3D-Scannen ist der Prozess der Analyse eines realen Objekts oder einer Umgebung, um dreidimensionale Daten über dessen Form und möglicherweise dessen Erscheinungsbild, wie Farbe, zu sammeln. Die gesammelten Daten können anschließend verwendet werden, um digitale 3D-Modelle zu konstruieren. Ein 3D-Scanner kann auf vielen verschiedenen Technologien basieren, jede mit ihren eigenen Einschränkungen, Vorteilen und Kosten. Es gibt weiterhin viele Einschränkungen bei der Art von Objekten, die digitalisiert werden können. Beispielsweise kann optische Technologie bei dunklen, glänzenden, reflektierenden oder transparenten Objekten auf Schwierigkeiten stoßen, während industrielle Computertomographie, Streifenlicht-3D-Scanner, LiDAR und Time-of-Flight-3D-Scanner verwendet werden können, um digitale 3D-Modelle ohne zerstörende Prüfung zu konstruieren.
Gesammelte 3D-Daten sind für eine Vielzahl von Anwendungen nützlich. Diese Geräte werden von der Unterhaltungsindustrie umfassend bei der Produktion von Filmen und Videospielen eingesetzt, einschließlich virtueller Realität. Weitere häufige Anwendungen dieser Technologie umfassen erweiterte Realität, Bewegungserfassung, Gestenerkennung, Roboterkartierung, Industriedesign, Orthopädie und Prothetik, Reverse Engineering und Prototyping, Qualitätskontrolle und Inspektion sowie die Digitalisierung kultureller Artefakte.
Funktionsweise
Der Zweck eines 3D-Scanners besteht in der Regel darin, ein 3D-Modell zu erstellen. Dieses 3D-Modell besteht aus einem Polygonnetz oder einer Punktwolke geometrischer Abtastpunkte auf der Oberfläche des Objekts. Diese Punkte können dann verwendet werden, um die Form des Objekts zu extrapolieren, ein Prozess, der als Rekonstruktion bezeichnet wird. Wenn an jedem Punkt Farbinformationen gesammelt werden, können auch die Farben oder Texturen auf der Oberfläche des Objekts bestimmt werden.
3D-Scanner teilen mehrere Eigenschaften mit Kameras. Wie die meisten Kameras haben sie ein kegelförmiges Sichtfeld, und wie Kameras können sie nur Informationen über Oberflächen sammeln, die nicht verdeckt sind. Während eine Kamera Farbinformationen über Oberflächen in ihrem Sichtfeld sammelt, sammelt ein 3D-Scanner Entfernungsinformationen über Oberflächen in seinem Sichtfeld. Das „Bild“, das von einem 3D-Scanner erzeugt wird, beschreibt die Entfernung zu einer Oberfläche an jedem Punkt im Bild, wodurch die dreidimensionale Position jedes Punktes identifiziert werden kann.
In manchen Situationen erzeugt ein einzelner Scan kein vollständiges Modell des Objekts. Mehrere Scans aus verschiedenen Richtungen sind in der Regel hilfreich, um Informationen über alle Seiten des Objekts zu erhalten. Diese Scans müssen in ein gemeinsames Referenzsystem gebracht werden, ein Prozess, der üblicherweise als Ausrichtung oder Registrierung bezeichnet wird, und dann zusammengeführt werden, um ein vollständiges 3D-Modell zu erstellen. Dieser gesamte Prozess, von der einzelnen Entfernungskarte bis zum vollständigen Modell, wird üblicherweise als 3D-Scan-Pipeline bezeichnet.
Kontakttechnologien
Kontakt-3D-Scanner funktionieren, indem sie das Bauteil physisch abtasten und die Position des Sensors aufzeichnen, während sich der Tastkopf um das Bauteil bewegt. Es gibt zwei Haupttypen von Kontakt-3D-Scannern: Koordinatenmessgeräte (KMG) und Gelenkarme.
Koordinatenmessgeräte haben traditionell drei senkrecht zueinander bewegliche Achsen mit einem Tastkopf, der auf der Z-Achse montiert ist. Während sich der Tastkopf um das Bauteil bewegt, zeichnen Sensoren auf jeder Achse die Position auf, um XYZ-Koordinaten zu erzeugen. Moderne KMG sind Fünf-Achsen-Systeme, wobei die zwei zusätzlichen Achsen durch schwenkbare Sensorköpfe bereitgestellt werden. KMG sind die genaueste Form der 3D-Messung und erreichen Mikrometer-Präzision. Der größte Vorteil eines KMG nach der Genauigkeit ist, dass es im autonomen (CNC-)Modus oder als manuelles Tastsystem betrieben werden kann. Die Nachteile von KMG sind ihre Anschaffungskosten und das technische Wissen, das für ihren Betrieb erforderlich ist.
