Измерительное 3D-оборудование в целом можно разделить на две категории — контактное и бесконтактное. 3D-сканерами обычно называют системы во второй категории, но не всегда, так как в нее же входят некоторые варианты координатно-измерительных машин. Наиболее популярные методы 3D-сканирования включают лазерное сканирование, сканирование структурированным светом и фотограмметрию. Об этих трех методах и расскажем ниже.
В категорию лазерного сканирования попадают два распространенных метода — лазерная триангуляция и лазерная локация.
Лазерная локация подобна радиолокации, только с использованием лазеров вместо радиоволн — лидаров вместо радаров. Точка за точкой система посылает лазерный луч, а затем измеряет время возвращения сигнала. Зная время, можно рассчитать дистанцию, а это уже позволяет выстраивать 3D-модели в виде облаков точек. На этот метод полагаются только стационарные лазерные 3D-сканеры, так как стабильность, неподвижность напрямую влияет на точность измерений. С другой стороны, лидары хорошо подходят для измерений на довольно больших расстояниях, что играет на руку при оцифровке крупногабаритных объектов, например зданий.
В ручных, как и во многих стационарных лазерных 3D-сканерах, используется технология триангуляции, основанная на проецировании лазерных линий на оцифровываемые объекты, а затем измерении углов между источниками излучения, поверхностями и принимающими датчиками. Получаемые замеры с помощью нехитрой тригонометрии опять-таки позволяют выстраивать облака точек. Такие 3D-сканеры славятся высокой точностью и скоростью измерений, а потому популярны в промышленном обратном проектировании и контроле геометрии, несмотря на относительно высокую стоимость профессиональных систем метрологического уровня.
Ручной лазерный 3D-сканер Scanform L5
Существуют и относительно недорогие варианты, например отечественный ручной 3D-сканер Scanform L5 от одноименной новокузнецкой компании. Эти системы обладают необходимой точностью и производительностью для промышленного применения, но при этом доступны в два-три раза дешевле конкурентных предложений — всего за 395 000 рублей.
Сканирование структурированным светом
Сканирование структурированным светом (альтернативно «структурированная подсветка» или «структурированный подсвет») основано уже на использовании цифровых проекторов. Проекторы формируют узоры на поверхностях объектов, затем встроенные камеры считывают рисунки, а программное обеспечение рассчитывает геометрию объекта по искажениям — отклонениям результата от проецируемого узора. В целом технология очень похожа на лазерную триангуляцию, только вместо лазерных излучателей используются светодиодные проекторы. Такие системы обычно более доступны, но результаты могут зависеть от фонового освещения и используемых излучателей.
Один интересный момент технологии сканирования структурированным светом — использование светодиодов разных цветов. Наиболее распространены 3D-сканеры с «белыми» светодиодами, то есть излучающими в широком видимом спектре. Качество захвата таких систем может зависеть от фонового освещения. Главная проблема — работа вне помещений под ярким солнечным светом, способным создавать яркие блики и снижать контрастность узоров на поверхностях. Аналогичным образом проблемы могут возникать при работе с темными поверхностями, плохо отражающими белый свет.
В последнее время эти трудности решаются за счет синих светодиодов: работая в более узком волновом диапазоне, можно отфильтровывать шум и получать более четкую картинку. Будучи относительно коротковолновым, синее излучение также менее склонно к рассеянию и дает более точную картинку. Как результат, «синие» 3D-сканеры отличаются повышенной точностью и разрешением, а потому быстро становятся новым стандартом в профессиональном сегменте. Побочный положительный эффект — повышенная живучесть и сроки эксплуатации синих светодиодов, так как они генерируют меньше тепла.
Есть и еще один вариант — инфракрасная структурированная подсветка. Инфракрасные светодиоды хороши тем, что безопасны для глаз, а потому отлично подходят для оцифровки людей. Кроме того, они еще и более безопасны для красок: многие музеи запрещают фотосъемку со вспышкой и 3D-сканирование лазерами и светодиодами из-за опасений, что яркий свет будет способствовать выцветанию пигментов в старинных предметах искусства. Инфракрасное излучение не считается ионизирующим, так что при наличии такого оборудования кураторы могут сделать исключение.
Очень популярные варианты — 3D-сканеры Calibry и Сalibry Mini, полагающиеся на синие светодиоды. Базовый вариант системы походит для оцифровки объектов размером условно до десяти метров, а Mini оптимизирован для оцифровки небольших моделей размером от двух до тридцати сантиметров. Calibry можно приобрести за 469 000 рублей, а Calibry Mini доступен за 545 000 руб.
3D-сканер Calibry
Что интересно, в последнее время некоторые производители 3D-сканеров предлагают комбинированные системы с источниками излучения в разных диапазонах и даже гибриды двух технологий.
3D-сканер Shining 3D EinScan HX
Например, 3D-сканер Shining 3D EinScan HX сочетает технологии структурированной подсветки синими светодиодами и лазерной триангуляции с использованием опять-таки синих линий. Первый режим используется для оцифровки с высокой производительностью, а второй оптимально подходит для работы с темными и отражающими поверхностями. EinScan HX можно приобрести за 1 199 000 рублей.
