skanowanie 3D

Wykonanie modelu 3D klamry pasa Wikingów za pomocą ręcznego skanera laserowego VIUscan 3D

Skanowanie 3D to proces analizy rzeczywistego obiektu lub środowiska w celu zebrania danych na temat jego kształtu i ewentualnie wyglądu (np. koloru). Zebrane dane mogą być następnie wykorzystane do budowy cyfrowych modeli 3D .

Skaner 3D może opierać się na wielu różnych technologiach, z których każda ma swoje ograniczenia, zalety i koszty. Nadal istnieje wiele ograniczeń w rodzaju obiektów, które można zdigitalizować . Na przykład technologia optyczna może napotkać wiele trudności w przypadku obiektów ciemnych, błyszczących, odblaskowych lub przezroczystych. Na przykład przemysłowa tomografia komputerowa , skanery 3D ze światłem strukturalnym , skanery LiDAR i skanery 3D czasu lotu mogą być wykorzystywane do konstruowania cyfrowych modeli 3D bez przeprowadzania testów destrukcyjnych .

Zebrane dane 3D są przydatne w wielu różnych zastosowaniach. Urządzenia te są szeroko stosowane przez przemysł rozrywkowy przy produkcji filmów i gier wideo, w tym wirtualnej rzeczywistości . Inne powszechne zastosowania tej technologii obejmują rzeczywistość rozszerzoną , przechwytywanie ruchu , rozpoznawanie gestów , mapowanie robotów , projektowanie przemysłowe , ortotykę i protetykę , inżynierię odwrotną i prototypowanie , kontrolę jakości i digitalizację artefaktów kulturowych.

Funkcjonalność

Zadaniem skanera 3D jest zwykle stworzenie modelu 3D . Ten model 3D składa się z siatki wielokątów lub chmury punktów próbek geometrycznych na powierzchni obiektu. Punkty te można następnie wykorzystać do ekstrapolacji kształtu obiektu (proces zwany rekonstrukcją ). Jeśli informacje o kolorze są gromadzone w każdym punkcie, można również określić kolory lub tekstury na powierzchni obiektu.

Skanery 3D mają kilka wspólnych cech z aparatami. Podobnie jak większość aparatów, mają pole widzenia przypominające stożek i podobnie jak aparaty mogą zbierać informacje tylko o powierzchniach, które nie są zasłonięte. Podczas gdy kamera zbiera informacje o kolorach na powierzchniach w swoim polu widzenia , skaner 3D zbiera informacje o odległości na powierzchniach w swoim polu widzenia. „Obraz” utworzony przez skaner 3D opisuje odległość do powierzchni w każdym punkcie obrazu. Pozwala to na identyfikację trójwymiarowej pozycji każdego punktu na obrazie.

W niektórych sytuacjach pojedynczy skan nie da pełnego modelu obiektu. Wielokrotne skanowanie z różnych kierunków jest zwykle pomocne w uzyskaniu informacji o wszystkich stronach obiektu. Skany te muszą zostać wprowadzone do wspólnego systemu odniesienia , w procesie, który zwykle nazywany jest wyrównaniem lub rejestracją , a następnie połączone w celu stworzenia kompletnego modelu 3D. Cały ten proces, przechodzący od pojedynczej mapy zasięgu do całego modelu, jest zwykle znany jako potok skanowania 3D.

Technologia

Istnieje wiele technologii cyfrowego uzyskiwania kształtu obiektu 3D. Techniki działają z większością lub wszystkimi typami czujników, w tym optycznymi, akustycznymi, skanującymi laserami, radarowymi, termicznymi i sejsmicznymi. Ugruntowana klasyfikacja dzieli je na dwa typy: kontaktowe i bezkontaktowe. Rozwiązania bezkontaktowe można dalej podzielić na dwie główne kategorie, aktywne i pasywne. Istnieje wiele technologii należących do każdej z tych kategorii.

Kontakt

maszyna pomiarowa (CMM) z głowicą skanującą

Skanowanie 3D szkieletu płetwala w Muzeum Historii Naturalnej Słowenii (sierpień 2013)

Kontaktowe skanery 3D działają poprzez fizyczne sondowanie (dotykanie) części i rejestrowanie pozycji czujnika, gdy sonda porusza się wokół części.

Istnieją dwa główne rodzaje kontaktowych skanerów 3D:

• Współrzędnościowe maszyny pomiarowe (CMM) , które tradycyjnie mają 3 prostopadłe poruszające się osie z sondą dotykową zamontowaną na osi Z. Gdy sonda dotykowa porusza się wokół części, czujniki na każdej osi rejestrują pozycję w celu wygenerowania współrzędnych XYZ. Nowoczesne maszyny współrzędnościowe to systemy 5-osiowe, z dwiema dodatkowymi osiami zapewnianymi przez obrotowe głowice czujników. WMP to najdokładniejsza forma pomiarów 3D osiągająca mikronową precyzję. Największą zaletą CMM po dokładności jest to, że może pracować w trybie autonomicznym (CNC) lub jako ręczny system pomiarowy. Wadą maszyn współrzędnościowych jest ich koszt początkowy i wiedza techniczna wymagana do ich obsługi.
• Ramiona przegubowe, które zazwyczaj mają wiele segmentów z czujnikami biegunowymi na każdym przegubie. Zgodnie z CMM, gdy przegubowe ramię porusza się wokół części, czujniki rejestrują swoją pozycję, a położenie końca ramienia jest obliczane przy użyciu złożonej matematyki oraz kąta obrotu nadgarstka i kąta zawiasu każdego przegubu. Chociaż zwykle nie są tak dokładne jak maszyny współrzędnościowe, ramiona przegubowe nadal osiągają wysoką dokładność, są tańsze i nieco łatwiejsze w użyciu. Zwykle nie mają opcji CNC.

Zarówno nowoczesne maszyny współrzędnościowe, jak i ramiona przegubowe można również wyposażyć w bezkontaktowe skanery laserowe zamiast sond dotykowych.

Aktywny bezdotykowo

Aktywne skanery emitują pewien rodzaj promieniowania lub światła i wykrywają jego odbicie lub promieniowanie przechodzące przez obiekt w celu zbadania obiektu lub otoczenia. Możliwe rodzaje stosowanych emisji obejmują światło, ultradźwięki lub promieniowanie rentgenowskie.

Czas lotu

Ten skaner lidarowy może być używany do skanowania budynków, formacji skalnych itp. w celu stworzenia modelu 3D. Lidar może skierować wiązkę lasera w szerokim zakresie: jego głowa obraca się w poziomie, lustro obraca się w pionie. Wiązka laserowa służy do pomiaru odległości do pierwszego obiektu na jej drodze.

Skaner laserowy 3D z pomiarem czasu przelotu to aktywny skaner, który wykorzystuje światło lasera do sondowania obiektu. Sercem tego typu skanera jest laserowy dalmierz czasu przelotu . Dalmierz laserowy określa odległość do powierzchni, mierząc czas obiegu impulsu światła w obie strony. Laser jest używany do emitowania impulsu światła i mierzony jest czas, po jakim odbite światło jest widoczne przez detektor. Ponieważ $.$ światła , czas podróży w obie strony określa odległość, jaką przemierza światło, która jest dwukrotnością odległości między skanerem a powierzchnią Jeśli to czas podróży w obie $strony$ , to odległość jest równa do $cdot \! t/2}$ . Dokładność skanera laserowego 3D do pomiaru czasu przelotu zależy od tego, jak dokładnie możemy zmierzyć $przybliżeniu$ : 3,3 pikosekundy (w ) to czas potrzebny światłu na pokonanie 1 milimetra.

