Все о 3D-сканерах: от разновидностей до применения
Все о 3D-сканерах: от разновидностей до применения
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
Координатно-измерительная машина с двумя фиксированными взаимно перпендикулярными измерительными руками
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.
Устройство Лидар используется для того, чтобы сканировать здания, скалы и т.д., что дает возможность создавать их 3D-модели. Лазерный луч Лидара может использоваться в широком диапазоне: его головка поворачивается по горизонтали, а зеркало перемещается по вертикали. Сам же лазерный луч используется для того, чтобы измерить расстояние до первого объекта, на его пути.
Бесконтактные активные сканеры
Активные сканеры используют определённые виды излучения или просто свет и сканируют объект через отражение света или прохождение излучения через объект или среду. В таких устройствах применяется свет, ультразвук или рентгеновские лучи.
Времяпролётные сканеры
Времяпролётный лазерный 3D-сканер – это активный сканер, который использует лазерный луч, чтобы исследовать объект. В основе этого типа сканера лежит времяпролётный лазерный дальномер. В свою очередь, лазерный дальномер определяет расстояние до поверхности объекта, исходя из времени пролёта лазера туда и обратно. Сам лазер используется для создания светового импульса, в то время как детектор измеряет время до того момента, пока свет не отразится. Учитывая, что скорость света (c) – величина постоянная, то зная время пролёта луча туда-обратно, можно определить расстояние, на которое переместился свет, оно будет в два раза больше расстояния между сканером и поверхностью объекта. Если (t) – это время полёта луча лазера туда-обратно, тогда расстояние будет равно (c*t\2). Точность времени пролёта лазерного луча
Лазерный дальномер определяет расстояние только одной точки в заданном направлении. Поэтому устройство сканирует все своё поле зрения по отдельным точкам за раз, меняя при этом направление сканирования. Менять направление лазерного дальномера можно либо путем вращения самого прибора, либо с помощью системы вращающихся зеркал. Зачастую используют последний метод, ведь он намного быстрее, точнее, а также легче в обращении. К примеру, времяпролётные 3D-сканеры могут измерять расстояние от 10 000 до 100 000 точек за одну секунду.
Времяпролётные девайсы также доступны в конфигурации 2D. В основном, это касается времяпролётных камер.
Триангуляционные сканеры
Принцип работы датчика лазерной триангуляции. Показано две позиции объекта.
Облако точек создаётся с помощью триангуляциии лазерной полосой.
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.
Коноскопическая голография
В коноскопической системе лазерный луч проецируется на поверхность объекта, после чего луч отражается по той же траектории, но уже через коноскопический кристалл, и проецируется на ПЗС (прибор с зарядовой связью). В результате получается дифракционный образец, из которого с помощью частотного анализа можно определить расстояние до поверхности объекта. Основное преимущество коноскопической голографии в том, что для измерения расстояния нужен только один ход луча, что позволяет определить, к примеру, глубину небольшого отверстия.
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.
Структурированный свет
3D-сканеры, работающие по технологии структурированного света, представляют собой проекцию световой сетки непосредственно на объект, деформация этого рисунка и представляет собой модель сканируемого предмета. Сетка проецируется на объект с помощью жидкокристаллического проектора или другого постоянного источника света. Камера, расположенная чуть в стороне от проектора, фиксирует форму сети и вычисляет расстояние до каждой точки в поле зрения.
Сканирование структурированным светом до сих пор остаётся активной областью исследований, которой ежегодно посвящается довольно много научно-исследовательских работ. Идеальные карты также признаны полезными, как структурированные световые узоры, которые могут решить проблемы соответствия и позволяют не только обнаружить ошибки, но и исправить их.
Преимущество 3D-сканеров, использующих структурированный свет, в их скорости и точности работы. Вместо сканирования одной точки в один момент времени, структурированные сканеры сканируют одновременно несколько точек или все поле зрения сразу. Сканирование всего поля зрения занимает долю секунды, а сгенерированные профили являются более точными, чем лазерные триангуляции. Это полностью решает проблему искажения данных, вызванного движением. Кроме того, некоторые существующие системы способны сканировать даже движущиеся объекты в режиме реального времени. К примеру, VisionMaster – сканирующая система в формате 3D – обладает 5-мегапиксельной камерой, благодаря чему каждый кадр содержит 5 миллионов точек.
Сканеры, работающие в режиме реального времени, используют цифровую проекцию края и фазосдвигающую технику (одна из методик применения структурированного света), что позволяет захватить, восстановить и создать компьютерную модель с высокой плотностью деталей динамически изменяющихся объектов (к примеру, мимика) при 40 кадрах в секунду. Недавно был создан новый тип сканера. Различные модели могут быть использованы в этой системе. Частота кадров для захвата и обработки данных достигает 120 кадров в секунду. Этот сканер может обрабатывать и отдельные поверхности. Например, 2 движущиеся руки. Используя метод бинарной дефокусировки, скорость съемки может достигать сотен, а то и тысяч кадров
В этой статье я расскажу о том, как я делал самодельный лазерный сканирующий дальномер, использующий триангуляционный принцип измерения расстояния, и об опыте его использования на роботе.
Зачем нужен сканирующий дальномер?
На сегодняшний день в робототехнике не так уж и много методов навигации внутри помещений. Определение положения робота в пространстве с использованием лазерного сканера — один из них. Важное достоинство этого метода — он не требует установки в помещении каких-либо маяков. В отличие от систем, использующих распознавание изображения с камер, обработка данных с дальномера не так ресурсоемка. Но есть и недостаток — сложность, и соответственно, цена дальномера.
Традиционно в робототехнике используются лазерные сканеры, использующие фазовый или времяпролетный принцип для измерения расстояния до объектов. Реализация этих принципов требует довольно сложной схемотехники и дорогих деталей, хотя и характеристики при этом получаются приличные — используя эти принципы, можно добиться высокой скорости сканирования и большой дальности измерения расстояния.
Но для домашних экспериментов в робототехнике такие сканеры мало подходят — цена на них начинаются от 1000$.
На помощь приходят дальномеры, использующие триангуляционный принцип измерения расстояния. Дальномер такого типа впервые появился в роботах-пылесосах Neato:
Довольно быстро любители расшифровали протокол этого дальномера, и начали использовать его в своих проектах. Сами дальномеры в качестве запчастей появились на ebay в небольших количествах по цене около 100$. Через несколько лет китайская компания смогла выпустить сканирующий дальномер RPLIDAR, который поставлялся как полноценный прибор, а не запчасть. Только цена этих дальномеров оказалась достаточно высокой — 400$.
Самодельный дальномер
Как только я узнал о дальномерах Neato, мне захотелось собрать самому аналогичный. В конце концов, мне это удалось, и процесс сборки я описал на Робофоруме.
Первая версия дальномера:
Позже я сделал еще одну версию дальномера, более пригодную для использования на реальном роботе, но и ее качество работы не полностью устроило меня. Настало время третьей версии дальномера, и именно она будет описана далее.
