Принципы работы 3D-сканера. Виды сканеров, технологии и методы сканирования

В настоящее время мало кто не знаком с таким понятием как 3д печать. Многие компании вовсю пользуются современными 3д принтерами, воссоздавая с их помощью макеты различных форм и размеров. Существуют и такие, которые воссоздают предметы целиком — не только маленькие (например, чехлы для телефонов, сувениры, кроссовки), но и большие (дома, запчасти для двигателей и т. п.). Вот только все это было бы невозможно без 3д сканеров. Именно они позволяют точно копировать практически все что угодно — от огромных зданий и сооружений до человека, животных, маленьких предметов и многого другого.

Что такое 3D-сканирование и для чего его используют

Трехмерное сканирование представляет собой технологию, появившуюся еще в 60-х годах 20-го века. Она создавалась с целью перенесения физических параметров объекта в цифровой формат в виде объемной модели. Необходимость в этом естественно возникла, когда люди во всем мире все больше стали использовать компьютеры как в повседневной жизни, так и на производстве.

Первые образцы 3D-сканеров были довольно просты и не обладали широким функционалом. Постепенно они усложнялись и совершенствовались, позволяя добиваться все более четкого изображения объекта. Особенно это стало актуальным с появлением лазеров.

Трехмерные сканеры позволяют переносить данные об объектах в цифровой формат

3д сканирование позволило открыть новые возможности в различных областях человеческой деятельности — начиная от автомобилестроения и военной промышленности и заканчивая сферой дизайна, медицины и кино.

Как работает 3D-сканер

3д-сканер — это устройство, которое исследует какой-либо предмет, оцифровывая его с помощью датчиков, и использует полученную информацию для создания трехмерной модели. По сути, 3д сканер создает цифровую копию физического объекта любой конфигурации и степени сложности. Этим он принципиально отличается своих предшественников — обычных сканеров, способных лишь считывать информацию с документов и фото.

Сам процесс сканирования может происходить по-разному — в зависимости от вида 3д устройства и применяемой технологии, а также от того, какой объект требуется обработать с его помощью — движущийся или статичный.

Технологии 3D-сканирования

Существует 2 основных вида 3д сканеров — лазерные и оптические. Их принципиальное отличие состоит в том, как и с помощью чего происходит «снятие» данных. Рассмотрим подробнее обе.

Лазерное 3D-сканирование, как уже понятно из названия, происходит с использованием лазера и может осуществляться как на ближних, так и на дальних расстояниях от объекта.

Лазерный сканер

В большинстве своем лазерные 3D-сканеры работают по принципу триангуляции, когда камера находит луч на поверхности предмета и измеряет расстояния до него, после чего создается облако точек, каждая из которых имеет свои координаты в пространстве, и строится 3д-модель. Их «плюсы» — доступная цена и простота в применении в совокупности с высокой точностью сканирования. Из «минусов» — есть ограничения по удаленности и размерам объекта.

Другая разновидность лазерных сканеров работает, измеряя время отклика луча от поверхности объекта — так называемый лазерный дальномер. Широко применяются там, где необходимо создавать 3д модели различных зданий и сооружений. Их нецелесообразно использовать на небольших расстояниях, так как в таких случаях время отклика очень мало и точность данных снижается. В остальном же этот вид сканеров отличается высокой скоростью сканирования и способностью считывать все детали.

Недостатком лазерных сканеров является невозможность их применения на движущихся объектах. Тогда на помощь приходят оптические 3D-сканеры, которые снимают одной или несколькими камерами с разных ракурсов подсвеченный специальным проектором предмет. На основе полученной картинки и строится трехмерное изображение.

Оптический сканер

«Противопоказанием» для применения этой технологии служат отражающие и пропускающие свет поверхности — блестящие, зеркальные или прозрачные. А вот при сканировании человека они просто незаменимы.

Методы 3D-сканирования

Оцифровывать любой объект можно как контактным, так и бесконтактным способом. В первом случае необходимо активное взаимодействие с предметом, во втором, соответственно, нет. Оба этих метода имеют свои преимущества и недостатки.

Контактные 3D-сканеры

Имеют механический щуп со специальным датчиком, который проводит замеры параметров и собранную информацию передает на устройство. Для этого исследуемый предмет помещают на специальную поверхность и закрепляют (если нужно). Такой плотный физический контакт дает возможность максимально точно определить и построить затем 3д-картинку, правда, есть небольшой риск повреждения прототипа.

