Wypełniając powyższe formularz wyrażają Państwo zgodę na naszą politykę prywatności, z którą można zapoznać się tutaj.
©2023 Innovar3D. All rights reserved.
Innovar 3D (siedziba główna)
ul. Łęgska 41
87-800 Włocławek
INNOVAR 3D - Łódź
ul. Listpadowa 113b/2
92-117 Łódź
INNOVAR 3D - Warszawa
ul. Opinogórska 3/39
04-039 Warszawa
tel. +48 799 01 77 77
email: biuro@innovar.pl
NIP: 8883038240
+48 799 01 77 77 
biuro@innovar.pl 9:00 - 16:00
Jak wykonać skanowanie 3D?
W tym wpisie chcemy przybliżyć istotę skanowania 3D wykorzystując doświadczenie naszej firmy, która świadczy usługi skanowania 3D oraz inżynierii odwrotnej od wielu lat. Spojrzymy na skanowanie 3D z różnych stron, postaramy się je rozebrać na czynniki pierwsze. Na końcu też pokażemy naszym zdaniem ciekawe realizacje dotyczące skanowania 3D. Co potrzebujemy do przeprowadzenia skanowania 3D ( i nie zawsze potrzebny jest skaner 3D), jakie są techniki i cele wykonywania skanów 3D opiszemy niżej.
Skan 3D - wynik skanowania 3D.
Na początek zaczniemy od wyjaśnienia co jest wynik skanowania 3D. Ciężko szukać książkowej definicji tego określenia jednak najprościej możemy go opisać jako cyfrowy model 3D zmierzonego (zeskanowanego) wcześniej obiektu. Jakie główne ceny cechy posiada taki skan 3D? Przede wszystkich posiada on kształt czyli geometrię. Z geometrią związane są dwa kolejne pojęcia: dokładność skanu 3D oraz jego rozdzielczość. Tutaj zrobimy małą pauzę, aby powiedzieć, że wynik skanowania 3D może być reprezentowany jak chmurę punktów (np. zapisaną jako. .ply .pts .e57) albo siatkę trójkątów (.stl, .obj). Formatów do zapisanie ww. wyników znacznie więcej i często są łatwo kowertowalne między sobą. W zależności od użytego urządzenia pomiarowego czy techniki pomiarowej uzyskujemy, któryś z tych z wyżej wymienionych danych. Znaczenie tych rodzajów wyników skanowania 3D opisaliśmy tutaj. Wspomnieć warto, że konwersja chmury punktów na siatkę trójkątów i odwrotnie jest stosunkowo prosta.
Wracają do rozdzielczości, jest to parametr definiowany przez odległość punktów między sobą i dla chmury punktów mierzy się … punkty, a w siatce trójkątów mierzymy odległości wierzchołków trójkątów. Im odległość jest mniejsza to mówi, że skan 3D ma większą rozdzielczość (jest gęstszy) a im odległość jest większa tym skan ma mniejszą rozdzielczość. Kolejny atrybutem wyniku 3D jest kolor. Jak skan 3D może być bez koloru (sama geometria) tak skan 3D nie może być jedynie informacją o barwach. Ponieważ kolor (RGB) jest ściśle przypisany informacji przestrzennej (albo punktowi albo trójkątowi). W zależności od użytego sprzętu lub/i techniki pomiarowej odzwierciedlenie kolorów może być bliższe lub dalsze teksturze rzeczywistej. Podsumowując ten akapit, wynik skanowania 3D to cyfrowy odpowiednik modelu rzeczywistego, charakteryzujący się odzwierciedleniem geometryczny i (chociaż nie zawsze) wiernym odwzorowaniem kolorów. Możliwe rodzaje skanu 3D to chmura punktów lub siatka trójkątów
.
Skanowanie 3D co to jest?
Skanowanie 3D jest to proces, w którym uzyskujemy wynik pomiaru 3D, o którym opisaliśmy wyżej. Skanowanie 3D może być wykonane przez urządzenia pomiarowe (głównie przez skanery 3D ale można dopuścić inne wariancje takie jak ramienia pomiarowe czy maszyny portalowe) lub bazując na zdjęciach (fotogrametria) chociaż tutaj też używa się sprzętu pomiarowego, którym jest … aparat. Jeśli już wiemy, że skanowanie to proces, w którym wykorzystujemy różne techniki i sprzęty to możemy przejść do kolejnego akapitu tj. Jakie mamy metody skanowania 3D.
