Was ist 3D-Laserscanning?

24. Jan. 2022
Lesezeit 14 Min.
2727
Zusammenfassung 

In diesem Leitfaden werfen wir einen tieferen Blick auf eine der beliebtesten 3D-Scantechnologien: das 3D-Laserscannen. Nach der Lektüre werden Sie wissen, welche Arten von Scannern als „Laser“ bezeichnet werden, wie sie funktionieren, wo sie am nützlichsten sind und wofür sie verwendet werden.

Arten von Laserscannern nach Technologie
Flugzeit, Phasenverschiebung, Triangulation
Arten von Laserscannern nach Produkt
Handgeführt, auf Stativ montiert, stationär auf dem Arbeitstisch aufstellbar
Arten von Laserscannern nach Reichweite
Kurze Reichweite (bis zu 5 m), mittlere Reichweite (bis zu 120 m), große Reichweite (bis zu 2 km)

Heutzutage gibt es zahlreiche Möglichkeiten und Technologien, um ein Objekt aus der realen Welt in den digitalen 3D-Raum zu übertragen. Sie können dies mit verschiedenen Arten von 3D-Scannern tun: Mit Desktop-basierten, handgeführten oder Stativ-Scannern, professionellen oder Amateur-Scannern, Fotokameras und Photogrammetrie-Software, berührungsbasierten Messsystemen, Smartphones oder Tablets mit eingebauten LiDAR-Sensoren, mobilen, terrestrischen oder luftgestützten Systemen und noch vielem mehr.

In diesem Artikel befassen wir uns mit einer der beliebtesten Scantechnologien, die fast überall eingesetzt wird, vom Bauwesen und der Landvermessung bis hin zur Forensik und Denkmalpflege: dem 3D-Laserscannen. Wir werden erfahren, welche Arten von Scannern als „Laser“ bezeichnet werden, wie sie jeweils funktionieren und wo und wofür diese Geräte eingesetzt werden.

Was ist ein 3D-Laserscanner?

Wenn Menschen den Begriff „3D-Laserscanner“ hören, stellen sie sich je nach Hintergrund und Fachgebiet vielleicht unterschiedliche Scan-Geräte vor. Ein Industriedesigner könnte beispielsweise an ein tragbares Handgerät denken, das kleine bis mittlere Objekte aus kurzer Entfernung erfassen kann, während ein Bauarbeiter einen auf einem Stativ montierten terrestrischen Scanner für die Vermessung größerer Objekte wie Gebäude oder ganze Außenbereiche vom Boden vor Augen hat. Ein Vermessungs- und Kartierungstechniker hingegen würde sich wahrscheinlich ein Auto oder eine Drohne mit einem an Bord intallierten Scannersystem, das für die Vermessung von Gelände unterwegs eingesetzt wird, vorstellen. Und sie alle hätten Recht – denn jedes der oben genannten Geräte kann korrekt als 3D-Laserscanner bezeichnet werden.

Was also ist Laserscanning und welche Geräte können als Laserscanner bezeichnet werden?

Laserscanning ist, vereinfacht gesagt, ist ein Verfahren zur Erfassung präziser dreidimensionaler Informationen von einem realen Objekt, einer Gruppe von Objekten oder einer Umgebung mit einem Laser als Lichtquelle. Durch die Projektion von Laserlicht auf das Objekt erstellt der Scanner Punktwolken – Millionen von präzise gemessenen XYZ-Punkten, welche die Position des Objekts im Raum definieren. Einige Laserscanner bieten die Möglichkeit, das Modell als Punktwolken herunterzuladen, während andere es automatisch in ein Polygonnetz umwandeln, das dann in ein CAD-Modell oder ein vollfarbiges 3D-Modell umgewandelt werden kann, sofern die Aufnahme von Texturen unterstützt wird.

Ein Langstrecken-Laserscanner wird für den Einsatz auf einem Hochseeschiff vorbereitet (Foto mit freundlicher Genehmigung von ASOM)

Im Gegensatz zu den berührungsbasierten Messsystemen, die wir schon einmal geschrieben haben, sind Laser-3D-Scanner zu 100 % berührungslose und zerstörungsfreie aktive Geräte, die Objekte aus festen und zerbrechlichen Materialien erfassen können. Diese Scanner können in Innenräumen und einige auch im Freien eingesetzt werden. Sie funktionieren bei Tageslicht oder auch in der Nacht eingesetzt und sind sowohl stationär als auch tragbar verfügbar. Sie können für die Erfassung eines breiten Spektrums von Objekten und Standorten verwendet werden – von sehr klein bis sehr groß.

