3D-сканирование — это процесс анализа реального объекта или окружающей среды для сбора трехмерных данных о его форме и, возможно, внешнем виде (например, цвет). Собранные данные затем можно использовать для создания цифровых 3D-моделей .
3D -сканер может быть основан на множестве различных технологий, каждая из которых имеет свои ограничения, преимущества и затраты. Многие ограничения в отношении объектов, которые можно оцифровать, все еще сохраняются. Например, оптическая технология может столкнуться со многими трудностями при работе с темными, блестящими, отражающими или прозрачными объектами. Например, промышленная компьютерная томография , 3D-сканеры со структурированным светом , LiDAR и 3D-сканеры Time Of Flight могут использоваться для создания цифровых 3D-моделей без разрушающих испытаний .
Собранные 3D-данные полезны для самых разных приложений. Эти устройства широко используются в индустрии развлечений при производстве фильмов и видеоигр, включая виртуальную реальность . Другие распространенные применения этой технологии включают дополненную реальность , [1] захват движения , [2] [3] распознавание жестов , [4] роботизированное картографирование , [5] промышленный дизайн , ортопедию и протезирование , [6] реверс-инжиниринг и прототипирование , качество контроль /осмотр и оцифровка культурных артефактов. [7]
Целью 3D-сканера обычно является создание 3D-модели . Эта 3D-модель состоит из полигональной сетки или облака точек геометрических образцов на поверхности объекта. Эти точки затем можно использовать для экстраполяции формы объекта (процесс, называемый реконструкцией ). Если информация о цвете собирается в каждой точке, то также можно определить цвета или текстуры на поверхности объекта.
3D-сканеры имеют несколько общих черт с камерами. Как и большинство камер, они имеют конусообразное поле зрения и, как и камеры, могут собирать информацию только о незатененных поверхностях. В то время как камера собирает информацию о цвете поверхностей в ее поле зрения , 3D-сканер собирает информацию о расстоянии до поверхностей в ее поле зрения. «Картинка», создаваемая 3D-сканером, описывает расстояние до поверхности в каждой точке изображения. Это позволяет определить трехмерное положение каждой точки изображения.
В некоторых ситуациях одно сканирование не может создать полную модель объекта. Множественные сканирования с разных направлений обычно помогают получить информацию обо всех сторонах объекта. Эти сканы необходимо привести в общую систему отсчета (процесс, который обычно называют выравниванием или регистрацией) , а затем объединить для создания полной 3D-модели. Весь этот процесс, от одной карты диапазона до всей модели, обычно известен как конвейер 3D-сканирования. [8] [9] [10] [11] [12]
Существует множество технологий цифрового получения формы трехмерного объекта. Эти методы работают с большинством или со всеми типами датчиков, включая оптические, акустические, лазерные сканирующие, [13] радиолокационные, тепловые, [14] и сейсмические. [15] [16] Устоявшаяся классификация [17] делит их на два типа: контактные и бесконтактные. Бесконтактные решения можно разделить на две основные категории: активные и пассивные. Под каждую из этих категорий подпадают различные технологии.
Контактные 3D-сканеры работают путем физического зондирования (касания) детали и регистрации положения датчика при его перемещении вокруг детали.
Существует два основных типа контактных 3D-сканеров:
Как современные КИМ, так и шарнирно-сочлененные манипуляторы также могут быть оснащены бесконтактными лазерными сканерами вместо сенсорных датчиков.
Активные сканеры излучают тот или иной вид излучения или света и обнаруживают его отражение или излучение, проходящее через объект, чтобы исследовать объект или окружающую среду. Возможные типы используемых излучений включают свет, ультразвук или рентгеновское излучение.
Времяпролетный 3D-лазерный сканер — это активный сканер, который использует лазерный свет для исследования объекта. В основе сканера этого типа лежит времяпролетный лазерный дальномер . Лазерный дальномер определяет расстояние до поверхности, рассчитывая время прохождения импульса света туда и обратно. Лазер используется для излучения импульса света, и измеряется время, прежде чем отраженный свет будет виден детектором. Поскольку скорость света известна, время прохождения туда и обратно определяет расстояние прохождения света, которое в два раза превышает расстояние между сканером и поверхностью. Если время туда и обратно, то расстояние равно . Точность времяпролетного 3D-лазерного сканера зависит от того, насколько точно мы можем измерить время : 3,3 пикосекунды (приблизительно) — это время, необходимое свету, чтобы пройти 1 миллиметр.