Устройство сканирующего триангуляционного лазерного дальномера
Принцип измерения расстояния до объекта основан на измерении угла между лазерным лучом, попадающим на объект, и объективом дальномера. Зная расстояние лазер-объектив (h) и измеренный угол, можно вычислить расстояние до объекта — чем меньше угол, тем больше расстояние.
Принцип хорошо иллюстрирует картинка из статьи:
Таким образом, ключевые оптические компоненты такого дальномера — лазер, объектив и фотоприемная линейка.
Так как дальномер сканирующий, то все эти детали, а так же управляющая электроника устанавливаются на вращающейся головке.
Тут может возникнуть вопрос — зачем нужно вращать оптику и электронику, ведь можно установить вращающееся зеркало? Проблема в том, что точность дальномера зависит от расстояния между объективом и лазером (базового расстояния), так что оно должно быть достаточно большим. Соответственно, для кругового сканирования понадобится зеркало диаметром, большим базового расстояния. Дальномер с таким зеркалом получается достаточно громоздким.
Сканирующая головка дальномера при помощи подшипника закрепляется на неподвижном основании. На нем же закрепляется двигатель, вращающий головку. Также в состав дальномера должен входить энкодер, предназначенный для получения информации о положении головки.
Как видно, дальномеры Neato, RPLIDAR и мои самодельные сделаны именно по этой схеме.
Самое сложное в самодельном дальномере — изготовление механической части. Именно ее работа вызывала у меня больше всего нареканий в ранних версиях дальномера. Сложность заключается в изготовлении сканирующей головки, которая должна быть прочно закреплена на подшипнике, вращаться без биений и при этом не нее нужно каким-то образом передавать электрические сигналы.
Во второй версии дальномера первые две проблемы я решил, использовав части старого HDD — сам диск использовался как основание сканирующей головки, а двигатель, на котором он закреплен, уже содержал качественные подшипники. В то же время, при этом возникла третья проблема — электрические линии можно было провести только через небольшое отверстие в оси двигателя. Мне удалось сделать самодельный щеточный узел на 3 линии, закрепленный в этом отверстии, но получившаяся конструкция получилась шумной и ненадежной. При этом возникла еще одна проблема — линии, чтобы пробросить сигнал энкодера, не было, и датчик энкодера в такой конструкции должен быть установлен на головке, а диск энкодера с метками — на неподвижном основании. Диск энкодера получился не жестким, и это часто вызывало проблемы.
Фотография второй версии дальномера:
Еще один недостаток получившегося дальномера — низкая скорость сканирования и сильное падение точности на расстояниях больше 3м.
Именно эти недостатки я решил устранить в третьей версии дальномера.
Электроника
В принципе, электронная часть триангуляционного дальномера достаточно проста и содержит всего два ключевых компонента -светочувствительную линейку и микроконтроллер. Если с выбором контроллера проблем нет, то с линейкой все значительно сложнее. Светочувствительная линейка, используемая в подобном дальномере, должна одновременно иметь достаточно высокую световую чувствительность, позволять считывать сигнал с высокой скоростью и иметь маленькие габариты. Различные CCD линейки, применяемые в бытовых сканерах, обычно довольно длинные. Линейки, используемые в сканерах штрихкодов — тоже не самые короткие и быстрые.
В первой и второй версии дальномера я использовал линейки TSL1401 и ее аналог iC-LF1401. Эти линейки хорошо подходят по размеру, они дешевые, но содержат всего 128 пикселей. Для точного измерения расстояния до 3 метров этого мало, и спасает только возможность субпискельного анализа изображения.
В третьей версии дальномера я решил использовать линейку ELIS-1024:
Однако купить ее оказалось непросто. У основных поставщиков электроники этих линеек просто нет.
Первая линейка, которую я смог купить на Taobao, оказалась нерабочей. Второю я купил на Aliexpress (за 18$), она оказалась рабочей. Обе линейки выглядели паянными — обе имели облуженные контакты и, судя по маркировке, были изготовлены в 2007 году. Причем даже на фотографиях у большинства китайских продавцов линейки именно такие. Похоже, что действительно новую линейку ELIS-1024 можно купить только напрямую у производителя.
Светочувствительная линейка ELIS-1024, как следует из названия, содержит 1024 пикселя. Она имеет аналоговый выход, и достаточно просто управляется.
Еще более хорошими характеристиками обладает линейка DLIS-2K. При сходных размерах, она содержит 2048 пикселей и имеет цифровой выход. Насколько мне известно, именно она используется в дальномере Neato, и возможно, в RPLIDAR. Однако, найти ее в свободной продаже очень сложно, даже в китайских магазинах она появляется не часто и дорого стоит — более 50$.
Так как я решил использовать линейку с аналоговым выходом сигнала, то микроконтроллер дальномера должен содержать достаточно быстрый АЦП. Поэтому я решил использовать серию контроллеров — STM32F303, которые, при относительно небольшой стоимости, имеют несколько быстрых АЦП, способных работать одновременно.
В результате у меня получилась такая схема:
Сигнал с линейки (вывод 10) имеет достаточно высокий уровень постоянной составляющей, и ее приходится отфильтровывать при помощи разделительного конденсатора.
Далее сигнал нужно усилить — для этого используется операционный усилитель AD8061. Далеко расположенные объекты дают достаточно слабый сигнал, так что пришлось установить коэффициент усиления равным 100.
Как оказалось в результате экспериментов, даже при отсутствии сигнала, на выходе выбранного ОУ по какой-то причине постоянно присутствует напряжение около 1.5В, что мешает обработке результатов и ухудшает точность измерения амплитуды сигнала. Для того, чтобы избавится от этого смещения, мне пришлось подать дополнительное напряжение на инвертирующий вход ОУ.
Плату разводил двухстороннюю, сделать такую плату в домашних условиях качественно довольно сложно, так что заказал изготовление плат в Китае (пришлось заказать сразу 10 штук):
В этом дальномере я использовал дешевый объектив с резьбой M12, имеющий фокусное расстояние 16мм. Объектив закреплен на печатной плате при помощи готового держателя объектива (такие используются в различных камерах).
Лазер в данном дальномере — инфракрасный (780 нм) лазерный модуль, мощностью 3.5 мВт.
Изначально я предполагал, что излучение лазера нужно будет модулировать, но позже оказалось, что с используемой линейкой в этом нет смысла, и поэтому сейчас лазер включен постоянно.
Для проверки работоспособности электроники была собрана вот такая конструкция, имитирующая сканирующую головку дальномера:
Уже в таком виде можно было проверить, какую точность измерения расстояния позволяет обеспечить дальномер.
Для анализа сигнала, формируемого линейкой, были написаны тестовые программы для микроконтроллера и ПК.
Пример вида сигнала с линейки (объект на расстоянии 3 м).
Изначально схема была не совсем такая, как приведена выше. В ходе экспериментов мне пришлось частично переделать изначальную схему, так что, как видно из фотографий, некоторые детали пришлось установить навесным монтажом.
