3d сканер: что это такое, как он работает, каких видов бывает, преимущества и недостатки

Технологии сканирования

Существует несколько технологий в трехмерном сканировании:

Лазерная. Основывается на работе лазерных дальномеров. Трехмерная модель считывается с максимальной точностью. Применение таких моделей невозможно для человека из-за того, что объект должен быть неподвижен во время процедуры.
Оптическая. В таком методе используется лазер второго класса безопасности. Преимущество – высокая скорость сканирования. Возможны считывания даже при движении объекта. Не подходит для сканирования зеркальных, блестящих и прозрачных поверхностей. Отличный вариант для сканирования человека.

Справка! Сканирование человеческого лица нужно проводить как можно быстрее, но не прерывистыми и плавными движениями. Проблемы могут возникнуть при снятии волосяного покрова и бороды, моргании глаз и др. Человек должен смотреть выше камеры в неподвижном состоянии. Также следует пользоваться дополнительными настройками, чтобы облегчить ситуацию.

Трехмерное сканирование является незаменимым в некоторых индустриях. К примеру, в стоматологии. Зубы невозможно измерить с большой точностью. Для зубника это долгий и трудоемкий процесс. Трехмерный сканер справится с этим за несколько секунд. Вручную этот процесс происходит с ошибками и множеством переделок и подгонок.

Для точного чертежа зачастую требуется немало замеров. 3D сканирование позволяет воссоздавать объекты, если обвести их по контуру, при этом вращая на столе. Аппарат быстро превратит физический объект в цифровую модель на компьютере. Более того она станет доступна для печати на 3D принтере или станках ЧПУ.

Трехмерные сканеры пользуются большой популярностью в машиностроении, архитектуре, медицине, производстве обуви, стоматологии. Их использование ускоряет производство и уменьшает брак.

В этом видео дается мастер класс по технологии 3D-сканирования:

Делаем 3d сканер из проектора и веб-камеры

Для этого понадобится:

проектор;
вебка;
программа DАVID-lаserscаnner;
штативы для вебки и проектора;
калибровочная панель (скрепите два небольших листа ДСП под углом 90 градусов и наклейте при помощи сухого клея бумажные листы с заранее распечатанными шаблонами);
поворотный столик (можно соорудить из старой тренажерной установки «грация» и нескольких штырей).

Чтобы отсканировать объект, располагаем его вертикально и делаем 7-8 сканов, вращая его по кругу. Объединяем полученные сканы. После этого меняем положение объекта и проделываем ту же процедуру. Объединяем сканы двух половинок предмета. Нажимая на кнопку «фузиционировать», получаем трехмерную модель объекта. Ее можно сохранить в любом выбранном формате, после чего обработать данные с помощью:

Dеlсаm LаstMaker;
Еasylast;
Lаst Dеsign & Еngineering;
Forma 2000;
Shoemaster QS.

3D сканер: что это такое, и как он работает

3D сканер – это устройство, занимающееся исследованием физических объектов и воссозданием моделей в цифровом формате. Могут иметь стационарные или мобильные формы. Особая лампа или лазер используется для подсветки деталей, что увеличивает точность измерений.

Пример 3D сканера

Модели трехмерных сканеров имеют отличия:

сферу использования;
габариты;
формы технологии.

Применяются в промышленности и в быту. Промышленные аппараты полезны в:

медицинских учреждениях;
инженерии;
производстве;
дизайне;
компьютерных технологиях;
киноиндустрии.

Ультразвуковой 3D сканер незаменим в современной медицине. Агрегат снабжен энергетическими, цветными, тканевыми и импульсными доплерами. Характеризуется большой точностью, вплоть до 0,1 мм. Используется в маммологии, урологии, акушерстве, исследовании сосудов, в кардиографии и педиатрии.

Во время процесса сканирования аппаратом создается множество точек, огибающих объект. Далее они реконструируют предмет и переносят его на монитор. Тоже касается и цветов.

