Интернет-магазин
ООО «3ДТУЛ»
$$
Россия, г. Москва, ул. Дорогобужская, д. 14, стр. 4, офис 302
Интернет-магазин
ООО «3ДТУЛ»
$$
Россия, г. Москва, ул. Дорогобужская, д. 14, стр. 4, офис 302
(3.1)
Всем привет. С вами компания 3Dtool!
3D-сканирование — довольно сложная и многогранная тема, но в сегодняшней статье мы постараемся доступным языком познакомить с основами этой технологии. Акцент сделаем на бесконтактных измерительных системах как на наиболее универсальных и распространенных.
Содержание:По сути, это цифровая фотокамера, но с большим отличием: если привычные камеры захватывают плоские, двухмерные изображения, то 3D-сканеры делают это в трех измерениях. Собственно, оптические системы входят в состав каждого 3D-сканера, а главный вопрос в том, как заставить объективы воспринимать глубину. Делается это разными техническими средствами, но наиболее распространены два принципа измерений — сканирование по времени пролета и триангуляция.
Можно сказать, что и сканирование по времени пролета, и триангуляция навеяны самой природой. Летучие мыши и дельфины определяют положение объектов методом эхолокации, схожим по сути с радарами, только с использованием акустических волн вместо электромагнитных, а люди полагаются в первую очередь на зрение, служащее примером триангуляции: бинокулярное зрение позволяет отслеживать объекты под слегка разными углами, за счет чего мозг определяет пусть и примерную, но дистанцию, тем самым обеспечивая глубину зрения. Хорошие новости: вы знаете тригонометрию, даже если проспали школьные уроки!
Сканирование по времени пролета (Time of Flight, ToF) применяется в так называемых лидарах — лазерных аналогах радаров. Здесь вместо направленных радиосигналов используется другая разновидность электромагнитного излучения, когерентные потоки света (лазеры), но суть та же: можно определять расстояние до точки, измеряя время полета света туда и обратно, либо фазовый сдвиг отражаемого света. Эта технология в основном применяется в системах ландшафтного и архитектурного 3D-сканирования, так как разрешение относительно невелико, зато можно получать измерения на большой дальности — идеальный вариант для оцифровки тех же зданий как снаружи, так и изнутри.
Сканирующий лидар 3DMakerpro Hawk
Принцип триангуляции распространен в фотограмметрических системах и высокоточных 3D-сканерах с принудительной подсветкой. Первые — буквально одна или несколько цифровых фотокамер, делающие ряд снимков с разных ракурсов. Основную работу выполняет программное обеспечение, сшивающее кадры по общим точкам, сопоставляющее изображения и по отличиям между ними выстраивающее трехмерную геометрию отснятых объектов. Метод очень быстрый, отлично подходящий для обработки больших объектов, в том числе с захватом цветных текстур, но при этом не отличающийся особой точностью измерений.
Фотограмметрическая система Shining 3D DigiMetric
Сканеры с принудительной подсветкой — самый разнообразный сегмент. Основных технологий здесь две — сканирование с помощью лазерных линий, либо структурированным светом. Методы очень похожи, но в первом случае используются твердотельные лазерные излучатели, а во втором — светодиодные проекторы. И в том, и в другом случае система проецирует одну или несколько параллельных или пересекающихся линий.
Попадая на неровные поверхности, линии искажаются, и встроенные камеры регистрируют эти отклонения с разных ракурсов — здесь в игру опять-таки вступает триангуляция. Собранные данные обрабатываются программным обеспечением, вычисляющим геометрию объектов по искажениям линий.
3D-сканер RangeVision Spectrum по технологии структурированной светодиодной подсветки
Существуют разные вариации излучателей. И в лазерном сканировании, и в структурированной светодиодной подсветке применяются диоды разнообразных цветов, и это важный момент. Ранние 3D-сканеры в основном оснащались обычными, «белыми» светодиодами — доступными и недорогими. Проблема в том, что эффективность подсветки такими излучателями сильно зависит от фонового освещения, ведь для точной и стабильной обработки нужна высокая контрастность.
Здесь на помощь пришли красные и инфракрасные излучатели, менее зависимые от фоновой яркости, стабильно работающие с блестящими и темными поверхностями, а также не раздражающие глаза, а потому часто используемые в 3D-сканировании людей.