Лазерный дальномер определяет расстояние только до одной точки в направлении взгляда. Таким образом, сканер сканирует все поле зрения по одной точке за раз, изменяя направление обзора дальномера для сканирования разных точек. Направление обзора лазерного дальномера можно менять как вращением самого дальномера, так и с помощью системы вращающихся зеркал. Последний метод обычно используется, поскольку зеркала намного легче и, следовательно, могут вращаться гораздо быстрее и с большей точностью. Типичные времяпролетные 3D-лазерные сканеры могут измерять расстояние от 10 000 до 100 000 точек каждую секунду.
Времяпролетные устройства также доступны в 2D-конфигурации. Это называется времяпролетной камерой . [18]
Лазерные 3D-сканеры на основе триангуляции также являются активными сканерами, которые используют лазерный свет для исследования окружающей среды. Что касается времяпролетного 3D-лазерного сканера, триангуляционный лазер направляет лазер на объект и использует камеру для поиска местоположения лазерной точки. В зависимости от того, как далеко лазер попадает на поверхность, лазерная точка появляется в разных местах поля зрения камеры. Этот метод называется триангуляцией, поскольку лазерная точка, камера и лазерный излучатель образуют треугольник. Известна длина одной стороны треугольника, расстояние между камерой и лазерным излучателем. Также известен угол угла лазерного излучателя. Угол угла камеры можно определить, посмотрев на расположение лазерной точки в поле зрения камеры. Эти три части информации полностью определяют форму и размер треугольника и определяют местоположение угла лазерной точки треугольника. [19] В большинстве случаев лазерная полоса, а не одна лазерная точка, проводится по объекту, чтобы ускорить процесс съемки. Использование триангуляции для измерения расстояний восходит к древности.
Времяпролетные дальномеры способны работать на больших расстояниях порядка километров. Таким образом, эти сканеры подходят для сканирования больших структур, таких как здания или географические объекты. Недостатком является то, что из-за высокой скорости света измерить время прохождения туда и обратно сложно, поэтому точность измерения расстояния относительно низкая, порядка миллиметров.
С другой стороны, триангуляционные дальномеры имеют дальность действия, обычно ограниченную несколькими метрами для устройств разумных размеров, но их точность относительно высока. Точность триангуляционных дальномеров составляет порядка десятков микрометров .
Точность времяпролетных сканеров может быть потеряна, когда лазер попадает на край объекта, поскольку информация, которая отправляется обратно в сканер, поступает из двух разных мест за один лазерный импульс. Координата относительно положения сканера для точки, коснувшейся края объекта, будет рассчитана на основе среднего значения и, следовательно, поместит точку в неправильное место. При использовании сканирования объекта с высоким разрешением вероятность попадания луча на край увеличивается, и в результирующих данных будет отображаться шум сразу за краями объекта. Сканеры с меньшей шириной луча помогут решить эту проблему, но будут ограничены дальностью действия, поскольку ширина луча будет увеличиваться с расстоянием. Программное обеспечение также может помочь, определяя, что первый объект, на который попадает лазерный луч, должен нейтрализовать второй.
При скорости 10 000 точек выборки в секунду сканирование с низким разрешением может занять менее секунды, но сканирование с высоким разрешением, требующее миллионов образцов, может занять несколько минут для некоторых времяпролетных сканеров. Проблема, которую это создает, — это искажение от движения. Поскольку каждая точка снимается в разное время, любое движение объекта или сканера исказит собранные данные. Таким образом, обычно необходимо установить объект и сканер на устойчивых платформах и минимизировать вибрацию. Использовать эти сканеры для сканирования объектов в движении очень сложно.
Недавно были проведены исследования по компенсации искажений от небольших вибраций [20] и искажений, вызванных движением и/или вращением. [21]
Лазерные сканеры ближнего действия обычно не могут обеспечить глубину резкости более 1 метра. [22] При сканировании в одном положении в течение любого периода времени в положении сканера может произойти небольшое перемещение из-за изменений температуры. Если сканер установлен на штативе и на одну сторону сканера попадает сильный солнечный свет, эта сторона штатива будет расширяться и медленно искажать данные сканирования с одной стороны на другую. В некоторые лазерные сканеры встроены компенсаторы уровня, которые противодействуют любому движению сканера во время процесса сканирования.
