3d печать Инвент

3d печать, быстрое прототипирование, макетирование, изделия из пластмассы.

Принцип работы 3D сканера

Клиенты компании «Инвент» часто спрашивают нас о том, на каком же принципе основана работа высокоточного 3D сканера Breuckmann smartSCAN-HE. И действительно, мы же не видим здесь, ни лазерного луча, ни щупа, наконец. Неужели возможно дистанционно, лишь за счет обработки оптического изображения, построить точную трехмерную модель объекта любой сложности.

К сожалению, в интернете практически нет информации по данной теме, особенно на русском языке. Поэтому, по просьбе наших партнеров, мы и решили восполнить данный пробел.

Итак, что представляет собой современный высокоточный 3D сканер можно увидеть на фото ниже, сделанном в нашем офисе. Конечно, сейчас существуют более простые и недорогие модели  сканеров, но для проведения высокоточных измерений они не всегда подходят. В штате оборудования нашей компании есть и небольшие переносные 3D сканеры, но мы на собственном опыте убедились, что они существенно уступают smartSCAN-HE по своим возможностям.

3D сканер Breuckmann smartSCAN-HE в офисе компании Инвент
3D сканер Breuckmann smartSCAN-HE в офисе компании Инвент.

Подробнее о возможностях данного сканера и сферах его применения рассказано в основном разделе по 3D сканированию (подробнее …). Сейчас же давайте попробуем разобраться в принципах работы этого устройства.

Сам сканер (см. рисунок ниже) включает в себя центральный блок с  лампой, включающий в себя сложную систему линз и перемещаемых трафаретов (шаблонов). Центральный блок создает динамично меняющуюся картинку полос, которая проецируется на исследуемый объект.

Макет сканера и поворотного стола
Макет сканера и поворотного стола с уложенным объектом для сканирования.

Справа и/или слева от центрального блока располагаются один или два приемных оптических устройства, которые фиксируют оптическую картинку с исследуемого объекта в нужные моменты времени. Эти «фотоаппараты» могут иметь одинаковое или различное разрешение, располагаться на одинаковом или различном удалении от центральной лампы. Эти параметры задаются оператором сканера в зависимости от решаемых задач. Общий принцип – чем больше размер измеряемого объекта, тем больше должны быть «плечи» у боковых элементов сканера.

Кстати, центральная лампа может быть цветной, либо монохромной. Как правило, для достижения более высокого разрешения и точности измерений используется монохромная лампа, дающая «зебру» из белых и черных полос. Именно такой вариант был выбран нами при покупке сканера.

Как Вы понимаете, центральная лампа и боковые приемники работают синхронно. Кроме этого к заданному ритму может быть подключен и поворотный стол, на котором располагается исследуемый объект.  В том случае, если стол имеет свой электрический привод, сопряженный с модулем управления сканера, то процесс измерения максимально автоматизируется. Такие столы могут иметь одну или две степени свободы во вращении. Более распространены столы, которые вращаются лишь в горизонтальной плоскости, реже – вращающиеся и еще в одной плоскости, как это показано в статье, посвященной описанию дополнительных возможностей сканера, подробнее …

В ходе работы, центральная лампа сканера освещает измеряемый объект динамически меняющейся интерференционной картинкой, представляющей собой набор черных и белых полос. При этом полосы не только чередуются, меняя свою ширину, но и немного сдвигаются, позволяя сканеру скрупулезно отрабатывать поверхность детали.

Засветка объекта интерференционными полосами
Принцип сканирования основан на засветке объекта динамической интерференционной картинкой (черно-белыми полосами), которые, во-первых, сдвигаются слева направо, а, во-вторых, чередуются меняя ширину полос.

На рисунке выше показан пример такой «зебры», состоящей из достаточно узких белых и черных полос. Основной принцип оптического исследования поверхности объекта как раз и заключается в анализе геометрии этих полос. Если поверхность предмета ровная и перпендикулярная лучу света, то и полосы будут оставаться ровными параллельными линиями. Если же поверхность имеет сложную форму, то на всех изгибах детали ровные линии будут деформироваться.

Съемка таких изогнутых линий двумя фотокамерами, разнесенными в пространстве (аналогично бинокулярному зрению человека) позволит потом, в ходе обработки результатов съемки, получить достаточно точное местоположение каждой точки поверхности измеряемого объекта.

На следующем рисунке можно увидеть весь цикл проводимых измерений, когда ширина полос чередуется от самых широких, до самых узких. Напомним, что кроме чередования полос происходит и их небольшой сдвиг в направлении, перпендикулярном полосам (т.е. слева направо по этому рисунку).

Демонстрация процесса сканирования (чередования и сдвига полос)
Демонстрация процесса сканирования (чередования и сдвига полос). Обратите внимания, после прогона всего диапазона полос происходит проворот стола и смена картинок повторяется вновь.

Обратите внимание на последнее изображение на предыдущем рисунке, после прохождения цикла чередования полос происходит небольшой поворот платформы (стола), на которой расположен объект и все начинается сначала. В дальнейшем, после совершения полного оборота, измеряемый объект снимается с платформы и, например, переворачивается, чтобы продолжить исследование его оборотной стороны, если это необходимо.

Осталось рассмотреть, каким же образом появляется наша «зебра». Для этого давайте внимательнее изучим центральный блок сканера, где располагается лампа, см. рисунок ниже.

Показ, как появляются интерференционные полосы
Демонстрация принципа появления "зебры" - для этого используется специальная интерференционная рамка, которая перемещается специальным образом, зависящим от типа и габаритов измеряемого объекта.

