Uno scanner tridimensionale è un'acquisizione di scansione e 3D
Uno scanner tridimensionale è un'acquisizione di scansione e 3D

Scanner 3D


Uno scanner tridimensionale è un dispositivo che analizza gli oggetti o loro ambiente immediato per raccogliere informazioni specifiche sulla forma e possibilmente l'aspetto (colore, texture) di questi. I dati raccolti sono poi utilizzabile per creare CGI tridimensionale (oggetti digitali) per vari scopi.

Questi dispositivi sono molto utilizzati dalle industrie di intrattenimento per film o videogiochi. Immagini digitali di oggetti in 3D sono utilizzate anche per il disegno industriale, la progettazione di protesi, reverse engineering, per il controllo qualità (digital repository) o per la documentazione dei beni culturali.

Scanner di sans-contatti possono essere suddivisi in due categorie principali, scanner attivo e passivo. Essi si assumono in molte sottocategorie in base il loro principio tecnologico.







Questo scanner può essere utilizzato per eseguire la scansione edifici
Questo scanner può essere utilizzato per eseguire la scansione edifici

Scanner di tempo di volo


Questo scanner Lidar può essere utilizzato per scansione edifici, formazioni geologiche, ecc al fine di produrre un modello in tre dimensioni. Il suo raggio è regolabile su un orizzonte molto vasto : grazie alla rotazione orizzontale della testa, uno specchio lo dirige verticalmente. Il raggio laser è utilizzato per misurare la distanza con il primo fascio di taglio oggetto


Lo scanner 3D Lidar è un dispositivo attivo che utilizza un raggio laser per sondare il soggetto. Il cuore di questo tipo di scanner è un telemetro laser per determinare la distanza dalla superficie dell'oggetto studiato contando il tempo necessario per il ritorno dell'impulso del fascio laser riflessa.

Poiché la velocità della luce c è noto, il tempo di andata e ritorno per determinare la distanza percorsa dalla luce, che è due volte la distanza tra lo scanner e la superficie. Naturalmente, la precisione dello scanner di tempo di volo dipende dalla precisione della misurazione del tempo di ritorno t, sapendo che 3,3 picosecondi è circa il tempo impiegato dalla luce per viaggiare un millimetro.


Il telemetro laser rileva un solo punto alla volta nella direzione che sta puntando. Per questo, il dispositivo analizza tutti del suo campo di vista punto per punto e deve cambiare la sua direzione di vista ad ogni misura. Può essere modificato mediante la rotazione della fotocamera stessa o utilizzando un sistema di specchi a rotazione. Quest'ultimo metodo è il più comunemente usato perché gli specchi sono più leggeri e possono cambiare direzione più velocemente con più precisione.
Tempo di scanner 3D di volo in grado di misurare la distanza da 10 000 a 100 000 punti al secondo.









Lo scanner emette un raggio laser, che, a contatto con l'oggetto, si riflette per il laser scanner
Lo scanner emette un raggio laser, che, a contatto con l'oggetto, si riflette per il laser scanner

Scanner di sfasamento


Un'altra tecnologia utilizzata da scanner laser per misurare le distanze è la misura di spostamento di fase. Lo scanner emette un raggio laser, che, a contatto con l'oggetto, si riflette per il laser scanner. La lunghezza d'onda dell'emissione laser varia a seconda del provider. Lo specchio dello scanner restituisce il fascio laser verticalmente verso lo stesso oggetto. L'angolo verticale è codificato allo stesso tempo come la misurazione della distanza.


Il laser scanner ruota di 360 ° su se stessa in orizzontale. L'angolo orizzontale è calcolato simultaneamente con la misurazione della distanza. La distanza e l'angolo verticale e orizzontale danno una coordinata polare (δ, α, β) che viene convertita in coordinate cartesiane (x, y, z). Alcuni scanner laser utilizza la tecnologia di misura di spostamento di fase per misurare la distanza ad una superficie. Il dispositivo proietta un raggio laser infrarosso che restituisce allo scanner di riflessione. Calcola la distanza millimetrica analizzando lo sfasamento tra il fascio emesso e ricevuto RADIUS.
Il laser di un'onda sinusoidale noto viene trasmesso da una sorgente laser.


È la 'luce'. Parte del fascio laser è riflessa dalla destinazione all'origine. Si chiama \back light\. La fase di questa \luce posteriore\ viene confrontata con che della luce emessa conosciuto per determinare la storia' luce'. La differenza tra le due cime è chiamata \sfasamento\. Lo sfasamento ottenuto corrisponde a 2 π x tempo di volo x la frequenza di modulazione. Scanner di spostamento di fase sono solitamente più veloce e più preciso 3D nel tempo degli scanner laser di volo, ma hanno un ambito più ristretto.









Il laser scanner di triangolazione è uno scanner attivo che usi laser luce per sondare il suo ambiente
Il laser scanner di triangolazione è uno scanner attivo che usi laser luce per sondare il suo ambiente

Da scanner di triangolazione


Principio di un rilevatore di triangolazione laser. Due posizioni dell'oggetto vengono visualizzati.

