3D-сканирование

3D-сканирование — это процесс анализа физического объекта или пространства с целью получения цифровых данных о его форме, размерах и, в некоторых случаях, цвете и текстуре. Результатом сканирования является трёхмерная модель — набор точек (облако точек) или полигональная сетка, которая может быть использована для дальнейшей обработки, визуализации, анализа или изготовления копии.

История

Идея получения трёхмерных данных об объектах возникла задолго до появления цифровых технологий. Первые прототипы устройств, способных измерять расстояние до точек поверхности, появились в 1960-х годах. Одним из пионеров считается компания Cyberware, которая в 1985 году представила первый коммерческий 3D-сканер, предназначенный для сканирования головы человека.

Развитие технологии шло параллельно с совершенствованием вычислительной техники и систем машинного зрения. В 1990-х годах появились первые лазерные сканеры, способные работать на больших расстояниях. В 2000-х годах, с удешевлением электроники и ростом производительности процессоров, 3D-сканеры стали доступны для малого бизнеса и образовательных учреждений. В 2010-х годах началось активное внедрение технологии в мобильные устройства (например, в планшеты и смартфоны с датчиками глубины), а также в промышленность для контроля качества и реверс-инжиниринга.

Принципы работы

Все методы 3D-сканирования можно разделить на две основные категории: контактные и бесконтактные.

Контактные методы

Контактные сканеры используют физический щуп, который касается поверхности объекта. Щуп перемещается по заданной траектории, и его положение в пространстве фиксируется с высокой точностью. Этот метод применяется для сканирования объектов с высокой точностью, но он медленный и может повредить мягкие или хрупкие поверхности. Наиболее известный пример — координатно-измерительные машины (КИМ).

Бесконтактные методы

Бесконтактные методы основаны на использовании излучения (света, лазера, ультразвука) или фотограмметрии. Они делятся на активные и пассивные.

Активные методы

Активные методы излучают на объект энергию и анализируют отражённый сигнал.

Лазерное сканирование (триангуляция): Лазерный луч проецируется на объект, а камера фиксирует его положение. По углу между лазером и камерой вычисляется расстояние до каждой точки. Метод точен, но требует прямой видимости и чувствителен к отражающим и прозрачным поверхностям.
Структурированный свет: На объект проецируется серия чёрно-белых полос или сеток. Камера фиксирует искажение этих полос на поверхности объекта. По степени искажения восстанавливается трёхмерная форма. Этот метод быстрее лазерного, но также чувствителен к внешнему освещению.
Времяпролётные (Time-of-Flight, ToF) сканеры: Измеряют время, за которое импульс света (обычно лазерный) проходит до объекта и обратно. Используются для сканирования больших объектов (здания, ландшафты) на расстояниях до нескольких километров.

Пассивные методы

Пассивные методы не излучают энергию, а анализируют естественное освещение.

Фотограмметрия: Метод, при котором трёхмерная модель создаётся из серии фотографий, сделанных с разных ракурсов. Специализированное программное обеспечение находит общие точки на разных снимках и вычисляет их координаты. Этот метод дёшев (требуется только камера), но требует хорошего освещения и текстурированной поверхности объекта.
Стереозрение: Использует две или более камеры, расположенные на известном расстоянии друг от друга. По разнице в положении одних и тех же точек на изображениях с разных камер вычисляется глубина.

Классификация по типу применения

3D-сканеры классифицируются по типу объектов, для которых они предназначены:

Промышленные сканеры: Высокоточные (до нескольких микрометров), дорогие, стационарные или портативные. Используются для контроля качества, реверс-инжиниринга, метрологии.
Архитектурные и геодезические сканеры: Наземные лазерные сканеры (LiDAR) для сканирования зданий, мостов, памятников, ландшафтов. Дальность действия — от десятков метров до нескольких километров.
Медицинские сканеры: Специализированные устройства для сканирования частей тела (челюсти, конечности, лицо) для изготовления протезов, ортопедических стелек, стоматологических коронок.
Портативные и бытовые сканеры: Недорогие устройства, часто подключаемые к компьютеру или смартфону. Используются в 3D-печати, гейминге (создание аватаров), дизайне.
Сканеры для мобильных устройств: Встроенные датчики глубины (например, LiDAR в iPhone Pro) или камеры, позволяющие создавать простые 3D-модели с помощью приложений.

Области применения

3D-сканирование нашло применение во многих отраслях.

