Qu’est-ce que le scan 3D laser ?

24 janv. 2022
Format long
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Résumé 

Dans ce guide, nous examinerons de près une des technologies de scan 3D les plus populaires : le scan 3D laser. Après votre lecture, vous saurez quels types de scanners sont qualifiés de « laser », comment ils fonctionnent, où ils sont les plus utiles, et à quoi ils servent.

Types de scanners laser par technologie
Temps de vol, déphasage, triangulation
Types de scanners laser par produit
Portable, monté sur un trépied, de bureau
Types de scanners laser par portée
Portée courte (jusqu’à 5 m), portée moyenne (jusqu’à 120 m), longue portée (jusqu’à 2 km)

Aujourd’hui, il existe une multitude de façons et de technologies pour amener un objet du monde réel dans l’espace 3D numérique. Vous pouvez le faire avec différents types de scanners 3D – de bureau, portables ou montés sur un trépied, de qualité industrielle ou grand public – ; appareils photo et logiciels de photogrammétrie ; systèmes de mesure reposant sur le contact ; smartphones ou tablettes équipés de capteurs LiDAR intégrés ; systèmes mobiles, terrestres et aériens ; et bien plus.

Dans cet article, nous nous concentrerons sur une des technologies de scan les plus populaires utilisée partout, de la construction et de l’arpentage à la criminalistique en passant par la conservation du patrimoine : le scan 3D laser. Nous verrons quels types de scanners sont qualifiés de « laser », comment chacun d’eux fonctionne, où et à quoi ces appareils servent.

Qu’est-ce qu’un scanner 3D laser ?

Lorsqu’une personne entend le terme « scanner 3D laser », elle imagine peut-être un appareil de scan bien particulier, en fonction de son expérience et de son domaine d’expertise. Un designer industriel peut par exemple penser à un scanner portable capable de numériser des objets de petite et moyenne taille sur une courte distance, tandis qu’un ouvrier du bâtiment voit un scanner terrestre monté sur un trépied et permettant d’analyser et de mesurer de plus grands objets tels que des bâtiments ou des zones extérieures entières depuis le sol. Un technicien en arpentage et en cartographie songe, lui, plutôt à une voiture ou à un drone doté d’un système de scan embarqué servant à cartographier en mouvement le terrain. Tous ont raison car chacun des appareils susmentionnés peut être qualifié à juste titre de scanner laser 3D.

Alors, qu’est-ce que le scan laser, et quels appareils peuvent être qualifiés de scanners laser ?

Pour faire simple, le scan laser est un processus d’acquisition d’informations précises en trois dimensions d’un objet, d’un groupe d’objets ou d’un environnement issu du monde réel, utilisant un laser comme source lumineuse. En projetant une lumière laser sur l’objet, le scanner crée des nuages de points – des millions de points XYZ mesurés avec précision qui définissent la position de l’objet dans l’espace. Certains scanners laser offrent la possibilité de télécharger le modèle en tant que nuages de points, tandis que d’autres le convertissent automatiquement en maillage triangulé, qui peut ensuite être transformé en modèle CAO ou en modèle 3D couleur si l’enregistrement de la texture est pris en charge.

Un scanner laser de longue portée en train d’être préparé pour être utilisé sur un navire offshore (Photo gracieusement fournie par ASOM)

À la différence des systèmes de mesure reposant sur le contact que nous avons déjà examinés, les scanners 3D laser sont des appareils actifs 100 % sans contact et non destructeurs qui peuvent numériser des objets constitués de matériaux solides et fragiles. Ils fonctionnent à l’intérieur et certains peuvent également être utilisés en extérieur. Ils peuvent servir en plein jour ou la nuit, et peuvent être aussi bien stationnaires que portables. Ils peuvent être utilisés pour scanner à une grande variété d’échelles et pour un large assortiment d’objets et de sites – du très petit au très grand.

L'ESSENTIEL

Appareils sans contact et non destructeurs, les scanners laser acquièrent les coordonnées XYZ de myriades de points sur les surfaces d’un objet pour calculer ses dimensions, reconstruire sa forme dans un environnement 3D, et définir sa position dans l’espace – et ce avec une précision stupéfiante.