Dalmierz laserowy wykrywa odległość tylko jednego punktu w swoim kierunku widzenia. W ten sposób skaner skanuje całe pole widzenia, jeden punkt na raz, zmieniając kierunek widzenia dalmierza, aby skanować różne punkty. Kierunek widzenia dalmierza laserowego można zmienić albo obracając sam dalmierz, albo za pomocą systemu obracających się luster. Ta druga metoda jest powszechnie stosowana, ponieważ lustra są znacznie lżejsze i dzięki temu można je obracać znacznie szybciej iz większą dokładnością. Typowe skanery laserowe 3D z pomiarem czasu przelotu mogą mierzyć odległość od 10 000 do 100 000 punktów na sekundę.

Urządzenia czasu przelotu są również dostępne w konfiguracji 2D. Nazywa się to kamerą czasu przelotu .

Triangulacja

Zasada działania laserowego czujnika triangulacyjnego. Pokazane są dwie pozycje obiektów.

triangulacji są również aktywnymi skanerami, które wykorzystują światło lasera do badania środowiska. W odniesieniu do skanera laserowego 3D z pomiarem czasu przelotu, laser triangulacyjny oświetla obiekt laserem i wykorzystuje kamerę do wyszukiwania lokalizacji kropki laserowej. W zależności od tego, jak daleko laser uderza w powierzchnię, kropka lasera pojawia się w różnych miejscach w polu widzenia kamery. Ta technika nazywa się triangulacją, ponieważ kropka lasera, kamera i emiter lasera tworzą trójkąt. Znana jest długość jednego boku trójkąta, odległość między kamerą a emiterem laserowym. Znany jest również kąt naroża emitera laserowego. Kąt naroża kamery można określić patrząc na położenie plamki lasera w polu widzenia kamery. Te trzy informacje w pełni określają kształt i rozmiar trójkąta oraz podają położenie narożnika trójkąta z kropką laserową. W większości przypadków pasek lasera zamiast pojedynczej kropki jest przesuwany po obiekcie, aby przyspieszyć proces akwizycji. National Research Council of Canada była jednym z pierwszych instytutów, które opracowały technologię skanowania laserowego opartą na triangulacji w 1978 roku.

Mocne i słabe strony

Dalmierze czasu przelotu i triangulacji mają mocne i słabe strony, które czynią je odpowiednimi do różnych sytuacji. Zaletą dalmierzy czasu przelotu jest to, że mogą one działać na bardzo duże odległości, rzędu kilometrów. Skanery te nadają się zatem do skanowania dużych konstrukcji, takich jak budynki lub obiekty geograficzne. Wadą dalmierzy czasu przelotu jest ich dokładność. Ze względu na dużą prędkość światła określenie czasu podróży w obie strony jest trudne, a dokładność pomiaru odległości jest stosunkowo niska, rzędu milimetrów.

Dalmierze triangulacyjne są dokładnie odwrotne. Mają ograniczony zasięg do kilku metrów, ale ich celność jest stosunkowo wysoka. Dokładność dalmierzy triangulacyjnych jest rzędu kilkudziesięciu mikrometrów .

Dokładność skanerów czasu przelotu może zostać utracona, gdy laser uderzy w krawędź obiektu, ponieważ informacje przesyłane z powrotem do skanera pochodzą z dwóch różnych lokalizacji dla jednego impulsu laserowego. Współrzędna względem położenia skanera dla punktu, który dotknął krawędzi obiektu, zostanie obliczona na podstawie średniej, co spowoduje umieszczenie punktu w niewłaściwym miejscu. Podczas skanowania obiektu w wysokiej rozdzielczości zwiększa się prawdopodobieństwo, że wiązka uderzy w krawędź, a wynikowe dane pokażą szum tuż za krawędziami obiektu. Skanery o mniejszej szerokości wiązki pomogą rozwiązać ten problem, ale będą ograniczone zasięgiem, ponieważ szerokość wiązki będzie rosła wraz z odległością. Oprogramowanie może również pomóc, określając, że pierwszy obiekt trafiony wiązką laserową powinien zniwelować drugi.

Przy szybkości 10 000 punktów próbkowania na sekundę skanowanie w niskiej rozdzielczości może zająć mniej niż sekundę, ale skanowanie w wysokiej rozdzielczości, wymagające milionów próbek, może zająć kilka minut w przypadku niektórych skanerów czasu przelotu. Problemem, który to stwarza, jest zniekształcenie spowodowane ruchem. Ponieważ każdy punkt jest próbkowany w innym czasie, każdy ruch obiektu lub skanera zniekształci zebrane dane. Dlatego zwykle konieczne jest zamontowanie zarówno obiektu, jak i skanera na stabilnych platformach i zminimalizowanie wibracji. Używanie tych skanerów do skanowania obiektów w ruchu jest bardzo trudne.

Ostatnio przeprowadzono badania nad kompensacją zniekształceń z niewielkich ilości wibracji i zniekształceń spowodowanych ruchem i/lub obrotem.

Skanery laserowe krótkiego zasięgu zwykle nie mogą objąć głębi ostrości większej niż 1 metr. Podczas skanowania w jednej pozycji przez dowolny czas może wystąpić nieznaczny ruch w pozycji skanera z powodu zmian temperatury. Jeśli skaner jest ustawiony na statywie i po jednej stronie skanera pada silne światło słoneczne, ta strona statywu będzie się rozszerzać i powoli zniekształcać skanowane dane z jednej strony na drugą. Niektóre skanery laserowe mają wbudowane kompensatory poziomu, które przeciwdziałają wszelkim ruchom skanera podczas procesu skanowania.

Holografia konoskopowa

W systemie konoskopowym wiązka laserowa jest rzutowana na powierzchnię, a następnie natychmiastowe odbicie wzdłuż tej samej ścieżki promienia jest przepuszczane przez kryształ konoskopowy i rzutowane na matrycę CCD. Rezultatem jest wzór dyfrakcyjny , który można analizować częstotliwościowo w celu określenia odległości do mierzonej powierzchni. Główną zaletą holografii konoskopowej jest to, że do pomiaru potrzebna jest tylko jedna droga promienia, co daje możliwość pomiaru na przykład głębokości precyzyjnie wywierconego otworu.

Ręczne skanery laserowe

Ręczne skanery laserowe tworzą obraz 3D za pomocą mechanizmu triangulacji opisanego powyżej: kropka lub linia lasera jest rzutowana na obiekt z ręcznego urządzenia, a czujnik (zwykle urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym lub urządzenie czułe na położenie ) mierzy odległość na powierzchnię. Dane są zbierane w odniesieniu do wewnętrznego układu współrzędnych, dlatego aby zbierać dane, gdy skaner jest w ruchu, należy określić położenie skanera. Pozycja może zostać określona przez skaner za pomocą cech referencyjnych na skanowanej powierzchni (zwykle samoprzylepne odblaskowe wypustki, ale naturalne cechy zostały również wykorzystane w pracach badawczych) lub za pomocą zewnętrznej metody śledzenia. Śledzenie zewnętrzne często przybiera formę trackera laserowego (do określania pozycji czujnika) ze zintegrowaną kamerą (do określania orientacji skanera) lub rozwiązania fotogrametrycznego wykorzystującego 3 lub więcej kamer zapewniających pełne sześć stopni swobody skanera. Obie techniki zwykle wykorzystują diody emitujące światło podczerwone przymocowane do skanera, które są widoczne dla kamery (aparatów) przez filtry zapewniające odporność na oświetlenie otoczenia.