SCHLÜSSELPUNKT

Berührungslos und zerstörungsfrei erfassen Laserscanner XYZ-Koordinaten von Myriaden von Punkten auf der Oberfläche eines Objekts, um seine Maße zu berechnen, seine Form in einer 3D-Umgebung zu rekonstruieren und seine Position im Raum zu bestimmen – und das alles mit erstaunlicher Genauigkeit.

Je nach Anwendung können 3D-Laserscanner als eigenständige Geräte – tragbar, handgeführt oder stationär und auf einem Stativ montiert – oder als Teil einer komplexeren Lösung, etwa geführt durch Roboterarme oder als Teil von mobilen oder luftgestützten Laserscansystemen, angeboten werden. Auf der technologischen Seite gibt es TOF-, Phasenverschiebungs- und Triangulations-basierte Laserscanner.

Aber sehen wir uns die gängigsten Arten von Laserscannern und ihre Funktionsweise einmal genauer an.

Arten von Laserscannern

#1. TOF (Time of Flight)

Die erste Art von Laserscannern, die in der Regel für die Erfassung von Daten über große Entfernungen verwendet wird, ist das Time-of-Flight-Verfahren (TOF). Solche 3D-Scanner funktionieren nach demselben Prinzip wie Laser-Entfernungsmesser: Ein Laserimpuls wird auf ein Objekt gesendet, so dass ein Teil des Impulses von der Oberfläche des Objekts reflektiert wird und zum Scanner zurückkehrt. Die Entfernung zum Objekt wird anhand der Flugzeit des Pulses nach folgender Formel berechnet: Entfernung = (Lichtgeschwindigkeit x Flugzeit) / 2). Aus dieser Entfernung wird dann eine Koordinate für den winzigen Ausschnitt der vom Laserstrahl getroffenen Oberfläche berechnet.

So funktioniert das Prinzip der TOF-Verfahrens

Time-of-Flight-3D-Scanner können Objekte über große Entfernungen von bis zu 1.000 Metern erfassen – ihr typischer Arbeitsbereich liegt jedoch bei 5-300 Metern. Während TOF-Systeme über große Entfernungen messen können, haben sie die langsamsten Datenerfassungsraten: zwischen Hunderten und Tausenden von Punkten pro Sekunde.

Die Genauigkeit der TOF-Technologie wird durch die Fähigkeit des Systems bestimmt, die Zeit des zurückkehrenden Signals genau zu messen. Die Spezifikationen für die Genauigkeit variieren zwar von System zu System, die typische Genauigkeit eines TOF-Scanners liegt jedoch bei 4-10 mm. Neuere TOF-Systeme umfassen auch eine zusätzliche RGB-Erfassungsoption, entweder durch eine interne Kamera oder ein externes Kameraset.

#2. Phasenverschiebung

3D-Phasenverschiebungs-Scanner senden Laserlicht mit wechselnden Frequenzen aus und bestimmen die Entfernung zu einem Objekt durch Messung der Phasendifferenz zwischen dem ausgesendeten und dem reflektierten Signal. Im Gegensatz zu TOF-Scannern arbeiten Phasenverschiebungsscanner bei kürzeren Entfernungen von 80 bis maximal 120 Meternund und mit einer typischen Reichweite von 1 bis 50 Metern.

So funktioniert das Prinzip der Phasenverschiebungsmessung

Phasenbasierte 3D-Scanner werden häufig als die schnellsten Laserscanner eingestuft, wobei einige Systeme eine Erfassungsrate von bis zu einer Million Punkten/Sekunde erreichen. Sie haben auch eine höhere Genauigkeit und Auflösung als TOF-Scanner. Und wie TOF-Scanner bieten sie Optionen für die interne oder externe Farberfassung.

