Лазерные 3D-сканеры: обзор и применение

Содержание

• Введение
• Назначение лазерных сканеров
  • Строительство и ремонт зданий и сооружений
  • Транспорт
  • Коммунальные предприятия и технологические установки
  • Морские установки по добыче нефти
  • Судебная экспертиза
  • Другие сферы применения
• Производители и новинки
  • FARO Focus
  • Leica Geosystems
  • SHINING 3D
  • Creaform
  • ScanTech
    • Серия Handheld 
    • Серия Composite
• Применение лазерных 3D-сканеров
  • Изготовление протезов с помощью ScanTech iReal
  • Сокращение расходов и сроков в строительстве с помощью FARO Focus
  • Реконструкция торгового центра с помощью сканеров Leica
  • Тестирование Creaform HandySCAN 700 в Reverse Engineering
  • Контроль качества: решение от ScanTech
  • Использование сканеров Creaform в метрологии
  • Мировой тур Джастина Тимберлейка и сканеры FARO
• Рекомендуемые модели оборудования
• Заключение

Введение

Лазерное 3D-сканирование — это  технология бесконтактного неразрушающего контроля, которая в цифровом формате фиксирует форму физических объектов с помощью лазерного луча. Лазерные 3D-сканеры создают «облака точек» данных с поверхности объекта. Другими словами, трехмерное лазерное сканирование — это способ запечатлеть и передать точный размер и форму физического объекта на компьютер в виде цифрового трехмерного изображения. Об областях применения лазерного сканирования, частных случаях такого применения и используемом оборудовании читайте подробнее в статье.

Источник: 3dnatives.com

Лазерные 3D-сканеры измеряют мельчайшие детали и фиксируют произвольные формы для быстрого создания высокоточных облаков точек. Трехмерное лазерное сканирование идеально подходит для измерения и проверки контурных поверхностей и сложных геометрий, для точного описания которых требуются огромные объемы данных, а также для тех случаев, когда снять данные традиционными методами практически невозможно.

Далее рассказываем о сферах применения, новинках на рынке лазерной техники и примерах ее использования.

Назначение лазерных сканеров

Лазерные 3D-сканеры находят свое применение в самых разных сферах. Наиболее часто применяются в областях описанных ниже.

Строительство и ремонт зданий и сооружений

Источник: http://www.ellisdon.com

Лазерное 3D-сканирование используют для получения модели рельефа участка — для предварительной оценки необходимых подготовительных работ, а затем в ходе строительства — для контроля качества. При проектировании ремонта и реконструкции часто встречаются неполные или неточные исполнительные чертежи для существующего здания. Лазерное 3d сканирование объектов, в частности зданий, может использоваться для разработки точных 3D-моделей интерьера и экстерьера существующих зданий, давая наиболее полную и объективную информацию об объекте для разработки будущих дополнений и реконструкций.

Транспорт

Источник: https://www.autodesk.com

Трехмерное сканирование используется при строительстве и обслуживании дорог и мостов, включая топографическую съемку дорог, профилирование поверхности дорог и тротуаров, расчеты объема дорожного покрытия, обследования перекрестков, создание исполнительных чертежей мостовых конструкций и оценку повреждений мостов. 3D-сканирование также используется при техническом обслуживании и строительстве туннелей, аэропортов, железных дорог, портов и гаваней.

Также лазерные 3D-сканеры используются в производстве автомобилей (как компьютерное зрение роботов и для проверки качества деталей и выпускаемой продукции), ремонте автотранспорта, кастоме и тюнинге.

Коммунальные предприятия и технологические установки

Источник: http://3dscanner.es/

Лазерное 3д сканирование может точно документировать существующие условия на объектах, чем помогает минимизировать возникновение конфликтов между новыми и существующими компонентами при реализации проектов модернизации объекта. 3D-сканирование также позволяет удаленно мониторить и оценивать объекты, уменьшая требуемое количество персонала, работающего в опасных условиях.

