История 3D-сканирования
Появление технологии 3D-сканирования приходится на последнюю половину 20 века. Первый 3D-сканер увидел свет в 1960 году. Правда, он имел весьма ограниченные возможности, поэтому для получения результата и какой-то точности данных приходилось тратить немало времени и усилий. После 1985 года сканирующие устройства изменились, в них стали использовать источники белого света, лазеры и затемнение для лучшего «захвата» сканируемого объекта.
В 80-х уже появились контактные датчики, которые использовались в 3D-сканерах для отцифровки поверхности твердых несложных объектов, но этот способ был очень медленным, да и результат был далек от идеального. Поэтому разработчики сосредоточились на возможностях оптических технологий, которые вскоре разделились на три типа по зоне «охвата»:
- точечный, очень медленный способ (point)
- захват определенной площади поверхности (area)
- полосной; как выяснилось, самый быстрый метод ,так как он использовал множество точек, который полосой проходили по поверхности. Он также обеспечивал и нужную точность сканирования объекта (stripe)
3D-сканирование представляло интерес не только для разработчиков из автомобильных и конструкторских дизайн-бюро, но и для киноиндустрии (отцифровка людей применялась затем в создании образов в анимации). Такие компании как Cyberware Laboratories, Digibotics занялись разработкой своих 3D-сканеров. Например, первая компания создала Head Scanner, который давал относительно неплохую точность и даже мог передавать цвет. А в 1994 году компаний 3D Scanners выпустила 3D-сканер REPLICA, который давал точный (для того времени) и быстрый результат, это стало серьезным успехом.
С тех пор 3D-сканеры были усовершенствованы, они стали точнее, мобильнее, передают цвет. В общем, можно найти 3D-cканер под любую задачу.
Виды 3D-сканирования
Существуют два базовых типа 3D-сканирования: контактное и бесконтактное. Каждый из них имеет свои плюсы и минусы и находит применение в своей области.
Что такое контактное 3D-сканирование?
Контактное 3D-сканирование подразумевает физический контакт специального щупа с поверхностью сканируемого объекта. Контактный механизм таких сканеров бывает трех видов:
- движущаяся каретка с фиксированной измерительной рукой, которая перпендикулярна объекту
- подвижный манипулятор с высокоточными угловыми датчиками
- комбинированный вариант из двух первых
Контактное 3D-сканирование можно применять на объектах с простой геометрией, если же у объекта богатая детализация, то контактное 3D-сканирование может занять крайне много времени и будет неэффективно. Также обязательно поверхность предмета должна быть твердой.
Что такое бесконтактное 3D-сканирование?
Бесконтактные 3D-сканеры также бывают разных типов:
- активные
- пассивные
Активные 3D-сканеры генерируют волновой сигнал, это может быть свет, лазер, ультразвук или даже рентгеновское излучение. Некоторые активные 3D-сканеры также проецируют сетку из белого света на объект, который сканируют. Это не спроста: искажения проекции от наложения на поверхность объекта приносят дополнительную информацию для алгоритмов 3D-сканера.
Пассивные же 3D-сканеры ничего не излучают, а используют окружающий свет и анализируют отражение от предмета. Грубо говоря, пассивные 3D-сканеры представляют собой фото или видеокамеру, они оснащены специальным программным обеспечением , которое сводит материал в единую объемную фигуру.
Разновидностей бесконтактных 3D-сканеров насчитывается много, но мы хотели бы остановиться на тех, что используются чаще остальных. Это времяпролетные лазерные сканеры, триангуляционные, ручные лазерные и бесконтактные пассивные сканеры. Рассмотрим их по очереди.
Времяпролетные лазерные сканеры
Времяпролетные сканеры относятся к активным. Для того, чтобы получить информацию о сканируемом объекте, они используют лазерный луч, а в основе устройства самого устройства лежит времяпролетный лазерный дальномер. 3D-cканер посылает в сторону объекта лазерный луч, специальный счетчик фиксирует время, когда луч отражается от поверхности объекта. Затем используя значение скорости света, высчитывается расстояние до точек поверхности объекта.
Сейчас времяпролетные сканеры могут «захватывать» от 10 000 до 100 000 точек за секунду. Точность таких принтеров напрямую зависит от точности измерения времени пролета луча.
Триангуляционные сканеры
Этот метод 3D-сканирования также использует лазер для оцифровки объекта. Процесс 3D-сканирования включает в себя трех участников: лазерный излучатель, камеру и точки на поверхности объекта, потому и называется триагнуляционным. Лазерный излучатель посылает луч к поверхности, а камера тем временем фиксирует места падения точек. Для ускорения процесса оцифровки объекта часто вместо лазерной точки применяют лазерную полосу.
Ручные лазерные сканеры
В этом виде 3D-сканирования применяется все тот же принцип триангуляции: есть фиксирующий сенсор, лазерный луч или полоса и ручной излучатель. И снова излучатель излучает, а сенсор измеряет расстояние до объекта. В роли сенсора обычно используют прибор с зарядовой связью или координатно-чувствительный детектор.
Движения ручного 3D-сканера во время сканирования может фиксироваться средствами внешнего слежения. Для этих целей зачастую используют лазерный трекер со встроенной камерой, который определяет положение 3D-сканера в пространстве. Еще одним способом слежения за сканером является фотограмметрия. Для обеспечения данного способа используют 3 камеры, которые фиксируют движение сканера в трехмерном пространстве. Зачастую, в обоих методах используют инфракрасные светодиоды, движение которых фиксируется камерами со специальными фильтрами.
Чтобы определить точное положение 3D-сканера в пространстве (ведь он ручной и в процессе 3D-сканирования перемещается), используют специальные метки на поверхности.
Бесконтактные пассивные сканеры
Этот вид сканеров работает только с отраженным естественным светом и с другими типами излучений, например, инфракрасным. Для 3D-сканирования таким методом не требуется дорогое оборудование, будет достаточно цифровой камеры (если их будет две, то они будут представлять собой стереоскопическую систему) и специализированное программное обеспечение. Для того, чтобы получить 3D-модель, необходимо будет применить «силуэтную технику», которая подразумевает анализ серии фотографий объекта на контрастном фоне. Но у этого метода 3D-сканирования есть один весомый недостаток: с его помощью невозможно отсканировать предмет сложной геометрии и различные углубления на поверхности.
Разные виды 3D-сканирования находят применение в разных областях деятельности. По ссылке ниже, вы можете прочитать, где чаще всего применяют технологию трехмерного сканирования.