Заказать мероприятие
Отправляя данные, я подтверждаю, что ознакомилась/ознакомился с Политикой в отношении обработки персональных данных, принимаю её условия и предоставляю ООО «РИА «Стандарты и качество» Согласие на обработку персональных данных.
Отправляя данные, я подтверждаю, что ознакомилась/ознакомился с Политикой в отношении обработки персональных данных, принимаю её условия и предоставляю ООО «РИА «Стандарты и качество» Согласие на обработку персональных данных.
Отправляя данные, я подтверждаю, что ознакомилась/ознакомился с Политикой в отношении обработки персональных данных, принимаю её условия и предоставляю ООО «РИА «Стандарты и качество» Согласие на обработку персональных данных.
Для приобретения подписки для абонементного доступа к статьям, вам необходимо зарегистрироваться
После регистрации вы получите доступ к личному кабинету
Зарегистрироваться Войти
3D-сканер – это прибор, позволяющий оцифровать объект из реального мира и получить его трехмерную модель. Самый первый 3D-сканер появился на свет более 160 лет назад. С тех пор технологии сканирования шагнули далеко вперед. На сегодняшний день существует огромное количество производителей сканеров, а самих технологий оцифровки поверхностей более десятка. В данной статье будет дан краткий обзор технологий сканирования, а также разобрано несколько кейсов с использованием технологии лазерной триангуляции.
Первое использование 3D-сканирования связано с работами Франсуа Вилльема (François Willème), французского художника, родившегося в 1830 году. Вилльем был не только художником, но и скульптором, и фотографом. Он разработал и запатентовал процесс создания портретной скульптуры с использованием нескольких фотопроекций.
Свое изобретение он назвал фотоскульптурой. Как вы можете видеть на рисунке 1, этот процесс не сильно отличается от того, что мы сегодня называем 3D-сканированием.
Фотоскульптура – это воспроизведение людей, животных и вещей путем создания серии снимков по кругу и использования их в качестве синхронизированных фотопроекций для создания скульптуры.
Вилльем сделал серию фотографий вокруг объекта и использовал их, чтобы вырезать подобие фигуры. Современные фотоскульптуры получаются в процессе 3D-сканирования и 3D-печати. В результате получаются фигурки, которые представляют собой отсканированный объект.
Теперь посмотрим не в такое далекое прошлое. За последние пару десятилетий наиболее популярным методом 3D-сканирования стало лазерное сканирование. Популярным до такой степени, что именно лазерный сканер является синонимом определений, которые вы найдете в интернете.
Для создания такого рода оборудования потребовалось объединить знания тригонометрии, открытые древними вавилонянами и египтянами, с современными системами обработки изображений и компьютерным зрением. Это было достигнуто только после десятилетий перебора различных теоретических подходов к задаче.
Когда в 1980‑х годах лазерное сканирование начало набирать популярность, оно во многом изменило природу 3D-оцифровки предметов. Еще в 70‑х создание цифровых моделей из реальных объектов было трудоемким. Использовались контактные системы измерений, которые регистрировали точки в пространстве. Лазерное сканирование оказалось быстрее и открыло целый новый мир объектов, которые можно было сканировать. Раньше предметы с мягкой или хрупкой поверхностью были неподходящими для оцифровки. Сегодня большинство лазерных сканеров используют линии лазерного света для захвата геометрии.
До того как это называлось трехмерным сканированием, это называлось «сканирование по диапазону» (range scanning), которое команда Стэнфордского университета определяла как сетку значений расстояний, которые показывают, как далеко точки на физическом объекте находятся от сканирующего устройства. Данные часто отображались как черно-белое изображение, в котором яркость пикселя отображала расстояние до точки.
К девяностым годам компьютерные ученые имели хорошее представление о том, чего они могут достичь и как это сделать, они были ограничены только своим оборудованием. Пионеры 3D-сканирования работали с аналоговыми видеокамерами, телевизионными трубками вместо датчиков, потолком ЦП 512 Кб и ограничением памяти 5 Мб. Среднее разрешение изображения было 512 х 512 пикселей.
Несмотря на то что лазерное сканирование осуществлялось быстрее, чем другие методы, оно, тем не менее, занимало много времени и было очень дорогим. Также еще не было разработано, как эффективно объединить более одного 3D-сканирования объекта, трехмерную модель объекта, имеющую геометрию со всех сторон. Этого не случалось до 1993 года, когда Стэнфордский университет успешно объединил 10 сканов глиняного кролика, сделанных в магазине одним из исследователей.
Хотя стэнфордский кролик долгие годы служил эталоном для тестирования алгоритмов 3D-сканирования (приведенный пример был взят из исследовательского проекта под названием «Художественная визуализация меха, травы и деревьев»), сегодня он считается слишком простой моделью для тестирования сканеров.
На диаграмме 1 показаны все существующие на сегодняшний день технологии 3D-сканирования.
Наиболее популярными и распространенными технологиями являются дальнометрия, лазерная триангуляция и структурированная подсветка.
