3D Сканиране

Представете си да можете да уловите всичко във физическия свят и да му направите дигитален модел за минути… Всъщност, не е нужно да си представяте. Днес хиляди компании всеки ден използват 3D сканиране и софтуер, за да:

  • Създават CAD (Computer Aided Design) модели на истински части, чийто технически проект е изгубен.
  • Подобряват съществуващи продукти и проектират нови.
  • Тестват качеството на продукта, като сравняват произведените части и CAD дизайна.
  • Разработват персонализирани продукти в услуга на здравеопазването, денталната медицина и модата.
  • Сканират цели сгради и създават техни точни 3D модели.
  • И още много, много други възможности…

Звучи като научна фантастика, но не е. 3D сканирането и съответният софтуер вече са достъпни за мнозина. Скенерите стават все по-бързи, по-евтини и по-прецизни. 3D софтуерът е по-автоматизиран, дава по-добри резултати и работи по-бързо от когато и да било.

Какво са 3D скенерите?

Има много различни устройства, които могат да бъдат наречени 3D скенери. Всеки уред, който измерва физическия свят, използвайки лазер, светлинни или рентгенови лъчи, и генерира „облак“ от плътни точки или многоъгълни отвори, може да се счита за 3D скенер. Тези устройства имат много имена, включително 3D дигитализатори, лазерни скенери, скенери с бяла светлина, индустриална компютърна томография, LiDar (съчетание между „light“ и „radar“; технология с дистанционно наблюдение, която измерва разстоянието, като осветява обект с лазер и анализира отразената светлина) и други. Общото между всички тези технологии е, че те хващат геометрията на физически обекти чрез стотици хиляди или милиони измервания.

Защо се нуждая от 3D сканиращ софтуер?

Тъй като скенерите събират огромни количества данни, специализираният софтуер е необходим, за да обработи изходящите данни и да ги трансформира във формат, с който друг софтуер може да работи. В зависимост от това за какво ще се използват данните от сканирането, софтуерът  може да направи много различни неща с тях. Най-разпространените приложения на 3D сканирането са в обратното инженерство, инспекция или дигиталното архивиране и 3D принтирането.

Как работят 3D скенерите?

Има много различни подходи при 3D сканирането, базирани на различни принципи на изобразяване. Някои технологии са предназначени за малък обхват, докато други са по-добри за сканиране на среден или дълъг обхват.

 

Малкообхватни (под 1 м фокусно разстояние)

3D скенери с лазерна триангулация

Скенерите с лазерна триангулация използват или лазерна линия, или една лазерна точка, за да сканират обекта. Сензор прихваща светлината от лазера, която се отразява от обекта, и посредством тригонометрична триангулация системата калкулира разстоянието от обекта до скенера.

Дистанцията между източника на лазера и сензора се знае много точно – толкова добре, колкото ъгъла между лазера и сензора. Когато лазерната светлина се отразява от сканирания обект, системата разпознава ъгъла, в който се връща в сензора, и така изчислява дистанцията от източника на лазера до повърхността на обекта.

За и против:

+ Налични са в различни форми, често са по-портативни, изискват минимална подготовка и са слабо чувствителни към околна светлина.

– Като цяло по-малка точност и ниска резолюция, повече шум.

 

Скенери със структурирана светлина (бяла или синя)

Скенерите със структурирана светлина също използват тригонометрична триангулация, но вместо да прихващат лазерната светлина, тези системи проектират серии от линейни шаблони върху обекта. След това, като регистрират края на всяка линия в шаблона, те калкулират дистанцията от скенера до повърхността на обекта. По същество, вместо камерата да вижда лазерната линия, тя вижда края на проектирания шаблон и изчислява разстоянието по същия начин.

За и против:

+ Обикновено са по-точни, с висока резолюция, нисък шум.

– Ограничени са в областта на сканиране, като цяло са по-обемисти и са по-чувствителни към повърхността (т.е. изисква се подготовка).

Средно- и високообхватни (над 2 м фокусно разстояние)

Лазерно импулсни 3D скенери

Лазерно импулсните скенери (познати още като скенери „време на полет“, т.е. времето, за което лазерът изминава разстоянието от източника до обекта) са базирани на една много проста концепция: тъй като скоростта на светлината е абсолютна стойност, ако знаем колко време отнема на лазера да достигне обект и да се отрази обратно до сензора, ние знаем колко далеч е този обект. Лазерно импулсните системи използват цикли, които са точни до пикосекунди (или един трилион от секундата), за да измерят времето, за което милиони импулси на лазера се връщат до сензора, и така изчисляват дистанцията. Като завърта лазера и сензора (обикновено чрез огледало), скенерът може да сканира до пълни 360 градуса около себе си.

За и против:

+ Среден и дълъг обхват (2 – 1000 м).

– По-малка точност, по-бавно събиране на данни, по-висок шум.

 

Лазерни фазо-променящи 3D скенери

Лазерните фазо-променящи системи са друга разновидност на технологията на скенерите „време на полет“ и концептуално работят по същия начин като импулсно базираните системи. В допълнение към импулса от лазера, тези системи модулират и силата на лазерния лъч и скенерът сравнява фазата на лазера, който е изпратен и след това върнат към сензора. Фазо-променящото измерване е много по-прецизно.

За и против:

+ По-точни, по-бързо събиране на данни, по-нисък шум.

– Само среден обхват.

 

Фотограметрия

Фотограметрията най-общо е науката за извършване на измервания чрез фотографии. Изходният продукт във фотограметрията е най-често карта, рисунка, измерване или 3D модел на някакъв реален обект или сцена. Много от картите, които използваме днес, са създадени с фотограметрия и фотографии, заснети от самолет. Фотограметрията може да се класифицира по различни показатели, като един стандартен метод е на база локацията на камерата по време на фотографирането. На тази база имаме въздушна фотограметрия и близкообхватна фотограметрия.

Компютърна томография

Компютърната томография е метод, при който от множество рентгенови изображения на даден обект, заснети от различни ъгли, с помощта на компютърна обработка се получава триизмерно изображение. Изследването се извършва на последователни срезове.

Трaкери (Trackers)

Тези измервателни системи сканират предимно големи обекти, като проследяват позицията на измервателното устройство спрямо обекта и записват при всяка промяна. Тракерите могат да са контактни или безконтактни и използват различни техники за проследяване на измервателния уред.