Skaner 3D jest urządzeniem przeznaczonym do analizy istniejących w rzeczywistości obiektów oraz konwersji zgromadzonych na jego temat danych do postaci cyfrowej. Skanery tego rodzaju są w stanie zebrać dane na temat fizycznych właściwości dowolnego obiektu i przetworzenie go na cyfrowy model trójwymiarowy. Jak działają skanery 3D i do czego jeszcze może zostać wykorzystana ta technologia?

Przetworzone przez skaner 3D dane wykorzystywane są do tworzenia cyfrowych modeli rzeczywistych obiektów, które mogą zostać poddane dalszej obróbce w przeznaczonych do tych celów programach komputerowych. Z technologii tej korzysta dzisiaj wiele branż – od przemysłu ciężkiego, poprzez medycynę i archeologię po branżę filmową – i wydaje się być kwestią czasu, kiedy skanery 3D, na podobieństwo drukarek 3D, staną się szeroko dostępne dla wszystkich. Jak działają te urządzenia i jakie możliwości oferuje technologia skanowania w trzech wymiarach? Wyjaśniamy we współpracy z serwisem DomLab.

Optoelektryka

W skanerach 3D wykorzystywanych jest wiele różnych rozwiązań technologicznych, a każda niesie za sobą inne możliwości oraz ograniczenia. Współcześnie używane skanery 3D oparte są najczęściej na technologii optoelektronicznej, czyli takiej, która wykorzystuje właściwości światła w celu zgromadzenia, transferu i prezentacji informacji. Technika ta ma liczne zastosowania w urządzeniach innego rodzaju, na przykład w aparatach do emisji i detekcji światła, które wykorzystywane są szeroko w medycynie, czy też w technologiach przesyłania informacji, które znamy ze starszych telefonów komórkowych (mowa o IrDA, czyli portach podczerwieni wykorzystujących technologię światłowodową). Optoelektryka wykorzystywana jest również w laserowych czytnikach CD/DVD, w fotonice (komputery optyczne, czyli hipotetyczne komputery wykorzystujące fotony zamiast prądu elektrycznego), a także wykorzystywanych przez nas na co dzień monitorach (od klasycznych CRT po współczesne wyświetlacze LCD i LED). Rozwiązanie to w przypadku skanerów 3D ma jednak pewne ograniczenia – przykładem może być skanowanie przedmiotów przezroczystych lub błyszczących, które łatwo odbijają światło i których digitalizacja może być utrudniona.  Mimo to, jest to najbardziej upowszechniona metoda skanowania 3D.

14120027701_f57c6f1140_k

Działanie skanera 3D

Skanowanie obiektów polega na projekcji wielu różnych struktur światła białego na poddawany digitalizacji obiekt. Struktury te różnią się od siebie ilością, gęstością i położeniem linii, a linie proste zostają zniekształcone pod wpływem mierzonego obiektu. Skaner 3D działa więc na zasadzie przestrzennego zbierania informacji na zasadzie współrzędnościowej technice pomiarowej. Umożliwia ona szczegółowe i bezdotykowe wyznaczanie wymiarów przestrzennie ukształtowanych obiektów, czyli analizę kształtu obiektu i przekonwertowanie otrzymanych danych do zwizualizowanego obiektu cyfrowego. Technika tego pomiaru charakteryzuje się oparciem procesu skanowania na wartościach współrzędnych lokalizowanych punktów pomiarowych, składających się na bryłę analizowanego obiektu.

Przetworzone na skutek skanowania dane trafiają do komputera i zostają przedstawione w formie trójwymiarowego modelu. Jeden pomiar umożliwia zebranie nawet kilku milionów punktów pomiarowych w ciągu sekundy, dzięki czemu możliwe jest szybkie odwzorowanie nawet bardzo skomplikowanej geometrii. Często do kompletnego zeskanowania danego obiektu wymagane jest wykonanie dodatkowych skanów, na przykład z innej perspektywy. Połączenie zebranych skanów 3D jest następnie wykonywane przez programy komputerowe i specjalnie przeznaczone do tego algorytmy.

Otrzymany obraz cyfrowy może zostać następnie poddany dalszej obróbce w programach graficznych, bądź innych narzędziach przeznaczonych do modyfikacji obiektów 3D. Zwykle wymagane jest wygładzenie lub zoptymalizowanie otrzymanej siatki, ale dzięki dostarczanym wraz ze skanerami narzędziom jest to sprawne i przebiega często automatycznie. Zebrane dane można następnie w różny sposób magazynować, choć w celu oszczędzenia miejsca zapisu informacji oraz czasu skanowania, przy przetwarzaniu bardziej skomplikowanych obiektów, specjaliści skupiają się na najważniejszych elementach, przedstawiając mniej istotne części skanowanego obiektu w ogólnej formie.