Морские установки по добыче нефти

Источник: https://ramboll.com

Морские объекты нефтедобычи требуют высокого уровня контроля на протяжении всего их жизненного цикла. Конструкции морских нефтедобывающих платформ постоянно подвержены большим нагрузкам из-за перепадов температур, ветра и течений, воздействия агрессивной среды, а с помощью лазерного 3D-сканирования можно своевременно диагностировать малейшие отклонения в геометрии конструктивных элементов и предотвращать аварии, а в случаях, если они всё-таки происходят — быстро и безопасно оценить понесенный ущерб и объем необходимых для восстановления ресурсов.

Судебная экспертиза

Источник: https://www.faro.com/

3D сканирование может помочь с сохранением доказательств для судебно-медицинской экспертизы. Вместо того, чтобы полагаться на фото и полевые измерения, положенные вдоль вещдоков линейки, 3D-сканирование предлагает сохранить место происшествия в 3D-модели, включающей все расположения предметов, размеры и расстояния с высокой точностью. Созданную с помощью сканирования модель можно использовать во время следствия или судебного разбирательства.

Другие сферы применения

Источник: news.microsoft.com

Помимо упомянутых выше областей, лазерное 3D-сканирование применяется также в археологии — для восстановления исторических реликвий, в палеонтологии — для восстановления недостающих элементов скелетов ископаемых существ, в картографии (создании ГИС, карт, геоматики), в медицине, в том числе в стоматологии.

Производители и новинки

FARO Focus

Источник: https://ifworlddesignguide.com/

Один из лидирующих производителей на рынке лазерных сканеров FARO представил два аппарата Focus3D серии X, которые отличаются от своих конкурентов компактностью и легкостью. Примечательная особенность этих сканеров — способность сканировать при прямом солнечном свете и сохранять привязку к местности с помощью GPS.

Источник: http://uss3d.com.au

Модель FOCUS 3D X 130 подходит для сканирования интерьера помещений, архитектурных фасадов, производственного и логистического оборудования, крупномасштабных объектов и мест аварий. Диапазон измерения: 0,6 — 130 м, точность измерений на дальней дистанции: до +/- 2 мм. Подробные характеристики сканера смотрите на сайте.

Источник: https://www.youtube.com

Сканер Focus3D X 330 предназначен для наружных измерений и работает на расстоянии до 330 м. Точность измерения такая же, как и у предыдущей модели.

Источник: http://kkgeosystem.blogspot.com

Leica Geosystems

Источник: https://survey.crkennedy.com.au

Производитель Leica Geosystems выпустил серию сканеров для наземного сканирования. Они позволяют определять геометрические параметры объектов с высокой точностью, благодаря чему применяются в таких сферах, как замеры зданий, мониторинг за изменениями зданий под действием каких-либо факторов, исполнительная съемка этапов строительства гражданских и промышленных объектов, создание и актуализация чертежей для реконструкции, сопоставление топопланов и транспортных накладных. Модели ScanStation P30, ScanStation P40, ScanStation P50 сканируют до 1 000 000 точек/с с миллиметровой точностью, а модель Leica RTC360 — до 2 000 000 точек/с.

Источник: http://disto.by

Последний также оснащен технологией Visual Inertial System, которая позволяет ему определять свое местоположение относительно предыдущей точки съемки, таким образом автоматизируя процесс сшивки облака точек.

SHINING 3D

Источник: http://en.shining3d.com/

Новая серия FreeScan от SHINING 3D — это ультрапортативные ручные лазерные 3D-сканеры FreeScan X3, FreeScan X5, FreeScan X7. Серия FreeScan применима для широкого спектра рабочих пространств и объектов. Ниже таблица основных технических характеристик трех моделей.

Creaform

Источник: https://www.youtube.com

Производитель Creaform также выпустил линейку лазерных сканеров SCAN 3D, в которой представлены три модели Go!SCAN 3D, HandySCAN 3D, MetraSCAN 3D . Это легкие ручные сканеры, которые отличаются простотой использования и не требуют профессиональной подготовки от оператора. Ниже приведена таблица с описанием характеристик моделей.

