Программы для 3D-сканирования: обзор и применение на практике

Содержание

Вступление

Возможности современных 3D-принтеров и обрабатывающих центров с ЧПУ безграничны. Но работа над изготовлением детали всегда начинается с 3D-модели, а чтобы получить из заготовки или напечатать нужную деталь у инженеров есть два пути: разработать модель “с нуля” в программе трехмерного моделирования или воспользоваться возможностями 3D-сканирования и получить модель уже существующей вещи, чтобы затем отредактировать ее и использовать.

В этом обзоре говорим о 3D-сканировании и о том, какие устройства и программное обеспечение необходимы для получения 3D-моделей.

Назначение 3D-сканеров

Источник:3druck.com

Итак, 3D-сканеры позволяют получить трехмерную модель какого-либо предмета. Часто сканирование оказывается более удобным и быстрым способом получить модель, а иногда — и единственным из возможных. Например, не существует более надежного способа сделать модель какого-либо произведения искусства, а если вам нужен более массовый и востребованный в реальной жизни пример — 3D-сканирование применяется для автоматизации поиска дефектов и контроля размеров деталей в автомобильной и авиационной промышленности.

Интересно более повседневное применение? Приглядитесь к печати индивидуальной обуви, учитывающей все особенности строения стопы.

Источник: 3dprint.com

Виды 3D-сканеров

Источник: imakr.com

Для того, чтобы перенести пространственные характеристики какого-либо предмета в трехмерную модель можно воспользоваться одной из доступных технологий, 3D-сканеры бывают:

Оптические
Фотограмметрия
Отраженный структурированный свет
Лазерное сканирование
Другие
Механическое сканирование
Ультразвуковое сканирование

У каждой из них есть свои достоинства и недостатки.

Фотограмметрия

Этот метод позволяет строить модели объектов на основе множества фотографий, сделанных под разным углом. Чем больше снимков — тем более детальной получится модель. Поскольку в данном методе основой выступает математический алгоритм, вычисляющий положение точек в пространстве через оценку их взаимного расположения, в зависимости от освещенности и глубины резкости на разных снимках, то лучших результатов удастся достигнуть на фотоаппаратах с фиксированным фокусом и при условии равного расстояния до предмета, при движении снимающего по кругу.

Этот метод хорош тем, что позволяет получать приемлемые по качеству результаты даже с помощью камеры смартфона. Описание программ для 3d сканирования смартфоном и фотоаппаратом читайте в в этом обзоре.

Отраженный структурированный свет

Фото: 3dunderworld.com

В основе второго способа лежит отраженный структурированный свет. Этот метод уже требует специального оборудования, которое построено на принципе проецирования на сканируемый объект световой сетки. Ее искажение на объекте, которое считывается специальной камерой, позволяет получить очень точное представление о его форме.

Картинка: 3dnatives.com

Кроме того, этот метод позволяет получать результаты очень быстро, ведь для получения исходной информации о поверхности достаточно всего нескольких кадров. Альтернативный вариант подразумевает использование луча с изменяемой длиной волны — в этом случае удается полностью исключить влияние существующего освещения и получить полное представление о форме сканируемого объекта.

Лазерное сканирование

Фото: Shining 3D — сканирование 3D-сканером Shining 3D X7+

Это более медленный, но в некоторых случаях более точный способ получить информацию об объекте. Он активно применяется в дефектоскопии, поскольку позволяет получать данные о наличии и структуре даже мельчайших пор, что важно при производстве высоконагруженных элементов конструкций или сложных отливок, таких как головка блока цилиндров двигателя. Существует несколько вариаций этого метода. Триангуляционные лазерные сканеры измеряют смещение отраженного луча, прошедшего через специальную линзу, а времяпролетные строят рельеф сканируемой детали на основе изменения задержки возврата отраженного лазерного импульса.

Механическое сканирование

Фото: blum-novotest.com

Процесс механического сканирования самый медленный и самый точный. Это первый из используемых методов проверки линейных размеров, который реализован в массовом производстве в виде КИМ — координатно-измерительных машин.

Картинка renishaw.ru — КИМ Revo для пятиосевых измерений.

Механическое сканирование осуществляется зондом, который буквально ощупывает деталь. Метод не пригоден для работы с мягкими, пористыми, упругими, недостаточно прочными объектами.

