1 Czym jest skanowanie 3D?

1
Czym jest skanowanie 3D?
Skanowanie 3D – metoda przenoszenia rzeczywistego kształtu trójwymiarowego modelu do postaci
cyfrowej.
Pierwsza koncepcja projektu często nie powstaje w postaci cyfrowej z wykorzystaniem programów
graficznych zaś jest to model wykonany w modelarni przy użyciu pianki modelarskiej bądź gliny.
Dopiero na podstawie tak stworzonego prototypu budowany jest model komputerowy.
Niektóre kształty, których uzyskanie doświadczonemu modelarzowi zajmuje zaledwie kilka godzin
są niezmiernie trudne do odtworzenia za pomocą narzędzi cyfrowych. W tym momencie z pomocą
przychodzą nam nowoczesne metody skanowania 3D.
Skanowanie 3D w znaczący sposób przyspiesza proces projektowania i znalazło zastosowanie
głównie w Inżynierii Odwrotnej (Revers Engineering) ale także w grafice komputerowej, archeologii,
muzealnictwie czy też medycynie.
Wśród metod skanowania 3D można wyróżnić dwie główne grupy:
- Metody bezstykowe
- Metody stykowe.
W metodach stykowych wykorzystywane są takie narzędzia jak:
- współrzędnościowe maszyny pomiarowe wyposażone w głowice skanujące
- ramiona pomiarowe
- obrabiarki CNC wyposażone w odpowiednie oprogramowanie i głowice skanujące
Taki sposób pomiarowy wymaga bezpośredniego kontaktu głowicy pomiarowej z mierzonym
modelem oraz jest dość trudny i czasochłonny a dodatkowo istnieje możliwość uszkodzenia czy
zmiany geometrii powierzchni przedmiotu skanowanego (w przypadku materiałów w przypadku
których istnieje zwiększone ryzyko uszkodzenia jest możliwość wykorzystania głowicy
rezonansowej).
Wady takie nie istnieją w przypadku metod bezstykowych, w których wykorzystywane są najczęściej
pomiary optoelektroniczne:
- skanery laserowe
- skanery wykorzystujące różnego rodzaju metody wizyjne (przede wszystkim światło strukturalne).
Dodatkowo do grupy tej możemy zaliczyć:
- specjalizowane skanery ultradźwiękowe i radarowe oraz
- urządzenia wykorzystywane w medycynie takie jak tomograf komputerowy CT czy rezonans
magnetyczny NMR.
Działanie skanera laserowego
Wykorzystując skaner laserowy mamy możliwość w sposób automatyczny zarejestrować kształt
oraz barwę skanowanego przedmiotu.
Układ pomiarowy skanera składa się z:
- Laser małej mocy emitujący światło pomarańczowoczerwone lub podczerwone
- Obrotowe lustro umożliwiające sterowanie kierunkiem wiązki lasera – dzięki temu uzyskujemy
większą precyzję w kierowaniu laserem
- Przetwornik CCD wysokiej rozdzielczości.
W czasie skanowania miejsce podświetlone przez wiązkę lasera rejestrowane przez kamerę
wyposażoną w filtr przepuszczający wyłącznie światło lasera.
Dane o geometrii skanowanego obiektu otrzymywane poprzez obliczanie najintensywniej
oświetlonych na matrycy CCD punktów i połączeniu ich z informacją o odchyleniu lustra.
Aby umożliwić zeskanowanie obiektu z każdej strony umieszcza się go na sterowanym
komputerowo stole obrotowym.
Doskonałym przykładem tak działającego urządzenia jest skaner NextEngine HD.
Skaner NextEngine HD
Coraz większe zapotrzebowanie na nowoczesne techniki projektowania takie jak Inżynieria
Odwrotna- Revers Engineering jak i Rapid Prototyping oraz większe wymagania potencjalnych
klientów wymusza na firmach ciągły wzrost jakości ich usług i produktów.
NextEngine aby sprostać tym potrzebom rynkowym umożliwia skanowanie obiektów w technologii
HD.
Rys.1. Skaner NextEngine HD
Co daje skanowanie HD?
Dzięki wykorzystaniu technologii HD obiekt jest skanowany z dużo większą dokładnością. Mamy
możliwość zebrania znacznie większej ilości punktów w czasie pomiaru dzięki czemu uzyskujemy
większą dokładność powierzchni co nie było możliwe do osiągnięcia w tak krótkim czasie.
Rys.2. Porównanie wyników skanowania: Standardowo (po lewej) oraz HD (po prawej).
Nowe skanery są już dostępne na rynku.
Firma NextEngine udostępnia również oprogramowanie służące do późniejszej obróbki wyników
skanowania. W ofercie znajduje się:}
- ScanStudio HD – aplikacja dołączana do każdego skanera HD, w której otrzymujemy pełny model
siatkowy wraz z teksturą powierzchni w pełnej kolorystyce modelu skanowanego.
Istnieje możliwość eksportu wyników pracy do formatów STL, VRML, OBJ oraz U3D.
- ScanStudio CAD Tools – aplikacja pomagająca w stworzeniu z wyników skanowania modelu CAD
wykorzystując w tym celu automatyczne budowanie powierzchni bazując na krzywych typu NURBS.
Utworzony w ten sposób model możemy zapisać w formatach IGS lub STEP.
- RapidWorks – aplikacja bazująca na technologii RapidForm XOR co umożliwia transformację
skanu 3D do pełni parametrycznego modelu SolidWorks wraz z drzewem operacji.
Działanie skanera wykorzystującego światło strukturalne
Zasada działania skanera wykorzystującego światło strukturalne jest podobna do skanera
laserowego. Różnica polega na wykorzystaniu do podświetlenia badanego przedmiotu światła o
zadanej strukturze a nie lasera jak we wcześniej opisanej metodzie.
Zazwyczaj wykorzystywane są tu linie białego światła (rastr o znanych parametrach – zestaw linii o
zadanej gęstości), które są projektowane na skanowany model.
W dalszej kolejności zbierana jest informacja o zniekształceniu linii rzutowanej na mierzoną
powierzchnię, które jest adekwatne do kształtu modelu. Obraz zarejestrowany przez kamerę jest
następnie poddany analizie komputerowej.