اسکن سه بعدی چیست و چگونه کار می کند؟

در این مقاله به معرفی روش‌های متنوع عمده اسکن سه بعدی که در حال به دست آوردن موارد مصرف متنوع و مهمی در صنعت است می پردازیم.

پنجشنبه، 28 بهمن 1400

تخمین زمان مطالعه:

مترجم : حمید وثیق زاده انصاری

موارد بیشتر برای شما

معرفی

آیا می دانید که اسکن سه بعدی می تواند راهی برای شروع یک پروژه پرینت سه بعدی باشد؟ در واقع، ساختن یک نمایش سه بعدی از یک شیء را می توان از ابتدا با استفاده از نرم افزار مدل سازی سه بعدی یا با استفاده از فرآیند اسکن سه بعدی شروع کرد. اگر به این روش سه بعدی علاقه مند هستید، ممکن است بخواهید بدانید که چگونه کار می کند.

اسکن سه بعدی فرآیند تجزیه و تحلیل یک شیء یا محیط واقعی برای جمع آوری داده ها در مورد شکل و احتمالاً ظاهر آن (به عنوان مثال رنگ) است. سپس داده های جمع آوری شده می تواند برای ساخت مدل های سه بعدی دیجیتال استفاده شود.

یک اسکنر سه بعدی می تواند بر اساس بسیاری از فناوری های مختلف باشد که هر کدام محدودیت ها، مزایا و هزینه های خاص خود را دارند. هنوز محدودیت های زیادی در نوع اشیایی که می توانند دیجیتالی شوند وجود دارد. به عنوان مثال، فناوری نوری ممکن است با اشیاء تاریک، براق، بازتابنده یا شفاف، با مشکلات زیادی مواجه شود. به عنوان مثال، اسکن توموگرافی کامپیوتری صنعتی، اسکنرهای سه بعدی با نور ساختاری، اسکنرهای سه بعدی LiDAR و Time Of Flight را می توان برای ساخت مدل های سه بعدی دیجیتال، بدون آزمایش مخرب استفاده کرد.
فتوگرامتری علم اندازه گیری از روی عکس است. این روش از اختلاف منظر به دست آمده بین چندین عکس که از دیدگاه های مختلف گرفته شده است استفاده می کند. داده های سه بعدی جمع آوری شده برای کاربردهای مختلف مفید است. این دستگاه ها به طور گسترده توسط صنعت سرگرمی در تولید فیلم و بازی های ویدیویی از جمله واقعیت مجازی استفاده می شود. دیگر کاربردهای رایج این فناوری عبارتند از واقعیت افزوده، ضبط حرکت، تشخیص ژست، نقشه برداری روباتیک، طراحی صنعتی، ارتز و پروتز، مهندسی معکوس و نمونه سازی، کنترل کیفیت، بازرسی و دیجیتالی کردن آثار فرهنگی.

اسکن سه بعدی چیست؟

اسکن سه بعدی فرآیندی است برای تجزیه و تحلیل یک شیء از دنیای واقعی، برای جمع آوری تمام داده ها به منظور بازسازی شکل و ظاهر آن به صورت دیجیتالی. به لطف این فرآیند، شیء می تواند به یک مدل سه بعدی تبدیل شود که می تواند به شما به عنوان پایه ای برای پروژه سه بعدی که می خواهید توسعه دهید کمک کند، اما همچنین می تواند برای بازسازی، تجزیه و تحلیل یا شبیه سازی ایده ها مفید باشد.

اسکن سه بعدی تکنیکی است که برای ثبت شکل یک شیء با استفاده از اسکنر سه بعدی. نتیجه یک فایل سه بعدی از شیء است که می تواند ذخیره، ویرایش و حتی چاپ سه بعدی شود. بسیاری از فناوری های مختلف اسکن سه بعدی برای اسکن سه بعدی اشیا، محیط ها و افراد وجود دارد. هر فناوری اسکن سه بعدی محدودیت ها، مزایا و هزینه های خاص خود را دارد.