Ультразвуковое / акустическое 3D-сканирование

Фото: ecplaza.net

Ультразвуковое сканирование чаще всего используется в медицине — в аппаратах для УЗИ, а также в речном и морском деле, в частности — в рыбной ловле. Современные эхолоты, как и аппараты для ультразвуковой диагностики, представляют собой частный случай звукового 3D-сканера — устройство испускает ультразвук в исследуемую среду, микрофоны устройства ловят отраженный сигнал, а компьютер создает трехмерную модель на основе полученных данных.

Картинка: amazon.com

В промышленности звуковое 3D-сканирование используется реже вышеназванных методов, обычно в дефектоскопии — для обнаружения каверн и пустот внутри изделий, а это отдельная большая тема, потому здесь этот метод подробно не рассматриваем.

Самый массовый метод

Из перечисленных методов, фотограмметрия — наиболее массовый, ведь при желании можно сделать 3d сканер из телефона android с приличной камерой.

При использовании любительского оборудования, такого как камера смартфона, 3D-сканирование фотограмметрией проводится обычно в развлекательных целях, но при съемке качественными камерами — и в более прикладных, например — в создании высококачественных 3d моделей для кино и компьютерных игр, при реставрации и репродукции произведений искусства.

Хороший пример: Как мы делали копию «Рабочего и колхозницы» Мухиной для музея Европарламента.

Также, и это первоначальное ее применение, фотограмметрия активно используется в картографии, геодезии, строительстве, архитектуре.

Различные методы лазерного сканирования, наряду со структурированным светом также весьма востребованы в разных отраслях науки и промышленности.

Механическое и ультразвуковое сканирование тоже применяются, но менее распространены.

Программное обеспечение

Источник: abatmenty.ru

Существует немало специализированых программ 3d сканеров — от любительских, для смартфонов и фотокамер, до весьма серьезных отраслевых и универсальных решений, позволяющих создавать точные 3D модели. Ниже — обзор наиболее функциональных из них.

Для работы с 3D-сканером

Источник: 3dprintingindustry.com

В этом разделе — только профессиональное программное обеспечение для 3d сканера от различных разработчиков. Возможности этого софта практически весьма широки, но и стоимость весьма высока.

Inspection Software — Geomagic Control X

Источник: www.3dsystems.com

Этот программный продукт позиционируется разработчиками как оптимальное решение для проведения поверхностной дефектоскопии и контроля линейных размеров различных деталей. Буквально для каждой плоскости можно задать размер и допустимое отклонение, а это значит при серийном производстве контроль качества будет занимать значительно меньше времени: достаточно один раз настроить алгоритм измерения. Для сборочных производств Geomagic Control X можно использовать для выявления дефектов в деталях, поступивших от поставщиков.

Источник: solicad.com

Но возможности программы не ограничиваются только контролем. Geomagic Control X работает в связке с CAD и может быть использовано для расчета температурных деформаций, изменение размеров после литья и других. Благодаря данному функционалу можно корректировать исходную модель, снижая издержки на возможный брак еще до того, как деталь отправится в производство.

И, наконец, данная программа для 3d сканирования может быть использована для оценки износа и выявления дефектов в уже эксплуатируемых деталях. Алгоритмы Geomagic Control X позволяют отслеживать изменения в геометрии детали, которые происходят с течением времени, что позволяет обнаруживать ряд непредвиденных проблем и своевременно принимать корректирующие меры. Проведение анализа тенденций и составление подробных отчетов в самой программе,позволяет предсказывать выход из строя исследуемой детали или инструмента.

Обзор некоторых возможностей программы в этом видео:

Продукты Creaform — VXmodel

Источник: cision.com

Компания Creaform предлагает целый комплекс, состоящий из нескольких программ для 3д сканирования и работы с моделями, с разным функционалом и областью применения. Большинству пользователей будет наиболее интересен софт VXmodel, который предлагает массу возможностей для сканирования и переноса обработанных результатов в CAD-системы.

Источник: 3d-skenovani.cz

Само программное обеспечение обеспечивает устранение большинства дефектов сканирования и позволяет выравнивать и объединять грани модели, заполнять отверстия и снижать плотность сетки, удаляя ненужные точки. Кроме того, VXmodel позволяет объединять несколько результатов сканирования в одну модель, что полезно при сканировании больших предметов.

