Принцип работы трехмерного сканера

Принцип работы 3D сканера
Что делает 3D-сканер
3D-сканер – устройство, предназначенное для воспроизведения формы какого-либо физического объекта в цифровом формате с целью построения его виртуальной трехмерной модели.
Как работает 3D-сканер
В ходе процедуры 3D-сканирования собирается массив цифровых данных. Он представляет собой набор точек, каждая из которых имеет строго определенные координаты в пространстве – «облако точек». Компьютерная программа соединяет рядом расположенные точки и выстраивает цифровую копию сканируемого предмета, точно воспроизводящую его геометрические формы.

Схема технологии сканирования

Виды сканеров
Контактные 3D-сканеры
Сканеры этого вида изучают объект напрямую – через физическое взаимодействие. В момент исследования предмет находится на специальной поверочной плите, отполированной и отшлифованной до нужной шероховатости поверхности. Если вещь несимметричная или не может лежать ровно на одном месте, ее удерживают специальные зажимы (тиски).
Координатно-измерительная машина – яркий пример 3D-сканера контактного типа.

Виды сканеров
Бесконтактные активные 3D-сканеры
Для работы активного сканера используются либо обычный свет, либо определенный вид излучения. Именно через проходящее излучение или отражение света, объект подвергается цифровому исследованию. Случается применение рентгеновских лучей или ультразвука
Виды бесконтактных
Триангуляционные сканеры
Времяпролетные 3D-сканеры

Триангуляционные сканеры
Эти приборы используют для зондирования объекта лазерный луч. Сканер посылает луч на предмет, а отдельно зафиксированная камера заносит данные о расположении указанной точки. По мере движения лазера по поверхности, поле зрения камеры фиксирует точку в разных местах. Триангуляционными их назвали потому, что лазерный излучатель, конечная точка и сама камера, совместно образуют треугольник.

Лазерная технология сканирования

Времяпролетные 3D-сканеры
Это активный вид сканера, который для исследования объекта использует лазерный луч. В его основе лежит времяпролетный дальномер. Именно он определяет расстояние до поверхности, рассчитывая время, за которое лазер пролетел туда и обратно. В этом случае лазерный луч используется, как световой импульс, время отражения которого и измеряется при помощи детектора. Скорость света, как известно, величина постоянная, поэтому, зная, за какое время луч совершает пролет туда-обратно, можно без труда вычислить расстояние от сканера до поверхности изучаемого предмета.
Времяпролетные 3D-приборы сканирования за одну секунду способны измерить до 100 000 точек.
! Когда работа делается удаленно: от 1-3 метров

Технический принцип действия времяпролетного сканера
Поскольку скорость света (c) – величина постоянная, измерив время пролёта лазерного луча туда и обратно, можно определить расстояние, на которое переместился свет, которое будет в два раза больше расстояния между сканером и поверхностью объекта. Допустим, (t) – это время пролёта луча туда и обратно, тогда расстояние равняется c(t/2). Точность времени пролёта лазерного луча 3D-сканера зависит от того, насколько точно мы можем измерить само время (t): для преодоления лазером расстояния в 1 миллиметр необходимо приблизительно 3,3 пикосекунды.
Ссылка: https://youtu.be/Uym4RA3hmW4

Времяпролетные делятся на два типа
Лазерные импульсные 3D-сканеры : Сканеры на основе лазерных импульсов, также известные как времяпролетные сканеры, основаны на очень простой концепции: нам достоверно известна скорость света. Таким образом, если известна длительность времени, в течение которого лазер достигает объекта и отражается от датчика, легко вычисляется расстояние от датчика до объекта. Эти системы используют схемы работающие с точностью до пикосекунд, чтобы измерить время, которое требуется миллионам импульсов лазера для возврата к датчику, и рассчитать расстояние. Вращая лазер и датчик (обычно с помощью зеркал), сканер может сканировать пространство до 360 градусов вокруг себя.
Рассчитаны на дальние расстояния
2. Фазовые лазерные 3D-сканеры
еще один тип технологии 3D-сканеров, основанных на времяпролетном принципе, и концептуально работают аналогично импульсным сканерам. В дополнение к пульсации лазера, эти системы также модулируют мощность лазерного луча, и сканер сравнивает фазу отправленного и возвращенного к датчику сигнала. Измерения сдвига фаз обычно более точные, но фазовые сканеры не так удобны для сканирования на большие расстояния, как импульсные. Времяпролетный лазерный 3D-сканер с этой технологией может сканировать объекты на расстоянии до 1000 м, тогда как сканеры с фазовым сдвигом лучше подходят для сканирования объектов на расстоянии до 100 м.
Фазовые сканеры используют безопасный для глаз лазер, при этом скорость измерений превышает скорость импульсных сканеров в 10-100 раз.

