Технологии 3D сканирования: фотограмметрия, триангуляция, лидар, структурированный свет

Перед тем, как вы примете решение о покупке 3D-сканера, важно понять, какая технология стоит за его работой. Сначала 3D-сканер фиксирует объект в трехмерной форме. Затем полученные данные передаются в программу 3D моделирования, где их можно отредактировать и изменить. Эти модели могут быть распечатаны на 3D принтере или использованы в видеоиграх или других целях. По сути, с помощью 3D-печати можно воспроизвести практически все предметы, начиная от украшений и заканчивая автомобилями и домами. При выборе 3D-сканера нужно учитывать различные технологии и аспекты. В этой статье мы рассмотрим наиболее интересные из них.

Фотограмметрия

Эта технология 3D-сканирования предшествует эпохе компьютеров: после изобретения фотографии ученые быстро поняли, что могут применять принцип естественного стереозрения в своих областях. Используя изображения, снятые с двух немного разных позиций, они смогли измерить и определить местоположение точек объектов в трехмерном пространстве, эксперты называют этот процесс «триангуляцией».

Фотограмметрия - это метод, который использует фотографии с разных углов для создания трехмерного цифрового изображения. Практически, фотографии делают вокруг объекта, а затем программное обеспечение сшивает их вместе, чтобы создать трехмерное облако точек. Если вы рассматриваете этот метод 3D-сканирования, необходимо учитывать несколько важных факторов.

• Во-первых, это время - для фотограмметрии требуется от 50 до 1000 фотографий, поэтому этот процесс требует терпения.
• Во-вторых, усилия - чтобы достичь наилучших результатов, необходимо убедиться, что каждая фотография имеет самое высокое качество. Рекомендуется использовать максимально возможное освещение, желательно яркое и равномерно рассеянное.
• Наконец, результаты зависят от возможностей вашей камеры. Если камера делает низкокачественные снимки, то и результат сканирования будет плохим. Если встроенная камера вашего телефона не может справиться с этой задачей, вы можете приобрести дополнительное оборудование, чтобы улучшить возможности сканирования.

По сей день Фотограмметрия используется геодезистами для составления карт с высокой точностью, это оказалось особенно полезным в горных районах, которые труднодоступны или для 3D-сканирования другими технологиями.

Современные компьютерные программы триангулируют целые здания или объекты размером с обувь. В настоящее время даже телефоны можно превратить в портативные 3D-сканеры, просто установив соответствующее приложение. Точность во многом обусловлена качеством изображений. Чем лучше камера с помощью которой вы передаете данные и больше снимков с разных ракурсов, тем лучше будет ваша 3D модель. Для создания полной 3D модели необходимо сделать много кадров, перемещаясь вокруг объектов с шагом 15–30 градусов, повторяйте это на разных высотах, особенно при 3D сканировании сложных объектов. Имейте в виду, что для триангуляции объект необходимо сфотографировать как минимум дважды, иначе у вашей сгенерированной 3D модели будут ошибки.

Структурированный свет

Эти устройства проецируют геометрические узоры на поверхность объекта, а камера регистрирует искажение изображения. Опираясь на смещение рисунка, можно определить местоположение каждой точки. Для создания полной сетки 360° необходимо объединить несколько 3D-сканов, поскольку шаблоны могут быть спроецированы только из одной точки наблюдения за один раз. Некоторые производители преодолевают это ограничение, устанавливая объект на моторизованный поворотный стол и автоматически совмещая 3D-изображения. Точность этих 3D-сканеров очень высока, разрешение составляет десятки микрометров. В отличие от лазерных 3D-сканеров, эта технология полностью безопасна для людей и животных. Диапазон сканирования 3D ограничен несколькими метрами. Технология структурированного света применяется как в стационарных, так и в портативных 3D-сканерах.