En fonction de l’application, les scanners laser 3D peuvent être des appareils autonomes – portables, portatifs, ou stationnaires et montés sur un trépied, par exemple – ou faire partie d’une solution plus complexe telle que des bras robotiques, des systèmes de scan laser mobiles ou aériens, etc. Du point de vue technologique, les scanners laser peuvent reposer sur le temps de vol, le déphasage et la triangulation.

Examinons de plus près les types de scanners laser les plus populaires ainsi que leur fonctionnement.

Types de scanners laser

#1. Temps de vol

Le premier type de scanner laser généralement utilisé pour l’acquisition de données sur une longue distance est celui à temps de vol (« time of flight », ou TOF). Ce genre de scanner 3D fonctionne selon le même principe que les télémètres laser : une impulsion laser est projetée sur un objet, tandis qu’une portion de l’impulsion est réfléchie sur la surface de l’objet et est renvoyée vers le scanner. La distance jusqu’à l’objet est calculée en fonction du temps de vol de l’impulsion, à l’aide de la formule suivante : distance = (vitesse de la lumière x temps de vol) / 2). Cette distance sert ensuite à calculer une coordonnée pour la minuscule section de la surface frappée par le rayon laser.

Fonctionnement du principe de mesure du temps de vol

Les scanners 3D à temps de vol peuvent numériser des objets sur une distance maximale de 1 000 mètres. Leur distance de travail habituelle va toutefois de 5 à 300 mètres. Si les systèmes TOF peuvent mesurer sur de longues distances, ils ont néanmoins les taux d’acquisition des données les plus lents : entre des centaines et des milliers de points par seconde.

La précision de la technologie TOF est déterminée par la capacité du système à mesurer précisément la durée du signal de retour. Si la précision varie en fonction des systèmes, la précision habituelle d’un scanner TOF est de 4 à 10 mm. Les systèmes TOF plus récents comportent également une capture RVB supplémentaire, via une caméra interne ou externe.

#2. Déphasage

Les scanners 3D à temps de phase ou à déphasage émettent une lumière laser à différentes fréquences et déterminent la distance jusqu’à un objet en mesurant le déphasage entre les signaux émis et réfléchis. À la différence des scanners à temps de vol, les scanners à déphasage fonctionnent sur des distances plus courtes, de 80 à 120 mètres maximum, avec une distance de travail typique allant de 1 à 50 mètres.

Fonctionnement du principe de mesure du déphasage

Les scanners 3D à temps de phase sont souvent considérés comme les scanners laser les plus rapides, certains systèmes revendiquant un taux d’acquisition pouvant atteindre un million de points/seconde. Ils offrent également une précision et une résolution plus élevées que les scanners TOF. Et, à l’instar des scanners TOF, ils incluent des options de capture interne ou externe de la couleur.

L’ESSENTIEL

Si tous les scanners laser projettent une lumière laser, ils emploient toutefois des technologies différentes pour interpréter les signaux entrants. Les scanners à temps de vol enregistrent la durée nécessaire à la lumière émise pour revenir une fois qu’elle a rebondi sur la surface d’un objet, tandis que les scanners à temps de phase mesurent le déphasage entre les signaux émis et réfléchis. Les scanners par triangulation calculent, eux, l’angle du rayon émis lorsqu’il revient vers le capteur.

Grâce à leur haute précision, les scanners à déphasage sont idéaux pour les besoins en scan de portée moyenne tels que le scan de grandes pompes, de voitures, et d’équipements industriels. Les systèmes à déphasage et à temps de vol peuvent tous les deux être utilisés dans des application de scan terrestre où des objets plus grands et des structures allant de deux mètres à plusieurs kilomètres de haut peuvent être analysés.

Les systèmes de scan à temps de phase ou à temps de vol peuvent être des équipements stationnaires montés sur un trépied, utilisés tels quels ou placés sur des véhicules terrestres ou des appareils aériens pour des projets exigeant des informations sur de vastes environnements ou des zones inaccessibles.

#3. Triangulation

Le troisième type de scanner laser fonctionne selon le principe de la triangulation, où la lumière laser est émise et renvoyée vers un endroit précis sur le réseau de capteurs d’images d’une caméra interne. Pour calculer la distance entre l’objet et le scanner 3D, le système utilise la triangulation trigonométrique car la source laser, le capteur et la cible laissée sur l’objet forment un triangle. La distance entre la source laser et le capteur est connue très précisément, tout comme l’angle entre le laser et le capteur. Étant donné que la lumière laser rebondit sur l’objet scanné, le système peut mesurer son angle lorsqu’elle revient vers le capteur, et, par conséquent, la distance entre la source laser et la surface de l’objet.