Механическая часть
После того, как электроника была отлажена, настало время изготовить механическую часть.
В этот раз я не стал связываться с механикой из HDD, и решил изготовить механические детали из жидкого пластика, заливаемого в силиконовую форму. Эта технология подробно описана в Интернете, в том числе и на Гиктаймс.
Уже после того, как я изготовил детали, стало понятно, что изготовить детали на 3D принтере было бы проще, они могли выйти тверже, и возможно, можно было бы сделать одну деталь вместо двух. Доступа к 3D принтеру у меня нет, так что пришлось бы заказывать изготовление детали в какой-либо компании.
Фото одной из деталей сканирующей головки дальномера:
Эта деталь является основой головки. Она состоит из втулки, на которую позже надевается подшипник, и диска. Диск предназначен для крепления второй детали башни, кроме того, на него снизу наклеивается диск энкодера.
Втулка и диск содержат сквозное отверстие, в которое вставляется покупной щеточный узел на 6 линий — его видно на фотографии. Именно те провода, что видны на фотографии, могут вращаться относительно корпуса этого узла. Для повышения стабильности работы для передачи сигналов GND и UART TX используется 2 пары линий щеток. Оставшиеся 2 линии используются для передачи напряжения питания и сигнала энкодера.
Силиконовая форма для отливки этой детали:
Вторая деталь сканирующей головки была изготовлена тем же способом. Она предназначена для крепления печатной платы и лазера к диску. К сожалению, фотографий изготовления этой детали у меня не сохранилось, так что ее можно увидеть только в составе дальномера.
Для крепления сканирующей головки к основанию дальномера используется шариковый подшипник. Я использовал дешевый китайский подшипник 6806ZZ. Честно говоря, качество подшипника мне не понравилось — ось его внутренней втулки могла отклонятся относительно оси внешней на небольшой угол, из-за чего головка дальномера тоже немного наклоняется. Крепление подшипника к детали с диском и основанию будет показано ниже.
Основание я сделал из прозрачного оргстекла толщиной 5 мм. К основанию крепится подшипник, датчик энкодера, двигатель дальномера и маленькая печатная плата. Само основание устанавливается на любую подходящую поверхность при помощи стоек.
Вот так выглядит основание дальномера снизу:
Печатная плата содержит регулируемый линейный стабилизатор напряжения для питания двигателя, и площадки для подключения проводов узла щеток. Сюда же подводится питание дальномера.
Как и в других дальномерах, двигатель вращает сканирующую головку при помощи пассика. Для того, чтобы он не сваливался с втулки, на ней имеется специальное углубление.
Как видно из фотографии, подшипник закреплен в основании при помощи трех винтов. На сканирующей головке подшипник удерживается за счет выступа на втулке и прижимается к ней другими винтами, одновременно удерживающими щеточный узел.
Энкодер состоит из бумажного диска с напечатанными рисками и оптопары с фототранзистором, работающей на отражение. Оптопара закреплена при помощи стойки на основании так, что плоскость диска оказывается рядом с ней:
Сигнал от оптопары через щетки передается на вход компаратора микроконтроллера. В качестве источника опорного напряжения для компаратора выступает ЦАП микроконтроллера.
Для того, чтобы дальномер мог определить положение нулевого угла, на диск энкодера нанесена длинная риска, отмечающая нулевое положение головки (она видна справа на фотографии выше).
Вот так выглядит собранный дальномер:
Вид сверху:
Разъем сзади дальномера используется для прошивки микроконтроллера.
Для балансировки сканирующей головки на нее спереди устанавливается крупная гайка — она практически полностью устраняет вибрацию при вращении головки.
Собранный дальномер нужно отюстировать — установить лазер в такое положение, чтобы отраженный от объектов свет попадал на фотоприемную линейку. Обе пластмассовые детали содержат соосные отверстия, располагающиеся под пазом лазера. В отверстия вворачиваются регулировочные винты, упирающиеся в корпус лазера. Поворачивая эти винты, можно изменять наклон лазера.
Наблюдая в программе на компьютере форму и амплитуду принятого сигнала и изменяя наклон лазера, нужно добиться максимальной амплитуды сигнала.
Также триангуляционные дальномеры требуют проведения калибровки, о чем я писал ранее:
Для того, чтобы при помощи датчика можно было измерять расстояние, нужно произвести его калибровку, т.е. определить закон, связывающий результат, возвращаемый датчиком, и реальное расстояние. Сам процесс калибровки представляет собой серию измерений, в результате которых формируется набор расстояний от датчика до некоторого объекта, и соответствующих им результатов.
В данном случае калибровка представляла собой серию измерений расстояний до различных объектов самодельным дальномером и лазерной рулеткой, после чего по полученным парам измерений выполняется регрессионный анализ и составляется математическое выражение.
Получившийся дальномер имеет существенный недостаток — из-за отсутствия модуляции излучения лазера он некорректно работает при любой сильной засветке. Обычное комнатное освещение (даже при использовании мощной люстры) не влияет на работу дальномера, но вот расстояние до поверхностей, прямо освещенных Солнцем, дальномер измеряет неправильно. Для решения этой проблемы в состав дальномера нужно включить интерференционный светофильтр, пропускающий световое излучение только определенной длины волны — в данном случае 780 нм.
Эволюция самодельных дальномеров:
Габаритные размеры получившегося дальномера:
Размер основания: 88×110 мм.
Общая высота дальномера: 65 мм (может быть уменьшена до 55 при уменьшении высоты стоек).
Диаметр сканирующей головки: 80 мм (как у mini-CD диска).
Как и у любого другого триангуляционного дальномера, точность измерения расстояния этого дальномера резко падает с ростом расстояния.
При измерениях расстояния до объекта с коэффициентом отражения около 0.7 у меня получились примерно такие точностные характеристики:
| Расстояние | Разброс |
|---|---|
| 1 м | <1 см |
| 2 м | 2 см |
| 5 м | 7 см |
Стоимость изготовления дальномера:
| DIY, $ | Опт., $ | |
|---|---|---|
| Основание | ||
| Пластина основания | 1,00 | 0,50 |
| Двигатель | 0,00 | 1,00 |
| Подшипник | 1,50 | 1,00 |
| Щеточный узел | 7,50 | 5,00 |
| Крепежные детали | 0,00 | 2,00 |
| Сканирующая головка | ||
| Контроллер STM32F303CBT6 | 5,00 | 4,00 |
| Фотоприемная линейка | 18,00 | 12,00 |
| Остальная электроника | 4,00 | 3,00 |
| Плата | 1,50 | 0,50 |
| Объектив | 2,00 | 1,50 |
| Держатель объектива | 1,00 | 0,50 |
| Лазер | 1,00 | 0,80 |
| Пластиковые детали | 3,00 | 2,00 |
| Крепежные детали | 0,00 | 1,00 |
| Сборка | 0,00 | 20,00 |
| Итого: | 45,50 | 54,80 |
В первой колонке — во сколько дальномер обошелся мне, во второй — сколько он мог бы стоить при промышленном изготовлении (оценка очень приблизительная).