Metody skanowania 3D
Skanowanie 3D przy użyciu skanera 3D
Na ten moment można przyjąć, że pierwszym skojarzeniem dotyczącym jak wykonujemy skanowanie 3D jest poprzez użycie skanera 3D. Skaner 3D jest to urządzenie, o konstrukcji takiej, aby w zależności od przyjętej metody pomiarowej zbierał dane, które za pomocą oprogramowania sterującego są one przetwarzane w wynik skanowania 3D (chmura punktów lub/i siatka trójkątów). O rodzajach skanerów 3D opiszemy w kolejnych rozdziałach. Podstawowymi metodami z jakich korzystają skanery 3D są metody światła strukturalnego oraz laserowego pomiaru czasu powrotu wiązki lasera do detektora ( rozwinięciem tej metody jest fazowy pomiar wiązki). Odnogą skanerów laserowych są skanery z technologią SLAM - laserowy skaner, który może się przemieszczać podczas pomiaru 3D. Podstawową zaletą skanowania przy użyciu skanera 3D jest fakt, że skaner 3D niezależnie od metody pomiaru powinien być skalibrowany co przekłada się na to, że pomiar na wstępnie odzwierciedla wymiary rzeczywiste skanowanego obiektu. Jednak należy pamiętać, że skaner to narzędzie metrologiczne, a więc pomiar zawsze będzie obarczony błędem pomiarowym. Przy skanerach optycznych, błąd ten będzie się zwiększał wraz ze wzrostem objętości pomiarowej skanera 3D.
Fotogrametria, sposób na pozyskanie modelu 3D
Fotogrametria czyli tworzenie modeli 3D ze zdjęć. Jest to dosyć ważna metoda pomiarowa 3D. Najciekawszą jej cechą jest fakt, że do stworzenia modelu 3D wystarczą zdjęcia oraz odpowiednie oprogramowanie. Czyli próg wejścia do tworzenia modeli 3D jest stosunkowo niski. Ponieważ, do pozyskania zdjęć wystarczy już aparat wbudowany w smartfon, a niektóre oprogramowania, pozwalają na eksport modeli 3D na podstawie wprowadzonych danych (tzw. Pay Per Imput). Z racji niższej rozdzielczości zdjęć z telefon w porównaniu do pełnoklatowej lustrzanki przekłada się na niski koszt pozyskania modelu 3D. Nie trzeba równie dokonywać zakupu oprogramowania. A więc do amatorskiego skanowania 3D fotogrametria to technika, od której warto zacząć. Jednak im dalej w las tym więcej drzew. Aby uzyskać wysokiej jakości model 3D, trzeba pozyskać bardzo duża ilość zdjęć, jednak zdjęcia z smartfona będą obarczone takimi skazami jak duży dystorsja czy aberracja chromatyczna zdjęć.
Remedium na ten fakt jest zastosowanie pełnoklatowego aparatu oraz odpowiednio dobranego obiektywy (a do różnej wielkości obiektów może się okazać, że potrzebujemy różnych obiektywów). Praca na dobrze przygotowanym stanowisku, odpowiednie oświetlenie otoczenia, specjalistyczną lampę, filtry, czy zautomatyzowane stoliki pomiarowe. Tak specyficzny hardware przekłada się na jego koszt i zamiast aparatu, który i tak mam „za darmo” w telefonie potrzebujemy znacznie droższego sprzętu. Im wyższej rozdzielczości zdjęcia tym bardziej prawdopodobny jest fakt, że będzie trzeba zainwestować w oprogramowanie o pełnej, wieczystej licencji, ponieważ oprogramowania na licencji PPI wylicza koszt opłacenia modelu na ilości zdjęć oraz przede wszystkim na ich rozdzielczości . Do tego dochodzi oczywiście kwestia mocy przeliczeniowej komputera, który posiadamy co może się wiązać z zakupem wydajnego PCeta. Największą zaletą fotogrametrii (tej amatorskiej i zaawansowanej) Jest fakt, że skany 3D posiadają fotorealistyczną teksturę. Natomiast największymi wadami są, słabej jakości geometria skanowanego detalu – szczególnie przy obiektach, połyskliwych lub/i mocno pochłaniających światło. Druga, wadą fotogrametrii jest brak skali. Jeśli nie zdefiniujemy odległości między punktami charakterystycznymi to wielkość obiektu może być kilkukrotnie mniejsza lub większa niż wymiary rzeczywiste (efekt skali). Rozwiązaniem jest narzucenie znanej między punktami charakterystycznymi jednak pomiar tych punktów odbędzie się metodami mało dokładnymi (miarka, linijka itd.) Oczywiście są metody aby zaoponować nad wysoką dokładnością fotogrametrii ale o tym w następnym akapicie.