اصل اساسی اسکن سه بعدی استفاده از اسکنر سه بعدی برای جمع آوری داده ها در مورد یک موضوع است. موضوع می تواند عبارت باشد از:

* یک شیء
* یک محیط (مانند یک اتاق یا حتی یک منظره)
* یک شخص (اسکن سه بعدی بدن)

برخی از اسکنرهای سه بعدی می توانند به طور همزمان داده های شکل و رنگ را جمع آوری کنند. سطح رنگی اسکن شده سه بعدی بافت نامیده می شود.

اسکن‌های سه‌بعدی پس از تهیه مدل سه‌بعدی از طریق نرم‌افزاری خاص، با نرم‌افزار طراحی به کمک رایانه (CAD) و همچنین چاپ سه‌بعدی سازگار است. اسکن سه بعدی می تواند اطلاعات زیادی را در مورد طراحی یک شیء در فرآیندی به نام مهندسی معکوس ارائه دهد.

اسکنرهای سه بعدی ابزار قدرتمندی برای حرفه ای ها در چندین صنعت مانند خودروسازی، هوافضا، دندانپزشکی و جواهرات و همچنین در کاربردهای هنری تر مانند بازی های ویدیویی، جلوه های ویژه و فیلم های انیمیشن هستند. فناوری‌های اسکن سه بعدی بر اصول فیزیکی متفاوتی تکیه دارند و می‌توانند به دسته‌های زیر طبقه‌بندی شوند:

* مثلث سازی لیزری: پرتو لیزر را بر روی یک سطح پخش می کند و تغییر شکل اشعه لیزر را اندازه می گیرد.
* نور ساختاریافته: تغییر شکل یک الگوی نور را هنگام نمایش بر روی سطح اندازه گیری می کند تا شکل سطح را اسکن سه بعدی کند.
* فتوگرامتری: یا همچنین به نام "اسکن سه بعدی از عکس ها". این فناوری یک سوژه را به صورت سه بعدی از عکس های دو بعدی با دید کامپیوتری و الگوریتم های هندسه محاسباتی بازسازی می کند.
* فناوری اسکن سه بعدی مبتنی بر تماس: متکی بر نمونه برداری از چندین نقطه روی سطح است که توسط یک پروب مکانیکی، نوری یا فیزیکی اندازه گیری می شود.
* پالس لیزر: بر اساس زمان پرواز (Time of Flight (ToF)) پرتو لیزر است. پرتو لیزر بر روی یک سطح پخش می شود و توسط یک حسگر جمع آوری می شود. زمان حرکت لیزر بین انتشار و دریافت آن، اطلاعات هندسی سطح را به اسکنر سه بعدی می دهد.

فناوری های اسکن سه بعدی

فناوری اسکن سه بعدی مثلثی لیزری

اسکنرهای سه بعدی مبتنی بر مثلث لیزری از یک خط لیزری یا یک نقطه لیزری واحد برای اسکن یک شیء استفاده می کنند. ابتدا اسکنر سه بعدی لیزر خود را روی جسم می اندازد. همان طور که نور لیزر از جسم اسکن شده سه بعدی منعکس می شود، مسیر اولیه آن اصلاح شده و توسط یک حسگر انتخاب می شود.

سپس بر اساس این مسیر اصلاح شده و به لطف روابط مثلثاتی، سیستم می تواند زاویه انحراف لیزر را تشخیص دهد. زاویه محاسبه شده مستقیماً با فاصله جسم تا اسکنر مرتبط است. هنگامی که اسکنر سه بعدی فواصل کافی را جمع آوری می کند، می تواند از سطح جسم نقشه برداری کند تا آن را به صورت سه بعدی بازسازی کند.

از مزایای اصلی فناوری مثلث سازی لیزری برای اسکن سه بعدی وضوح و دقت بالای آن است.

یکی از نکات منفی فناوری مثلث سازی لیزری این است که خیلی به خواص سطح جسم حساس است. سطوح بسیار براق و/یا شفاف و/یا تیره مشکل ساز هستند.

فناوری اسکن سه بعدی نور ساختاریافته

اسکنرهای سه بعدی نور ساختار یافته از مثلثات استفاده می کنند اما به لیزر متکی نیستند. درعوض، آنها یک سری الگوهای خطی را بر روی جسم پخش می کنند. سپس سیستم قادر است لبه های هر خط در الگو و نحوه تغییر شکل خطوط را بررسی کند و فاصله اسکنر تا سطح جسم را محاسبه کند.