Как видно из рисунка источником такой интерференционной картинки является специальный шаблон, имеющий наборы чередующихся полос различной ширины. Данный шаблон, с помощью специального привода перемещается между лампой и объективом. Напомним, что с помощью привода шаблон перемещается не только в вертикальном направлении (меняя ширину полос), но и делает колебания в горизонтальном направлении (смещая полосы по объекту).

Засветка объекта полосами осуществляется центральной лампой
Засветка объекта полосами осуществляется центральной лампой, она может быть цветной или черно-белой, как в нашем сканере. Достоинством монохромовой лампы является более высокое разрешение при сканировании.

Результаты измерений в режиме реального времени обрабатываются программным обеспечением, идущим в комплекте сканера. Более подробные слепки с экрана Вы сможете увидеть здесь …

А сейчас на рисунке ниже Вы сможете увидеть, как будет выглядеть трехмерное изображение измеряемого объекта. В дальнейшем полученные результаты съемки могут быть переданы в одну из CAD-программ, где Вы сможете выполнить с ними любые манипуляции.

Получившаяся 3D модель сканируемого объекта
Получившаяся 3D модель сканируемого объекта.

Отметим, что сканер может использоваться также и для контроля изготовляемых изделий, например, после печати  прототипа на 3D принтере, либо в результате литья изделий из пластмасс. Подробнее о функции контроля Вы сможете  узнать здесь …

Конечно же, у 3д сканирования, как и у любой другой технологии, есть свои ограничения. К счастью, для решения большинства проблем уже созданы методы их решения. Тем не менее, коротко расскажем и о них.

С помощью сканера практически невозможно исследовать черные или блестящие объекты. Но это не беда, есть специальные «проявители», по сути мелкодисперсионные порошки в виде спрея. Проявитель как тальк наносится тонким слоем на деталь, а потом легко сдувается или смывается. Данный подход можно безболезненно применять к любым материалам, кроме, пожалуй, антикварной деревянной мебели и т.д.

Следующей проблемой является сканирование больших объектов, которые сканер не может сразу охватить. Здесь на первый план выходят вопросы корректной навигации и правильной сшивки фрагментов измерений. Как решена эта проблема, рассказано в следующей главе. Там же рассказано, как нужно сканировать объекты, не имеющие особых отличительных элементов. Ну например, как нам отсканировать колобка, глобус или резиновый мячик?

Особенности 3D сканирования крупных объектов, круглых объектов и т.д.

Как мы разобрались выше, со сканированием небольших объектов все понятно. Они закрепляются на вращающемся столе и луч лампы, а также объективы боковых фотоаппаратов охватывают объект полностью.

А что делать, если объект большой? Как программа сможет понять, каким образом нужно «сращивать» фрагменты отдельных измерений. Как ей разобраться с направлениями, последовательностью расположения тысяч снятых фрагментов и т.д.

Кстати с этой темой перекликается и отмеченная выше задача измерения фигур, близких шару или эллипсоиду. Здесь также проблемным становится объединение соседних измерений.

В этой ситуации, программе обработки изображений, как и Архимеду в прошлом нужна точка опоры. Если быть точнее – точка для стыковки соседних изображений. В этой ситуации, если «гора не идет к Магомету, то …», то эти опорные точки можно создать искусственно самим.

Именно по этому пути и пошли разработчики методики съемки подобных объектов. На фото ниже показан пример съемки большого фрагмента кузова автомобиля. Именно для решения проблемы стыковки фрагментов измерений на корпус объекта были наклеены временные метки (см. фото).

При сканировании больших объектов на них крепятся специальные маркеры
При сканировании больших объектов на них крепятся специальные маркеры. На фото во врезке показан весь объект - это элемент кузова автомобиля. Для корректной стыковки результатов фрагментальной съемки предварительно на поверхность объекта наклеиваются специальные метки (см. красные стрелки). Кроме того, могут использоваться дополнительные метки, которые располагаются вне измеряемого объекта (см. желтые стрелки).

Как видно метки бывают двух типов – небольшие, наклеиваемые на измеряемую поверхность (позже программа их самостоятельно удалит из результирующей 3D модели) – см. красные стрелки на фото выше. И метки побольше (см. желтые стрелки), они уникальны, расположены вне измеряемого объекта и позволяют более точно определить принадлежность измеренного фрагмента. Кроме описанных меток, при необходимости могут быть размещены дополнительные ориентиры (см. фото ниже).

Еще один вспомогательный ориентир для сшивки фрагментов отсканированной картинки
Еще один вспомогательный внешний элемент - это дополнительный ориентир для сшивки фрагментов отсканированной картинки и для ее ориентирования по направлениям.

На полученных фото указанные метки выглядят особо контрастно (см. рис. ниже) и позволяют точнее состыковать соседние изображения, полученные сканером, а позже построить математическую модель поверхности объекта. Обратите внимание, что верхние метки, за счет «точек и тире» в своем составе являются уникальными и однозначно определяют местоположение сфотографированного фрагмента.

Метки и ориентиры в результатах съемки
Чтобы была более понятна роль меток и ориентиров, покажем, как они контрастно выглядят на результатах съемки. Разумеется потом они автоматически бесследно удаляются программой.

Конечно же, для достижения высокой точности измерений 3D сканеры должны периодически проходить юстировку (калибровку). Для этого в состав комплекса входит специальная калибровочная таблица (см. фото ниже), которая и используется для точной настройки всей измерительной системы.

Таблица для калибровки (юстирования) сканера
Специальная таблица, идущая в комплекте и предназначенная для калибровки (юстирования) сканера (фото в офисе компании "Инвент").

Рекомендуем прочитать дополнительно:
- Основные задачи, решаемые с помощью 3D сканера, перейти …
- Дополнительные возможности и примеры объемного сканирования, перейти …