TOF (Время полета)

3D сканеры Time of Flight (TOF) определяют расстояние до объекта, измеряя время, которое лазерный или инфракрасный луч тратит на отражение в 3D-сканере. Неотъемлемой частью этого устройства является скорость света. Время, затраченное на прохождение туда и обратно, определяет дистанцию, которую преодолевает световой луч. Если вы считаете, что солнечному свету требуется только 8 минут и 17 секунд, чтобы достичь Земли, вы можете представлять себе, насколько точны датчики в таких сканерах. Однако у TOF-сканеров есть свои недостатки: изменения в температуре, влажности и другие факторы влияют на скорость света и мешают 3D-сканеру точно измерить время прохождения сигнала в обе стороны, поэтому их точность относительно невысока, в пределах сантиметров. В основном они используются для сканирования больших структур, таких как здания. Как и в случае с другими технологиями, невозможно создать полные 3D-модели за одно сканирование. TOF-3D-сканеры с использованием лазера не предназначены для сканирования людей или животных. Многие устройства, работающие на этом принципе, разработаны в виде портативных 3D-сканеров.

Лазерные 3D сканеры: лидары и триангуляция

Лазерный триангуляционный 3D сканер

Еще одним методом измерения расстояния без использования времени является триангуляционный способ, основанный на геометрии, изучаемой в 7 классе средней школы, а также немного оптики.

Измерение расстояния методом триангуляции

Луч лазера, отраженный от объекта, направляется на светочувствительную матрицу видеокамеры и создает засветку. Если объект удаляется от дальномера на расстояние d, то засветка происходит в определенной части матрицы. Однако, если объект удаляется на расстояние D, то положение засветки на матрице меняется.

Измерение расстояния методом триангуляции

Расстояние до объекта определяется путем обработки изображения. Если объект удаляется от луча лазера в любом направлении, измерение невозможно. У смартфона есть камера и даже три с высоким разрешением, однако, как вы поняли, для этого метода также необходимо наличие узконаправленного луча света.

Триангуляционные 3D-сканеры, используют тот же принцип, что и фотограмметрия и 3D-сканеры со структурированным светом, чтобы определить положение точки в пространстве. Лазерный 3D-сканер направляет лазерный луч на объект, а затем камера фиксирует место, где лазер попадает на объект. Так как измерения углов между лазером и камерой известны, точное положение лазерной точки (или линии) может быть определено. Эти 3D-сканеры обладают высокой точностью с разрешением, достигающим десятков микрометров. Однако они имеют ограниченную дальность действия всего несколько метров. Триангуляционные 3D-сканеры, которые используют лазерное излучение, способны сканировать движущиеся объекты, но эта технология обычно не применяется в портативных 3D-сканерах.

Лидары (LiDAR)

Лидары основаны на сканирований окружающего пространства, методом измерении расстояния до объектов в этом пространстве. При этом расстояние представляет собой измерение времени, за которое излучение достигают объекта и возвращаются обратно к источнику. Так как скорость света постоянна, можно измерить расстояние между датчиком и объектом по времени, которое лазерному импульсу требуется для отражения от объекта и получения его датчиком лидара. Благодаря этому, лидар может быть использован как своеобразный "дальномер" для определения высоты или геометрии поверхности с высокой детализацией. Дистанция до объекта составляет половину произведения скорости света на время его прохождения туда и обратно. Свет пройдет расстояние в 10 метров до объекта и обратно за 132 наносекунды. 

LiDAR состоит из трех компонентов лазера, сканера и GPS-приемника: 

• Лазер отправляет точно сгенерированные световые импульсы, которые отражаются от различных объектов. Эти отраженные импульсы распознаются сканером.
• Сканер обрабатывает световые импульсы, отраженные от объектов.
• GPS-приемник использует данные LiDAR для точного расчета пройденного светом расстояния, что позволяет получить детальное отображение пространства и положения объектов в нем.

При таком использовании LiDAR, местность воспринимается как набор отражений ближайших предметов при прохождении через них лазерного луча. В дальнейшем производятся вычисления, связанные с обработкой большого объема данных для создания трехмерной модели окружающего пространства.