Пожалуй, самый продвинутые — синие излучатели. Синие диоды появились относительно недавно, будучи намного сложнее других вариантов. История создания синих твердотельных излучателей — целая эпопея, затянувшаяся на десятилетия и даже обернувшаяся Нобелевской премией по физике 2014 года.
Первые образцы удалось получить в 1970-х, но по-настоящему эффективных и относительно недорогих синих диодов пришлось ждать еще около двадцати лет. Со временем массовое производство наладили и нарастили, и в итоге синие диоды перекочевали в технологии 3D-сканирования — как светодиодного, так и лазерного.
Синие излучатели ценятся по двум причинам: как и инфракрасные, они хорошо справляются с темными и блестящими поверхностями в разных условиях освещенности, но при этом позволяют получать более точные измерения благодаря меньшей длине излучаемых волн и повышенной контрастности. Большинство современных профессиональных 3D-сканеров полагается на диоды в синем, красном или ближнем инфракрасном спектре.
Еще один набирающий популярность тип — поверхностно-излучающие лазеры с вертикальными резонаторами или VCSEL. В сравнении с обычными краевыми лазерными диодами эти излучатели отличаются повышенной производительностью благодаря высокоскоростной модуляции, повышенной контрастностью за счет малой расходимости лучей, отличной энергоэффективностью, а также возможностью объединения в большие, настраиваемые массивы для одновременного охвата больших площадей, что опять-таки повышает скорость оцифровки, особенно при работе с крупными объектами. В технологиях 3D-сканирования VCSEL появились недавно, хотя в волоконно-оптической связи используются достаточно давно. По всей вероятности, этот вариант будет пользоваться растущей популярностью в гонке за повышением производительности. Пока что скоростные VCSEL служат в основном более дорогой, но более точной альтернативой структурированной светодиодной подсветке.
Гибридный 3D-сканер Creality Raptor c синими лазерами и инфракрасной структурированной подсветкой
Наконец, разные варианты оцифровки можно комбинировать. В наши дни можно найти 3D-сканеры, совмещающие, например, точные синие лазеры с быстрыми инфракрасными VCSEL, либо скоростную оцифровку структурированным светом с фотограмметрией для более эффективной работы с крупногабаритными объектами. Вариантов множество, но суть одна: гибридные системы позволяют пользоваться сильными сторонами разных методов, тем самым повышая общую эффективность.3D-сканеры могут быть как стационарными, так и ручными, а нередко могут использоваться в обоих режимах. Сугубо в стационарном режиме в основном используются крупные, достаточно тяжелые системы. Объекты необходимо захватывать с разных углов, так что на разных этапах необходимо либо переносить сам сканер, либо разворачивать объект. Для автоматизации процесса нередко используются синхронизированные поворотные столики, но когда приходится иметь дело с по-настоящему крупногабаритными и тяжелыми объектами, это не вариант. В таких случаях приходится перемещать уже сам сканер, и наиболее удобны в таких случаях ручные варианты. Ручные сканеры, в свою очередь, часто поставляются в комплекте со штативами для более точной, стационарной оцифровки мелких объектов.
Однако, при перемещении возникает проблема: как 3D-сканеру определить собственное положение относительно объекта, чтобы можно было аккуратно сшить разные кадры? Здесь есть несколько вариантов. Первый — отслеживание по геометрии, где алгоритмы выявляют общие участки на разных снимках и сшивают изображения в единое целое. Метод очень удобный, но не всегда эффективный. Если у объекта много гладких поверхностей, либо повторяющихся элементов, алгоритмы могут запутаться. В таких случаях самый надежный вариант — клейкие маркеры: беспорядочно разбросанные по поверхностям метки формируют уникальные, легко распознаваемые комбинации, по которым программное обеспечение может отслеживать относительно положение и ракурсы съемки. Некоторые системы также умеют отслеживать положение по текстурам.
Немалую роль в мобильном сканировании играют и алгоритмы, компенсирующие неловкие движения операторов. Такой функционал дополнительно повышает точность измерений и снижает необходимость в повторных проходах.
