Источники света для ручного 3D-сканера: лазерные линии vs структурированный свет vs инфракрасный свет

April 12, 2023

Share on facebook
Share on twitter

Ручные 3D-сканеры обычно относятся к одной из трех категорий: лазерные, со структурированным светом или инфракрасные. Но каковы основные различия между этими технологиями?

Введение

Ручные 3D-сканеры подходят для широкого спектра применений. Благодаря своей портативности и универсальности, эти компактные устройства могут использоваться для сканирования разнообразных объектов, таких как транспортные средства, археологические объекты на открытом воздухе и даже люди.

Поскольку у ручных сканеров так много потенциальных применений, рынок 3D-сканирования и метрологии сейчас полон различных вариантов для покупателей. Модели варьируются от начального уровня до профессиональных, и покупатели часто могут найти сканеры с функциями, адаптированными к их собственной сфере деятельности. При этом портативность не означает компромисс в качестве: многие портативные сканеры могут превосходить по качеству статичные или настольные аналоги.

Важно отметить, что не все портативные 3D-сканеры работают одинаково. Фактически, технология источника света в сканерах может полностью отличаться от одной модели к другой. Некоторые сканеры используют лазерные линии для захвата 3D-данных, другие – проекции структурированного света, а небольшое количество продуктов использует невидимый инфракрасный свет для решения конкретных задач сканирования.

В этой статье рассматриваются различия между тремя основными типами активных бесконтактных технологий сканирования для ручных 3D-сканеров, обсуждаются некоторые из наиболее значимых преимуществ, недостатков и областей применения каждой из них.

Ручные лазерные 3D-сканеры

Примеры продуктов: FreeScan UE, FreeScan UE Pro, FreeScan Combo

Лазерное 3D-сканирование использует технику, называемую триангуляцией. Такие сканеры направляют лазерный свет (обычно красный или синий) на сканируемый объект, создавая лазерную точку на поверхности объекта, а камера или датчик, расположенный на фиксированном расстоянии от лазерного излучателя, фиксирует местоположение лазерной точки. Камера, излучатель и лазерная точка образуют треугольник.

Лазерная точка будет появляться в разных областях поля зрения камеры в зависимости от того, насколько далеко поверхность сканируемого объекта находится от лазерного излучателя. Сканер может рассчитать это расстояние на основе относительного положения и угла лазерного излучателя и камеры, и после получения достаточного количества данных сканирования можно определить геометрию всей поверхности сканируемого объекта.

В ручных лазерных сканерах сканер также должен быть способен определять свое местоположение (поскольку он постоянно перемещается оператором). Это может быть достигнуто с помощью внутренней или внешней системы слежения.

Лазерные сканеры, такие как промышленный FreeScan UE Pro компании SHINING 3D, часто предпочитают другим технологиям из-за возможности их использования в различных условиях и на объектах с различной текстурой поверхности. Это объясняется тем, что лазерные линии ярче, чем проекции структурированного света.

Преимущества:

  • Лазерные линии ярче, чем структурированный свет, при лазерном сканировании нет строгих требований к окружающему освещению, что делает лазерные сканеры лучшими для сканирования в ярких средах, в том числе на открытом воздухе. Но на открытом воздухе и лазерным линиям нужно избегать сильных прямых солнечных лучей.
  • Лучше, чем структурированный свет, захватывают темные или отражающие поверхности.
  • Лазерные сканеры более стабильны и как следствие высокая точность и четкость полученных данных. 

Недостатки:

  • Как правило, не могут захватывать цвет, если только это не гибридные сканеры
  • Структурный свет более безопасен для глаз.
  • Дороже, чем другие технологии

Общие области применения:

  • Обратное проектирование
  • Промышленное обслуживание и ремонт
  • Контроль качества
  • Научные исследования
  • Наружное сканирование в таких областях, как архитектура, археология и естественные науки

Читайте подробный “Обзор 3D-сканера FreeScan UE Pro”.

