Какво е 3D сканиране или дигитализация

3D сканирането или дигитализацията е бърз и точен метод за прехвърляне на физическите мерки на даден обект в компютъра по организиран начин, като в резултат получаваме това, което обикновено се нарича 3D сканирани данни.

Обикновено 3D сканираните данни са представени чрез един мащабен цифров модел или 3D графично изображение. След като сканираните данни са вече в компютъра, могат да се използват всички размери на физическия обект, такива като дължина, широчина, височина, обем, размер на обекта, местоположение на обекта, площ на повърхността и др.

По принцип, дадено устройство, чрез което се събира 3D информация се нарича 3D скенер. Има много различни методи за събиране на 3D измервания на даден физически обект, поради което съществуват и много различни видове скенери.


(на снимката: графично представени данни от 3D дигитализация на монета от 1 стотинка)

3D лазерно сканиране
3D лазерното сканиране или 3D лазерните скенери могат да бъдат категоризирани общо в три основни категории – лазери, работещи чрез триангулация, импулсни (пулсови) лазери и фазови лазери. Тези техники и оборудване за лазерно сканиране обикновено се използват независимо, но могат да се използват и в комбинация за създаването на една по-гъвкава система за сканиране. Съществуват и редица други технологии за лазерно сканиране, които са хибридни и/или комбинации на други 3D сканиращи технологии, такива като основаната на принципите на интерферометрията технология AFI или коноскопичната холография.

Какво представлява триангулацията?
Чрез решаването на един ограничен набор от ъгли и дължини на един триъгълник, вие можете да изведете математически неизвестни за вас стойности. Геодезистите са използвали този метод за да чертаят карти и строят пътища от стотици години насам. Процесът се нарича триангулация и това всъщност е принципът, въз основа на който технологиите за 3D сканиране могат да определят размерите и геометрията на реални физически обекти. При триангулацията се използват както единична камера, така и няколко фотографски устройства (стереоскопично зрение).

За технологиите за 3D сканиране, разстоянието и образуващите се ъгли между фотоприемниците и излъчващия светлинен източник (лазер или светодиод) образуват основата на триъгълника. Разстоянието от източника на светлинния лъч до обекта се изчислява на базата на ъгъла, под който отражението на лъча от сканираната повърхност се регистрира от фотоприемника. Чрез прилагане на този принцип за последователно изчисляване на разстоянието до сканираната повърхност се създават множество 3D координати и конкретното 3D изображение на даден физически обект.

Лазерните скенери, базирани на метода на триангулация, обикновено са скенери с близък обхват и са предназначени за сканиране на обекти с малки и средни размери (до няколко метра). Цялостната сканираща система обикновено включва сканираща глава, измерваща точки или линии, монтирана на координатно-измерваща машина (CMM – Coordinate Measuring Machine) или ръка (CMA – Coordinate Measuring Arm), като процесът на сканиране представлява автоматично или ръчно обхождане на обекта с лазерната точка или линия на повърхността на обекта.

3D сканиране с линеен лазерен скенер на координатно-измерваща ръка

Импулсни скенери
Импулсните лазерни скенери, известни също като скенери с измерване на време, са основани на една много проста идея: скоростта на светлината ни е точно известна, така че ако измерим за колко време един лазерен лъч отива до физически обект и се връща до даден сензор, ние ще научим какво е разстоянието до този обект. Тези системи използват електронни схеми с точност до пикосекунди за да измерят времето, което е необходимо на лазерните импулси да се върнат до сензора, и да изчислят дадено разстояние. Чрез въртене на лазера и сензора (обикновено чрез ротиращо се огледало), скенерът може да извършва сканиране в пълен хоризонтален обхват от 360 градуса около него.

Фазови лазерни системи
Системите, използващи метода на фазовото изместване излъчват лазерен лъч с дадена известна честота („излъчена светлина”). Части от този лъч се отразяват обратно в системата („отразена светлина”). Фазата на тази „отразена светлина” след това се сравнява с тази на известната ни честота, а разликата между двата пика при тези честоти се нарича „фазово изместване”. Скенерите, използващи метода на фазовото изместване се считат за едни от най-точните устройства за лазерно сканиране на пазара, с много бързо набиране на данни и получени сканове с висока резолюция.

Импулсните и фазовите скенери са скенери със среден и далечен обхват и се използват за сканиране на обекти с големина над няколко метра, като точноста на измерване е в милиметри или сантиметри.