Многие современные типы сканеров хорошо справляются с блестящими поверхностями, но в крайних случаях может потребоваться нанесение матирующих спреев. Это безопасные средства, обычно на спиртовой или газовой основе, содержащие титановые белила или другие пигменты, и смываемые обычной водой.
Увидеть объект мало, полученные данные необходимо преобразовать в полезные цифровые модели. Делается это преобразованием облаков точек. В каждом из описанных выше методов делаются замеры положения конкретных точек с высокой скоростью — зачастую сотен тысяч или даже миллионов точек в секунду. К каждой точке приписываются соответствующие координаты в трех плоскостях, после чего программное обеспечение выстраивает так называемые «облака точек», то есть совокупность всех измерений.
Облака сами по себе могут быть достаточной отправной точкой для контроля геометрии, но во многих случаях требуются твердотельные модели, например если планируется 3D-печать копий сканируемого объекта. В таких случаях облака точек программно преобразуются уже в сетки, состоящие из полигонов — треугольников, образуемых теми же точками. Продвинутое программное обеспечение может выполнять дополнительные шаги, например сглаживать поверхности, используя размытие по Гауссу. Главное, что в итоге можно получать файлы в форматах STL или OBJ, подходящие для обработки слайсерами с дальнейшей 3D-печатью.
Предусмотрена возможность переключения рабочих режимов и изменения настроек на лету. Такой подход повышает эффективность и удобство, позволяя обрабатывать большие, относительно простые участки семью линиями, а сложные — одной без необходимости в сшивании отдельных сканов. Попутно можно менять настройки яркости в зависимости от освещения и отражающей способности обрабатываемых поверхностей.
Дополнительный функционал может включать ремонт и упрощение полигональных сеток, очистку исходных сканов от шума (случайно захваченных поверхностей, не имеющих отношения к целевым объектам) и другие полезные действия. В профессиональных системах в последнее время все чаще встречаются интегрированные инспекционные программы. Такое программное обеспечение позволяет сравнивать цифровые чертежи со сканами и выявлять отклонения по геометрии, что крайне полезно в производстве новых деталей и ремонте изношенных, а также контроле сборки, проверках узлов и деталей на целостность, и так далее.
Текущий флагманский 3D-сканер российской компании RangeVision полагается на технологию 3D-сканирования структурированным светом с использованием проектора на синих светодиодах. По сути, это дальнейшее развитие успешной линейки метрологических сканеров RangeVision Pro с улучшениями в плане точности, производительности, надежности и эргономики.
Такое оборудование среди прочего применяется в контроле геометрии и обратном проектировании. Например, программное обеспечение способно сравнивать исходные цифровые модели с данными 3D-сканирования, выводя отклонения в виде цветовых карт. Это позволяет выявлять износ деталей, подлежащих ремонту, а также проверять размерную точность изготовленных или уже отремонтированных изделий.
Версия Prime получила более мощный проектор, еще лучше справляющийся с подсветкой темных и блестящих поверхностей без матирующих спреев. Разрешение камер увеличено вдвое в сравнении с предыдущим флагманом RangeVision Pro 2 — до 12 Мп вместо 6 Мп. Рабочие дистанции и охват настраиваются с помощью сменных объективов в зависимости от размера оцифровываемых объектов и требуемого разрешения: на расстоянии 250 мм охват составляет 145х100х130 мм, на расстоянии 500 мм — 320х250х300 мм, а на расстоянии 900 мм — 570х400х460 мм. Чем меньше дистанция до объекта, тем меньше расстояние между точками и выше разрешение.
Предусмотрены три основных режима работы. В базовом режиме 3D-сканер устанавливается на штатив и оцифровывает объекты с разных ракурсов с ручным перемещением, сшивая кадры по геометрии. Процесс можно автоматизировать и сделать более точным работой в связке с синхронизированным поворотным столиком. В стандартную комплектацию входит столик диаметром 32 см и грузоподъемностью до 60 кг, а если этого недостаточно, можно заказать опциональный столик TXL с максимальными нагрузками до 250 кг. Наконец, при работе с крупными объектами и особенно деталями с повторяющимися или «безликими» поверхностями, способными запутывать алгоритмы сшивания по геометрии, можно использовать режим сканирования с отслеживанием по клейким маркерам.