Программная часть дальномера
Перед написанием программы нужно рассчитать тактовую частоту, на которой будет работать фотоприемная линейка.
В старых версиях дальномера частота сканирования была ограничена 3 Гц, в новом дальномере я решил сделать ее выше — 6Гц (это учитывалось при выборе линейки). Дальномер делает 360 измерений на один оборот, так что при указанной скорости он должен быть способен производить 2160 измерений в секунду, то есть одно измерение должно занимать менее 460 мкс. Каждое измерение состоит из двух этапов — экспозиция (накопление света линейкой) и считывание данных с линейки. Чем быстрее будет произведено считывание сигнала, тем длиннее может быть время экспозиции, а значит, и тем больше будет амплитуда сигнала. При тактовой частоте линейки 8 МГц время считывания 1024 пикселей будет составлять 128 мкс, при 6 МГц — 170 мкс.
При тактовой частоте микроконтроллера серии STM32F303 в 72 МГц максимальная частота выборок АЦП — 6 MSPS (при разрядности преобразования 10 бит). Так как я хотел проверить работу дальномера при тактовой частоте линейки 8 МГц, я решил использовать режим работы АЦП, в котором два АЦП работают одновременно (Dual ADC mode — Interleaved mode). В этом режиме по сигналу от внешнего источника начала запускается ADC1, а затем, через настраиваемое время, ADC2:
Как видно из диаграммы, суммарная частота выборок АЦП в два раза выше, чем частота триггера (в данном случае это сигнал от таймера TIM1).
При этом TIM1 также должен формировать сигнал тактовой частоты для фотоприемной линейки, синхронный с выборками АЦП.
Чтобы получить с одного таймера два сигнала с частотами, различающимися в два раза, можно переключить один из каналов таймера в режим TIM_OCMode_Toggle, а второй канал должен формировать обычный ШИМ сигнал.
Структурная схема программы дальномера:
Ключевой частью программы является именно захват данных с линейки и управление ей. Как видно из схемы, этот процесс идет на аппаратном уровне, за счет совместной работы TIM1, ADC1/2 и DMA. Для того, чтобы время экспозиции линейки было постоянным, используется таймер TIM17, работающий в режиме Single Pulse.
Таймер TIM3 генерирует прерывания при срабатывании компаратора, соединенного с энкодером. За счет этого рассчитывается период вращения сканирующей головки дальномера и ее положение. По полученному периоду вращения рассчитывается период таймера TIM16 таким образом, чтобы он формировал прерывания при повороте головки на 1 градус. Именно эти прерывания служат для запуска экспозиции линейки.
После того, как DMA передаст все 1024 значения, захваченные ADC, в память контроллера, программа начинает анализ эти данных: сначала производится поиск положения максимума сигнала с точностью до пикселя, затем, при помощи алгоритма поиска центра тяжести — с более высокой точностью (0.1 пикселя). Полученное значение сохраняется в массив результатов. После того, как сканирующая головка сделает полный оборот, в момент прохождения нуля этот массив предаются в модуль UART при помощи еще одного канала DMA.
Использование дальномера
Качество работы этого дальномера, как предыдущих, проверялось при помощи самописной программы. Ниже пример изображения, формируемого этой программой в результате работы дальномера:
Однако дальномер делался не для того, чтобы просто лежать на столе — он был установлен на старый пылесос Roomba 400 вместо дальномера второй версии:
Также на роботе установлен компьютер Orange Pi PC, предназначенный для управления роботом и связи с ним.
Как оказалось, из-за большой просадки напряжения на линейном источнике питания двигателя дальномера, для работы на скорости 6 об/сек дальномеру требуется питающее напряжение 6В. Поэтому Orange Pi и дальномер питаются от отдельных DC-DC преобразователей.
Для управления роботом и анализа данных от дальномера я использую ROS.
Данные от дальномера обрабатываются специальным ROS-драйвером (основанном на драйвере дальномера Neato), который получает по UART данные от дальномера, пересчитывает их в расстояния до объектов (используя данные калибровки) и публикует их в стандартном формате ROS.
Вот так выглядит полученная информация в rviz (программа для визуализации данных ROS), робот установлен на полу:
Длина стороны клетки — 1 метр.
После того, как данные попали в ROS, их можно обрабатывать, используя уже готовые пакеты программ. Для того, чтобы построить карту квартиры, я использовал hector_slam. Для справки: SLAM — метод одновременного построения карты местности и определения положения робота на ней.
Пример получившейся карты квартиры (форма несколько необычна, потому что дальномер “видит” мебель, а не стены, и не все комнаты показаны):
ROS позволяет объединять несколько программ (“узлов” в терминологии ROS), работающих на разных компьютерах, в единую систему. Благодаря этому, на Orange Pi можно запускать только ROS-драйверы Roomba и дальномера, а анализ данных и управление роботом вести с другого компьютера. При этом эксперименты показали, что hector_slam нормально работает и на Orange Pi, приемлемо загружая процессор, так что вполне реально организовать полностью автономную работу робота.
Система SLAM благодаря данным от дальномера позволяет роботу определять свое положение в пространстве. Используя данные о положении робота и построенную карту, можно организовать навигационную систему, позволяющую “направить” робота в указанную точку на карте. ROS содержит в себе пакет программ для решения этой задачи, но, к сожалению, я так и не смог заставить его качественно работать.
Видео работы дальномера:
Более подробное видео построения карты при помощи hector_slam:
Исходные коды программы контроллера
P. S. Также у меня есть проект более простого лидара.
Как работает лазерный 3d сканер? |
Мы ежедневно с легкостью наблюдаем за работой миллионов цифровых устройств, которые облегчают как повседневную, так и профессиональную деятельность человека. И одними из них являются 3d сканеры, которые используются во многих современных сферах, начиная от бытовых дел, заканчивая крупными проектами будущего, способными в скором времени развернуться на просторах космоса. Пришло время подробней разобраться с внутренним устройством 3d сканеров и понять, как они работают.
Принцип работы лазерного 3d сканирования
Лазерный 3d сканер в процессе работы измеряет длину лазерных пучков и расстояние до объектов, с которых производится снимок. При этом направление излучений регулируется при помощи специального энкодера, который управляет зеркалами.
Чтобы задать позицию лазерного луча в двух измерениях, необходимо повернуть одно зеркало по двум осям, но во время быстрого сканирования луч отражается от двух зеркал, расположенных на ортогональной оси. При этом сами лазеры могут быть расположены в трех измерениях, а их фокусировка производится при помощи линз.
Для получения точной модели объекта необходимо провести несколько циклов сканирования, данные которых в дальнейшем объединяются во время постобработки.
Скорость работы
Одним из центральных понятий в лазерном сканировании является время возврата луча от поверхности объекта. Лазерный пучок, исходящий из сканера, попадает на поверхность объекта не сразу, то же касается его возврата обратно на устройство.
