Как выбрать подходящую технологию 3D-сканирования?

Рассказываем о технологиях 3D-сканирования и их применении. Все 3D-сканеры, работающие со светом, делятся на оптические и лазерные. Оптические разделяются на фотограмметрические и работающие с структурированным светом. Среди лазерных в отдельную категорию выделяются времяпролетные — сканеры для работы с крупными и далеко расположенными объектами. Кроме того, в некоторых сканерах, для большей точности, дополнительно применяются элементы КИМ (координатно-измерительных машин) — механические датчики, щупы.

Эта статья — о различиях между разными видами сканеров и о том, как выбрать сканер в зависимости от решаемой задачи. Читайте дальше, чтобы узнать больше.

Содержание

Координатно-измерительные машины (КИМ, CMM)

Координатно-измерительные машины, называемые ещё CMM (coordinate measuring machine, КИМ) представляют собой крупногабаритные стационарные устройства, которые напоминают промышленные станки с ЧПУ, имеющие вместо шпинделя измерительную головку с рубиновым шариком на конце. Сканирование производится контактным способом: головка подводится к измеряемому объекту и проходит по его поверхности, регистрируя все перемещения.

Также существуют портативные системы с подвижными “суставами”, в которых установлены высокоточные энкодеры. При перемещении сканирующего органа эти датчики фиксируют получаемые координаты, а компьютер, снабжённый специализированным программным обеспечением, выстраивает на основе полученных данных трехмерную модель изделия.

Технология контактного сканирования имеет ряд существенных ограничений, основные из которых таковы:

низкая, очень низкая скорость (кроме случаев, когда необходимы точные замеры лишь по немногим отдельным точкам);
проблематичность сканирования внутренних объёмов и отверстий малого диаметра;
стационарность установок и их большие габариты.

Контактные сканеры оказались неспособны конкурировать с бесконтактными, которые лишены указанных ограничений, и к настоящему времени вышли из употребления почти полностью. Немногие оставшиеся смогли удержаться на рынке лишь благодаря глубокой модернизации, обеспечившей существенное повышение мобильности, производительности и качества измерений.

Faro Arm Quantum S

Faro Arm Quantum S – превосходная портативная КИМ для измерения размеров, определения координат, контроля качества продукции, реверс-инжиниринга и многого другого.

Creaform HandyPROBE Next

Creaform HandyProbe Next — это серия контактных измерительных зондов, которые заменяют собой традиционные координатно-измерительные машины (КИМ) и идут в дополнение к лазерным 3D-сканерам Creaform MetraScan. Серия включает модели HandyPROBE Next и HandyPROBE Next Elite, которые позволяют производить измерения объектов простой формы (плоскости, конусы, цилиндры и т.д.) и сохранять результаты измерений в виде САПР-данных. Работая согласованно с оптическим трекером C-Track, зонды HandyProbe Next обеспечивают высокоточные измерения с погрешностью до 22 мкм.

Creaform C-Track

Серия оптических трекеров Creaform C-Track представлена двумя моделями: Creaform C-Track и Creaform C-Track | Elite. Они используются для точного определения положения сканера MetraSCAN, зонда HandyPROBE NEXT и объекта исследования. Отражатели на объекте обеспечивают возможность свободно перемещать по ходу сканирования и трекер, и сканер, и сам объект. Двухкамерные датчики C-Track оснащены высококачественной оптикой и специальными приборами освещения, что позволяет им производить измерения с очень высокой точностью.

Бесконтактные сканеры

Бесконтактные сканеры делятся на пассивные и активные. Пассивные при создании цифрового образа объекта используют естественное освещение. Активные облучают сканируемый объект и формируют изображение по отражённому сигналу.

Бесконтактные пассивные сканеры

Пассивные методы основаны на использовании естественного освещения и не нуждаются в собственных источниках света. Пассивные сканеры не обеспечивают высокого качества, но благодаря низкой стоимости всё ещё находят применение там, где требования к точности сканирования невысоки.