В коноскопической системе лазерный луч проецируется на поверхность, а затем непосредственное отражение вдоль того же пути луча проходит через коноскопический кристалл и проецируется на ПЗС-матрицу. В результате получается дифракционная картина , которую можно анализировать по частоте для определения расстояния до измеряемой поверхности. Основное преимущество коноскопической голографии состоит в том, что для измерения необходим только один путь луча, что дает возможность измерить, например, глубину тонко просверленного отверстия. [23]
Ручные лазерные сканеры создают 3D-изображение с помощью описанного выше механизма триангуляции: лазерная точка или линия проецируется на объект с ручного устройства, а датчик (обычно устройство с зарядовой связью или устройство, чувствительное к положению ) измеряет расстояние. на поверхность. Данные собираются относительно внутренней системы координат, поэтому для сбора данных во время движения сканера необходимо определить положение сканера. Положение может быть определено сканером по эталонным элементам на сканируемой поверхности (обычно клейкие светоотражающие полоски, но в исследовательских работах также использовались естественные особенности) [24] [25] или с использованием метода внешнего отслеживания. Внешнее отслеживание часто принимает форму лазерного трекера (для определения положения датчика) со встроенной камерой (для определения ориентации сканера) или фотограмметрического решения с использованием 3 или более камер, обеспечивающих полные шесть степеней свободы сканера. В обоих методах обычно используются инфракрасные светодиоды, прикрепленные к сканеру, которые видны камерам через фильтры, обеспечивающие устойчивость к окружающему освещению. [26]
Данные собираются компьютером и записываются в виде точек данных в трехмерном пространстве , при обработке их можно преобразовать в триангулированную сетку, а затем в модель автоматизированного проектирования , часто в виде неоднородных рациональных поверхностей B-сплайнов. Ручные лазерные сканеры могут комбинировать эти данные с пассивными датчиками видимого света, которые фиксируют текстуры и цвета поверхности, для создания (или « обратного проектирования ») полной 3D-модели.
3D-сканеры со структурированным светом проецируют световой узор на объект и наблюдают за деформацией рисунка на объекте. Рисунок проецируется на объект с помощью ЖК-проектора или другого стабильного источника света. Камера, слегка смещенная от проектора узора, смотрит на форму узора и рассчитывает расстояние до каждой точки в поле зрения.
Сканирование структурированным светом по-прежнему остается очень активной областью исследований, и каждый год публикуется множество исследовательских работ. Совершенные карты также оказались полезными в качестве структурированных световых моделей, которые решают проблему соответствия и позволяют обнаруживать и исправлять ошибки. [27]
Преимущество 3D-сканеров со структурированным светом — скорость и точность. Вместо сканирования одной точки за раз, сканеры структурированного света сканируют несколько точек или все поле зрения одновременно. Сканирование всего поля зрения за долю секунды уменьшает или устраняет проблему искажений от движения. Некоторые существующие системы способны сканировать движущиеся объекты в режиме реального времени.
Был разработан сканер в реальном времени, использующий цифровую проекцию интерференционных полос и технику фазового сдвига (некоторые виды методов структурированного освещения), чтобы захватывать, реконструировать и визуализировать детали динамически деформируемых объектов с высокой плотностью (например, выражения лица) со скоростью 40 кадров в секунду. второй. [28] Недавно был разработан еще один сканер. К этой системе можно применять различные шаблоны, а частота кадров при захвате и обработке данных достигает 120 кадров в секунду. Он также может сканировать изолированные поверхности, например две движущиеся руки. [29] Благодаря использованию метода бинарной дефокусировки был достигнут прорыв в скорости, которая может достигать сотен [30] до тысяч кадров в секунду. [31]
3D-сканеры с модулированным светом освещают объект постоянно меняющимся светом. Обычно источник света просто меняет свою амплитуду по синусоидальной схеме. Камера обнаруживает отраженный свет, и величина смещения рисунка определяет расстояние, пройденное светом. Модулированный свет также позволяет сканеру игнорировать свет от источников, отличных от лазера, поэтому помех нет.
Компьютерная томография (КТ) — это метод медицинской визуализации, который генерирует трехмерное изображение внутренней части объекта из большой серии двумерных рентгеновских изображений. Аналогично, магнитно-резонансная томография — еще один метод медицинской визуализации, обеспечивающий гораздо больший контраст. между различными мягкими тканями тела, чем компьютерная томография (КТ), что делает ее особенно полезной для неврологической (мозговой), скелетно-мышечной, сердечно-сосудистой и онкологической (раковой) визуализации. Эти методы создают дискретное трехмерное объемное представление , которое можно непосредственно визуализировать , манипулировать или преобразовать в традиционную трехмерную поверхность с помощью алгоритмов извлечения изоповерхностей .
Хотя промышленная компьютерная томография , микротомография и МРТ наиболее распространены в медицине, они также используются в других областях для получения цифрового представления объекта и его внутренней части, например, при неразрушающих испытаниях материалов, обратном проектировании или изучении биологических и палеонтологических образцов.
Решения для пассивной 3D-визуализации сами по себе не излучают никакого излучения, а вместо этого полагаются на обнаружение отраженного окружающего излучения. Большинство решений этого типа обнаруживают видимый свет, поскольку это легкодоступное окружающее излучение. Могут также использоваться другие виды излучения, например инфракрасное. Пассивные методы могут быть очень дешевыми, поскольку в большинстве случаев для них требуется не какое-то специальное оборудование, а простые цифровые камеры.