Дополнительные возможности автоматического и ручного создания кривых и поверхностей, а также легкий перенос результатов работы в Solid Works и Autodesk Inventor делают этот софт практически незаменимым для тех, кому приходится много сканировать и параллельно вести “очистку” моделей от погрешностей.

Короткое видео, рассказывающее об основных возможностях программы для 3d сканирования:

Faro Scene

Источник: streambend.net

FARO® — известный производитель 3d сканеров, который предлагает собственные решения для обработки облаков точек собранных с помощью данных устройств. Приложение совместимо как с устройствами под брендом компании, так и с большинством других.

Источник: youtube.com

Особенностью данной программы для 3d scanner-а является необычайно высокий уровень визуализации, а также возможность просмотра результатов в VR-среде. Кроме того, возможность автоматического наложения фотоизображения на полученную модель позволяет получать сканы содержащие информацию о цвете изделия.

В процессе сканирования пользователь получает информацию о уже собранных точках и прогрессе построения модели в режиме реального времени. Данное решение сэкономит вам немало времени: сканирование можно прервать, если что-то пошло не так, чтобы начать заново.

В этом видео показан принцип использования 3d сканера Faro и программы SCENE для составления 3d планов помещений и фасадов в архитектуре.

Leios 2 for Makers

Источник: egsolutions.com

Еще одно универсальное решение для самых разных отраслей предлагает компания EG Solutions. Программа для 3д сканирования Leios 2 имеет три модификации: For Makers — для мастеров, Premium — с расширенным функционалом и Professional — для промышленного использования. Функционал программы позволяет принимать облако точек со сканеров, формировать на их основе трехмерные модели и вносить коррективы, в том числе — с помощью автоматических алгоритмов обработки кривых и поверхностей.

Leios 2 for Makers позволяет выполнять полный цикл работ с трехмерными моделями, в том числе: сглаживать неровные участки, проводить деформацию в привязке к контрольным точкам, проводить оптимизацию и восстановление поврежденных кромок на сетке, что крайне важно для моделей различных деталей и оборудования.

Источник: youtube.com

Также существует пакет библиотек для сканирования и постобработки трехмерных моделей. Софт может быть интегрирован и в программное обеспечение других производителей, частично или полностью. Компания поставляет полный набор, включающий в себя:

SFLib: библиотека работы с поверхностями — позволяет автоматизировать процесс определения связанных необрезных поверхностей. С помощью этой библиотеки осуществляется автоматическая подгонка поверхностей и распределение патчей NURBS и их подгонка к сетке.
LEOS позволяет распознавать ребра и объекты. Среди основных возможностей — автоматизация работы с кривыми на треугольной сетке, их сегментация и автоматическая перестройка.
LMModel предназначена для работы с моделями. С ее помощью можно объединять результаты нескольких сканирований и разные модели в один документ.
LMPython может быть использована для доступа к функционалу любой поставляемой библиотеки и написания собственных процедур на языке Python.
LMViewGL: библиотека визуализации, которая поставляется как в виде готового к интеграции компонента, так и в качестве отдельного приложения.

Кроме того, большое внимание уделено вопросам совместимости с различными моделями 3D сканеров, а простой и понятный интерфейс позволяет сосредоточиться на процессе прототипирования, не отвлекаясь на рутинные процессы корректировки.

Видео процесса обработки модели небольшой фигурки.

Продукты Volumegraphics VGSTUDIO

Источник: exactmetrology.com

Компания Volumegraphics представляет целый комплекс программ для 3d сканирования, который позволяют решать различные задачи — от дизайна до серийного производства. Важно, что благодаря использованию самых совершенных алгоритмов постобработки удается достигать отличных результатов и доводить до совершенства модели любых масштабов.

Volumegraphics предлагает собственную всеобъемлющую технологию проектирования CT, но поддерживает и другие типы 3D-данных — облако точек, сетка и форматы CAD. Самый полный пакет ПО, VGSTUDIO MAX, позволяет решать практически все существующие задачи контроля связанные с метрологией, обнаружением и оценкой дефектов, свойствами материалов или моделированием.