SCHLÜSSELPUNKT

Alle Laserscanner senden Laserlicht aus, verwenden aber unterschiedliche Technologien, um eingehende Signale zu interpretieren. FOT-Scanner protokollieren die Zeit, die das ausgesendete Licht braucht, um zurückzukehren, nachdem es von der Oberfläche eines Objekts abgeprallt ist, Phasenverschiebungsscanner messen die Phasendifferenz zwischen ausgesendeten und reflektierten Signalen, und Triangulationsscanner berechnen den Winkel, in dem ein ausgesendeter Strahl zum Sensor zurückkehrt.

Dank ihrer hohen Genauigkeit eignen sich Phasenverschiebungsscanner am besten für die Erfassung von mittelgroßen Objekten, etwa für große Pumpen, Autos und Industrieanlagen. Sowohl Phasenverschiebungs- als auch TOP-systeme können zudem bei terrestrischen Scananwendungen, bei denen größere Objekte oder mehrere Meter große Strukturen aus Kilometern Entfernung erfasst werden, eingesetzt werden.

Terrestrische TOF- und phasenbasierte Scanningsysteme können als stationäre, auf einem Stativ montierte, Geräte geliefert werden. Diese können dann in dieser Form verwendet oder für Projekte, die Informationen über weite Landschaften oder unzugängliche Gebiete erfordern, auf ein Fahr- beziehungsweise ein Fluggerät montiert werden.

#3. Triangulation

Der dritte Typ von laserbasierten Scannern funktioniert nach dem Prinzip der Triangulation, bei dem Laserlicht ausgesendet und an eine bestimmte Stelle auf einer Bildsensoren-Anordnung einer integrierten Kamera zurückgeworfen wird. Um die Entfernung zwischen dem Objekt und dem 3D-Scanner zu berechnen, verwendet das System die trigonometrische Triangulation, da die Laserquelle, der Sensor und das auf dem Objekt bestimmte Ziel ein Dreieck bilden. Der Abstand zwischen der Laserquelle und dem Sensor ist sehr genau ermittelbar, ebenso wie der Winkel zwischen dem Laser und dem Sensor. Wenn das Laserlicht vom abgetasteten Objekt abprallt, kann das System den Winkel messen, in dem es zum Sensor zurückkehrt, und damit die Entfernung von der Laserquelle zur Objektoberfläche.

So funktioniert das Prinzip der Triangulationsmessung

Triangulations-Laserscanner funktionieren bei viel kürzeren Entfernungen (weniger als 5 Meter) als FOT- oder Phasenverschiebungsscanner, da der Dynamikbereich der Bildsensoren gering ist und die Genauigkeit mit der Entfernung abnimmt. Die meisten Triangulationssysteme sind auch mit einer internen RGB-Erfassungsoption ausgestattet.

Im Allgemeinen eignen sich Triangulationsscanner am besten für das Scannen kleinerer Objekte, die zwischen 1 cm und 2-3 Metern groß sind. Was die Ausstattung angeht, so gibt es stationäre, auf einem Stativ montierte Triangulationsscanner. Am erfolgreichsten ist diese Technologie jedoch bei tragbaren, handgeführten 3D-Scannern.

Anwendungen von Laserscannern

Laserscanner werden in einer Vielzahl von Bereichen und für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt: vom Hoch- und Tiefbau bis zur Forensik und Archäologie. Da diese Technologie immer billiger, leichter und kleiner wird, steigen auch immer mehr Branchen in das Laserscanning ein. Einige bekannte Anwendungen für diese Geräte werden wir hier vorstellen.

Reverse Engineering

Scannen des Unterbodens eines Autos mit einem 3D-Laser-Triangulationsscanner mit kurzer Reichweite

Von kleinen mechanischen Komponenten bis hin zu massiven Industrieobjekten: Laserscanner sind zu einer unverzichtbaren Technologie im Fundus von Fachleuten, die sich mit Produktdesign und -entwicklung beschäftigen, geworden. Einst ein komplizierter Prozess, der tagelange Demontage, detaillierte manuelle Messungen und die mühsame Untersuchung jedes einzelnen Teils eines Produkts erforderte, dauert Reverse Engineering dank Laserscanning heute nur noch einen Brcuhteil dieser Zeit: Wenige Minuten für ein CAD-Oberflächenmodell bis hin zu einigen Stunden für ein parametrisches CAD-Modell. Scanner werden eingesetzt, um genaue digitale Blaupausen von Teilen zu erstellen, wenn diese beschädigt oder verformt sind und neu konstruiert werden müssen, für sie aber keine CAD-Daten verfügbar sind. Tragbare Laserscanner mit integriertem Prozessor eignen sich perfekt für die Untersuchung kleiner und mittelgroßer Objekte, während Geräte mit mittlerer und großer Reichweite am besten für größere Gegenstände geeignet sind. Die umgehende Erstellung von CAD-Modellen spart Stunden, wenn nicht gar Tage, welche in Forschung und Entwicklung dann gezielt für die eigentliche Produktverbesserung verwenden können.

