Technologie skanowania 3D
Rodzaje, zastosowania oraz ich wady i zalety
Digitalizacja ręcznym skanerem 3D odbywa się najczęściej z wykorzystaniem technologii światła laserowego, strukturalnego lub podczerwonego. Jeżeli interesuje Was, jakie są różnice między tymi trybami skanowania 3D oraz jakie są ich wady i zalety zapraszamy do zapoznania się z naszym artykułem.
Wstęp
Ręczne skanery 3D mają bardzo szeroki zakres zastosowań. Ze względu na swoją mobilność i wszechstronność, te kompaktowe urządzenia mogą być używane do skanowania różnorodnych obiektów, na przykład takich jak pojazdy, zewnętrzne stanowiska archeologiczne, a nawet ludzi. Ponieważ skanery ręczne mają tak dużo potencjalnych zastosowań, rynek oferuje wiele rodzajów urządzeń. Dostępne są modele mające szereg różnych funkcjonalności, które przeznaczone są dla użytkowników początkujących, średniozaawansowanych i profesjonalnych. Kupujący mogą zatem znaleźć skanery, które będą dostosowane do ich własnych, indywidualnych potrzeb. Warto zaznaczyć, że wybór skanera ręcznego nie oznacza kompromisu w zakresie jakości jego pracy: wiele przenośnych skanerów może przewyższać ich odpowiedniki stacjonarne.
Co ważne, nie wszystkie ręczne skanery 3D działają w ten sam sposób. W rzeczywistości technologia źródła światła w skanerach może być zupełnie inna w zależności od modelu. Aby sprostać określonym wyzwaniom związanym ze skanowaniem, niektóre skanery 3D wykorzystują do przechwytywania danych 3D linie laserowe, inne projekcje światła strukturalnego, a niewielka liczba produktów wykorzystuje niewidzialne światło podczerwone. W tym artykule przyjrzymy się różnicom między tymi trzema typami technologii skanowania oraz omówimy ich najważniejsze zalety, wady i zastosowania.
Ręczne laserowe skanery 3D
Przykładowe urządzenia: FreeScan UE, FreeScan UE Pro
Laserowe skanowanie 3D wykorzystuje technikę zwaną triangulacją. Skanery 3D z tej grupy oświetlają digitalizowany obiekt światłem lasera (zwykle czerwonym lub niebieskim), tworząc laserową kropkę na powierzchni obiektu, podczas gdy kamera lub czujnik — umieszczony w stałej odległości od emitera laserowego — rejestruje położenie kropki lasera. Kamera, emiter i kropka lasera tworzą trójkąt.
Plamka lasera pojawi się w innym obszarze pola widzenia kamery, w zależności od tego, jak daleko powierzchnia skanowanego obiektu znajduje się od emitera lasera. Skaner może obliczyć tę odległość na podstawie względnego położenia oraz kąta emitera laserowego i kamery, a po zebraniu wystarczających danych skanowania można określić całą geometrię powierzchni skanowanego obiektu.
W przypadku ręcznych skanerów laserowych urządzenie musi również mieć możliwość ustalenia własnej lokalizacji (ponieważ jest stale przemieszczany przez operatora). Można to osiągnąć za pomocą wewnętrznego lub zewnętrznego systemu śledzenia.
Skanery laserowe klasy przemysłowej, takie jak FreeScan UE Pro od Shining 3D, są często preferowane w stosunku do innych technologii ze względu na ich użyteczność w różnych środowiskach oraz skanowanie różnych rodzajów powierzchni (np. refleksyjnych). Dzieje się tak, ponieważ linie laserowe są jaśniejsze niż projekcje światła strukturalnego oraz bardziej stabilne na refleksyjnych powierzchniach.
