3d сканирование моделирование. Если очень надо, делаю даже вот так. Обеспечение качества и промышленная метрология

Используются два понятия 3d модели: поверхностная модель и твердотельная модель . Они обладают разными свойствами и соответственно разными возможностями использования.

Поверхностную модель можно распечатать на 3d принтере, разместить на сайте, использовать для визуализации объекта. Изменить форму такой 3d модели нельзя. Если необходимо получить размеры, сделать чертеж, доработать модель, полноценно использовать ее в CAD-программе, stl-модель нужно перевести в твердотельную. Для этого необходимо произвести ряд действий.

1. Сканирование

Сканер подсвечивает изделие лазером или структурированным подсветом и получает информацию о расстоянии до поверхностей объекта. На основе этой информации строится участок поверхностной модели, который представляет собой облако миллионов точек. После получения достаточного количества таких участков программа, которая поставляется вместе со сканером, сшивает их в один объект в автоматическом или ручном режиме.

2. Обработка поверхностной модели

Поверхностная модель (полигональная модель, stl-модель, облако точек, облако треугольников) - это набор точек, соединенных в треугольники, которые образуют множество поверхностей, обозначающих границы объекта. Поверхностная модель может быть представлена как в виде облака точек, так и в виде набора треугольников, эти два вида легко трансформируются друг в друга.

Самый распространенный формат файла полигональной модели - stl, но могут быть и другие.

Модель из облака точек, полученных со сканера, как правило некачественная. Даже при идеальной для сканирования поверхности (объемная, белая, матовая, без труднодоступных мест и острых краев) 3д сканер все равно улавливает различные шумы - это могут быть как особенности самого объекта - грязь, сварные швы, метки и пр., так и внешние условия и характеристики самого сканера- освещение, температура, колебания опоры сканера. В итоге образуются лишние неровности, туннели, дыры и другие артефакты.

Некоторые операции обработки можно произвести в собственном софте сканера, но, как правило, это очень ограниченный набор функций. Для более качественной обработки используются сторонние программные комплексы, например Geomagic.

В процессе обработки над моделью может быть произведен ряд операций:

• зашиваются дыры,
• выравниваются поверхности,
• удаляется шум,
• модель правильно ориентируется;
• уменьшается количество треугольников.

Полученную поверхность объекта можно просматривать в разных режимах: как облако точек или как сетку. Во втором случае все точки соединяются в треугольники, образуя миллион микро-поверхностей.

Эта сетка по сути и является полноценной полигональной моделью. Ее можно сохранить в формат stl или другие форматы (txt, csv, odt, xls).

Такую модель можно напечатать на 3d принтере, но сверх того возможности ее использования ограничены.

Важно! Несмотря на то, что на данном этапе мы получили stl-модель, она пока еще не пригодна для использования на многокоординатных станках с ЧПУ, так как содержит слишком большое количество поверхностей. Для станка с ЧПУ требуется дополнительная обработка базовой сканированной stl-модели: выравнивание, усреднение, уменьшение количества поверхностей.

По той же причине такую модель не получится загрузить в CAD-систему. SolidWorks, например, выдаст предупреждение о том, что модель содержит слишком большое количество поверхностей.

3. Построение твердотельной модели

На данном этапе на основе полигональной модели происходит построение нормального твердого тела также в специализированном софте, например Geomagic Design.

Используемые операции: вытягивание эскизов, деление на области, поиск вытянутых областей, построение замкнутого эскиза.

При правильной обработке модели на выходе мы получаем модель с деревом построений, пригодную для дальнейшей обработки в CAD-системе.

4. Контроль правильности построения модели

На данном этапе полученная твердотельная модель сравнивается со сканированной. Специальный инструмент программы позволяет в цветном виде увидеть отклонения, вызванные ошибками построения модели. Придется вернуться на несколько шагов назад и исправить некоторые операции.

5. Экспорт в CAD-систему

Этот, казалось бы, автоматический этап также может выявить ряд ошибок на этапе обработки модели. Например программа Geomagic Design Х с помощью своего API строит в открытом заранее SolidWorks модель на лету согласно собственному дереву построений. В конце может появится ошибка - в ней будет описано, на каком этапе построения модели возникла ошибка - идем обратно в Design X и редактируем в дереве этот элемент.

