Современные информационные технологии/1. Компьютерная инженерия

Студентка Никифорук И.В., доцент кафедры КСЗИ Мелешко О.О.

Национальный авиационный университет. Украина.

3D-сканеры как прорыв промышленности

Развитие новых технологий не стоит на месте, оно все увереннее и быстрее набирает свои обороты с каждым годом. Это касается и развития 3D технологий. Давно стало известно о 3D изображении, довольно таки недавно в мир вышли 3D-принтеры, и уже можно с уверенностью говорить о 3D-сканнерах. Что это и для чего предназначаются 3D-сканеры, попытаемся разобрать в данной статье.

Трехмерный лазерный сканер – это устройство, с помощью которого можно получить 3D-модель объекта, предмета путем его анализа. В основе работы 3D-сканера лежит лазерный дальномер.

Принцип работы трёхмерного лазерного сканера характеризуется следующими этапами:

1) Проецирование на объекты сцены специальной решетки под параллаксным углом;

2) Расчёт размещения полученных точек искажённой проекции, созданной геометрией объектов, в трёхмерном пространстве. Точки триангулируются и образуют полигональную поверхность, которую выражают в любом из распространенных форматов трехмерного проецирования. Также, используя текстурную камеру, которая синхронизирована с широкопольным 3D-сенсором, снимают текстурное изображение объекта. Данная система позволяет зафиксировать качественные трёхмерные поверхности даже в режиме видеосъемки;

3) Занесение данных о форме и структуре объекта в компьютер для их анализа и построения точной компьютерной модели.

3D-сканеры подразделяются на два типа:

контактный и бесконтактный.

Контактный тип 3D-сканирования базируется на непосредственном контакте сканера с предметом или объектом, с которого должна быть сочтена информация.

Контактные 3D-сканеры имеют вид устройства со специальным щупом, который, проходя по контурам объекта, составляет его трёхмерную копию на экране компьютера. Довольно прост в применении, отличается точностью полученных сведений, подойдёт для объектов несложной геометрии, таких как, например, промышленных деталей.

Тем не менее, использование к объектам с богатой детализацией, а также не чётко очерченными гранями, плавными контурами контактного сканера займёт продолжительный промежуток времени. Более того, его эксплуатация неуместна в случаях, если отсутствует контакт сканирующего узла с объектом. К примеру, сканирование габаритных (воздушный шар) или, наоборот, микроскопических (иголка) объектов; живых существ или внутренних органов. Зато, контактные 3D-сканеры популярны в машиностроении.

Неконтактные устройства бывают активные и пассивные.

Активные 3D-сканеры генерируют собственный волновой сигнал (световой, лазерный, звуковой), конфигурация и форма которого может быть задана производителем. Это помогает сканировать объект с повышенной точностью. Не маловажно то, что искажения проекции от наложения на неровности объекта становятся дополнительным источником информации для алгоритмов 3D-сканера.

Пассивные 3D-сканеры анализируют отражение уже существующего света вокруг фигуры. Фактически, пассивные бесконтактные 3D-сканеры представляют собой фото- или видеокамеру, в которой имеются алгоритмы сведений снятого материала. Для работы алгоритмов необходимо запечатлеть некоторое число кадров с разных ракурсов или сделать круговую видеосъёмку с определённой скоростью движения камеры, что похоже на создание 3D- фильмов.

Преимущество пассивных бесконтактных 3D-сканеров заключается в простоте их технической реализации, которая компенсируется за счёт сложности алгоритмов обработки и непростой процедуры приготовления объекта к сканированию. Вдобавок, существует проблема дальнейшей ручной обработки модели в редакторе, так как пассивные бесконтактные 3D-сканеры отличаются невысоким качеством итогового результата.

Актуально ли 3D-сканирование в современном обществе, и какие несёт перспективы в будущем?

Ответ на этот вопрос зависит только от того, в каких сферах оно будет использоваться. Опираясь, на вышеизложенную информацию, можно выделить такие отрасли, где применение 3D-сканеров будет эффективно:

1) Машиностроение. Создание нового объекта проходит в несколько последовательных этапов: проектирование, создание макета, тестирование, внесение доработок и уточнений, выпуск документации и выпуск нового оборудования. Как раз на этапах доработок и выпуска документации полезны 3D-сканеры. Прогнозируют, что эта область их применения будет перекрывать 2/3 потребностей рынка;

2) Дизайн и архитектура требуют постоянного создания новых стилей, форм, конструкций, что довольно трудно сделать в современном высокоразвитом мире. И тут снова немало важно применение 3D сканеров без изменения уже имеющегося старого изделия. Эта область применения сканнеров занимает оставшуюся треть потребностей рынка.

3) Цифровое архивирование. Здесь прослеживается прямое применение сканера: сохранение цифровых копий скульптур, строений, исторических ценностей, которые по какой-то причине не могут быть сохранены в оригинальном виде.

4) Развлечения и игры. Создание цифровых моделей персонажей для компьютерных игр и кинофильмов по авторской модели автора.

5) Репродуцирование и изготовление на заказ. Сканирование объектов, которые очень трудно смоделировать в CAD-системах из-за сложности геометрии.

6) Медицина и ортопедия. Воспроизводство моделей человеческих органов в образовательных целях, а также проектирование ортопедических скоб, браслетов и т.п.

Таким образом, 3D сканеры необходимы во всех случаях, когда требуется зарегистрировать форму объекта с высокой точностью и за короткое время. Они позволяют упростить и улучшить ручной труд человека, и выполнять задачи, которые ранее казались невозможными. Возможно, уже в недалеком будущем можно будет говорить о сверхбыстром сканировании строений, как мы привыкли видеть в фантастических фильмах, а с использованием 3D принтеров можно будет говорить и о сверхточном копировании предметов, и его производстве без отличий от оригиналов.