3D сканер имеет вид обычной камеры. То есть информация собирается только с тех поверхностей, на которые попадал световой луч. Различия между ними заключаются в том, что сканер тщательно исследует объект и выдает точное расстояние от точек к поверхности. Это позволяет видеть фигуру сразу в трех областях.

Полноценное моделирование несет в себе несколько сканирований. Это необходимо для подробного анализа. Все данные выкладываются в общую систему, а там уже происходит привязка плоскостей и конвейер (моделирование).

Справка! Правильное сканирование предмета заключается в плавных движениях и поворотах. Если повернуть сканер на 90 градусов по горизонтали, последует звуковой сигнал и траектория отслеживания прервется.

В этом видео рассказывается о том, как работает 3D принтер и 3D сканер:

Делаем 3D сканер с помощью веб-камеры

Для того чтобы изготовить самодельный 3d сканер, вам понадобится:

качественная вебка;
линейный лазер, то есть приспособление, испускающее лазерный луч (для получения качественного сканирования лучше, чтобы луч был как можно тоньше);
разные крепления, в том числе и угол для калибровки;
специальное программное обеспечение для обработки отсканированных снимков и данных.

Учтите, что без соответствующего ПО вам не удастся создать цифровую модель объектов и предметов. Поэтому изначально позаботьтесь о наличии специальных программ. К примеру, базовыми считаются DАVID-lаserscаnner и TriAngles, но они нуждаются в применении вращающейся поверхности.

Начните с калибровочного угла. Для его создания напечатайте шаблон (он входит в комплект программы). Разместите его таким образом, чтобы он создал угол в 90 градусов

Важно, чтобы во время печати соблюдался правильный масштаб. Для этого воспользуйтесь калибровочной шкалой

Калибровку камеры делают в автоматическом или ручном режиме, это также предусматривается ПО.

Чтобы отсканировать предмет, его необходимо будет разместить в калибровочном углу, а напротив установить веб-камеру

Важно поместить объект точно по центру изображения на экране. В настройках вебки нужно отключить все автоматические корректировки

Также с их помощью устанавливается цвет лазерного луча. Нажимая «Старт», совершаются плавные движения. Лучом нужно обвести предмет со всех сторон. Это будет первый цикл сканирования. В дальнейшем необходимо менять положение лазера, чтобы охватить все необработанные в предыдущий раз точки.

По завершении всех процессов сканирование останавливается и выбирается режим «показа в 3D» в программе. Если у вас нет под рукой лазера, его можно заменить источником яркого света. Он обеспечит проецирование теневой линии. Правда, в таком случае поменяйте в программе настройки, которые будут соответствовать данным параметрам.

Убрать лишнее

Как показывает практика, при съемке в кадр попадают сторонние предметы, не относящиеся к нужному объекту. Программа позволяет избавиться от них до печати. Чаще всего получившаяся 3D-модель включает основу, на которой находился предмет при съемке. Чтобы очистить модель, нужно, запустив ReMake, выбрать инструмент lasso. Затем, удерживая левую кнопку мыши, выделяется ненужная область и нажимается delete на клавиатуре.

Иногда полностью убрать ненужные детали не получается. Инструмент lasso захватывает области на самом объекте. Во избежание этого с помощью правой клавиши мыши выбирается режим isolate selection (изоляция) и отмечается область, которую следует удалить с помощью инструмента lasso. Затем необходимо выйти из режима isolate selection, кликнув на соответствующую иконку. Модель почти готова для печати.

Программное обеспечение позволяет автоматически проверить модель на ошибки. Для этого нужно кликнуть по иконке 3D Print. Затем появится окно с предложением проанализировать объект на предмет ошибок. Пользователю остается только выбрать ответ Yes. Обработка данных займет от нескольких секунд до нескольких минут в зависимости от размера и сложности объекта.