Промышленность и машиностроение

Реверс-инжиниринг: Создание цифровой модели детали, не имеющей чертежей, для её последующего воспроизводства или модернизации.
Контроль качества (QC): Сравнение отсканированной детали с её CAD-моделью для выявления отклонений в размерах и форме.
Прототипирование: Быстрое создание цифровых моделей для последующей 3D-печати или фрезеровки.

Архитектура и строительство

Создание BIM-моделей: Сканирование существующих зданий для создания точных цифровых моделей (Building Information Modeling), используемых при реконструкции или ремонте.
Документирование памятников: Создание точных цифровых копий исторических зданий, скульптур, археологических находок для реставрации, изучения и виртуальных музеев.
Топографическая съёмка: Сканирование рельефа местности для проектирования дорог, мостов, карьеров.

Медицина

Стоматология: Сканирование зубов и челюстей для изготовления коронок, виниров, брекет-систем.
Ортопедия: Сканирование конечностей для изготовления индивидуальных протезов и ортезов.
Пластическая хирургия: Сканирование лица и тела для планирования операций и моделирования результатов.
Анатомия и образование: Создание высокодетализированных 3D-моделей органов и скелетов для обучения студентов.

Культура и искусство

Музейное дело: Создание цифровых копий экспонатов для публикации в интернете, проведения виртуальных выставок, реставрации.
Кино и игры: Сканирование актёров, реквизита, локаций для создания реалистичных 3D-моделей и цифровых двойников.
Мода: Сканирование фигуры человека для создания одежды по индивидуальным меркам.

Криминалистика и безопасность

Фиксация места происшествия: Сканирование места преступления или ДТП для создания точной трёхмерной модели, которая может быть использована в суде.
Создание фотороботов: Сканирование лиц подозреваемых или свидетелей.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Высокая точность: Современные сканеры могут измерять размеры с точностью до долей миллиметра.
Скорость: Сканирование сложного объекта может занять от нескольких секунд до нескольких минут.
Бесконтактность: Не повреждает хрупкие, ценные или мягкие объекты.
Полнота данных: Позволяет получить полную геометрическую информацию об объекте, включая скрытые полости (при использовании специализированных методов).
Автоматизация: Процесс обработки данных может быть автоматизирован, что снижает влияние человеческого фактора.

Недостатки

Стоимость: Высокоточные промышленные сканеры могут стоить десятки и сотни тысяч долларов.
Сложность обработки: Облака точек требуют дальнейшей обработки (очистка от шума, сшивка, триангуляция) с помощью специализированного программного обеспечения.
Чувствительность к условиям: Лазерные и оптические сканеры плохо работают на блестящих, прозрачных, чёрных или очень тёмных поверхностях.
Ограничения по размеру: Сканирование очень больших объектов (целые города) требует специализированных воздушных или наземных систем.
Необходимость в обучении: Для работы с профессиональным оборудованием и программным обеспечением требуется квалификация.

Программное обеспечение

Для обработки данных 3D-сканирования используются специализированные программы. Наиболее распространённые:

Autodesk ReCap: Программа для обработки облаков точек и фотограмметрии.
Agisoft Metashape: Программа для фотограмметрии, широко используется в археологии и геодезии.
Meshlab: Бесплатная программа с открытым исходным кодом для обработки и визуализации трёхмерных сеток.
CloudCompare: Бесплатная программа для сравнения облаков точек и анализа отклонений.
Geomagic Design X / Wrap: Профессиональные пакеты для реверс-инжиниринга и обработки сканированных данных.
Artec Studio: Программное обеспечение, поставляемое с портативными сканерами Artec.

Перспективы развития

Технология 3D-сканирования продолжает активно развиваться. Основные тенденции включают:

Миниатюризация и удешевление: Встраивание датчиков глубины в смартфоны, планшеты, дроны.
Повышение скорости и точности: Разработка новых методов, таких как голографическое сканирование.
Интеграция с искусственным интеллектом: Автоматическое распознавание объектов, очистка от шума, заполнение пробелов в модели.
Облачные технологии: Обработка больших объёмов данных на удалённых серверах.
Развитие 4D-сканирования: Сканирование движущихся объектов (например, мимика лица, работа сердца) в реальном времени.

Источники

ГОСТ Р 57412-2017. 3D-сканирование. Термины и определения.
Бурдеев, А. В. Технологии 3D-сканирования: учебное пособие. — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2020.
Введение в 3D-сканирование. — Autodesk, 2022.
Материалы сайта «3D-сегодня» (раздел «Технологии»), 2023.
Обзор рынка 3D-сканеров. — Журнал «CAD/CAM/CAE Observer», № 4, 2024.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →