Ключевые характеристики 3D‑сканера: на что обратить внимание при выборе

1. Точность

Одна из ключевых характеристик 3D-сканера. Если упрощенно, то она показывает, насколько каждая точка цифровой копии объекта приближена к физическому образцу.

Точность измеряется в микронах (1 микрон = 0,001 мм). Производители обычно указывают значение, относящееся только к одному скану и одной плоскости.

Высокоточные 3D-сканеры

К этой группе относятся системы метрологического класса. Они допускают минимальный уровень погрешности измерений (до 5-6 микрон) и обычно имеют сертификат средства измерений, выданный в России.

Когда нужна высокая точность:

• при проведении контроля качества, анализа деформации или износа;
• при проведении измерений в высокотехнологичных отраслях, таких как аэрокосмическая промышленность и автомобилестроение;
• при сканировании в медицинских целях — для создания индивидуальных имплантатов, планирования хирургических вмешательств.

К высокоточным сканерам относятся:

• RangeVision Pro II — точность до 24 мкм;
• RangeVision Prime — точность до 14 мкм;
• ScanLine EasyScan UE PRO2 — беспроводной, точность до 20 мкм;
• Scanology KSCAN-X — беспроводной, точность до 30 мкм.

Посмотреть все высокоточные 3D-сканеры >>

Универсальные 3D-сканеры

В эту группу входят устройства, точности которых (40–100 микрон) хватает для решения широкого круга задач в самых разных областях. Например, это ручные 3D-сканеры китайских компаний Scanology и Shining, отечественные RangeVision и Scanform.

3D-сканеры точностью ниже 100 микрон

Например, это ландшафтные и архитектурные лазерные 3D-сканеры FARO и AM.TECH. Их используют при оцифровке помещений или строительных объектов, где отклонение на 300-500 микрон не критично.

Что такое объемная точность?

Объемная точность (volumetric accuracy) показывает точность сразу нескольких сканов, объединенных в одну 3D-модель, и снижается по мере увеличения размера сканируемого предмета. Показатели объемной точности важны при измерении габаритных объектов.

Например, если точность 3D-сканера составляет 0,05 мм (50 микрон), а объемная точность 0,05 мм + 0,15 мм/м, то при сканировании объекта размером 2 м отклонение положения точек относительно его разных краев составит уже 350 микрон (0,05 + (0,15*2)=0,35 мм).

2. Разрешение

Разрешение определяет минимальный элемент объекта, который будет виден на скане. Чем выше разрешение, тем плотнее облако точек при сканировании и тем детализированнее будет 3D-модель.

Некоторые представленные на рынке сканеры с ограниченным разрешением камеры компенсируют низкое разрешение за счет интерполяции — добавления одной или нескольких рассчитанных точек между двумя фактически отсканированными точками.

Какие типы объектов требуют высокого 3D-разрешения сканера:

• с большим количеством тонких кромок;
• детали для сложных производств;
• высокодетализированные объекты;
• ювелирные украшения, драгоценности;
• объекты размером до 5 см;
• объекты со сложными текстурами (картины, археологические находки и т.д.).

А вот для реверс-инжиниринга ультравысокое разрешение не требуется, достаточно 50+ микрон.

3D-сканеры с высоким разрешением

• RangeVision PRIME. Обладает 3D-разрешением до 0,034 мм.

• ScanLine EasyScan Trio. Оснащен сразу тремя камерами по 5 мегапикселей каждая. В режиме сканирования с помощью 7 лазерных линий это позволяет достигать разрешения в 0,01 мм, что подходит для поверхностей со сложной геометрией.

• Scanology KSCAN-X. Беспроводной 3D-сканер для измерения сверхбольших и больших объектов. Разрешение до 0,1 мм.

Как уровень разрешения влияет на скорость?

3D-сканирование большого объекта с высоким разрешением может занять несколько часов: формируются более плотные облака точек, поэтому для обработки полученных данных требуется больше времени (и вычислительных мощностей).

На практике пользователям часто приходится находить баланс между скоростью сканирования и разрешением, исходя из конкретных требований проекта. Для задач, где скорость имеет решающее значение, а мелкие детали менее важны, предпочтительны устройства с более низким разрешением.

3. Скорость

Когда речь идет о скорости, имеется в виду то, насколько быстро 3D-сканер может получать нужное количество данных о геометрии объекта. Обычно скорость измеряется в точках в секунду. Чем больше это значение — тем меньше времени в среднем вы будете тратить на оцифровку одного предмета.