Il laser scanner di triangolazione è uno scanner attivo che anche usi laser luce per sondare il suo ambiente. Indica il soggetto con un fascio per quanto riguarda uno di tempo di volo e utilizza una telecamera per individuare il punto. A seconda della distanza ad una superficie, viene visualizzato il punto in un posto diverso nel campo visivo della telecamera. Questa tecnica è chiamata triangolazione perché il punto laser, la fotocamera e l'emettitore laser formano un triangolo. La lunghezza di un lato del triangolo, la distanza tra la fotocamera e il trasmettitore laser è noto.
L'angolo sul lato del trasmettitore laser è anche noto.

L'angolo sul lato della fotocamera può essere determinata osservando la posizione del punto laser nel campo visivo della telecamera. Questi tre dati determinano la forma e le dimensioni del triangolo e dare la posizione del punto laser. Nella maggior parte dei casi, un laser invece un periodo band, analizza l'oggetto per accelerare il processo di acquisizione. Il Consiglio nazionale delle ricerche il Canada è stato tra i primi istituti di sviluppare una tecnologia di scansione basato su triangolazione in 19782.








In un sistema conoscopica un fascio laser è proiettato su una superficie
In un sistema conoscopica un fascio laser è proiettato su una superficie

Olografia conoscopica


In un sistema di conoscopica che un fascio laser è proiettato su una superficie, quindi pensare attraverso lo stesso raggio passa attraverso un cristallo birifrangente e viene inviato su un sensore CDD.
La frequenza dei reticoli di diffrazione possa essere analizzata e utilizzata per determinare la distanza dalla superficie. Il vantaggio principale di olografia conoscopica è collinearità, cioè un singolo fascio (andata e ritorno) è necessario per eseguire la misurazione, per misurare ad esempio la profondità di un buco forato finemente che è Impossibile di triangolazione.









Scanner laser manuale creare immagini dal principio della triangolazione 3D
Scanner laser manuale creare immagini dal principio della triangolazione 3D

Scanner manuale


Manuale laser scanner creano immagini 3D dal principio di triangolazione sopra descritto : un punto o una linea laser è proiettata su un oggetto utilizzando un dispositivo manuale e un sensore (in genere un CDD sensore o posizione dispositivo sensibile) misura la distanza dalla superficie.


Posizioni vengono salvati in un sistema di coordinate interne e lo scanner stesso essendo spostando la sua posizione deve essere misurato. La posizione può essere determinata dallo scanner utilizzando punti di riferimento caratteristici sulla superficie analizzata (in genere di strisce riflettenti adesive) o utilizzando un metodo di puntamento esterno. L'unità responsabile per questa identificazione è disponibile in forma di una macchina di misura tridimensionale dotata di una fotocamera incorporata (per impostare l'orientamento dello scanner) o come un dispositivo per fotogrammetria utilizzando tre o più telecamere, permettendo i sei gradi di libertà dello scanner.


Entrambe le tecniche tendono ad usare LED infrarossi incorporati allo scanner che sono percepiti dalla (fotocamera (s) attraverso i filtri per vedere loro malgrado un'illuminazione ambiente.
Le informazioni sono raccolte da un computer e salvate come le coordinate di punti nello spazio tridimensionale, mediante elaborazione elettronica, questi possono essere convertiti tramite la triangolazione in una tela e poi in un modello di computer, spesso sotto forma di superfici NURBS. Scanner laser portatili può combinare questi dati con recettori passivi di luce visibile - che registrano le texture e i colori - a ripristino (Vedi il reverse engineering) completare una modellazione nel modello 3D.










Scanner 3D a luce strutturata di progetto un reticolo luminoso sul tema
Scanner 3D a luce strutturata di progetto un reticolo luminoso sul tema

Scanner a luce strutturato


Scanner 3D a luce strutturata di progetto un reticolo luminoso sul tema e di osservare la deformazione. Il modello può essere a una o due dimensioni.

Esempio di una riga come un terreno di unidimensionale. È proiettato sull'argomento utilizzando un proiettore LCD o laser. A leggermente la fotocamera proiettore di offset, registra i suoi possibili deformazioni. Una tecnica simile a triangolazione viene utilizzata per calcolare la distanza e quindi la posizione dei punti che rappresentano. Terra spazza il campo di visibilità al fine di salvare un gruppo alla volta, informazioni sulle distanze.

Ora prendiamo l'esempio di una griglia o un motivo a forma di striscia. Una telecamera viene utilizzata per registrare le deformazioni e un programma per computer complessi viene utilizzato per calcolare le distanze dei punti che compongono quel terreno. La complessità è dovuto all'ambiguità. Prendete un gruppo di strisce verticali spazzare orizzontalmente un argomento. Nel caso più semplice, l'analisi si basa sulla presunzione che la sequenza di bande visibili da sinistra a destra corrisponde l'immagine proiettata laser in modo tale che l'immagine della band il più a sinistra è la prima proiezione laser, il seguente è il secondo e così via.