Системы пассивного сканирования делятся на три вида: фотометрические, силуэтные и стереоскопические.

Фотометрические системы обычно используют одну камеру, которая обеспечивает съемку большого количества кадров при медленном вращении объекта. Анализ видимых изменений поверхности при известной скорости вращения позволяет построить цифровую модель объекта.

Силуэтные системы используют тот же принцип, что и фотометрические, но с использованием контрастного фона. При построении 3D-модели акцент делается на анализе изменений силуэтов.

Стереоскопические системы предусматривают использование двух камер, “рассматривающих” сканируемый предмет под разными углами. Анализируя различия в изображениях, представляемых камерами, можно определить расстояние до каждой точки объекта и построить его 3D-модель.

Развитием фотометрии является фотограмметрическая съемка, которая использует специальную систему меток, позволяющую программе с большой точностью определить, какая именно часть объекта была сфотографирована и с какого ракурса. Такой подход обеспечивает более точную “склейку” моделей.

Несмотря на относительно низкие цены пассивных сканеров, они выходят из употребления. Их вытесняют активные сканеры, возможности которых неизмеримо шире, а цены постоянно снижаются и уже становятся соизмеримы с ценами пассивных сканеров.

Бесконтактные активные сканеры

Оптические сканеры

Оптический сканер представляет собой устройство, включающее одну или две видеокамеры в связке с кинопроектором. Проектор освещает сканируемый объект так называемым “структурированным светом”, представляющим собой сочетание полос или расположенных в шахматном порядке квадратов различной освещённости. Камеры фиксируют искривления полос и квадратов, затем полученные данные обрабатываются с помощью специализированного программного обеспечения и формируется 3D-модель объекта. Благодаря высокой точности воспроизведения сканируемых поверхностей, данный метод нашёл широкое применение в реверс-инжиниринге, ювелирной промышленности и стоматологии – при изготовлении всевозможных зубных протезов.

Первые оптические сканеры были исключительно настольными, и могли работать только с относительно небольшими объектами. Для преодоления этого ограничения были разработаны стационарные сканеры, которые использовались со штативами и обеспечивали сканирование существенно более крупных объектов. Усовершенствованное программное обеспечение позволяло осуществлять сканирование по частям и далее “склеивать” полученные изображения в одно целое. Окончательно задача сканирования крупных объектов была решена с появлением ручных сканеров, обладающих повышенной мобильностью и практически неограниченными возможностями сканирования крупных объектов.

Для сканирования мелких и средних объектов по-прежнему широко используются стационарные сканеры. Наиболее популярные из них рассмотрим ниже.

Shining 3D EinScan-SP

Shining 3D EinScan-SP – универсальный оптический 3D-сканер, отличающийся удобством и простотой эксплуатации, а также быстротой сканирования и высокой детализацией получаемых моделей. Использует технологию сканирования белым светом, обеспечивающую неизменно высокую эффективность даже при работе с объектами сложной геометрии.

RangeVision Spectrum

RangeVision Spectrum – оптический 3D-сканер, который обладает характеристиками профессионального оборудования, но остается доступным настольным решением. Имеет цветные камеры высокого разрешения 3,1 Мп. Комплект поставки включает поворотный стол, обеспечивающий дополнительное удобство эксплуатации.

RangeVision Pro

Отличительные черты оптических сканеров RangeVision Pro, обеспечивающие высочайшую детализацию и точность 3D-моделей, – это камеры высокого разрешения (2МП у RangeVision Pro Base и 6Мп у RangeVision Pro) и оригинальные алгоритмы обработки данных. Возможность настройки каждого сканеров на три различные области сканирования позволяет с неизменно высоким разрешением оцифровать как миниатюрные (менее 3 см), так и крупные (более 1 м) объекты. Благодаря сменным объективам и изменяемым зонам сканирования, оба 3D-сканера подходят для сканирования и ювелирных изделий, и кузовных элементов автомобиля, решая задачи от визуализации до контроля качества.