Сравнение импульсных и фазовых сканеров

Преимущества времяпролетных сканеров
Суммируя информацию о принципе работы и различиях двух типов времяпролетных сканеров, выделим их основные преимущества:
3D-сканирование миллионов точек за одно сканирование — до 1 миллиона точек в секунду;
Большая область сканирования (до 1000 метров);
Хорошая точность и разрешение, в зависимости от размера объекта;
Бесконтактный принцип работы для безопасного сканирования всех типов объектов;
Портативность.

Механизмы 3-д сканирования
Механизм 3d-сканера имеет три различные формы:
Первый вариант подходит для сканирования цельных плоских или объемных поверхностей. Каретка сканера оснащена щупом, который зафиксирован в перпендикулярном направлении. Исследование объекта происходит в момент движения щупа вдоль каретки.
Для изучения внутреннего пространства предмета, его рельефа и углублений подходит сканер, оснащенный высокоточным датчиком. Который способен воспроизводить сложнейшие математические вычисления.
Использование двух вышеописанных методов. Манипулятор с датчиком совмещают с кареткой, это дает возможность сканировать крупные предметы, имеющие сложную конструкцию или, предметы, перекрывающие друг друга.

Оптический сканер
Оптический сканер представляют собой ручное оборудование, устанавливающееся на штатив.
Принцип работы оптического сканера заключается в съемке объекта, на который направляется специальная подсветка, с помощью одной или нескольких камер с разных ракурсов.
Некоторые модели сканеров воспроизводят изображения с цветной текстурой.
Оптический 3D-сканер состоит из видеокамеры и проектора. Устройство подключается к компьютеру. На сканируемый предмет проецируется некий контрастный узор. Видеокамера, расположенная на определенном расстоянии от предмета, фиксирует изображение и передает в ПО, которое по искажениям узора формирует 3d-модель.
https://youtu.be/lOzG44RkoN0

Области применения оптических лазерных сканеров
3 D-сканеры на основе видеокамер есть как более-менее универсальные, так и узкоспециализированные. В целом, эта технология сканирования применима практически во всех областях, например:
метрологический контроль;
реверс-инжиниринг;
стоматология;
медицина;
музейное дело, реставрация;
сувенирное производство;
криминалистика.

Оптический сканер: принцип работы
Принцип работы оптических 3D-сканеров прост, процесс сканирования заключается в подсвечивании объектов создаваемым проектором структурированным светом и съемки отраженного света с определенных ракурсов. Объект сканирования засвечивают световой полоской или паттерном – эталонным монохромным рисунком. Перерабатывая отраженный сигнал и высчитывая расположение точек его поверхности, на основе разницы между спроецированным и отраженным изображением, компьютер получает информацию для построения 3D-модели

Принцип работы:1. Самый простой
Самый примитивный вариант — одна фотокамера, а сканируемый объект располагается на контрастирующем фоне. Дальше необходимо либо камеру двигать вокруг объекта, либо поворачивать сам объект, трехмерная модель формируется по набору полученных снимков, а точнее — по массиву силуэтов на фоне. Качество сканирования минимально, для сложных объектов с выраженным рельефом не подходит — вогнутые области не будут распознаны.
Так обычно работают приложения 3D-сканирования для смартфонов.

Принцип работы: 2. С двумя камерами
Другой способ пассивного сканирования — стереоскопический, работает по принципу, схожему с человеческим зрением. Две камеры одновременно фотографируют объект, и по различию изображений рассчитывается расстояния до точек поверхности.
По массиву полученных данных выполняется построение 3D-модели. Более точная технология в сравнении с силуэтной, но для серьезной работы все равно не годится.

Принцип работы: 3. С структурированным подсветом
Структурированный свет — ключ к получению высокоточной модели. 3D-сканер состоит из видеокамеры и проектора, оба устройства подключены к компьютеру.
На объект сканирования проецируется контрастный узор, например, черные и белые полосы.
Видеокамера, расположенная на известном расстоянии от объектива проектора и направленная в ту же точку, фиксирует изображение и передает в ПО, которое по искажениям полос формирует цифровую модель поверхности объекта.
В более продвинутых сканерах применяется две камеры, бывает и больше.

