Как работает лазерный 3d сканер

Как работает лазерный 3d сканер?

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.

Виды 3d сканеров

Существуют два метода трехмерного сканирования:

  • Контактный. В основе этого метода лежит непосредственный контакт устройства с исследуемым предметом.
  • Бесконтактный. Этот метод более перспективен, поскольку позволяет создавать 3d модели объектов, расположенных в труднодоступных местах, памятников архитектуры, ювелирных изделий.

Бесконтактные 3d сканеры, в свою очередь, делятся на две категории:

  • Активные – эти устройства излучают на исследуемый объект направленные волны, чаще всего лазерный луч или структурированный свет, после чего обнаруживают и анализируют их отражение.
  • Пассивные – такие сканеры на объект ничего не излучают и анализируют отраженное окружающее излучение, чаще всего видимый свет.

Вся хитрость — в подсветке объекта

Структурированный свет — ключ к получению высокоточной модели. 3D-сканер состоит из видеокамеры и проектора, оба устройства подключены к компьютеру. На объект сканирования проецируется контрастный узор, например, черные и белые полосы. Видеокамера, расположенная на известном расстоянии от объектива проектора и направленная в ту же точку, фиксирует изображение и передает в ПО, которое по искажениям полос формирует цифровую модель поверхности объекта. В более продвинутых сканерах применяется две камеры, бывает и больше.

3D сканирование: где можно применить?

Так где же действительно востребована эта технология и как можно применить ее в бизнесе? За время работы мы сталкивались со многими задачами, связанными с 3D моделированием и необходимостью применения 3D сканеров в нашей деятельности.
Здесь мы опишем и конечно, на примерах, некоторый ряд возможных применений этой технологии.

Производство (модернизация) изделий.

В основе этого процесса лежит реверс-инжиниринг: восстановления формы изделия, 3D модели которого нет или построение которой затруднено по тем или иным причинам.

Один из наших заказчиков попросил создать 3d модель патрубка для системы охлаждения двигателя с целью дельнейшего производства.
Дело в том, что такой патрубок не продается по отдельности, а идет в комплекте с системой дополнительных шлангов, стоимость которых в разы больше стоимости самого
этого патрубка. Плюс дополнительно нужно было внести небольшие изменения в конструкцию и сделать логотип производителя.
Мы отсканировали предоставленный патрубок, создали на базе полученного облака точек поверхность изделия и поместили логотип фирмы заказчика ну и подготовили модель
к созданию пресс-формы.

Подобная же задача была, когда необходимо было создать точную копию имеющихся защитных очков с внесением дизайнерских корректив.
Заказчик хотел модернизировать линейку выпускаемой продукции (спецодежды и защиты).
Единственным недостатком было то, что предоставленный образец был изготовлен из поликарбоната, а это в свою очередь, затрудняет процесс сканирования,
так как от глянцевых и прозрачных поверхностей луч хорошо отражается. В идеале поверхность должны быть матовой, если вы используете технологию бесконтактного 3D сканирования.

3d скан канистры.

Разработка тюнингованного обвеса автомобилей.

При использовании 3D сканирования на этой ниве, поверьте, есть, где разгуляться.
Возвращаемся к примеру.
Один наш старый заказчик позвонил и сказал: «Что-то надоел мне стандартный вид моего MB GL 450.Хочется мне эксклюзива! Сможете сделать?»
Первым этапом работы мы набросали несколько скетчей с возможными вариантами дизайна обвеса, отправили заказчику.
Далее, отсканировали переднюю и заднюю часть автомобиля с бамперами и без них, применив абсолютно безопасный для ЛКП автомобиля матирующий состав.
Затем по полученным сканам мы точно привязали геометрию и форму посадочных частей бамперов к разрабатываемой 3D модели обвеса.
Затем наступил момент проработки дизайна с переносом его на 3D модель.
В итоге получили бампер с точными посадочными размерами и геометрией, как и у оригинала, только с уникальным дизайном!
Ну а далее фрезеровка формы для производства и мастерство кузовных дел мастеров позволили заказчику сдать продукт через 2 недели.
Таким образом доработать практически любой внешний, да и внутренний элемент автомобиля.