Dane są zbierane przez komputer i zapisywane jako punkty danych w przestrzeni trójwymiarowej , a po przetworzeniu można je przekształcić w siatkę trójkątną, a następnie wspomagany komputerowo model projektowy, często jako niejednorodne wymierne powierzchnie B-sklejane. Ręczne skanery laserowe mogą łączyć te dane z pasywnymi czujnikami światła widzialnego – które rejestrują tekstury i kolory powierzchni – w celu zbudowania (lub „ inżynierii wstecznej ”) pełnego modelu 3D.

Światło strukturalne

Główny artykuł: Skaner 3D ze światłem strukturalnym

Skanery 3D wykorzystujące światło strukturalne wyświetlają wzór światła na obiekcie i obserwują odkształcenie wzoru na obiekcie. Wzór jest rzutowany na obiekt za pomocą projektora LCD lub innego stabilnego źródła światła. Kamera, nieznacznie odsunięta od projektora wzorów, patrzy na kształt wzoru i oblicza odległość każdego punktu w polu widzenia.

Skanowanie światłem strukturalnym jest nadal bardzo aktywnym obszarem badań, a każdego roku publikowanych jest wiele artykułów naukowych. Doskonałe mapy okazały się również przydatne jako strukturalne wzorce świetlne, które rozwiązują problem korespondencji i umożliwiają wykrywanie i korygowanie błędów.

Zaletą skanerów 3D ze światłem strukturalnym jest szybkość i precyzja. Zamiast skanować jeden punkt na raz, skanery światła strukturalnego skanują jednocześnie wiele punktów lub całe pole widzenia. Skanowanie całego pola widzenia w ułamku sekundy zmniejsza lub eliminuje problem zniekształceń spowodowanych ruchem. Niektóre istniejące systemy są w stanie skanować poruszające się obiekty w czasie rzeczywistym.

Opracowano skaner działający w czasie rzeczywistym, wykorzystujący cyfrową projekcję prążków i technikę przesunięcia fazowego (niektóre rodzaje metod światła strukturalnego), aby uchwycić, zrekonstruować i renderować szczegóły o dużej gęstości dynamicznie odkształcalnych obiektów (takich jak mimika twarzy) przy 40 klatkach na sekundę drugi. Ostatnio opracowano kolejny skaner. W tym systemie można zastosować różne wzorce, a liczba klatek na sekundę do przechwytywania i przetwarzania danych osiąga 120 klatek na sekundę. Może również skanować pojedyncze powierzchnie, na przykład dwie poruszające się ręce. Wykorzystując binarną technikę rozogniskowania, dokonano przełomu w prędkości, która może osiągnąć setki, a nawet tysiące klatek na sekundę.

Modulowane światło

Skanery 3D z modulowanym światłem oświetlają obiekt nieustannie zmieniającym się światłem. Zwykle źródło światła po prostu zmienia swoją amplitudę w sinusoidalny wzór. Kamera wykrywa odbite światło, a stopień przesunięcia wzoru określa odległość, jaką przebyło światło. Modulowane światło pozwala również skanerowi ignorować światło ze źródeł innych niż laser, więc nie ma zakłóceń.

Techniki wolumetryczne

Medyczny

Tomografia komputerowa (CT) to metoda obrazowania medycznego, która generuje trójwymiarowy obraz wnętrza obiektu z dużej serii dwuwymiarowych zdjęć rentgenowskich, podobnie obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego jest inną techniką obrazowania medycznego, która zapewnia znacznie większy kontrast między różnymi tkankami miękkimi ciała niż tomografia komputerowa (CT), co czyni ją szczególnie przydatną w obrazowaniu neurologicznym (mózg), układu mięśniowo-szkieletowego, sercowo-naczyniowego i onkologicznym (nowotwory). Techniki te tworzą dyskretną reprezentację objętościową 3D , którą można bezpośrednio wizualizować , przetwarzać lub konwertować na tradycyjną powierzchnię 3D za pomocą algorytmów wyodrębniania izopowierzchni .

Przemysłowy

Przemysłowa tomografia komputerowa , mikrotomografia i rezonans magnetyczny , choć najczęściej spotykane w medycynie, są również wykorzystywane w innych dziedzinach do uzyskiwania cyfrowej reprezentacji obiektu i jego wnętrza, takich jak nieniszczące badania materiałów, inżynieria odwrotna czy badanie próbek biologicznych i paleontologicznych.

Bezkontaktowy bierny

Rozwiązania do pasywnego obrazowania 3D same w sobie nie emitują żadnego rodzaju promieniowania, lecz polegają na wykrywaniu odbitego promieniowania otoczenia. Większość rozwiązań tego typu wykrywa światło widzialne, ponieważ jest to łatwo dostępne promieniowanie otoczenia. Można również zastosować inne rodzaje promieniowania, takie jak podczerwień. Metody pasywne mogą być bardzo tanie, ponieważ w większości przypadków nie wymagają specjalnego sprzętu, a jedynie proste aparaty cyfrowe.

• stereoskopowe zwykle wykorzystują dwie kamery wideo, nieco oddalone od siebie, obserwujące tę samą scenę. Analizując niewielkie różnice między obrazami widzianymi przez każdą kamerę, można określić odległość w każdym punkcie na obrazach. Ta metoda opiera się na tych samych zasadach, na których opiera się ludzkie widzenie stereoskopowe .
• fotometryczne zwykle wykorzystują jedną kamerę, ale wykonują wiele zdjęć w różnych warunkach oświetleniowych. Techniki te próbują odwrócić model tworzenia obrazu w celu odzyskania orientacji powierzchni w każdym pikselu.
• sylwetki wykorzystują kontury utworzone z sekwencji fotografii wokół trójwymiarowego obiektu na dobrze skontrastowanym tle. Sylwetki te są wyciągane i przecinane, tworząc wizualne przybliżenie kadłuba obiektu. Przy tych podejściach nie można wykryć niektórych wklęsłości przedmiotu (takich jak wnętrze miski).

Fotogrametryczne bezkontaktowe metody pasywne

Główny artykuł: Fotogrametria

Obrazy wykonane z wielu perspektyw, takich jak stała matryca kamer, mogą zostać zrobione na temat obiektu do potoku rekonstrukcji fotogrametrycznej w celu wygenerowania siatki 3D lub chmury punktów.

Fotogrametria dostarcza wiarygodnych informacji o trójwymiarowych kształtach obiektów fizycznych na podstawie analizy obrazów fotograficznych. Wynikowe dane 3D są zwykle dostarczane jako chmura punktów 3D, siatka 3D lub punkty 3D. Nowoczesne aplikacje fotogrametryczne automatycznie analizują dużą liczbę obrazów cyfrowych w celu rekonstrukcji 3D, jednak może być wymagana ręczna interakcja, jeśli oprogramowanie nie może automatycznie określić pozycji kamery 3D na obrazach, co jest niezbędnym krokiem w procesie rekonstrukcji. Dostępne są różne pakiety oprogramowania, w tym PhotoModeler , Geodetic Systems, Autodesk ReCap , RealityCapture i Agisoft Metashape (patrz porównanie oprogramowania do fotogrametrii ).