Zalety:
– Linie laserowe są jaśniejsze niż światło strukturalne, dzięki czemu skanery laserowe lepiej sprawdzają się w jasnym otoczeniu, w tym na zewnątrz
– Urządzenia laserowe sprawniej niż skanery 3D na światło strukturalne radzą sobie w rejestrowaniu ciemnych lub odbijających światło powierzchni
Wady:
– Zwykle nie potrafią uchwycić koloru, chyba że są to skanery hybrydowe
– Są zazwyczaj droższe niż skanery 3D działające w innych technologiach skanowania 3D
Typowe zastosowania:
– Inżynieria odwrotna
– Konserwacja i naprawa przemysłowa
– Kontrola jakości
– Badania naukowe
– Skanowanie 3D zewnętrzne w dziedzinach takich jak architektura, archeologia i nauki przyrodnicze
Ręczne skanery 3D ze światłem strukturalnym
Przykładowe urządzenia: EinScan Pro HD, EinScan Pro 2X 2020
Skanery 3D światła strukturalnego działają w inny sposób niż skanery laserowe. Urządzenia wykorzystujące tę technologię emitują na powierzchnię skanowanego obiektu np. wąskie pasma światła. Są to zazwyczaj zestawy równoległych linii lub innych wzorów.
Podobnie jak w przypadku pozostałych rodzajów technologii digitalizacji, skanery 3D światła strukturalnego wykorzystują jedną lub więcej kamer umieszczonych w niewielkiej odległości od źródła światła. Rolą kamery jest uchwycenie rzutowanych wzorów świetlnych, gdy padają one na powierzchnię skanowanego obiektu: obiektyw kamery widzi linie jako zdeformowane (rozciągnięte, poszerzone, wygięte, bliżej lub dalej od siebie itp.) w zależności od kształtu powierzchni obiektu. Korzystając z sekwencji obliczeń, skaner 3D może wykorzystać zdeformowane linie światła do określenia lokalizacji, rozmiaru i kształtu skanowanego obiektu.
Skanery 3D światła strukturalnego zwykle wykorzystują białe lub niebieskie światło LED, ponieważ można je z dużą dokładnością kontrolować. Skanery z tej grupy na ogół nie posiadają systemów śledzenia, zamiast tego wykorzystują markery. Są to małe okrągłe znaczniki, które nakleja się na skanowany obiekt, aby skaner 3D znalazł punkty referencyjne na jego powierzchni.
Ręczne skanery 3D działające w technologii światła strukturalnego są bardzo wszechstronne, a niektóre modele, jak EinScan Pro HD firmy Shining 3D — są w stanie zaoferować skanowanie w kolorze, co daje dodatkowe możliwości. Trzeba jednak wziąć pod uwagę, że skanery światła strukturalnego nie są zalecane do użytku w jasnym otoczeniu, ponieważ kamera będzie miała trudności z rozpoznaniem pasm światła, jeśli na dany obiekt będzie padało inne jasne źródło światła.
Zalety:
– Przechwytywanie danych zazwyczaj jest szybsze niż w przypadku innych technologii skanowania 3D
– Skanery 3D na światło strukturalne są tańsze niż urządzania działające w pozostałych technologiach
– Odbierają minimalny szum, zwiększając dokładność skanowania
Wady:
– Mogą mieć problemy ze skanowaniem obiektów w jasnym otoczeniu
– Nie najlepiej radzą sobie z digitalizacją błyszczących i ciemnych powierzchni
Typowe zastosowania:
– Inżynieria odwrotna
– Kontrola jakości
– Digitalizacja dzieł sztuki i rzeźb
– Analiza kryminalistyczna
– Przechwytywanie dla VR/gier
– Skanowanie kolorowych obiektów
Ręczne skanery 3D na podczerwień
Przykładowe urządzenie: EinScan H
Mniej powszechnym, ale wciąż ważnym rodzajem źródła światła dla skanerów 3D jest światło podczerwone. Te niewidoczne gołym okiem światło jest rodzajem promieniowania elektromagnetycznego o długości fali większej niż światło widzialne. Skanery na podczerwień działają w podobny sposób jak skanery światła strukturalnego, z tą różnicą, że do uchwycenia światła podczerwonego, które pada na skanowany obiekt, należy użyć innego typu kamery.
Jednym z najczęstszych zastosowań skanerów 3D na światło podczerwone jest skanowanie ludzkiego ciała, które wykorzystuje się w obszarach takich jak diagnostyka i opieka zdrowotna, przechwytywanie VR oraz moda. Ponieważ światło podczerwone nie jest widoczne gołym okiem, można go używać do skanowania twarzy bez powodowania dyskomfortu skanowanego człowieka. Dodatkowo nie powoduje odbić na refleksyjnych powierzchniach oraz bardzo dobrze radzi sobie ze skanowaniem włosów, które są problematyczne do zeskanowania z wykorzystaniem np. białego światła strukturalnego.
