Comment fonctionne le scan 3D à lumière structurée ?
Pour véritablement comprendre comment certains des meilleurs scanners 3D au monde capturent des objets de toutes tailles et complexités, nous devons d’abord examiner de plus près le fonctionnement de la lumière structurée. Dans cet article à la lecture aisée, vous découvrirez également les avantages de la lumière structurée par rapport à d’autres technologies comme les machines à mesurer tridimensionnelles (MMT) et la photogrammétrie pour les effets spéciaux numériques. Nous passerons ensuite en revue plusieurs surfaces potentiellement difficiles à numériser par les scanners 3D à lumière structurée.
Introduction
Avant d’examiner comment les scanners 3D à lumière structurée sont capables de capturer des objets avec une rapidité et une précision aussi incroyables, nous devons d’abord comprendre ce qu’est réellement la lumière structurée.
Concrètement, la lumière structurée est un motif précisément calibré de lumière blanche ou bleue qu’un scanner 3D projette sur l'objet que vous êtes en train de scanner. En général, ce motif est constitué d’une série de lignes parallèles, de bandes ou d’une grille.
Lorsque la lumière structurée frappe la surface de l'objet, le motif lumineux est déformé par les courbes, dépressions ou zones en relief qu’il rencontre.
Le projecteur d'un scanner (à gauche) émet une lumière blanche qui, après avoir traversé la grille au centre, se structure en lignes, ou bandes. Plus les barres de la grille sont épaisses et moins il y a d'espace entre elles, plus les lignes de lumière sont étroites à la « sortie ». Ces lignes normalement droites sont déformées lorsqu'elles frappent la surface courbe du vase.
La caméra du scanner capture, un cliché après l’autre, ces motifs lumineux déformés au fur et à mesure qu’ils sont réfléchis, tandis que le logiciel de scan analyse les motifs et les utilise pour reconstruire précisément en 3D numérique toutes les surfaces de l'objet scanné.
En fonction de la taille de l'objet scanné et de la durée du scan, rien qu’en une seule séance de scan, votre scanner 3D peut capturer des dizaines, des centaines, voire des milliers d'images.
Transformer la lumière réfléchie en modèles 3D en haute résolution
Les algorithmes de reconnaissance du motif et de reconstruction du logiciel de scan comprennent que lorsqu’une bande de lumière est plus épaisse ou plus fine à certains endroits, cela signifie que ces points sur la surface sont respectivement plus proches ou plus éloignés de la caméra, alors que d’autres formes et structures sont déterminées par différents types de déformations dans les motifs de lumière structurée.
Certains scanners 3D sont dotés d'une caméra supplémentaire qui enregistre la texture de l'objet. Dans le monde du scan 3D et de la modélisation, la texture se définit comme les couleurs d’un objet et d’autres caractéristiques visibles de sa surface.
Une fois acquises, les images sont transformées en modèle 3D. Si des images de texture ont été acquises lors du scan, elles seront ensuite « mappées » sur le modèle 3D, ouvrant la voie à un modèle 3D final qui peut être presque identique à son modèle réel d’origine et avoir les mêmes dimensions que celui-ci.
Un scanner 3D portable capture chaque côté de l'objet autour duquel il est déplacé en projetant une lumière structurée sur les surfaces de l’objet sous différents angles et depuis différents endroits, collectant d'immenses quantités de détails précis sur la surface (certains scanners acquièrent des millions de points de données de surface par seconde !). Vous pouvez également utiliser un plateau rotatif pour faire tourner de petits objets et scanner tous leurs côtés, tout en gardant votre scanner portable relativement immobile.
Avec un scanner stationnaire à lumière structurée, par exemple le scanner de bureau Artec Micro, il vous suffit de placer l'objet à scanner sur une petite plateforme de scan et le scanner s'occupe du reste. La seule intervention nécessaire consiste à retourner l'objet pour capturer les surfaces précédemment cachées.
De ressorts à spires à des mâchoires de baleine : tout sur la taille des objets
Un des atouts incontestables des scanners 3D à lumière structurée est leur capacité à scanner des objets minuscules ou immenses de façon non destructive. Certaines solutions atteignent même un niveau de précision aussi élevé que 10 micromètres, soit moins de la moitié de la taille d'un globule blanc !
L’ESSENTIEL
Si vous travaillez systématiquement avec un certain type ou une certaine taille d'objets, optez pour un scanner conçu expressément pour !
Bien que certains scanners puissent servir à créer des copies numériques incroyablement précises d'une grande variété d'objets, si vous travaillez principalement avec une certaine taille d'objets, vous auriez peut-être intérêt à recourir au scanner qui accomplira le mieux cette tâche.
