XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

3D-сканеры – это трехмерные стационарные или ручные измерительные устройства, используемые для сбора данных о физических объектах со сложной пространственной геометрией для последующего моделирования или анализа в цифровой среде. Простые сканеры обрабатывают изображения в плоскости, а 3D-сканеры сканируют физические объемные предметы, выводя информацию полигональной моделью или облаком точек.

Назначением 3D-сканеров является формирование объемной (трехмерной, 3D) цифровой модели физического объекта с заранее определенной точностью данных. Точность 3D сканирования зависит от типа и параметров оборудования, которым оно производится, самого объекта 3D сканирования.

Принцип работы 3D-сканера базируется на способности 3D-сканера определять расстояние до объекта, преобразовывать полученные данные в цифровое изображение (трехмерную модель), передавать его на компьютер. Более конкретно принцип работы определяется технологией сканирования. При помощи подсветки и встроенных камер аппарат измеряет расстояние до объекта с разных ракурсов. Затем сопоставляются картинки, передаваемые камерами. Сканер определяет координаты точек в пространстве на поверхности обрабатываемого объекта, анализирует их, формирует детальную цифровую трехмерную модель. Если устройство 3D-сканера основано на работе лазерного луча, то с его помощью измеряются расстояния в заданных точках. На основе этих сведений выводятся координаты.

Методы 3D-сканирования объектов можно разделить на контактные (координатно-измерительные машины, механические щупы, методы, основанные на получении срезов объекта) и бесконтактные методы (стереобинокулярные системы, лазерное и рентгеновское сканирование, структурированный свет).

По принципу работы сканеры также отличаются. На сегодняшний день представлены стационарный или переносной, то есть ручной 3D-сканеры.

Если сравнить стационарные 3D-сканеры с ручными, использующими один и тот же принцип работы (например, принцип структурированного света), стационарные 3D-сканеры обеспечат более высокую точность и детализацию. Поэтому, если для ваших задач наивысшая точность и детализация являются ключевыми, то лучше остановить свой выбор на стационарном 3D-сканере.

Качество сканирования 3D-сканера. На качество сканирования 3D-сканером влияет то, как он работает. Например, стационарные 3D-сканеры, использующие технологию структурированного света, берут серию изображений в одном снимке и объединяют среднее значение для генерации одного скана. Ручные 3D-сканеры, использующие технологию структурированного света, делают один снимок на кадр (эквивалентно одному сканированию), а затем пользователь перемещает сканер для повторного сканирования. Это похоже на сравнение неподвижного изображения, полученного с фотокамеры, с изображением, полученным из видеозаписи. Первое даст вам лучшее качество, чем второе. Обычно стационарный 3D-сканер дает лучшие результаты по сравнению с ручными 3D-сканерами.

Принципы сканирования стационарным сканером. В данной работе будет рассмотрены принципы 3D-сканирования стационарным сканером, работающим по принципу структурированного света.

Оптические 3D-сканеры работают по технологии структурированного света. Технология оптического сканирования подобна лазерной триангуляции (свет, излучатель, камера). Немаловажно то, что они могут работать без маркеров. Однако, для лучшего захвата поверхности сканируемого объекта их использование желательно. Суть технологии структурированного света заключается в проецировании рисунка света на объект и фиксации, анализа его деформации. Световой поток проецируется на предмет несколькими видами источников света: ЖК, видеопроектором, диодами, галогенными лампами.

Камера фиксирует смещения рисунка светового потока, который попадает в ее поле зрения и выглядит как движущиеся линии света на поверхности объекта. Она вычисляет и анализирует расстояние от каждой освещенной точки предмета и, таким образом, формирует его детальную цифровую копию.

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. 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. Кроме того, оптические 3D-сканеры способны получать информацию о цвете.

Система на основе метода структурированного освещения может достигать очень высокого пространственного разрешения и очень высокой точности на близких расстояниях. Однако для извлечения одного кадра информации необходимо несколько проекций, что может привести к снижению частоты кадров, что в свою очередь затрудняет извлечение информации о расстоянии из относительно быстро движущихся объектов.

При более высоких диапазонах глубины и кривизны поверхности камера должна располагать источник освещения вдали от объектива, поскольку искажение рисунка может быть не различимо, если источник освещения находится рядом. Это непрактично для реализации в приложении, которое требует небольшого форм-фактора. Поэтому сканеры, основанные на технологии структуриро-ванного света, как правила не используются в измерениях поверхностей с перепадами высоты более 2 м.

Наружное окружающее освещение, особенно если оно динамическое, также может оказывать негативное воздействие и привести к искаженному рисунку, по этой причине метод предпочтителен для применения внутри помещений.

Недостатки 3D-сканера. К недостаткам технологии структурированного света можно было бы отнести ограничение по возможности сканирования крупных объектов, но данная задача эффективно решается путем нанесения на объект специальных маркеров, которые позволяют сканировать ручными сканерами большие объекты по частям с последующей «склейкой» модели. Маркеры представляют собой маленькие черно-белые метки, которые размещают на поверхности для создания опорных точек. Отсканированная по частям крупная деталь сшивается в единую 3D-модель.

Оптические сканеры хуже, чем лазерные 3D-сканеры справляются со сканированием блестящих, прозрачных и черных предметов. Но в 90% случаев эта проблема решается с помощью использования специального матирующего спрея.

Сканер анализирует отраженный от поверхности объекта структурированный подсвет, поэтому сканирование должно проводиться в помещении без прямого солнечного света, а также пыли и вибраций. По этой же причине невозможно или сильно затруднено сканирование таких объектов, как:

слишком темные и черные объекты;

прозрачные объекты;

зеркала;

бликующие и глянцевые объекты;

мех.

Литература

Катунин, Г. П. Основы мультимедийных технологий: учебное пособие / Г. П. Катунин. – Санкт-Петербург: Лань, 2018. – 784 с.

Компьютерная графика в САПР: учебное пособие/ А.В. Приемышев, В.Н. Крутов, В. А. Треяль, О. А. Коршакова. – Санкт-Петербург: Лань, 2017. – 196 с.

Попадюк С. 8 этапов быстрой и легкой работы со стационарным 3D-сканером // https://blog.iqb.ru/solutionix-c500-scanning-process/

Можаров, Г. А. Основы физической оптики: учебное пособие для вузов / Г. А. Можаров. – Санкт-Петербург: Лань, 2021. – 196 с.

Код для цитирования: Скопировать