Общий процесс обработки получается довольно сложным, что и определяет более высокую стоимость 3d сканирования, по сравнению с ручным образмериванием изделий. Надеемся, что развитие технологий 3d сканирования и обработки 3d моделей позволит в дальнейшем упростить или объединить эти процедуры.

3D-сканер – это устройство, с помощью которого можно создавать точные трехмерные модели реальных объектов.

Преимущества этой технологии:

• высокая степень детализации;
• информация о поверхности, форме и цвете объекта в цифровом виде.

Он преобразует объект в его цифровое изображение подобно тому, как простой 2D сканер преобразует изображение на листе бумаги в изображение на компьютере.

Применение 3D-сканеров

3D-сканеры используются во многих областях промышленности, науки, медицины и искусства. В частности, они успешно решают задачи реверс-инженеринга, контроля формы объектов, сохранения культурного наследия, используются в музейном деле, в медицине и дизайне. Таким образом, они необходимы во всех случаях, когда требуется зарегистрировать форму объекта с высокой точностью и за короткое время. Трехмерные сканеры позволяют упростить и улучшить ручной труд, а порой даже выполнить задачи, которые казались невозможными.

Эти устройства полезны в промышленности для бесконтактного контроля поверхностей сложной геометрической формы, а также для проектирования систем. Они используются:

• для оценки износов оснастки и создания упаковки, точно повторяющей форму изделия;
• в медицине с помощью 3D-сканеров ставят диагнозы, планируют операции и даже делают анатомическую обувь;
• в ортодонтии, где необходимо точное, качественное сканирование объектов небольшого размера.;
• дизайнеры используют 3D-сканеры для получения формы объекта, и её доработки;
• в музейном деле и археологии они применяются для детального сканирования, точного восстановления и реконструкции скульптур и памятников архитектуры;
• сканирование людей (получение цветной 3D-модели человека) уже сегодня используется для киноиндустрии и анимации.

Возможности 3D-сканеров

Как правило, 3D-сканер представляет собой небольшое электронное устройство, ручное (весом до 2 кг) или стационарное, которое использует в качестве подсветки лазер или лампу вспышку.

Точность получаемых моделей объектов варьируется от десятков до сотен микрометров. Возможно сканирование с передачей цвета или только формы поверхности. Эти устройства не только упрощают процесс создания трехмерных моделей – они печатают с максимальной точностью по отношению к исходному оригиналу.

Цена 3D сканеров зависит от технологии, применяемой для сканирования. Сегодня это доступный инструмент, которым пользуются даже небольшие компании.

Классификация 3D-сканеров

3D-сканеры делятся на два типа по методу сканирования:

• Контактные. При таком сканировании происходит непосредственный контакт сканера с исследуемым объектом;
• Бесконтактные.

Бесконтактные устройства в свою очередь подразделяются на две отдельные категории:

• Пассивные сканеры;
• Активные сканеры.

Пассивные сканеры сами ничего не излучают на объект, а видят отраженное фоновое излучение. Большинство сканеров такого типа реагируют на видимый свет - окружающее излучение.

Активные сканеры излучают на объект направленные волны и используют их отражение для анализа. Излучения бывают разными:

• Естественного света;
• Лазерных лучей;
• Инфракрасного излучения;
• Рентгеновских лучей;
• Ультразвука.

Технологии сканирования

Для создания 3D-сканеров используются различные технологии. У каждой из них есть свои ограничения, преимущества и недостатки. Сегодня основными направлениями являются оптическая и лазерная технологии.

Сканирование по оптической технологии осуществляется путем проецирования на объект линий, образующих уникальный узор. Информация о форме поверхности объекта содержится в искажениях формы проецируемого изображения.

В сканировании по лазерной технологии используется лазер, безопасный для зрения. Чтобы привязать 3D-сканер с лазерной подсветкой к объекту сканирования, нередко применяются специальные светоотражающие маркеры, закрепленные рядом с объектом сканирования или прямо на нем, в определённых точках.

Ограничения в сканируемых объектах присутствуют в обоих этих технологиях.

Лазерные сканеры по большей части не применимы для сканирования подвижных объектов, так как этот процесс отнимает слишком много времени. К тому же необходимо нанести специальные светоотражающие метки. Преимущество данной технологии – в высокой точности 3D-модели, но она предназначена для статичных объектов.