Nel caso di obiettivi non-pese con fori, alcune occlusioni, profondità rapidi cambiamenti, tuttavia, l'ordine è necessariamente verificato che le bande sono spesso nascosti e potrebbero addirittura apparire in un ordine diverso, dando luogo a un'ambiguità nei laser di bande.

Questo specifico problema è stato risolto recentemente da una tecnologia avanzata chiamata Multistripe laser Triangulation (MLT). La scansione 3D luce strutturata è ancora un'area attiva di ricerca, dando luogo a un numero di pubblicazioni ogni anno.

Il momento clou del scanner 3D a luce strutturata è la velocità. Invece di scansione un punto alla volta, scansionano l'intero campo visivo allo stesso tempo. Questo limita o Elimina i problemi di distorsione legate al movimento. I sistemi esistenti sono in grado di eseguire la scansione di oggetti in movimento in tempo reale. Recentemente, la canzone Zhang e Peisen Huang da Stony Brook University hanno sviluppato una scansione in tempo reale utilizzando una proiezione digitale frangia e una tecnica di modulazione di fase (un altro metodo di luce strutturata).
Questo sistema è in grado di acquisire, ricostruire e ripristinare i dettagli degli oggetti deformante nel tempo (come un'espressione facciale) ad una frequenza di 40 fotogrammi al secondo.









Gli scanner 3D a luce modulato illuminare il soggetto utilizzando una luce cangiante
Gli scanner 3D a luce modulato illuminare il soggetto utilizzando una luce cangiante

Scanner a luce modulato


Gli scanner 3D a luce modulato illuminare il soggetto utilizzando una luce che cambia. Di solito, la sorgente di luce ha un ciclo di cui l'ampiezza descrive un modello sinusoidale. Una telecamera rileva la luce riflessa, misura l'importanza della sua variazione e determina che la distanza la luce ha viaggiato.
La luce modulata consente inoltre lo scanner ignorare la fonte di luce diverso da un laser, cosicché non c'è nessuna interferenza.









Il passivo scanner 3D non a contatto si basano sulla rilevazione di radiazione ambiente riflessa
Il passivo scanner 3D non a contatto si basano sulla rilevazione di radiazione ambiente riflessa

Scanner senza contatto passivo


Passivo scanner senza contatto, essendo rilascio qualunque tipo di radiazione, si basano sulla rilevazione di radiazione ambiente riflessa. Maggior parte degli scanner di questo tipo rilevano la luce visibile perché è immediatamente disponibile. Altri tipi di radiazioni, come infrarossi possono anche essere usato. Metodi passivi possono essere a buon mercato, perché nella maggior parte dei casi non richiedono un programma specifico dispositivo.









Gli scanner 3D stereoscopici utilizzando due videocamere
Gli scanner 3D stereoscopici utilizzando due videocamere

Scanner stereoscopici


Video di solito due telecamere sistemi stereoscopici, leggermente divaricati, indicando la stessa scena. Analizzando le lievi differenze tra le immagini dei due dispositivi, è possibile determinare la distanza di ogni punto dell'immagine. Questo metodo si basa sulla visione stereoscopica humaine5.









Questi tipi di scanner 3D utilizzare profili creati da una sequenza di foto scattate intorno a un oggetto in tre dimensioni
Questi tipi di scanner 3D utilizzare profili creati da una sequenza di foto scattate intorno a un oggetto in tre dimensioni

Scanner di sagoma


Questi tipi di scanner 3D utilizzano profili creati da una sequenza di foto scattate intorno a un oggetto in tre dimensioni contro uno sfondo contrastante. Queste silhouette sono staccate dal loro background e assemblate a vicenda nella posizione dell'asse di rotazione della fotocamera per formare un \Visual hull\ un'approssimazione dell'oggetto. Con questo tipo di tecniche di tutti i tipi di concavità dell'oggetto - come l'interno di una ciotola - non vengono rilevati.


Scanner che cercano l'assistenza dell'utente
Ci sono altri metodi, basate sulla rilevazione e identificazione assistito le caratteristiche utente e forma una serie di immagini diverse di un oggetto, che consentono di costruire un'approssimazione di essa. Questo tipo di tecnologia è utile per ottenere rapidamente un'approssimazione di un oggetto composto da forme semplici come edifici. Vari software commerciali sono come capace iModeller, D-Sculptor ou RealViz-ImageModeler.

Questi tipi di scanner 3D si basano sui principi della fotogrammetria. In qualche modo utilizzino una metodologia simile alla fotografia panoramica, con questo invece di prendere le immagini da un punto fisso per scattare una foto panoramica, una serie di immagini da diversi punti è preso da un oggetto fisso di replicarlo.

Modellazione dei dati raccolti da scanner
Le nuvole di punti prodotti da scanner 3D spesso non sono utilizzabili come cosa. Maggior parte delle applicazioni non utilizzare direttamente, ma utilizzare invece un modello 3D. Ciò significa, ad esempio, nel contesto di un 3D poligonale modellazione per determinare e connettere punti adiacenti per creare una superficie continua. Un gran numero di algoritmi è disponibile per questo lavoro (per esempio, photomodeler, imagemodel).