Говоря коротко, технология дальнометрии используется для оцифровки больших объектов, таких как помещения, цеха, площади и т. д. Максимальный размер сканируемого объекта может достигать 350 м, а точность сканирования – 1 мм.
Технология структурированной подсветки предназначена для сканирования с высоким разрешением и точностью небольших объектов с габаритами от нескольких миллиметров до нескольких метров. При этом точность может достигать 4 мкм, а разрешение – 17 мкм. На рисунках 4 и 5 показана монета, отсканированная с помощью технологии структурированной подсветки. На рисунке 5 особенно хорошо видно качество оцифрованного рельефа, толщина надписи составляет 100 микрон.
Технология лазерной триангуляции представлена ручными лазерными сканерами. С ее помощью можно оцифровывать объекты от 10–15 сантиметров до 10 метров на габарите с высокой точностью и разрешением. Разрешение у таких сканеров чуть хуже, чем у сканеров структурированного подсвета, а точности на объектах с габаритом более метра лучше.
Рассмотрим несколько кейсов по применению ручных лазерных сканеров на примере сканера Simscan от компании Scantech.
Заказчику было необходимо изменить дизайн крышки двигателя и изготовить ее в новом дизайне. Для этого нужно было провести 3D-сканирование оригинальной крышки, а затем ее реверс-инжиниринг.
Крышка была отсканирована с помощью ручного лазерного сканера Simscan. Чем же был определен выбор именно такого оборудования? Это:
По времени сканирование крышки заняло не более 15 минут. Результат сканирования показан на рисунке 6.
После проведения работ по сканированию модель была перенесена в специальное программное обеспечение (ПО) для реверс-инжиниринга Geomagic Design X. В данном ПО результат сканирования был корректно размещен в системе координат, а затем была построена твердотельная модель с минимальными отклонениями от результата сканирования.
На рисунке 7 показан процесс построения эскиза для создания твердотельной модели. ПО показывает отклонения эскиза от реальной геометрии объекта.
Таким образом, заказчик смог в сжатые сроки построить твердотельную модель крышки, внести в нее изменения, а затем изготовить.
Заказчику было необходимо отсканировать и проконтролировать более пятидесяти лопаток, длина которых составляла один метр. Лопатки прошли обработку на ЧПУ, и было необходимо удостовериться в правильности их геометрии.
Все лопатки были отсканированы с помощью ручного лазерного сканера Simscan.
Чем же был определен выбор именно такого оборудования? Это:
Время сканирования одной лопатки – 20 минут, таким образом, весь объем работ по сканированию занял всего два рабочих дня.
Результат сканирования показан на рисунке 8.
Результат сканирования каждой лопатки был перенесен в программное обеспечение для контроля геометрии Geomagic Control X, в котором была построена цветовая карта отклонений.
Карта отклонений была построена относительно предоставленной заказчиком твердотельной модели лопатки.
Совмещение результата сканирования с твердотельной моделью происходило по геометрии замка лопатки.
На рисунке 9 показана цветовая карта отклонений одной лопатки.
При контроле геометрии был выставлен допуск 100 микрон, поверхности, окрашенные зеленым, попадают в допуск. У поверхностей, окрашенных в теплые цвета, отклонения идут в плюс, в холодные цвета – в минус.
Как видно по карте отклонений, данная лопатка не может быть признана годной.
Таким образом, работы по сканированию и контролю геометрии лопаток помогли выявить брак в партии и вовремя его утилизировать.
Сами работы с учетом сканирования и создания отчетов по контролю геометрии заняли четыре рабочих дня.
Заказчику было необходимо отсканировать и создать твердотельную модель днища лодки, длина которой составляла шесть метров.
Лодка была отсканирована с помощью ручного лазерного сканера Simscan.
Чем же был определен выбор именно такого оборудования? Тем, что:
Время сканирования составило около четырех часов. Результат сканирования показан на рисунке 10.
После завершения сканирования полигональная модель была открыта в Geomagic Design X, где далее была построена твердотельная модель. Результат реверс-инжиниринга показан на рисунке 11.
Существует большое количество технологий 3D-сканирования и огромное количество производителей 3D-сканеров, но на сегодняшний день нет ни одного универсального сканера. Тем не менее можно видеть, что ручной лазерный сканер Simscan наиболее близок к званию универсального. С его помощью можно решить широкий спектр задач, связанных как с контролем геометрии, так и с реверс-инжинирингом.
1. Техническая документация Scantech (Hangzhou) Co., Ltd., Китай.
2. Edl M., Mizerák M., Trojan J. 3D LASER SCANNERS: HISTORY AND APPLICATIONS. – 2019. – 5 p.
3. Art-Based Rendering of Fur, Grass, and Trees / M. A. Kowalski, L. Markosian, J.D. Northrup, L. Bourdev, R. Barzel, L.S. Holden, J.F. Hughes. 1999. 6 p.
448
Подписка
Всероссийская организация качества