Также представляем вам новинку 2023 года – лазерный метрологический 3D-сканер FreeScan Combo. Для сканирования объектов сканер использует два источника света – синий лазер и инфракрасный VCSEL. Существует портативный метрологический сканер, который имеет четыре режима работы: многострочное сканирование, одно линейное сканирование, сканирование тонких стенок и инфракрасное сканирование. Метрологическая точность в режиме лазерного сканирования может достигать до 0,02 мм.

Ручные 3D-сканеры со структурированным светом

Примеры продуктов: EinScan Pro HD, EinScan Pro 2X 2020

3D-сканирование со структурированным светом работает иначе, чем лазерное сканирование. При использовании этой технологии сканирования устройство проецирует узкие полосы света на поверхность сканируемого объекта. Эти полосы обычно представляют собой наборы параллельных линий или другие узоры.

Как и в других типах технологии сканирования, при сканировании структурированным светом используется одна или несколько камер, расположенных на небольшом расстоянии от источника света. Роль камеры заключается в захвате проецируемых световых картин при их попадании на поверхность сканируемого объекта: объектив камеры будет видеть наборы линий деформированными (вытянутыми, расширенными, изогнутыми, ближе или дальше друг от друга и т.д.) в зависимости от формы поверхности объекта. Используя последовательность вычислений, сканер может использовать деформированные линии света для определения местоположения, размера и формы сканируемого объекта.

Источник света для сканера структурированного света обычно излучает белый свет или синий светодиодный свет, поскольку этот вид света можно контролировать с высокой степенью точности. Сканеры со структурированным светом обычно не имеют систем отслеживания, вместо этого они используют маркеры на сканируемом объекте, которые помогают программному обеспечению распознать, где различные снимки накладываются друг на друга.

Ручные 3D-сканеры со структурированным светом очень универсальны, а некоторые модели, например, EinScan Pro HD от SHINING 3D, могут предлагать цветное сканирование, что открывает ряд возможностей. Однако сканеры со структурированным светом не рекомендуется использовать в ярком окружении, поскольку камера будет с трудом распознавать полосы света, если присутствуют другие источники света.

Однако сканеры со структурированным светом не рекомендуется использовать на открытом воздухе. На воздухе свет не равномерно распределен, что приведет к плохому результату сканирования.
Чтобы получить хорошие результаты рекомендуется сканировать в помещении, так как освещение будет распределяться более равномерно.

Преимущества:

  • Съемка может быть быстрее, чем при использовании других технологий сканирования
  • Аппаратное обеспечение дешевле, чем у других технологий
  • Улавливает минимальный шум, повышая точность сканирования
  • Более безопасен для глаз и в целом для сканирования человека.
  • Эффективный захват текстур.

Недостатки:

  • Плохое сканирование объектов в ярком окружении
  • Плохо сканирует блестящие или темные поверхности.

Распространенные применения:

  • Обратное проектирование
  • Контроль качества
  • Сканирование произведений искусства и скульптур
  • Криминалистический анализ
  • Захват для VR/игр
  • Сканирование цветных объектов
  • Сканирования для медицинских целей.

Читайте также “Обзор EinScan Pro 2X 2020”.

Ручные инфракрасные 3D сканеры

Примеры продукции: EinScan H, Einstar

Менее распространенным, но все же важным типом источника света для 3D-сканеров является инфракрасное излучение. Невидимый невооруженным глазом, инфракрасный свет – это вид электромагнитного излучения с длиной волны больше, чем у видимого света.

Инфракрасные сканеры обычно работают так же, как и сканеры со структурированным светом. Однако проецируемый свет не виден невооруженным глазом, и для захвата инфракрасного света при попадании его на сканируемый объект необходимо использовать другой тип камеры. Хотя сканирование в инфракрасном свете обычно медленнее и менее точно, чем сканирование в видимом свете, оно имеет несколько важных преимуществ перед другими технологиями.