Qualitätskontrolle

Inspektion von Rohren mit einem Laserscanner

Eine weitere wichtige Phase des Fertigungsprozesses und ein weiterer Bereich, der durch Laserscanner revolutioniert wurde, ist die Qualitätsprüfung. Traditionell dominieren hier manuelle, berührungsbasierte Messverfahren. Dank des Laserscannings können Qualitätsprüfungsabläufe nun viel schneller, genauer und mit weitaus mehr messbaren Daten durchgeführt werden. Dies wiederum führt zu weniger Iterationsschleifen und einer schnelleren Auslieferung der Produkte an den Kunden. Im Gegensatz zu KMG, die in der Regel Dutzende von Punktmessungen einzeln erfassen können, in physischem Kontakt mit der Oberfläche stehen müssen und für jedes einzelne zu prüfende Teil neu programmiert werden müssen, können Laserscanner in einem Bruchteil der Zeit und zudem völlig berührungslos Millionen von Messungen für verschiedene Arten von Objekten ganz verschiedener geometrischer Komplexität erfassen.

SCHLÜSSELPUNKT

Laserscanner haben sich als wirksame Messwerkzeuge sowohl für die industrielle Produktion als auch für Anwendungen auf Verbraucherebene erwiesen: von Reverse Engineering über Qualitätskontrolle und Forensik bis hin zu selbstfahrenden Autos.

Laser-Triangulationsscanner mit geringer Reichweite, die als tragbare Geräte erhältlich sind, bieten eine große Flexibilität bei der Auswahl und angesichts der Standorte zu prüfender Objekte. Sie eignen sich hervorragend zur Erfassung hochkomplexer Teile, die von Hand oder mit einem beweglichen Messtaster unmöglich zu messen wären. Dank ihrer leichten Bauweise ermöglichen solche Geräte den Qualitätsprüfern mehr Mobilität, da sie bequem transportiert werden können.

Langstrecken-Laserscanner eignen sich perfekt für die Untersuchung und Erfassung präziser Daten von großen Objekten. Sie können sogar mit einer handgeführten Geräten kombiniert werden, um kleinere Elemente in hoher Detailgenauigkeit zu erfassen. Das mit einem Laserscanner erfasste 3D-Modell kann in einer Scanverarbeitungs-Software bearbeitet und anschließend in eine CAD-Datei umgewandelt werden. In diesem Stadium kann es mit dem ursprünglichen CAD-Modell verglichen werden, und die Teile, die innerhalb oder außerhalb einer Toleranz liegen, können identifiziert werden.

Forensik

Erfassung eines Tatorts mit einem Triangulations-3D-Laserscanner

Dank ihrer Fähigkeit, große Flächen wie Innenräume, Gebäude und ganze Gelände zu erfassen, werden Laserscanner fortschreitend zur neuen Standardlösung für die genaue Dokumentation und Untersuchung von Tatorten und die Rekonstruktion von Unfällen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden der Spurensicherung mit Foto- und Videokameras sowie Messbändern können Ermittler mit Laserscannern ganze Tatorte in ihrem ursprünglichen Zustand erfassen – mit präzisen Abmessungen für jedes Beweisstück, sei es eine Leiche, ein Fußabdruck oder ein Einschussloch. Und das alles in wenigen Minuten.