ScanTech

Серия Handheld

Источник: cmmxyz.com

Универсальные, легкие, быстрые и с высокой детализацией изображения, 3D-сканеры серии HandHeld Prince могут использоваться для проектирования, реверс-инжиниринга, контроля качества, 3D-оцифровки культурных ценностей и т.п. Функционирование сканеров этой серии не зависит от уровня или колебаний внешнего освещения. Благодаря использованию красных и синих лазеров, устройства серии Prince могут легко сканировать как большие изделия, так и маленькие предметы.

Технические характеристики

Серия Composite

Источник: twitter.com

3D-сканер KSCAN20 объединяет встроенную систему фотограмметрии и режим двойного лазерного сканирования. Сканирование красным и синим лазером дает высокую скорость работы (650 000 измерений/с), высокую детализацию с разрешением 10 мкм и точностью 0,020 мм. Фотограмметрическая система расширяет область сканирования до 2500 мм × 3000 мм и повышает объемную точность до 0,035 мм/м. 

Технические характеристики

Применение лазерных 3D-сканеров

Изготовление протезов с помощью ScanTech iReal

Источник: https://www.3d-scantech.com

69-летний альпинист из Китая Ся Боюй с пятой попытки покорил Эверест с протезами на ногах, созданными с помощью 3D-сканера iReal. Использование 3D-сканирования в этой сфере помогает не только в изготовлении более качественных протезов, но и значительно облегчает процесс для пациента и изготовителя.

В основе традиционного способа изготовления протезов лежит многочасовая ручная работа профессионалов. Огромным минусом традиционного способа также является отсутствие возможности сохранить точные данные, в результате чего реконструкция при повреждениях занимает много времени и усилий. Гипсовую модель нужно создавать вручную, измерения могут быть неточными, а сам протез может привести к опуханию конечности, болям и атрофии мышц.

Источник: https://www.3d-scantech.com

Объединив технологии 3D-сканера iReal и 3D-печати, медикам удалось намного сократить время и стоимость изготовления протезов для ног, увеличив точность их размеров.

Для сравнения: традиционный способ измерений для протезирования занимает два дня, с помощью сканера — полчаса. Более того, полученные данные сохраняются и могут быть использованы в дальнейшем для коррекции протеза. Это значительно облегчает процедуру для пациентов как в физическом, так и в психологическом плане.

Сокращение расходов и сроков в строительстве с помощью FARO Focus

Источник: https://www.autodesk.com

Американская строительная компания Gilbane вложила $60 000 в покупку лазера FARO Focus-S 350 и программного обеспечения, а также в обучение персонала. Звучит как слишком крупная инвестиция для небольшой компании, но это вложение окупится очень быстро.

Директор Gilbane по виртуальному проектированию в строительстве Джон Точчи мл. комментирует эту ситуацию так: 
«Мы обнаружили, что внедрение лазерного сканирования может быть нелегким из-за стоимости, но если вы им владеете, вы найдете варианты его применения, о которых даже не подозревали. В одном проекте 30 минут времени сканирования в полевых условиях и 30 минут постобработки и загрузки облака точек в модель Autodesk Revit сэкономили нам $30 000.» 

Источник: https://www.autodesk.com

Сборка и координация монтажа механической, электрической и водопроводной систем позволила сэкономить на доработках в каждом проекте, в котором Gilbane использовала этот сканер. Предварительная виртуальная сборка воздуховодов и систем исключила необходимость работы на местах, которая могла занять несколько недель.

Пример успешного использования лазера FARO Focus-S 350 — реконструкция здания Kreger Hall Университета Майами.

Источник: https://www.elevar.com

Без сканера архитекторам пришлось бы работать с нарисованными вручную оригинальными чертежами 85-летней давности. С помощью аппарата, сотрудникам Gilbane удалось отсканировать 50 000 квадратных футов здания за один день. Они смогли  управлять всей механической, электрической, водопроводной, структурной и координационной деятельностью по проекту, основываясь на 3D-модели.

Реконструкция торгового центра с помощью сканеров Leica

Источник: https://leica-geosystems.com

Австралийская компания Project Surveyors получила заказ на создание архитектурно-структурной модели Revit для второго по величине торгового центра страны. В настоящее время торговый центр в Сиднее находится в процессе реконструкции, клиенту нужна была полная параметрическая модель Revit Building Information Modelling (BIM) для архитекторов, инженеров и руководителей объектов, чтобы точно спланировать необходимые работы. Измерение площади в 375 000 квадратных метров, с различными габаритными конструкциями, каскадными полами с различной высотой и переходами между корпусами, было одной из самых сложных задач за 43-летнюю историю существования фирмы.

