Структурированное световое 3D-сканирование: что это и как работает?

3D-сканирование существует уже довольно давно, но в последние годы популярность этой технологии резко возросла. В настоящее время мы можем видеть использование 3D-сканирования в промышленных прототипах, сохранении исторических артефактов, создании фильмов и разработках видеоигр. Достижения в технологии 3D-сканирования даже сделали возможным сканирование объекта с помощью только вашего смартфона.

В этой статье мы осветим одну из наиболее распространенных технологий 3D-сканирования: сканирование структурированным светом. Как работает этот процесс и в чем его преимущество перед другими методами 3D-сканирования?

Что такое 3D-сканирование структурированного света?

Структурированное световое сканирование – это технология 3D-сканирования, в которой используется один источник света, проецирующий на объект несколько линий, каждая из которых одновременно отслеживается камера или несколько камер. В этом отличие от лазерного сканера, который излучает несколько лазерных точек на объекте одну за другой.

Основы для 3D-сканирования со структурированным светом существуют уже несколько десятилетий, хотя ранние модели часто использовались сырая, слишком большая и дорогая и трудная в использовании. К концу 90-х годов достижения в области компьютерных технологий и технологий камеры сделали трехмерное сканирование со структурированным светом более практичным и доступным для небольших исследований, коммерческих фирм и обычных пользователей.

Концепция триангуляции

Как и другие технологии 3D-сканирования, 3D-сканирование со структурированным светом основанный на концепции триангуляции. Путем излучения луча света на любую точку объекта и выполнения трех измерений точки (включая расстояние и угол) можно определить точное положение пространства точек. Этот базовый тригонометрический принцип лежит в основе всех технологий 3D-сканирования, которые зависят от стационарного источника света.

Самым простым применением триангуляции является использование одной лазерной указки для 3D-сканирования. Лазерный луч излучается в точку объекта, местоположение которой сканируется двумя или более камерами. Объединив сканированное местоположение с обеих камер и расстояние между камерами друг от друга, можно определить абсолютное местоположение точки в пространстве.

Обратной стороной использования лазерной указки для 3D-сканирования является что каждую точку нужно измерять отдельно. Это может быть излишне трудоемким процессом. Тот факт, что камеры могут захватывать несколько точек данных одновременно, является прорывом, который привел к 3D-сканированию структурированного света: вместо использования нескольких лазерных точек можно использовать один луч света для создания модели всего объекта сразу.

Как работает 3D-сканирование структурированного света?

Проецирования единственного луча света с равномерной интенсивностью будет недостаточно для 3D-сканирования объекта – в противном случае, у нас у всех были бы 3D-сканеры в наших домах. Это связано с тем, что одиночный луч света – или даже равномерный градиент от черного к белому – не сможет уловить глубину отдельных объектов, поскольку он не отражает падение интенсивности света из-за расстояния.

Чтобы устранить этот пробел, структурированное световое сканирование проецирует точно откалиброванный узор из чередующихся полос световых градиентов на объектах. Очень постепенный переход от одной полосы к другой позволяет камерам различать различные значения глубины элементов объекта, создавая более точную трехмерную модель.

Создание узора полос может быть Это можно сделать двумя способами: разрешить пересечение двух фронтов лазерного луча или просто использовать один источник света, который проходит через цифровой пространственный модулятор света. В любом случае, в результате получается узор с равномерными и равноудаленными световыми полосами.

В большинстве случаев при сканировании структурированного света используется белый свет, поскольку он более доступен. Однако синий свет стал новым стандартом из-за его более высокой точности и его способности минимизировать эффекты отражений и прозрачности.

Создание 3D-модели из рисунка, созданного сканированием структурированного света, не является простой вопрос и потребует использования сложного алгоритма разворачивания фазы. Это должно быть встроенной функцией большинства платформ 3D-сканирования, качество результатов которой играет огромную роль в качестве созданной модели.

Чем структурированный свет отличается от других методов сканирования 3D-сканирование?

Структурированное световое сканирование стало одним из самых популярных методов 3D-сканирования как для обычных, так и для коммерческих пользователей из-за того, насколько легко это можно сделать в сравнении с качеством получаемых результатов. Среди других его сильных сторон:

1. Более точный, чем методы времени пролета

Другой метод 3D-сканирования, называемый временем пролета, основан на времени, которое требуется для того, чтобы один луч света отразился от объекта. сканируется и регистрируется датчиком. У лазерных импульсных технологий есть свои применения (как мы увидим позже), но им часто приходится идти на компромисс с точностью.

