3-D сканеры: настоящие возможности и будущие перспективы
Люди давно хотели получить возможность создавать цифровые образы любых объемных объектов. Изобретенные для этих целей 3D-сканеры еще до недавнего времени существовали в единичных экземплярах ввиду их большой стоимости. Большим шагом в развитии технологии объемного сканирования стал переход компаний на трехмерное проектирование выпускаемых изделий. Теперь, для оценки качества изделий при массовом их производстве на абсолютно автоматических станках, работающих на программном управлении, уже не получится просто сверится с чертежами. Для этого необходимо применение технологий объемного сканирования.
Принципы работы 3D-сканера
Контактные 3D-сканеры — это одни из первых такого рода устройств, принцип работы которых был очень прост: по всей поверхности объекта сканирования, который был установлен на вращающейся подставке, двигался специальный «щуп». Поступавшая с него информация записывалась и потом обрабатывалась компьютером. Чтобы оцифровать объект со «сложной» поверхностью, такие установки могли «трудится» много времени (до месяца!). Появившиеся цифровые фотоматрицы и полупроводниковые лазеры кардинально изменили ситуацию.
Установки для лазерно-дальномерного сканирования работают по принципу определения расстояния до определенной точки на объекте (это производится с помощью вычисления времени, за которое луч лазера проходит до этой точки и обратно). Компьютер рассчитывает такое время с большой точностью. Негативная сторона данного процесса заключается в том, что сканирование идет только в одной точке, вот почему для того, чтобы построить полноценную модель необходимо ждать много времени. Так, лазерно-дальномерный сканер сегодня может считать до 100000 точек за секунду. Полученный таким образом массив из точек соединяется в разного рода поверхности. Теперь компьютеру остается воссоздать поверхность объекта, удалив при этом ненужные неточности и шероховатости.
Так работает триангуляционный лазерный сканер
Триангуляционный лазерный сканер — это более новый тип сканера, принцип работы которого основан на измерении отклонения отраженного от оптической оси детектора линзы луча. Так, лазерный луч изменяет свое положение на специальном приемнике в зависимости от того, какое расстояние до сканируемой поверхности. Преимущество данного метода — это возможность создать луч лазера плоским и, при помощи специальной двухмерной матрицы, сразу отсканировать всю проекцию такого луча на поверхность, а не отдельные точки. Такое решение намного ускоряет оцифровку и делает легче обработку полученных данных. Но есть и недостатки: отверстия сбоку от оптической лазерной оси затеняются, что требует проводить дополнительное сканирование и применять особенные алгоритмы для сведения отсканированных фрагментов.
Оптический сканер — это прибор, состоящий из проектора (например, лазера), транслирующего сетку на всю поверхность предмета, и камеры, которая находится под определенным углом к данному проектору и регистрирует все искажения, которые происходят с линиями сетки. Затем программное обеспечение сканера проанализирует все искривления сетки и на их основе создаст карту глубины. Такой метод обладает как большей скоростью сканирования, так и дешевизной при изготовлении необходимых компонентов. Такой сканер можно изготовить даже дома, предварительно купив нужные компоненты и скачав ПО в интернете. Такие сканеры даже способны воспринимать цвета сканируемого объекта.
Там, где необходимо провести сканирование больших по размерах объектов и точность такого сканирования не слишком важна, нашли свое применение радарные и ультразвуковые методы сканирования.
Сегодня 3D-сканеры применяются во многих областях — от астрономии до медицины.
Сканирование в процессе производства
Промышленный лазерно-дальномерный 3D-сканер FARO Focus3D способен за пару минут выдать трехмерную модель как открытого пространства, так и помещения!
Мы привыкли считать, что объемное сканирования для проведения контроля качества — это использование сканеров для воссоздания поверхностей небольших объектов. Сегодня это уже не так. Например Арсеньевский завод «Прогресс», который выпускает вертолеты «Ка-52», начал применение технологии сканирование полностью готовых вертолетов, вместо сканирования отдельных их запчастей. Такой подход позволяет сделать процесс контроля качества более точным.
Некоторые лидирующие компании предлагают такие устройства, которые способны провести объемное сканирование целых зданий. Например, высочайший Дубайский небоскреб «Бурдж-Халифа» был просканирован при помощи таких устройств.