• Fotogrametria bliskiego zasięgu zazwyczaj wykorzystuje ręczną kamerę, taką jak lustrzanka cyfrowa z obiektywem o stałej ogniskowej, do robienia zdjęć obiektów do rekonstrukcji 3D. Tematy obejmują mniejsze obiekty, takie jak fasada budynku , pojazdy, rzeźby, skały i buty.
• Macierzy kamer można używać do generowania chmur punktów 3D lub siatek żywych obiektów, takich jak ludzie lub zwierzęta domowe, poprzez synchronizację wielu kamer w celu fotografowania obiektu z wielu perspektyw jednocześnie w celu rekonstrukcji obiektu 3D.
• Fotogrametrii szerokokątnej można używać do rejestrowania wnętrz budynków lub zamkniętych przestrzeni za pomocą kamery z obiektywem szerokokątnym, takiej jak kamera 360 .
• Fotogrametria lotnicza wykorzystuje zdjęcia lotnicze uzyskane przez satelitę, komercyjny samolot lub dron UAV do zbierania obrazów budynków, konstrukcji i terenu w celu rekonstrukcji 3D w chmurze punktów lub siatce.

Akwizycja z pozyskanych danych z czujnika

Możliwa jest również półautomatyczna ekstrakcja budynków z danych lidarowych i obrazów o wysokiej rozdzielczości. Ponownie, to podejście umożliwia modelowanie bez fizycznego przemieszczania się w kierunku lokalizacji lub obiektu. Z lotniczych danych lidarowych można wygenerować cyfrowy model powierzchni (DSM), a następnie obiekty znajdujące się wyżej od ziemi są automatycznie wykrywane przez DSM. W oparciu o ogólną wiedzę o budynkach, cechy geometryczne, takie jak informacje o wielkości, wysokości i kształcie, są następnie wykorzystywane do oddzielenia budynków od innych obiektów. Wyodrębnione kontury budynków są następnie upraszczane przy użyciu algorytmu ortogonalnego w celu uzyskania lepszej jakości kartograficznej. Analizę zlewni można przeprowadzić w celu wyodrębnienia kalenic dachów budynków. Linie kalenicy oraz informacje o nachyleniu służą do klasyfikowania budynków według typu. Budynki są następnie rekonstruowane przy użyciu trzech parametrycznych modeli budynków (płaski, dwuspadowy, czterospadowy).

Akwizycja z czujników na miejscu

Lidar i inne technologie naziemnego skanowania laserowego oferują najszybszy, zautomatyzowany sposób zbierania informacji o wysokości lub odległości. Lidar lub laser do pomiaru wysokości budynków staje się bardzo obiecujący. Komercyjne zastosowania zarówno lotniczej technologii lidarowej, jak i naziemnej technologii skanowania laserowego okazały się szybkimi i dokładnymi metodami określania wysokości budynków. Zadanie wyodrębniania budynków jest potrzebne do określenia lokalizacji budynków, wysokości terenu, orientacji, wielkości budynku, wysokości dachu itp. Większość budynków jest opisana z wystarczającą szczegółowością za pomocą ogólnych wielościanów, tj. ich granice można przedstawić za pomocą zestawu płaskich powierzchni i proste linie. Dalsze przetwarzanie, takie jak wyrażanie obrysów budynków jako wielokątów, jest wykorzystywane do przechowywania danych w bazach danych GIS.

Wykorzystując skany laserowe i obrazy wykonane z poziomu gruntu oraz z lotu ptaka, Fruh i Zakhor przedstawiają podejście do automatycznego tworzenia trójwymiarowych modeli miast z teksturami. Podejście to polega na rejestrowaniu i łączeniu szczegółowych modeli elewacji z komplementarnym modelem lotniczym. Proces modelowania lotniczego generuje model o rozdzielczości pół metra z widokiem z lotu ptaka na cały obszar, zawierający profil terenu i szczyty budynków. Efektem modelowania naziemnego jest szczegółowy model elewacji budynku. Korzystając z DSM uzyskanego z lotniczych skanów laserowych, lokalizują pojazd rejestrujący i rejestrują fasady naziemne w modelu powietrznym za pomocą lokalizacji Monte Carlo (MCL). Na koniec oba modele są łączone z różnymi rozdzielczościami, aby uzyskać model 3D.

Korzystając z pokładowego wysokościomierza laserowego, Haala, Brenner i Anders połączyli dane dotyczące wysokości z istniejącymi planami budynków. Plany budynków zostały już pozyskane albo w formie analogowej za pomocą map i planów, albo cyfrowo w 2D GIS. Projekt został zrealizowany w celu umożliwienia automatycznego pozyskiwania danych poprzez integrację tych różnych rodzajów informacji. Następnie w projekcie generowane są wirtualne modele miast poprzez przetwarzanie tekstur, np. poprzez mapowanie obrazów naziemnych. Projekt wykazał wykonalność szybkiego pozyskiwania miejskiego GIS 3D. Udowodniono, że plany terenu są kolejnym bardzo ważnym źródłem informacji dla trójwymiarowej rekonstrukcji budynków. W porównaniu z wynikami procedur automatycznych te plany naziemne okazały się bardziej wiarygodne, ponieważ zawierają zagregowane informacje, które zostały wyraźnie wyjaśnione przez ludzką interpretację. Z tego powodu plany ziemne mogą znacznie obniżyć koszty w projekcie przebudowy. Przykładem istniejących danych planu terenu, które można wykorzystać przy odbudowie budynków, jest cyfrowa mapa katastralna , która zawiera informacje o rozmieszczeniu nieruchomości, w tym o granicach wszystkich obszarów rolniczych i planach gruntów istniejących budynków. Dodatkowo informacje takie jak nazwy ulic i przeznaczenie budynków (np. garaż, budynek mieszkalny, biurowiec, budynek przemysłowy, kościół) podawane są w postaci symboli tekstowych. Obecnie cyfrowa mapa katastralna jest tworzona jako baza danych obejmująca obszar, składająca się głównie z digitalizacji wcześniej istniejących map lub planów.

Koszt

• Ceny naziemnych urządzeń skanujących (impulsowych lub fazowych) + oprogramowanie przetwarzające zwykle zaczynają się od 150 000 EUR. Niektóre mniej precyzyjne urządzenia (jak Trimble VX) kosztują około 75 000 euro.
• Naziemne systemy lidarowe kosztują około 300 000 euro.
• systemy wykorzystujące zwykłe aparaty fotograficzne zamontowane na helikopterach RC ( fotogrametria ), które kosztują około 25 000 euro. Systemy wykorzystujące aparaty fotograficzne z balonami są jeszcze tańsze (około 2500 EUR), ale wymagają dodatkowej ręcznej obróbki. Ponieważ ręczna obróbka zajmuje około 1 miesiąca pracy na każdy dzień robienia zdjęć, na dłuższą metę jest to nadal drogie rozwiązanie.
• Uzyskanie zdjęć satelitarnych jest również kosztownym przedsięwzięciem. Obrazy stereofoniczne o wysokiej rozdzielczości (rozdzielczość 0,5 m) kosztują około 11 000 euro. Satelity obrazu obejmują Quikbird, Ikonos. Obrazy monoskopowe o wysokiej rozdzielczości kosztują około 5500 euro. Zdjęcia o nieco niższej rozdzielczości (np. z satelity CORONA; o rozdzielczości 2 m) kosztują około 1000 € za 2 zdjęcia. Pamiętaj, że obrazy Google Earth mają zbyt niską rozdzielczość, aby utworzyć dokładny model 3D.

Rekonstrukcja

Główny artykuł: rekonstrukcja 3D

Z chmur punktów

Chmury punktów wytwarzane przez skanery 3D i obrazowanie 3D mogą być bezpośrednio wykorzystywane do pomiarów i wizualizacji w architekturze i budownictwie.

Z modeli

Jednak większość aplikacji używa zamiast tego wielokątnych modeli 3D, modeli powierzchni NURBS lub edytowalnych modeli CAD opartych na cechach (czyli modeli bryłowych ).

