Как работает устройство 3d сканеров? Технологии и принципы сканирования

3D-сканер – стационарное или небольшое ручное устройство для сканирования объектов со сложной пространственной геометрией. Простые сканеры обрабатывают изображения в плоскости, а 3d сканируют физические объемные предметы, выводя информацию полигональной моделью или облаком точек. Трехмерные сканирующие устройства используются в медицине (стоматология, пластическая хирургия, изготовления протезов, моделей органов и пр.), для создания компьютерных игр, в киноиндустрии, дизайне, архитектуре, инженерии, для проектирования промышленных деталей, автомобилей, для реконструкции объектов в археологии. Сканеры анализируют и воссоздают в цифровом виде объемную модель предмета, его форму и цвет с высокой степенью детализации, работая в разных условиях (при недостаточной видимости, в темноте, при вибрации), с любыми материалами, обеспечивают нужный формат выходной информации под программное обеспечение для работы с ней на компьютере.

Как работает 3Dсканер?

Принцип работы 3d сканера — способность прибора определять расстояние до объекта, преобразовывать полученные данные в цифровое изображение (трехмерную модель), передавать его на компьютер. Сканер определяет координаты точек в пространстве на поверхности обрабатываемого объекта, анализирует их, формирует детальную цифровую модель. В его работе задействованы камеры, лазеры, дальномеры, устройства для подсветки.

Технологии 3D сканирования

  • Контактная (контактирует с объектом).
  • Бесконтактная (без контакта с объектом). Это наиболее перспективные и новые технологии, позволяющие создавать модели объектов просто направив на них лазерный луч, свет, волны. Сканер применяется на расстоянии и способный создать копию труднодоступного объекта без физического контакта с ним.

Бесконтактные 3d сканеры

Наиболее распространены две технологии сканирования: оптическая (пассивная и с использованием излучения) и активная лазерная.

Активный принцип излучения

Сканер излучает структурированный, прерывистый свет, лазерная триангуляция. Направляют на исследуемый предмет луч лазера, сгенерированный специальным способом луч света (диоды, вспышки лампы), волны. На основе анализа их отражения и положения формируется трехмерная копия объекта.

Пассивный принцип излучения

Не излучают ничего, анализируют световое или инфракрасное (тепловое) излучение предмета. Работают наподобие человеческого глаза;

Технология фотометрического бесконтактного пассивного 3d сканирования

На рынке сканеры из этой группы представляет модель XYZprinting. Это достаточно компактные простые модели, имеющие только базовые функции трехмерного сканирования. 
Плюсы: доступная цена и компактность.

Устройство

Пассивный 3d сканер устройство (на примере указанной модели): корпус, одна компактная камера, USB-шнур для связи с компьютером и передачи на него изображения сканируемого объекта. Сканер без подставки, ручной, выполненный в форме степлера.

Принцип работы

Чувствительная к свету камера улавливает световое излучение от предмета, обрабатывает его и формирует объемную модель, экспортируя ее на компьютер. Пользователь может располагать двумя режимами работы: сканирование человека или предметов. Для начала работы необходимо установить программное обеспечение на компьютер, подключить прибор посредством USB-шнура к нему, выбрать режим работы, нажать кнопку на сканере и, медленно проводя им перед предметом, осуществить сканирование.

Как работает технология

Устройство работает по фотометрической технологии пассивного сканирования без какого-либо излучения и проецирования на предмет. Работа осуществляется несколько усовершенствованной простой оптической камерой, улавливающей видимый свет. Недостаток в том, что при недостаточности освещения объект нужно дополнительно осветить.

Сканирование производится так называемым методом «силуэт». Он воспроизводит контуры предмета на основе последовательности кадров, запечатленных видеокамерой, проносимой вокруг объекта на хорошо контрастирующем фоне.

Стереоскопическая система бесконтактного пассивного 3d сканирования

Модели c технологией бесконтактного пассивного сканирования

Этот тип устройств представляют модели 3D Systems Sense, 4D Dynamics Gotcha.

Устройство и принцип работы 3d сканера по системе бесконтактного пассивного сканирования

Приборы оснащены двумя камерами и инфракрасным сенсором. Сканер 3D Systems Sense выполнен в форме степлера, это компактный ручной прибор он может использоваться с треногой, в Gotcha (со штативом и ручкой), она есть в комплекте. Принцип работы – пассивный оптический. В обоих случаях питание и передача данных осуществляется посредством USB-провода. Приборы имеют стандартные режимы: сканирование человека и предмета.