2. Быстрее, чем лазерное сканирование

В области стационарных или портативных 3D-сканеров это просто выбор между лазерным сканированием или методами сканирования структурированным светом. Хотя оба этих метода очень точны при создании 3D-моделей из реальных объектов, время, необходимое для завершения сканирования одного и того же объекта, может быть совершенно разным.

При лазерном сканировании один лазерный луч будет поражать объект в разных точках, положение которых фиксируется камерами. Это означает, что для создания всей модели процесс придется повторить несколько раз. В отличие от этого, камеры, используемые при сканировании структурированного света, принимают всю необходимую информацию сразу, так что вы можете перейти к обработке всего за несколько секунд.

3. Можно превратить в портативное устройство

Это то, что характерно как для лазерного сканирования, так и для сканирования структурированным светом: теперь есть устройства, использующие эти технологии для 3D-сканирования, которые достаточно малы, чтобы их можно было носить с собой. Эти портативные 3D-сканеры – относительно новая вещь, благодаря которой 3D-сканирование стало намного доступнее для всех. Конечно, эти сканеры недешевы – вы можете рассчитывать выложить более 1000 долларов за настольную версию, но более профессиональные модели могут стоить до 30,00 долларов.

Проблемы структурирования легкое 3D сканирование

1. Чувствительность к факторам окружающей среды

Как и другие технологии 3D-сканирования, основанные на оптических датчиках, сканирование с помощью структурированного света может быть чрезвычайно трудным в менее чем идеальных условиях окружающей среды. Сканирования объекта с тенями или просто наличия другого источника света в окрестностях может быть достаточно, чтобы нарушить алгоритм сканера структурированного света, что приведет к неудовлетворительным результатам.

2. Чувствительность к прозрачным или отражающим материалам

То, как падающий свет отражается на сканируемых объектах, является основным источником информации, которую сканер структурированного света обрабатывает и использует для создания модели. Таким образом, любые неожиданные взаимодействия между светом и объектом почти наверняка вызовут проблемы.

Прозрачные или полупрозрачные поверхности могут привести к потере деталей в модели, отражающие поверхности могут привести к отражению света подальше от камеры. Есть быстрые решения этих проблем, такие как использование одностороннего рассеивателя между источником света и объектом для устранения эффектов отражения. В случае полупрозрачных поверхностей нанесение на объект тонкого непрозрачного лака является обычным способом сохранить точность модели.

3. Невозможно использовать для больших объектов

Ручные и настольные сканеры отлично подходят для объектов, которые вы можете разместить на рабочем столе, но у вас просто нет возможности использовать их на зданиях, домах и т. Д. памятники. Для крупномасштабного 3D-сканирования вам придется полагаться на другие методы, такие как LiDAR или фотограмметрия.

Применение структурированного светового 3D-сканирования

Простота Использование структурированного светового сканирования и точность его результатов сделали его очень популярным методом 3D-сканирования в нескольких отраслях промышленности.. Некоторые из наиболее заметных его применений включают:

• Обратный инжиниринг объектов для получения данных САПР.
• Измерение объема сложных инженерных деталей.
• Документирование культурных и исторических артефактов
• Захват движения и окружающей среды для игр с дополненной реальностью
• Измерения тела для розничной торговли модной одеждой
• Автоматическая оптическая проверка на высокоскоростных производственных линиях.
• Измерение поверхности кожи для исследований и разработок косметики
• Измерение морщин на различных типах тканей
• Системы обнаружения препятствий на беспилотных летательных аппаратах, то есть система Intel RealSense, используемая Yuneec.
• Системы распознавания лиц

Тот факт, что технология структурированного освещения может быть уменьшена в карманные устройства означает, что, вероятно, существует больше возможностей для этого метода, которые еще предстоит открыть. Поскольку все любители и случайные пользователи будут вовлечены в работу, мы можем ожидать более интересных применений этой технологии в ближайшие годы.

Заключительные мысли

Структурированное световое сканирование это только один из нескольких способов, с помощью которых мы можем превратить реальные объекты в трехмерные данные, которыми можно манипулировать и воспроизводить с помощью компьютерного программного обеспечения. Это также один из простейших методов, который, вероятно, является одной из основных причин, почему он так долго держится и продолжает развиваться.