Также, стоит отметить, что эти технологии пошли и в космос. Сегодня на орбите нашей планеты движутся несколько десятков геологических спутников, задача которых — составление трехмерных карт планеты очень высокой точности. Добытая таким образом информация используется как в геологии, так и для планирования инфраструктуры и обеспечения точности при навигации.
Вершина объемного сканирования — БКК (беспилотные космические корабли), задача которых — исследования далеких объектов в Солнечной системе. Так, ученые уже получили 3D-модели поверхности Марса, которые в ближайшее время будут дополнены данными сканирования бортового 3D-сканера марсохода Curiosity.
Проектирование и сканирование
В процессе проектирования предметов обихода и всего того, чем активно пользуется человек в процессе своей жизненной деятельности, в виртуальной среде обеспечить должный уровень эргономичности таких предметов очень сложно. Результат этого — появление на рынке разного рода приборов и устройств, которые имеют красивый внешний вид, но совсем неудобны в каждодневном использовании. Среди таких устройств, например, компьютерная мышь: таких устройств тысячи, а по-настоящему удобных — всего несколько.
Вот тут и приходит на помощь 3D-сканер. Ведь производитель легко оцифрует созданный вручную макет изделия, сгладит неточности, которые возникают в процессе ручного изготовления и получит подходящую для серийного производства модель. Все программное обеспечение, которое для этого необходимо, есть на рынке. Например, пакет программ Rapid Works от NextEngine и много-много других.
Творчество и 3D-сканер
Компьютерная графика — это та область, в которой 3D-сканеры совершили переворот. Раньше художники тратили много времени на моделирование персонажей для фильмов и компьютерных игр. Сегодня же просто находят подходящего по всем параметрам человека и «оцифровывают» его 3D-сканером.
Работа ручного сканера VIUscan
Также, данные устройства упростили массовое производство разного рода фигурок, ведь теперь достаточно просто создать одну фигурку и провести ее сканирование — можно делать много точных копий при помощи станков с ЧПУ.
Одной из наиболее перспективных считают установку Orbital Camera System (OrcaM) немецкой фирмы Nek.
В основе данной уникальной установки — оптическая система, которая состоит из 7 подвижных высокого разрешения цифровых камер, которые расположены по всей внутренней площади сферы. Также на внутренней поверхности имеется множество светодиодов, который обеспечивают динамическое освещение.
Внутрь сферы помещают объект для сканирования. Габариты этого объекта, на сегодняшний день, должны быть до 800 миллиметров в поперечнике, масса объекта — до 90 кг. Создание трехмерной модели объекта происходит в полностью автоматическом режиме.
Объёмное изображение формируется как при помощи данных о положении всех камер, так и при помощи света, а именно изменение его интенсивности в сочетании со специально разработанными алгоритмами визуализации. Все это позволяет воссоздавать любые предметы с потрясающей точностью — до долей миллиметра — всего за несколько минут. Также происходит формирование специальной карты материалов, цветов и «отражений» всех поверхностей предмета. Таким образом, 3D-модель на выходе повторяет как текстуру предмета, так и его остальные характеристики, например, блеск (для вазы).
Особенности этой уникальной установки таковы:
- Фотографии объекта проводятся с 7 ракурсов в одно и тоже время;
- Проекторы и камеры имеют как фиксированную, так и настраиваемую фокусировку;
- Имеется возможность проектирования на предмет специальных узоров, которые облегчают дальнейшую обработку;
- Сканируемая сцена может быть отрегулирована по высоте. Есть опция, позволяющая проводить съемку снизу;
- Бестеневая съемка;
- Съемка предмета с направленным из любой стороны освещением;
- Высокодиффузное освещение.
Разработчики OrcaM хотят реализовать в данной установке возможность получения еще более точных данных об отражающих способностях большинства известных типов материалов и сканирования полупрозрачных предметов. Сегодня такой сканер существует только в одном экземпляре. Разработчики хотят сделать конструкцию данного устройства портативной, что позволит начать серийное производство автоматических студий. Конечно же, спрос на такие студии будет, ведь их задача — это создание цифровых образов разного рода объектов в высоком качестве для их последующего размещения в сети Интернет, применения в видеоиграх, фильмах и т.д.
Не так давно созданные 3D-сканеры уже нашли свое применение во многих областях науки и техники современного мира. Усовершенствование технологий трехмерного сканирования способно принести еще не мало пользы людям!