Лист белой бумаги при съемке помог отсечь фонИзбежать огрехов из-за спешки
не удалосьСканирование с помощью телефона

В случае обнаружения ошибок на экране появится соответствующее окно, содержащее сообщение Unable to 3D print. Use analysis tools to fix the model (3D-печать невозможна. Используйте инструменты анализа для отладки). Далее нужно нажать кнопку Fix.

Появляется окно анализа, где выводятся данные о количестве «битых» ячеек. Также показывается их расположение на модели. Далее можно нажать кнопку Fix и отладить проблемные области одну за другой или же нажать кнопку Fix all holes, тогда программа преобразует все неправильные ячейки сразу. Различные инструменты программы позволяют вручную сгладить поверхность, удалить или добавить элементы. Для тех, у кого есть навык работы со снимками в Photoshop, редактирование модели в ReMake не должно вызвать трудностей.

Трудности

На практике использование Scann3D сразу вызвало трудности. Первая попытка отсканировать сувенирного слона окончилась неудачей – модель вышла расплывчатой и напоминала слона отдаленно. Последующие сессии оказались чуть более удачными. Наконец, заменив объект съемки и приложив больше терпения, получить более-менее сносную модель все-таки удалось.

Для этого потребовался помощник, который стоял напротив камеры смартфона с листком белой бумаги. Это позволило отсечь фон. Всего было сделано 59 фотографий. Как выяснилось позже, нужно было еще штук пять для большей детализации морды фотографируемого игрушечного зверька.

На обработку изображений у не самого слабого смартфона (Samsung S6) ушло около 20 мин, иногда даже казалось, что аппарат завис. Тем не менее в конце концов модель была готова. Далее ее предлагалось экспортировать в различные форматы (obj, pcd, ply и stl) и распечатать на принтере. В общем, приложение оказалось неплохой альтернативой дорогим сканерам при условии, что большой точности конечного продукта не требуется.

Андрей Филатов

Классификация лазерных 3D сканеров

Трехмерное сканирование подразделяется на 2 типа:

Контактное. Метод представляет собой контакт с предметом.
Бесконтактное. Перспективный метод сканирования, так как позволяет создавать скан моделей, находящихся в труднодоступных местах.

Бесконтактные подразделяются на 2 категории:

Активные;
Пассивные.

Контактные

Механический щуп соединен с контактами в сканере. Он снабжен датчиком, который измеряет высоту, глубину объекта. Координаты собраны в сетке, которые можно регулировать из программы. Механизмом могут допускаться угловые перемещения для впадин и отверстий. Процесс можно ускорить самостоятельно, изменяя шаги сетки: уменьшать сложные участки, повысив точность и сокращая время.

<?php /**/ ?>

Данные устройства работают по следующему принципу: происходит зондирование предмета при помощи физического контакта, когда тот находится на прецизионной проверочной поверхности. Отличается от других видов сверхточной работой. Недостаток – может изменить или повредить объект. Такие сканеры проводят изучение объекта напрямую. Если объект лежит неправильно или двигается во время сканирования, его удерживают в неподвижном состоянии специальные тиски.

Пример контактного 3D сканера

В таком 3D сканере используется 3 вида механизма:

Каретка. Измерительная «рука», которая находится в неподвижном перпендикулярном положении. Исследование происходит в момент движения каретки, когда «рука» двигается вдоль объекта. Хороший метод сканирования плоских и выпуклых деталей.
Высокочастотный угловатый датчик. Сканирует внутреннее пространство объекта с углублениями и входными отверстиями. Производит сложнейшие математические вычисления.

Использование этих двух механизмов помогает собирать информацию с крупных предметов, имеющих поперечные перегородки и несколько внутренних отсеков.

Координатно-измерительная машина. Именно этот механизм сверхточно читает предмет и способен повредить или деформировать его. Такие минусы машины учитываются при сканировании исторических и хрупких объектов.

Бесконтактные

В основе сканирования таким аппаратом лежит метод изучения предметов при помощи ультразвука и рентгеновских лучей. Процесс происходит путем отражения светового потока. Это может быть обычный свет или определенное излучение. Только после этого объект подвергается цифровому исследованию.

