3Д сканирование в рамках дополнительного образования в учебном процессе«Технология»

3Д сканирование в рамках дополнительного образования в учебном процессе«Технология»

• МБОУ «СОШ им. ВГ Шухова» г. Грайворон
• Основное общее образование
• Учитель : Каплий Ю.Н.

Вступление

• 3D-сканер представляет собой специальное устройство, которое анализирует определённый физический объект или же пространство, чтобы получить данные о форме предмета и, по возможности, о его внешнем виде (к примеру, о цвете). Собранные данные в дальнейшем применяются для создания цифровой трехмерной модели этого объекта.
• Создать 3D-сканер позволяют сразу несколько технологий, различающиеся между собой определёнными преимуществами, недостатками, а также стоимостью. К тому же, существуют некоторые ограничения по объектам, которые могут быть оцифрованы. В частности, возникают трудности с блестящими, прозрачными или обладающими зеркальными поверхностями предметами.
• Не стоит забывать и том, что сбор 3D-данных важен и для других применений. Так, они необходимы в индустрии развлечений для создания фильмов и видеоигр. Также эта технология востребована в промышленном дизайне, ортопедии и протезировании, реверс-инжиниринге, разработке прототипов, а также для контроля качества, осмотре и документировании культурных артефактов.
•  
• Функциональные возможности
• Цель 3D-сканера в том, чтобы создать облако точек геометрических образцов на поверхности объекта. В дальнейшем эти точки могут быть экстраполированы для воссоздания формы предмета (процесс, называемый реконструкцией). Если были получены данные и о цвете, то и цвет реконструированной поверхности также можно определить.
• 3D-сканеры немного похожи на обычные камеры. В частности, у них есть конусообразное поле зрения, и они могут получать информацию только с тех поверхностей, которые не были затемнены. Различия между двумя этими устройствами в том, что камера передаёт только информацию о цвете поверхности, что попала в ее поле зрения, а вот 3D-сканер собирает информацию о расстояниях на поверхности, которая также пребывает в его поле зрения. Таким образом «картинка», полученная с помощью 3D-сканера , описывает расстояние до поверхности в каждой точке изображения. Это позволяет определить положение каждой точки на картинке сразу в 3 плоскостях.
• В большинстве случаев одного сканирования недостаточно для создания полноценной модели предмета. Таких операций потребуется несколько. Как правило, приличное множество сканирований с разных направлений понадобится для того, чтобы получить информацию обо всех сторонах объекта. Все результаты сканирования должны быть приведены к общей системе координат – процесс, называемый привязкой изображений или выравниванием, и только после этого создаётся полная модель. Вся эта процедура от простой карты с расстояниями до полноценной модели называется  3D конвейер сканирования.
•  
• Технология
• Существует несколько технологий для цифрового сканирования формы и создание 3D-модели объекта. Однако была разработана специальная классификация, которая делит 3D-сканеры на 2 типа: контактные и бесконтактные. В свою очередь, бесконтактные 3D-сканеры можно поделить ещё на 2 группы – активные и пассивные. Под эти категории сканирующих устройств могут подпадать сразу несколько технологий.

Результаты

Цель занятий

• Входе мастер класса слушатели получат знания о структуре и порядке работы в программе СURA а также технической оболочкой программы 3д сканера SAINSE
• В ходе занятий слушатели научатся выполнять сканирование в программной среде 3д сканера и обработке полученных объектов и опробуют 3д печать отсканированных объектов.

• Ознакомится с основными возможностями программ для создания 3д объектов на уроке технологии, на примере программы « Блендер»
• Тема занятий: Синергия технологий 3д сканирования в средне образовательной школе на примере предмета Технология для мальчиков.

ТРИАНГУЛЯЦИОННЫЕ СКАНЕРЫ

Триангуляционные лазерные 3D-сканеры также относятся к активным сканерам. Они используют лазерный луч, чтобы прозондировать пространство. Также, как и времяпролетный лазерный 3D сканер, триангуляционные устройства посылают на предмет сканирования лазерный луч и используют камеру для поиска расположения точки, которая появляется в различных местах поля зрения камеры, в зависимости от того, как далеко лазер продвигается по поверхности.

Эта технология называется триангуляцией потому, что лазерная точка, камера и лазерный излучатель образуют треугольник. Три показателя определяют форму и размер треугольника. Во-первых, известна длина одной стороны этого треугольника — расстояние между камерой и лазерным излучателем. Во-вторых, также известен угол наклона лазерного излучателя. В-третьих, угол наклона камеры определяется по расположению лазерной точки в поле обзора камеры. В большинстве случаев используется лазерная полоса вместо единственной лазерной точки — для того чтобы ускорить процесс получения данных.