Фотограмметрия предоставляет достоверную информацию о трехмерных формах физических объектов на основе анализа фотографических изображений. Результирующие 3D-данные обычно предоставляются в виде 3D-облака точек, 3D-сетки или 3D-точек. [33] Современные приложения для фотограмметрии автоматически анализируют большое количество цифровых изображений для трехмерной реконструкции, однако может потребоваться ручное взаимодействие, если программное обеспечение не может автоматически определить трехмерное положение камеры на изображениях, что является важным шагом в процессе реконструкции. Доступны различные пакеты программного обеспечения, включая PhotoModeler , Geodetic Systems, Autodesk ReCap , RealityCapture и Agisoft Metashape (см. сравнение программного обеспечения для фотограмметрии ).
Также возможно полуавтоматическое извлечение зданий из данных лидара и изображений высокого разрешения. Опять же, этот подход позволяет моделировать без физического перемещения к месту или объекту. [36] На основе данных воздушного лидара можно создать цифровую модель поверхности (DSM), а затем с помощью DSM автоматически обнаружить объекты, расположенные выше земли. На основе общих знаний о зданиях затем используются геометрические характеристики, такие как размер, высота и форма, для отделения зданий от других объектов. Извлеченные контуры зданий затем упрощаются с использованием ортогонального алгоритма для получения лучшего картографического качества. Анализ водораздела может быть проведен для извлечения линий гребней крыш зданий. Линии хребтов, а также информация об уклонах используются для классификации зданий по типам. Затем здания реконструируются с использованием трех параметрических моделей зданий (плоских, остроконечных, шатровых). [37]
Лидар и другие технологии наземного лазерного сканирования [38] предлагают самый быстрый и автоматизированный способ сбора информации о высоте или расстоянии. лидар или лазер для измерения высоты зданий становятся очень перспективными. [39] Коммерческое применение как воздушного лидара, так и технологии наземного лазерного сканирования доказало свою эффективность в качестве быстрых и точных методов определения высоты зданий. Задача извлечения зданий необходима для определения местоположения зданий, высоты земли, ориентации, размера здания, высоты крыш и т. д. Большинство зданий достаточно подробно описываются в терминах общих многогранников, т. е. их границы могут быть представлены набором плоских поверхностей. и прямые линии. Дальнейшая обработка, такая как представление контуров зданий в виде полигонов, используется для хранения данных в базах данных ГИС.
Используя лазерное сканирование и изображения, полученные с уровня земли и с высоты птичьего полета, Фру и Захор представляют подход к автоматическому созданию текстурированных 3D-моделей городов. Этот подход предполагает регистрацию и объединение подробных моделей фасада с дополнительной воздушной моделью. В процессе воздушного моделирования создается модель полуметрового разрешения с видом всей территории с высоты птичьего полета, включая профиль местности и верхушки зданий. В результате наземного моделирования создается детальная модель фасадов здания. Используя DSM, полученную в результате лазерного сканирования с воздуха, они локализуют транспортное средство и регистрируют наземные фасады с воздушной моделью с помощью локализации Монте-Карло (MCL). Наконец, две модели объединяются с разным разрешением для получения 3D-модели.
Используя бортовой лазерный высотомер, Хаала, Бреннер и Андерс совместили данные о высоте с существующими планами зданий. Планы зданий уже были получены либо в аналоговой форме с помощью карт и планов, либо в цифровой форме в 2D ГИС. Проект был реализован для того, чтобы обеспечить автоматический сбор данных путем интеграции этих различных типов информации. После этого в проекте путем обработки текстур, например, путем картирования наземных изображений, создаются модели городов виртуальной реальности. Проект продемонстрировал возможность быстрого получения 3D городской ГИС. Планы местности являются еще одним очень важным источником информации для 3D-реконструкции зданий. По сравнению с результатами автоматических процедур эти планы местности оказались более надежными, поскольку содержат агрегированную информацию, ставшую явной благодаря интерпретации человека. По этой причине планы местности могут значительно снизить затраты на проект реконструкции. Примером существующих данных плана местности, которые можно использовать при реконструкции зданий, является цифровая кадастровая карта , которая предоставляет информацию о распределении собственности, включая границы всех сельскохозяйственных угодий и планы местности существующих зданий. Дополнительная информация, такая как названия улиц и использование зданий (например, гараж, жилой дом, офисное здание, промышленное здание, церковь) предоставляется в виде текстовых символов. На данный момент цифровая кадастровая карта представляет собой базу данных, охватывающую территорию, в основном состоящую из оцифрованных ранее существовавших карт или планов.