3D-сканер Shining 3D EinScan H
3D-сканер EinScan H2, с другой стороны, сочетает светодиоды с инфракрасными вертикально-излучающими лазерами. Светодиоды используются для быстрого сканирования, а инфракрасные лазеры позволяют оцифровывать людей, а заодно справляться с темными поверхностями и ярким фоновым освещением. Такие системы предлагаются за 594 900 рублей.
Фотограмметрия
Фотограмметрия полагается уже на фотографию и специальное программное обеспечение, сшивающее снимки объектов с разных ракурсов в единую 3D-модель, то есть перерабатывая фотографии в облака точек и полигональные сетки (меши). Этот метод лучше всего подходит для оцифровки крупных объектов, особенно когда требуется воспроизведение в цвете. При фотограмметрии особенно часто приходится использовать маркеры, чтобы помогать программному обеспечению со сшиванием кадров.
Фотограмметрия не отличается высокой точностью, зато относительна дешева, позволяя обходиться даже обычными цифровыми фотоаппаратами при наличии соответствующего программного обеспечения. Иногда фотограмметрические системы дополняют лазерные и светодиодные 3D-сканеры, помогая управляться с крупногабаритными объектами или накладывать цветные текстуры.
Поворотные платформы
Один из важных аксессуаров, применяемых со всеми из вышеперечисленных методов 3D-сканирования — поворотные платформы. Поворотные столики обычно используются при оцифровке относительно небольших изделий, например ювелирных, где особенно важна точность. Платформы синхронизируются с 3D-сканерами и постепенно поворачиваются, позволяя оборудованию захватывать модель с разных ракурсов.
3D-сканер RangeVision Neopoint
Такие платформы совместимы не со всеми 3D-сканерами, но многие производители предлагают их штатно или опционально. Сюда входит недавно выпущенные портативные 3D-сканеры Neopoint и Neopoint Max российской компании RangeVision. Эти системы могут быть использованы в ручном режиме, либо установлены на штативы и синхронизированы со столиками. Neopoint c поворотным столиком в комплекте доступен за 85 000 рублей, а Neopoint Max — всего за 79 000 руб., но столик во втором случае предлагается опционально.
3D-сканер RangeVision Quant
Кроме того, процесс автоматизации 3D-сканирования за счет поворотных платформ или креплений реализован во многих специализированных настольных 3D-сканерах, например в RangeVision Quant. Такие системы с точностью до тридцати микрометров отлично походят для зуботехнических лабораторий и ювелирных мастерских, а предлагаются за 590 000 рублей.
Маркеры
Маркеры в виде белых кружков с черной каймой наносятся на поверхности оцифровываемых объектов и помогают 3D-сканерам отслеживать положение в пространстве, а затем сшивать получаемые кадры в единую 3D-модель. Маркеры требуются не всегда: многие 3D-сканеры способны ориентироваться по геометрии и текстурам, но эти методы не всегда оптимальны.
Использование маркеров может понадобиться в тех случаях, когда модели имеют повторяющиеся участки, и схожая геометрия может сбить с толку программное обеспечение. Также маркеры помогают при оцифровке обширных поверхностей с низкой детализацией — в поле зрения системы просто не попадают нужные ориентиры, и здесь на помощь опять-таки приходят легко распознаваемые клейкие или магнитные метки. Заодно маркеры повышают точность, помогая бороться с накапливаемыми ошибками.
Обычно маркеры поставляются в комплекте с 3D-сканером, если их использование предусмотрено разработчиком оборудования и программного обеспечения, но при необходимости запасы можно пополнить в нашем магазине.
Матирование
Как мы уже упоминали, некоторые 3D-сканеры с трудом справляются с блестящими и темными поверхностями. В таких случаях выручают матирующие спреи — аэрозольные баллончики, наносящие матовый белый материал.
Попробуйте антибликовый спрей Helling — он легко удаляется тканью или щеткой и наносится очень тонкими слоями толщиной менее трех микрометров, не скрывая детализацию.
Как применяются технологии 3D-сканирования
Обратное проектирование (реверс-инжиниринг) — способ получения 3D-моделей по имеющимся объектам. Если необходимо воспроизвести какую-то деталь без доступа к чертежам, деталь можно оцифровать с помощью 3D-сканера и после чистового редактирования в системе автоматизированного проектирования получить необходимую 3D-модель для 3D-печати или субтрактивного производства, например фрезерования.
Контроль геометрии применяется для выявления отклонений в получаемых изделиях от исходных чертежей. Для этого изделие опять-таки оцифровывается с помощью 3D-сканера, а затем результаты накладываются на исходные 3D-модели и сравниваются. Для сравнения обычно используются специальные программы, например Geomagic Control X. Результат — быстрый и точный контроль качества.
Цифровая архивация обычно применяется в работе с научными образцами и особенно музейными экспонатами. Цель — сохранение бесценных исторических артефактов и произведений искусства, но в то же время расширение доступа. Например высокоточной 3D-моделью скульптуры или редкой окаменелости можно поделиться с искусствоведами или учеными в любой точке мира без необходимости в дальних путешествиях для изучения оригиналов и без риска повреждения драгоценных образцов.
Какими бы ни были ваши задачи, свяжитесь с нами, и мы поможем подобрать наиболее подходящее оборудование для 3D-сканирования.
$$
