не могут обойтись без автоматизации и контроля. В этих случаях наряду с компьютерным зрением приходит технология 3D сканирования.

3D-сканеры можно разделить на два типа: Контактные и, соответственно, бесконтактные.

Контактные сканеры

К первому типу сканеров относятся CMM (coordinate measuring machine - координатно-измерительные машины).

Эти устройства напоминают промышленные ЧПУ станки, на массивном основании, но вместо шпинделя крепится измерительная головка с рубиновым шариком на конце. Сканирование, или контроль геометрических размеров производится контактным способом. Щуп медленно подходит к измеряемому объекту, регистрируя малейшее касание.

Так же существуют системы с подвижными “суставами”, в которых установлены высокоточные энкодеры. При перемещении сканирующего органа оператором эти датчики фиксируют перемещение всей системы и на основе этих данных строит трехмерную модель изделия.

Пример таких сканеров: Faro Arm Edge 9 - компактный и точный промышленный сканер идеально подходящий для контроля пресс форм, или штампов.

И ROMER Absolute Arm SE 7 - 7-ми осевая измерительная рука, крайне удобная в работе, оборудованная магнитным основанием, которые позволяют надежно закрепить сканер на любой ровной металлической поверхности.

Данные сканеры широко применяются на высокоточных производствах для контроля геометрических размеров выпускаемой продукции. Так же при помощи данных устройств можно произвести “полное” сканирование и получить облако точек.

Но данная технология не идеальна, и имеет ряд ограничений, таких как:

• Низкая скорость сканирования

• Невозможно (чаще всего) сканировать поднутрения и малые отверстия

• Установки стационарны и массивны. Поэтому применение их в 3D съемке ландшафта и архитектурных объектов невозможно

  
  
  

Хотя и существуют портативные решения, такие как Creaform HandyProbe, который позволяет сканировать достаточно габаритные конструкции, но все же для съемки ландшафта они мало применимы. Зато идеально подходят для реверс-инженеринга и контроля качества.

Бесконтактные активные сканеры

Бесконтактные сканеры делятся на несколько типов по способу сканирования. Условно их можно разделить на лазерные и оптические.

Лазерные сканеры

Основная часть лазерных сканеров работает на принципе триангуляции. Суть триангуляционных 3D сканеров состоит в том, что высоко контрастная камера ищет лазерный луч на поверхности объекта и измеряет расстояние до него. При этом оптическая ось камеры и лазера разнесены, а расстояние между ними и угол заведомо известны. Таким образом, путем не хитрых геометрических измерений мы можем достаточно точно измерить расстояние до объекта, быстро получив облако точек. По сравнению со сканерами измеряющими время отклика луча этот класс устройств имеет ограничения по дальности сканирования, но при этом сканирует объекты с высокой точностью.

Ярким примером подобных лазеров являются:

• BQ Ciclop - 23 890 руб., Точность: 0.5-5мм от размеров детали, Область сканирования: 205 мм. Имеется вращающаяся платформа.
• David Laserscanner - 59 000 руб., Точность: 0.5% от размеров детали, Область сканирования: 10-600 мм.
• Digitizer (MakerBot) - 93 100 руб., Точность: 2мм, Область сканирования: 205 мм. Имеется вращающаяся платформа.
  
  

По сравнению с промышленными сканерами, стоимость данных устройств более демократична, и доступна большому кругу энтузиастов. Не зря такие сканеры стали настолько популярны. Эти сканеры идеально подходят для сканирования не больших объектов, например художественных фигурок или детских игрушек, для последующей печати на 3D принтере или получения 3D модели для использования в анимации или компьютерных играх.

А так же данные сканеры уже используются в образовательных целях во многих Российских школах и вузах.

К другому типу лазерных сканеров относятся сканеры, основанные на измерении времени отклика лазерного луча от поверхности объекта. Данные виды сканеров представляют собой, по сути, лазерный дальномер. Такие сканеры широко распространены в строительстве и ландшафтном дизайне, успешно используются для создания 3D моделей зданий и памятников культуры. Они позволяют быстро оцифровывать окружающее пространство. Подобные системы компьютерного зрения даже устанавливались на первые прототипы беспилотных автомобилей.

Главным недостатком этих систем является сложность подсчета времени отклика лазерного луча на малых расстояниях (менее метра). Поэтому данные сканеры применяются по большей части геодезистами, ландшафтными дизайнерами и архитекторами.

Так же стоит отметить точность и скорость сканирования. У сканера FARO Focus 3D, стоимостью 65 500 $, заявленная точность составляет +-2мм на расстоянии до 25 метров. Скорость сканирования - 976 000 точек/сек

Сканеры Leica HDS8800 и Leica ScanStation P20 имеют точность от2 до 20мм на расстоянии 100 и 1000м. Скорость сканирования же составляет до 1 млн точек/сек.

Эти сканирующие устройства идеально подходят для съемок местности и больших объектов и не предназначены для сканирования мелких деталей.

Области применения: Ландшафтный дизайн, Геодезические измерения, Построение карт местности, Сканирование памятников культуры.

Оптические сканеры

Переходя к оптическим сканерам, хочется отметить сканеры, основанные на методе сканировании структурированным светом. Эти устройства представляют собой одну или две видео камеры в связке с кинопроектором. При засветке сканируемого объекта “зеброй” или черно-белыми квадратами, которые расположены в шахматном порядке, камеры анализируют искривления полученной картинки и на основе этих данных строят 3D модель. Этот метод широко применяется для реверс-инжинеринга, сканирования ювелирных украшений, часто применяется в медицине (протезирование). Особо стоит отметить использование данных сканеров в протезирование, так как трехмерное сканирование и печать в данной сфере работает максимально эффективно. Данная технология позволяет максимально точно изготовить косметический, функциональный или стоматологический протезы.

