Что такое 3D-сканер и как он работает
Объемное сканирование изобретено более 20 лет назад и в настоящее время активно используется в различных отраслях. Оно уже сейчас позволяет решать задачи, которые казались фантастикой. Вопросы о том, что такое 3D-сканеры, как они устроены и на каком принципе работают, какие выпускаются типы и модели, заслуживают особого внимания любого современного человека. Нижеследующая информация поможет на них ответить.
- Что такое 3D-сканеры?
- Что такое 3D-сканирование?
- Принцип действия и устройство 3D-сканера
- Технологии сканирования
- Виды 3D-сканеров
- Характеристики 3D-сканеров
Что такое 3D-сканеры?
3D-cканеры – это устройства, с помощью которых создаются точные цифровые копии определенного объекта. Прежние конструкции предназначались для копирования документов, фотографий и печатной продукции. 3D-сканеры позволяют получить трехмерные модели, в точности повторяющие образец для копирования. Они значительно облегчают труд проектировщиков и дизайнеров.
Устройства с 3D-технологией обеспечивают копирование объектов практически любой сложности и с большим количеством деталей. Такие сканеры применяются в самых разных областях человеческой деятельности: инженерно-конструкторские разработки, медицина, дизайн, киноиндустрия, промышленное производство, реставрация памятников культуры. Высокая разрешающая способность позволяет применять их при медицинских исследованиях сосудов и тканей, проведении ЭКГ, в неонатологии и педиатрии.
Что такое 3D-сканирование?
Трехмерное или 3D-сканирование – это копирование объемных объектов. Для этого обеспечивается точное измерение всех геометрических параметров, а их обработка позволяет построить цифровую модель (полигональная модель или облако точек). Далее она может выводиться на экран компьютера (гаджета) или на 3D-принтер для материального воспроизводства. При этом полностью повторяются не только размеры, но и структура материала.
Принцип действия и устройство сканера
Принцип действия 3D-сканера основан на использовании технологии трехмерного сканирования. Прежде всего, обеспечивается «стереозрение», т. е. определение координат всех точек объекта. Такая возможность создается с помощью 2 камер и специальной подсветки. Камеры, отлавливая отраженные лучи, измеряют расстояние до определенной точки и передают информацию на компьютер. Съемка производится с разных ракурсов для получения всесторонней информации. По полученным координатам строится цифровая модель объекта в пространстве.
Устройство сканеров зависит от их типа. Основными узлами являются: камеры для фиксации отраженных лучей, источник подсветки (лучей), механизм для съемки с разных ракурсов и электронный блок для сбора и анализа данных.
Механизм сканера может выполняться в нескольких вариантах:
- Каретка с измерительной рукой, размещенной перпендикулярно. Этот механизм подходит для плоских и выпуклых деталей несложной формы.
- Манипулятор с угловыми датчиками и шарнирным вращением запястья измерительной руки. Механизм необходим для объектов сложной формы.
- Комбинированный механизм, объединяющий оба указанных типа. Он применяется для объектов больших размеров и с перекрывающимися поверхностями.
Основными преимуществами рассматриваемых сканеров являются высокая точность, быстрота получения результата, отсутствие риска повреждения объекта, мобильность. Весь процесс сканирования занимает несколько минут, а порой не более 1 мин. При этом производится несколько миллионов измерений координат разных точек.
Технологии сканирования
Для получения нужной информации об объекте на камерах необходим отраженный луч. По его формированию различаются 2 основные технологии сканирования:
- Оптическая. Все измерения производятся с помощью лучей с частотой оптического (светового) диапазона. Они формируются при вспышке специальной лампы или использовании специальных лазеров. Эта технология обеспечивает сканирование с большой скоростью и может проводить измерения на движущихся объектах. Кроме того, с ее помощью можно исследовать человека, т. к. такие лучи безвредны для его организма. Основное ограничение применения – зеркальные и блестящие поверхности, а также прозрачные объекты, где возможны значительные погрешности.
- Лазерная. Подсветка обеспечивается источником лазерного излучения. Главное достоинство – высокая точность измерений. Однако сканирование затруднено при движении объекта и исключено для исследования человеческого тела. При использовании лазерной технологии требуется нанесение специальных светоотражающих меток.
Каждая из представленных технологий имеет свои плюсы и минусы. Выбор производится с учетом конкретных условий применения.
Методы сканирования
Можно выделить 2 метода сканирования:
- Контактный метод. В этом случае объект помещается на прецизионной поверочной плите, а сканер копирует его путем непосредственного физического контакта. Этот вариант отличается высокой точностью измерений, но процесс занимает больше времени. Кроме того, имеется риск повреждения поверхности объекта, выполненного из особо нежного материала.