Источник: softdeluxe.com

Для больших проектов и серийного производства будут очень полезны инструменты анализа, моделирования и визуализации, а также возможность автоматизации операций контроля.

Даже базовая версия включает в себя модули, с помощью которых можно обрабатывать результаты сканирования (CT Reconstruction), производить анализ и корректировку геометрии модели, в том числе толщину стенок (группа Geometry Analysis), выполнять поиск дефектов с помощью модулей группы Material Analysis (поддерживаются не только металлы, но также композиты и даже изделия из облегченных материалов).

В базовую поставку включается модуль Simulation, с помощью которого можно имитировать различные нагрузки — не только механические, но также воздействие жидкостей, электрического тока, нагрева и диффузии, в том числе и для пористых материалов.

Видео с краткими возможностями пакета VGSTUDIO MAX версии 3.3

Продукты INNOVMETRIC

Источник: innovmetric.com

В ассортименте этого разработчика также немало специализированных решений для проектирования и реверс-инжиниринга. Например, PolyWorks Modeler позволяет работать с любыми результатами сканирования, даже если они содержат очень большое количество точек, а PolyWorks Inspector позволяет автоматизировать операции контроля качества и дефектоскопии, а также значительно облегчить и ускорить любые другие операции, связанные с метрологией на производстве любых объемов.

Источник: avxhm.se

Если основная задача заключается в получении моделей из результатов 3д сканирования и их редактировании, то лучшим выбором будет именно PolyWorks Modeler. Как и в других аналогичных программах работа начинается с объединения множества точек в полигональные модели, но полностью потенциал приложения раскрывается при редактировании NURBS-поверхностей, полученных после обработки результатов сканирования. Используемые алгоритмы позволяют в автоматическом режиме располагать кривые для достижения наилучших результатов и формирования непрерывной сглаженной поверхности модели, состоящей из множества NURBS.

Софт поддерживает функционал моделирования объемных деталей из плоских чертежей, что помогает на порядок сократить время подготовки 3D-моделей. На любом этапе работы можно передать результат в CAD-системы через экспорт форматов, чертежи (и модели) можно легко объединять друг с другом на основе единой системы размеров.

Видео работы в программе PolyWorks

Для работы с фотоаппаратом

Все рассмотренные выше программы для 3d сканирования предназначены для работы с 3D-сканерами, но создание моделей возможно и с помощью фототехники.

Рассматриваемое далее ПО основано на методах фотограмметрии, использующей для создания трехмерных цифровых объектов фотоснимки. Фактически, есть возможность использовать любой фотоаппарат или камеру телефона, получив 3д сканер из телефона, который можно всегда носить с собой.

На снимке выше вы видите пример комплексного решения для такого сканирования — набор Aicon Scanreference, состоящий из фотоаппарата, специальных приспособлений для увеличения точности сшивки снимков и ПО. Это профессиональное решение со специальным ПО.

С помощью каких еще приложений обрабатывать снимки для получения отличных результатов — рассказываем в этом разделе обзора.

3DF Zephyr Free

Источник: 3dflow.net

Разработка компании 3DFlow бесплатна для частного использования и поддерживает загрузку до 50 фотографий на один проект. Обычно, такого количества вполне достаточно для получения модели и приобретать платную лицензию не придется.

Среди основных возможностей программы — создание модели по фотографиям, корректировка граней и поверхностей, выгрузка результата в различных форматах CAD-систем. Поддерживается и создание анимаций, а также запись видео и автоматическая загрузка на Youtube. Процесс редактирования моделей максимально упрощен и поддерживает работу с масками, что позволяет ускорить обработку.

Дополнительный плюс — очень содержательный раздел обучения на официальном сайте программы, а также наличие форума и обширного сообщества.

Вот видео обработки модели в программе 3д сканирования по фотографиям 3DF Zephyr Free:

Agisoft PhotoScan

Источник: getintopc.com

Agisoft PhotoScan позиционируется как профессиональное решение для создания 3D-моделей методами фотограмметрии. Речь идет не только об обратном инжиниринге и других вариантах использования моделей в производстве, но также о разработке AR и VR решений для компьютерных игр, видео и кинопродукции.