Одно из наиболее распространенных применений инфракрасного сканирования – сканирование человеческого тела, которое часто используется в таких областях, как медицинская диагностика, захват VR и мода. Поскольку инфракрасный свет не виден невооруженным глазом, его можно использовать для сканирования лиц, не вызывая дискомфорта для глаз. Кроме того, он не вызывает отражений на блестящих поверхностях, что делает его пригодным для сканирования сложных текстур, таких как волосы.

Инфракрасное 3D-сканирование более нишевое, чем лазерное сканирование и сканирование структурированным светом, и на рынке представлено меньше продуктов.

Преимущества:

  • Безопасность и комфорт при сканировании человеческого тела, поскольку отсутствует яркий свет, который может повредить зрению.
  • Отсутствие помех от отражений или других источников света
  • Хорошо сканирует блестящие или темные поверхности

Недостатки:

  • Менее точен, чем другие технологии для общего сканирования

Области применения:

Ручные гибридные 3D-сканеры

Примеры продукции: EinScan H (структурированный свет + инфракрасное излучение), EinScan HX (структурированный свет + лазер), FreeScan Combo (инфракрасный VCSEL + синий лазер)

Некоторые из самых мощных ручных 3D-сканеров на рынке объединяют несколько источников света в одном устройстве. Это позволяет пользователю легко смягчить недостатки одного типа источника света.

Примером гибридного сканера является EinScan H компании SHINING 3D, который сочетает в себе возможности структурированного света и инфракрасного сканирования. Гибридный сканер ориентирован на пользователей, которым необходимо сканировать как человеческие лица (используя безопасный для глаз инфракрасный режим сканирования), так и различные другие объекты (которые могут быть сняты в лучшем разрешении с помощью проекции структурированного света).

Некоторые 3D-сканеры, такие как EinScan HX, сочетают в себе структурированный свет и лазерное сканирование. Хотя возможности лазерного сканирования не такие широкие, как у независимого лазерного сканера (например, FreeScan UE), гибридная установка позволяет пользователям объединить преимущества двух технологий, например, захват цветных поверхностей с помощью аппаратуры структурированного света и захват блестящих поверхностей с помощью лазерной аппаратуры.

Одним из основных преимуществ гибридных сканеров, таких как FreeScan UE, является возможность объединения данных, полученных с помощью различных технологий сканирования, в одно облако точек путем быстрого переключения между режимами сканирования.

Преимущества:

  • Сочетает преимущества нескольких технологий
  • Высокая универсальность

Недостатки:

  • Может стоить дороже, чем сканеры с одним источником света

Области применения:

  • Сканирование объектов с различными характеристиками и поверхностями

Ключевые мысли

Каждый из трех рассмотренных здесь источников света для сканирования обладает своим набором преимуществ, и каждый из них может обеспечить получение сканов профессионального качества.

Учитывая это, при покупке ручного 3D-сканера бывает трудно сделать выбор между различными технологиями. В целом, возможности лазерных сканеров и сканеров со структурированным светом во многом совпадают. Обе технологии используют активный источник света и камеры для получения данных сканирования, и обе способны получить сканы с высоким разрешением при соответствующих условиях. В целом, эти технологии имеют больше общего, чем, например, координатно-измерительные машины и фотограмметрические системы.

Тем не менее, между рассматриваемыми здесь типами сканеров существуют различия. Профессионалы, которые планируют использовать свой ручной сканер в различных условиях внутри и вне помещений, могут предпочесть лазерные сканеры, в то время как тем, кто хочет получить детальное сканирование небольших объектов в контролируемой среде, лучше выбрать сканер со структурированным светом. Эти модели также, как правило, дешевле лазерных сканеров.

Пользователи, планирующие использовать свой 3D-сканер для решения широкого круга задач, конечно, могут отдать предпочтение гибридным сканерам, поскольку они предлагают наиболее широкий спектр потенциальных применений благодаря сочетанию различных технологий.

Последние новости