Gelenkarme haben in der Regel mehrere Segmente mit polaren Sensoren an jedem Gelenk. Während sich der Gelenkarm um das Bauteil bewegt, zeichnen Sensoren ihre Position auf, und die Position des Endes des Arms wird mithilfe komplexer Mathematik sowie des Handgelenk-Drehwinkels und des Gelenkwinkels jedes Gelenks berechnet. Obwohl sie normalerweise nicht so genau sind wie KMG, erreichen Gelenkarme dennoch eine hohe Genauigkeit und sind billiger und etwas einfacher zu bedienen. Sie haben normalerweise keine CNC-Optionen. Sowohl moderne KMG als auch Gelenkarme können auch mit berührungslosen Laserscannern anstelle von Tastköpfen ausgestattet werden.
Berührungslose aktive Technologien
Aktive Scanner emittieren eine Art von Strahlung oder Licht und detektieren deren Reflexion oder Strahlung, die durch das Objekt hindurchgeht, um ein Objekt oder eine Umgebung zu untersuchen. Mögliche Arten der Emission umfassen Licht, Ultraschall oder Röntgenstrahlen.
Time-of-Flight
Der Time-of-Flight-3D-Laserscanner ist ein aktiver Scanner, der Laserlicht verwendet, um das Objekt zu untersuchen. Im Herzen dieses Scannertyps befindet sich ein Time-of-Flight-Laserentfernungsmesser, der die Entfernung einer Oberfläche durch die Messung der Umlaufzeit eines Lichtimpulses ermittelt. Ein Laser emittiert einen Lichtimpuls, und die Zeit, bis das reflektierte Licht von einem Detektor gesehen wird, wird gemessen. Da die Lichtgeschwindigkeit c bekannt ist, bestimmt die Umlaufzeit die Reisestrecke des Lichts, die das Doppelte der Entfernung zwischen Scanner und Oberfläche beträgt. Wenn t die Umlaufzeit ist, dann ist die Entfernung gleich c⋅t/2. Die Genauigkeit eines Time-of-Flight-3D-Laserscanners hängt davon ab, wie präzise die Zeit t gemessen werden kann: 3,3 Pikosekunden (ungefähr) ist die Zeit, die Licht benötigt, um 1 Millimeter zurückzulegen.
Der Laserentfernungsmesser detektiert nur die Entfernung eines Punktes in seiner Blickrichtung. Daher scannt der Scanner sein gesamtes Sichtfeld Punkt für Punkt, indem er die Blickrichtung des Entfernungsmessers ändert, um verschiedene Punkte zu scannen. Die Blickrichtung kann entweder durch Drehen des Entfernungsmessers selbst oder durch ein System rotierender Spiegel geändert werden. Die letztere Methode wird häufig verwendet, da Spiegel viel leichter sind und daher schneller und mit größerer Genauigkeit rotiert werden können. Typische Time-of-Flight-3D-Laserscanner können die Entfernung von 10.000 bis 100.000 Punkten pro Sekunde messen. Time-of-Flight-Geräte sind auch in einer 2D-Konfiguration erhältlich, die als Time-of-Flight-Kamera bezeichnet wird.
Triangulation
Triangulationsbasierte 3D-Laserscanner sind ebenfalls aktive Scanner, die Laserlicht verwenden, um die Umgebung zu untersuchen. Im Gegensatz zu Time-of-Flight-Scannern strahlt der Triangulationslaser einen Laser auf das Objekt und nutzt eine Kamera, um die Position des Laserpunkts zu suchen. Abhängig davon, wie weit entfernt der Laser eine Oberfläche trifft, erscheint der Laserpunkt an verschiedenen Stellen im Sichtfeld der Kamera. Diese Technik wird Triangulation genannt, weil der Laserpunkt, die Kamera und der Laseremitter ein Dreieck bilden. Die Länge einer Seite des Dreiecks (die Entfernung zwischen Kamera und Laseremitter) ist bekannt, und der Winkel des Laseremitters sowie der Winkel der Kamera sind bekannt, sodass die Entfernung zum Objekt berechnet werden kann. Triangulationsscanner sind in der Regel genauer als Time-of-Flight-Scanner, haben jedoch eine kürzere Reichweite.