Облака точек , создаваемые 3D-сканерами и 3D-изображениями, можно использовать непосредственно для измерений и визуализации в сфере архитектуры и строительства.
Однако в большинстве приложений вместо этого используются полигональные 3D-модели, модели поверхностей NURBS или редактируемые модели САПР на основе элементов (также известные как твердотельные модели ).
Эти модели САПР описывают не просто оболочку или форму объекта, но модели САПР также воплощают «замысел проекта» (т. е. критические характеристики и их взаимосвязь с другими функциями). Примером дизайнерского замысла, который не очевиден только в форме, могут быть болты с проушинами тормозного барабана, которые должны быть концентричны отверстию в центре барабана. Эти знания будут определять последовательность и метод создания модели САПР; проектировщик, осознающий эту взаимосвязь, будет проектировать болты с проушинами не по внешнему диаметру, а по центру. Разработчик моделей, создающий модель САПР, захочет включить в полную модель САПР как форму, так и проектный замысел.
Поставщики предлагают разные подходы к созданию параметрической модели САПР. Некоторые экспортируют поверхности NURBS и оставляют проектировщику САПР завершение модели в САПР (например, Geomagic , Imageware, Rhino 3D ). Другие используют данные сканирования для создания редактируемой и проверяемой модели на основе элементов, которая импортируется в САПР с неповрежденным полным деревом функций, в результате чего получается полная, собственная модель САПР, отражающая как форму, так и замысел проекта (например, Geomagic , Rapidform). Например, на рынке предлагаются различные плагины для известных CAD-программ, таких как SolidWorks. Xtract3D, DezignWorks и Geomagic для SolidWorks позволяют манипулировать 3D-сканированием непосредственно внутри SolidWorks . Другие приложения САПР достаточно надежны, чтобы манипулировать ограниченными точками или полигональными моделями в среде САПР (например, CATIA , AutoCAD , Revit ).
КТ , промышленный КТ , МРТ или микроКТ- сканеры создают не облака точек, а набор 2D-срезов (каждый из которых называется «томограммой»), которые затем «складываются вместе» для создания 3D-представления. Сделать это можно несколькими способами в зависимости от требуемого результата:
Лазерное сканирование описывает общий метод отбора проб или сканирования поверхности с использованием лазерной технологии. Существует несколько областей применения, которые в основном различаются мощностью используемых лазеров и результатами процесса сканирования. Низкая мощность лазера используется, когда нет необходимости воздействовать на сканируемую поверхность, например, когда ее нужно только оцифровать. Конфокальное или 3D- лазерное сканирование — это методы получения информации о сканируемой поверхности. Другое приложение с низким энергопотреблением использует системы структурированной светопроекции для измерения плоскостности солнечных элементов [41] , что позволяет рассчитывать напряжение на скорости более 2000 пластин в час. [42]
Мощность лазера, используемая в оборудовании лазерного сканирования в промышленности, обычно составляет менее 1 Вт. Уровень мощности обычно составляет порядка 200 мВт или меньше, но иногда и больше.
Сбор 3D-данных и реконструкция объектов могут выполняться с использованием пар стереоизображений. Стереофотограмметрия или фотограмметрия, основанная на блоке перекрывающихся изображений, является основным подходом для 3D-картографии и реконструкции объектов с использованием 2D-изображений. Фотограмметрия с близкого расстояния также достигла уровня, когда камеры или цифровые камеры можно использовать для захвата изображений объектов с близкого расстояния, например зданий, и их реконструкции, используя ту же теорию, что и аэрофотограмметрия. Примером программного обеспечения, которое может это сделать, является Vexcel FotoG 5. [43] [44] Это программное обеспечение теперь заменено на Vexcel GeoSynth . [45] Еще одна похожая программа — Microsoft Photosynth . [46] [47]
Полуавтоматический метод получения 3D-топологически структурированных данных из 2D-аэростереоизображений был представлен Сиси Златановой . [48] Процесс включает в себя ручную оцифровку ряда точек, необходимых для автоматической реконструкции 3D-объектов. Каждый реконструированный объект проверяется путем наложения его каркасной графики на стереомодель. Топологически структурированные 3D-данные хранятся в базе данных и также используются для визуализации объектов. Известное программное обеспечение, используемое для сбора 3D-данных с использованием 2D-изображений, включает, например, Agisoft Metashape , [49] RealityCapture , [50] и ENSAIS Engineering College TIPHON (Traitement d'Image et PHOtogrammétrie Numérique). [51]
Метод полуавтоматического извлечения зданий вместе с концепцией хранения моделей зданий вместе с ландшафтом и другими топографическими данными в топографической информационной системе был разработан Францем Роттенштайнером. Его подход был основан на интеграции оценок параметров здания в процесс фотограмметрии с использованием схемы гибридного моделирования. Здания разбиваются на набор простых примитивов, которые реконструируются индивидуально, а затем объединяются логическими операторами. Внутренняя структура данных как примитивов, так и составных моделей зданий основана на методах представления границ [52] [53]
Множественные изображения используются в подходе Чжана [54] к реконструкции поверхности из нескольких изображений. Основная идея состоит в том, чтобы изучить интеграцию как 3D-стереоданных, так и 2D-калиброванных изображений. Этот подход мотивирован тем фактом, что в пространстве реконструируются только надежные и точные характерные точки, выдержавшие проверку геометрии нескольких изображений. Недостаточная плотность и неизбежные дыры в стереоданных затем должны быть заполнены с использованием информации из нескольких изображений. Таким образом, идея состоит в том, чтобы сначала построить небольшие участки поверхности из стереоточек, а затем постепенно распространять только надежные участки в их окрестностях из изображений на всю поверхность, используя стратегию «лучшее - сначала». Таким образом, задача сводится к поиску оптимального локального участка поверхности, проходящего через заданный набор стереоточек на изображениях.