Imaginons par exemple que vous deviez régulièrement scanner de minuscules pièces de montres, notamment des ressorts, des engrenages, des roues, ou des bijoux. Il serait dans ce cas judicieux de songer à utiliser un scanner de bureau à lumière structurée tel qu’Artec Micro, avec lequel il vous suffit d’un clic pour scanner une pièce après l’autre. Il en va de même pour les pièces aérospatiales très petites, tels les soupapes fraisées par CNC, les boulons filetés, les commutateurs et autres. À l'inverse, si votre objet est plus grand ou qu'il s’agit par exemple d'une personne, vous n’aurez probablement pas besoin d'un niveau de précision égal à 1/7 de la largeur d’un poil humain. En ce qui concerne les objets de plus grandes dimensions encore, même ceux de la taille d'une salle, les scanners 3D portables de qualité à lumière structurée peuvent faire le boulot sans la moindre difficulté.
Rapidité et facilité de transport
Si votre processus implique de numériser des humains ou des animaux de toutes sortes, vous voudrez une solution qui scanne rapidement. Autrement, le moindre mouvement de votre objet peut facilement donner lieu à un scan mal aligné, qu'il peut être pénible de corriger après la séance de scan. Assurez-vous par conséquent de connaître le nombre d'images par seconde (i/s) capturées par le scanner qui vous intéresse. Plus ce chiffre est élevé, mieux c’est, à moins que vous ne travailliez avec des objets immobiles.
Un exemple de scanner 3D conçu pour une vitesse élevée, la plus grande facilité de transport et une précision sans concession est le sans fil et portable Artec Leo, qui capture jusqu’à 80 i/s et offre une vitesse d’acquisition des données de 35 millions de points par seconde.
Pour évaluer les capacités d'une solution de scan 3D à lumière structurée, il est judicieux de demander une démo où vous pourrez voir le scanner utilisé pour numériser le même genre d'objets que ceux avec lesquels vous travaillerez. Encore mieux : testez-le vous-même ! Vérifiez attentivement s’il est facile (ou difficile) de le configurer et de scanner l'objet ainsi que de traiter les scans obtenus.
Avantages de la lumière structurée par rapport à d’autres technologies
Il y a une raison pour laquelle les scanners 3D à lumière structurée sont la technologie choisie par des milliers d'utilisateurs aux quatre coins du monde depuis plusieurs années. En fait, plusieurs raisons existent. Nous aborderons ici les points forts les plus largement reconnus des scanners 3D à lumière structurée ainsi que certains secteurs où ces avantages ont le plus grand impact.
Aucun contact Pour de nombreux types d'objets, la manipulation nécessaire pour les mesures par contact (MMT) ou la photogrammétrie avec des cibles n’est tout simplement pas une option. Par exemple : si vous travaillez avec des spécimens archéologiques uniques, des pièces de musée ou des objets de valeur issus de collections privées.
La lumière structurée permet de scanner ces objets en entier, avec une précision submillimétrique et, la plupart du temps, très peu voire aucun contact nécessaire. Il suffit de prendre l’exemple de la criminalistique et de l’archéologie, où la plupart des objets sont scannés sur place, exactement tels qu’ils sont trouvés, pour préserver l'intégrité de l’objet ainsi que de la scène environnante. Le risque de dommages dus à un contact, même très léger, est ainsi réduit au minimum.
Vitesse élevée Lorsque vous avez un projet urgent à réaliser, la dernière chose que vous souhaitez, c’est d’être ralenti par vos outils. Ce qui peut prendre une journée complète avec la photogrammétrie traditionnelle, une MMT ou des instruments de mesure manuels peut souvent être achevé en une heure ou deux à peine à l’aide d'un scanner 3D à lumière structurée.
Autre raison pour laquelle disposer d'une solution à grande vitesse est important, comme nous l’avons mentionné brièvement ci-dessus : certains objets ont tendance à bouger après une seconde ou deux, notamment les humains. Lorsque cela se produit, outre l’éventualité du mauvais alignement évoqué plus haut, les formes numérisées de ce que vous scannez peuvent également changer et aboutir à des résultats frustrants.
Précision remarquable À la différence des méthodes de mesure de longue date que sont les compas et les règles, voire les MMT, le scan 3D optimisé avec la lumière structurée vous permettra de numériser un objet entier ou une scène, et pas simplement des points distincts et des sections linéaires d'une surface.
Dans le monde réel, les produits, pièces et autres types d'objets avec lesquels nous travaillons comportent généralement une multitude de surfaces et des millions de points de données possibles entre les quelques points sélectionnés pour les mesures. Grâce au scan 3D à lumière structurée, vous pourrez tout scanner avec une précision submillimétrique et obtenir ainsi un enregistrement numérique global et hautement précis de votre objet ou scène.
Aucun danger pour la santé La lumière structurée est largement utilisée dans de nombreux domaines de la médecine depuis plusieurs années. Elle a fait l’objet de nombreux tests et son utilisation a été médicalement approuvée sur toutes les catégories d’âge, des plus jeunes enfants aux personnes âgées les plus fragiles, que ce soit à l’hôpital, à l’école, en entreprise ou ailleurs.
À la différence de la tomodensitométrie, qui utilise des rayons X pour capturer les surfaces et les géométries internes d'objets, la lumière structurée a fait ses preuves en tant que technologie de scan efficace et sans danger.