• z siatką wielokątną : w wielokątnej reprezentacji kształtu zakrzywiona powierzchnia jest modelowana jako wiele małych płaskich powierzchni fasetowanych (pomyśl o kuli wymodelowanej jako kula dyskotekowa). Modele wielokątów — zwane także modelami siatki, są przydatne do wizualizacji, w przypadku niektórych systemów CAM (tj. obróbki), ale generalnie są „ciężkie” (tj. bardzo duże zbiory danych) iw tej formie stosunkowo nie można ich edytować. Rekonstrukcja do modelu poligonalnego polega na znalezieniu i połączeniu sąsiednich punktów liniami prostymi w celu utworzenia ciągłej powierzchni. Do tego celu dostępnych jest wiele aplikacji, zarówno darmowych, jak i niewolnych (np. GigaMesh , MeshLab , PointCab, kubit PointCloud dla AutoCAD, Reconstructor , imagemodel, PolyWorks, Rapidform, Geomagic , Imageware, Rhino 3D itp.).
• Modele powierzchniowe : kolejny poziom wyrafinowania w modelowaniu polega na użyciu kołdry zakrzywionych łat powierzchni do modelowania kształtu. Mogą to być NURBS, TSplines lub inne zakrzywione reprezentacje zakrzywionej topologii. Używając NURBS, kulisty kształt staje się prawdziwą kulą matematyczną. Niektóre aplikacje oferują ręczne rozmieszczanie poprawek, ale najlepsze w swojej klasie oferują zarówno automatyczne, jak i ręczne rozmieszczanie poprawek. Te łaty mają tę zaletę, że są lżejsze i łatwiejsze w obsłudze po wyeksportowaniu do CAD. Modele powierzchni można w pewnym stopniu edytować, ale tylko w rzeźbiarskim sensie pchania i ciągnięcia w celu odkształcenia powierzchni. Ta reprezentacja dobrze nadaje się do modelowania organicznych i artystycznych kształtów. Do dostawców narzędzi do modelowania powierzchni należą Rapidform, Geomagic , Rhino 3D , Maya, T Splines itp.
• Solidne modele CAD : z perspektywy inżynierii/produkcji ostatecznym odwzorowaniem cyfrowego kształtu jest edytowalny, parametryczny model CAD. W programie CAD kula jest opisana cechami parametrycznymi, które można łatwo edytować poprzez zmianę wartości (np. punktu środkowego i promienia).

Te modele CAD opisują nie tylko obwiednię lub kształt obiektu, ale modele CAD odzwierciedlają również „zamysł projektowy” (tj. cechy krytyczne i ich związek z innymi cechami). Przykładem zamierzeń projektowych, które nie są widoczne w samym kształcie, mogą być śruby mocujące bębna hamulcowego, które muszą być koncentryczne z otworem w środku bębna. Ta wiedza decydowałaby o kolejności i sposobie tworzenia modelu CAD; projektant świadomy tej zależności nie zaprojektowałby śrub z łbem w odniesieniu do średnicy zewnętrznej, ale zamiast tego do środka. Modelarz tworzący model CAD będzie chciał uwzględnić zarówno kształt, jak i założenia projektowe w całym modelu CAD.

Dostawcy oferują różne podejścia do parametrycznego modelu CAD. Niektórzy eksportują powierzchnie NURBS i pozostawiają projektantowi CAD ukończenie modelu w CAD (np. Geomagic , Imageware, Rhino 3D ). Inni wykorzystują dane ze skanu do stworzenia edytowalnego i weryfikowalnego modelu opartego na cechach, który jest importowany do CAD z nienaruszonym pełnym drzewem cech, dając kompletny, natywny model CAD, rejestrujący zarówno kształt, jak i założenia projektowe (np. Geomagic, Rapidform ) . Na przykład rynek oferuje różne wtyczki do uznanych programów CAD, takich jak SolidWorks. Xtract3D, DezignWorks i Geomagic for SolidWorks umożliwiają manipulowanie skanem 3D bezpośrednio w oprogramowaniu SolidWorks . Jeszcze inne aplikacje CAD są wystarczająco solidne, aby manipulować ograniczonymi punktami lub modelami wielokątów w środowisku CAD (np. CATIA , AutoCAD , Revit ).

Z zestawu plasterków 2D

Rekonstrukcja 3D mózgu i gałek ocznych z obrazów DICOM zeskanowanych tomografem komputerowym. Na tym obrazie obszary o gęstości kości lub powietrza zostały uczynione przezroczystymi, a plastry ułożone w przybliżeniu w wolnej przestrzeni. Zewnętrzny pierścień materiału wokół mózgu to tkanki miękkie skóry i mięśni na zewnątrz czaszki. Czarne pudełko otacza plastry, aby zapewnić czarne tło. Ponieważ są to po prostu obrazy 2D ułożone w stos, podczas oglądania na krawędzi plasterki znikają, ponieważ mają faktycznie zerową grubość. Każdy skan DICOM reprezentuje około 5 mm materiału uśrednionego na cienki plasterek.

CT , przemysłowe CT , MRI lub mikro-CT nie tworzą chmur punktów, ale zestaw warstw 2D (każdy określany jako „tomogram”), które są następnie „ułożone razem” w celu uzyskania reprezentacji 3D. Istnieje kilka sposobów, aby to zrobić w zależności od wymaganego wyjścia:

• Renderowanie objętościowe : różne części obiektu mają zwykle różne wartości progowe lub gęstości skali szarości. Na tej podstawie można zbudować trójwymiarowy model i wyświetlić go na ekranie. Można zbudować wiele modeli z różnymi progami, dzięki czemu różne kolory reprezentują każdy składnik obiektu. Renderowanie objętościowe jest zwykle używane tylko do wizualizacji skanowanego obiektu.
• Segmentacja obrazu : tam, gdzie różne struktury mają podobne wartości progowe/skali szarości, oddzielenie ich po prostu przez dostosowanie parametrów renderowania głośności może stać się niemożliwe. Rozwiązaniem jest segmentacja, ręczna lub automatyczna procedura, która może usunąć niechciane struktury z obrazu. Oprogramowanie do segmentacji obrazu zazwyczaj umożliwia eksport segmentowanych struktur w formacie CAD lub STL w celu dalszej obróbki.
• Tworzenie siatki opartej na obrazie : Podczas korzystania z danych obrazu 3D do analizy obliczeniowej (np. CFD i FEA), prosta segmentacja danych i tworzenie siatki z CAD może stać się czasochłonne i praktycznie trudne w przypadku złożonych topologii typowych dla danych obrazu. Rozwiązanie nazywa się siatką opartą na obrazie, zautomatyzowanym procesem generowania dokładnego i realistycznego opisu geometrycznego zeskanowanych danych.

Ze skanów laserowych

Skanowanie laserowe opisuje ogólną metodę próbkowania lub skanowania powierzchni przy użyciu technologii laserowej . Istnieje kilka obszarów zastosowań, które różnią się głównie mocą stosowanych laserów oraz wynikami procesu skanowania. Niska moc lasera jest stosowana, gdy nie trzeba oddziaływać na skanowaną powierzchnię, np. gdy trzeba ją tylko zdigitalizować. konfokalne lub laserowe 3D to metody pozyskiwania informacji o skanowanej powierzchni. Inna aplikacja o niskim poborze mocy wykorzystuje systemy projekcji światła strukturalnego do pomiaru płaskości ogniw słonecznych, umożliwiając obliczanie naprężeń przez ponad 2000 płytek na godzinę.

Moc lasera używana w urządzeniach do skanowania laserowego w zastosowaniach przemysłowych jest zwykle mniejsza niż 1 W. Poziom mocy jest zwykle rzędu 200 mW lub mniej, ale czasami więcej.