Мультиспектральные изображения также используются для обнаружения 3D-зданий. В процессе используются данные первого и последнего импульса, а также нормализованный разностный вегетационный индекс. [55]
Новые методы измерения также используются для получения измерений объектов и между объектами на основе отдельных изображений с использованием проекции или тени, а также их комбинации. Эта технология привлекает внимание благодаря быстрому времени обработки и гораздо более низкой стоимости, чем стереоизмерения. [ нужна цитата ]
Технология 3D-сканирования использовалась для сканирования космических объектов по заказу Европейского космического агентства . [56] [57]
3D-сканеры используются в индустрии развлечений для создания цифровых 3D-моделей для фильмов , видеоигр и развлечений. [65] Они активно используются в виртуальной кинематографии . В тех случаях, когда существует реальный эквивалент модели, гораздо быстрее сканировать реальный объект, чем вручную создавать модель с помощью программного обеспечения для 3D-моделирования. Часто художники лепят физические модели того, что хотят, и сканируют их в цифровую форму, а не создают цифровые модели напрямую на компьютере.
3D-сканеры развиваются для использования камер для точного представления 3D-объектов. [66] С 2010 года появляются компании, создающие 3D-портреты людей (3D-фигурки или 3D-селфи ).
Меню дополненной реальности для мадридской сети ресторанов 80 Degrees [67]
Лазерное 3D-сканирование используется правоохранительными органами по всему миру. 3D-модели используются для документирования на месте: [68]
Реверс-инжиниринг механического компонента требует точной цифровой модели воспроизводимых объектов. Вместо набора точек точная цифровая модель может быть представлена многоугольной сеткой , набором плоских или изогнутых поверхностей NURBS или, в идеале для механических компонентов, твердотельной моделью САПР. 3D-сканер можно использовать для оцифровки компонентов произвольной или постепенно меняющейся формы, а также призматической геометрии, тогда как координатно-измерительная машина обычно используется только для определения простых размеров высокопризматической модели. Эти точки данных затем обрабатываются для создания полезной цифровой модели, обычно с использованием специализированного программного обеспечения для обратного проектирования.
Земля или здания могут быть отсканированы в 3D-модель, что позволяет покупателям осматривать недвижимость удаленно, где угодно, без необходимости присутствовать на объекте. [69] Уже существует как минимум одна компания, предоставляющая виртуальные туры по недвижимости с помощью 3D-сканирования. [70] Типичный виртуальный тур, заархивированный 27 апреля 2017 г. в Wayback Machine, будет состоять из вида кукольного домика, [71] вида изнутри, а также плана этажа.
Окружающая среда в интересующем месте может быть захвачена и преобразована в 3D-модель. Затем эта модель может быть изучена публикой либо через интерфейс виртуальной реальности, либо через традиционный «2D» интерфейс. Это позволяет пользователю исследовать локации, неудобные для путешествий. [72] Группа студентов-историков Ванкуверской подготовительной средней школы iTech создала виртуальный музей путем 3D-сканирования более 100 артефактов. [73]
Было реализовано множество исследовательских проектов посредством сканирования исторических мест и артефактов как для целей документирования, так и для анализа. [74] Полученные модели можно использовать для множества различных аналитических подходов. [75] [76]
Совместное использование технологий 3D-сканирования и 3D-печати позволяет воспроизводить реальные объекты без использования традиционных методов гипсового литья , которые во многих случаях могут быть слишком инвазивными для выполнения на драгоценных или деликатных артефактах культурного наследия. [77] В качестве примера типичного сценария применения модель горгульи была получена в цифровом виде с помощью 3D-сканера, а полученные 3D-данные были обработаны с помощью MeshLab . Полученная цифровая 3D-модель была отправлена на машину быстрого прототипирования , чтобы создать настоящую смоляную копию исходного объекта.