В системах 3D-сканирования программная составляющая играет не менее важную роль, чем аппаратная, и в этом плане компания RangeVision преуспела, создав удобную, многофункциональную программу RV 3D Studio с возможностями ручного и автоматического сшивания, заполнения пустот, сглаживания поверхностей, упрощения 3D-моделей, исправление дефектов в полигональных сетках, автоматического удаления мелких артефактов и шума.
Один неочевидный, но важный момент — жесткость несущей конструкции самого 3D-сканера. Оборудование может эксплуатироваться в разных погодных условиях и в нагретых производственных помещениях, что может приводить к сжиманию или тепловому расширению корпуса и несущих элементов, в том числе креплений проектора и камер, а это чревато повышенными погрешностями измерений. Для борьбы с такими явлениями конструкторы переделали корпус с использованием жестких, термостойких углепластиков, заодно обеспечивающих дополнительную защиту при транспортировке. Максимальная абсолютная погрешность измерений на малых расстояних теперь не превышает 0,014 мм.
3D-сканеры RangeVision Prime производятся в России, сопровождаются гарантийными обязательствами и оперативной технической поддержкой, а также внесены в единый государственный реестр средств измерений.
Технические характеристики 3D-сканера RangeVision Prime:
3D-сканер RangeVision Prime можно заказать у нашей компании.
ScanForm L5: 3D-сканирование лазерными линиями
Еще одна российская измерительная система метрологического класса, но на этот раз полагающаяся на лазерные диоды. Как и RangeVision, компания «Сканформ» — резидент фонда «Сколково». Команда взялась за разработку портативного, ручного 3D-сканера с высокой точностью измерений, но при этом доступной ценой. Для любительского бюджета стоимость великовата, но это далеко не любительское оборудование: по возможностям ScanForm L5 не уступает многим зарубежным образцам профессионального класса с вдвое или даже втрое более высокими ценниками.
В основе лежит система подсветки пятью параллельными лазерными линиями красного цвета. Разработчики не стали использовать синие лазеры или предлагать несколько режимов работы, скорее всего ради повышения ценовой доступности, но сумели добиться впечатляющих результатов: 3D-сканер захватывает свыше одного миллиона точек в секунду с точностью 0,04 мм и накапливаемой погрешностью 0,040 + 0,070 мм/м.
От захвата цветных текстур опять-таки отказались, так как оборудование предназначено в первую очередь для технического применения, где важны в первую очередь точность и стабильность измерений, а не яркие презентации — в контроле геометрии и обратном проектировании.
Модуля беспроводной связи тоже нет, но система поддерживает сканирование в движении. При работе с крупными объектами размером до четырех метров обычно используются маркеры, помогающие более точно совмещать и сшивать кадры.
3D-сканер Scanform L5 имеет сертификат метрологической поверки сроком на один год от Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии (Росстандарта).
Технические характеристики 3D-сканера Scanform L5:
3D-сканеры Scanform L5 предлагаются нашей компанией.
Как мы уже упоминали, нередко в 3D-сканерах сочетаются разные методы оцифровки. Один из примеров таких гибридных систем — недавно выпущенный ручной 3D-сканер Sermoon P1 компании Creality. Основной упор в разработке этого оборудования сделан на автономность: 3D-сканер оснащен бортовым дисплеем и собственными процессорами, позволяющими захватывать и обрабатывать данные без привязки к компьютеру. Впрочем, возможность работы в связке с компьютерами сохранена: вычислительные мощности и память компактного аппарата все-таки ограничены, так что привязка к ПК дает повышенную производительность и позволяет обрабатывать более крупные и детализированные объекты.
В автономном режиме за обработку данных отвечает бортовой восьмиядерный процессор от Qualcomm с графическим ускорителем Adreno 740, 24 Гб оперативной памяти и накопителем на 256 Гб. Данные выводятся на шестидюймовый дисплей. В комплект входят два аккумулятора с возможностью замены на лету, без прекращения работы. В связке с ПК производительность вырастает примерно в полтора раза. Предусмотрена возможность как кабельного соединения, так и скоростного беспроводного по Wi-Fi 7.