Skanowanie 3D światłem podczerwonym jest bardziej niszowe niż skanowanie laserowe oraz skanowanie światłem strukturalnym, co za tym idzie, dostępność na rynku skanerów działających w tej technologii jest mniejsza.
Zalety:
– Bezpieczne i wygodne do skanowania ludzkiego ciała, ponieważ nie emituje jasnego światła, które mogłoby uszkodzić wzrok
– Dobrze radzą sobie ze skanowaniem błyszczących lub ciemnych powierzchni
Wady:
– Skanery 3D na światło podczerwone są mniej dokładne, niż urządzenia działające w pozostałych opisanych technologiach skanowania 3D
Aplikacje:
– Skanowanie ludzkiego ciała
Ręczne hybrydowe skanery 3D
Przykładowe urządzenia: EinScan H (światło strukturalne + podczerwień), EinScan HX (światło strukturalne + laser)
Niektóre z zaawansowanych technologicznie skanerów 3D na rynku łączą kilka źródeł światła w jednym urządzeniu. Pozwala to użytkownikowi w łatwy sposób zniwelować wady jednego rodzaju źródła światła.
Przykładem skanera hybrydowego jest EinScan H firmy Shining 3D, który łączy w sobie możliwości skanowania światłem strukturalnym i podczerwienią. Ten skaner hybrydowy jest przeznaczony dla użytkowników, którzy chcą skanować zarówno ludzkie twarze (przy użyciu bezpiecznego dla oczu trybu skanowania w podczerwieni), jak i wiele innych obiektów (które można uchwycić w lepszej rozdzielczości za pomocą projekcji światła strukturalnego).
Z kolei niektóre skanery 3D, takie jak EinScan HX, łączą światło strukturalne i skanowanie laserowe. Chociaż w tym przypadku możliwości skanowania laserowego nie są tak wszechstronne, jak w przypadku niezależnego skanera laserowego (takiego jak FreeScan UE), konfiguracja hybrydowa umożliwia użytkownikom połączenie zalet obu technologii, takich jak przechwytywanie kolorowych powierzchni przy wykorzystaniu światła strukturalnego oraz uchwycenie refleksyjnych powierzchni za pomocą lasera.
Zalety:
– Łączą zalety wielu technologii
– Wysoce wszechstronne
Wady:
– Nauka obsługi tych urządzeń może być dłuższa niż w przypadku pozostałych technologii
– Kosztują więcej niż skanery z jednym źródłem światła
Aplikacje:
– Skanowanie obiektów o różnych cechach i powierzchniach
Kluczowe kwestie
Każda z trzech omówionych tutaj technologii skanowania 3D ma swoje zalety i potrafi dostarczać wysoką jakość danych 3D. Mając to na uwadze, wybór między różnymi technologiami przy zakupie ręcznego skanera 3D może być trudny. Ogólnie rzecz biorąc, możliwości skanerów laserowych i skanerów światła strukturalnego w dużym stopniu się pokrywają. Oba wykorzystują aktywne źródło światła i kamery do przechwytywania danych skanowania oraz w odpowiednich warunkach są w stanie zapewnić skany w wysokiej rozdzielczości. Warto zauważyć, że te dwie technologie mają ze sobą więcej wspólnego niż na przykład współrzędnościowe maszyny pomiarowe i systemy fotogrametryczne.
Nie sposób także pominąć różnic między omawianymi tutaj typami skanerów 3D. Profesjonalistom planującym wykorzystywać ręczny skaner 3D w różnych środowiskach wewnętrznych i zewnętrznych, polecamy wybór urządzeń laserowych. Użytkownicy, którzy chcą pozyskiwać szczegółowe skany małych obiektów w kolorze, zapewne będą zadowoleni z wyboru skanerów 3D na światło strukturalne. Modele te są zwykle tańsze niż skanery laserowe. Jak wspomnieliśmy, skanery na podczerwień nie są tak popularne, jak te działające w pozostałych technologiach, jednak z pewnością także znajdą swoją grupę odbiorców. Z kolei użytkownicy planujący wykorzystywać skanery 3D do wielu scenariuszy pracy mogą z oczywistego względu preferować skanery hybrydowe, które oferują najszerszy zakres potencjalnych zastosowań dzięki połączeniu różnych technologii skanowania 3D.
Skanowanie 3D kościoła
