Skanowanie 3D – pomiary stykowe i bezstykowe
Pytając przechodnia co to jest skanowanie 3D, w większości otrzymalibyśmy odpowiedź, że chodzi o skanowanie rzeczywistych obiektów i otrzymywanie ich odwzorowania
w komputerze. Mówiąc w bardzo dużym uproszczeniu, i nie zagłębiając się w istotę procesu tak właśnie jest. Skanerem, którego każdy z nas używa na co dzień są nasze oczy. Nie każdy jednak zna zasadę na jakiej odbierany i odwzorowywany jest obraz. Ocena odległości na podstawie tego co zobaczymy nie jest dokładna, człowiek może w przybliżeniu ocenić odległość, niektórzy dochodzą do wysokiej precyzji, jednak nie 100%. Dzięki skanerom 3D możliwe jest bardzo precyzyjne odwzorowanie badanego obiektu, ocena odległości między przedmiotami oraz określenie innych parametrów. Co tak naprawdę dzieje się podczas skanowania obiektów trójwymiarowych? Co możemy skanować?
Wykorzystanie
Skanowanie wykorzystywane jest w wielu branżach od budownictwa i inżynierii lądowej przez inżynierię produkcji, motoryzację, wzornictwo przemysłowe, przemysł lotniczy oraz stoczniowy i kolejowy, branżę rozrywkową aż do medycyny. Przykładem wykorzystania skanerów 3D w budownictwie są: inwentaryzacje obiektów budowlanych, wnętrz, ocena stanu technicznego budynków oraz ich bezpieczeństwa, opracowanie dokumentacji, której celem jest optymalizacja procesów produkcji. Najczęstszym zastosowaniem skanerów
w produkcji jest kontrola jakości. Wykorzystuje się je do analizy przedmiotów, wykonania odpowiednika istniejącego już przedmiotu lub wytworzenia zmodyfikowanego modelu. Skanery stosowane są również w Muzealnictwie i Archeologii do skanowania eksponatów muzealnych, a także wykopalisk archeologicznych. Takie wykorzystanie tej metody przyczynia się do spopularyzowania, upowszechnienia i zwiększenia atrakcyjności eksponatów i samych muzeów, powstają muzea cyfrowe. W branży rozrywkowej skanowanie 3D ma szczególne zastosowanie w grach komputerowych oraz filmach. Efekty specjalne jakie każdy z nas widzi, grafiki 3D, często akrobacje kaskaderskie powstają ze skanów 3D. Ważnym wykorzystaniem skanerów jest tworzenie modeli ortez, protez, implantów, badanie wad postawy, projektowanie. Wykorzystywane są również w medycynie sądowej. Zaleta stosowania ich w tej dziedzinie jest szybkość, możliwość bezdotykowości pomiaru, brak wpływu na aparaturę medyczną oraz łatwość obsługi.
Czym jest skaner 3D?
Jest to urządzenie umożliwiające przekonwertowanie geometrii obiektu świata rzeczywistego do pliku cyfrowego. Mówimy tutaj o dyskretyzacji (kwantowaniu, digitalizacji) geometrii obiektów. Dane analogowe (np. odnośnie kształtu, rozmiaru itp.) gromadzone są w postaci chmury punktów zapisywane, a następnie zamieniane na ich reprezentację cyfrową. Dane w postaci cyfrowej można edytować w odpowiednim programie, dedykowanym do edycji tego typu plików. Digitalizacja polega na zastąpieniu wartości zamieniających się płynnie na wartości zamieniające się skokowo w odpowiedniej dokładności odwzorowania (sygnał analogowy upraszczany jest do postaci skwantowanej). Dane mogą być zbierane stykowo lub bezstykowo. Pomiary bezstykowe dzielimy na aktywne i pasywne. Szczegółowy podział przedstawiono na Rys.1.
Skanowanie bezstykowe
Skanowanie bezstykowe wykorzystywane jest do pomiarów obiektów wielkogabarytowych, których powierzchnie są niedostępne, obiektów o bardzo delikatnej strukturze, odkształcalnych, których naruszenie powierzchni skutkuje ich deformacją, a co za tym idzie zebrane współrzędne punktów pomiarowych byłby nieprawidłowe i nie cyfrowy obiekt nie odwzorowywałby rzeczywistego. Dzięki metodom bezstykowym można tego uniknąć. Są one szybsze od stykowych, jednak ich wada jest mniejsza dokładność.
W pomiarach bezstykowych nośnikiem informacji jest światło. Bazują one na zjawisku jego rozproszenia lub odbicia od powierzchni skanowanego przedmiotu. Najbardziej rozpowszechnioną metoda skanowania wśród pomiarów bezstykowych jest skanowanie laserowe (triangulacja laserowa). Bezkontaktowe aktywne metody pomiarowe same projektują wzory świetlne na badanej powierzchni/obiekcie, następnie analizują ich deformacje. W skanerze znajduje się źródło światła (np. projektor) oraz detektor (są one rozmieszczone w pewnej odległości od siebie). Wygenerowane przez źródło światła wzory są rejestrowane i analizowane przez detektor.
Bezkontaktowe pasywne metody skanowania 3D nie emitują światła, ich praca polega na detekcji odbitego światła otoczenia. Są one tańsze ponieważ wykorzystują, w większości przypadków, światło widzialne i nie potrzebują specjalistycznego sprzętu, wystarczy zwykły aparat cyfrowy.
W podstawowej formie zbierane są informacji na temat rozmieszczenia przestrzennego obiektu, zbierana jest chmura punktów ( każdy zebrany punkt ma określone współrzędne X, Y, Z). Po dyskretyzacji dane te w postaci siatki trójkątów, przez dedykowany do tego program przedstawione są jako cyfrowy model obiektu rzeczywistego. Model można zapisać w formacie STL lub IGES.
Metody stykowe są mniej dokładne, liczba zebranych punktów pomiarowych jest znacznie mniejsza. Narzędzie dyskretyzujące styka się z powierzchnia badanego elementu, wykorzystywana jest tutaj głowica z końcówkami pomiarowymi. Pomiary mogą być dokonywane w sposób ręczny (np. ramiona pomiarowe) lub autonomiczny (np. maszyny CNC), punkty z powierzchni obiektu zbierane są sekwencyjnie, co wydłuża czas pomiaru. Zaletą metod stykowych jest ich dokładność, maszyny stykową są o rząd wielkości dokładniejsze od urządzeń bezstykowych. Punkt zapisywany jest po zarejestrowaniu konkretnej siły nacisku końcówki na powierzchnię lub tak jak w ramionach pomiarowych po naciśnięciu odpowiedniego przycisku.
autorem tekstu jest Monika Reszka
PROFISCAN - inżynieria odwrotna, skanowanie 3D, doradztwo