Создание 3D-моделей для музеев и археологических артефактов [78] [79] [80]
В 1999 году две разные исследовательские группы начали сканировать статуи Микеланджело. Стэнфордский университет с группой под руководством Марка Левоя [81] использовал специальный лазерный триангуляционный сканер, созданный Cyberware , для сканирования статуй Микеланджело во Флоренции, в частности Давида , Приджиони и четырех статуй в капелле Медичи. Сканирование дало плотность точек данных, равную одному образцу на 0,25 мм, что было достаточно детализировано, чтобы увидеть следы резца Микеланджело. В результате этих детальных сканирований был получен большой объем данных (до 32 гигабайт), а обработка данных сканирований заняла 5 месяцев. Примерно в тот же период исследовательская группа из IBM под руководством Х. Рушмайера и Ф. Бернардини отсканировала Флорентийскую Пьету, приобретя как геометрические, так и цветовые детали. Цифровая модель, полученная в результате кампании сканирования в Стэнфорде, была тщательно использована при последующей реставрации статуи в 2004 году. [82]
В 2002 году Дэвид Любке и др. просмотрел «Монтичелло» Томаса Джефферсона. [83] Был использован коммерческий времяпролетный лазерный сканер DeltaSphere 3000. Данные сканера позже были объединены с данными цвета цифровых фотографий для создания экспонатов «Виртуальный Монтичелло» и «Кабинет Джефферсона» в Художественном музее Нового Орлеана в 2003 году. Выставка «Виртуальный Монтичелло» имитировала окно, выходящее в библиотеку Джефферсона. Выставка состояла из дисплея обратной проекции на стене и пары стереоочков для зрителя. Очки в сочетании с поляризационными проекторами обеспечивали 3D-эффект. Аппаратное обеспечение отслеживания положения на очках позволяло дисплею адаптироваться по мере движения зрителя, создавая иллюзию того, что дисплей на самом деле представляет собой дыру в стене, ведущую в библиотеку Джефферсона. Выставка «Кабинет Джефферсона» представляла собой барьерную стереограмму (по сути, неактивную голограмму, которая выглядит по-разному под разными углами) Кабинета Джефферсона.
Первые 3D-модели клинописных табличек были приобретены в Германии в 2000 году. [84] В 2003 году так называемый проект Digital Hammurabi приобрел клинописные таблички с помощью лазерного триангуляционного сканера с использованием регулярной сетки с разрешением 0,025 мм (0,00098 дюйма). [85] С использованием Гейдельбергским университетом 3D-сканеров высокого разрешения для приобретения планшетов в 2009 году началась разработка GigaMesh Software Framework для визуализации и извлечения клинописных символов из 3D-моделей. [86] Он использовался для обработки ок. 2000 3D-оцифрованных планшетов из коллекции Hilprecht Collection в Йене для создания эталонного набора данных открытого доступа [87] и аннотированной коллекции [88] 3D-моделей планшетов, свободно доступных по лицензиям CC BY . [89]
В рамках проекта 3D-сканирования CyArk 2009 года исторических гробниц Касуби в Уганде , объекта Всемирного наследия ЮНЕСКО , с использованием Leica HDS 4500 были созданы подробные архитектурные модели Музибу Азаала Мпанга, главного здания комплекса и гробницы Кабаков ( королей) Уганды. Пожар 16 марта 2010 года сжег большую часть структуры Музибу Азаала Мпанга, и работы по реконструкции, вероятно, будут в значительной степени опираться на набор данных, полученный в ходе миссии 3D-сканирования. [90]
В 2005 году Габриэле Гуиди и др. отсканировал «Plastico di Roma antica», [91] модель Рима, созданную в прошлом веке. Ни метод триангуляции, ни метод времени пролета не удовлетворяли требованиям этого проекта, поскольку сканируемый объект был как крупным, так и содержал мелкие детали. Однако они обнаружили, что сканер с модулированным светом способен обеспечить как возможность сканировать объект размером с модель, так и необходимую точность. Сканер модулированного света был дополнен триангуляционным сканером, который использовался для сканирования некоторых частей модели.
