3D сканеры: что к чему

Чаще всего потенциальный заказчик сталкивается с тремя вопросами, вызванными недостатком информации – нужен ли ему вообще сканер (очень часто – в этом нет необходимости), какого типа, что делать с данными дальше (сканеры не сделают за вас всю работу магическим образом, они могут только задокументировать действительность, вопрос обработки данных – уже к пользователю).

Давайте попробуем разобраться и просуммировать в краткой форме, что и чем можно и нужно сканировать. Во-первых, разделим сферы применения.

Это промышленность – создание сложных деталей и узлов, например, двигателей, их элементов, кузовов и их элементов и т.д. относительно сложной формы с высокими требованиями по точности (десятки-сотни микрон) и представляющих из себя отдельные объекты (не связанные непосредственно с окружением). Как дополнительное подразделение данного направления – детали типа боковых стенок лифтов или шахт, отличающихся сравнительно простой формой (плоскости), но высокими требованиями по точности. Размеры могут начинаться от 5 сантиметров и доходить до десятков метров.

Еще одно направление промышленности – цеха и производственные помещения со всей технологической составляющей (станки, трубопроводы, конвейеры) в системе. От 50 до 500м, точность – не точнее 5 мм, чаще всего – сантиметры. Это художественный дизайн, скульптура и элементы архитектуры – изделия типа дизайнерских люстр, деталей интерьера, скульптур, барельефов, элементов лепнины. Здесь присутствуют сложные формы с относительно невысокими требованиями по точности (от 0,5мм до 5мм), размерами от 20-30 см до 3-4 метров. Объекты – отдельные. Следующее направление - здания, сооружения, строения не производственного назначения, как внутри (съемка помещений), так и снаружи (фасадная съемка). Присутствующие элементы обстановки не всегда важны, может быть важна инфраструктура типа труб, освещения, стоков, люков и т.д. Размеры от 10м (для отдельных комнат) до 200-300м (для «сборок» внутренних помещений или фасадных съемок). Точности – от 5 мм, чаще всего – сантиметры. Специфическое направление, ставшее востребованным в последнее время – документирование резервуаров и цистерн (для которых установлены специальные требования по контролю состояния и вместимости, например – Госрезерва). Размеры – от 10 до 100м, точности – 1-2мм. Особый формат выходных данных – т.н. градуировочные таблицы. Еще одно специальное применение, касающееся в-первую очередь, государственных структур – быстрая съемка на местах ДТП и преступлений (криминалистика). Чаще всего съемка участка обстановки на улице либо в помещении, не более 30-40м, высокая точность не нужна, однако необходимо присутствие цвета. Требуется специальный формат выходных данных, особенно при расчете баллистики.

И последнее – «геодезическая» съемка – площадей, улиц, элементов транспортных узлов, а так же карьеров, шахт и выработок. Сотни метров с точностью 1-10 см.

Во-вторых, разделим применение на измерения (сравнение того, что вышло, с чертежом или виртуальной моделью) и обратный инжиниринг (создание при помощи существующего физического объекта виртуальной модели или 2D планов в различных форматах).

Теперь рассмотрим основные типы оборудования, которые могут обеспечить 3D сканирование с получением облаков точек с координатами XYZ.

Первое. Это мобильные или стационарные координатные измерительные машины (КИМ) с установленными лазерными полосовыми щупами. Это классический тип измерительного оборудования, отличающийся высокой точностью, известностью среди метрологов, возможностью проводить измерения и контактным способом. Мобильные КИМ отличаются от стационарных меньшей точностью, но могут применяться в сложных цеховых условиях, с перепадами температур и брызгами масла, стационарные же для достижения своей высокой точности требуют отдельных специализированных помещений. В качестве примеров таких систем можно рассмотреть мобильные КИМ типа «рука» FARO Edge, Prime, Fusion с устанавливаемыми сканерами FARO LLP или с высокоточными сканерами Kreon Zephyr, и стационарные КИМ портального типа Coord 3 со сканерами Kreon Zephyr или сверхвысокоточными Kreon Aquilon. Так, КИМ типа Hera NT 10-10-7 со сканером Aquilon обеспечивает в лабораторных условиях точность в бесконтактном режиме 7,5-10,5мкм в зависимости от размера детали (указана суммарняа погрешность). Цеховая мобильная КИМ типа «рука» FARO Prime 4 со сканером Zephyr II позволит проводить измерения с погрешностью системы в 38мкм, оставаясь достаточно неприхотливой к окружающим условиям.