نور ساختار یافته پیش بینی شده مورد استفاده برای اسکن سه بعدی می تواند سفید یا آبی باشد و توسط انواع مختلفی از پروژکتورها مانند فناوری پردازش نور دیجیتال (Digital Light Processing (DLP)) تولید شود. الگوی پیش بینی شده معمولاً یک سری پرتوهای نور است اما می تواند یک ماتریس نقطه تصادفی نیز باشد.

از مزایای اصلی فناوری نور ساختاریافته برای اسکن سه بعدی سرعت و وضوح آن است و از نور غیر مضر آن می توان برای اسکن سه بعدی بدن استفاده کرد.

با این حال، اسکنرهای سه بعدی نور ساختاریافته به شرایط نور حساس هستند و در روز روشن برای کار در فضای باز مشکل دارند.

فناوری اسکن سه بعدی فتوگرامتری (عکاسی)

فتوگرامتری علم اندازه گیری از عکس ها است، به ویژه برای بازیابی موقعیت دقیق نقاط سطح. فتوگرامتری مبتنی بر ترکیبی از بینایی کامپیوتری و الگوریتم‌های هندسه محاسباتی قدرتمند است.

اصل فتوگرامتری تجزیه و تحلیل چندین عکس از یک سوژه ثابت است که از دیدگاه‌های مختلف گرفته شده است و به طور خودکار پیکسل‌های مربوط به یک نقطه فیزیکی منحصر به فرد را تشخیص می‌دهد.

چالش اصلی این فناوریِ اسکن سه بعدی، بررسی ده ها یا صدها عکس و هزاران نقطه با دقت بالا است. برای اجرای چنین الگوریتم های فتوگرامتری، به یک کامپیوتر بسیار قدرتمند نیاز است.

مزایای اصلی فناوری اسکن سه بعدی فتوگرامتری، سرعت اکتساب و توانایی آن در انتخاب رنگ ها و بافت ها است. فناوری فتوگرامتری همچنین می‌تواند سوژه‌ها را در مقیاس‌های بزرگ بازسازی کند، مانند مناظر یا بناهایی که از زمین یا از هوا عکس‌برداری شده‌اند، برای مثال، توسط پهپاد عکاسی.

کیفیت نتایج تولید شده توسط فناوری فتوگرامتری به وضوح عکس های ورودی بستگی دارد. این فناوری همچنین می تواند بسیار کند باشد، بسته به نرم افزار و تنظیمات رایانه شخصی شما.

فناوری اسکن سه بعدی مبتنی بر تماس

اسکن سه بعدی مبتنی بر تماس با نام دیجیتالی کردن نیز شناخته می شود. این فناوری اسکن سه بعدی شامل یک فرم مبتنی بر تماس از جمع آوری داده های سه بعدی است.

اسکنرهای سه‌بعدی تماس، سوژه را از طریق لمس فیزیکی بررسی می‌کنند، در حالی که جسم محکم در جای خود نگه داشته می‌شود. یک کاوشگر لمسی در امتداد سطح حرکت می کند تا اطلاعات سه بعدی را ثبت کند. کاوشگر گاهی اوقات به یک بازوی مفصلی متصل می شود که قادر به جمع آوری تمام تنظیمات و زوایای مربوطه برای دقت بیشتر است.

برخی از پیکربندی‌های خاص اسکنرهای سه بعدی مبتنی بر تماس، ماشین‌های اندازه‌گیری مختصات (Coordinate Measuring Machines (CMM)) نامیده می‌شوند.

اسکن سه بعدی تماسی به طور گسترده ای برای انجام کنترل کیفیت پس از ساخت یا در حین عملیات تعمیر و نگهداری استفاده می شود. مزایای اصلی فناوری تماس برای اسکن سه بعدی، دقت و توانایی آن در اسکن سه بعدی سطوح شفاف یا بازتابنده است.