Национальный научно-исследовательский совет Канады (NRC) был одним из первых научных институтов, разработавших основы технологии триангуляционного лазерного сканирования в 1978 году.

Принцип работы датчика лазерной триангуляции.

МОДУЛИРОВАННЫЙ СВЕТ

3D сканеры на основе модулированного света проецируют на предмет непрерывный световой луч. Луч создает на объекте ряд линейных рисунков  (синусоидный рисунок). Камера фиксирует отражённый свет и определяет расстояние до объекта, путь который преодолел луч света, перемещая каждую полосу. Модулированный свет также позволяет сканеру игнорировать свет от других источников помимо лазера, что позволяет избежать каких-либо вмешательств.

Принцип структурированного света

• 3D-сканеры, работающие по технологии структурированного света, создают с помощью  видеопроектора или другого постоянного источника света — проекцию координатной сетки на объект. Считывая  деформацию этой сетки, камера, расположенная немного в стороне от проектора, фиксирует форму и вычисляет расстояние до каждой точки в поле зрения. Некоторые существующие системы могут сканировать даже движущиеся объекты в режиме реального времени.
• 3D-сканеры, использующие структурированный свет обладают двумя главными преимуществами: скорость и точность работы. Фактически, вместо сканирования одной точки за один раз, они сканируют несколько точек или все поле зрения сразу. Т.е. они сканируют все поля зрения лишь за долю секунды, и сгенерированные профили являются более точными, чем лазерные триангуляции. Данный метод снижает (даже устраняет) проблему искажения данных, вызванного движением.

Принцип работы и виды 3Д сканеров

• 3D-сканирование сегодня может проводиться по двум технологиям: оптической или лазерной. Оптический метод заключается в искажении световых лучей, которые падают на предмет, в результате чего получается особый узор. Специальная программа, обрабатывая его, преобразует в этот узор в информацию о поверхности объекта. Сканеры, работающие по такой технологии, нельзя использовать для изучения блестящих, прозрачных и других оптических предметов. Оптический 3D-сканер отличается скоростью выполнения операций, что и является его главным плюсом.
• Главное преимущество лазерного метода заключается в высокой точности получаемой информации. В основе лазерной технологии трехмерного сканирования лежит привязка к модели. Применение данной технологии предполагает использование светоотражающих маркеров, находящихся в установленных заранее местах.

Контактное 3д сканирование

• Контактные 3D-сканеры
• Контактные 3D-сканеры исследуют (зондируют) объект непосредственно через физический контакт, пока сам предмет пребывает на прецизионной поверочной плите, отшлифованной и отполированной до определённой степени шероховатости поверхности. Если объект сканирования неровный или не может стабильно лежать на горизонтальной поверхности, то его будут удерживать специальные тиски.
•  
• Механизм сканера бывает трёх различных форм:
• Каретка с фиксированной измерительной рукой, расположенной перпендикулярно, а измерение по осям происходит, пока рука скользит вдоль каретки. Эта система оптимальна для плоских или обычных выпуклых кривых поверхностей.
• Манипулятор с фиксированными составляющими и с высокоточными угловыми датчиками. Расположение конца измерительной руки влечет за собой сложные математические вычисления, касающиеся угла вращение шарнира запястья руки, а также угла разворота каждого из соединений руки. Этот механизм идеально подходит для зондирования углублений или внутренних пространств с небольшим входным отверстием.
• Одновременное использование предыдущих двух методов. К примеру, манипулятор можно совместить с кареткой, что позволить получить 3D-данные от больших объектов, обладающих внутренними полостями или перекрывающими друг друга поверхностями.
• КИМ (координатно-измерительная машина) представляет собой яркий пример контактного 3D-сканера . Они используются в основном в производстве и могут быть сверхточными. К недостаткам КИМ можно отнести необходимость непосредственного контакта с поверхностью объекта. Поэтому существует возможность изменить предмет или даже повредить его. Это весьма важно в том случае, если сканируются тонкие или ценные предметы, например, исторические артефакты. Ещё один недостаток КИМ перед другими методами сканирования – медлительность. Перемещение измерительной руки с установленным зондом может оказаться очень медленным. Самый быстрый результат работы КИМ не превышает несколько сотен герц. В то же время, оптические системы, к примеру, лазерный сканер, может работать от 10 до 500 кГц.
• Ещё одним примером могут послужит ручные измерительные зонды, с помощью которых оцифровывают глиняные модели для компьютерной анимации.