Fonctionnement du principe de mesure de la triangulation

Les scanner laser basés sur la triangulation couvrent des distances beaucoup plus courtes (moins de 5 mètres) que les scanners à temps de vol ou à déphasage en raison de la faible portée dynamique des capteurs d’images et de la précision diminuée par la distance. La plupart des systèmes par triangulation comportent également une option de capture RVB interne.

Les scanners basés sur la triangulation conviennent communément le mieux pour le scan de plus petits objets dont la taille va de 1 cm à 2 ou 3 mètres, en fonction du fabricant. En ce qui concerne leur aspect, il existe des scanners par triangulation stationnaires montés sur un trépied. Cette technologie rencontre cependant le plus de succès lorsqu’elle est utilisée dans des scanners 3D portables.

Applications des scanners laser

Les scanners laser sont utilisés dans une grande variété de domaines, et pour une vaste palette d’applications : de la construction et du génie civil à la criminalistique, en passant par l’archéologie. Au fur et à mesure que cette technologie devient meilleur marché, plus légère et plus petite, de plus en plus de secteurs se tournent vers le scan laser. Certaines applications notoires de ces appareils sont reprises ci-dessous.

Rétro-ingénierie

Scan du châssis d’une voiture à l’aide d’un scanner 3D par triangulation laser de courte portée

Des petits composants mécaniques aux objets industriels massifs, les scanners laser sont devenus une technologie essentielle dans l’arsenal des professionnels travaillant dans la conception et le développement de produits. Jadis un processus compliqué qui pouvait nécessiter des jours de désassemblage, des mesures manuelles détaillées, et un examen laborieux de chaque pièce d’un produit, la rétro-ingénierie prend désormais, grâce au scan laser, entre une poignée de minutes pour un modèle de surface CAO à quelques heures pour un modèle 3D paramétrique. Les scanners servent à créer des schémas numériques précis de pièces abîmées ou déformées, nécessitant un nouveau design mais sans données CAO disponibles. Les scanners laser portables dotés de processeurs intégrés sont parfaits pour examiner des objets de petite et moyenne taille, tandis que les appareils de moyenne et longue portée conviennent le mieux aux objets plus grands. La création instantanée de modèles CAO fait gagner des heures, voire des jours de travail, que les équipes de R&D peuvent consacrer à l’amélioration des produits.

Contrôle qualité

Inspection de tuyaux avec un scanner laser

Le contrôle qualité est une autre étape importante de la fabrication et un domaine de plus révolutionné par les scanners laser. Traditionnellement dominés par les techniques de mesure manuelle basées sur le contact, les workflows de contrôle qualité peuvent désormais, grâce au scan laser, être réalisés bien plus rapidement, plus précisément, et avec des données bien plus mesurables. Avec pour conséquences : moins de boucles itératives et une livraison plus rapide des produits au client. À la différence des MMT qui peuvent généralement effectuer des dizaines de mesures de points à la fois, doivent être en contact physique avec la surface, et exigent d’être programmées pour chaque nouvelle pièce examinée, les scanners laser peuvent obtenir des millions de mesures pour divers types d’objets aux diverses complexités géométriques beaucoup plus rapidement et sans le moindre contact.

L’ESSENTIEL

Les scanners laser ont prouvé qu’ils étaient des outils de mesure efficaces à la fois pour des applications de production industrielle et grand public : de la rétro-ingénierie au contrôle qualité, en passant par la criminalistique et les véhicules autonomes.

Les scanners par triangulation laser de courte portée qui se présentent sous la forme d’appareils portables offrent une flexibilité extrême en ce qui concerne les types d’objets inspectés ainsi que leur emplacement. Ils excellent dans la numérisation de pièces hautement complexes qui seraient impossibles à mesurer manuellement ou à l’aide d’un palpeur tactile en mouvement. Grâce à leur design léger, ces appareils permettent aux responsables du contrôle qualité d’être plus mobiles sans être limités à un endroit ou une zone précise.