ЛИДАРИ (Лазерни далекомери)
Лидарът (LiDAR) е разновидност на импулсните скенери, който е бил разработен в 60-те години на миналия век с цел откриването на подводници от самолет и ранните модели са използвани успешно в началото на 70-те години в САЩ, Канада и Австралия. През последните десет години се наблюдава бързото разпространение на използването на лидарни системи, като няколко от тях се използват редовно както при въздушни, така и при земни геодезични работи. Това е съпроводено с повишаване на информираността и разбирането на лидарните системи във все повече индустриални сектори и по-широкото им приложение.

Въздушен лидар (LiDAR)
Повечето въздушни лидарни системи се състоят от лидарен детектор, GPS приемник, инерционен измервателен блок (IMU), бордов компютър и устройства за запазване на данни. Лидарната система генерира лазерен лъч, който чрез огледало се насочва надолу към обекта, използвайки въздушна платформа, обикновено самолет с постоянна геометрия на крилете или хеликоптер. Докато самолетът лети над изследваната площ лазерният лъч сканира повърхността със скорост от 20,000 до 100,000 точки в секунда. Когато лазерният лъч стигне до даден обект той се отразява обратно в огледалото. В случая се измерва времевият интервал между излъчването на светлинния импулс от въздушната платформа и неговото приемане обратно от лидарния детектор. След приключването на летателната мисия на лидарната система, данните са предмет на последваща обработка, като измерените от системата времеви интервали между излъчения светлинния импулс и приетия обратно импулс се преобразуват в разстояние и се коригират в съответствие с данните съдържащи се в GPS приемника на самолета, IMU, и наземните GPS станции. Този GPS приемник определя много точно положението на самолета от гледна точка на географска ширина, дължина и височина, които са известни също като координати x, y и z. Лидарният детектор набира огромен обем от данни и само едно проучване може спокойно да генерира милиони точки информация с общ обем от няколко терабайта.

Първоначалните данни получени от светлина могат да бъдат още разширени чрез допълнителна последваща обработка, част от която може да бъде автоматична, а друга част ръчна. По-нататъшната обработка използва множеството приети обратно сигнали от всеки лазерен светлинен импулс. Чрез оценка на времевите разлики между множеството обратни сигнали системата за последваща обработка може да направи разграничение между сгради и други конструкции, растителност и самата земна повърхност. Този процес се използва за отстраняването на повърхностни характеристики за целите на получаването на цифрови модели на терена (DTM) и други продукти с разширени данни. Възможно е освен това изборното отстраняване на определени обекти, например, отстраняване на дървета и друга растителност и да се оставят само сградите.

Наземен лидар (LiDAR) (известен също като Сканираща станция)
Наземните лидарни системи са много сходни, само че там не е необходим IMU, тъй като лидарът обикновено се монтира върху триножник, чрез който лидарният детектор се върти на 360 градуса. Лазерният светлинен импулс се отразява от околните обекти, като фасади на сгради, осветителни стълбове, растителност, автомобили и дори хора. Отразените импулси се записват и се изчислява разстоянието между детектора и обекта. Получените данни са във формата на „облак от точки“, който представлява един триизмерен масив от точки, всяка от които с позиции x, y и z, съответстващи на избраната координатна система.


3D скенери със структурирана светлина
При скенерите със структурирана светлина също се използва тригонометрична триангулация, но вместо лазерна светлина, тези системи прожектират серия от шаблонни форми (ивици или мрежи) върху конкретния обект. След това, чрез изследване на заснетото отряжение, те изчисляват разстоянието от скенера до повърхността на обекта. Всъщност, при този метод вместо лазерен лъч, камерата разглежда ръба на прожектираната форма и изчислява разстоянието по същия начин с помощта на триангулация. Но докато един лазерен скенер улавя индивидуалните точки или линии от повърхността на обекта, чрез този метод на проектирани ивици се измерва цялата повърхност на обекта, върху която е проектиран шаблона.

Повече информация за 3D сканирането като технология можете да намерите в печатното издание на практическото ръководство „Приложения на 3D дифитализацията“.

Повече за него можете да намерите при:

АДА 3Д ООД

гр. София
ж.к. “Изток”, ул. “Г.Бакалов” 1, офис 1
Тел.: 0882/ 501 979

www.ada3d.com