Высокоскоростные 3D-сканеры

ScanLine EasyScan Libre обладает скоростью до 4 500 000 точек/сек, что значительно сокращает время сканирования крупных объектов.

ScanLine EasyScan UE PRO2 способен собирать информацию о геометрии поверхности со скоростью до 3 460 000 точек/сек.

Scanology NimbleTrack — беспроводная КИМ для объемных измерений со скоростью до 4 900 000 точек/сек.

Зачем обращать внимание на скорость?

• Сканеры не всегда могут обеспечить высокую точность передаваемых данных одновременно с высокой скоростью. Иногда необходимо определиться, что важнее, исходя из требований проекта.

• Скорость необходима при оцифровке больших объектов (от 2 м), при выполнении серийных сканирований и в целом для возможной минимизации ресурсов, затрачиваемых на бесконтактные измерения.

• Высокая скорость сканирования делает процесс более удобным для оператора, особенно при работе с подвижными объектами или в условиях ограниченного времени.

4. Рекомендуемый размер объекта

Для удобства и эффективности 3D-сканирования объектов различного размера и геометрии используются различные устройства.

Небольшие детализированные объекты (до 30 см)

При оцифровке деталей устройств, ювелирных украшений, пресс-форм и других небольших объектов со сложной геометрией важна высокая точность измерений. Например, автоматический настольный сканер RangeVision Quant захватывает гравировку и узоры.

Объекты среднего размера (0,3-3 м)

Это широкий диапазон предметов от футбольного мяча до легкового автомобиля. Их удобнее сканировать ручными устройствами. Популярное решение — Shining HX. Этот сканер быстро (16 кадров/сек) считывает форму, цвет и текстуру объекта с точностью до 50 микрон.

Большие объекты (2+ м)

Для точного измерения объектов размером более 2–3 метров используются ручные 3D-сканеры со встроенной фотограмметрией. Она позволяет минимизировать отклонения в объемной точности и поддерживать корректность оцифровки даже на больших площадях. А также — с высокой точностью сканировать отдельные важные участки больших объектов.

Для сканирования фасадов зданий, коммуникаций, корпусов самолетов, памятников и других действительно крупных объектов требуется, чтобы сканер считывал форму на расстоянии до 100-350 м. Такой способностью обладают лазерные 3D-сканеры, например, серии AM.TECH.

5. Типы трекинга

Трекинг в 3D-сканировании — это процесс отслеживания положения камеры или датчика 3D-сканера в пространстве для точного сбора данных об объекте. Трекинг важен для точного совмещения между собой сканов при оцифровке объектов среднего и большого размера.

По геометрии

Трекинг на основе геометрических особенностей поверхности. Предназначен для сканирования объектов со множеством углов, изгибов, шероховатостей и т.д. Не работает на объектах с большими ровными плоскостями (дверь автомобиля, крыло самолета, стол), большими симметричными скруглениями (цистерны, бочки).

По маркерам

Для создания геометрии на плоском объекте используются метки — самоклеющиеся, магнитные или напечатанные на обычной бумаге. Эти метки являются точками отсчета, которые помогают системе сканирования определить местоположение объекта и ориентацию камеры или сканера в пространстве.

Маркеры часто используются для сканирования крупных объектов, таких как автомобили. Однако есть уникальные решения, работающие с крупногабаритными объектами без меток. Например, Shining Freescan Trio использует инновационный режим с 98 лазерными линиями для получения информации о сканируемой поверхности. Это позволяет полностью отказаться от меток.

По текстуре

Трекинг по текстуре опирается на визуальные характеристики поверхности объекта, такие как цвет, контраст, узоры. Поэтому сканирование в режиме текстурного трекинга подходит для объектов с уникальным (неповторяющимся) и контрастным рисунком — тканей, картин, фресок, ваз.

Некоторые 3D-сканеры, например, Calibry обладают сразу несколькими режимами трекинга. Для точного сканирования следует выбирать режим в зависимости от особенностей поверхности. Иногда эффективнее применять разные режимы на разных участках.

6. Источник света

Проектор (вспышка)

3D-сканер, использующий проектор (вспышку) в качестве источника света, проецирует на объект сетку или узор. На основе данных о деформации этого изображения камера получает информацию о форме и текстуре поверхности объекта.