Будучи гибридной системой, Creality Sermoon P1 сочетает два подхода — оцифровку синими лазерными линиями и структурированную светодиодную подсветку в ближнем инфракрасном диапазоне (NIR). Сканирование лазерами доступно в трех режимах: максимальная производительность и охват обеспечиваются двадцатью двумя пересекающимися линиями, режим оцифровки семью параллельными линиями дает сбалансированную скорость и детализацию, а для точной проработки мелких элементов, стыков, кромок, углублений и отверстий используется режим оцифровки одной линией.
Когда нужна скоростная обработка крупных объектов, в дело идет структурированная светодиодная подсветка. Этот режим обеспечивает более широкий охват, облегчая работу без маркеров — до 1450х1020 мм с расстояния 1200 мм. Максимальная производительность в этом режиме при автономной работе достигает почти трех с половиной миллионов точек в секунду — примерно в три раза выше, чем при сканировании двадцатью двумя синими линиями, но с меньшей точностью. Прелесть же в том, что система позволяет быстро переключаться между режимами для оптимальной эффективности при работе с участками разной сложности.
Технические характеристики 3D-сканера Creality Sermoon P1:
3D-сканер Creality Sermoon P1 можно заказать у нашей компании.
Оптическая координатно-измерительная система TrackerScan Pro Nova — еще одно гибридное решение, комбинирующее лазерное сканирование с фотограмметрией. Также предусмотрена возможность контактных измерений с помощью специального щупа.
Комплекс состоит из стационарного трекера и беспроводного ручного сканера с тремя режимами лазерной оцифровки — пятьюдесятью лазерными линиями для скоростной обработки, семью для баланса производительности и точности и одной для проработки мелких деталей и отверстий. С помощью трекера положение сканера отслеживается в режиме реального времени без использования маркеров, что удобно при работе с очень крупными объектами и в тех случаях, когда нанесение меток не представляется возможным, например при 3D-сканировании музейных экспонатов.
Дополнительный модуль фото-, а точнее видеограмметрии улучшает объемную точность и помогает сшивать кадры без маркеров, хотя возможность использования меток тоже имеется.
Технические характеристики 3D-сканера ScanLine TrackerScan Trak Nova:
Архитектурный 3D-сканер Eagle Max обладает огромным охватом — в радиусе до семидесяти метров с вертикальным угловым диапазоном 59°. Такие системы применяются в оцифровке ландшафта, зданий, инфраструктурных объектов.
Оборудование полагается на технологию SLAM, что расшифровывается как Simultaneous Localization and Mapping или «одновременная локализация и картография». Иными словами, это лидар — прибор, измеряющий расстояние до точек лазерным лучом и выстраивающий облака точек аналогично другим 3D-сканерам. Производительность системы достигает двухсот тысяч точек в секунду, но необходимо понимать, что разрешение относительно невелико — два сантиметра на расстоянии в десять метров и даже ниже на больших дистанциях. Для целевого применения этого более чем достаточно, но на высокодетализированные цифровые модели небольших объектов рассчитывать не стоит.
Продвинутый функционал включает векторное моделирование и алгоритмы сглаживания размытием по Гауссу. Вкупе с двумя цветными камерами с разрешением 48 Мп это позволяет получать фотореалистичные панорамные изображения. Система самостоятельно обрабатывает собранные данные и выводит результаты на бортовой дисплей.
3D-сканер Eagle Max можно установить на транспорт: оборудование поддерживает стабильное, качественное построение облаков точек на скоростях до двадцати километров в час. В программном обеспечении даже предусмотрена функция отслеживания перемещения системы с помощью спутниковой навигации. Для работы в полевых условиях имеется аккумулятор, поддерживающий беспрерывную работу в течение одного часа.
Технические характеристики 3D-сканера 3DMakerpro Eagle Max:
Остались вопросы? Свяжитесь с нами любым удобным способом, и специалисты 3Dtool будут рады предоставить подробную консультацию.
3Dtool — российский дистрибьютор и интегратор 3D-оборудования, станков с ЧПУ и промышленной робототехники.
Связаться с нами можно:
По телефону: 8 (800) 775-86-69
Электронной почте: Sales@3dtool.ru
На нашем сайте: 3dtool.ru
Наши материалы также доступны в Telegram канале, на Dzen и в группе Вконтакте
Подпишитесь на последние обновления и узнавайте о новинках и специальных предложениях первыми