Скорость света — это известная константа, а расстояние между сканером и объектом измеряется посредством вычисления времени, которое необходимо, чтобы пучок света вернулся обратно. Именно от точности встроенного хронометра зависит точность сканировании объекта. Единственная сложность, которая возникает в процессе захвата облака точек — очень маленькие промежутки времени, необходимые для возврата пучка света на место. Расстояние высчитывается по формуле:
Триангуляция
Многие портативные сканеры используют триангуляцию, которая позволяет добиться более высокой точности. Например, в лазерных сканерах часто используются дополнительные камеры, которые отслеживают лазерные точки, попадающие на поверхность объекта. Несмотря на более точные показатели при использовании данного способа, снижается эффективная дальность самого сканера.
Создание облаков точек
Облако точек — это скопление данных, которые располагаются в Декартовой системе координат. Соответственно все точки находятся в трех измерениях, на осях X, Y и Z. Если рассматривать этот термин в контексте 3d сканирования, эти данные представляют результаты сканирования в виде неструктурированных координат. Типичными и наиболее распространенными форматами облака точек являются TXT, IGS и ASCII.
Точки, полученные в результате сканирования в дальнейшем переводятся в общую систему координат, где могут быть подкорректированы пользователем. При этом сама корректировка может производиться либо непосредственно во время процесса сканирования, либо уже после отправки данных в соответствующие программы.
В зависимости от типа данных и типа дальнейшей обработки данных, облако точек экспортируется в соответствующий файл.
3d сканеры — это уникальные устройства, которые используются действительно для широкого круга операций. Составление трехмерных карт, геодезических подсчетов и многого другого, может с их помощью производиться в несколько тысяч раз быстрей, нежели человеком.
Главная / Продукция / Датчики / LS2D – лазерный триангуляционный 2-D датчикLS2D – лазерный триангуляционный 2-D датчикLS2D – лазерный триангуляционный 2-D датчик (сканер) со встроенной микропроцессорной системой управления.Сканеры модели LS2D предназначенные для бесконтактного измерения профиля объекта с рассеивающей поверхностью, ширины, толщины металлопроката, внутренних и внешних диаметров, параметров резьбы, обнаружения локальных дефектов продукции, контроля зазоров, сварных швов, распознавания объектов, построения 3-D моделей, а также для использования в различных измерительных системах. Характеристики лазерного триангуляционного 2-D датчика LS2D
1 Наличие программируемых выходов позволяет на базе одного сканера создать систему, выдающую сигналы управления на исполнительные механизмы. Программирование осуществляется с помощью программного обеспечения, поставляемого со сканером. | |
Вам нужна 3Д-модель для 3D-печати? Для вас есть несколько путей: вы конечно можете создать свою 3Д-модель с нуля в программе 3Д-моделирования или найти подходящую в интернете, но вы также можете отсканировать существующий объект! Цель этого обзора — помочь вам разобраться в разнообразии существующих 3D-сканеров и предложить лучшие в каждом ценовом сегменте от фотограмметрического приложения для смартфона, до профессиональных 3D-сканеров.
Сканеры идут в порядке возрастания цены так, что вы сможете выбрать подходящий в рамках своего бюжета и использовать полученные 3D-модели, как для 3D-печати, так и для анимации.
Если вам не хватит предложенных решений по этой ссылке есть расширенный обзор.
3D сканер в руке:
1. Лучшее приложение для смартфона: Autodesk 123D Catch (free)
Autodesk 123D Catch — это бесплатное приложение работающее по фотограмметрическому принципу. Оно позволяет создать 3Д-модель по фотографиям объекта снятым с разных сторон. Вы можете использовать его для сканирования объектов, людей и даже ландшафта. Для некоторых приложений, если вам не нужна совершенная точность, вам не потребуется специальное оборудование. Это приложение на самом деле обеспечивает весьма неплохую детализацию и просто в использовании. Тем не менее, вам понадобится как минимум 30 минут, пока приложение обработает ваши фотографии, так-как обработка происходит на сервере и нужно время, чтобы их переслать.
2.Лучший 3D сканер “сделай сам”: Kinect ($99,99)
Xbox Kinect создан для расширения игровых возможностей. Он не предназначен для 3Д сканирования, но вы легко найдёте руководства и стороннее ПО (например ReconstructMe) чтобы превратить его в 3Д-сканер. Если ваши руки растут из плеч это интересное и недорогое решение для 3Д-сканирования.
Цена: $99.99
Разрешение: 0.051 мм
3. Лучший 3Д-сканирующий аксессуар для мобильного устройства: Occipital Structure Sensor ($379)
Этот сканер можно присоединить к вашему планшету или телефону (вообще он предназначен для аЙпада, но можно приспособить и к другим устройствам). Лёгкий и простой в использовании, при этом имеет весьма хорошее разрешение. Подходит для больших предметов (можно отсканировать человека в полный рост) и сканирования на улице. Вы сможете использовать его с ПО работающим на Occipital’s SDK. Это повысит разрешение и даст доступ к спец возможностям вроде сканирования комнаты. Это, вероятно, будет не то, что вы будете использовать для 3D-печати, но это интересно для разработки игр, например.
Цена: $379
Разрешение до: 0.5 мм
Точность до: 4 мм
4. Лучший из дешёвых ручных 3D-сканеров: Cubify ($399)
3D-сканеры могут быть довольно доступными по цене и простыми в использовании, если выбирать из недорогих портативных моделей. Cubify очень хорошо подходит под эти критерии и обладает сравнительно неплохим разрешением. Но всё-таки его возможностей не хватает для сканирования текстуры и его лучше использовать для последующей 3Д-печати одноцветных моделей.
Цена: $399
Разрешение: 0.9 мм
Разрешение по глубине при расстоянии 0.5 м: 1 мм
3D-сканер на столе:
5. Лучший и самый дешёвый настольный 3D-сканер: Matter and Form ($519)
Если вы планируете перейти на новый уровень качества, можете приобрести настольный 3Д-сканер. Эта модель компактна, проста в использовании, и обеспечивает хорошее разрешение, особенно учитывая цену (это не ваш вариант если вы стремитесь к совершенству, но отлично подойдёт для образовательных и демонстрационных целей). Процесс сканирования происходит с помощью лазера и вращающейся платформы. Сканирование занимает около пяти минут и одновременно считывает текстуру объекта.
Цена: $519
Разрешение: 0.43 мм
Точность: ±0.25 мм
6. Лучшее устройство “два в одном”: XYZprinting Da Vinci 1.0 ($600)
Это недорогое устройство совмещает в себе 3Д-сканер и 3Д-принтер. Качество моделей не слишком высокое, но и цена весьма низкая для такого комбинированного устройства. Это делает XYZprinting Da Vinci самым простым решением для новичка желающего приобщиться к миру 3Д-сканирования-печати.
Профессиональные 3D-сканеры:
7. Лучшее соотношение цены и качества для портативного 3D-сканера: Fuel3D Scanify ($1490)
Очень простой в использовании, интуитивно понятный, хорошо лежит в руке — этот сканер обеспечивает хорошую точность и качество текстур. Единственное ограничение — размер сканируемой области ограничен, что замечательно для небольших предметов, но для сканирования например человека в полный рост он не подойдёт.