نقاط ضعف فناوری اسکن سه بعدی تماسی شامل سرعت پایین و ناتوانی در کار با اشکال ارگانیک و آزاد است.

فناوری اسکن سه بعدی مبتنی بر پالس لیزری

اسکنرهای سه بعدی مبتنی بر پالس لیزری که به اسکنرهای زمان پرواز یا اسکنرهای سه بعدی لیزری لیدار نیز معروف هستند، مدت زمانی را که لیزر ریخته شده طول می‌کشد تا به یک جسم برخورد کند و برگردد، اندازه‌گیری می‌کند.

از آن جایی که سرعت نور دقیقاً مشخص است، مدت زمانی که طول می کشد تا لیزر تمام مسیر را به عقب برگردد، فاصله دقیق بین اسکنر سه بعدی و جسم را نشان می دهد. برای اندازه‌گیری دقیق فاصله، اسکنر سه‌بعدی میلیون‌ها پالس لیزری را با دقتی تا حد پیکو ثانیه محاسبه می‌کند (1 پیکوثانیه برابر با 0.000000000001 ثانیه است).

از آن جایی که هر اندازه گیری فقط یک نقطه را جمع آوری می کند، اسکنر سه بعدی باید لیزر خود را 360 درجه در اطراف آن نقطه پرتاب کند. برای انجام این کار، اسکنر سه بعدی معمولاً با آینه ای تعبیه می شود که جهت لیزر را تغییر می دهد.

اسکنرهای سه بعدی Time-of-Flight، هم لیزرهای پالس لیزری و هم لیزرهای شیفت فاز را در بر می گیرند. اسکنرهای سه بعدی لیزری شیفت فاز زیر مجموعه ای از اسکنرهای سه بعدی پالس لیزری هستند. سیستم های تغییر فاز علاوه بر پالس لیزر، قدرت پرتو لیزر را نیز تعدیل می کنند. لیزرهای تغییر فاز عملکرد کلی بهتری را ارائه می دهند.

مزیت اصلی اسکنرهای سه بعدی پالس لیزری توانایی آنها در اسکن سه بعدی اجسام و محیط های بسیار بزرگ است. با این حال، آنها بسیار کند هستند.

فناوری پالس لیزر اغلب توسط اسکنرهای سه بعدی لیزری زمینی استفاده می شود که عمدتاً برای نقشه برداری زمین یا اسکن سه بعدی کل ساختمان ها هستند. برخی از اسکنرهای سه بعدی پالس لیزری همچنین از الگوریتم‌های SLAM پویا استفاده می‌کنند تا توانایی خود را در تشخیص محیط اطراف خود افزایش دهند.
اسکن سه بعدی فرآیندی است برای تجزیه و تحلیل یک شیء از دنیای واقعی، برای جمع آوری تمام داده ها به منظور بازسازی شکل و ظاهر آن به صورت دیجیتالی. همان طور که دیدیم ماشین ها و روش های مختلفی برای اسکن سه بعدی اشیاء وجود دارد. شاید ندانید، اما راه های مختلفی برای ایجاد نسخه دیجیتالی یک شیء واقعی وجود دارد. جزئیاتی از نحوه عملکرد هر یک از آنها را دیدیم. روش‌های اسکن سه‌بعدی بسیار زیادی وجود دارد، اما با تأکید مجدد، به سه مورد از آنها به عنوان اصلی‌ترین آنها مجدداً نظر می افکنیم: اسکن سه بعدی لیزری، فتوگرامتری و اسکن نور ساختاریافته. انتخاب تکنیک اسکن سه بعدی با توجه به پروژه شما یا زمینه آن انجام می شود.

اسکن سه بعدی لیزری

اسکن سه بعدی لیزری مطمئناً رایج ترین و مورد استفاده ترین روش اسکن سه بعدی است. تصویرگیری دیجیتالی جسم با استفاده از نور لیزر برای به دست آوردن نمایش دیجیتالی از شیء واقعی. این اسکنرهای سه بعدی قادر به اندازه گیری جزئیات بسیار ظریف و گرفتن اشکال آزاد برای تولید ابرهای نقطه ای بسیار دقیق هستند.