Model hybrydowy skan 3D + zdjęcia
Model hybrydowy, to taki, w którym łączymy najlepsze cechy dwóch ww. metod pomiarowych. Z pomiaru wykonanego skanerem bierzemy, fakt, że uzyskujemy znacznie lepsze jakości geometrii oraz to, że modele 3D mają na start bardzo wysoką tolerancję wymiarową. Z fotogrametrii natomiast bierzemy fotorealistyczne informacje, o kolorze. Połączenie tych dwóch metoda, wymaga zastosowania specjalistycznych, a więc dość drogich sprzętów – skanera 3D oraz aparatu (najlepiej pełnoklatowego) oraz odpowiednio dobranego obiektywu (stałoogniskowego o małych defektach typowych dla obiektywów). Czasochłonność pozyskania wyników 3D tą metodą również jest wysoka. Jednak przy pewnych realizacjach zastosowanie skanowania 3D hybrydowego ma nieoceniony efekt. Szczególnie przy digitalizowania eksponatów muzealnych czy skanowania 3D produktów reklamowych.
Rodzaje urządzeń do skanowania 3D
Tak jak już wspomnieliśmy w poprzednich akapitach, pomiar 3D możemy uzyskać przez pomiar punktowy np. ramieniem pomiarowym lub maszyną portalową, wykorzystując skanera 3D albo zdjęcia z aparatu cyfrowego. Skupiając się bardziej na skanerach 3D, możemy je podzielić na skanery stacjonarne oraz mobilne (czy inaczej mówiąc ręczne – każdy skaner stacjonarny możemy przetransportować, a więc też jest mobilny;) ). Skaner stacjonarne to takie, w których czas pomiaru jest na tyle duży, że obiekt i skaner 3D muszą być w czasie pomiaru względem siebie nieruchome. Skan 3D trwa z reguły kilka sekund. Skanery ręczne cechują się tym, że w czasie sekundy są wykonywane kilka/kilkanaście pomiarów, przez co nie musi występować nieruchomość między obiektem, a skanerem 3D. Jednak warto zaznaczyć, że położenie względne może się zmieniać jednak, sama geometria detalu już nie może ulec odkształceniu. Dlatego przy skanerach ręcznych (chociaż taka sama zasada będzie przy skanerach stacjonarnych) obiekty, w których łatwo zmienić geometrię np. ubrania, jedzenie czy postać ludzka, powinny one być nieruchome, a skaner 3D wraz z operatorem zmieniać pozycję wokół nich.
Przy skanerach stacjonarnych skaner 3D i obiekt, podczas kilkusekundowego pomiaru muszą być nieruchome. Aby uzyskać pełen skan 3D (360°) najlepiej zastosować stolik obrotowy (ten dodatek sprawdza się również przy skanerach ręcznych) lub co pomiar zmieniać pozycje skanera 3D stacjonarnego. Jedną z dużych grup skanerowych są skanery laserowe dalekiego zasięgu (zasięgi to z reguły 40, 70, 130 czy 350 m – chociaż są specjalistyczne jednostki, które mierzą i w kilometrach) . Tutaj metodą pomiaru jest czas lotu wiązki (Time of flight) albo pomiar szybkości przelotu impulsu lasera ulepszony o technologię digitalizacji falowej (Waveform Digitizing – WFD) - w skrócie pomiar fazowy. Takie skanery 3D są gównie stosowane do skanowania 3D budynków, konstrukcji, hałd, nasypów czy pomieszczeń takich jak wnętrza statków, hal magazynowych czy budynków biurowych czy zabytkowych budowli. Wynikiem jest najczęściej chmura punktów z lub bez koloru. Do skanerów stacjonarnych laserowych możemy zaliczyć ramiona pomiarowe z końcówka laserową. Inną opcją są laserowe skanery technologii SLAM – urządzenia te (np. w formie plecaka) pozwalają nam iść przez otoczenie i je skanować – wadą tej technologia jest małą dokładność ale wielką zaletą czas pozyskania wyników skanowania 3D.