Источник: https://leica-geosystems.com/

Специалисты использовали различные решения Leica Geosystems для сбора, моделирования и анализа данных. С помощью Leica ScanStation C10 и P20, геодезисты могли фиксировать мельчайшие детали. Leica ScanStation C10 использовалась для наружных фасадов и для больших конструкций внутри, таких как парковочные этажи, из-за ее способности работать с большими расстояниями. Leica ScanStation P20 была использована для обеспечения быстрого получения надежных данных внутри здания.

Источник: https://leica-geosystems.com

Для контроля съемки проектировщики использовали Leica TS15 и Leica MultiStation MS50. MultiStation также использовалась для сканирования окон. Создавая контрольно-измерительную сеть по всему периметру площадки и по всему торговому центру на каждом уровне, эти инструменты обеспечивали миллиметровую точность для совмещения сканов модифицированной конструкции. Цели лазерного сканирования координировались в пределах сети управления, для поддержания точности общих облаков точек.

В результате проекта было получено 3700 сканирований за 55 дней.

«Время не играет большой роли, если речь идет о получении нескольких сканов, но когда мы говорим о тысячах сканов, дело обстоит совсем по-другому. Благодаря экономии времени мы смогли увеличить нашу производительность как минимум на 50 процентов», 
— комментирует менеджер по пространственному планированию компании Project Surveyors.

Тестирование Creaform HandySCAN 700 в Reverse Engineering

Источник: https://www.aniwaa.com

При покупке сканера, в комплекте есть модель для тестирования — небольшая деталь с маркерами, на примере которой клиент может разобраться с возможностями и функционалом сканера.

Работники интернет-издания Aniwaa решили протестировать HandySCAN 700 как раз на примере такой модели. Это деталь среднего размера, имеющая довольно сложную структуру с множеством различных элементов. В их числе отверстия, сканирование которых обычно очень сложно, поскольку программное обеспечение пытается заполнить их, “додумывая” несуществующие участки.

Источник: https://www.aniwaa.com

Менее чем за пять минут была получена подробная трехмерная цифровая модель сложной поверхности детали. Использовались маркеры — белые метки с черными ободками, они поставляются со сканером в виде стикеров.

На любом этапе 3D-сканирования можно было удалить или добавить данные, чтобы получить более точную модель. Также можно выбрать и удалить ошибочные данные и метки. Результат сканирования представлен на фото выше.

Контроль качества: решение от ScanTech

Источник: https://www.3d-scantech.com

По сравнению с литьем и ковкой, штамповка листового металла дает более тонкие и легкие детали. При использовании пресс-форм можно достичь точности на микронном уровне, высокой повторяемости и максимальной идентичности технических характеристик деталей. Тем не менее, штампованные детали из листового металла зачастую имеют деформации и отклонения. Такие детали могут плохо влиять на сборку, поэтому контроль качества, гарантирующий точность изготовления, является очень важной процедурой. То же касается и литых деталей.

Принимая во внимание требования производителя, ScanTech решили использовать для контроля качества штампованных деталей ручной лазерный 3D-сканер PRINCE. Этот 3D-сканер оснащен режимом двойного лазерного сканирования. Режим красного и синего лазера можно легко переключать, в соответствии с различными требованиями к сканированию. Красный лазер обеспечивает высокую скорость измерений, как у обычных портативных 3D-сканеров, а сверхтонкий синий лазер отличается исключительной детализацией и точностью, как метрологические 3D-сканеры. Ниже можно видеть несколько фотографий процесса сканирования.

Шаг 1: прикрепление маркеров (2 минуты)

Источник: https://www.3d-scantech.com

Шаг 2: 3D сканирование (3 минуты)

Источник: https://www.3d-scantech.com

Источник: https://www.3d-scantech.com

Шаг 3: обнаружение контраста (3 минуты)

Источник: https://www.3d-scantech.com

На этом примере мы видим, что весь процесс очень простой. Пользователи могут комментировать ключевые области хроматограммы, чтобы получить конкретные значения отклонений и исправить ошибки. Таким образом, 3D-сканирование обеспечивает производство качественного оборудования.