Учитывая особенности работы LiDAR и способы его применения, можно выделить два основных типа использования:

• Топографическое применение: LiDAR системы разрабатываются для создания карт определенной поверхности Земли или открытых пространств. Для этой цели обычно используются инфракрасные лучи, близкие к инфракрасной части спектра света.
• Батиметрическое применение: LiDAR используется для измерения ландшафтов и дна под водой, таких как речные русла или океаны. В этом случае применяется специальный тип зеленого света, который легко проходит через воду (естественная окраска воды имеет зеленоватый оттенок).

LiDAR был создан как мощная альтернатива радару, предлагая более широкий спектр применения. Он может использоваться в случаях, когда радар неэффективен. LiDAR сканирует пространство и определяет форму объектов, предоставляя более точные данные по сравнению с радаром. В целом, эта технология является более современной и универсальной.

Фотокамера iPhone со встроенным лидаром

Apple интегрировала в свои устройства технологии, специально предназначенные для 3D-картографии и сканирования, такие как система камер TrueDepth, запущенная вместе с iPhone X в 2017 году и технология лидара, доступная в некоторых моделях с 2020 года. Разработчики могут использовать эти функции для создания приложений для 3D-сканирования. К сожалению, даже самые дорогие устройства Android с лучшими камерами не могут конкурировать с камерами и сенсорными системами устройств iOS.

Примеры 3D сканирования лидаром: 

Еще в 1971 году НАСА запустило ракету «Сатурн-5» в качестве первого шага в миссии «Аполлон-15» на Луну. Это была первая миссия, в которой использовалась лидарная технология. Лидар использовался для сканирования поверхности Луны с орбиты с высокой степенью детализации, которую раньше никогда не видели с помощью других инструментов. Лидар также использовался для картирования поверхности Марса и топологии Земли, а также для измерения планетарного расстояния, например, от Земли до Марса.

Лидар был использован для определения ущерба, нанесенного пожаром "Королевский огонь" в Национальном лесу Эльдорадо в Калифорнии в 2014 году. Это позволило точно и эффективно ответить на вопросы о серьезности и масштабе повреждений. Благодаря возможности использовать лидар для картографирования больших территорий, он помогает понять окружающую среду. Например, лидар может быть использован для определения уязвимых районов, подверженных будущим бедствиям, таким как наводнения. Как и в случае пожара "Королевский огонь", он также может быть использован для оценки ущерба после стихийных бедствий и определения приоритетов в восстановлении. Лидар можно применять не только для картографирования городов, но и для поиска затерянных городов, обнаруживая структуры под густым лесом или джунглями. В одном проекте в Мексике был обнаружен затерянный город, который содержал такое же количество зданий, как Манхэттен.

Контактные 3D сканеры

Контактные 3D-сканеры это устройства, которые физически соприкасаются с объектом. Анализ предмета при помощи данных устройств осуществляется путем физического воздействия. Если предмет несимметричен и не может быть расположен ровно, его помещают на отшлифованную поверочную плиту и фиксируют при помощи удерживающих зажимов.

Контактный 3д-сканер может иметь три различные формы. Например, это может быть каретка, оснащенная перпендикулярной измерительной рукой, которая двигается вдоль и исследует предмет по всем осям. Такой механизм используется для анализа выпуклых или плоских поверхностей.

Следующий тип механизма - это устройство, оснащенное точным угловым датчиком и фиксированными компонентами. Конецевой механизм измерительного инструмента специально создан таким образом, чтобы он мог проводить сложные математические вычисления. Этим методом можно сканировать внутреннюю часть объекта. Также возможно одновременное использование двух вышеописанных механизмов, что позволяет получить максимально полную информацию о предмете и его внутреннем пространстве.