Les scanners laser longue portée sont parfaits pour examiner et collecter des données précises et mesurables de grands objets, et peuvent même être combinés à une solution de scan portable pour numériser de plus petits éléments. Le modèle 3D numérisé avec un scanner laser peut être traité dans un logiciel de traitement de scan, puis transformé en fichier CAO. Après quoi il peut être comparé au modèle CAO original, et les pièces à l’intérieur ou en dehors de la tolérance peuvent être identifiées.

Criminalistique

Numérisation d’une scène de crime avec un scanner 3D par triangulation laser

Grâce à leur capacité à numériser de grands espaces tels que des intérieurs de pièce, des bâtiments et des sites entiers, les scanners laser sont en train de devenir la nouvelle solution toute indiquée pour la documentation et l’inspection précises de scènes de crime, ainsi que la reconstitution d’accidents. À la différence des méthodes traditionnelles de collecte de preuves telles que les appareils photo, caméras et mètres rubans, les scanners laser permettent aux enquêteurs de numériser des scènes de crime complètes dans leur état d’origine, avec des dimensions précises pour chaque preuve, qu’il s’agisse d’un corps, d’une trace de pas, de l’impact d’une balle – et ce en une poignée de minutes.

Les scanners laser portables dotés de processeurs intégrés sont parfaits pour la numérisation en mouvement d’objets distincts dans de multiples endroits, le tout en une seule journée, et peuvent servir lorsque des données plus précises sont nécessaires, par exemple pour un scan rapproché d’un cadavre, d’un meuble abîmé, ou d’une empreinte de pas laissée par le criminel. Les scanners de longue portée sont quant à eux utiles pour numériser un espace complet. En le plaçant au milieu de la pièce, où il scanne automatiquement, l’enquêteur peut se consacrer à d’autres aspects de son travail, par exemple interroger les témoins et les victimes, sans devoir contrôler le scanner. Les données 3D permettent aux experts en criminalistique d’avoir une image plus complète et bien plus détaillée d’une scène de crime et de bâtir des cas plus solides et plus décisifs à présenter devant la justice.

Construction (BIM)

Scan 3D d’un entrepôt avec un scanner laser de longue portée monté sur un trépied

Le scan 3D de bâtiments et de chantiers complets est une autre application populaire des scanners laser terrestres de longue et moyenne portée, en particulier parmi les architectes et techniciens de la construction. Ces appareils permettent aux propriétaires d’installations ou aux responsables de projets de construction de créer rapidement une documentation précise et la visualisation 3D de bâtiments existant et de leur état. Ils servent également à suivre l’avancée de la construction et du contrôle qualité de projets nouvellement construits et de les comparer avec le modèle tel qu’il a été conçu. Les scanners laser ne font pas seulement économiser le temps et l’argent nécessaires pour les mesures manuelles, ils améliorent également les conditions de sécurité lors du travail dans des endroits dangereux. Les scanners 3D laser peuvent être utilisés tout au long du cycle de vie d’un bâtiment et fournissent des données 3D riches et permanentes qui peuvent servir pour la rénovation ou de nouveaux projets de construction, et sont accessibles à tout moment.

Archéologie

Numérisation du crâne d’un tricératops avec un scanner laser portable de courte portée (Photo par David Cano / 3D Printing Colorado)

L’archéologie est un autre domaine où les scanners laser sont devenus des outils indispensables, notamment pour la documentation 3D de fouilles archéologiques, qu’il s’agisse d’un unique os d’un animal éteint ou d’une cité antique entière. Les scanners laser portables dotés de processeurs intégrés se révèlent utiles sur le terrain, et offrent une autonomie totale aux archéologues pour numériser leurs découvertes. Grâce à l’écran intégré, ils peuvent voir en temps réel les résultats de ce qu’ils scannent sans devoir utiliser simultanément un ordinateur portable ou une tablette. Les systèmes de scan laser longue portée terrestres ou aériens sont utilisés avec succès en topographie, pour la planification de fouilles, et pour repérer les sites archéologiques que les chercheurs seraient incapables de voir à l’œil nu.