این تکنیک اسکن لیزری برای اندازه گیری و بازرسی هندسه های پیچیده عالی است. این اجازه می دهد تا اندازه گیری ها و داده ها را از جایی که با روش های سنتی غیر عملی است دریافت کنید!

اسکنر با استفاده از نور لیزر کمی شبیه دوربین است: فقط می تواند آنچه را که در میدان دید خود است ثبت کند. با این فرآیند، یک نقطه یا خط لیزری بر روی یک جسم از دستگاه پخش می شود و یک سنسور فاصله تا سطح این جسم را اندازه می گیرد.

با پردازش این داده ها، می توان آن را به یک مش مثلثی و سپس یک مدل CAD تبدیل کرد.

فتوگرامتری

فتوگرامتری علم اندازه گیری از روی عکس است. این روش از اختلاف منظر به دست آمده بین چندین عکس که از دیدگاه های مختلف گرفته شده است استفاده می کند. از فتوگرامتری می توان برای ثبت میدان های حرکتی پیچیده دو بعدی و سه بعدی استفاده کرد. از استریوسکوپی بینایی انسان دوچشمی تقلید می کند و برای به دست آوردن تمام اطلاعات اشیاء فیزیکی موجود استفاده می شود. در واقع، این فرآیند داده‌های مربوط به شکل، حجم و عمق موضوعی را که می‌خواهید اسکن کنید، جمع‌آوری می‌کند.

این روشی است که برای تبدیل چندین عکس به یک طراحی سه بعدی دقیق از آن استفاده می شود. این روش اجازه نمی دهد که دقیق ترین نتیجه را به دست آورید، اما با استفاده از نرم افزار فتوگرامتریِ خوب می توانید در واقع به نتیجه رضایت بخشی برسید!

اسکن نور ساختار یافته

با استفاده از این روشِ اسکن نور ساختاریافته، یکی از موقعیت‌های دوربین که در روش‌های اسکن قبلی استفاده می‌شد، در واقع با پروژکتوری جایگزین می‌شود که الگوهای مختلف نور را بر روی سطح یک جسم پخش می‌کند. روشی که اشیاء این الگوها را تحریف می‌کنند، ثبت می‌شود و این، امکان ایجاد اسکن سه بعدی را فراهم می‌کند.

فرآیند اسکن نور ساختار یافته در فناوری های تشخیص چهره یا محیط استفاده می شود.

چگونه از اسکن سه بعدی استفاده کنیم؟

اسکن سه بعدی، اگر فقط می خواهید یک شیء موجود را بازسازی کنید، می تواند یک تکنیک سریعتر و ساده تر برای ایجاد یک مدل سه بعدی برای چاپ سه بعدی باشد. هنگامی که مدل سه بعدی خود را دارید، می توانید تغییراتی را به آن اضافه کنید، در واقع می تواند پایه ای عالی برای شروع پروژه شما باشد.

کاربرد این اسکن های سه بعدی چیست؟ بخش پزشکی واقعاً از این فناوری اسکن بهترین استفاده را می‌کند. همچنین به اندازه گیری و ایجاد پروتزهای ساخته شده برای بیماران از اسکن سه بعدی کمک می کند. استفاده از اسکن سه بعدی در بخش دندانپزشکی بسیار رایج است، به عنوان مثال، برای مشاهده، شبیه سازی گزینه ها، یا حتی ایجاد برخی از دستگاه های دندانی مانند بریس، ایمپلنت و دندان مصنوعی. استفاده از اسکن سه بعدی و پرینت سه بعدی برای جلوگیری از تمام معایب قالب ها و کل فرآیند ایجاد این قالب ها عالی است.

اسکن سه بعدی مزایای زیادی دارد. حتی راه حلی برای داده های موجودی است که بعداً می توانیم از آن استفاده کنیم. آیا می‌دانید که برخی از اسکن‌های سه‌بعدی نوتردام، کلیسای جامع فرانسوی که در 15 آوریل 2019 بخشی از آن سوخت، می‌تواند برای بازسازی آن استفاده شود؟ اسکن سه بعدی پتانسیل های زیادی دارد.

منبع: آنیوا، sculpteo