Dlaczego skanujemy 3D?
Powodów dlaczego chcemy coś zeskanować 3D jest cała masa. Najczęściej jeśli potrzebujemy obiekt zmierzyć lub przenieść go do świata cyfrowego. Chęć posiadania wirtualnego modelu 3D, wiąże się z np. potrzebą digitalizacji (np. zbirów muzealnych) czyli robienia cyfrowej kopii bezpieczeństwa, posiadanie pliku 3D pozwoli nam stworzyć model CAD – czyli przeprowadzenie inżynierii odwrotnej. Jeśli chcemy zrobić kopię jakiego obiektu czy to rzeźby czy postaci np. metodą druku 3D albo na obrabiarce CNC – to skanowanie 3D jest odpowiednią do tego metodą. Skanowanie 3D i druk 3D to w dzisiejszych czas elementy składowe szybkiego prototypowania. Skanowanie 3D to pewny sposób na przenoszenie elementów świata rzeczywistego do świata wirtualnego. Zakup sprzętu i oprogramowania jest dość wysoki, chociaż amatorska fotogrametria przy posiadanych zasobach może być relatywnie tania, jednak można też skorzystać z usług skanowania 3D oferowanych przez firmy, które się tym zajmują – np. naszą 😉
Cel wykorzystania wyników skanowania 3D
Cele skanowania 3D opisaliśmy już po trochu wyżej ale dla posumowania :
- - digitalizacje 3D
- - archiwizacje zbiorów
- - inżynieria odwrotna
- - pomiary 3D
- - wizualizacje 3D
- - skan 3D jako podstawa projektowa w budownictwie.
- - skanowanie 3D do celów medycznych
- - tworzenie konfiguratorów kreatorów online
Co skanujemy w 3D?
Łatwiej by było zadać pytanie: czego nie udało się jeszcze zeskanować? Można zeskanować: części maszyny i czy samochodów takie jak: cała karoseria, elementu układu zawieszenia, zderzaki czy komorę silnika. Z maszyn można zeskanować je całe np. tokarkę ale również jej pojedyncze części takie jak, obudowy, blachy, krzywki czy mechanizmy. Idąc dalej tym tropem można zeskanować, części maszyn roboczych, AGD, laminaty i kompozyty. Jeśli chodzi o gabary to można zeskanować małe elementy, większe takie jak postać ludzka, czy meble ale również te większe, samochodu dostawcze, samoloty, a kończąc na całych halach czy budynkach. Z obiektów mniej pryzmatycznych, można zeskanować, żywność, rośliny czy człowieka. Ważnym aspektem skanowania 3D jest zachowanie naszego dziedzictwa, a więc skanujemy zbiory muzealne, artefakty, rzeźby oraz zabytki. Wszystko zależy od potrzeb, jeśli jest uzasadniony sens (ekonomiczny czy też dydaktyczny) można zeskanować prawie wszystko. Ograniczenia dla technologii to są zawsze, elementy przezroczyste i o wysokim połysku, są sposoby, aby temu przeciwdziałać.
Praktyczne wykorzystanie skanów 3D?
Z praktycznych zastosowań skanowania 3D warto spojrzeć na nasze realizacji, tutaj wymienimy kilkanaście najważniejszych naszym zdaniem przykładów zastosowania skanowania 3D.
Skanowanie 3D dla muzeów - Druk 3D dla muzeów
Skanowanie 3D samolotu - inżynieria odwrotna samolotu
Skanowanie 3D samochodów
Skanowanie 3D hal
Skanowanie 3D budynków
Skanowanie 3D pod AR i VR
Skanowanie 3D NFT
Skanowanie 3D do filmów
Skanowanie 3D tuning samochodowy
Skanowanie 3D Druk 3D
Skanowanie 3D inżyniera odwrotna
Skanowanie 3D ecommerce
Skanowanie 3D żywności
Skanowanie 3D medycyna
Skanowanie 3D ludzi