Сканирование фасадов зданий

Вот была такая задача: необходимо спроектировать навесной фасад на строящееся здание одного из дилерских автоцентров.
Суровая реальность строек в России такова, что получаемый при строительстве результат не всегда точно совпадает со строительными планами и чертежами.
Для экономии времени и значительно сокращения сроков проектирования мы отсканировали фасадную и верхнюю часть здания.
Полученное облако точек в точности соответствовало тому, что было на стройплощадке, а не на бумаге!
В итоге металлоконструкции и навесной фасад были точно установлены и в минимальные сроки.
Пришлось только на одной из опорных колонн увеличить посадочные отверстия на пятки (2 анкера «ушли» при заливке строителями бетона).

Читайте также  Лучший bluetooth адаптер для наушников

3D сканирование внутренних помещений.

Однажды мы делали дизайн-проект одной из выставок. Размещая элементы выставки, конструкции, витрины, арт-объекты мы столкнулись с тем, что дизайнер, который делал эскизный план выставки, не учел сложной геометрии внутренних помещений
(здание старое, внутри сводчатые арки, наличие пандусов на полу, а так же обилие достроенных в советское время дополнительных элементов не ясного назначения).
Обычно для старых зданий нет точных планов, и 3D сканнер нас очень сильно выручил.В результате несколько изменилось размещение экспозиции,но в итоге удалось точно и быстро распланировать

3D сканирование разрушенных элементов.

Здесь мы можем поделиться удачным опытом по «возвращению к жизни» полуразрушенной лепнины на здании усадьбы 18 века.
В рамках реконструкции стояла задача восстановить утраченные элементы.
Мы взяли на себя разработку 3D моделей, которые затем пошли на создание гипсовых форм.
Используя 3D сканнер и некоторые сохранившиеся старые чертежи с оригиналом, мы смогли создать точную копию лепнины.

Учитывая, что строительство в нашей стране медленно, но развивается ,а так же восстанавливаются памятники архитектуры,
то применение 3D сканирования в этом направлении может занять значимое место.

Производство обуви под «клиента»

Еще одна отрасль, где с успехом может быть применена технология 3D сканирования.
В принципе, на Западе она уже практикуется, но у нас пока не достигла такого распространения.
Производится сканирование ноги клиента ( иногда в нескольких положениях) и в результате точно формируется анатомический 3D скан ноги человека.
Затем уже внутренняя часть обуви формируется с учетом этого скана.
Это делает обувь максимально удобной при носке, человек не чувствует ни малейшего дискомфорта.
Тут возможны 2 направления: создание анатомической обуви или, например, создание обуви премиум-класса.
Так же это будет на наш взгляд, востребовано и у спортсменов.

3D скан ноги

3D сканирование для создания одежды

Представьте себе, что вы захотели пошить себе хороший костюм. А хороший костюм должен шиться индивидуально. На входе в ателье вы встречаете не доброго дедушку в жилетке и в очках с сантиметром в руках, а кабинку со сканером. За несколько минут готова точная копия вашей фигуры. Теперь портному необходимо «натянуть ткань» на ваш «каркас», получить с него лекала для раскройки ткани и остается его только сшить.Конечно же это гипотетическое будущее, но оно,наверное имеет право на существование.

Естественно, в этой небольшой статье мы не можем описать все возможные применения этой замечательной технологии – технологии 3D сканирования.
Но с уверенностью можем сказать что применение ее в производстве имеет большие основания и она займет достойное место среди современных технологий и конечно же, в бизнесе.

Добавить комментарий Отменить ответ

Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.