Преимущества:

• высокая точность и детализация за счет дополнительной информации о поверхности объекта;
• эффективный захват текстур;
• скорость сканирования может быть выше, чем при использовании других источников света.

Инфракрасная подсветка

Инфракрасный сканер работает примерно так же, как и сканеры со структурированным светом. Разница в том, что проецируемый свет не виден невооруженным глазом. Поэтому его можно спокойно использовать для сканирования лиц.

Преимущества:

• безопасность и комфорт при сканировании человеческого тела для медицинской диагностики, VR, моды;
• можно сканировать такие сложные текстуры, как волосы;
• инфракрасные 3D-сканеры хорошо справляются с блестящими или темными поверхностями.

Синий и красный лазер

Лазерные 3D-сканеры предназначены для технических измерений; они лучше оптических справляются с блестящими, прозрачными, гладкими поверхностями. Также они в среднем точнее (менее 100 микрон).

Синий лазер имеет более короткую длину волны (445 нм), что позволяет достичь более высокой точности и разрешения при сканировании. 3D-сканеры с синим лазером также превосходно работают с отражающими поверхностями.

Красный лазер показывает больше шума в 3D-моделях, но такие сканеры дешевле, чем устройства с синим лазером, а также проще в использовании и настройке.

Гибридные 3D-сканеры

Многие современные профессиональные сканеры являются гибридными, сочетая сразу несколько источников. Такие устройства ориентированы на пользователей, которым необходимо периодически выполнять разные задачи, например, сканировать человеческие лица (ИК-режим) и другие объекты, которые могут быть сняты в лучшем разрешении с помощью проекции структурированного света.

Shining EinScan HX: структурированный свет + лазер, предназначенный для повышенной точности, работы с блестящими и темными поверхностями, а также в условиях нестабильной освещенности.

Shining Freescan Combo: инфракрасный лазер VCSEL для быстрого сканирования без маркеров + синий лазер.

7. Захват цвета и текстуры

Стандартное 3D-сканирование передает только геометрию объекта. При этом не каждый 3D-сканер способен захватывать цвет и текстуру, равно как и не каждому проекту требуется эта возможность.

Что можно сканировать цветными сканерами?

• тело человека;
• предметы искусства;
• товары для маркетплейсов;
• музейные экспонаты;
• поверхность и интерьер автомобиля;
• архитектурные элементы;
• ткани.

Цветные 3D-сканеры

Среди популярных решений для цветного сканирования — Artec Eva: 3D-сканер, захватывающий цвет и текстуру объекта с качеством 24 бит на пиксель и разрешением 1,3 мегапикселя.

Цветной 3D-сканер Calibry с гибридным источником света предоставляет алгоритм захвата текстуры со сверхвысокой точностью. ИК-подсветка хорошо справляется с цветным сканированием предметов мебели и интерьера, архитектуры.

8. Количество режимов сканирования

Чем больше различных режимов работы у 3D-сканера, тем он универсальнее и шире его возможности. Например, Shining UE Pro имеет три режима для разных объектов и задач.

• Быстрое сканирование. Сетка из 13 пар скрещенных линий подходит для быстрого захвата крупных объектов — за счет одновременного покрытия лазерными лучами большей площади. Это значительно сокращает время работы инженера по сканированию. Точность сбора данных при этом сохраняется.
• HD-режим. 5 параллельных лазерных линий обеспечивают более высокую детализацию средних и малых объектов или сложных участков на крупногабаритных объектах.
• Режим одной линии. Позволяет идеально оцифровать отверстия, пазы, внутренние полости, резьбу.

В режиме сканирования с помощью 7 лазерных линий Freescan Trio достигает разрешения в 0,01 мм, достаточного для поверхностей со сложной геометрией. Одно лазерная линия позволяет ему превосходно справляться с измерением глубоких отверстий, пазов, углублений.

Коротко

1. Нужная точность зависит от задачи. Для метрологии, контроля качества, медицины и аэрокосмоса нужны сканеры до 5–30 микрон; для большинства универсальных задач достаточно 40–100 микрон; для измерения помещений и фасадов — до 300–500 микрон и ниже.

2. Чем выше разрешение, тем детальнее результат, но тем медленнее сканирование и сложнее обработка данных.

3. Скорость измеряется в точках в секунду. Чем больше это значение, тем меньше времени в среднем вы будете тратить на оцифровку одного предмета

4. Объемная точность показывает точность сразу нескольких сканов, объединенных в 3D-модель. Ее параметры важны при сканировании крупных объектов.