Z fotografii

Zobacz też: Fotogrametria

Akwizycję danych 3D i rekonstrukcję obiektów można przeprowadzić przy użyciu par obrazów stereo. Fotogrametria stereo lub fotogrametria oparta na bloku nakładających się obrazów to podstawowe podejście do mapowania 3D i rekonstrukcji obiektów przy użyciu obrazów 2D. Fotogrametria bliskiego zasięgu dojrzała również do poziomu, w którym aparaty fotograficzne lub aparaty cyfrowe mogą być używane do robienia zbliżeń obiektów, np. budynków, i rekonstruowania ich przy użyciu tej samej teorii, co fotogrametria lotnicza. Przykładem oprogramowania, które może to zrobić, jest Vexcel FotoG 5. To oprogramowanie zostało teraz zastąpione przez Vexcel GeoSynth . Innym podobnym programem jest Microsoft Photosynth .

Półautomatyczna metoda pozyskiwania topologicznie ustrukturyzowanych danych 3D z stereofotograficznych obrazów lotniczych 2D została przedstawiona przez Sisi Zlatanova . Proces polega na ręcznej digitalizacji szeregu punktów niezbędnych do automatycznej rekonstrukcji obiektów 3D. Każdy zrekonstruowany obiekt jest weryfikowany przez nałożenie jego grafiki szkieletowej na model stereo. Topologicznie ustrukturyzowane dane 3D są przechowywane w bazie danych i są również wykorzystywane do wizualizacji obiektów. Godne uwagi oprogramowanie używane do pozyskiwania danych 3D przy użyciu obrazów 2D to np. Agisoft Metashape , RealityCapture i ENSAIS Engineering College TIPHON (Traitement d'Image et PHOtogrammétrie Numérique).

Metodę półautomatycznej ekstrakcji budynków wraz z koncepcją przechowywania modeli budynków wraz z terenem i innymi danymi topograficznymi w systemie informacji topograficznej opracował Franz Rottensteiner. Jego podejście opierało się na integracji oszacowań parametrów budynków z procesem fotogrametrycznym z wykorzystaniem schematu modelowania hybrydowego. Budynki są rozkładane na zestaw prostych prymitywów, które są indywidualnie rekonstruowane, a następnie łączone za pomocą operatorów boolowskich. Wewnętrzna struktura danych zarówno prymitywów, jak i złożonych modeli budynków jest oparta na metodach reprezentacji granic

W podejściu Zenga do rekonstrukcji powierzchni z wielu obrazów wykorzystuje się wiele obrazów. Główną ideą jest zbadanie integracji zarówno danych stereo 3D, jak i skalibrowanych obrazów 2D. Podejście to jest motywowane faktem, że tylko solidne i dokładne punkty charakterystyczne, które przetrwały kontrolę geometrii wielu obrazów, są rekonstruowane w przestrzeni. Niedobór gęstości i nieuniknione dziury w danych stereo powinny następnie zostać wypełnione przy użyciu informacji z wielu obrazów. Pomysł polega więc na tym, aby najpierw skonstruować małe płaty powierzchni z punktów stereo, a następnie stopniowo propagować tylko niezawodne łaty w ich sąsiedztwie z obrazów na całą powierzchnię przy użyciu strategii najlepszego pierwszego. Problem sprowadza się zatem do poszukiwania optymalnego lokalnego fragmentu powierzchni przechodzącego przez dany zestaw punktów stereo z obrazów.

Obrazy wielospektralne są również wykorzystywane do wykrywania budynków 3D. W procesie wykorzystywane są dane pierwszego i ostatniego impulsu oraz znormalizowany różnicowy wskaźnik wegetacji.

Nowe techniki pomiarowe są również wykorzystywane do uzyskiwania pomiarów obiektów i pomiędzy obiektami z pojedynczych obrazów za pomocą projekcji lub cienia, a także ich kombinacji. Ta technologia zyskuje na popularności ze względu na szybki czas przetwarzania i znacznie niższy koszt niż pomiary stereo.

Aplikacje

Eksperymenty kosmiczne

Technologia skanowania 3D została wykorzystana do skanowania skał kosmicznych dla Europejskiej Agencji Kosmicznej .

Budownictwo i inżynieria lądowa

• Sterowanie robotem : np. skaner laserowy może działać jako „oko” robota.
• Rysunki powykonawcze mostów, zakładów przemysłowych i pomników
• Dokumentacja miejsc historycznych
• Modelowanie i rozplanowanie terenu
• Kontrola jakości
• Ankiety ilościowe
• Monitorowanie ładunku
• Przeprojektowanie autostrady
• Ustalenie wzorca istniejącego kształtu/stanu w celu wykrycia zmian konstrukcyjnych wynikających z narażenia na ekstremalne obciążenia, takie jak trzęsienie ziemi, uderzenie statku/ciężarówki lub pożar.
• Tworzenie map GIS ( system informacji geograficznej ) i geomatyki .
• Podpowierzchniowe skanowanie laserowe w kopalniach i wyrobiskach krasowych .
• Dokumentacja kryminalistyczna

Proces projektowania

• Zwiększenie dokładności pracy ze złożonymi częściami i kształtami,
• Koordynacja projektowania produktów przy użyciu części z wielu źródeł,
• Aktualizowanie starych skanów płyt CD z nowszymi technologiami,
• Wymiana brakujących lub starszych części,
• Tworzenie oszczędności kosztowych poprzez umożliwienie usług projektowania powykonawczego, np. w zakładach przemysłu motoryzacyjnego,
• „Przekazywanie instalacji inżynierom” za pomocą udostępnianych w sieci skanów i
• Oszczędność kosztów podróży.

Rozrywka

Skanery 3D są używane przez przemysł rozrywkowy do tworzenia cyfrowych modeli 3D do filmów , gier wideo i do celów rekreacyjnych. Są one intensywnie wykorzystywane w kinematografii wirtualnej . W przypadkach, gdy istnieje odpowiednik modelu w świecie rzeczywistym, skanowanie obiektu w świecie rzeczywistym jest znacznie szybsze niż ręczne tworzenie modelu za pomocą oprogramowania do modelowania 3D. Często artyści rzeźbią fizyczne modele tego, co chcą i skanują je do postaci cyfrowej, zamiast bezpośrednio tworzyć cyfrowe modele na komputerze.

Fotografia 3D

Selfie 3D w skali 1:20 wydrukowane przez Shapeways przy użyciu druku na bazie gipsu, stworzone przez park miniatur Madurodam ze zdjęć 2D wykonanych w fotobudce Fantasitron

Fotobudka Fantasitron 3D w Madurodamie

Skanery 3D ewoluują pod kątem użycia kamer do dokładnego przedstawiania obiektów 3D. Od 2010 roku powstają firmy, które tworzą trójwymiarowe portrety ludzi (figurki 3D lub selfie 3D ).

Menu rzeczywistości rozszerzonej dla madryckiej sieci restauracji 80 Degrees

Egzekwowanie prawa

Ze skanowania laserowego 3D korzystają organy ścigania na całym świecie. Modele 3D służą do dokumentacji na miejscu:

• Miejsce zbrodni
• Trajektorie pocisków
• Analiza wzoru plamy krwi
• Rekonstrukcja wypadku
• Bombardowania
• Katastrofy lotnicze i nie tylko

Inżynieria odwrotna

Inżynieria odwrotna komponentu mechanicznego wymaga precyzyjnego cyfrowego modelu obiektów, które mają zostać odtworzone. Zamiast zestawu punktów precyzyjny model cyfrowy może być reprezentowany przez siatkę wielokątów , zestaw płaskich lub zakrzywionych powierzchni NURBS lub, idealnie w przypadku elementów mechanicznych, model bryłowy CAD. Skaner 3D może być używany do digitalizacji elementów o dowolnym kształcie lub stopniowo zmieniających się kształtach, a także geometrii pryzmatycznych, podczas gdy współrzędnościowa maszyna pomiarowa jest zwykle używana tylko do określania prostych wymiarów wysoce pryzmatycznego modelu. Te punkty danych są następnie przetwarzane w celu stworzenia użytecznego modelu cyfrowego, zwykle przy użyciu specjalistycznego oprogramowania do inżynierii wstecznej.