Зачастую сканируемые объекты находятся в освещенных местах. В таком случае используют отражение света в видимом диапазоне. Из этого следует, что бесконтактные 3D сканеры сравнимы с версией видеокамеры. Но такой освещенности недостаточно для подробного анализа, так как свет может распространяться неравномерно. В качестве дополнений используются специальные осветители, при этом увеличивается стоимость, и теряется компактность и мобильность.

Бесконтактный 3D сканер

Пассивные

Такие трехмерные сканеры анализируют отраженное излучение через свет. В качестве святилища используется лазерный луч, в основе которого имеется времяпролетный дальномер. Он рассчитывает расстояние и время движения луча туда и обратно. Используется как световой всплеск, а время его отражения фиксируется при помощи детектора. Как известно, скорость света неизменная величина, и, зная время полета луча в обе стороны, можно подсчитать расстояние от сканера до объекта. За 1 секунду времяпролетные 3D сканеры могут измерить до 100 000 точек.

Активные

Сканирование объектов происходит путем направления волн, представленных в виде лазерного луча или структурированного света. Далее наступает обнаружение и анализ отражения. Сканер отправляет луч на предмет, а камера записывает данные о расположении в координатах. Движение лазера сопровождается фиксацией в поле зрения камеры в разных местах. Такие трехмерные сканеры прозвали триангуляционными, так как луч, камера и конечная точка образуют треугольник.

Базовые знания

Перед началом съемки необходимо ознакомиться с азами настройки камеры. В настоящее время в Интернете полно сайтов, где желающие могут самостоятельно подтянуть знания по основам работы фотографа. По большому счету, разобраться нужно с несколькими параметрами.

Светочувствительность (ISO), как следует из названия, определяет, насколько чувствительна камера к свету. Чем выше уровень светочувствительности, тем заметнее будут шумы (дефекты изображения); верна и обратная пропорциональность: чем ниже ISO, тем менее выражены шумы на фотографии. По словам специалистов, самые качественные изображения получаются тогда, когда съемка происходит на низких значениях ISO: 50, 100, 200. Верхний предел – ISO:400.

Следующий параметр – приоритет диафрагмы. Он представляет режим автоматического управления экспозицией фотоаппарата или видеокамеры, при котором автоматика бесступенчато выбирает выдержку затвора (время считывания кадра матрицей), в зависимости от установленной вручную диафрагмы. Для наиболее детального снимка выбор делается в сторону значения f11.

Наконец, последний основной параметр – скорость затвора или время, в течение которого затвор остается открытым и свет попадает на сенсор камеры. Если время выдержки невелико, можно «заморозить» движение.

Длинная выдержка позволяет получить «размазанное» движение (motion blur). Его часто применяют в рекламной фотографии автомобилей и мотоциклов, когда нужно передать ощущение скорости или движения автомобиля.

При выдержке более 1/60 камера чувствительна к сотрясению, и снимки могут получиться смазанными. Чтобы этого не произошло, при съемке с длинной выдержкой используется штатив.

Часто на камере в качестве значения выдержки бывает указан только знаменатель. Например, 125 означает скорость затвора 1/125 с. В значении выдержки знаменатель дроби должен, по меньшей мере, равняться фокусному расстоянию или быть больше него. Например, объективом 50 мм можно снимать с рук при выдержке не более 1/50 с, объективом 200 мм – не более 1/200 с.

Программа может исправить огрехи съемки

Цена на 3D сканирование

На рынке электроники представлен большой выбор трехмерных сканеров — от профессиональных до бытовых. Это весомое капиталовложение. 3D сканер должен соответствовать решению задач пользователя и бюджету.

Вот, что нужно знать, при заказе 3D сканирования:

Каждый заказ рассчитывается индивидуально в зависимости от размера объекта, его геометрии и детализации;
Минимальная ставка при трехмерном сканировании составляет – 3000 руб.;
При выезде специалиста с оборудованием придется доплатить;
Заранее оговаривается, какой моделью осуществляется сканирование.

