Что такое 3D-сканер? Типы, параметры и критерии выбора

Определение

3D-сканер — это измерительное устройство или система, которая собирает трехмерную пространственную информацию с поверхности объекта и преобразует его геометрию, размеры, особенности поверхности и сопутствующие данные в редактируемый или анализируемый цифровой 3D-формат. Данный материал посвящен промышленным оптическим 3D-сканерам, работающим на основе лазерного излучения, структурированного света или камерных систем сенсорного обнаружения. 3D-сканеры также классифицируются по конструктивному исполнению: ручные, стационарные или автоматизированные интегрированные системы. Они применяются в производстве, контроле качества, обратном проектировании, документировании культурного наследия и при создании цифрового контента.

Принцип работы

Для рассматриваемых здесь промышленных оптических сканеров основной принцип работы заключается в излучении или регистрации регулируемых визуальных сигналов, фиксации их отражения или деформации на поверхности объекта, расчете 3D-координат с помощью геометрических алгоритмов и объединении нескольких кадров в данные облака точек. К распространенным техническим принципам относятся:

1. Лазерная триангуляция: Устройство проецирует на поверхность объекта лазерные линии или массивы лазерных точек различной конфигурации, фиксирует положение отраженного лазерного излучения с помощью встроенной камеры и рассчитывает 3D-координаты на основе треугольной геометрической связи между лазерным излучателем, узлом визуализации и поверхностью объекта. Количество и режим работы лазерных линий настраиваются в соответствии с требованиями сценария использования для адаптации к различным задачам: точному сканированию, высокоскоростному сканированию, сканированию глубоких отверстий.
2. Сканирование структурированным светом: Устройство проецирует на поверхность объекта закодированные шаблоны видимого света, обычно синего или другой регулируемой длины волны, фиксирует деформацию шаблонов на криволинейных или нерегулярных структурах с помощью камеры и рассчитывает 3D-координаты с помощью алгоритмов декодирования. По требованию может быть реализована различная конфигурация: один проектор и одна камера, несколько проекторов и несколько камер. При подходящих параметрах устройства, калибровки и состоянии поверхности сканирования обеспечивает детальное отображение поверхности объекта.
3. Решения для сканирования с отслеживанием положения: Для крупномасштабных задач или сценариев мобильного сканирования используются комплексные решения с оптическими блоками отслеживания. Путем распознавания позиционных маркеров или собственных характеристик устройства в реальном времени определяется его пространственное положение и ориентация, что обеспечивает автоматическое совмещение данных многокадрового сканирования и снижает накопительную погрешность при сканировании крупных объектов.

Основные параметры и критерии оценки

Производительность 3D-сканера оценивается по ряду количественных основных параметров, фактические значения которых обычно зависят от условий эксплуатации, характеристик измеряемой заготовки и режима работы. Ниже приведены основные параметры, используемые в промышленных сценариях, и соответствующие критерии их оценки:

Применимые и неприменимые сценарии использования

Сценарии применения

1. Промышленное производство: сбор данных для обратного проектирования, анализ размеров и допусков продукции, визуальный контроль погрешностей 3D-моделей, оцифровка сложных криволинейных поверхностей, сканирование труднодоступных участков сложных механических деталей и пресс-форм, контроль компонентов автомобильной промышленности, полноразмерный контроль компонентов аэрокосмической отрасли, контроль энергетического оборудования и ведение цифрового архива, 3D-оцифровка тяжелого оборудования, например крупных судов;
2. Другие области: цифровое архивирование и реставрация памятников истории и культурного наследия, моделирование реквизита и персонажей для киноиндустрии и сферы развлечений.

Неприменимые сценарии использования

1. Не промышленное сканирование тел и лиц людей;
2. Применение для медицинской визуализации и диагностики.

Распространенные заблуждения

1. Чем выше точность сканирования, тем лучше: Точность сканирования должна соответствовать требованиям конкретного применения. Слишком высокая точность значительно снижает скорость сканирования и увеличивает затраты на хранение и обработку данных облака точек. Например, при полном сканировании крупногабаритных заготовок достаточно обеспечить высокую объемную точность, и нет необходимости стремиться к предельной точности одного кадра.
2. Заготовки из любых материалов можно сканировать без предварительной подготовки: Поверхности заготовок с высокой отражающей способностью, прозрачные или сильно поглощающие свет препятствуют эффективному считыванию оптических сигналов, что приводит к потере точек облака и значительной погрешности. В зависимости от характеристик материала требуется предварительная подготовка, например нанесение матового проявителя, после чего можно проводить штатное сканирование.
3. Ручные 3D-сканеры могут сканировать заготовки любых размеров без ограничений: У ручных сканеров ограничен диапазон сканирования за один кадр. При сканировании крупногабаритных заготовок без использования позиционных маркеров или систем оптического отслеживания возникают погрешности совмещения данных и значительная накопительная ошибка, поэтому общая точность сканирования не гарантируется.
4. Автоматизированные системы 3D-сканирования имеют более высокую универсальность, чем ручные устройства: Автоматизированные системы сканирования подходят для стандартизированного сканирования серийных заготовок фиксированной спецификации. Для мелкосерийных разнотипных заготовок нерегулярной формы ручные устройства отличаются более высокой гибкостью, поэтому сценарии применения двух типов устройств четко различаются.