Бесконтактные 3D-сканеры

К этой категории относятся все устройства, способные осуществлять сканирование на расстоянии. Особенно это актуально для объектов, расположенных в труднодоступных местах.

Бесконтактный 3д сканер

Поток излучения (это может быть ультразвук, свет, рентгеновские лучи или лазер) направляется на объект и отражаясь от него, распознается 3д сканером. Они схожи по принципу действия с видеокамерой и могут требовать использования дополнительных устройств для лучшего освещения.

Бесконтактные трехмерные сканеры бывают 2-х видов:

• Активные — работают при помощи направленного на объект луча лазера или структурированного света, которые, отражаясь, дают информацию о местонахождении предмета в виде координат.

• Пассивные — используют времяпролетные дальномеры, которые считывают время и расстояние, которое проходит лазерный луч до предмета, и так — по каждой точке в пространстве, что в итоге позволяет точно воссоздавать его трехмерное изображение.
  
  

Очень востребованными и распространенными являются настольные 3д сканеры, поскольку они в большинстве своем просты и безопасны в эксплуатации, не требуют каких-то специальных технических навыков и стоят довольно дешево. 3D сканер EinScan-SE — один из таких примеров. Его можно применять как дома, так и в офисе. Он имеет доступ к API многих популярных 3D принтеров, что дает возможность сразу отправлять на печать созданную трехмерную модель.

Виды 3D-сканеров по принципу использования

Здесь также существует разнообразие видов. Выделим основные:

• Ручные: удобные и простые модели, которыми легко пользоваться, так они довольны компактны и не требуют особых навыков. Правда, и их технические возможности могут быть несколько ограниченными..

• Портативные: применяются в основном для работы на выезде, их удобно брать с собой.

• Настольные: имеют расширенную функциональность и применяются для создания качественных 3д-моделей. Используются чаще всего в офисах.

• Стационарные: задействованы, как правило, на производстве, различных предприятиях, так как могут сканировать сразу большое количество однотипных объектов. Устанавливаются на специальных поворотных столиках.
  
  

Ручной 3д сканер Calibry

Такой выбор изделий позволяет подбирать нужную модель под определенную задачу. В одних случаях сканеры самостоятельно производят замеры объектов, в других — при помощи человека, который последовательно перемещает устройство, пока не будет собрана вся необходимая информация.

Высоким спросом у покупателей пользуются такие варианты ручных 3д сканеров, как Calibry. Несмотря на кажущуюся простоту исполнения, он обладает высоким разрешением и точностью сканирования, благодаря чему способен оцифровывать объекты длиной от 0,2 до 10 метров. Не станут проблемой и предметы, имеющие нестандартную поверхность — темную или блестящую, с большим количеством углов и мелких деталей. Помимо всего прочего, его несомненный плюс — это маленький вес, всего 900 граммов. 

Преимущества и недостатки трехмерных сканеров

Наверняка многие из потенциальных покупателей задаются вопросом: а так ли нужен 3д сканер, чтобы вкладывать в него немалые деньги? Что может дать это приобретение и будет ли оправдано такое вложение средств?

Трехмерное сканирование стало неотъемлемой частью любого современного производственного процесса

Для того, чтобы понять, насколько вам необходимо данное оборудование, мы перечислим его преимущества и недостатки.

Преимущества:

• Дают возможность сканировать объекты, расположенные на удаленном расстоянии и в недоступных для присутствия местах.

• Обладают способностью «считывать» не только цвета и изображения, но и передавать текстуру поверхности.

• Существенно ускоряют процесс «снятия» данных с любого объекта, даже очень сложного по форме, с большим количеством плоскостей.

• Разнообразие моделей позволяет подобрать наиболее удобный вариант сканера, в том числе ручной или портативный, который легко можно взять с собой.

Недостатки:

• Некоторые сканеры не способны распознавать прозрачные или черно-белые предметы. В этом случае требуется их предварительная подготовка (обработка специальным составом).

• Не всегда корректно отображаю сложные объекты, с большим количеством вставок и перегородок.

• Для получения качественного результата требуют умений и навыков работы с определенными компьютерными программами по созданию 3д моделей.

