Spis treści:
- 1 Skanowanie 3D metodą laserową
- 2 Skanowanie 3D metodą stereowizji
- 3 Skanowanie 3D - metoda fotogrametrii - rozszerzenie stereowizji
- 4 Jak działa skaner 3D - skanowanie światłem strukturalnym
- 5 Skanowanie 3D - metoda ToF (Time-of-Flight)
- 6 Skanowanie 3D - która z metod skanowania trójwymiarowego jest najlepsza?
- 7 Skanowanie obiektów w 3D – FAQ
Druk 3D zapoczątkowany przez projekt RepRap w krótkim czasie zrewolucjonizował technologię wytwarzania elementów konstrukcyjnych, ozdobnych czy przedmiotów codziennego użytku. Dzisiaj wydrukowanie nawet najbardziej skomplikowanych kształtów nie stanowi już praktycznie żadnego problemu – wystarczy odpowiednia drukarka i zapas materiału. Ale co zrobić, gdy chcemy odtworzyć rzeczywisty obiekt lub jego miniaturę, a ręczne narysowanie modelu jest bardzo trudne lub wręcz niemożliwe? Niniejszy artykuł przedstawia zarys skanowania trójwymiarowego oraz najpopularniejsze metody skanowania 3D.
Skanowanie 3D metodą laserową
Najbardziej popularną metodą skanowania 3D, jest skanowanie laserowe. W tej metodzie, skanowanie polega na tworzeniu odwzorowania obiektu 3D poprzez tworzenie chmury punktów układającej się w kształt powierzchni obiektu. Skaner odczytuje dane pomiarowe na podstawie odbijanej wiązki światła laserowego oraz z dodatkowej ruchomej kamery lub co najmniej dwóch nieruchomych, precyzyjnych czujników odległości. Dane pomiarowe zbierane przez czujniki skanera, są następnie przekazywane do pamięci dedykowanego oprogramowania, które na podstawie zmierzonych odległości i położenia przestrzennego punktów, generuje obiekt 3D.
Podczas tworzenia obrazu 3D na podstawie skanu laserowego, punkt odbicia wiązki lasera jest zwykle najjaśniejszym pikselem skanowanego obrazu odwzorowującego obiekt 3D. Aby zminimalizować ryzyko błędu podczas skanowania w pomieszczeniach o silnym naświetleniu, skaner włącza i wyłącza laser w celu wykonania niezbędnego porównania. Im większa rozdzielczość skanowania pojedynczych punktów, tym bardziej dokładne odwzorowanie obiektu 3D. Podobnie jak w przypadku kamery wideo, skaner laserowy 3D może uchwycić tylko te punkty przestrzenne, które znajdują się w jego polu widzenia. Skanowany obraz obejmuje ukształtowanie obiektu, strukturę powierzchni, a także kolory. Całość skanowanego obrazu obiektu, jest tworzona z przechwyconej siatki punktów przestrzennych.
Skanowanie 3D metodą stereowizji
Skanowanie 3D metodą stereowizji jest bardzo korzystne głównie z punktu widzenia kosztów, ale jest to niestety okupione słabszą jakością dokładności odwzorowania obrazu, w porównaniu do skanowania laserowego 3D. Wsteczna projekcja obrazu 3D za pomocą stereowizji wykorzystuje dwie kamery, które funkcjonują podobnie jak para ludzkich oczu. Skanowanie 3D poprzez stereowizję, polega na przechwytywaniu tego samego fragmentu obrazu pod dwoma różnymi kątami widzenia.
Zeskanowany obraz jest poddawany niezbędnej korekcji oraz filtracji, co pozwala na maksymalne wyeliminowanie błędów będących konsekwencją cyfrowego przetwarzania oraz jak najwierniejsze odwzorowanie krawędzi skanowanych obiektów. Następnie, poprzez porównywanie ze sobą obrazów z dwóch kamer, obraz docelowy jest tworzony poprzez dopasowanie mające na celu uzyskanie trójwymiarowej głębi. Punkty dopasowania pomiędzy obrazami opierają się na zmienności tekstury, aby znaleźć krawędzie i cechy wyróżniające, co może powodować problemy, gdy powierzchnie w skanowanych obrazach nie mają wystarczająco wysokiego kontrastu lub są do siebie zbyt podobne.
