Wie Artec Scanner große Objekte mit vielen komplexen Teilen erfassen

30/11/2020

Von Matthew McMillion

Wenn mit der digitalen Erfassung großer Objekte mit mehreren komplexen Bereichen konfrontiert, können selbst Scan-Profis zunächst nicht wissen, wie sie am besten vorgehen sollen. Denken Sie etwa an einen Auto-Customizer , der nur einen halben Nachmittag Zeit hat, um das Innere und Äußere eines Lamborghini zu scannen und maßgeschneiderte, perfekt passende Komponenten und Modifikationen zu entwerfen. Oder an einen Luft- und Raumfahrtingenieur, der damit beauftragt wird, ein Airbus A380-Cockpit zu scannen und es in nur wenigen Tagen in ein VR-fähiges, submillimetergenaues 3D-Modell zu verwandeln.

Pietro Meloni von ShareMind scannt mit Artec Leo

Die Uhr tickt weiter, während der Ingenieur sich fragt, wie er die gesamte Instrumententafel mit ihren acht Anzeigen sowie alle Schalter, Knöpfe und den Schaltknüppel präzise erfassen und verarbeiten soll. Ganz zu schweigen von den Sitzen und dem Flugdecks...

Was auf den ersten Blick wie eine einfache Scan-Aufgabe erscheinen mag, kann sich schnell zu einem mehrphasigen Projekt entwickeln, das sich über Wochen erstreckt. Aber das muss nicht so sein.

Diese Art von Herausforderungen inspirierte Pietro Meloni von Artec Ambassador ShareMind zur Entwicklung eines optimierten Arbeitsablaufs, mit dem sich zahlreiche Objekte, die „größer als ein Mensch“ sind, mühelos erfassen und in einem Bruchteil der Zeit in verblüffend genaue 3D-Modelle umwandeln lassen.

Als Referenzobjekt wählte Meloni ein 3 Meter langes Kajak, da es sowohl große Flächen mit relativ einfacher Geometrie als auch mehrere Komponenten mit hohem Detailreichtum, weiche Materialien und einige vertiefte, schwer zugängliche Teile aufweist.

Melonie entschied sich für Artec Leo als seinen primären Scanner für das Projekt. Leo ist ein bahnbrechender tragbarer 3D-Scanner, der völlig kabellos ist und eine Verarbeitung „an Bord“ anbietet, mit einem rückseitigen Touchscreen zur Überwachung Ihres Scans in Echtzeit. Leo ist ideal geeignet für die Erfassung mittelgroßer Objekte wie Menschen, Möbel und sogar Autos in hochauflösendem Farb-3D (bis zu 0,1 mm Genauigkeit) und macht es jedem Nutzer, vom Anfänger bis zum Profi, leicht, direkt mit dem Scannen zu beginnen.

Artec Leo ist bereit, mit dem Scannen des Kajaks fortzufahren

Mit Leo nahm Meloni das gesamte Kajak mitsamt seinen fast 60 Teilen in 5 Minuten auf. Anschließend bearbeitete er die Scans in 13 Minuten in der Software Artec Studio. Doch Meloni war mit den Ergebnissen nicht hundertprozentig zufrieden. Sein Ziel war es, den bestmöglichen Weg zu finden, um ein 3D-Modell zu erstellen, das so hochwertig ist, dass es der Inspektion durch Experten standhält. Meloni verstand bald, dass die komplexeren Aspekte des Kajaks von der Verwendung eines anderen Scanners, nämlich Artec Space Spider, profitieren würden.

Space Spider ist ein metrologisch genauer (bis zu 0,05 mm), handgeführter 3D-Scanner, der sich durch seine Fähigkeit, komplexe Geometrien und dünne Oberflächen zu erfassen, hervorragend für Reverse Engineering und Qualitätskontrolle sowie allgemein zum Scannen kleiner Bereiche eignet.

Artec Space Spider

In Melonis Worten: „Ebensowenig, wie man ein Skalpell mit in den Dschungel oder eine Machete in den Operationssaal bringen würde, ist jeder Scanner hervorragend nur für das geeignet, wofür er entwickelt wurde. Doch mit Artec Studio 15 ist es unglaublich einfach, Scans von mehreren Artec-Scannern zu kombinieren, so dass Sie in wenigen Minuten phänomenale 3D-Modelle erstellen können“. Er fährt fort: "Viele Kunden stellen sich fälschlicherweise vor, dass ein einziger 3D-Scanner von einer zarten Smaragd-Kette bis hin zu einem Zirkuszelt alles perfekt erfassen kann.“

Nahaufnahme des endgültigen 3D-Modells des Kajaks zur Darstellung von Griff, Tauwerk und anderen Kleinteilen

Die zweite Problemstellung des Projekts war der Umgang mit weichen, flexiblen Elementen, besonders dem Tauwerk des Kajaks. Die dünnen Taue werden über verschiedene Abschnitte des Rumpfs aus Glasfaser gespannt. Sobald das Kajak bewegt wird, um etwa die Unterseite zu erfassen, verändert das Tauwerk seine Position, und sei es auch nur geringfügig. Dies führt zu Doppelbelichtungen in den Scans, die mit herkömmlichen Methoden zeitaufwändig zu handhaben sind.