RangeVision NEO

RangeVision NEO – это бюджетный оптический 3D-сканер, который ориентирован в первую очередь на использование в учебных заведениях, однако мало чем уступает по функционалу дорогим и мощным моделям RangeVision. Устройство поддерживает автоматический режим сканирования, что очень актуально для начинающих, которым не придется изучать массу настроек, чтобы получить качественные 3D-модели.

Лазерные сканеры

Принцип действия лазерного 3D-сканера подобен принципиальной схеме работы оптического сканера, но в нём вместо структурированного света используется луч лазера. На лазерной технологии обычно основаны инженерные сканеры для проверки деталей на производстве и обратного инжиниринга, а также времяпролетные сканеры для работы с масштабными объектами.

Времяпролётные сканеры

Отдельным видом лазерных сканеров являются времяпролётные сканеры, принцип действия которых основан на измерении времени, которое затрачивает ультракороткий лазерный импульс на прохождении расстояния от источника импульса до сканируемого объекта и обратно. По сути, такой сканер представляют собой лазерный дальномер.

Главным недостатком времяпролётных сканеров является сложность измерения малых расстояний (менее метра). Поэтому данные устройства применяются преимущественно геодезистами, ландшафтными дизайнерами, строителями и архитекторами.

FARO Focus

Источник: ats.se

Производитель FARO Focus предлагает времяпролетные сканеры Focus S 350 и Focus S 150. Оба сканера оснащены GPS и способны производить сканирование даже при прямом солнечном свете. Благодаря функции дистанционного сканирования и практически неограниченному объему сканируемых данных, оборудование позволяет решать задачи лазерного сканирования с сохранением высокой мобильности.

Surphaser 100HSX ER_50HS

Источник: top3dshop

*На сегодняшний момент Surphaser 100HSX ER_50HS снят с производства. Другие профессиональные 3D сканеры здесь.

Surphaser 100HSX ER_50HS – профессиональный 3D-сканер, используемый в топографии, строительстве и реверс-инжиниринге. Сканер обладает полным круговым обзором, и вертикальным обзором в 270°. Один цикл сканирования занимает 4,5 минуты. Обладает радиусом действия до 100 метров. Корпус сканера имеет защиту от влаги и песка, что обеспечивает возможность эксплуатации как в помещениях, так и на открытом воздухе.

Ручные сканеры

Помимо стационарных, существуют портативные ручные версии сканеров, использующих как лазерную, так и по оптическую технологии. Обычно это профессиональные устройства, обладающей большой точностью и скоростью сканирования.

Преимущества ручных оптических сканеров над настольными — мобильность, возможность сканирования крупных объектов.

Thor Calibry

Calibry от компании Thor – это ручной оптический 3D-сканер, при разработке которого была сделана ставку на компактность и высокую скорость. Прост в использовании. Позволяет успешно сканировать острые края, чёрные и блестящие предметы, а также сложные поверхности, такие как мех или волосы. Имеет встроенный сенсорный экран, выполняющий роль органа управления.

Thor Drake

*На сегодняшний момент Thor Drake снят с производства. Другие оптические 3D сканеры здесь.

Drake от компании Thor – это профессиональный ручной оптический 3D-сканер, предназначенный для решения задач, требующих не только высокой точности, но и мобильности. Этот сканер хорошо подходит для контроля качества и оцифровки сложных промышленных изделий, особенно крупных. Также сканер Drake хорошо справляется со сканированием людей, портретно и в полный рост. Одно из его преимуществ – встроенный экран, на который передаются данные сканирования в реальном времени, что делает процесс сканирования проще и удобнее.

Creaform HandySCAN Black

*На сегодняшний момент HandySCAN Black снят с производства. Другие модели производителя Creaform здесь.