Оптические 3D-сканеры не очень хороши при сканировании блестящих, зеркальных или прозрачных поверхностях. Зато у них большая скорость сканирования, что устраняет проблему искажения получаемой модели при движении объекта, и не нужно наносить отражающие метки. Поэтому оптические сканеры можно использовать даже для сканирования человеческих лиц.

Что такое 3D сканер?

3D сканер – это устройство, которое анализирует физический объект и, отталкиваясь от полученной информации, создает его 3D образ. Отсканированные модели далее могут обрабатываться средствами САПР, после чего используются для технологических и инженерных разработок. Для создания 3D-модели используются 3D-принтер и 3D-монитор.

В создании 3D-сканера участвовали сразу несколько технологий, различных между собой. Объекты, подвергающиеся оцифровке, также имеют некоторые ограничения. Трудности могут возникнуть с зеркальными, блестящими или прозрачными поверхностями. Стоит напомнить, что трехмерные данные важны и в других сферах деятельности. Например, его используют в развлекательной индустрии: при создании видеоигр, фильмов, рисунков. 3D-технологии находят свое применение в ортопедической области и протезировании, при разработке промышленного дизайна, реверс-инжиниринге, создании прототипов, а также в осмотре и документальной отчетности исторических объектов или иных культурных артефактов.

Область функциональных возможностей 3D-сканера

Во время работы 3D-сканер создает множество точек согласно геометрическим пропорциям сканируемого объекта. В дальнейшем эти точки воссоздают форму предмета, то есть реконструируют его на монитор. Если имеются сведения о расцветках, то они определяют и цвет будущей цифровой поверхности.

3D-сканер можно сравнить с обычной камерой: поле зрения у них конусообразного типа, а информация может быть получена только с тех поверхностей, которые были не затемнены. Различия между этими приборами все же существенные. Камера передает только изображение и цвет предмета, а сканер, более тщательно исследуя объект, выдает «картинку» с точным расстоянием каждой точки до поверхности. Это позволяет видеть изображение сразу в трех плоскостях.

Для полноценного моделирования предмета одного сканирования, как правило, недостаточно. Требуется сразу несколько таких операций. Сканирование объекта с разных направлений необходимо для получения более полной информации о его сторонах. Все отсканированные данные накладываются на общую систему координат, где происходит «привязка» и выравнивание изображения. Вся процедура моделирования называется 3D конвейером.

Для четкого сканирования объекта и сканирования его форм существует несколько технологий. По классификации 3D-сканеры делятся на два типа: контактные сканеры и бесконтактные. Последние, в свою очередь, делятся еще на два вида – пассивные и активные.

Контактные 3D-сканеры

Сканеры этого вида изучают объект напрямую – через физическое взаимодействие. В момент исследования предмет находится на специальной поверочной плите, отполированной и отшлифованной до нужной шероховатости поверхности. Если вещь несимметричная или не может лежать ровно на одном месте, ее удерживают специальные зажимы (тиски).

Различают три формы механизма 3D-сканера:

1. Каретка, оснащенная измерительной рукой, которая четко зафиксирована в перпендикулярном направлении. Исследование по всем осям происходит в тот момент, когда рука двигается вдоль каретки. Этот вариант идеально подходит для изучения плоских или обычных выпуклых поверхностей.
2. Прибор, оснащенный высокоточным угловым датчиком и зафиксированными составляющими. Конец измерительной руки расположен так, что способен воспроизводить сложнейшие математические вычисления. Данный механизм оптимален для сканирования внутреннего пространства объекта или иных его углублений, имеющих небольшое входное отверстие.
3. Единовременное использование двух вышеуказанных механизма. К примеру, манипулятор совмещают с кареткой, что позволяет собирать информацию с крупных объектов, имеющих несколько внутренних отсеков или, перекрывающих друг друга, плоскости.

Координатно-измерительная машина – яркий пример 3D-сканера контактного типа. Они являются сверхточными и широко применяются на различных производствах. К существенному минусу машины можно отнести необходимость обязательного соприкосновения с изучаемым объектом. Велика вероятность повреждения предмета или его деформации. Этот пункт очень важен, тем более, если происходит сканирование хрупкого или исторического объекта.

Еще один недостаток КИМ – это ее медлительность. Перемещение руки по установленной цели может происходить очень долго. В то время, как современные оптические модели, могут работать гораздо быстрее.