Rückseite des 3D-Modells des Kajaks, das das dünne Tauwerk und andere weiche Elemente zeigt

Was hier sofort in den Sinn kam, war die Möglichkeit, ZBrush zur Modellierung der weichen Elemente zu verwenden. Nachdem er bereits Erfahrung mit der Software hatte, entschied sich Meloni folgendermaßen: „Es gibt viele Beispiele für Materialien und Komponenten mit ähnlichen Eigenschaften auf Objekten, die gescannt werden müssen, egal ob es sich dabei um Schnürsenkel oder Schulterriemen an einer Handtasche handelt... Wenn es also einen einfacheren und schnelleren Weg gibt, sie zu modellieren und in einen hochauflösenden 3D-Scan zu integrieren, bin ich voll und ganz dafür.“

Pietro Meloni verwendet ZBrush, um einige der kleineren Komponenten des Kajaks zu retuschieren

Die letzte Frage war, wie man mehrere kleine Komponenten scannen konnte, die sich auf engstem Raum im Inneren des Kajaks befanden. Aufgrund des geringen Platzes zwischen diesen und anderen Objekten war es nicht möglich, sie in jedem erforderlichen Erfassungswinkel zu erreichen. Ein Beispiel ist die Angelrutenhalterung, die in der Mitte des Kajaks eingelassen ist. Damals beschloss Meloni, diese Teile zu zerlegen und separat zu scannen.

Dies erwies sich als sehr erfolgreich. Es dauerte nur einig Minuten, um alle Teile zu demontieren. Dann scannte Meloni jedes Objekt mit Space Spider und Artec Turntable, die perfekt aufeinander abgestimmt sind. Falls der Scanner jemals die Ortung verliert, dreht sich die Drehscheibe um einige Grad zurück und wartet, bis die Spur wieder aufgenommen ist, und beginnt sich dann wieder zu drehen.

Sobald die Scans fertig sind, verbindet Meloni jedes dieser separaten Objekte direkt in Artec Studio mit dem Kajak . „Der Vorgang ist eigentlich sehr einfach. Es war simpel, jeden Scan zu verarbeiten und ihn mit dem Kajak zu kombinieren. Die Ergebnisse ließen es so aussehen, als ob jedes Teil die ganze Zeit über vorhanden war. Sie können diese Methode mit Scans von jedem Artec 3D-Scanner, von Micro bis Ray, anwenden. Und sie ist so einfach, dass selbst ein Anfänger in wenigen Minuten lernen kann, wie es geht.“

Für einige der weichen Teile, wie etwa die Griffe, beschloss Meloni, einige einfache 3D-gedruckte Halterungen zu erstellen, so dass diese Elemente in genau denselben Positionen erfasst werden, die sie auf dem Kajak hatten.

3D-Druck der Scan-Halterungen zur Verwendung mit Artec Turntable

3D-gedruckte Stützen zum Anbringen eines Kajak-Griffs auf Artec Turntable, für das Scannen mit Artec Space Spider

Meloni erläuterte seinen Arbeitsablauf bei der Verarbeitung der Scans mit Artec Studio: “Mit Artec Studio 15 habe ich die Scans problemlos ausgerichtet. Dann verwendete ich die Alorithmen Global Registration, Sharp Fusion, Fast Mesh Simplification und Texturing. Dies ist der Arbeitsablauf, den ich für jedes Element des Projekts befolgte, beginnend mit dem Rumpf und dann für jedes einzelne Teil.”

