62

ВСТУП

3D-сканування - це систематичний процес визначення координат точок, що належать поверхням фізичних об'єктів, з метою подальшого отримання їх об'ємних комп'ютерних моделей, які можуть модифікуватися за допомогою спеціалізованих CAD-систем. Пристрої, за допомогою яких здійснюється сканування об'єктів, називаються 3D-сканерами. Ці пристрої не тільки спрощують процес створення 3D-моделей, але й дозволяють вирішувати це завдання з максимальною точністю та достовірністю.

Отримані 3D моделі використовуються в багатьох галузях, а саме: в дизайнерській сфері для створення трьохвимірних макетів, на основі яких можна отримати серійні вироби; в медицині для створення об’ємних моделей суглобів, кісток та органів людського тіла; в архітектурі для сканування на замовлення різних архітектурних деталей та елементів (колон, статуй, декорацій); в індустрії розваг для отримання анімаційних моделей для ігор та фільмів, для розробки ігрових персонажів; в будівельній промисловості для отримання креслень мостів і споруд у трьохвимірному виконанні, для реконструкції автомобільних трас та магістралей; також використовується 3D сканування для контролю якості продукції, тобто для перевірки відповідності виготовленої продукції встановленим вимогам і технічним нормам; застосовується об’ємне сканування і в музейній справі для точного відновлення форм застарілих скульптур чи пам’ятників для їх подальшої реконструкції; в кіноіндустрії для створення кольорової трьохвимірної моделі людини.

Перевагами методу 3D сканування є миттєва трьохвимірна візуалізація предметів, висока точність, безпечність, портативність, зручність, широкий спектр об’єктів, точна передача кольору, сканування рухомих об’єктів.

Використання 3D сканера може значно полегшити діяльність людини в багатьох сферах. Технологія об’ємного сканування динамічно розвивається і надає унікальні можливості – від планування медичних операцій і створення дизайн-макету до контролю якості виробів. 3D сканери потрібні в тих випадках, коли потрібно визначити форму предмета з високою точністю в мінімально короткі терміни.

Отже, розроблення швидкодіючого алгоритму роботи 3D сканера є актуальною темою для досліджень з метою покращення та вдосконалення параметрів пристрою.

Розділ 1 застосування 3d сканерів

1.1 Принцип роботи 3d сканера

3D сканер - це інноваційний пристрій, який дозволяє створювати точні тривимірні моделі реальних об'єктів з високим ступенем деталізації і отримувати інформацію про поверхню, форму і колір об'єкта в комп'ютерному, математичному та цифровому вигляді. Він перетворює об'єкт в його цифрове зображення подібно до того, як простий 2D сканер перетворює зображення на аркуші паперу в зображення на комп'ютері.

Принцип роботи 3D сканера досить простий, і полягає в отриманні та порівнянні зображення від двох камер. Подібно до того, як людина здатна визначати відстань до предметів за допомогою очей, оптичний 3D сканер обчислює відстань до об'єкта, використовуючи 2 камери. Зазвичай на додаток до камер використовується підсвічування (лазер або спалах лампи), що допомагає досягати високої точності і надійності в вимірах.

Всі дані про виміри, а так само знімки переходять в портативний комп'ютер, дані і поверхня скануючої деталі запам'ятовуються, аналізуються і виводяться на екран у вигляді тривимірного зображення. За допомогою комп'ютера можна керувати процесом сканування, вибирати необхідні області для уточнення деталізації, зберігати і змінювати отримані за допомогою тривимірного лазерного сканування дані.

Рис. 1.1. 3D сканер

1.2. Сучасний стан продукування лазерних сканерів

У сучасний період 3D сканери виготовляють фірми геодезичного приладобудування, а саме: Artec Group, Z Corporation, Roland.

1)Artec Group. Компанія Artec Group - інноватор у сфері тривимірного сканування. Її спеціальна технологія забезпечує унікальну швидкість і точність при скануванні інформації поверхні об'єкта, вона заснована на принципі структурованої підсвічування.