Nieruchomość

Grunt lub budynki można zeskanować do modelu 3D, co pozwala kupującym zwiedzać i sprawdzać nieruchomość zdalnie, w dowolnym miejscu, bez konieczności obecności w nieruchomości. Istnieje już co najmniej jedna firma oferująca wirtualne wycieczki po nieruchomościach ze skanem 3D. Typowa wirtualna wycieczka zarchiwizowana 2017-04-27 w Wayback Machine składałaby się z widoku domku dla lalek, widoku wnętrza oraz planu piętra.

Turystyka wirtualna/zdalna

Środowisko w interesującym miejscu można uchwycić i przekształcić w model 3D. Model ten może być następnie eksplorowany przez publiczność za pośrednictwem interfejsu VR lub tradycyjnego interfejsu „2D”. Dzięki temu użytkownik może eksplorować miejsca, które są niewygodne w podróży. Grupa studentów historii z Vancouver iTech Preparatory Middle School stworzyła Wirtualne Muzeum poprzez skanowanie 3D ponad 100 artefaktów.

Dziedzictwo kulturowe

Podjęto wiele projektów badawczych poprzez skanowanie historycznych miejsc i artefaktów, zarówno w celach dokumentacyjnych, jak i analitycznych. Powstałe modele mogą być wykorzystywane do różnych podejść analitycznych.

Połączone wykorzystanie technologii skanowania 3D i drukowania 3D umożliwia replikację rzeczywistych obiektów bez użycia tradycyjnych technik odlewania gipsu , które w wielu przypadkach mogą być zbyt inwazyjne , aby można je było wykonać na cennych lub delikatnych artefaktach dziedzictwa kulturowego. W przykładzie typowego scenariusza aplikacji gargulca został uzyskany cyfrowo za pomocą skanera 3D, a uzyskane dane 3D zostały przetworzone za pomocą MeshLab . Powstały cyfrowy model 3D został wprowadzony do maszyny do szybkiego prototypowania , aby stworzyć prawdziwą żywiczną replikę oryginalnego obiektu.

Tworzenie modeli 3D muzeów i artefaktów archeologicznych

Michał Anioł

W 1999 roku dwie różne grupy badawcze zaczęły skanować posągi Michała Anioła. Uniwersytet Stanford wraz z grupą kierowaną przez Marca Levoya wykorzystał niestandardowy laserowy skaner triangulacyjny zbudowany przez Cyberware do skanowania posągów Michała Anioła we Florencji, w szczególności Dawida , Prigioni i czterech posągów w Kaplicy Medyceuszy. Skany dały gęstość punktów danych wynoszącą jedną próbkę na 0,25 mm, wystarczająco szczegółową, aby zobaczyć ślady dłuta Michała Anioła. Te szczegółowe skany wygenerowały dużą ilość danych (do 32 gigabajtów), a przetwarzanie danych z jego skanów zajęło 5 miesięcy. Mniej więcej w tym samym okresie grupa badawcza IBM , kierowana przez H. Rushmeiera i F. Bernardiniego, zeskanowała Pietę z Florencji , uzyskując zarówno szczegóły geometryczne, jak i kolorystyczne. Model cyfrowy, będący wynikiem kampanii skanowania w Stanford, został dokładnie wykorzystany podczas późniejszej renowacji posągu w 2004 roku.

Monticello

W 2002 roku David Luebke i in. przejrzał Monticello Thomasa Jeffersona. Zastosowano komercyjny skaner laserowy czasu lotu, DeltaSphere 3000. Dane ze skanera zostały później połączone z danymi dotyczącymi kolorów ze zdjęć cyfrowych, aby stworzyć Virtual Monticello i wystawy Gabinetu Jeffersona w New Orleans Museum of Art w 2003 roku. Wystawa Virtual Monticello symulowała okno z widokiem na Bibliotekę Jeffersona. Eksponat składał się z tylnej projekcji na ścianie i pary okularów stereo dla widza. Okulary w połączeniu z spolaryzowanymi projektorami dały efekt 3D. Sprzęt śledzący pozycję na okularach umożliwił dostosowanie wyświetlacza do ruchu widza, tworząc złudzenie, że wyświetlacz jest w rzeczywistości dziurą w ścianie z widokiem na Bibliotekę Jeffersona. Eksponat Gabinetu Jeffersona był stereogramem barierowym (zasadniczo nieaktywnym hologramem, który wygląda inaczej pod różnymi kątami) Gabinetu Jeffersona.

Tabliczki klinowe

Pierwsze modele 3D tabliczek klinowych zostały pozyskane w Niemczech w 2000 r. W 2003 r. W ramach tak zwanego projektu Digital Hammurabi nabyto tabliczki klinowe z laserowym skanerem triangulacyjnym wykorzystującym regularny wzór siatki o rozdzielczości 0,025 mm (0,00098 cala). Dzięki zastosowaniu skanerów 3D o wysokiej rozdzielczości przez Uniwersytet w Heidelbergu do zakupu tabletów w 2009 roku, rozwój GigaMesh Software Framework rozpoczął wizualizację i wyodrębnianie znaków klinowych z modeli 3D. Wykorzystano go do przetworzenia ok. 2.000 zdigitalizowanych tabletów 3D z Hilprecht Collection w Jenie w celu stworzenia zestawu danych porównawczych Open Access oraz opatrzonej adnotacjami kolekcji modeli 3D tabletów dostępnych bezpłatnie na licencjach CC BY .

Grobowce Kasubi

CyArk z 2009 roku w historycznych grobowcach Kasubi w Ugandzie , wpisanym na Listę Światowego Dziedzictwa UNESCO , przy użyciu Leica HDS 4500, stworzył szczegółowe modele architektoniczne Muzibu Azaala Mpanga, głównego budynku kompleksu i grobowca Kabaków ( królów) Ugandy. Pożar, który miał miejsce 16 marca 2010 r., spalił znaczną część struktury Muzibu Azaala Mpanga, a prace rekonstrukcyjne prawdopodobnie będą w dużej mierze opierać się na zbiorze danych wyprodukowanym przez misję skanowania 3D.

„Plastico di Roma antica”

W 2005 roku Gabriele Guidi i in. zeskanował „Plastico di Roma antica”, model Rzymu stworzony w ubiegłym stuleciu. Ani metoda triangulacji, ani metoda czasu lotu nie spełniały wymagań tego projektu, ponieważ obiekt do zeskanowania był zarówno duży, jak i zawierał drobne szczegóły. Odkryli jednak, że modulowany skaner światła był w stanie zapewnić zarówno możliwość skanowania obiektu wielkości modelu, jak i wymaganą dokładność. Skaner światła modulowanego został uzupełniony o skaner triangulacyjny, który posłużył do zeskanowania niektórych fragmentów modelu.