К этой группе можно также отнести ручные измерительные приборы, которые часто используются для 3D-моделирования анимационных фильмов.

Бесконтактные активные 3D-сканеры

Для работы активного сканера используются либо обычный свет, либо определенный вид излучения. Именно через проходящее излучение или отражение света, объект подвергается цифровому исследованию. Случается применение рентгеновских лучей или ультразвука.

Триангуляционные сканеры

Эти приборы используют для зондирования объекта лазерный луч. Сканер посылает луч на предмет, а отдельно зафиксированная камера заносит данные о расположении указанной точки. По мере движения лазера по поверхности, поле зрения камеры фиксирует точку в разных местах. Триангуляционными их назвали потому, что лазерный излучатель, конечная точка и сама камера, совместно образуют треугольник.

Времяпролетные 3D-сканеры

Это активный вид сканера, который для исследования объекта использует лазерный луч. В его основе лежит времяпролетный дальномер. Именно он определяет расстояние до поверхности, рассчитывая время, за которое лазер пролетел туда и обратно. В этом случае лазерный луч используется, как световой импульс, время отражения которого и измеряется при помощи детектора. Скорость света, как известно, величина постоянная, поэтому, зная, за какое время луч совершает пролет туда-обратно, можно без труда вычислить расстояние от сканера до поверхности изучаемого предмета.

Времяпролетные 3D-приборы сканирования за одну секунду способны измерить до 100 000 точек.

Применение 3D-сканеров

Технологию 3D-сканирования простой не назовешь. Но, несмотря на это, этот с каждым годом она все активней развивается. Причин для этого масса, но можно выделить самые весомые.

В первую очередь, такое оборудование необходимо всем промышленным предприятиям для более дешевых и быстрых разработок продукции.

Реалистичными копиями реально существующих предметов пользуются сейчас во многих сферах деятельности: медицине, кино, фэйшн-индустрии.

Производство 3D-сканеров давно перестало быть чем-то из ряда фантастики. Сейчас их производят тысячи компаний: как акулы индустрии, так и дебютанты данного рынка. Поколение 3D-сканеров способно положительным образом повлиять на индустрии в целом. тем боле, что свою нишу здесь найдут, как крупные производства, так и инженеры одиночки.

Я решил потестить и описать ручные профессиональные 3d-сканеры (не часто держишь в руках кусок пластика ценой выше миллиона рублей).

Трехмерное или 3D-сканирование - это процесс перевода физической формы реального объекта, изделия в цифровую форму, то есть получение трехмерной компьютерной модели (3d-модель) объекта.

3D-сканирование может оказаться полезным при решении задач ре-инжиниринга, проектирования приспособлений, оснастки, запасных частей при отсутствии оригинальной компьютерной документации на изделие, а также при необходимости перевода в цифровой вид поверхностей сложной формы, в том числе художественных форм и слепков.

Работа сканера в чем-то напоминает объемное зрение человека. Как мозг выстраивает объемное изображение увиденного, так 3D сканер получает информацию, сравнивая два изображения, смещенных друг относительно друга. Для достижения необходимой точности построения модели применяются дополнительные технологические приемы в виде подсветки лазером или периодической вспышки.

Под катом описание и тест-драйв Creaform HandyScan 700 и немного про 2 других сканера и одним глазком про Surphaser. А так же примеры использования сканеров в нефтяной и космической отраслях, медицине и реверс-инжиниринге.

Этапы создания 3d-модели при помощи сканера


3D-сканирование – это инструмент для быстрого получения геометрии трёхмерного объекта практически любой сложности. Однако, нужно помнить, что 3D-сканер даёт облако точек в трёхмерном пространстве, расположенных по форме объекта или полигональную модель – те же самые точки, но соединённые линиями так, что получается множество пересекающихся плоскостей, описывающих геометрию объекта.
Сама геометрия объекта мало кому нужна, ведь зачастую цель 3D-сканирования – это получение точных чертежей сканируемого объекта, а не просто координат в трёхмерном пространстве.

Но и этот вопрос уже давно решён: на рынке есть специально ПО, такое как Geomagic DesignX, позволяющее превратить облако точек в параметрическую модель и передать её в абсолютно любую CAD-систему.

Т.е., с помощью данного ПО мы снимаем вообще любые ограничения: сканируем 3D-сканером объект, параметризируем его в специальном ПО, передаём получившуюся параметрику или NURBS поверхности (кому что) в ваш CAD и с лёгкостью работаем по редактируемой модели, получая чертежи любого сечения в нужном нам формате.