Цена: $1490
Разрешение: 0.35 мм
Точность: до 0.3 мм
8. Лучшая цена\качество для настольного 3D-сканера: DAVID Laserscanner – SLS3 ($3995)
Этот сканер использует отличную от других технологию сканирования. Вместо двухлазерной сканирующей системы, здесь используется источник структурированного света и камеры для быстрого сканирования с весьма высокой детализацией до 0.06 мм! Сканер поставляется с ПО DAVID Pro Edition 3 которое работает с OBJ, STL и PLY форматами 3Д файлов, которые могут быть экспортированы в другие программы для дальнейшего редактирования.
Цена: $3995
Разрешение: 0.06 мм
Точность: 0.5% от размера объекта
9. Лучший настольный профессиональный 3D-сканер: Solutionix Rexcan 4 ($79 900)
Это профессиональный 3Д-сканер и его цена обеспечивает гораздо лучшее качество сканирования. Solutionix Rexcan оснащён двумя камерами для большей точности. Он использует в работе технологию оптической триангуляции по фазовому сдвигу и две CCD камеры высокого разрешения для получения высокоточных данных. Сканер может быть использован для сканирования бОльших объектов за счёт повышения производительности с помощью фотограмметрической системы. В качестве опции может оснащаться автоматически вращающейся платформой способной выдерживать до 50 кг веса.
Цена: $79 900
Точность: от 0,03 до 0,71 мм
10. Лучший профессиональный ручной 3D сканер: MetraSCAN 750 ($50 000 – $100 000)
Creaform MetraSCAN 750 — это полноценное профессиональное, производственное решение для точного 3Д-сканирования. Он лёгок, точен, быстр, и сканирует с великолепной точностью предметы с любым качеством поверхности, с любой текстурой.
Цена: $79 900
Разрешение: 0.050 мм
Точность: До 0.03 мм
Надеемся это было полезное чтение и вы нашли решение для 3Д-сканирования подходящее для ваших потребностей и ваших финансовых возможностей! Если вы хотите узнать больше о фотограмметрии, вы можете прочесть эту статью.
Удачного вам 3Д-сканирования!
Как выбрать 3D сканер. Технологии сканирования
Если вы задумываетесь над покупкой 3D сканера, но вам не хватает знаний для правильного выбора подобных устройств, то советуем вам обязательно ознакомиться с основными видами 3D сканеров, принципом их работы и технологиями 3D-сканирования.
Рынок 3D сканеров представляет собой очень разнообразное пространство, с широким ассортиментом продуктов, которые имеют различные формы, размеров, технологии, области применения и стоимость. Каждый 3D сканер имеет свои отличительные особенности, опции, преимущества и недостатки в конкретно взятой области применения. Мы попытаемся помочь вам определиться с правильным выбором.
Технологии 3D сканирования
Прежде чем вы решите купить 3D сканер, важно чтобы вы имели понятие что это за технология и как она работает. Во-первых, 3D сканер фиксирует (захватывает) объект или человека. Затем, он передает полученные данные в специальное программное обеспечение для 3D-моделирования, где они могут редактироваться, отправится в печать, импортироваться в видео-игру и так далее.
После сканирования объекта, полученную 3D-модель можно редактировать или изменять ее размер в CAD приложениях. После того как 3D модель будет подготовлена, она может быть экспортирована в файл с расширением .STL и напечатана на 3D принтере. Это означает, что все что мы видим в повседневной жизни, можно отсканировать и напечатать, будь то небольшой предмет, например украшение, или большой предмет, например автомобиль.
Сейчас есть множество технологий и аспектов, которые нужно учитывать при покупке 3D сканера. Дочитайте нашу статью, если вы хотите получить дополнительную информацию о 3D-сканировании.
Фотограмметрия
Фотограмметрия предшествует компьютерной эпохе: после изобретения фотоаппаратов, ученые быстро поняли, что принцип естественного стереозрения можно использовать в различных областях. Используя фотографии, снятые с двух разных позиций, они смогли измерить и определить местоположение точек объектов в трехмерном пространстве. Эксперты называют этот процесс — «триангуляцией».
По сей день Фотограмметрия используется геодезистами для составления карт с высокой точностью; это оказалось особенно полезным в горных районах, которые труднодоступны для геодезистов или для 3D-сканирования другими технологиями.
Современные компьютерные программы способны триангулировать целые здания или небольшие объекты, размером с мобильный телефон. В настоящее время даже телефоны можно превратить в портативные 3D-сканеры, просто установив на них специальное приложение. Точность во многом обусловлена качеством получаемых изображений. Чем выше разрешение у фотографии загруженной в программу, тем точнее будут данные. Для создания полной модели необходимо сделать много снимков, перемещаясь вокруг объектов с шагом 15–30 градусов; повторяйте это на разных высотах, особенно при 3D сканировании сложных объектов, то есть имеющих много окклюзий. Имейте в виду, что для триангуляции точки, ее необходимо сфотографировать как минимум дважды, иначе у вашей сетки будут дыры.
Структурированная подсветка
Такие устройства проецируют геометрические узоры на поверхность объекта, а камеры в этот момент регистрируют искажения изображения. Основываясь на смещении изображения, можно рассчитать местоположение каждой точки. Поскольку шаблоны могут быть спроецированы только из одной точки наблюдения за один раз, необходимо объединить несколько 3D-сканов, чтобы сформировать полную сетку 360°. Некоторые производители обходят это ограничение, устанавливая объект на моторизованном поворотном столе и автоматически склеивая 3D-изображения. Эти 3D-сканеры очень точны, разрешение составляет десятки микрон. В отличие от лазерных 3D-сканеров, эта технология абсолютно безопасна для людей и животных. Диапазон 3D сканирования ограничен несколькими метрами. Технология структурированного света применяется как в стационарных, так и в портативных 3D-сканерах.
TOF-сканирование
3D сканеры Time of Flight (TOF) еще более технологичны. Они определяют расстояние до объекта, измеряя время, которое затрачивает лазерный или инфракрасный луч на отражение и возвращение в 3D сканер. Неотъемлемым компонентом этого устройства является скорость света. Время затраченное на прохождение туда и обратно, определяет расстояние, пройденное световым лучом. Но даже у мощных TOF-сканеров есть недостатки, различия в температуре, влажности и другие факторы влияют на скорость света и препятствуют способности 3D-сканера точно измерять время прохождения сигнала в обоих направлениях. Поэтому их точность сравнительно низкая, в диапазоне сантиметров. Чаще такие устройства используются для сканирования больших объектов, таких как здания. Как и в случае с другими технологиями, невозможно создать сплошные сетки за одно сканирование. TOF сканеры, используют лазерные лучи, и не должны использоваться при 3D сканировании людей или животных.
