Технология 3D-сканирования становится важнейшим аспектом инженерного проектирования и моделирования, но как простой датчик может создать точную 3D-модель?

3D-сканеры можно использовать для создания CAD-моделей помещений, деталей, компонентов и даже людей. Для многих компаний 3D-сканер стал столь же важным в их бизнесе, как и их инженерное программное обеспечение. В качестве 3D-сканера можно использовать любое устройство с датчиком изображения или света и некоторыми технологиями позиционирования.

Что делают 3D-сканеры?

Эти устройства, часто телефоны или планшеты, по сути, измеряют объекты в окружающем мире с помощью лазеров или изображений для создания высокоплотных облаков точек или многоугольных сеток, которые можно преобразовать в файл, совместимый с САПР. Теоретически это звучит просто — просто наведите камеру или датчик по комнате, и 3D-файл будет создан — однако есть причина, по которой эта технология только начинает развиваться в отрасли, поэтому давайте рассмотрим технические аспекты того, что делает это возможным.

Мощность обработки — ключ к тому, что делает возможными современные 3D-сканеры. На протяжении большей части века современных технологий у нас была возможность или, скорее, знания для создания 3D-сканеров. Проблема всегда заключалась в том, что объем вычислительной мощности, необходимой для создания высокоточных и плотных облаков точек физического мира, превышал возможный.

В последнее время мы наблюдаем более широкое распространение этой технологии, потому что теперь вы держите всю технологию обработки прямо в кармане. В настоящее время существует множество мобильных приложений, которые могут превратить ваше устройство в 3D-сканер; быстрый поиск в Google даст много ресурсов.

Для более сложных инженерных приложений обычно требуются специальные машины для использования лазеров и точного глобального позиционирования. В этих тонкостях существуют разные типы 3D-сканеров для разных приложений: ближнего, среднего и дальнего действия.

Технология ближнего лазерного сканирования

Лазерные сканеры ближнего действия обычно имеют глубину резкости менее одного метра. Обычно они используют системы лазерной триангуляции, которые включают источник и датчик. Другими словами, источник размещается в известном месте, а датчик — в другом известном месте. Затем источник выстреливает лазером на наблюдаемый объект, и датчик получает свет в известной точке.

Используя простую геометрию, можно создать точку в трехмерной решетке. Повторите этот процесс, и можно будет создать сложное облако точек . Другая лазерная система ближнего действия, использующая триангуляцию, известна как сканер структурированного света. Вместо того, чтобы стрелять одним лазером по объекту и наблюдать за местом отражения, эти сканеры используют серию линейных световых паттернов для построения карты объекта. Наблюдая за тем, как линейные световые пути отклоняются от объекта, программа может выполнить триангуляцию сканирования облака точек.

Средне- и дальнее лазерное сканирование

Для работы систем сканирования среднего и дальнего действия требуется немного отличающаяся технология формирования изображений. Обычно они используют систему на основе лазерных импульсов, известную как времяпролетные сканеры. В этих системах используются высокоточные измерительные системы для регистрации времени полета лазера до объекта и возврата с точностью до пикосекунды.

Благодаря использованию зеркал, вращающихся на 360˚, эти системы могут быстро и легко создавать высокоточные модели объекта. Другой небольшой вариант этих систем времени полета использует технологию фазового сдвига. Не вдаваясь в подробности физики, эти системы модулируют мощность и амплитуду лазерной волны и отслеживают изменение фазы для получения более точных трехмерных изображений.

Лазерные сканеры , вероятно, всегда будут более точными, чем сканеры с датчиками изображения, которые в настоящее время доступны на мобильных платформах. Однако для многих приложений, таких как съемка зданий и архитектурное моделирование, эти датчики изображения могут выполнять сканирование с необходимой степенью точности.

3D сканирование в строительстве

Технологии 3D-сканирования также оказались полезными вне простой разработки продукта. Фактически, во многих отношениях 3D-сканирование в строительных приложениях вышло на передний план среди вариантов использования этой новой технологии.

Трехмерные измерения в существующих зданиях могут обеспечить высокоточные облака точек для планирования и строительства. Например, если вам нужно спроектировать систему воздуховодов в существующем здании, 3D-сканирование здания позволит вам с легкостью спроектировать эту систему в САПР. Старая альтернатива заключалась в просмотре чертежей или посещении объекта и измерении фактических размеров.

Генеральные подрядчики также могут использовать лазерное сканирование, чтобы убедиться, что окончательный строительный проект соответствует первоначальным планам с высокой степенью точности. Сделав сканирование завершенного здания, можно легко сопоставить полученную модель с исходным проектом САПР.

Ключевым показателем, который следует здесь отметить, является то, что 3D-сканирование может выполняться на разных этапах строительного проекта. Примерно 15%  каждого строительного проекта — это переработка того, что было построено неправильно. Это может кого-то удивить, но это довольно типично, если учесть масштабность этих проектов.

Трехмерное сканирование на протяжении всего процесса позволяет генеральным подрядчикам проверять точность строительства на этапе строительства , предотвращая примерно от 1 до 3% процесса переделки.

Хотя это может показаться несущественным, эти цифры относятся к общей задаче строительства. Таким образом, от 1 до 3%  от многомиллионного строительного проекта — это значительная сумма денег — благодаря ей лазерное сканирование и связанные с этим затраты быстро окупаются.

Благодаря интеграции с программным обеспечением для моделирования, 3D-сканирование позволяет создавать имитационные модели реального компонента, а не САПР. По мере того, как эти технологии сканирования продолжают развиваться, мы, вероятно, увидим их более глубокую интеграцию в инженерные операции, что, возможно, поможет использовать технологии Интернета вещей и обратную связь между измерениями в реальном времени.