• При постоянном нарушении правил эксплуатации может возникнуть необходимость в дорогостоящем ремонте оборудования.

Если вам нужны высокоточные и качественные трехмерные копии объектов, то тут без 3д сканера не обойтись. Он дает возможность работать практически в любых условиях — в помещении и на выезде, и с любыми предметами по виду и размеру. Неудивительно, что сейчас эти устройства очень востребованы, что порождает ежегодный выпуск большого количества моделей, из которых вы всегда сможете подобрать подходящую вам по качеству и цене.

Что следует учитывать при выборе 3D-сканера

Рынок компьютерного оборудования предлагает огромное количество всевозможной техники, в том числе и аппаратов для трехмерного сканирования. Сориентироваться в том разнообразии бывает порой совсем не просто: одних покупателей волнует исключительно стоимость, других интересует количество опций (иногда абсолютно бесполезных), ну а самые дальновидные смотрят на соотношение первого и второго.

Выбор подходящего 3д сканера — дело ответственное

Учесть все технические моменты, которые могут значительно повлиять на то, какой результат будет в итоге достигнут, не всегда просто. Мы подскажем вам, на что следует обратить внимание, если вы задумались о покупке 3д сканера.

Ориентируйтесь на следующие параметры:

• Насколько высока точность 3д сканера. Это — одна из самых важных характеристик. На нее надо ориентироваться в первую очередь.

• Разрешающая способность также играет не последнюю роль. Вытекает из первого, так как именно от разрешения зависит точность измерений и качество копирования.

• В каком диапазоне работает устройство, насколько близко/далеко может находиться от объекта сканирования.

• Поле сканирования — параметры того предмета, вещи, которую способен обработать за 1 сеанс.

• Захватывает ли сканер различные нетипичные виды поверхностей со сложным рельефом — каналами, перегородками, отверстиями и т.д.).

• Портативность, мобильность устройства — то, насколько легко его можно перемещать при желании, брать с собой, его размеры.

• Время, которое требуется на подготовку к работе, а также длительность самого процесса оцифровки.

• Диапазон возможностей в плане копирования: есть ли какие-либо ограничения по формам, текстурам, материалу, а также условиям эксплуатации — температуре, освещенности и т. д.

Конечно, чем лучше качество работы 3д сканера — тем он дороже. Тем не менее, вы должны ориентироваться прежде всего на те задачи, которые перед вами стоят, а уже потом принимать во внимание все остальное.

Области применения

Трехмерные сканеры востребованы во многих сферах человеческой жизни. Они незаменимы как в промышленности, так и для бытовых нужд. Спектр их применения настолько широк, что можно перечислять очень долго. Проще сказать, где они не нужны.

Самые распространенные области использования — это, конечно, медицина, промышленность, архитектура, строительство, киноиндустрия и дизайн.

Например, в стоматологии эти устройства позволяют создавать сверхточные трехмерные модели зубных протезов. Один из видов такого сканера — это AutoScan DS-EX PRO от Shining 3D, который прекрасно справляется со множеством задач и при этом вполне доступен по цене и надежен. 

3д сканер, используемый в медицинских целях

В инженерном деле также не обойтись без подобных технологий. Цифровые прототипы зданий сейчас получить гораздо проще и быстрее, чем раньше, когда для этого требовались множественные замеры вручную с последующим занесением их в базу данных. Любой физический объект сейчас можно воссоздать в трехмерном форме, причем, в кратчайшие сроки и с минимальной погрешностью.

В кинотеатрах мы можем наблюдать воочию «оживших» фантастических персонажей, при создании которых применялась технология захвата движений, что позволило их сделать максимально реалистичными и впечатляющими. Это было бы невозможно без 3д сканеров.

Еще несколько десятилетий назад трудно даже было представить себе все то, чем мы сегодня пользуемся постоянно. И во многом это стало достижимым благодаря трехмерной оцифровке. Такой подход дает огромные преимущества в работе (особенно техническим специалистам — инженерам, проектировщикам, дизайнерам), однако, чтобы использовать их по максимуму, необходимо также разбираться и в компьютерных программах для 3д сканирования. 

Подробнее на эту тему мы поговорим в одной из наших следующих статей. И если вы хотите узнать об этом больше — следите за обновлениями.