Zastosowanie skanera 3D

Samo modelowanie cyfrowych obrazów trójwymiarowych polega na analizie i modyfikacji otrzymanych w procesie skanowania danych. Zmieniać można każdy aspekt otrzymanego modelu, jak kształt czy kolor, a w procesie dalszej obróbki nawet symulować oraz zmieniać właściwości fizyczne i chemiczne. Dzięki rozwojowi technologii skanowania 3D dzisiaj możliwe jest już skanowanie zarówno w pomieszczeniach, jak i na zewnątrz, niezależnie od pory dnia. Rozmiar skanowanego obiektu także nie ma znaczenia, istnieją nawet firmy oferujące skanowanie obiektów tak dużych jak samoloty, okręty, pomniki historyczne czy nawet całe budynki! Skanery 3D są tak dokładne, że możliwe jest również perfekcyjne odwzorowanie bardzo małych obiektów, takich jak na przykład monety, narzędzia medyczne, czy nawet odcinki palców.

I choć skaner 3D powstał gównie ze względu na potrzebę przemysłowego projektowania odwrotnego, czyli prowadzenia prac nad istniejącymi już obiektami, jego zastosowanie jest dziś dużo szersze. Przykładowo, jedną z zalet laserowego skanera 3D jest możliwość skanowania obiektów bez ich dotykania, co jest niezwykle przydatne na przykład podczas dokumentowania cennych historycznie artefaktów czy archiwizowania zbiorów muzealnych. Archeolodzy na tej podstawie zgromadzonych danych mogą badać właściwości obiektów historycznych, a nawet projektować wirtualne muzea. Podobnie skanery 3D wykorzystywane są w rzeźbiarstwie – historycy sztuki czy rzeźbiarze mogą archiwizować pomniki, figury czy popiersia, a potem z łatwością je kopiować czy skalować.

Od medycyny do produkcji filmowej

Innym przykładem przemysłu wykorzystującego skanery 3D jest grafika komputerowa, a także szeroko pojęty przemysł rozrywkowy, w którym skanery 3D używane są na przykład podczas produkcji filmów czy gier komputerowych. Dzięki tej technologii możliwe jest tworzenie świata cyfrowego lub efektów specjalnych w oparciu o zeskanowane obiekty rzeczywiste, łatwiej jest bowiem zeskanować obiekt do wersji trójwymiarowej, niż projektować go w programie graficznym od podstaw. Skanery 3D wykorzystywane są także do skanowania twarzy, bądź stworzonych wcześniej przez artystów i modelarzy rzeczywistych modeli i makiet, które zostają następnie zeskanowane i poddane dalszej obróbce w programie graficznym.

Skanowanie 3D jest także wykorzystywane szeroko w medycynie. Tutaj również liczy się możliwość szybkiego i bezdotykowego pomiaru, a komputerowo wymodelowane obrazy pozwalają na przeprowadzenie badania bez potrzeby męczenia pacjenta. Skanowanie 3D jest w 100% bezpieczne dla żywych organizmów, a także nie wpływa negatywnie na działanie aparatury medycznej, gdyż skanery tego rodzaju nie wytwarzają promieniowania magnetycznego. Są one również łatwe w obsłudze, stąd pomiar może wykonać każdy pracownik szpitala, bez potrzeby zatrudniania specjalistów. Skanery 3D w medycynie wykorzystywane są na przykład w protetyce (do projektowania idealnie dopasowanych protez czy implantów) czy ortopedii (badania wad postawy czy deformacji kości, a nawet projektowania gorsetów, stabilizatorów czy wkładek ortopedycznych), ale również w chirurgii plastycznej, głównie w procesie projektowania i produkcji dopasowanych indywidualnie implantów. Możliwe jest nawet symulowanie efektów przed i po operacjach plastycznych. Skanery 3D są także używane szeroko w medycynie sądowej .

Innymi przykładami wykorzystania tej technologii skanowania 3D mogą być następujące branże:

  • Wzornictwo przemysłowe (na przykład do digitalizacji prototypów wykonanych ręcznie obiektów);
  • Motoryzacja (przy skanowaniu prototypów samochodów, przeprowadzania testów i symulacji, do kontroli jakości i pomiarów elementów pojazdu, a także analizy pracy silnika oraz kontroli geometrii samochodu);
  • Przemysł wytwórczy (na przykład przy wzornictwie bądź kontroli jakości);
  • Przemysł lotniczy (na przykład do skanowania prototypów samolotów, pomiar geometrii, analiza pracy silników, projektowanie poszycia samoloty, kontrola wykonania kabin);
  • Przemysł stoczniowy i kolejowy (skanery 3D stosowane są na przykład do kontroli odkształceń konstrukcji statków, badań projektowych czy kontroli pracy silników).