Jak działa skaner 3D?

Część pierwsza – podział skanerów na kategorie, skanery kontaktowe, skanery bezkontaktowe pasywne.

Inżynieria odwrotna to dziedzina wykorzystywana w wielu celach, zwłaszcza w kontekście druku 3D. Zarówno do tworzenia dokumentacji technicznych, replikacji elementów, czy też ich modernizacji. W celu digitalizacji fizycznych obiektów, możemy wykorzystać pomiary organoleptyczne (tworzenie projektu „na oko”), tradycyjny sprzęt pomiarowy (suwmiarki, metrówki, niwelatory, śruby mikrometryczne, wysokościomierze, kątomierze…), bądź współczesną technologię – skanery 3D. W dzisiejszym artykule przybliżymy nieco zasadę działania tych ostatnich.

Skanery 3D – ogólna zasada działania, podział na typy

Skaner 3D pozwala na analizę geometrii powierzchni badanego obiektu, pozwalając na jego digitalizację. Każdy z nich generuje pliki w postaci modelu siatkowego (mesh) – takie jak np. pliki .stl czy .obj stosowane w druku 3D. Zależnie od zasady działania możemy podzielić skanery na: kontaktowe, bezkontaktowe aktywne oraz bezkontaktowe pasywne.

Kontaktowe skanery 3D:

Ta technologia wykorzystuje zagadnienia kinematyki odwrotnej – pomiar następuje z użyciem sondy dotykowej, przy czym obiekt i/lub sonda poruszają się względem siebie w celu przeskanowania całej powierzchni elementu.

Przykładem tego typu skanerów może być wykorzystywany w protetyce dentystycznej Renishaw DS10, gdzie sonda porusza się w osi pionowej (Z), a obiekt jest obracany i pochylany (pan/tilt).



Inne typy konstrukcji to skaner z ruchomą bramą (element leży nieruchomo na stole pomiarowym, a sonda porusza się w osiach XY skanując wysokość w każdym punkcie) oraz sonda pomiarowa na 6-osiowym ramieniu (6 stopni swobody pozwala „dosięgnąć” geometrii z każdej strony badanego obiektu) – np. FaroArm.



Niebywałą zaletą tego typu rozwiązań to olbrzymia dokładność pomiarowa (w przypadku DS10 jest to 20 μm), natomiast wadami jest inwazyjna metoda pomiaru (w przypadku miękkich materiałów powierzchnia może zostać zniszczona, a nawet może to uniemożliwić skan) oraz mocno ograniczone pole robocze.

Skanery bezkontaktowe – pasywne

Skanery pasywne nie emitują żadnego promieniowania, wykorzystują jedynie odbite/emitowane przez sam obiekt badany.

Może to być np. analiza stereoskopowa (dwie kamery umieszczone w określonej odległości od siebie, a dalej analiza drobnych różnic w obrazie z obu kamer) – spójrz na obiekt zasłaniając lewe, a następnie prawe oko i porównaj różnicę widzianych obrazów. To, co pozwala ludziom widzieć przestrzennie, to właśnie stereoskopia.



Fotometria natomiast wykorzystuje jedną kamerę, jedną pozycję tej kamery, ale wiele pozycji źródła światła – wyobraźmy sobie fotografowanie rzeźby na słonecznym placu w godzinnych odstępach – słońce „wędrujące” po niebie oświetla obiekt z różnych stron, co powoduje różne padanie cieni – co również pozwala na ocenę wypukłości na powierzchni.



Aktualnie, najczęściej wykorzystywaną metodą pasywnego skanowania 3D jest fotogrametria – rozwinięcie techniki stereoskopowej, wykorzytujące złożenie dziesiątek, setek, czy nawet tysięcy fotografii wykonanych z różnych położeń.



Jest wiele metod wykonywania fotogrametrii – może to być układ bardzo dużej ilości kamer rozmieszczonych sferycznie wokół badanego obiektu, lub w celu ograniczenia ilości kamer jeden pierścień/łuk poruszający się w wybranej osi (np. góra-dół, pochył poniżej-ponad czy obrót wokół), a nawet w skrajnych przypadkach, gdy obiekt jest nieruchomy, można wykonać po kolei wszystkie zdjęcia jedną kamerą (w makroskali skany takie wykonuje się dronem).

Zapowiedź

Nie odchodźcie daleko i śledźcie nasz blog – już niedługo opublikujemy część drugą, w której opiszemy skanery bezkontaktowe aktywne.