К недостаткам данной технологии можно было бы отнести ограничение по возможности сканирования крупных объектов, но данная задача эффективно решается путем нанесения на объект специальных маркеров, которые позволяют сканировать большие объекты по частям с последующей “склейкой” модели.

Данный метод сканирования популярен, и дает прекрасные результат, поэтому на рынке представлено достаточно много таких сканеров, вот некоторые из них:

• RangeVision Smart - 175 000 руб. Область сканирования от 150х112х112 мм, до 500х375х375 мм, Точность: 0,2 мм - 0,1 мм.
• David SLS-3 - 299 000 руб. Область сканирования от 10 до 600 мм, Точность - 0.05%
• Volume Technologies VT Mini - 340 000 руб. Область сканирования - от 50 до 500 мм, Точность - 0.1%
• RangeVision Standard Plus - 585 000 руб. Область сканирования от 66*50*50 мм до 850*530*530 мм, Точность: 0,015 - 0,16 мм
• RangeVision Advanced - 710 000 руб. Область сканирования 66*50*50 мм до 850*530*530 мм, Точность: 0,03 мм - 0,16 мм. Разрешение камер: 2Мп
• RangeVision Premium - 1 220 000 руб. Область сканирования от 66*50*50 мм до 850*530*530 мм. Точность: 0,015 мм - 0,16 мм. Разрешение камер: 5мп
  
  

Так же стоит отметить возможность использования совместно со сканерами дополнительные аксессуары, например клеящиеся маркеры, специальные матирующие спреи а так же моторизированные поворотные столы. Все это упрощает сканирование.

Области применения: Реверс-инжиниринг, Образование, Хобби, Компьютерные игры, Протезирование, Сканирование людей, Архитектура, Музейное дело

Ручные сканеры

Стоит отметить что существуют и портативные ручные версии сканеров, работающие как по лазерной так и по оптической технологии, обычно это профессиональные устройства, обладающей большой точностью и скоростью сканирования. Например:

• Artec Space Spider - Скорость сканирования - 1 000 000 точек/с, Текстурное разрешение - до 0,1 мм

• Artec Eva - Скорость сканирования - 2 000 000 точек/с, точность сканирования до 0,1 мм

• Creaform EXAscan (ZScanner 800) – Скорость сканирования - 25 000 измерений/сек, Точность сканирования - 0.04мм

• Shining 3D EinScan-Pro - Скорость сканирования - менее 2 секунд/ 1 сканирование;Точность сканирования 0,1 мм

• 3D Systems Capture. Скорость сканирования - 0,3 секунды/1 сканирование; Точность сканирования - 0.06мм

  
  
  

Области применения: Реверс-инжиниринг, Образование, Хобби, Компьютерные игры, Протезирование, Сканирование людей, Архитектура, Музейное дело

Контроль измерений

Одним из наиболее востребованных направлений применения 3D сканеров является контроли измерений. В этом направлении используются высокоточные сканеры, оборудованные очень точными камерами, проекторами и имеющими специализированное ПО для анализа отсканированных изделий и сравнения их с CAD моделями. Например:

• AICON stereoSCAN 3D – Точность сканирования - 0,025 мм, область сканирования – 400х400 мм.
• GOM ATOS Compact Scan 2M – Точность сканирования - 0,021 - 0,615 мм, область сканирования: 35 x 30 - 1000 x 750 мм².
• Gom ATOS Core 200 – Точность сканирования - 0,03 мм, область сканирования: 200 x 150 мм.
  
  

Области применения: Высокоточный Реверс-инжиниринг, Контроль геометрии

Бесконтактные пассивные сканеры

И последний метод сканирования, о котором мы расскажем - бесконтактные пассивные способы сканирования. Они существуют трех видов: Стереоскопический, Фотометрический и метод силуэта.

В сканерах, которые основаны на стереоскопическом методе сканирования, имеются две камеры, повернутые под не большим углом относительно друг друга. Анализируя разницу между двумя изображениями, строится трехмерная модель. Точность таких сканеров не высока, но зато позволяет получить цветную трехмерную модель.

Так же при проектировании дизайна автомобилей до сих пор изготавливают вручную масштабный макет из специальной глины, а после чего успешно сканируют подобными сканерами.

Области применения: Не детализированный реверс-инжиниринг

Существуют и более продвинутые решения в данном направлении, это фотограмметрическая съемка, используя тот же принцип что и фотометрия дополнительно используется специальная система меток, позволяющая программе с большой точностью определить с какого ракурса и какая часть объекта была сфотографирована и как следствие - сделать более точную модель. Наиболее качественное такое решение сейчас имеет сканер AICON DPA от компании AICON.

Области применения: Сканирование больших объектов, дополнительная примочка для повышения точности сканирования

Метод сканирования по силуэту распространен слабо и имеет ряд недостатков. Для получения изображения требуется поместить сканируемый объект на контрастный фон, и произвести серию снимков. Так же этот метод не позволяет сканировать вогнутые поверхности.

Так же существуют другие технологии сканирования, например компьютерная томограмма (КТ) и МРТ, использующий рентгеновское излучение, а так же коноскопическая голография. Все эти методы сканирования довольно узкоспециализированные, и не относятся теме нашей статьи, поэтому мы не станем заострять внимание на них в нашем обзоре.

Если у вас появились дополнения или вопросы - мы с радостью их обсудим! Пишите в комментарии или на почту 3d@top3dshop.ru

Хотите больше интересных новостей из мира 3D-технологий?

Подписывайтесь на нас в соц. сетях:

Facebook

Vk

Instagram

Youtube

Top 3D Shop - Ваш эксперт на рынке 3D-техники