Преимущества

Если анализировать общие преимущества всех сканеров, то необходимо отметить:

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

Если анализировать преимущества контактных и бесконтактных моделей, то первые:

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

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

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

Принцип работы трехмерного сканирования

В основе трехмерного сканирования лежит сбор информации об объекте путем его изучения лучом сверхточного лазера или специальной лампы. В последнем случае точность сканирования значительно выше. Однако в любом случае работа сканера основывается на измерении расстояния от источника излучения до самого объекта и до каждой отдельной его части.

Измерение осуществляется с многих точек, в результате собирается информация о координатах каждой точки объекта, затем эти данные поступают на компьютер, при помощи специального программного обеспечения обрабатываются — и на основе загруженных данных и выполненных расчетов вырисовывается конечное изображение трехмерной модели реального объекта.

Интересно, что с помощью этой технологии можно получить информацию не только о форме объекта, но и, например, о его цвете. С этой моделью в дальнейшем оператор может поступить по своему усмотрению: выгрузить в другой 3D редактор, изменить что-либо в исходнике, наложить текстуру и т. д. Нередко полученную в результате трехмерного сканирования модель распечатывают в качестве прототипа на 3D принтере.

Применение, принцип работы и цены на 3D сканеры

Применение 3D сканера в реальной жизни

Трехмерные сканеры необходимы для решения задач во многих областях, а именно:

  • в промышленности;
  • в науке;
  • в киноиндустрии;
  • в медицине;
  • в искусстве и многое другое.

Они незаменимы в тех случаях, когда необходимо зафиксировать форму объекта с высокой точностью и за короткий промежуток времени. 3D сканеры позволяют упростить и усовершенствовать ручной труд, выполнить задания повышенной сложности.

В медицине 3D сканер может наблюдать за процессом лечения пациентов, планировать предоперационные манипуляции и создавать анатомическую обувь.

Дизайнеры используют трехмерные сканеры для получения формы объекта, и возможности ее доработки впоследствии.

В археологии и музейном деле с помощью подобного устройства можно точно восстанавливать и подвергать реконструкции физически устаревшие скульптуры, памятники и постаменты. Трехмерный сканер незаменим при создании колонн, бетонных декораций и архитектурных сооружений на заказ.

В индустрии развлечений применение 3D сканер находит в разработке игровых персонажей из модели автора.

Киноиндустрия также активно использует трехмерное устройство для сканирования людей, получая цветную модель человека.

Приобрести 3D сканер в состоянии, как производственное предприятие, так и небольшая организация. Его стоимость напрямую зависит от технологии, которая применяется для сканирования .

Принцип работы 3D сканера

Работа 3D устройства заключается в выявлении трех координатной системы (x, y, z), которая отвечает за плавное перемещение измерительной головки над предметом, который подвергается сканированию. Головка посредством лазерного луча измеряет расстояние в текущей точке (между головкой и объектом), и перемещаясь над поверхностью сканируемого предмета записывает получаемые координаты всех измеряемых точек.

Получившийся файл можно открыть в любом 3D редакторе и при необходимости редактировать созданную модель по своему усмотрению. Лазерное сканирование осуществляется бесконтактным методом измерения, поэтому оно происходит с огромной скоростью — несколько тысяч точек в одну секунду (не в ущерб его качеству).

Перед непосредственным использованием 3D устройства следует иметь ввиду, что крайне нежелательно сканировать прозрачные и зеркальные предметы .

  1. Принцип работы 3D сканера заключается в получении и обработке зафиксированного изображения от двух камер;
  2. Встроенный оптический 3D сканер определяет расстояние до объекта с помощью подсветки (лазера), благодаря которой обеспечивается высокая точность измерений.
  3. Все снимки сканируемой детали передаются персональному компьютеру, где с помощью специализированного программного обеспечения они анализируются и выводятся на монитор в виде трехмерной модели.

3D сканер: цена и выбор модели

В настоящее время наиболее востребованными трехмерными сканерами являются бесконтактные устройства, которые не контактируют с объектом. Они могут излучать на предмет видимый свет или лазерное излучение и анализировать возвращенные сигналы (активные сканеры).