Технология сканирования

Камера по этой технологии обнаруживает инфракрасное (тепловое) излучение и обычный свет, отражающийся от предмета. Системы стереоскопические, то есть используют две камеры. Прибор сопоставляет кадры, на основе небольших сравнения различий между ними определяет расстояние в каждой точке изображения и воссоздает объект в цифровом виде.

3d сканеры с лазерным активным сканированием

Эта группа устройств представлена следующими моделями сканеров: 3D Systems iSenseDAVID Starter-Kit ver.2, MakerBot Digitizer.

Устройство

Приборы имеют два лазера и камеру. Следует отметить, что лазерная безопасность гаджетов соответствует уровню І, что является полностью безопасной для глаз. Сканер iSense созданный для работы только с операционной системой iOS и с Apple iPad выше 4 поколения. Он выполнен в компактном корпусе, который устанавливается на мобильный гаджет и подключается к нему USB-проводом, заряда батареи хватает на 4 часа его работы. Он крепится наподобие веб-камеры, сканирует и сразу выводит изображение на iPad.

Модели

DAVID Starter-Kit ver.2 3D сканер устройство: веб-камеры и лазерные датчики с функцией автоматической регулировки. Прибор в комплекте имеет штатив и треногу.

Maker Bot Digitizer по своей конструкции несколько отличается от предыдущей модели. Корпус сканера выполнен как пьедестал, одна часть которого – вращающаяся площадка, вторая оснащена двумя лазерами по бокам и камерой посередине. Они сканируют объект, находящийся на площадке.

Как работает технология

Опишем, как работает 3д сканер. В основе сканирования с помощью лазеров лежит метод триангуляции. Это прибор с активным сканированием. Он использует лазерные лучи, проецируя его на объект. Лазер обрабатывает поверхность объекта, его точки фиксируются на разных его частях. Камера фиксирует лазерные точки на нем, угол смещения лазерного луча и передает данные на компьютер с соответствующим программным обеспечением, которое формирует объект в цифровом виде.

Технология сканирования называется «триангуляцией», так как в работе задействован треугольник функциональных элементов устройства: точка лазера на предмете, его излучатель, камера. В большинстве случаев точка формируется лазерной полосой или пятном, проходящим по поверхности предмета.

Технология 3d сканирования структурированным освещением

Модели, которые в своей работе используют технологию структурированного или прерывистого света: DAVID SLS-2, RangeVision Smart, RangeVision Standard Plus, RangeVision Advanced, RangeVision Premium. Отдельной группой представлены ручные Artec SpiderArtec EvaArtec Eva Lite.

Устройство

Главными функциональными элементами этих приборов являются камеры и источник света, который структурирует его особым способом и направляет на сканируемый объект. В модели DAVID SLS-2 источником света служит видеопроектор. Эти устанавливаются на штатив с треногой, которые идут в комплекте. Это позволяет настраивать и калибровать приборы, устанавливать их в разных положениях и надежно фиксировать, уменьшая вибрацию. Источниками света в приборах служат галогенные лампы, диоды, видеопроектор.

Artec Spider, Artec Eva, Artec Eva Lite выполнены в компактном корпусе с ручкой, напоминающем утюг. На ручке размещены кнопки управления и выходы для шнуров интерфейса и питания. Внизу также есть отверстие для стандартных фотоштативов и ножки для фиксации прибора на поверхности. 3d сканер устройство имеет следующее. Снизу он оснащен 3D-камерой (в Artec Spider их три) с повышенной разрешающей способностью, сверху прибора – вспышка (проектор) структурированной подсветки, центральная цветная текстурная камера посередине вместе с источниками света в виде 6 или 12 диодных лампочек. Все источники света имеют белое излучение. С прибором поставляется штатный интерфейсный шнур mini-USB и кабель питания. Дополнительно можно купить аккумуляторную батарею.

Как работает технология

Такие приборы еще называются структурно-Light 3D сканерами. Технология сканирования подобна лазерной триангуляции (свет, излучатель, камера). Важным есть то, что они могут работать без маркеров – объект не нужно обклеивать множеством маркеров и ставить пометки. 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 Light 3D сканеров – скорость, высокая точность. Они сканируют не одну или несколько точек, а одновременно скопление точек или все поле зрения сразу.