Проект 3D Encounters в Музее египетской археологии Петри направлен на использование 3D-лазерного сканирования для создания высококачественной библиотеки 3D-изображений артефактов и обеспечения возможности проведения цифровых передвижных выставок хрупких египетских артефактов. Компания English Heritage исследовала возможность использования 3D-лазерного сканирования для широкого спектра задач. ряд приложений для получения археологических данных и данных о состоянии, а Национальный центр консервации в Ливерпуле также выполнил по заказу 3D-лазерное сканирование, включая сканирование портативных объектов и сканирование археологических памятников на месте. [92] У Смитсоновского института есть проект под названием Smithsonian X 3D, отличающийся широтой типов 3D-объектов, которые они пытаются сканировать. К ним относятся небольшие объекты, такие как насекомые и цветы, объекты размером с человека, такие как летный костюм Амелии Эрхарт, объекты размером с комнату, такие как канонерская лодка «Филадельфия», и исторические места, такие как Лян Буа в Индонезии. Также следует отметить, что данные этих сканирований предоставляются общественности бесплатно и могут быть загружены в нескольких форматах данных.
3D-сканеры используются для получения трехмерной формы тела пациента в ортопедии и стоматологии . Он постепенно вытесняет утомительную гипсовую повязку. Программное обеспечение CAD/CAM затем используется для проектирования и изготовления ортезов , протезов [93] или зубных имплантатов .
Многие стоматологические CAD/CAM-системы и системы CAD/CAM зуботехнических лабораторий используют технологии 3D-сканирования для захвата трехмерной поверхности препарированного зуба (как in vivo , так и in vitro ), чтобы произвести реставрацию в цифровом виде с помощью программного обеспечения CAD и, в конечном итоге, создать окончательная реставрация с использованием CAM-технологии (например, фрезерного станка с ЧПУ или 3D-принтера). Системы для кресла предназначены для облегчения 3D-сканирования препарирования in vivo и изготовления реставрации (например, коронки, накладки, вкладки или винира).
Создание 3D-моделей для обучения анатомии и биологии [94] [95] и моделей трупов для образовательных нейрохирургических симуляций. [96]
Оцифровка объектов реального мира имеет жизненно важное значение в различных областях применения. Этот метод особенно применяется в промышленном обеспечении качества для измерения точности геометрических размеров. Промышленные процессы, такие как сборка, сложны, высокоавтоматизированы и обычно основаны на данных САПР (системы автоматизированного проектирования). Проблема в том, что такая же степень автоматизации требуется и для обеспечения качества. Например, собрать современный автомобиль — очень сложная задача, поскольку он состоит из множества деталей, которые должны соединяться друг с другом в самом конце производственной линии. Оптимальное выполнение этого процесса гарантируется системами обеспечения качества. Особенно необходимо проверить геометрию металлических частей, чтобы убедиться, что они имеют правильные размеры, подходят друг к другу и, наконец, надежно работают.
В рамках высокоавтоматизированных процессов полученные геометрические размеры передаются на машины, которые производят нужные объекты. Из-за механических погрешностей и потертостей результат может отличаться от цифрового номинала. Чтобы автоматически фиксировать и оценивать эти отклонения, изготавливаемую деталь также необходимо оцифровать. Для этого применяются 3D-сканеры, которые генерируют точечные образцы с поверхности объекта, которые в конечном итоге сравниваются с номинальными данными. [97]
Процесс сравнения 3D-данных с моделью САПР называется CAD-Compare и может быть полезным методом для таких приложений, как определение характера износа форм и оснастки, определение точности окончательной сборки, анализ зазоров и заподлицо или анализ высокой степени износа. сложные рельефные поверхности. В настоящее время лазерные триангуляционные сканеры, структурированный свет и контактное сканирование являются преобладающими технологиями, используемыми в промышленных целях, при этом контактное сканирование остается самым медленным, но в целом наиболее точным вариантом. Тем не менее, технология 3D-сканирования предлагает явные преимущества по сравнению с традиционными измерениями с помощью сенсорного датчика. Сканеры белого света или лазерные сканеры точно оцифровывают объекты вокруг, фиксируя мелкие детали и поверхности произвольной формы без опорных точек и брызг. Вся поверхность покрывается с рекордной скоростью без риска повредить деталь. Графические сравнительные диаграммы иллюстрируют геометрические отклонения всего уровня объекта, обеспечивая более глубокое понимание потенциальных причин. [98] [99]
После того, как данные собраны, полученные (а иногда и уже обработанные) данные с изображений или датчиков необходимо восстановить. Это можно сделать в той же программе, а в некоторых случаях 3D-данные необходимо экспортировать и импортировать в другую программу для дальнейшей обработки и/или добавления дополнительных данных. Такими дополнительными данными могут быть данные GPS-местоположения. После реконструкции данные могут быть непосредственно внедрены в локальную (ГИС) карту [100] [101] или карту мира, такую как Google Earth или Apple Maps .
Используется несколько программных пакетов, в которые импортируются полученные (а иногда и уже обработанные) данные с изображений или датчиков. Известные пакеты программного обеспечения включают: [102]
{{cite web}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite news}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )