Принцип работы 3D сканера

Что делает 3D-сканер

3D-сканер – устройство, предназначенное для воспроизведения формы какого-либо физического объекта в цифровом формате с целью построения его виртуальной трехмерной модели.

Как работает 3D-сканер

В ходе процедуры 3D-сканирования собирается массив цифровых данных. Он представляет собой набор точек, каждая из которых имеет строго определенные координаты в пространстве – «облако точек». Компьютерная программа соединяет рядом расположенные точки и выстраивает цифровую копию сканируемого предмета, точно воспроизводящую его геометрические формы.

Виды 3D-сканеров

3D-сканирование можно вести различными способами.

В зависимости от технологии процесса различаются и принципы работы 3D-сканеров.

Существуют следующие виды этих устройств:

Контактные сканеры 

Осуществляют 3D-сканирование путем непосредственного контакта с объектом.

Бесконтактные сканеры

Работают путем улавливания чувствительными камерами волн, отражаемых поверхностью предмета. Делятся на два типа:

  • Активные: излучают на сканируемый предмет волны определенной частоты и анализируют отраженный сигнал. В качестве волн обычно используют светодиодный или лазерный луч. Для специфических целей разработаны специализированные 3D-сканеры, испускающие ультразвуковое, инфракрасное или рентгеновское излучение;
  • Пассивные: не оборудованы источниками излучения, а обрабатывают отраженный объектом сканирования свет. Проще говоря, делая множество последовательных фотографий объекта с разных ракурсов, они позволяют выстроить его 3D-модель. Это самые простейшие устройства с низкой точностью измерений. В их роли могут выступать, например, смартфоны с загруженным в них приложением для 3D-сканирования.

Контактные сканеры

Контактный 3D-сканер представляет собой манипулятор, на конце которого находится специальное механическое приспособление – щуп. Этот щуп является чувствительным сенсором. При сканировании оператор перемещает сенсор по поверхности объекта, как бы «ощупывает» его. При этом компьютер фиксирует малейшие изменения в положении сенсорного датчика и заносит координаты в специальную программу, создающую трехмерную модель сканируемого объекта.

Бесконтактные сканеры

Лазерные сканеры активного типа направляют на поверхность объекта луч лазера. Фиксирование отраженного луча позволяет с высокой точностью измерять расстояние до предмета в заданных точках. Далее на основе полученных сведений определяются координаты точек. Этот принцип сканирования широко применяется при создании трехмерных моделей крупных неподвижных объектов, например, помещений.

В ходе сканирования устройство в каждый отдельный момент времени «видит» только тот участок поверхности объекта, на который направлен луч. Поэтому нужно либо двигать сам сканер, либо перемещать объект сканирования. В результате получаются отдельные фрагменты поверхности, которые затем программными средствами «сшиваются» в единое целое – трехмерную модель.

Наиболее распространенные оптические активные 3D-сканеры работают по принципу формирования и сравнения изображения объекта от двух камер. Этот процесс практически идентичен тому, когда человек определяет расстояние до предмета двумя глазами. Роль глаз здесь играют камеры. Сканер измеряет расстояние до объекта с разных ракурсов. Получаемые изображения анализируются, сопоставляются, и на основе полученных данных компьютер строит трехмерную модель объекта.

Чтобы повысить точность измерения, в таких сканерах используют подсветку – светодиодные лампы или те же лазеры. Мощный световой поток или точный лазерный луч помогают достичь максимальной точности измерений.

Вариантом оптической технологии является использование модулированной или структурированной подсветки предмета. При модулированной подсветке на объект направляются световые импульсы. При этом они определенным образом изменяются. Камера фиксирует отражения и по искажениям получает картину поверхности сканируемого предмета. При структурированной подсветке 3D-сканер включает, помимо камер, еще проектор. Он проецирует на поверхность объекта контрастный узор, например, черные и белые полосы. Камера направлена в ту же точку, она фиксирует получаемое изображение. Затем специальная программа анализирует и обсчитывает картину искажений полос на поверхности предмета. По этим данным компьютер воспроизводит рельеф и формирует 3D-модель.

Важно, что оптические сканеры позволяют считывать и воспроизводить не только геометрические формы предметов, но также структуру и цвет их поверхности.

Главной целью 3D-сканирования является максимально точное воспроизведение формы физического объекта в мельчайших деталях. Поэтому все усилия разработчиков направлены на повышение точности измерений. Для этого создаются аппараты не с двумя, а с несколькими камерами. Так, для оцифровки произведений искусства разработаны 3D-сканеры, у которых девять камер и девять мощных светодиодных светильников, смонтированных на подвижной дугообразной раме. Объект фиксируется по центру внутри этой рамы, а затем рама с камерами и светильниками двигается, описывая как бы полусферу вокруг объекта. Так проводится высокоточное сканирование предмета со всех сторон.

Возврат к списку статей