Сферы применения 3d-сканеров

• Автомобильная индустрия
• Транспорт (автобусы, грузовики, поезда)
• Тяжелое оборудование (агротехнологии, экскаваторы, шахтовое оборудование)
• Спорт, хобби (ATV (квадроцикл), мототехника, акватранспорт)
• Аэрокосмические технологии
• Потребительские товары
• Производство – металл
• Производство – пластик и композиты
• Армия, Оборона, Правительство
• Электрогенерация (ветровая, гидро, атомная)
• Судостроение
• Бензин и газ
• Образование
• Здравохранение
• Развлечения и мультимедиа
• Музееведение, сохранение наследия
• Архитектура, строительство, инженерия

ТТХ

Вес - 122 x 77 x 294 мм
Размеры 150 x 171 x 251 мм
Скорость измерений - 480 000 измерений в секунду
Область сканирования- 275 x 250 мм
Источник света - 7 лазерных крестов (+1 дополнительная линия)
Класс лазера - II (безопасный для глаз)
Разрешение 0,05 мм
Точность - до 0,03 мм
Объемная точность - 0,02 мм + 0,06 мм/м
Расстояние до объекта при сканировании - 300 мм
Глубина резкости - 250 мм
Диапазон размеров объектива (рекомендуемый) - 0,1 - 4 м
программное обеспечение - VXelements
Выходные форматы - .dae, .fbx, .ma, .obj, .ply, .stl, .txt, .wrl, .x3d, .x3dz, .zpr
Совместимое ПО - 3D Systems (Geomagic Solutions), InnovMetric Software (PolyWorks), Dassault Systèmes (CATIA V5 и SolidWorks), PTC (Pro/ENGINEER), Siemens (NX и Solid Edge), Autodesk (Inventor, Alias, 3ds Max, Maya, Softimage).
Стандарт соединения - 1 x USB 3.0
Диапазон рабочих температур - 15-40°C
Диапазон рабочей влажности (без конденсата) 10-90%

500 черных меток

Если очень надо, делаю даже вот так

Устройство само определяет положение. Нет необходимости использовать координатно-измерительную машину (CMM), измерительную руку или другое внешнее устройство позиционирования.

Визуализация сканируемой поверхности в режиме реального времени.

Благодаря динамической привязке объект можно передвигать во время трехмерного сканирования, что устраняет необходимость жёсткой установки.

Индивидуальная калибровочная таблица

Сертификат, подтверждающий качество и точность

Примеры

Применение

«На данный момент трехмерное сканирование применяется не только для получения оцифрованных моделей различных деталей, статуэток, кузовов машин и пр. 3D-сканирование также широко применяется в сканировании людей, а в последнее время это особенно спрашиваемая технология, ведь интересно хранить не только семейные фотографии в рамках на тумбочке, но и, например, всю семью, напечатанную на 3D-принтере. Помимо развлекательных целей, в медицине все чаще применяются трехмерные технологии. Например, сканирование ноги человека для создания удобного протеза, сканирование слепка челюсти пациента для дальнейшей работы в специализированном стоматологическом программном обеспечении, сканирование органов человека…Как может показаться на первый взгляд, на данный момент 3D – технологии несут в себе развлекательный характер, но это уже давно не так. Это инновация практически в любой сфере деятельности.» Алексей, специалист Consistent Software Distribution

Суровые технари проверяют трубопровод

оценкой целостности трубопроводов

оценка повреждения самолетов градом

Влияние повреждений, наносимых градом, на аэродинамические свойства самолёта является сложным фактором для оценки, но в то же время в буквальном смысле слова - жизненно важно! – сделать эту оценку максимально точно. Форма и размер дефектов могут варьироваться в зависимости от силы шквала, в который попадает самолёт. Следовательно, самый распространённый способ анализа повреждений - посредством измерения геометрии (длины, ширины и глубины) каждой вмятины на рассматриваемом участке поверхности самолёта. Также существует необходимость контроля геометрии деталей на производственной линии.