- Бесконтактный метод. Это устройство проводит все измерения на расстоянии за счет отраженного луча. При этом возможны погрешности, и сам прибор сложнее по конструкции. В то же время появляется возможность копирования труднодоступных деталей. Исключается риск повреждения объекта. В медицине можно использовать только этот метод.
Второй вариант считается более универсальным, а потому имеет и большее распространение.
Виды сканеров
Трехмерные сканеры с бесконтактным методом сканирования подразделяются на 2 основных типа:
- Активные устройства. В таких сканерах имеется источник излучения, отправляющий луч, отражение которого воспринимается камерами. В перспективных приборах установлен источник лазерного излучения. Достаточно широко используются и устройства с излучением структурированного света.
- Пассивные устройства. В сканерах этого типа нет излучателей. Принцип их действия основан на анализе отраженных лучей сторонних источников, чаще всего, солнечных лучей или видимого света ламп.
Важно! В активных сканерах могут использоваться разные излучатели. Они обеспечивают разную разрешающую способность и точность измерений. Могут использоваться лазерные и рентгеновские лучи, инфракрасное излучение, ультразвук, видимый свет.
Характеристики 3D-сканеров
Выбор 3D-сканера производится по следующим основным параметрам:
- Точность копирования. Она определяет степень соответствия параметров копии и оригинала. Эта характеристика учитывает погрешности измерения и диапазон возможных исследований.
- Разрешение или разрешающая способность. Она определяет минимально возможное расстояние между измеряемыми точками на объекте. Чем больше таких точек, тем точнее копирование. Принято считать, что минимальное разрешение должно быть не более половины размера самой маленькой детали объекта и его конфигурации. Если на исследуемом элементе будет меньше 2 точек, то размеры его могут быть искажены. Следует учитывать, что разрешение обеспечивает увеличение точности, но прямой зависимости этих параметров нет.
- Диапазон сканирования. Он устанавливает минимальное и максимальное расстояние сканера от объекта при исследовании. Кроме того, важно знать поле сканирования, определяющее максимальные размеры объекта (в длину и ширину). Если он не захватывается сканером за один сеанс, то придется совершить несколько операций, что затрудняет последующий анализ.
- Покрытие. Оно определяет возможность измерений труднодоступных мест (отверстия, различные каналы и пазы). У портативных сканеров покрытие шире, чем у стационарных устройств.
Вышеуказанные параметры определяют технические возможности сканеров.
Эксплуатационные характеристики
Не менее важны для потребителя и параметры, обеспечивающие удобство использования:
- Мобильность. Наибольшей популярностью пользуются устройства, которые можно использовать в любом месте, они легко переносятся вручную. С этим параметром непосредственно связаны такие характеристики, как портативность (размеры), вес и возможность разборки/сборки. Для общего пользования обычно применяются портативные устройства, но для крупных объектов необходимы сканеры, которые имеют значительные габариты. В них важно наличие транспортировочных элементов. Выпускаются также большие, стационарные 3D-сканеры.
- Временные параметры. Для пользователя важно знание времени, необходимого для подготовки устройства к работе (размещение, монтаж, калибровка, действия с программным обеспечением); объекта – к измерению; длительности самого сканирования.
- Универсальность. Она определяется по возможности копирования объектов разной сложности, формы и размеров. Могут существовать ограничения по материалу объекта, а также по условиям эксплуатации. Например, для некоторых приборов нужна определенная освещенность или температура воздуха.
- Простота управления. Для бытовых условий необходимы наиболее простые устройства, не требующие особых навыков. Обслуживание профессиональных приборов может осуществлять специально обученный оператор.
При выборе оборудования следует учитывать все указанные критерии. Однако надо помнить и о том, что повышение их ведет к удорожанию устройств. С учетом этого надо к выбору подходить оптимально, т. е. с учетом конкретных требований, назначения и условий эксплуатации.
Программное обеспечение
В зависимости от того, какое программное обеспечение используется в сканере, можно определить его возможности. В настоящее время устанавливаются такие программы для измерений и обработки результатов:
- David-3D. Программа обеспечивает сканирование объектов и подготовку результатов исследования для последующего построения моделей в 3D-редакторах.
- Artec Studio 10. Она считается профессиональным инструментом для получения трехмерных моделей объектов разной сложности.
- Autodesk 123D Catch. Программа обеспечивает объемное сканирование для мобильных телефонов на Android.