Skanowanie 3D - metoda fotogrametrii - rozszerzenie stereowizji
Metoda fotogrametrii jest w istocie rozszerzeniem metody stereowizji, co jeszcze bardziej zwiększa wierność odwzorowania skanowanego obrazu obiektu 3D. Fotogrametryczny skaner 3D jest wyposażony w większą ilość kamer niż dwie (tak jak w przypadku skanera stereowizyjnego). Ważną zaletą praktyczną takiego skanera, są względnie długie odstępy czasowe pomiędzy poszczególnymi kalibracjami. W metodzie fotogrametrii, można wykorzystać poszczególne klatki skanowanego filmu, który jest nagrywany z wielu pozycji poszczególnych kamer. Taka metoda skanowania obrazów 3D jest wykorzystywana m.in. w mapowaniu budynków 3D i w projekcji filmów 3D.
Jak działa skaner 3D - skanowanie światłem strukturalnym
W odróżnieniu od skanowania metodami laserowymi, stereowizyjną i fotogrametryczną, w przypadku skanowania światłem strukturalnym, zmienność tekstury obrazu nie wpływa tak znacząco na dokładność jego odwzorowania. W takiej metodzie, jedno z położeń kamery stosowane w stereowizji i skanowaniu laserowym zostaje zastąpione projektorem, który wyświetla różne wzory świetlne na powierzchni obiektu i rejestruje, w jaki sposób obraz obiektu zniekształca teksturę tych wzorów. Poszczególne punkty obrazu docelowego, są tworzone na podstawie znanej pozycji kamery i informacji ze wzoru światła uderzającego w obiekt. Aby zapewnić jak najlepszą skuteczność tej metody, musi zaistnieć dokładne odwzorowanie poszczególnych pikseli (jeden do jednego) między projektorem a pikselami kamery.
Skanowanie światłem strukturalnym jest wykorzystywane w technologii rozpoznawania twarzy, inżynierii wstecznej, projektowaniu, produkcji i zdalnym rozpoznawaniu elementów budowy otaczającego nas środowiska, np. inspekcji dna morskiego czy też tuneli kolejowych.
Skanowanie 3D - metoda ToF (Time-of-Flight)
Pomiar czasu przelotu (Time-of-Flight) jest techniką wykorzystywaną m.in. w urządzeniach do pomiaru odległości. Taka metoda znalazła także zastosowanie w skanowaniu 3D i polega na wysyłaniu i odbieraniu światła laserowego generowanego impulsowo, co tworzy skan modelu 3D. Odległość względem skanowanych detali jest mierzona na podstawie sumarycznego czasu przelotu wiązki lasera od źródła do obiektu i po odbiciu wiązki – podróżując z powrotem do źródła lasera. Technika ta jest często wykorzystywana w systemach kamer do dalekosiężnego skanowania obrazu 3D. Metoda ToF odznacza się bardzo wysoką dokładnością skanowania, ale jest bardzo droga i zwykle jest wykorzystywana przy skanowaniu dużych budynków i terenów zewnętrznych.
Skanowanie 3D - która z metod skanowania trójwymiarowego jest najlepsza?
Każda z przedstawionych metod skanowania 3D umożliwia wierne odwzorowanie detali geometrycznych obiektów trójwymiarowych, a nawet struktury otoczenia, np. pomieszczeń wewnątrz budynków lub krajobrazu. Z tego względu, trudno jednoznacznie wybrać która z metod skanowania 3D jest najlepsza – każda z nich ma swoje zalety, dzięki którym najlepiej się sprawdzi na tle innych metod przy określonym rodzaju skanowanych obiektów.
Jedna odpowiedź