Также существует возможность обнаружения исключительно видимого света (пассивные сканеры).

Рассмотрим наиболее популярные модели 3D сканеров .

Трехмерное устройство Artec S в состоянии приобрести многие крупные и небольшие предприятия (479 235 рублей ). Он работает по принципу обычной видеокамеры, которая снимает трехмерные поверхности. Простота эксплуатации позволит его использовать даже неопытным пользователям: достаточно всего отснять предмет с разных ракурсов, а специальная программа объединит полученную информацию в единую модель.

3D сканер Roland LPX-600RE представляет средний ценовой сегмент подобных устройств (811 000 рублей). Бесконтактная технология сканирования гарантирует целостность предмета, а в комплекте пользователь получает специальное программное обеспечение для моделирования.

Трехмерные сканеры от Z-Corporation являются универсальными устройствами и активно применяются во многих отраслях. Модель ZScanner 600 является наиболее доступной и компактной из всего семейства подобных сканеров, гарантируя пользователю высокое разрешение. Данное устройство демонстрирует оптимальное соотношение цены ( цена на 3D сканер 1 345 316 рублей ) и качества.

Более усовершенствованной моделью данной линейки является лазерный ZScanner 800 , который имеет высокий уровень разрешения и предназначается для решения задач с повышенными требованиями. Данное устройство оснащено инновационной функцией, которая автоматически определяет необходимый уровень разрешения (зависит от типа поверхности). Его стоимость составляет 2 500 439 рублей и она вполне оправдывает заявленные производителем характеристики.

Таким образом, разнообразные предложения рынка трехмерных устройств обуславливают возможность выбора для потенциального владельца 3D-сканера . Их преимущества трудно переоценить, ведь именно такие устройства позволяют получать цифровую модель реального физического объекта в течение короткого периода времени .

Ссылки по теме

  • Купить 3D оборудование в ITshop

На протяжении многих лет интернет-магазин предлагает товары и услуги, ориентированные на бизнес-пользователей и специалистов по информационным технологиям.

Хорошие отзывы постоянных клиентов и высокий уровень специалистов позволяет получить наивысший результат при совместной работе.

Сканирование смартфоном

Создавать 3D-модели могут и приложения смартфонов, в частности Scann3D. Доступно оно для всех желающих в Google Play. Как и в случае с фотоаппаратом, пользователю предлагается сделать несколько десятков снимков с помощью смартфона, обойдя вокруг объекта, который нужно запечатлеть. В обучающем ролике фотографируется ствол дерева на улице. Программа обрабатывает изображения и выдает модель.

В качестве плюсов программы – интуитивно понятная работа приложения. Открыв его, пользователь видит три опции: создать новую модель, посмотреть существующие и продолжить. После того как был выбран вариант создать новую модель, запускается камера. Далее следует нащелкать снимков, неторопливо обойдя объект по кругу. Затем пользователь может просмотреть получившиеся фотографии и удалить ненужные или смазанные. Тапнув на галочку, владелец смартфона запускает процесс обработки снимков, по окончании которого и создается модель.

Где применяется лазерное сканирование?

Как многие технические новшества и технологии, недавно вышедшие из лабораторий ученых, лазерное сканирование находится только в начале пути освоения разнообразных приложений. Но уже сейчас можно перечислить несколько технологических сфер, где сканеры применяются все более активно:
— съемка промышленных объектов (заводы, нефтеперерабатывающие заводы, сложное производство);
— съемка мостов;
— съемка и профилирование тоннелей;
— промышленные измерения (определение объемов резервуаров);
— горная промышленность;
— реставрация и строительство;
— архитектура и археология.

Конечно, у технологии лазерного сканирования большое будущее, и список будет дополняться новыми, может быть, на первый взгляд, невозможными приложениями. Однако совершенно очевидно уже сегодня: лазерное сканирование быстрее, точнее и информативнее, чем большинство существующих методов измерений.