- Photomodeler Scanner. Позволяет создавать stl-модели, используя фото, сделанные камерой смартфона или планшета.
- 3DAround. Программа способна превратить плоское фото (2D) в объемную модель.
Установка нужной программы осуществляется специалистом.
Лучшие модели
Гарантии надежности и качества дают только проверенные производители. На основании отзывов потребителей и заключений экспертов составляются рейтинги лучших моделей 3D-сканеров. Можно отметить некоторые из них.
RangeVision Spectrum
Эта модель представляет собой профессиональный 3D-сканер от компании RangeVision. Устройство оснащено цветными камерами с разрешением 3,1 Mpx и обладает тремя областями сканирования. С помощью данного устройства можно оцифровать объекты от 1 до 3 см.
- Вес, кг 1.65
- 3D разрешение 1: 0.26 мм, 2: 0.17 мм, 3: 0.072 мм
- Время экспонирования 12 сек
- Зона сканирования 520 x 390 x 390
- Интерфейсы USB 2.0, HDMI
- Источник света white-light DLP
- Разрешение камеры 3.1 Мп
- Расстояние до объекта 300-1000 мм
- Точность, мкм 40
Shining 3D EinScan-SE
Это бренд от компании Shining3D. Устройство имеет высокую скорость сканирования, простой интерфейс и универсальность. Помимо данной профессиональной модели компания выпускает портативные сканеры Shining 3D Einscan Pro 2x и Einscan Pro 2x plus. Калибровка устройства производится в автоматическом режиме.
- Размеры, мм 570х210х210
- Вес, кг 2,5
- Захват текстур да
- Зона сканирования 70 х 70 х 70 см
- Интерфейс USB 3.0
- Источник света белый свет
- Количество камер 2
- Размер одного снимка 200х150 мм
- Разрешение камеры 1.3 МП
- Расстояние до объекта 290-480 мм
- Расстояние до точки 0.17-0.2 мм
- Скорость сканирования фиксированное <8 c, авто <2 мин
- Точность, мкм 100
- Цветное сканирование да
Thor3D Drake
Это продукция российской компании Thor3D. Используется технология структурированной подсветки. Устройство может сканировать объекты с разным разрешением в зависимости от размеров (мини, миди и макси). Имеется дисплей. Компания также предлагает 3D-сканер Calibry. Этот портативный прибор может сканировать сложные структуры (волос, мех и т. п.).
- Размеры, мм 165x85x273
- Страна производитель Россия
- 3D точность на расстоянии 0.025% на 1 м
- Дисплей сенсорный, встроенный
- Зона сканирования 500 - 1000 мм
- Интерфейс USB 3.0
- Источник света LED;белый свет
- Калибровка Откалиброван
- Поле зрения ≤ (850х1100)
- Программное обеспечение Thor3D Suite
- Рабочее расстояние ≥ 45 cм - ≤100 cм
- Разрешение камеры 2,3 Мп
- Расстояние до объекта 65 см
- Рекомендуемый размер объекта сканирования От 30 см до 800 см
- Скорость сканирования 30 fps, 3 000 000 точек/с
- Точность, мкм 100
- Формат вывода данных STL
- Цветное сканирование Да
Важно! На российском рынке уже сейчас представлены разные модели, что позволяет сделать правильный выбор.
Области применения
Опыт использования 3D-сканеров показывает, что высокая их эффективность достигается в следующих областях:
- Медицина: для проведения диагностики, планирования хирургических воздействий, изготовления протезов и анатомической обуви.
- Ортопедия: изготовление объектов малого размера точно по потребности.
- Дизайн: создание объемной модели объекта для оценки дизайнерского решения.
- Для создания оснастки и упаковки точно по размерам объекта и оценки их износа.
- Точное восстановление и реставрация музейных экспонатов, архитектурных памятников, скульптур.
- Киноиндустрия: создание цветной модели людей и декораций.
Знание возможностей таких сканеров позволяет использовать их с максимальным эффектом.
Практическое использование трехмерного сканирования – это уже реальность сегодняшнего дня. Принцип действия 3D-сканеров основывается на точном измерении расстояний до характерных точек исследуемого объекта, что позволяет определить их координаты в пространстве и построить цифровую объемную модель. В дальнейшем ее можно вывести на экран компьютера или сформировать на 3D-принтере. Существует несколько технологий сканирования и типов устройств, что позволяет учитывать реальные требования. Выбор сканера происходит по основным техническим и эксплуатационным параметрам. Следует также учитывать производителя и рейтинг моделей, составляемый по отзывам потребителей.
Оставить комментарий