Что входит в услугу:

Ответ на любой вопрос, касающийся трехмерного сканирования;
3D сканирование;
Создание единой 3D модели;
Корректировка и наложение текстур;
Модель сохраняется в нужном формате: OBJ, PLY, WRL, STL, AOP, ASCII, PTX, E57, XYZRGB, CSV, DXF, XML;
Подготовка модели к 3D печати путем оптимизации.

За дополнительную стоимость:

После проведения анализа предмета его делают пригодным для редактирования в CAD,SolidWorks, Компас и других программах. На выходе получается твердотельная модель.
Обработка сканов, склейка, удаление шумов, сглаживание, оптимизация, регистрация сканов и другие дополнительные функции.

После ознакомления с технологией трехмерного сканирования прочитавший может сделать для себя вывод о том, для чего нужен 3D сканер. Цифровые технологии достигли своего пика и перешли в доступный режим. Приемлемая цена и легкость в использовании не заставят покупателя беспокоиться о переходе в цифровой мир.

Технология 3D сканирования считается одной из сложнейших. С каждым годом трехмерный тип анализа объектов развивается по следующим причинам:

Действительно необходимое оборудование для промышленных предприятий.
Незаменим в маркетинговой технологии. Хороший способ создать качественную рекламу и каталоги.
Реалистичные копии пользуются популярность в медицине, кино.

Производством 3D сканеров занимаются как крупные компании, так и небольшие фирмы. А связано это с тем, что цифровое сканирование вышло на новый уровень и может повлиять на развитие многих сфер в индустрии.

Функциональные возможности 3Д сканера

От технологии сканирования зависит принцип работы трехмерного сканера. Подсветка и встроенные камеры измеряют расстояние до объекта. Картинки, получаемые в процессе, сопоставляются. Далее происходит тщательный анализ данных и отображение цифровой, трехмерной модели на экране. Работа лазерного 3D сканера основана на измерении расстояния до объекта в заданных точках. Полученные сведения выводятся в координаты.

Дмитрий Юрьевич Усенков «Как победить циклопа»: как собрать и отладить 3D-сканер, который поставили в вашу школу

Летом 2017 года в школы в рамках гос. поставок по проекту «Техносфера современной школы» поступили комплекты 3D-оборудования, в том числе 3D-принтеры Hephestos и 3D-сканеры Ciclop. Однако и 3D-принтеры, и 3D-сканеры поставлялись в виде «конструктора» – набора деталей, из которых требовалось самостоятельно собрать принтер и сканер, отладить и настроить их. Данное пособие поможет вам сделать эту работу.

Основная цель использования 3D сканеров – создание точных трехмерных объектов. В дальнейшим они используются для обработки на специализированном программном обеспечении, для последующей печати на трехмерных принтерах.

По принципу использования сканеры могут быть:

Ручные 3D сканеры. Подходят для домашнего пользования, просты в использовании, имеют малый вес и габариты.

Портативные 3D сканеры. Модель для работы с выездом и стационарной установкой.

Настольные. Профессиональные модели, подойдут для использования в офисе, инженерных бюро и дизайнерских студиях.

Стационарные. Используются в промышленных целях.

Оптические. Работают на основе комбинации света и оптических камер.

Делаем 3d сканер из смартфона

Как сделать 3d сканер из обычного мобильного устройства? Сегодня для этого используются различные программные продукты. С их помощью смартфон превращается в полноценный трехмерный сканер. Наиболее популярные программные алгоритмы:

МоbileFusion. Он отслеживает положение предмета при помощи штатной камеры, после чего выполняет фотосъемку. Из череды снимков получается трехмерная модель. Работает на разных платформах и ОС.
Помогает в создании трехмерных фотографий любых объектов, после чего отправляет их на 3D-принтер.
Аutodesk 123D Саtch. С помощью данной программы создают и печатают на аддитивных устройствах трехмерные модели зданий, людей и других предметов, которые можно сфотографировать со всех углов и сторон.