Tragbare Laserscanner mit integriertem Prozessor eignen sich perfekt für die Erfassung jeweils einzelner Gegenstände an mehreren Orten und innerhalb eines Tages. Sie können hinzugezogen werden, wenn mehr und genauere Daten benötigt werden, etwa für eine Nahaufnahme einer Leiche, eines beschädigten Möbelstücks oder eines Fußabdrucks, den ein Krimineller hinterlassen hat. Langstreckenscanner hingegen sind nützlich, um einen ganzen Raum zu erfassen. Wenn der Scanner einmal in der Mitte des Raumes aufgestellt ist, kann er vollautomatisch scannen, während sich der Ermittler vollständig anderen Aufgaben widmen kann, etwa mit Zeugen und Opfern zu sprechen. Die 3D-Daten ermöglichen es Forensikern, sich ein umfassenderes und detaillierteres Bild von einem Tatort zu machen und vor Gericht stichhaltigere Beweise vorzubringen.

Bauwesen (BIM)

3D-Scannen einer Lagerhalle mit einem dreibeinigen Laserscanner mit großer Reichweite

Eine weitere beliebte Anwendung von terrestrischen Laserscannern mit großer und mittlerer Reichweite, insbesondere unter Architekten und Bautechnikern, ist die 3D-Erfassung von Gebäuden und ganzen Baustellen. Mit den richtigen Geräten können Gebäudeeigentümer oder Bauprojektleiter schnell eine genaue Dokumentation und 3D-Visualisierung bestehender Gebäude und ihres Zustands erstellen. Die Scanner werden auch zur Verfolgung des Baufortschritts und zur Qualitätskontrolle von neu errichteten Projekten eingesetzt, um diese mit einem Entwurfsmodell zu vergleichen. Laserscanner sparen nicht nur Zeit und Kosten für nunmehr überflüssige manuelle Messungen, sondern erhöhen auch die Sicherheit bei Arbeiten an unsicheren Orten. 3D-Laserscanner können während des gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes eingesetzt werden und liefern umfangreiche 3D-Daten, die für Renovierungs- oder Neubauprojekte verwendet werden können und jederzeit abrufbar sind.

Archäologie

Erfassung des Schädels eines Triceratops mit einem handgeführten Kurzstrecken-Laserscanner (Bild von David Cano / 3D Printing Colorado)

Die Archäologie ist ein weiterer Bereich, in dem Laserscanner zu unverzichtbaren Werkzeugen für die 3D-Dokumentation archäologischer Ausgrabungen geworden sind, sei es für einzelne Knochen eines ausgestorbenen Tieres oder eine ganze antike Stadt. Tragbare Laserscanner mit integriertem Prozessor sind bei der Feldarbeit sehr nützlich und ermöglichen den Archäologen eine völlig autonome Erfassung ihrer Entdeckungen. Dank des eingebauten Bildschirms können sie die Ergebnisse ihrer Scans in Echtzeit sehen, ohne zusätzlich einen Laptop oder ein Tablet mit sich führen zu müssen. Umfassende terrestrische und luftgestützte Laserscanning-Systeme werden erfolgreich zur Kartierung der Topografie, zur Planung von Ausgrabungen und zum Aufspüren von archäologischen Stätten, die Forscher mit bloßem Auge nie sehen könnten und die daher lange Zeit verborgen bleiben, eingesetzt.

Mit Laserscannern können Archäologen zuverlässige und hochauflösende Daten viel schneller erfassen als mit anderen Methoden wie Totalstationen, GPS-Geräten oder Photogrammetrie, was ihnen während einer Ausgrabung Hunderte von Arbeitsstunden erspart. Dank ihrer zerstörungsfreien und berührungslosen Funktionsweise können sie auch zerbrechliche und von Zerfall bedrohte historische Stücke in ihrem ursprünglichen Zustand erfassen. Die gesammelten Daten können für die archäologische Dokumentation und die Erstellung von Virtual-Reality-Modellen, die Restaurierung, den Erhalt und die Vorstellung archäologischer Entdeckungen für die Öffentlichkeit verwendet werden.

Mobile Kartierung

Ein Beispiel für ein fahrzeuggestütztes Laserkartierungssystem

Eine weitere Anwendung von Laserscannern mit großer Reichweite ist die mobile Kartierung, das heißt die Erfassung von 3D-Geodaten, also der Position von Objekten auf der Erde, von einem mobilen Fahrzeug aus, das entweder an Land (Autos, Züge, Boote) oder in der Luft (Drohnen, Hubschrauber oder Flugzeuge) eingesetzt wird. Mobile Kartierungssysteme sind in der Regel mit verschiedenen Navigations- und Fernerkundungstechnologien wie GNSS, Kameras und LiDAR ausgestattet. Die Kombination all dieser Technologien ermöglicht es Fachleuten, Umgebungen zu visualisieren, zu erfassen, zu messen und zu verstehen, sei es für die Verwaltung von Straßen- und Schienennetzen, die Stadtplanung, die Analyse von Unterwasser- oder unterirdischen Strukturen, die Verbesserung der Sicherheit von Kraftwerksinfrastrukturen oder die Erstellung digitaler Karten – die Liste ließe sich beliebig fortsetzen.