Примером контактного 3D-сканера является координатно-измерительная машина, широко используемая на производстве. Однако стоит иметь в виду, что из-за необходимости контакта с исследуемым предметом она не очень подходит для работы с хрупкими и историческими объектами, так как существует риск повредить или деформировать их случайно.

Какой 3D сканер выбрать?

Выбрать правильный 3D-сканер не так просто. Есть много факторов, которые нужно учитывать перед покупкой устройства. Например, определенный 3D-сканер может быть идеальным для архитектурных целей, но не подходить для прототипирования. Вы можете использовать дешевый сканер для офисных нужд или взять универсальное портативное устройство. Прежде, чем мы изучим различные доступные на рынке 3D-сканеры, давайте рассмотрим различные аспекты, которые важно учитывать. Мы составили список самых важных характеристик, которые следует учитывать при покупке 3D-сканера.

Область применения 3D сканера

Например, разработчику игры, занимающемуся созданием игр, важно не только высококачественное разрешение сетки, но и текстура объекта. В таком случае логическим решением будет использование фотограмметрии. Однако производитель, желающий напечатать объект на 3D принтере, который он видел в реальности, явно будет больше заинтересован в точных измерениях объекта. Вероятно, для этой цели он выберет 3D-сканер на основе структурированного света. Также важно заранее определить место, где будет проводиться 3D-сканирование ваших объектов. Если они небольшие и могут быть привезены в офис или дом, то стоит приобрести стационарный 3D-сканер. В противном случае потребуется портативный 3D-сканер.

Типы объектов 3D сканирования

Вам необходимо определить, что именно вы хотите получить при 3D-сканировании. Не существует устройства, которое может быть использовано для всех возможных сфер применения. Для сканирования людей и животных нельзя использовать лазерный 3D-сканер, так как это может причинить вред глазам. Фотограмметрия может быть хорошим вариантом, но требует, чтобы объект оставался неподвижным. Поэтому, хотя у вас может получиться отличные 3D-сканы ваших друзей и семьи, возможно, вы столкнетесь с трудностями при сканировании своей собаки. Лазерные 3D-сканеры отлично подходят для сканирования больших неодушевленных объектов, таких как здания или транспортные средства. Если вам нужны очень точные измерения для реверс-инжиниринга, то лучше использовать структурированный световой или контактный 3D-сканеры. Однако контактные 3D-сканеры не рекомендуются для проектов, связанных с сохранением наследия, поскольку они могут изменить или даже повредить хрупкие предметы. В этом случае лучшим выбором будет структурированный световой 3D-сканер.

Размеры и расстояние до объекта 3D сканирования

Большинство доступных на рынке 3D-сканеров, использующих метод структурированного света, предназначены для сканирования объектов размером с обычный чайник с небольшого расстояния. Однако возможно объединить несколько 3D-сканов в один и получить цельный объект. В целом, чем больше и дальше находятся ваши объекты, тем дороже будет стоить 3D лазерный сканер. Исключением являются программы фотограмметрии, которые обычно имеют разумную цену и дают отличные результаты.

Поверхность объекта

Еще одним важным фактором, который нужно учесть при покупке лучшего 3D-сканера, является поверхность объекта. Как для фотограмметрии, так и для 3D-сканеров со структурированным светом, проблемы возникают при работе с отражающими и прозрачными поверхностями, которые не могут быть обработаны и приводят к искажениям и фрагментации модели. Даже самый качественный 3D-сканер не даст хороших результатов при работе с неподходящими поверхностями. Если вы заинтересованы в этих технологиях, это ограничение часто преодолевается путем нанесения тонкого слоя непрозрачного лака.

Разрешение 3D сканера

Во многих областях применения наиболее значимым аспектом является точность 3D-сканирования (разрешение). Например, контактные 3D-сканеры обладают высокой точностью, однако их стоимость может варьироваться от 30 000 до 200 000 долларов. Кроме того, важно задать себе вопрос: для каких целей вы планируете использовать 3D-сканы и какой уровень разрешения будет достаточным для выполнения работы.