Und weiter: „Artec Studio 15 vereinfachte den Prozess für mich mit seiner Gruppierungsfunktion erheblich. Bereits während der Aufnahme des Kajaks wurden meine Leo-Scans automatisch in einen Ordner geleitet, und als ich dann mit Space Spider weiterscannte, wurden die Scans der kleinen Teile alle in eigenen separaten Ordnern gruppiert. Wenn man mit so vielen Scans arbeitet, macht diese Art der automatischen Sortierung einen dramatischen Unterschied.“

Screenshot des Kajak-Modells in Artec Studio 15, mit seinen fast 60 Teilen, die automatisch in Gruppen organisiert werden

„Ich muss hinzufügen, dass ich beim Scannen und Verarbeiten der kleinen Komponenten die gleichen Schritte wie beim Rumpf des Kajaks verwendete. Doch bei den Scans mit Space Spider (und Artec Turntable) hatte ich während des Scannens die automatische Basisentfernung eingeschaltet, und während der Verarbeitung verwendete ich dann auch den Filter zur Ausreißerentfernung.“

Screenshot von Artec Studio 15, das die Gesamterfassung des Kajakrumpfes und der Komponenten zeigt

Nachdem alle Scans abgeschlossen und zusammengeführt worden waren, war es an der Zeit, sich dem Tauwerk zu widmen. Die ZBrush-Modellierung verlief perfekt, und innerhalb weniger Minuten hatte Meloni jedes dieser tückischen weichen Elemente direkt auf dem Kajakmodell selbst nachgeformt.

Auf diesem Screenshot von Artec Studio 15 ist die Dichte der Scans hervorgehoben, wodurch es einfach wird, die richtige Dichte für jedes Objekt zu wählen und die Gesamtgröße des gesamten Modells effizient zu reduzieren.

„Da diese Elemente eher eine dekorative Funktion haben, eigneten sie sich ideal für eine schnelle 3D-Modellierung. Wenn wir ihre aber ihren genauen Maße hätten erfassen müssen, etwa für Reverse Engineering oder Qualitätskontrolle, dann hätten wir Space Spider einsetzen müssen, um weitaus genauere Messungen des Tauwerks und anderer Teile zu erhalten.", so Meloni.

Das endgültige 3D-Modell des Kajaks mit allen Bestandteilen

Was den Einsatz mehrerer 3D-Scanner und zusätzlicher Werkzeuge zur Erzielung besserer Ergebnisse angeht, so bestätigte Meloni den Erfolg dieses neuartigen Ansatzes: Die benötigte Gesamtbearbeitungszeit wurde erheblich verkürzt, und das endgültige 3D-Modell war Tage früher als erwartet fertig. Meloni ermutigt daher alle Nutzer, neue Dinge auszuprobieren.

„Ja, anfangs bringt es ein wenig zusätzliche Zeit und Komplexität in Ihren Arbeitsablauf, wenn Sie mehr als einen Scanner und eine Softwarelösung integrieren. Aber wenn Sie Projekte mit großen Objekten, welche zahlreiche Abschnitte mit hoher Detaildichte aufweisen, ambitioniert angehen wollen, müssen Sie sich gut vorbereiten.“

Meloni führt weiter aus: „Und wenn Sie dann Projekte Stunden oder sogar Tage früher als geplant beendet haben, so werden Sie erkennen, dass Sie die richtige Wahl getroffen haben. Es macht also durchaus Sinn, zu experimentieren und eigene effektive Arbeitsabläufe zu schaffen.“

„Vielleicht fahre ich jeden Morgen nur mit dem Auto zur Arbeit. Doch was passiert, wenn eines Tages ein riesiger Stau entsteht und die Straßen der Stadt mit verstopft sind? Da ist es besser, zumindest auch zu wissen, wie man ein Fahrrad oder öffentliche Verkehrsmittel benutzt.“

Meloni hat seine Ziele noch höher gesteckt und vor kurzem ein Projekt in Angriff genommen, bei dem er mit Artec Ray und Artec Leo eine antike römische Burg in hochauflösender digitaler Perfektion festhalten will. Da jedes Detail bis auf den Millimeter genau erfasst ist, wird das resultierende 3D-Modell, in Melonis Worten, „ideal für den Einsatz in der Kulturerhaltung geeignet sein. Dies würde bedeuten, dass kleinformatige 3D-Modelle für Sammler oder Museen gedruckt werden, oder dass das Modell für eine naturgetreue VR-Umgebung oder sogar innerhalb einer immersiven AR-Simulation verwendet werden kann".

Pietro Meloni bereitet Artec Ray vor, um den Innenhof einer antiken römischen Burg zu erfassen

„Die Besucher des Schlosses konnten dann freihändig 3D-Hologramme, Videos und sogar animierte Charaktere aus der jahrhundertelangen Geschichte des Schlosses erleben und mit ihnen interagieren.“, erläuterte Meloni die Möglichkeiten. „Ein solcher Einsatz von Technologie erweckt die Geschichte für kleine und große Besucher wirklich zum Leben. Was für einen besseren Weg könnte es geben, diese Schätze der Vergangenheit zu bewahren, als ihre Geschichten so lebensnah in die Gegenwart zu bringen?“