Інформація визначається завдяки проекціюванню під паралаксним кутом на об'єкт спеціальної решітки. Розрахунок точного положення точок у просторі 3D виробляється завдяки спотворень проекції решітки, які створює геометрія об'єктів.

За рахунок тріангуляції отриманих точок утворюється полігональна поверхня. Завдяки цим системам забезпечено отримання якісних тривимірних поверхонь в процесі відеозйомки.

Унікальність технології Artec Group - це новаторський спосіб відновлення поверхонь, а також застосування власних пристроїв, здатних з великою надійністю, високою точністю і в режимі реального часу відновлювати тривимірні об'єкти довільної топології. Сканери Artec не вимагають спеціальних маркерів. Завдяки високій точності і швидкості зйомки технологія може використовуватися в ручних і мобільних системах.

2)Z-Corporation. ZScanner - Corporation виробляє найшвидші, легкі і прості у використанні в світі портативні 3D сканери, що дозволяють зробити процес 3D сканування ідеальним для широкого кола галузей і застосувань. Сімейство Zscanner - перші в світі портативні сканери, що дозволяють дуже легко сканувати важкодоступні місця. Від зворотного проектування до розробки упаковки та цифрового архівування, сканери Z-Corprotaion ZScan, вирішують завдання багатьох галузей і мають ряд переваг.

Простота у використанні: будь-яка людина може використовувати 3D сканери від Z-Corporation. Ці пристрої відрізняються простотою установки, можливістю спостереження результатів сканування на моніторі в режимі реального часу. Вони не вимагають ніякого складного програмного забезпечення, що вимагає спеціальних умінь і навичок, і дозволяють одержувати файли формату STL безпосередньо з Z-сканера. Інженери, промислові дизайнери, художники зможуть освоїти технологію ZScanner за ​​лічені хвилини. Ручний ZScanner володіє безпрецедентною гнучкістю, що дозволяє сканувати всюди і переміщувати об'єкт у процесі сканування. З ZScanner ви спостерігаєте за побудовою поверхні в реальному часі для досягнення високих результатів і усунення "дірок".

Технологічність. Портативний, самопозиціонований Z-Scanner ідеальний для важкодоступних місць, він не має обмежень за розміром об'єкту і може сканувати об'єкт будь-якого кольору. Z-Scanner виключає необхідність пошуку найкращої "підгонки" сканів по всьому об'єкту, в цілому, зберігаючи час і збільшуючи точність. У порівнянні з традиційними лазерними сканерами, портативний сканер Z-Scanner значно виграє в ціні. 3D сканери Z-Corporation дозволяють сканувати деталі під різними кутами, під і навколо об'єктів. Вони також можуть працювати з різними видами покриттів поверхні (пластмаса, метал, композиційний матеріал, поверхні з лакофарбовим покриттям, світлопрозорі і блискучі поверхні).

Рис. 1.2. Сканери Z-Corporation

Портативність. Сканер має невеликі розміри, вся система для 3D сканування поміщається в невеликий ящик розміром з валізу. Передбачена робота як всередині приміщення, так і у вуличних умовах.

Рис. 1.3. Ручні сканери Z-Corporation

Швидкість. Типова технологія сканування включає безліч етапів, які часто включають в себе повторну обробку. 3D сканери Z-Corporation використовують технологію без повторної обробки, швидкість їх роботи дозволяє демонструвати дані сканування в реальному часі. Характерною особливістю цих сканерів є можливість простої конверсії у формат Stl.

Точність і висока роздільна здатність. Технологія сканера Z-Scanner заснована на алгоритмі оптимізації поверхні. Чим довше сканується об'єкт, тим більша досягається точність . Різні моделі Z-сканерів володіють різною точністю і роздільною здатністю , яка може досягати 50 мікрон: Z-сканер 600 : 100 250250 мікрон; Z-сканер 700 : 100250250 мікрон; Z-сканер 800: 505050 мікрон.