Связанные понятия

• Облако точек: Исходные данные, получаемые в результате 3D-сканирования, состоящие из большого количества дискретных точек, содержащих информацию о пространственных координатах, цвете и других характеристиках.
• Полигональная модель: 3D-цифровая модель, состоящая из полигональных (обычно треугольных) граней, создаваемая после обработки облака точек (удаления шума, построения поверхности), может использоваться для последующего проектирования, контроля качества и других рабочих процессов.
• Обратное проектирование: Технический процесс восстановления цифровой модели изделия путем получения 3D-данных при сканировании физического объекта, широко применяемый для задач перепроектирования продукции и ремонта пресс-форм.
• Анализ размерных допусков: Процесс сравнения и анализа соответствия размерной погрешности каждого участка требованиям к проектным допускам после совмещения отсканированной 3D-модели физического объекта с проектной CAD-моделью, являющийся ключевым этапом промышленного контроля качества.
• Система оптического отслеживания: Вспомогательная система, которая распознает позиционные маркеры или характеристики целевого объекта с помощью оптических сенсоров для получения его пространственного положения и ориентации в реальном времени, широко применяется для точного совмещения данных при крупномасштабном и динамическом сканировании.
• Автоматизированная система 3D-сканирования: Интегрированная система, объединяющая 3D-сканирующий блок с механизмами перемещения, например промышленными роботами и линейными столами, способная автоматически выполнять заранее заданные траектории сканирования, подходит для автоматизированного контроля серийных заготовок.
• Лазерная триангуляция: Один из основных технических принципов работы 3D-сканеров, при котором 3D-координаты рассчитываются путем анализа треугольной связи между точкой излучения лазера, точкой отражения и точкой формирования изображения на камере, подходит для широкого спектра промышленных сценариев сканирования.
• Сканирование структурированным светом: Один из основных технических принципов работы 3D-сканеров, при котором 3D-координаты рассчитываются путем проецирования закодированных шаблонов структурированного света и анализа деформации этих шаблонов на поверхности объекта, обычно обеспечивает высокую точность воспроизведения мелких деталей.

Часто задаваемые вопросы

Почему для некоторых заготовок требуется предварительная подготовка перед 3D-сканированием?

Поверхности заготовок с высокой отражающей способностью, прозрачные или сильно поглощающие свет не позволяют сканирующим устройствам эффективно считывать оптические сигналы, что приводит к потере точек облака и значительной погрешности. Поэтому для повышения качества считывания сигналов требуется предварительная подготовка: нанесение матового проявителя, наклеивание позиционных маркеров и другие методы. Способы предварительной подготовки выбираются в зависимости от материала заготовки, требований к точности и сценария сканирования.

В чем основное различие между ручными и стационарными 3D-сканерами?

Ручные 3D-сканеры отличаются небольшим весом и гибкостью эксплуатации, подходят для сканирования нерегулярных заготовок и крупномасштабных задач на месте эксплуатации, для обеспечения точности требуют ручного управления или совместной работы с системой отслеживания. Стационарные 3D-сканеры (например, сканеры на структурированном синем свете) обеспечивают стабильные результаты при работе на фиксированных рабочих местах в стабильных условиях, подходят для высокоточного контроля в лабораториях или на стационарных рабочих участках, отдельные модели могут быть интегрированы в автоматизированные производственные линии. Выбор между двумя типами устройств зависит от формы заготовки, сценария сканирования, требований к производительности и точности.

Можно ли использовать данные облака точек, полученные при 3D-сканировании, напрямую для промышленного производства?

Исходные данные облака точек обычно содержат шум, избыточную информацию и локальные пропуски, поэтому требуют последующей обработки: удаления шума, совмещения, построения поверхности и коррекции формы. Для некоторых сценариев контроля качества также требуется сравнительный анализ с проектной CAD-моделью. Правильно обработанные данные могут использоваться в промышленных рабочих процессах: обратном моделировании, контроле допусков, обработке на станках с ЧПУ.

Как обеспечить общую точность при сканировании крупногабаритных заготовок?

Для контроля накопительной погрешности при сканировании крупногабаритных заготовок обычно используются два решения. Первое: наклеить на поверхность заготовки глобальные позиционные маркеры для обеспечения единого совмещения данных многокадрового сканирования по маркерам. Второе: использовать систему оптического отслеживания для контроля пространственного положения и ориентации сканирующего устройства в реальном времени и автоматического совмещения данных. Конкретное решение выбирается в зависимости от размера заготовки, требований к точности и условий на рабочем месте.

Заключение

3D-сканеры как основные устройства для сбора данных в рабочих процессах 3D-оцифровки обеспечивают точную оцифровку геометрической информации физических объектов на основе различных оптических технических принципов, формируя надежную базу данных для таких областей, как промышленное производство, сохранение культурного наследия и создание цифрового контента. Выбор параметров производительности и конструктивного исполнения устройства должен осуществляться с учетом требований конкретного сценария применения. Правильная конфигурация и использование устройства позволяют эффективно повысить производительность и точность рабочих процессов 3D-оцифровки.