Streifenlicht
Streifenlicht-3D-Scanner projizieren ein Lichtmuster (wie Gitter oder Streifen) auf das Objekt und verwenden Kameras, um die Verformung des Musters zu messen. Die Musterverzerrung wird analysiert, um die Oberflächenform zu berechnen. Diese Methode kann in einem einzigen Bild eine große Fläche erfassen und wird häufig zum Scannen von Objekten in kurzer Entfernung verwendet, beispielsweise im Industriedesign und bei der Digitalisierung kultureller Artefakte. Streifenlichtscanner können auch einige schwierige Oberflächen besser verarbeiten als einfache Lasertriangulation, obwohl sie bei stark reflektierenden oder transparenten Materialien weiterhin Probleme haben können.
LiDAR und Time-of-Flight-Kameras
LiDAR (Light Detection and Ranging) ist eine Fernerkundungsmethode, die Laserimpulse verwendet, um Entfernungen zur Erdoberfläche oder zu anderen Objekten zu messen. Es wird häufig in Anwendungen wie autonomen Fahrzeugen, Roboterkartierung und topografischer Vermessung eingesetzt. Time-of-Flight-Kameras sind eine 2D-Array-Version von Time-of-Flight-Scannern, die Tiefeninformationen für jedes Pixel in einer Szene gleichzeitig erfassen, was für Echtzeitanwendungen wie Gestenerkennung und erweiterte Realität nützlich ist.
Berührungslose passive Technologien
Passive Scanner emittieren keine Strahlung, sondern verlassen sich darauf, reflektierte Umgebungsstrahlung zu detektieren. Die meisten passiven Scanner detektieren sichtbares Licht, das leicht verfügbar ist. Passive Techniken umfassen Photogrammetrie, die mehrere aus verschiedenen Winkeln aufgenommene Fotografien verwendet, um ein 3D-Modell durch Computer-Vision-Algorithmen zu rekonstruieren. Dieser Ansatz wird häufig bei der Erhaltung des kulturellen Erbes und der maschinellen Lern-basierten Rekonstruktion verwendet. Andere passive Methoden umfassen Silhouetten-basierte Techniken und Shape-from-Shading, obwohl diese in industriellen Anwendungen weniger verbreitet sind.
Anwendungen
Die gesammelten 3D-Daten aus dem Scannen sind für eine Vielzahl von Anwendungen nützlich. Die Unterhaltungsindustrie verwendet 3D-Scannen umfassend bei der Produktion von Filmen und Videospielen, einschließlich Umgebungen der virtuellen Realität. In künstlicher Intelligenz und Robotik unterstützt 3D-Scannen die Roboterkartierung und Navigation und ermöglicht autonomen Systemen, ihre Umgebung zu verstehen. Industriedesign verlässt sich auf Scannen für Reverse Engineering und Prototyping, sodass Ingenieure digitale Modelle vorhandener Teile erstellen können. Im Gesundheitswesen wird Scannen für Orthopädie und Prothetik verwendet und bietet individuell angepasste Geräte. Qualitätskontrolle und Inspektion verwenden Scannen, um zu überprüfen, ob hergestellte Teile den Spezifikationen entsprechen. Darüber hinaus ermöglicht die Digitalisierung kultureller Artefakte Museen und Forschern, historische Objekte in digitaler Form zu bewahren und zu teilen.
Herausforderungen und Einschränkungen
Trotz Fortschritten steht das 3D-Scannen weiterhin vor Herausforderungen. Optische Technologien können Schwierigkeiten mit dunklen, glänzenden, reflektierenden oder transparenten Objekten haben, da diese Oberflächen Licht unvorhersehbar streuen oder absorbieren können. Das Scannen großer Umgebungen kann zeitaufwendig sein und erhebliche Datenverarbeitung erfordern. Die Registrierung mehrerer Scans kann Fehler einführen, wenn sie nicht genau durchgeführt wird. Die Kosten für hochpräzise Scanner wie KMG bleiben für einige Benutzer eine Hürde. Laufende Forschung in Deep Learning und neuronalen Netzen verbessert jedoch die Rekonstruktionsgenauigkeit und automatisiert Teile der Scan-Pipeline.
Siehe auch
- Datensatz
- Wikipedia
- Generative KI
- Google DeepMind
- Intel
- Qualcomm
- Amazon Web Services
- Azure
- Google Cloud
- Oracle Cloud
- Xerox PARC
- MIT CSAIL
- Stanford AI Lab
- Carnegie Mellon University
- Berkeley AI Research
- Universität Oxford
- Waymo
- Tesla Autopilot
- Intuitive Surgical
- TomTom