Второе. Это наземные 3D сканеры. Имеют возможность сканирования всей окружающей обстановки на 360 градусов за несколько минут (в зависимости от настроек и типа сканера от 1 минуты до 1,5 часов, наиболее часто – 1-5 минут). Основные типы – фазовые сканеры (относительно небольшого размера и веса, для быстрого сканирования до 300-350м) и импульсные (более тяжелые и сложные системы, медленные, но с большой дальностью, до 2км).

Наиболее удобный вариант для архитектурной съемки и съемки промышленных объектов – именно фазовые сканеры за счет сочетания размеров, оптимального диапазона и скорости сканирования. Обеспечиваемая точность – 1-2мм на 10-20м достаточна для такого диапазона. Сейчас самыми малыми размерами и весом с оптимальными характеристики отличается сканер FARO Focus 3D. Модель FARO Focus X330 обеспечивает измерения на дальности до 330 метров как при полной темноте, так и на солнечном свету, и точность - +/- 2мм на 25м. При этом встроенная беспараллаксная камера позволяет автоматически наложить на полученные облака точек данные о цвете. Указанный сканер так же – самый доступный из сканеров подобного типа и диапазона на рынке на сегодняшний момент (2013г.).

Третье. Мобильные ручные автономные сканеры с использованием принципа структурированного света. Сканирование происходит путем проецирования видимой или невидимой «сетки» на объект и съемки ее отображения на объекте камерой, установленной под определенным углом к проектору. Диапазон света – инфракрасный. Диапазон сканирования – по полю – от 20-30 см до 3-4м, технологии «сшивки» кадров позволяют проводить сканирование больших объектов, например автомобилей, станков, трубопроводов и т.п. Точность – от 50мкм до 1-2мм (зависит от способа оценки – по одному кадру или по сведенному 3D изображению).

Все монтируется в одном небольшом блоке, удерживаемом оператором. Автономные модели обеспечивают возможность работы без ПК, компьютер используется только для последующей обработки данных после завершения сканирования. Пример автономного ручного сканера структурированного света – Mantis-Vision F5. Сканер представляет из себя блок с камерой и проектором и блок с мини-ПК для управления и отслеживания зоны сканирования. Общий вес – менее 4 кг. Сканер позволяет проводить съемку различных объектов без остановки и без подготовки (без расстановки марок). Диапазон сканирования – от 1 до 4 метров с возможностью сшивки данных автоматически. Финальная точность – 1-1,5мм на 1-2м.

И последнее – проведем «привязку» существующих типов сканеров и основных вариантов применения. Составим таблицу согласно вышенаписанным вариантам применения и типам оборудования.

 

Сканер на стационарной КИМ

Сканер на мобильной КИМ

Наземный 3D сканер фазового типа

Ручной сканер структурированного света

Промышленность, объекты относительно сложной формы с высокими требованиями по точности

Подходит в полной мере

Подходит в зависимости от точности

Нет

Частично, зависит от объекта и требуемой точности

Детали, отличающиеся сравнительно простой формой (простые геометрические элементы), но высокими требованиями по точности

Применение не оптимально. Контактный способ предпочтительнее.

Применение не оптимально. Контактный способ предпочтительнее.

Нет

Нет

Цеха и производственные помещения с технологической составляющей

Нет

Нет

Подходит в полной мере

Частично, зависит от объекта

Художественный дизайн, скульптура и элементы архитектуры

Подходит в зависимости от объекта, чаще всего точность избыточна

Частично, зависит от объекта

Частично, зависит от объекта

Подходит в полной мере

Здания, сооружения, строения не производственного назначения, съемка помещений, фасадная съемка

Нет

Нет

Подходит в полной мере

Для отдельных сегментов

Документирование резервуаров и цистерн

Нет

Нет

Подходит в полной мере, со специальным программным обеспечением

Частично, зависит от объекта, со специальным программным обеспечением

Криминалистика и ДТП

Нет

Нет

Да, в полной мере, со специальным программным обеспечением

Частично, зависит от объекта, со специальным программным обеспечением

«Геодезическая» съемка

Нет

Нет

Подходит, при съемке до 300 м

Нет

Специалисты Мастер-Сервис Метролоджи Групп

Мастер-Сервис Метролоджи Групп является группой метрологических компаний, специализирующихся на подборе, поставке, внедрении и сервисе высокоточных систем линейно-угловых измерений. В частности, лазерных сканеров и координатно-измерительных машин компаний FARO, Kreon Technologies, Coord3, Mantis-Vision. Статус официальных дилеров с полной гарантийной и послегарантийной поддержкой позволяет в полной мере решать задачи наших клиентов.