Подобные системы не нуждаются в аппаратных модификациях или подключении к сети Интернет. Чтобы начать работу, необходимо просто запустить мобильное приложение и провести телефоном вокруг объекта, который сканируется.

Обычный фотоаппарат

Для съемки можно использовать цифровые зеркальные камеры. Они позволяют сделать качественные универсальные фото. Причем для сканирования не потребуется покупка профессиональных моделей аппаратов. Так, с задачей справится и Nikon D5000 с разрешением матрицы 12,3 Мп. Более новые модели предложат и более качественные фото с высоким разрешением, но тогда придется пожертвовать временем обработки снимка. Кроме того, большинство цифровых камер имеют опцию сохранения изображений в формате RAW без сжатия, такой режим понадобится для более детального сканирования выбранного объекта.

В принципе для сканирования модели подойдут даже «мыльницы» и камеры смартфонов. Многие из них дают возможность съемки в ручном режиме, так что, если человек разбирается в азах съемки, можно использовать и менее продвинутые устройства.

Преимущества и недостатки 3D сканеров

Как и любое оборудование, трехмерные сканеры обладают рядом достоинств и недостатков.

Преимущества:

Из-за высокой скорости сканирования приборы быстро окупают вложенные в прибор деньги.
Можно проводить анализ объектов, находящихся на улице или за пределами помещений.
Инновационные технологии позволяют определять и передавать все цвета без ограничений.
Нет необходимости прислонять предмет к аппарату, так как сканирование происходит на расстоянии.
Удобный размер позволяет носить прибор с собой в обычной сумке.

Недостатки:

Нет возможности обрабатывать черно-белые объекты, так как принтер не считывает их и выдает неправильную информацию.
Трудно считывает предметы с глубоким рельефом и перегородками.
Прозрачные объекты могут быть отсканированы, если их обработать раствором. В противном случае результат будет в виде бликов и вспышек на снимке.

Зная особенности трехмерных сканеров, можно выбирать варианты для удовлетворения основных потребностей. Самое главное — качественная и современная модель. Только так можно отсканировать объект быстро и качественно.

Naps2

Naps2 – небольшая и очень удобная программа для сканирования, обладающая русским языком и высокой скоростью работы. Благодаря поддержке функции OCR (оптическое распознавание текста), при помощи Naps2 можно сканировать, а затем распознавать тексты с возможностью последующего редактирования. Naps2 дает возможность сохранения различных профилей конфигурации, благодаря чему, пользователь может гибко настроить параметры для каждого вида файлов, а затем по мере необходимости переключаться между ними. В программе имеется менеджер сканеров, при помощи которого можно легко управлять всеми сканерами, подключенными к компьютеру. Еще одним достоинством приложения является поддержка пакетного сканирования, а также возможность загружать ранее отсканированные документы.

Лицензия программы	Бесплатная
Ограничение	Отсутствует
Язык	Русский, Английский
Операционная система	Windows XP/Vista/7/8/8.1/10

Программы для обработки

Далее получившиеся фото обрабатываются с помощью специального программного обеспечения. Оно бывает как платным, так и бесплатным в зависимости от функционала. К примеру, можно воспользоваться программой ReMake от компании Autodesk. Данное ПО позволяет конвертировать набор снимков в 3D-меши (полигональную сетку) высокого разрешения. Ячейки сетки можно редактировать, чинить, измерять, и оптимизировать. Так что, если при создании трехмерной модели на основе фото в ней появились огрехи, программа поможет устранить их до начала печати.

ReMake использует облачные вычисления, поэтому мощный компьютер для обработки фото конечному пользователю не потребуется. Единственное, нужно создать аккаунт на сайте Autodesk. Выполнив данный шаг, пользователь получит 5 Гб свободного места на 360.autodesk.com. ReMake использует этот ресурс для создания модели на основе снимков.