Рис. 1.4. Зразок сканований Z-сканером

3D сканери компанії Z-Corporation поєднують необхідну швидкість сканування і неперевершену простоту використання. Для початку роботи досить просто підключити свій 3D сканер по інтерфейсу FireWire до переносного комп'ютера , наклеїти в довільному порядку світловідбиваючі маркери і за пару хвилин відкалібрувати пристрій. Програмне забезпечення дозволяє в режимі реального часу відслідковувати хід сканування і вносити необхідні корективи. Для отримання більш дрібного кроку сітки моделі в деталізованих зонах об'єкта можна збільшити роздільну здатність безпосередньо в процесі сканування.

Сканери Z-Corporation ідеальні для всіх застосувань: від медицини і мистецтва до найбільш вимогливих застосувань в промисловому дизайні, що вимагають високої роздільної здатності. Нижче наведені основні особливості моделей 3D сканерів від Z-Corporation.

ZScanner 600 - розширює швидко зростаючу лінійку унікальних ручних сканерів Z-Corporation, забезпечуючи сканування 3D даних з високою точністю для широкого кола користувачів за доступною ціною.

ZScanner 700 - один з перших портативних лазерних сканерів. Цей сканер допомагає інженерам покращувати дизайн і контроль протягом всього процесу виробництва. Для початку роботи досить підключити ZScanner до комп'ютера через FireWire кабель. Після установки даний сканер дозволяє сканувати об'єкти легко і швидко з високою точністю.

Сканер ZScanner 700 CX перевершує сканер ZScanner 700 тим, що дозволяє отримувати дані у повному кольорі. Така можливість сприяє більш якісній візуалізації і дозволяє отримувати більш реалістичні і інформативні конструктивні моделі. Сфери застосування сканера ZScanner 700 CX дуже різноманітні: від дизайну різних виробів, культурної спадщини, антропології, археології та прикладного мистецтва до цифрового архівування, анімації, дизайну упаковки, медичного протезування та освіти.

Сканер ZScanner 700 PX поєднує в собі портативність і простоту використання системи ZScanner 700, а також високу точність. Вбудована фотограмметрична система забезпечує до 8 разів більш високу точність при скануванні великих об'єктів, таких як автомобіль або літак.

Сканер ZScanner 800 володіє всіма можливостями сканера ZScanner 700, але має більш високу роздільну здатність і точність. Даний сканер відмінно підходить для таких областей, як високоякісний 3D-контроль, зворотна інженерія, дизайн, виробництво, цифрове макетування та моделювання.

3)Roland. 3D сканери компанії Roland легкі у використанні і сумісні з багатьма популярними 3D CAD програмами; MDX-20/15 - пристрої, що поєднують в собі 3D сканер і фрезерну машину, ідеально підходять для багатьох галузей діяльності, від моделювання та ювелірної промисловості до виготовлення ливарних форм, швидкого прототипування, дрібносерійного виробництва і дизайну портативних виробів. MDX-20/15 використовують для виготовлення тестових зразків, для зниження кількості виробничих помилок, зменшення часових витрат і вартості, при створенні нового продукту.

3D сканери діляться на два типи за методом сканування:

1) Контактний, такий метод грунтується на безпосередньому контакті сканера з досліджуваним об'єктом.

2) Безконтактний, таким методом об’єкти можна сканувати на відстані.

Неконтактні пристрої в свою чергу можна розділити на дві окремі категорії:

1)активні сканери

2)пасивні сканери

Активні сканери випромінюють на об'єкт деякі спрямовані хвилі (найчастіше світло або промінь лазера) і виявляють його відображення для аналізу. Можливі типи використовуваного випромінювання вмикають світло, ультразвук або рентгенівські промені.

Пасивні сканери не випромінюють нічого на об'єкт, а замість цього покладаються на виявлення відбитого навколишнього випромінювання. Більшість сканерів такого типу виявляє видиме світло - легкодоступне навколишнє випромінювання .

Отримані методом сканування 3D-моделі в подальшому можуть бути оброблені засобами САПР і, надалі, можуть використовуватися для розробки технології виготовлення (CAM) та інженерних розрахунків (CAE). Для виведення 3D-моделей можуть використовуватися такі засоби, як 3D-монітор, 3D-принтер або фрезерний верстат з підтримкою G-коду.