Использование сканеров Creaform в метрологии

Источник: http://novabus.com

Производителю транзитных автобусов Nova Bus было необходимо проверить состояние заднего шасси и сравнить его с точками крепления радиатора. Цель — оценка степени деформации, которой подвергалось шасси во время установки. Традиционные методы измерения были отброшены сразу, поскольку работы должны были проводиться исключительно на территории компании, что делает невозможной установку промышленного измерительного оборудования.

Более того, некоторые зоны, которые нужно было измерить, находились на крыше автобусов, а конвейер должен был быть остановлен на время измерений, поэтому требовался компактный, портативный и быстрый прибор, чтобы как можно быстрее возобновить производство.

Источник: https://www.cnc.hu

Решение Creaform: использовать 3D-сканеры Creaform HandyProbe и MetraSCAN 70.

Результат: измерения были сделаны прямо на конвейерной линии, раньше намеченного срока, сопутствующие технологическому процессу вибрации и другие возможные помехи не повлияли на точность сканирования. Динамический режим позволяет заблокировать систему координат непосредственно на измеряемой детали, чтобы сохранить выравнивание на протяжении всего процесса измерения и сканирования.

Мировой тур Джастина Тимберлейка и сканеры FARO

Источник: https://www.disguise.one

Специалисты по лазерному сканированию команды ScanLAB сделали несколько сканов пейзажей Портлендского леса в штате Орегон, США, чтобы создать визуальные эффекты для мирового турне Джастина Тимберлейка «Man of the Woods».

Полученные изображения секвой проецировались лазерами на полупрозрачные панели над сценой и зрительным залом, создавая в воздухе яркое флуоресцирующее изображение природного ландшафта.

Источник: https://www.faro.com

Для создания визуального сопровождения концерта понадобился один день работы в зале и 40 сканов.

При сканировании команда ScanLAB использовала 2 сканера Faro Focus X 330 со штативами. 
Полученные данные сканирования были обработаны с помощью ПО Faro Scene 6.2., в котором проводилась фильтрация и выравнивание.

Источник: https://www.esa.int

Из-за большого размера проекционных поверхностей, для проекции требовались изображения высокого разрешения. Визуализации шириной более 10 000 пикселей не могли быть созданы в столь сжатые сроки другими методами, такими как фотография с последующей ручной обработкой.

Учитывая ограниченное время на съемку, способность 3D-сканера захватывать огромные объемы данных на расстояниях более 300 метров сыграла ключевую роль в реализации этого проекта. Команда смогла быстро загрузить и обработать данные сканирования, чтобы создать необходимые ​​визуальные эффекты, соответствующие концепции создателей шоу.

Рекомендуемые модели оборудования

Перечисленное в статье оборудование — продукция известных и зарекомендовавших себя производителей, с подтвержденным функционалом и стабильно высоким качеством исполнения и работы. Мы можем смело рекомендовать эти 3D-сканеры нашим читателям для решения широкого спектра задач в разных областях.

FARO Focus: Focus 3D S150, Focus3D S350

SHINING 3D: FreeScan X5 (X5+), FreeScan X7 (X7+)

Creaform: HandySCAN Black (Black Elite), MetraSCAN 350 (350 Elite), MetraSCAN 750 (750 Elite)

ScanTech: PRINCE 775, PRINCE 335, KSCAN20

Заключение

Источник: 3d-scantech.com

Как видно из приведенных примеров, лазерное 3D-сканирование повышает эффективность и облегчает работу во многих областях. Количество моделей многоцелевого и специализированного оборудования в этом сегменте, несмотря на относительную новизну направления, постоянно увеличивается и уже сейчас можно подобрать лазерный 3D-сканер для самых разных целей.

Top 3D Shop и производитель дают официальную гарантию на всё поставляемое оборудование, а также оказывают техническую поддержку и гарантийное обслуживание.