Триангуляция (Лазерные 3D сканеры)
Триангуляционные 3D-сканеры или лазерные 3D-сканеры, похожи на фотограмметрию и сканирование структурированным светом. Они используют один и тот же базовый геометрический принцип, для определения местоположения точки в пространстве. Лазерный 3D-сканер проецирует луч на объект, а камера регистрирует место, где лазер попадает на него. Поскольку углы и измерения лазера и камеры известны, лазерная точка (или линия) может быть определена очень точно. Такие 3D сканеры обладают исключительной точностью, а разрешение составляет десятки микрон. С другой стороны, их диапазон дальности, ограничен всего несколькими метрами. Триангуляционные 3D сканеры, испускающие лазерную линию, так же способны сканировать движущиеся объекты. Эта технология обычно не встречается в портативных 3D сканерах.
Контактные 3D сканеры
Контактные 3D сканеры физически касаются объекта, который лежит на поверхности или прикреплен к какой-либо платформе, которая удерживает его на месте. Обычно это медленный процесс, так как даже незначительные вибрации могут исказить сканирование. Хотя эти 3D сканеры производят точные сканирования, которые применяются например при контроль качества в машиностроении. При этом датчики могут изменять или даже нанести вред сканируемым объектам. По этой причине контактные 3D сканеры не используются в археологии.
Какую технологию 3D сканера выбрать?
Выбрать правильную технологию 3D сканирования не так просто. Есть много критериев, которые необходимо учитывать перед покупкой устройства. Например, один 3D сканер лучше подойдет для архитектурных целей, но не подойдет для прототипирования. Вы можете воспользоваться недорогим офисным сканером или использовать универсальное портативное устройство.
Прежде изучать 3D сканеры представленные на рынке, давайте взглянем на различные аспекты, которые нужно обязательно учитывать. Мы собрали список наиболее важных характеристик, которые следует учитывать при покупке 3D сканера.
Для какие целей нужен 3D сканер?
Первый вопрос, который вы должны задать себе: для чего вам нужен 3D сканер?
Например, разработчики игр, создающие игровые ресурсы, будут заинтересованы не только сеткой с высоким разрешением, но и качественной текстурой объекта. Если это так, то фотограмметрия будет отличным решением. При этом, если вам необходимо распечатать на 3D принтере объект из реальности, то он будет заинтересован в точных измерениях объекта. Поэтому оптимальным выбором будет 3D сканер с технологией структурированного подсвета. Также необходимо заранее знать где будет происходить 3D сканирование ваших объектов. Если они относительно небольшие, и вы можете принести их в свой офис или домой, то купите стационарный 3D-сканер. Если нет, вам нужен портативный 3D-сканер.
Тип сканируемого объекта
Если вы уже думаете купить 3D сканер, значит вероятнее всего вы уже знаете, что именно будете сканировать. Не существует универсального 3D сканера, который будет актуален для всех областей использования. Для 3D сканирования людей и животных нельзя использовать лазерный сканер, поскольку лазер может повредить глаз. Для этого может подойти фотограмметрия, но эта технология требует, чтобы объект был совершенно неподвижным. Таким образом, если вы можете получить отличный результат при сканировании ваших друзей или членов семьи, то например, столкнетесь с определенным трудностями при сканировании домашнего питомца. Лазерные 3D сканеры — отличный выбор, если вы хотите сканировать большие неодушевленные объекты, такие как здания или транспортные средства. Если вы заинтересованы в реверс-инжиниринге, то вам необходимо получить очень данные измерений, поэтому здесь отличным выбором будут лазерные или контактные 3D сканеры. Однако контактные устройства, как уже говорилось выше, не подходят для проектов, связанных с археологией сохранением исторического наследия, поскольку этот процесс может повредить или даже уничтожить сканируемые предметы. В этом случае лучшим вариантом будет структурированно-световой сканер .
Размеры и расстояние до объекта
Большинство потребительских 3D сканеров (структурированный свет), предназначены для сканирования объектов размером с обычный чайник, с близкого расстояния. При сканировании больших объектов, вам придется делать это в несколько заходов, например сканируя предмет с нескольких сторон, а после чего «сшивать» модель из нескольких частей в одну. Программное обеспечение позволяет это сделать, но это достаточно кропотливая работа. Вообщем, чем больше объект сканирования или чем дальше он находится, тем дороже будет лазерный сканер. Исключение составляют программы фотограмметрии, которые обычно имеют разумную цену и дают отличные результаты.
Требования к поверхности объекта
Еще один фактор, который следует учитывать при покупке 3D сканера, — это поверхность вашего объекта. Как у фотограмметрии, так и у 3D сканеров со структурированным светом, есть серьезные проблемы с отражающими и прозрачными поверхностями, которые не могут быть обработаны и приведут к искаженным и фрагментированным сеткам. Даже самый лучший 3D сканер не даст удовлетворительных результатов при сканировании плохо подходящих поверхностей. Если вам все же интересны эти технологии, то это ограничение можно преодолеть путем нанесения на поверхность, тонкого слоя непрозрачного лака.
Разрешение
Ну и наконец самая важная особенность во многих областях применения — это точность 3D сканирования. Контактные 3D сканеры обладают исключительной точностью, но их цены варьируются от 30 000 до 200 000 долларов. Опять же, вы должны спросить себя: для чего вы хотите использовать полученные сканы? Какого разрешения будет достаточно для выполнения работы?
Источник
Какие типы 3d сканеров существуют? |
Согласно исследованиям рынка, увеличивается рост промышленности, связанной с производством 3d сканеров, и к 2018 году товарооборот должен достичь 4,08 миллиарда долларов, соответственно темпы годовой прибыли повышаются на 14,6%.
Причина такого роста заключается в технологических особенностях и возможностях 3d сканеров, в будущем может появиться персональное 3d сканирование, например, с помощью продуктов от компании Google или Microsoft Kinect. Мы можем представить себе будущее, в котором у каждого человека 3d камера помещается в кармане, а с персональным 3d принтером, человек мог бы воссоздать любую часть окружающего его мира.
Для тех, кто хочет приобрести 3d сканер для домашнего или коммерческого использования, или просто интересуется различными вариантами современной оцифровки физических данных, мы составили этот список, руководствуясь соображениями о целесообразности покупки устройства. Многие сканеры могут быть сконструированы в домашних условиях, что будет значительно дешевле, нежели покупать готовую систему.
3d сканеры с LED подсветкой
Такие сканеры используют в качестве шаблона для обнаружения объектов – полосы, а основными методами создания моделей являются: создание лазерных помех и проекций. Последний использует два плоских лазерных луча, для создания двух равноудаленных линий. Такой метод полезен для создания изображения, с практически неограниченной глубиной резкости, то есть объект может находиться как на далеком, так и на близком расстоянии от лазеров, при этом качество полученной картинки не будет меняться. Высокая точность проекции, которая получается с помощью такой установки, делает её практически недоступной в ценовом плане, для большинства потребителей.
Более доступными и распространёнными, являются SL сканеры, которые работает по принципу стандартного видеопроектора, проецирующего на объект набор чередующихся между собой черных и белых полос. Для запечатления сдвигов и искажений полос используется одна или две камеры. Таким образом получаются точки смещения для воссоздания объекта в 3d.