Grâce aux scanners laser, les archéologues peuvent recueillir des données fiables en haute résolution bien plus rapidement qu’avec d’autres méthodes telles que les tachéomètres, les dispositifs GPS ou la photogrammétrie, gagnant ainsi des centaines d’heures de travail lors de fouilles. Leur nature non destructrice et sans contact permet leur utilisation pour numériser des pièces historiques fragiles dans leur état d’origine. Les données recueillies peuvent servir pour la documentation archéologique et pour la création de modèles en réalité virtuelle, la restauration, la conservation, et la présentation de découvertes archéologiques au public.

Cartographie mobile

Exemple d’un système de cartographie mobile embarqué

Une autre application des scanners laser de longue portée est la cartographie mobile – la collecte de données géospatiales 3D, autrement dit celles indiquant où les objets sont positionnés sur Terre, depuis un véhicule en mouvement soit terrestre (voitures, trains, navires) soit aérien (drones, hélicoptères, ou avions). Les systèmes de cartographie mobile sont généralement équipés de diverses technologies de navigation et de détection à distance telles que le GNSS, les caméras, et le LiDAR. La combinaison de toutes ces technologies permet aux professionnels de visualiser, enregistrer, mesurer et comprendre des environnements, que ce soit pour la gestion de réseaux routiers et ferroviaires, l’urbanisme, l’analyse de structures sous-marines ou souterraines, l’amélioration de la sécurité dans les infrastructures des centrales électriques, la conception de cartes numériques – une liste loin d’être exhaustive.

Scanners laser Artec 3D

Alors que nous nous approchons de la fin de cet article, il convient à ce stade-ci d’examiner plusieurs exemples concrets de scanners laser. Chez Artec 3D, nous proposons deux types de scanners laser. Le premier – Artec Leo – est portable et convient le mieux aux objets de moyenne et grande taille sur de courtes distances (0,35 – 1,2 m), tandis que le second – Artec Ray – est un scanner à déphasage avec une distance de travail maximale de 110 mètres.

Artec Leo

Artec Leo est parfait pour la numérisation d’objets de moyenne et grande taille avec une résolution maximale de 0,2 mm et une précision maximale de 0,1 mm

Artec Leo est un scanner laser à lumière structurée portable et polyvalent basé sur la triangulation, qui demeure dans une catégorie à part. Et ce grâce à un processeur intégré, un écran HD, au Wi-Fi et à une batterie qui permettent de scanner et d’examiner les résultats en temps réel sans autre équipement (PC ou tablette) nécessaire. Ce scanner peut acquérir jusqu’à 35 millions de points par seconde et crée des nuages de points hautement détaillés avec une précision de 0,1 mm et une résolution de 0,2 mm en quelques secondes. Le large champ de vue (838 × 488 mm pour la distance la plus longue) de Leo lui permet de scanner et de traiter des objets de toute taille, de petites pièces de 20-50 cm à des objets plus grands, voire des scènes, de 50 à 200 cm ou plus. Leo utiliser un laser VCSEL de classe 1 comme source lumineuse, qui est sans le moindre danger pour les yeux, et peut servir à scanner aussi bien des objets inanimés que des personnes. Le design de Leo offre une autonomie et une flexibilité complètes lors du scan, ce qui explique pourquoi ses applications sont aussi variées : de la rétro-ingénierie et de la CAO à la santé, l’archéologie, la criminalistique, et bien d’autres.

Artec Ray

Artec Ray peut numériser de grands objets avec une précision submillimétrique jusqu’à 110 mètres de distance

Artec Ray est un scanner laser longue portée à déphasage conçu pour numériser des objets grands à très grands, tels des bâtiments, des avions, des éoliennes et autres, avec une précision submillimétrique. Ce scanner a une distance de travail de 110 mètres et peut acquérir jusqu’à 208 000 points par seconde en pivotant à 360 degrés sur lui-même et verticalement avec un angle de champ de 270 degrés. À la différence de nombreux scanners longue portée, Ray acquiert des données hautement précises et nettes, ce qui le rend utilisable pour la rétro-ingénierie et le contrôle qualité. Il est accompagné d’un trépied et fonctionne de façon autonome aussi bien à l’intérieur qu’à l’extérieur, grâce à sa batterie intégrée, à son Wi-Fi embarqué, et à une application mobile permettant le contrôle à distance du scanner. Les données acquises avec Artec Ray peuvent compléter des données de scan plus denses et riches en caractéristiques, acquises avec les scanners portables Artec.

Sommaire
Écrit par: 

Svetlana Golubeva

Journaliste technique

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