проверка внутреннего состояния труб

Операторы трубопроводов всегда разрываются между обеспечением общественной безопасности и экономическими последствиями земляных работ в зонах, где, как оказывается в дальнейшем, ремонт не требуется. Методы прямой оценки используются для подтверждения результатов измерений, полученных с помощью инструментов для проверки внутреннего состояния труб. Эти инструменты не всегда точны, и им иногда требуется повторная калибровка. Сервисные компании тратят большое количество времени на сопоставление данных от поставщиков оборудования для проверки внутреннего состояния труб и данных, полученных при помощи уровнемера (или любого другого инструмента для прямой оценки), для оценки работы инструмента. Для правильной оценки работы инструмента проверки внутреннего состояния труб операторы трубопроводов должны выполнять ежегодный анализ статистически значимых совокупностей при помощи устройства, которое обеспечивает большую точность, чем технология рассеяния магнитного потока.

осмотр и обмер резервуаров

Общественная озабоченность вопросами экологии вынуждает нефтяные компании совершенствовать технику безопасности по отношению к охране окружающей среды и здоровья. Осмотр резервуаров традиционно являлся длительной процедурой, но теперь компании могут удовлетворить общественные интересы благодаря технологии трёхмерного сканирования, позволяющей повысить точность и эффективность этих работ. Этот же инструмент можно использовать для других целей, например для обмера резервуаров. На самом деле, построение точной таблицы вместимости является одним из основных требования отрасли…

Установка резервуара

Отчёты об осмотре резервуаров, генерируемые системами Creaform, содержат важную информацию - такую, как профили дна, вертикальные профили и круглограммы - необходимую для оценки оседания резервуара.

Построение градуировочных таблиц вместимости

Градуировочные таблицы вместимости используются для определения количества продукта в резервуаре. Форму отчётов можно изменить в соответствии с потребностями клиента. Данные в отчёте могут включать или не включать объём внутренних конструкций резервуара, влияние на параметры плавающей крыши резервуара и т.п.

3d-моделирование для контроля методом фазированной решетки

для авиакосмической отрасли

Сервисные воздушные суда и их компоненты и конструкции необходимо контролировать и оценивать уровень деградации и оставшегося срока службы. Авиаконструкторы и авиаперевозчики сталкиваются с проблемой контроля сложных компонентов (например, газовых турбин, отсеков двигателя, обтекателей, кабины лётчика и т.п.), которые являются частями очень сложных узлов и не могут быть извлечены для осмотра. Для решения этой проблемы обычно обращаются к контролю методом фазированной решетки.

Моделирование фокального закона фазированной решетки применяется для прогнозирования результатов контроля и оптимизации конфигурации датчика и клина. Контроль компонентов сложной формы с использованием двумерной матрицы может представлять сложную задачу. За неимением лучшего решения, 3D-модель обычно берется из файла CAD или из теоретической модели конструкции. Однако реальная форма компонента отличается от идеальной теоретической модели и, следовательно, ухудшается точность ультразвукового сканирования и вероятность обнаружения.

для энергетики

Компоненты и конструкции электростанций необходимо контролировать и оценивать уровень деградации и оставшегося срока службы. Энергетические компании сталкиваются с проблемой контроля сложных компонентов (деталей «ласточкин хвост», форсунок, подающих труб и т.п.), которые являются частями очень сложных сборок и не могут быть извлечены для контроля. Для решения этой проблемы обычно обращаются к контролю методом фазированной решетки.

Моделирование фокального закона фазированной решетки широко применяется, особенно в атомной промышленности, для прогнозирования результатов контроля и оптимизации конфигурации датчика и клина. Контроль компонентов сложной формы с использованием двумерной матрицы может представлять сложную задачу. За неимением лучшего решения, 3D-модель обычно берется из файла CAD или из теоретической модели конструкции. Однако реальная форма компонента отличается от идеальной теоретической модели и, следовательно, ухудшается точность ультразвукового сканирования и вероятность обнаружения.

Другие модели

GoScan

EXAscan (~ 3 млн руб)

Surphaser (~ 3 млн руб)
Босс
Его используют для сканирования космических аппаратов и при строительстве метро и военные для своих целей.
Техническое обслуживание и ремонт производится в России. 3D-сканеры Surphaser собираются в России


Про эту штуковину стоит написать отдельную статью.

Время сканирования: с носовой части – 1,5 часа; с хвостовой части – 1 час
Используемое ПО: Cyclone для чистки и регистрации данных, RapidForm для моделирования

3d-графика

Добавить метки

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.