Особенности:
- данные будут лучше считываться при низком освещении;
- может быть построена в домашних условиях;
- обладает большой скоростью, некоторые системы могут сканировать даже объекты в движении;
- точность сканирования практически не уступает лазерным сканерам.
Примеры:
Лазерные 3d сканеры
Одни из самых распространенных на рынке являются лазерные 3d сканеры, они бывают нескольких видов: от крупных, которые устанавливаются на треноги, для сбора данных на больших расстояниях, до ручных, способных измерять текстуры на лице человека. Работают они основываясь на разных принципах (акустико-оптических дефлекторах, поверхностно-излучающих лазерах с вертикальной полостью и т.д.). Поверхностно-излучающие лазеры, используются для калибровки стыковки на шаттлах, которые использует НАСА.
Обычно лазерные 3d сканеры используются для сканирования на больших расстояниях, а принцип работы схож с работой лазерного дальномера: в трехмерном пространстве рассчитывается скорость перемещения лазерного импульса с точки, в которой установлено устройство, до объекта и обратно. Если объединить все полученные данные – получится своеобразное точечное облако в трехмерном пространстве. Еще одним способом получения и расчета данных является триангуляция.
Триангуляция используется в портативных 3d сканерах, а принцип работы заключается в том, чтобы записать положение объекта, которое потом используется в расположении объекта относительно поля зрения камеры. Для ускорения процесса, лазерный импульс используется для просчета нескольких точек одновременно.
Особенности лазерных 3d сканеров:
- может использоваться в помещениях с любой освещенностью;
- может сканировать части любого материала;
- большая глубина резкости;
- лазерный свет может быть разрушительным для глаз, поэтому на лучи смотреть не стоит.
Примеры:
Фотограмметрия
При фотографировании, несколько фотографий, снятых с разных ракурсов, сшиваются вместе, используя для создания 3d модели, определенные алгоритмы. Этот метод, при умелой настройке, можно назвать самым быстрым 3d сканированием. Такие компании, как Infinite Realities использовали для создания фотограмметрических установок, от 50 до 120 высокоскоростных камер, чтобы сделать 3d модели максимально реалистичными. Google используют сшитые аэрофотоснимки и создают трехмерные, топографические модели земли. Если же у Вас есть только одна камера, то процесс съемки замедлится, так как будет нужно перемещаться вокруг объекта и делать большое количество фотографий, чтобы получить максимально хороший результат. Но это довольно дешевое решение, так как из оборудования понадобиться камера и несколько программ. В зависимости от качества полученных снимков могут получиться хорошие или же посредственные результаты.
В основе фотограмметрии лежат художественные алгоритмы, которые определяют уникальные особенности на снимке и на основе полученных результатов, сшивают их в одно целое.
Особенности:
- возможность использования только одной камеры;
- один из самых легких способов для создания трехмерного изображения в домашних условиях;
- прекрасный метод для аэрофотографии.
Примеры:
Контактный 3d сканер
Щуп перемещается вдоль поверхности объекта, с помощью руки или специальных механизмов и передает данные о перемещении на компьютер. Благодаря точности измерения данным способом, зонды, часто применяются для проверки точности каких-либо изготовленных деталей.
Основным недостатком этих сканеров является их ограничение в сканируемых поверхностях, а особенно подвижных объектов. Еще один недостаток – необходимость того, чтобы сканер непосредственно касался объекта. Если последний довольно хрупкий, тогда есть возможность его повредить. Последний недостаток – маленькая скорость работы, сочетающаяся с необходимостью постоянного перемещения сканера.
Особенности:
- высокая точность работы, с возможностью последующего экспорта в CAD пакеты;
- можно приобрести за относительно недорогую цену, особенно старые системы.
На что обратить внимание перед покупкой 3d сканера?
Если же Вы все же думаете о приобретении 3d сканера, стоит учитывать все аспекты:
Мобильность. Она отвечает за то, чтобы подносить объект к камере или наоборот. Если мобильность является основным Вашим требованием, тогда стоит обратить внимание на ручной лазерный 3d сканер.
Точность – это прямой показатель, влияющий на цену трехмерных сканеров. Если нужно спроектировать ту или иную деталь – точность играет немалую роль.
Скорость. Такая характеристика должна учитываться, если Вы планируете снимать движущиеся объекты.
Стоимость – это главный аспект при выборе устройства. Стоимость напрямую связанна с качеством полученных результатов. Чем дороже оборудование – тем лучше качество. Но как только Вы полностью определитесь со своими потребностями – сразу станет понятно, какой ценовой категории 3d сканер будет Вам нужен.
Другие 3D-принтеры (Щелкните текст):
U250 Коробочный принтер 3D-принтер
Sunhokey I4 3D-принтер
M01 Цельнометаллический 3D-принтер
Лазерный триангуляционный 3D-сканер Параметр Плотность сканирования: одиночный лазер 800 профиль / круг, Двойной лазер: 1600 профиль / круг Скорость сканирования: одиночный лазер: 3-4 минуты, двойной лазер: 6-7мин Вес Отправления: 5.0 кг Список дополнительных принадлежностей: 1. 3D-сканеры x 1 2. Калибровочная плата x 1 3. Кабель USB2.0 x 1 4. Питание x 1 5. CD с программным обеспечением x 1 6.Руководство пользователя x 1 Техническое обслуживание Содержите камеру в чистоте, без посторонних примесей, чтобы обеспечить наилучшее качество сканирования. Если на фотофильтре в любое время есть пыль или грязь, пожалуйста, выполните следующие действия для очистки: 1. Закройте 3D-сканер Sun-scan. 2. Использование сжатого газа для удаления пыли или загрязнений с фильтра. 3. Использовать безводную спиртную влажную безворсовую ткань, протереть фильтровальную палочку или тампон для протирки. 4. Протрите сетку круговыми движениями, удалив загрязнения.
Технология сканирования: Триангуляция лазерной линии
Объем сканирования: Солнечное сканирование: Диаметр 200 мм, Высота 250 мм
Солнцезащитные сканирования: Диаметр 70 мм, высота 130 мм
Точность сканирования: сканирование Солнца: <= 1 мм, сканирование Солнца: <= 0.5 мм
Камера: 2-мегапиксельная CMOS Image Sensor
Комплект программного обеспечения: Программное обеспечение Sun-Scan Professional
Функция программного обеспечения: измерение, многоугольное слияние
Типы файлов: STL, OBJ, PLY, WRL
Поддержка: 32/64-битная Windows XP , Windows 7
Питание: В переменного тока 10-240 В 50-60 Гц, Выход DC12V2A
Подключение: USB2.0
Размер: 360мм * 310мм * 180мм (Д * Ш * В)
Упаковочная коробка: 420мм * 370мм * 270мм (Д * Ш * В)
, Примечание: не используйте фильтр камеры для какой-либо жидкости, пожалуйста, не используйте очиститель стекла или воду для очистки камеры.
,