Структурированный подсвет
Метод 3D-сканирования на основе структурированного подсвета (ССП) основан на проецировании узоров с чередующимися повторяющимися изображениями (паттернами) в виде линий, перекрестий, точек, звёздочек, параллельных или пересекающихся волнистых линий

Отличие технологий сканирования (плоское, объемное) в способе технического применения

Стационарный 3-д сканер на основе технологии структурированного подсвета
Для оптических 3D-сканеров, устанавливаемых на штатив, распространенный конструктив — направляющая, в центре которой зафиксирован проектор. Слева и справа — две камеры, положение которых может регулироваться. По такому принципу построены, например, обладающие хорошим соотношением цена-точность RangeVision Smart и Spectrum или высокоточные Aicon SmartSCAN-HE и StereoSCAN.
Стационарные 3D-сканеры работают в постоянной связи с компьютером или ноутбуком, для подключения обычно используются интерфейсы USB для каждой камеры и HDMI – для проектора.
Проектор
Камера 1
Камера 2
Штатив

Ручной оптический сканер
Для выездного сканирования или работы с большими объектами используются ручные 3D-сканеры, совмещающие в одном блоке камеры, проектор и электронику для базовой обработки получаемых данных. Такие сканеры должны обеспечивать сшивку «на лету» отсканированных фрагментов, когда оператор совершает обход вокруг объекта сканирования. Типичный кейс применения — полное или частичное сканирование автомобилей, мебели, могут использоваться и при создании 3D-копий фигур людей.
Характерный пример ручного 3D-сканера со структурированной подсветкой — Artec Eva. Аппарат может работать автономно, с аккумулятором и планшетным ПК. Способен сканировать в цвете и при совмещении фрагментов дополнительно использует стыковку по текстуре, для большей точности.

Технологии ручных сканеров
структурированного подсвета :
для подсветки объекта сканирования используется проектор (световые линии или световой паттерн
сканеры с лазерной маской:
Для подсветки -источник лазерного излучения (лазерных линий)
Общее: Для захвата преломления световых линий или лазерных линий на геометрии изделия, обсчёта данных и генерации виртуальных поверхностей по методу триангуляции используются две камеры с фиксированным углом схождения объективов.

Сканеры с лазерной маской- это также оптические сканеры!!!!
Часто сканеры с лазерной маской называют лазерными сканерами, но это не совсем верно, т.к. это оптические устройства, так же использующие две камеры для захвата геометрии.

Преимущества ручных сканеров
Ручные мобильные сканеры обладают минимальными ограничениями по портативности и габаритам изделий. В отличие от сканеров на шарнирных манипуляторах у ручных 3D-сканеров нет привязки к системе координат, нет нуля координат. При работе с маркерами ручные сканеры не восприимчивы к производственным вибрациям.

Технология создания скана
3D-сканеры при сканировании делают снимки (кадры; фреймы от английского «frames»). Снимки изделия с разных ракурсов затем объединяются в единую модель. Объединение кадров осуществляется несколькими методами:
по текстуре (цвету объекта сканирования);
по геометрии (характерным геометрическим особенностям);

Технология создания скана
по маркерам, предварительно нанесённым на объект сканирования или вокруг него (реперным точкам).

Технология создания скана
Стоит отметить, что для сшивки (регистрации) кадров в один скан могут использоваться комбинированные алгоритмы, текстура + геометрия. Но максимально точным алгоритмом сшивки является регистрация, сшивка по маркерам (меткам).
Метки для сканеров структурированного подсвета представляют собой либо одноразовые наклейки белого или черного цвета в окантовке, либо магнитные метки, те же наклейки, нанесённые на магнитную подложку (многоразовый вариант для магнитных поверхностей). Окантовка используется для контрастности.

Отличие лазерных и оптических сканеров (преимущества, недостатки)
При 3d сканировании человека, используется оптический трехмерный сканер, поскольку он способен совершить данный процесс за более короткое время, в отличие от лазерного;
Высокая точность у оптического сканера;
Использование оптических 3D сканеров не рекомендовано при работе с блестящими, прозрачными или стеклянными поверхностями;
У оптического большая скорость сканирования
Стоимость оптического выше;

Принцип работы «меток» в технологии оптического сканирования

Лидирующие ПО для оптического сканирования и обработки поверхности