Основное достоинство PhotoScan в исключительно высокой детализации получаемых моделей, что достигается благодаря особым алгоритмам обработки результатов сканирования и отсутствию любых ограничений на разрешение обрабатываемых снимков и их количество. Возможность использования маркеров позволяет значительно улучшить итоговый результат.

Видео работы в программе:

Для Android

Выше рассмотренное ПО для создания 3D-моделей требует выгрузки фотографий и работает на десктопе, но современные смартфоны обладают достаточной производительностью для выполнения схожих операций, поэтому сделать 3d сканер из андроид-смартфона легко — достаточно загрузить одно из этих приложений.

Sony 3D Creator

Источник: all3dp.com

Это приложение носит развлекательный характер, но полученные с помощью такого мобильного 3д сканера модели можно использовать, а значит программа будет полезна владельцам 3D-принтеров и фрезерных станков с ЧПУ.

Sony 3D Creator распространяется полностью бесплатно, пользователям доступна загрузка моделей в облако Sony для постобработки и улучшения качества.

Видео-презентация приложения:

Scann3D

Источник: apkgk.com

Еще одно приложение, которое показывает неплохие результаты при 3д сканировании телефоном. Его отличие от предыдущего — наличие платной подписки для апгрейда до Pro-версии, которая снимает ограничения на выгрузку STL-файлов. Общий принцип работы аналогичен рассмотренному выше: для создания модели потребуется несколько десятков изображений, сделанных под разным углом и при равномерном освещении.

Несмотря на наличие некоторых проблем технического плана (на некоторых моделях смартфонов приложение может “вылетать” на этапе обработки снимков), результаты сканирования для мобильного приложения получаются весьма неплохими, а возможность дальнейшего редактирования STL-файла в CAD-системах позволяет устранить мелкие недостатки.

Видео процесса работы с приложением:

Qlone — 3D Scanning & AR Solution

Источник: 3dprint.com

Это приложение позволяет получать высококлассные модели с помощью специального мата — распечатываемой на принтере сетки. Она помогает программе отделить модель от окружающей среды и распознать на каждом снимке ту или иную сторону предмета. При съемке программа распознает наличие мата и расположение предмета на нем, закрывая еще не снятые участки полусферой, сектора которой становятся прозрачными, если нужный кадр уже сделан.

Видео, гиф-анимацию и снимки экрана с полученной моделью можно сохранять бесплатно, но экспорт модели возможен только за деньги (около 70 рублей).

Данный 3д сканер андроид показывает лучшие результаты в своем классе, именно благодаря этой особенности — наличию встроенной системы ориентации в виде сетки-основания.

Qlone можно найти в магазинах приложений Android и iOS. Приятным дополнением будет возможность автоматической анимации полученных моделей.

Видео с презентацией возможностей приложения:

Для iPhone

“Яблочные” телефоны обладают отличным качеством съемки и хорошей глубиной кадра, которая достигается благодаря использованию специальных алгоритмов для работы с двойной камерой. Некоторые приложения-3D-сканеры для Iphone представлены ниже.

Heges

Источник: youtube.com

Простое приложение для устройств на iOS c камерами True Depth, которое обеспечивает быстрое создание моделей. Достаточно лишь запустить этот 3д сканер на айфоне, чтобы убедиться в скорости работы и достаточно высокой детализации получаемых моделей.

Приложение прекрасно работает с обеими камерами, поддерживает экспорт моделей, а автоматические алгоритмы сглаживания позволяют получать гладкие поверхности, которые требуют лишь незначительной постобработки.

Видео работы в приложении:

Scandy Pro

Источник: ytimg.com

ScandyPro также будет работать только на устройствах с поддержкой технологии TrueDepth, От Heges ее отличает возможность более детальной обработки результатов сканирования на серверах разработчика (предоставляется при оформлении платной подписки за $6 в месяц).

Кроме того, в вашем распоряжении библиотека завершенных моделей, возможность простого экспорта в CAD-форматы и несколько вариантов сканирования, которые по-разному учитывают фактическую освещенность в месте съемки.

Видео работы с приложением:

Заключение

Какие бы задачи вы ни планировали решать с помощью программ для 3d сканирования, никогда не будет лишним обратиться к профессионалам за дополнительной консультацией.

Программы для 3D-сканирования: обзор и применение на практике

Содержание

Вступление

Назначение 3D-сканеров