Триангуляционные лазерное сканирование

• Триангуляционные лазерные 3D-сканеры также относятся к активным сканерам, которые используют лазерный луч для того, чтобы прозондировать объект. Подобно времяпролётным 3D-сканерам триангуляционные устройства посылают на объект сканирования лазер, а отдельная камера фиксирует расположение точки, куда попал лазер. В зависимости от того, как далеко лазер продвигается по поверхности, точка появляется в различных местах поля зрения камеры. Эта технология названа триангуляцией потому, что лазерная точка, камера и сам лазерный излучатель образуют своеобразный треугольник. Известна длина одной стороны этого треугольника – расстояние между камерой и лазерным излучателем. Также известен угол лазерного излучателя. А вот угол камеры можно определить по расположению лазерной точки в поле обзора камеры. Эти 3 показателя полностью определяют форму и размер треугольника и указывают на расположение угла лазерной точки. В большинстве случаев, чтобы ускорить процесс получения данных, вместо лазерной точки пользуются лазерной полосой. Так, Национальный научно-исследовательский совет Канады был среди первых научных организаций, разработавших основы технологии триангуляционного лазерного сканирования ещё в 1978 году.
•  

Преимущества и недостатки сканеров

• Как времяпролётные, так и триангуляционные сканеры обладают своими сильными и слабыми сторонами, что определяет их выбор для каждой конкретной ситуации. Преимущество времяпролётных устройств в том, что они оптимально подходят для работы на очень больших расстояниях вплоть до нескольких километров. Они идеальны для сканирования зданий или географических объектов. В то же время, к их недостаткам можно отнести точность измерений. Ведь скорость света довольно высока, поэтому при подсчете времени, которое требуется лучу, дабы преодолеть расстояние до и от объекта, возможны некоторые огрехи (до 1 мм). А это делает результаты сканирования приблизительными.
• Что же касается триангуляционных дальномеров, то у них ситуация с точностью до наоборот. Диапазон их действия составляет лишь несколько метров, а вот точность относительно высока. Такие устройства могут измерить расстояние с точностью до десятков микрометров.
• Негативно на точность работы времяпролётных сканеров влияет исследование края объекта. Лазерный импульс посылается один, а отражается сразу из двух мест. Координаты рассчитываются, исходя из позиции самого сканера, при этом берётся среднее значение двух отражений луча лазера. Это приводит к тому, что точка будет определена в неправильном месте. При использовании сканеров с высоким разрешением шансы на то, что лазерный луч попадёт точно на край объекта возрастают, но при этом за краем появится шум, что негативно отразится на результатах сканирования. Сканеры с небольшим лучом могут решить проблему сканирования края, но у них ограничен диапазон действия, поэтому ширина луча превысит расстояние. Существует также специальное программное обеспечение, которое позволяет сканеру воспринимать только первое отражение луча, игнорируя при этом второе.
• При скорости работы 10 000 точек за секунду сканеры с низким разрешением справятся с задачей в течение нескольких секунд. А вот для сканеров с высоким разрешением нужно сделать несколько миллионов операций, на что уйдут минуты. Стоит учитывать, что данные могут исказиться, если объект или сканер будут двигаться. Так, каждая точка фиксируется в определённый момент времени в определённом месте. Если объект или сканер переместится в пространстве, то результаты сканирования будут ложными. Поэтому так важно устанавливать и объект, и сканер, на фиксированной платформе, и свести возможность вибрации к минимуму. Следовательно, сканирование объектов в движении практически невыполнимо. Однако в последнее время ведутся активные исследования того, как можно компенсировать влияние вибрации на искажение данных.
• Стоит учесть и тот факт, что при сканировании в одном положении в течение длительного времени небольшое смещение сканера может произойти из-за изменения температуры. Если сканер установлен на штативе и одна из сторон сканера подвержена сильному влиянию солнечных лучей, то в таком случае штатив будет расширяться, а данные сканирования будут постепенно искажаться с одной стороны на другую. Вместе с тем, некоторые лазерные сканеры обладают встроенными компенсаторами, которые противодействуют любому движению сканера во время работы.

Ручные лазерные сканеры

• Ручные лазерные сканеры создают 3D-изображение по принципу триангуляции, описанному выше. Лазерный луч или полоса проецируются на объект из ручного излучателя, а сенсор (зачастую, ПЗС или координатно-чувствительный детектор) измеряет расстояние до поверхности объекта. Данные собираются относительно внутренней системы координат и следовательно для получения результатов, если сканер находится в движении, место положения устройства должно быть точно определено. Это можно сделать с помощью базовых пространственных объектов на сканируемой поверхности (наклеивающиеся отражающие элементы или природные особенности) или же посредством метода внешнего слежения. Последний способ зачастую принимает форму лазерного трекера (предоставляющего датчик положений) со встроенной камерой (для определения ориентации сканера). Также можно использовать фотограмметрию, обеспечивающуюся 3 камерами, которая придаёт сканеру шесть степеней свободы (возможность совершать геометрические движения в трехмерном пространстве). Обе техники, как правило, используют инфракрасные светодиоды, подключённые к сканеру. За ними наблюдают камеры через фильтры, обеспечивающие стойкость амбиентного освещения (отражение света с разных поверхностей).
• Данные сканирования собираются компьютером и записываются в качестве точек трехмерного пространства, которые после обработки преобразуются в триангулированную сетку. Затем система автоматизированного проектирования создаёт модель, используя для этого неоднородный рациональный B-сплайн, NURBS (специальная математическая форма для создания кривых и поверхностей). Ручные лазерные сканеры могут совмещать эти данные с пассивными датчиками видимого света, которые захватывают текстуру поверхности и ее цвет, что позволяет создать или провести обратный инжиниринг полноценной 3D-модели .