Artec 3D-Laserscanner

Da wir uns dem Ende unserer Übersicht nähern, ist es sinnvoll, an dieser Stelle einige Beispiele für verschiedene Laserscanner zu betrachten. Hier bei Artec 3D haben wir zwei Arten von Laserscannern. Der eine, Artec Leo, ist handgeführt und eignet sich am besten für mittelgroße bis große Objekte über kurze Entfernungen (0,35 - 1,2 m), während der andere, Artec Ray, ein Phasenverschiebungsscanner mit einer Reichweite von bis zu 110 Metern ist.

Artec Leo

Artec Leo eignet sich mit einer Auflösung von bis zu 0,2 mm und einer Präzision von 0,1 mm perfekt für die Erfassung von mittelgroßen bis großen Objekten

Artec Leo ist ein tragbarer, handgeführter und vielseitiger Triangulations-Laserscanner mit strukturiertem Licht, der bislang in einer ganz eigenen Liga spielt. Dank eingebauter Recheneinheit, HD-Display, WLAN-Verbindung und eines Akkus können die gescannten Daten in Echtzeit angezeigt und überprüft werden, ohne dass weitere Geräte (PC oder Tablet) erforderlich sind. Der Scanner kann bis zu 35 Millionen Punkte pro Sekunde erfassen und in Sekundenschnelle hochdetaillierte Punktwolken mit einer Genauigkeit von 0,1 mm und einer Auflösung von 0,2 mm erstellen. Das große Sichtfeld (838 × 488 mm für den weitesten Bereich) ermöglicht es Leo, eine Vielzahl von Objektgrößen zu scannen und zu verarbeiten, – von kleinen 20-50 cm großen Teilen bis zu größeren Objekten oder sogar Szenen von 50 bis 200 cm und größer. Leo verwendet als Lichtquelle einen VCSEL-Laser der Klasse 1, der für die Augen völlig ungefährlich ist und sowohl zum Scannen von unbelebten Objekten als auch von Menschen verwendet werden kann. Leo bietet völlige Autonomie und Flexibilität beim Scannen, weshalb seine Anwendungsmöglichkeiten ziemlich weit gefächert sind: von Reverse Engineering und CAD-basiertem Design bis hin zu Gesundheitswesen, Archäologie, Forensik und vielem mehr.

Artec Ray

Artec Ray kann große Objekte mit Submillimeter-Genauigkeit aus einer Entfernung von bis zu 110 Metern erfassen

Artec Ray ist ein Phasenverschiebungs-Laserscanner mit großer Reichweite, der große und sehr große Objekte wie Gebäude, Flugzeuge oder Windturbinen mit Submillimeter-Genauigkeit erfassen kann. Der Scanner hat eine Reichweite von 110 Metern und kann bis zu 208.000 Punkte pro Sekunde erfassen, indem er sich um 360 Grad um sich selbst und vertikal mit einem Blickwinkel von 270 Grad dreht. Im Gegensatz zu vielen anderen Scannern mit großer Reichweite erfasst Ray hochpräzise und saubere Daten, was ihn für Reverse Engineering und Qualitätsprüfungen einsetzbar macht. Ray wird mit einem Stativ geliefert und kann dank eines eingebauten Akkus, integriertem WLAN und einer mobilen App, die eine Fernsteuerung des Scanners ermöglicht, sowohl in Innenräumen als auch im Freien autonom arbeiten. Die mit Artec Ray erfassten Daten können die dichteren und merkmalsreicheren Scandaten, die mit den Handscannern von Artec erfasst werden, ergänzen.

Inhaltsverzeichnis
Geschrieben von: 

Svetlana Golubeva

Technologiereporter

War dieser Artikel hilfreich?