Серия HandySCAN Black от компании Creaform включает два ручных 3D-сканера, различающихся точностью и скоростью измерений: Creaform HandySCAN Black и Creaform HandySCAN Black Elite. Эти лазерные 3D-сканеры отличаются портативностью, универсальностью и высокой точностью измерений. Удобны в эксплуатации благодаря эргономичному дизайну и интуитивно понятному интерфейсу. Способны охватывать большие площади, поддерживают беспроводное подключение по сети и позволяют быстро отсканировать любые физические объекты, вне зависимости от сложности рельефа поверхности.

Creaform MetraScan 750

*На сегодняшний момент MetraScan 750 снят с производства. Другие модели производителя Creaform здесь.

Серия ручных лазерных 3D-сканеров Creaform MetraScan 750 представлена двумя моделями, различающимися точностью измерений: Creaform MetraScan 750 и Creaform MetraScan 750 | Elite. Это лазерные 3D-сканеры, предназначенные для работы с объектами размером от 0,2 до 6 метров. Отличаются высокой точностью. Основные области применения – контроль качества и реверс-инжиниринг.

Shining 3D Einscan Pro 2x

Серия Einscan Pro 2x от Shining 3D представлена двумя ручными 3D-сканерами Shining 3D Einscan Pro 2x 2020 и Shining 3D Einscan Pro 2x plus. Это оптические 3D-сканеры – компактные, легкие и мобильные. Они удобны для ручного сканирования, а когда необходима точность, их можно разместить на штативе. Последние разработки в области захвата данных и оптимизированные алгоритмы обеспечили модели Einscan Pro 2x plus значительное превосходство над Einscan Pro 2x 2020: площадь зоны сканирования увеличена в два раза, а скорость сканирования – в десять раз.

ScanTech PRINCE 775

ScanTech PRINCE 775 – ручной лазерный 3D-сканер, имеющий два режима работы: с красным и синим лазерами. Режим красного лазера обеспечивает высокую скорость сканирования, режим синего – превосходную детализацию.

ScanTech PRINCE 775 обеспечивает высокое качество сканирования и мелких, и крупных объектов – от мелкой монеты до деталей корпусов судов и самолётов. Широко применяется в промышленном дизайне, реверс-инжиниринге, метрологическом контроле, а также при создании 3D-фильмов, 3D-игр и объектов VR/AR.

Scantech TrackScan-P22

Scantech TrackScan-P22 – ручной лазерный 3D-сканер, обеспечивающий высококачественное сканирование объектов размеров до 6 метров. Имеет два режима работы: с красным и синим лазерами. Режим красного лазера обеспечивает высокую скорость сканирования, режим синего – превосходную детализацию. Применяется для решения задач промышленного дизайна, реверс-инжиниринга и контроля качества.

Выбор сканера

Выбор типа и вида сканера определяется задачей, для решения которой он приобретается.

Оптические сканеры чрезвычайно многочисленны, разнообразны и подходят для решения задач, требующих высокоточного сканирования объектов с размерами от нескольких миллиметров до нескольких метров. Основные области применения — стоматология, ювелирная промышленность, прецизионная механика, метрологический контроль, реверс-инжиниринг, создание объектов VR. Выбор сканера определяется следующими параметрами: объём сканирования, точность сканирования, особенности ПО (наличие цвета, возможность “сшивки” нескольких изображений и пр.), стоимость.

Времяпролётные сканеры, фактически представляющие собой гибрид 3D-сканера и лазерного дальномера, идеально подходят для сканирования объектов размерами от полуметра до сотен метров. Основные области применения – архитектура, строительство, ландшафтный дизайн, геодезия, горное дело. Нередко используются для контроля качества на предприятиях судостроения, авиастроения и т.д. Основные критерии выбора сканера: точность измерений, скорость сканирования, особенности ПО и совместимость с промышленными программными средами, мобильность.

Отдельно стоит выделить ручные сканеры – оптические и лазерные. По параметрам сканирования (точность, быстрота и пр.) они не уступают стационарным, но сильно превосходят их по части мобильности и удобства эксплуатации. Поэтому в большинстве случаев выбор ручного сканера является предпочтительным.