Inne projekty

Projekt 3D Encounters w Petrie Museum of Egyptian Archaeology ma na celu wykorzystanie skanowania laserowego 3D do stworzenia wysokiej jakości biblioteki obrazów 3D artefaktów i umożliwienia cyfrowych wystaw objazdowych delikatnych artefaktów egipskich . szereg zastosowań do pozyskiwania danych archeologicznych i dotyczących stanu, a Narodowe Centrum Konserwatorskie w Liverpoolu wykonało również na zamówienie skany laserowe 3D, w tym skany obiektów przenośnych i skany in situ stanowisk archeologicznych. Smithsonian Institution ma projekt o nazwie Smithsonian X 3D , wyróżniający się szeroką gamą typów obiektów 3D, które próbują skanować. Należą do nich małe obiekty, takie jak owady i kwiaty, obiekty wielkości człowieka, takie jak kombinezon lotniczy Amelii Earhart , obiekty wielkości pokoju, takie jak kanonierka Filadelfia , oraz miejsca historyczne, takie jak Liang Bua w Indonezji. Warto również zauważyć, że dane z tych skanów są udostępniane publicznie bezpłatnie i do pobrania w kilku formatach danych.

Medyczny CAD/CAM

Skanery 3D są używane do rejestrowania trójwymiarowego kształtu pacjenta w ortotyce i stomatologii . Stopniowo zastępuje uciążliwy gips. Oprogramowanie CAD/CAM jest następnie wykorzystywane do projektowania i wytwarzania ortez , protez lub implantów dentystycznych .

Wiele dentystycznych systemów CAD/CAM firmy Chairside oraz systemów CAD/CAM laboratorium dentystycznego wykorzystuje technologie skanerów 3D do rejestrowania trójwymiarowej powierzchni preparacji dentystycznej ( in vivo lub in vitro ), w celu cyfrowego wykonania odbudowy za pomocą oprogramowania CAD i ostatecznego wytworzenia odbudowa końcowa z wykorzystaniem technologii CAM (np. frezarka CNC, drukarka 3D). Systemy gabinetowe zostały zaprojektowane w celu ułatwienia skanowania 3D preparacji in vivo i wykonania odbudowy (takiej jak korona, onlay, inlay lub licówka).

Tworzenie modeli 3D do nauczania anatomii i biologii oraz modeli zwłok do edukacyjnych symulacji neurochirurgicznych .

Zapewnienie jakości i metrologia przemysłowa

Cyfryzacja rzeczywistych obiektów ma kluczowe znaczenie w różnych dziedzinach zastosowań. Ta metoda jest szczególnie stosowana w zapewnianiu jakości w przemyśle do pomiaru dokładności wymiarów geometrycznych. Procesy przemysłowe, takie jak montaż, są złożone, wysoce zautomatyzowane i zwykle oparte na danych CAD (projektowanie wspomagane komputerowo). Problem polega na tym, że ten sam stopień automatyzacji jest wymagany również do zapewnienia jakości. Bardzo złożonym zadaniem jest na przykład złożenie nowoczesnego samochodu, ponieważ składa się on z wielu części, które muszą do siebie pasować na samym końcu linii produkcyjnej. Optymalne wykonanie tego procesu gwarantują systemy zapewnienia jakości. W szczególności należy sprawdzić geometrię części metalowych, aby mieć pewność, że mają odpowiednie wymiary, pasują do siebie i ostatecznie działają niezawodnie.

W ramach wysoce zautomatyzowanych procesów uzyskane miary geometryczne są przekazywane do maszyn, które wytwarzają pożądane przedmioty. Ze względu na mechaniczne niepewności i otarcia wynik może różnić się od jego cyfrowej wartości nominalnej. Aby automatycznie uchwycić i ocenić te odchylenia, wyprodukowana część musi być również zdigitalizowana. W tym celu wykorzystuje się skanery 3D do generowania próbek punktowych z powierzchni obiektu, które ostatecznie porównuje się z danymi nominalnymi.

Proces porównywania danych 3D z modelem CAD jest określany mianem CAD-Compare i może być użyteczną techniką w takich zastosowaniach, jak określanie wzorców zużycia form i narzędzi, określanie dokładności ostatecznej konstrukcji, analiza szczelin i równoległości lub analiza wysoce złożone rzeźbione powierzchnie. Obecnie dominującymi technologiami wykorzystywanymi do celów przemysłowych są laserowe skanery triangulacyjne, światło strukturalne i skanowanie kontaktowe, przy czym skanowanie kontaktowe pozostaje najwolniejszą, ale ogólnie najdokładniejszą opcją. Niemniej jednak technologia skanowania 3D oferuje wyraźne korzyści w porównaniu z tradycyjnymi pomiarami za pomocą sondy dotykowej. Skanery wykorzystujące światło białe lub skanery laserowe dokładnie digitalizują obiekty dookoła, wychwytując drobne szczegóły i powierzchnie o dowolnym kształcie bez punktów odniesienia i rozprysków. Cała powierzchnia jest pokrywana z rekordową prędkością bez ryzyka uszkodzenia części. Graficzne wykresy porównawcze ilustrują odchylenia geometryczne na poziomie całego obiektu, zapewniając głębszy wgląd w potencjalne przyczyny.

Obejście kosztów wysyłki i międzynarodowych taryf importowych/eksportowych

Skanowanie 3D może być wykorzystywane w połączeniu z technologią druku 3D do wirtualnego teleportowania określonych obiektów na duże odległości bez konieczności ich wysyłki, aw niektórych przypadkach ponoszenia opłat importowych/eksportowych. Na przykład plastikowy przedmiot można zeskanować w 3D w Stanach Zjednoczonych, pliki można wysłać do zakładu druku 3D w Niemczech, gdzie obiekt jest replikowany, skutecznie teleportując obiekt na całym świecie. W przyszłości, gdy technologie skanowania 3D i drukowania 3D staną się coraz bardziej rozpowszechnione, rządy na całym świecie będą musiały ponownie rozważyć i przeredagować umowy handlowe i prawa międzynarodowe.

Rekonstrukcja obiektu

Główny artykuł: rekonstrukcja 3D

Zobacz też: Rekonstrukcja 3D z wielu obrazów

Po zebraniu danych konieczne jest zrekonstruowanie pozyskanych (a czasem już przetworzonych) danych z obrazów lub sensorów. Można to zrobić w tym samym programie lub w niektórych przypadkach dane 3D należy wyeksportować i zaimportować do innego programu w celu dalszego udoskonalenia i/lub dodania dodatkowych danych. Takimi dodatkowymi danymi mogą być dane lokalizacyjne GPS, ... Ponadto po rekonstrukcji dane mogą zostać bezpośrednio zaimplementowane na mapie lokalnej (GIS) lub mapie świata, takiej jak Google Earth .

Oprogramowanie

Wykorzystuje się kilka pakietów oprogramowania, w których importowane są pozyskane (a czasem już przetworzone) dane z obrazów lub czujników. Godne uwagi pakiety oprogramowania obejmują:

• Qlone
• Zefir 3DF
• Canoma
• Pakiet fotogrametryczny Leica
• MeshLab
• MountainsMap SEM (tylko aplikacje do mikroskopii)
• Fotomodeler
• SketchUp
• tomwiz

Zobacz też

• Oprogramowanie do grafiki komputerowej 3D
• drukowanie 3d
• Rekonstrukcja 3D
• selfie 3D
• Piksel wrażliwy na kąt
• Mapa głębi
• Cyfryzacja
• Geometria epipolarna
• Skaner całego ciała
• Rekonstrukcja obrazu
• Kamera pola świetlnego
• Fotogrametria
• Obrazowanie zasięgu
• Zdalne wykrywanie
• Skaner 3D ze światłem strukturalnym
• Thingiverse