Применение

• Обработка материалов и производство
• Лазерное 3D сканирование описывает общий способ измерения или сканирования поверхности посредством лазерной технологии. Оно применяется сразу в нескольких областях, отличаясь в основном мощностью лазеров, которые используются, и результатами самого сканирования. Низкая мощность лазера нужна, когда не должно оказываться влияние на сканируемую поверхность, например, если она нуждается только в оцифровке. Конфонкальное или 3D лазерное сканирование – это методы, позволяющие получить информацию о сканируемой поверхности. Ещё одно маломощное применение предполагает проекционную систему, которая использует структурированный свет. Она применяется для метрологии плоскости солнечной батареи, включающей вычисление напряжения с пропускной способностью более 2 000 пластин в час.
• Мощность лазера, применяемого для лазерного сканирования оборудования в промышленности, составляет 1Вт. Уровень мощности обычно находится на уровне 200мВт или меньше.

Строительная промышленность

• Управление роботом: лазерный сканер выполняет функцию «глаз» робота
• Исполнительные чертежи мостов, промышленных предприятий, монументов
• Документирование исторических мест
• Моделирование места и планировка
• Контроль качества
• Обмер работ
• Реконструкция автотрасс
• Постановка метки уже существующей формы\состояния, дабы определить структурные изменения после экстремальных событий – землетрясения, воздействия корабля или грузовика, пожара.
• Создание ГИС (Географической информационной системы), карт и геоматики
• Сканирование недр в шахтах и карстовых пустотах
• Судебная документация

Преимущества 3D-сканирования

• Создание 3D-модели посредством сканирования обладает следующими преимуществами:
• Повышает эффективность работы со сложными частями и формами
• Способствует проектированию продуктов при необходимости добавить часть, созданную кем-то другим.
• Если САПР-модели устареют, 3D-сканирование обеспечит обновлённую версию
• Замещает пропущенные или отсутствующие части

Историческая репродукция

• Существует множество исследовательских проектов, которые проводились с применением сканирования исторических мест и артефактов для их документирования и анализа.
• В 1999 году 2 разных исследовательских группы начали сканировать статуи Микеланджело. Стэндфордский университет вместе с группой, возглавляемой Марком Левоем, использовал обычный лазерный триангуляционный сканер, созданный компанией Cyberware специально для того, чтобы просканировать статуи Микеланджело во Флоренции. В частности, знаменитый Давид, «Рабы» и ещё 4 статуи из часовни Медичи. Сканирование производится с плотностью точек равной 0,25 мм, достаточной для того, чтобы увидеть следы от долота Микеланджело. Столь детальное сканирование предполагает получения огромного количества данных (около 32 гигабайт). На их обработку ушло около 5 месяцев.
• Примерно в это же время работала исследовательская группа от компании IBM, под руководством Х.Рашмейера и Ф.Бернардини. Перед ними встала задача просканировать скульптуру «Флорентийская пьета», чтобы получить как геометрические данные, так и информацию о цвете. Цифровая модель, полученная в результате сканирования Стэндфордского университета, была полностью использована в 2004 году для дальнейшего восстановления статуи.

Применение в медицине CAD/CAM

• 3D-сканеры активно используются в ортопедии и стоматологии для создания 3D-формы пациента. Постепенно они заменяют собой устаревшую гипсовую технологию. Программное обеспечение CAD/CAM применяется для создание протезов и имплантатов. Многие стоматологии используют CAD/CAM, а также 3D-сканеры для захвата 3D-поверхности средства для зубов (в естественных условиях или в пробирке), для того, чтобы создать цифровую модель с помощью САПР-технологий или же CAM-методов (к примеру, для фрезерного станка под управление ЧПУ (числовое программное управление), а также 3D-принтера). Такие системы предназначены для облегчения процесса 3D-сканирования препарата в естественных условиях с дальнейшим его моделированием (например, для коронки, пломбы или инкрустации).

Рефлексия: Виды сканирования

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