Le scan 3D à lumière structurée & deux types de photogrammétrie
Si la photogrammétrie pour les effets spéciaux numériques et les travaux artistiques ne nécessite pas de scanner 3D dédié et peut servir à créer des modèles 3D aux textures impressionnantes, elle n’est toutefois pas exempte d’inconvénients, dont le plus flagrant est sa précision.
Comme nous l’expliquerons dans la section suivante, une autre solution de photogrammétrie existe pour les projets où la précision exigée nécessite des performances de qualité métrologique. Dans le reste de la présente section, nous nous focaliserons sur la photogrammétrie conventionnelle, prisée par les équipes d’effets spéciaux numériques et les modeleurs 3D.
En raison de sa lenteur, la photogrammétrie artistique est quasiment exclue lorsqu’il s’agit de numériser des personnes car tout mouvement lors du scan nuirait considérablement à la précision finale et à l’alignement du modèle.
Elle est également hors de question lorsque des projets urgents doivent être réalisés. Il peut s’agit des processus les plus divers de contrôle qualité dans le cadre de la fabrication, où des résultats fiables et précis obtenus en quelques minutes sont essentiels pour éviter tout goulot d’étranglement dans la chaîne logistique.
Qui plus est, ce type de photogrammétrie peut nécessiter de recourir à un ordinateur puissant capable de traiter toutes les images, qui peuvent se compter par centaines, voire par milliers.
Le feedback différé est un autre inconvénient de la photogrammétrie artistique. Ce n’est en effet qu'une fois que vous aurez traité vos images que vous saurez si vous avez ou non enregistré votre objet en entier. Or, à ce moment-là, il sera peut-être déjà trop tard pour remédier à la situation.
Un bon exemple est celui de l’archéologie, où les artefacts et fossiles mis au jour lors d’une expédition ou sur un site de fouilles reculé ne peuvent pas ou ne devraient pas être retirés de l’endroit où ils ont été découverts.
Synergie métrologique : scan 3D + photogrammétrie métrologique
Une des solutions de numérisation les plus récentes qui fait parler d’elle sur le marché de la métrologie et ailleurs est un kit de photogrammétrie spécial que vous pouvez ajouter à votre processus de scan 3D : la photogrammétrie DPA. À la différence de la photogrammétrie artistique, cette solution est incroyablement précise et ne nécessite pas des heures de traitement pour assembler des tas de photographies.
Lorsqu’elle est combinée au scan 3D, la photogrammétrie DPA n’est utilisée qu’au tout début du processus afin d’acquérir les dimensions physiques exactes d'un objet ou d'une scène. Celles-ci sont ensuite transmises à un logiciel de scan 3D sous la forme d'un nuage de points extrêmement précis (jusqu’à 10 micromètres).
Après quoi il vous suffit de scanner en 3D ce que vous venez de photographier et, en fusionnant le maillage polygonal 3D provenant du scanner avec le nuage de points issu de la photogrammétrie, vous obtenez un modèle 3D avec une précision et une résolution exceptionnelles, idéales pour une large palette de projets métrologiques.
Utilisations populaires du scan 3D à lumière structurée
Rétro-ingénierie de pièces et d’assemblages épuisés
De nombreuses entreprises se retrouvent aujourd'hui dans des situations où elles doivent réparer, voire remplacer des équipements anciens. Or, bien souvent, le fabricant d’origine ne fournit plus ces produits ou n’existe plus. Dans ce genre de cas, en recréant ces pièces vous-même, grâce à une solution de scan 3D à lumière structurée, vous pouvez économiser beaucoup d’argent, sans parler d'innombrables heures de travail. Compte tenu du temps et des compétences nécessaires pour mesurer manuellement et dessiner minutieusement ces pièces en CAO, un scanner 3D portable peut valoir son pesant d’or.
Documentation d’artefacts archéologiques, culturels et historiques
Les scanners 3D à lumière structurée permettent aux musées et chercheurs du monde entier de numériser tous les détails de surface des artefacts et fossiles les plus précieux sans risquer de les abîmer. Vous voulez peut-être créer avec une précision chirurgicale des copies d’archives numériques d'outils préhistoriques en pierre, d'un mur de château médiéval ou du crâne d’un de nos ancêtres. Quoi qu’il en soit, il est crucial que ces objets soient manipulés le moins possible pour éviter tout dégât.
Créer des effets spéciaux numériques ultraréalistes et en couleur
Le recours au scan 3D à lumière structurée pour générer des images de synthèses réalistes destinées au cinéma, à la télévision et à l’industrie du jeu vidéo est désormais devenu une norme dans le métier. Grâce à l’utilisation d'un scanner 3D portable comme Artec Leo, rien de plus simple que de visiter un lieu de tournage ou un studio, puis de scanner, traiter et employer des doubles numériques d’acteurs, d’accessoires, voire de scènes entières, quelques minutes après le scan.
Mesures corporelles pour des vêtements parfaitement ajustés
Quand il s’agit de mesurer précisément le corps humain, les mètres rubans ont leurs limites. C’est là que le scan 3D à lumière structurée surpasse son prédécesseur. Un scanner 3D portable rapide sans fil ni câble pour vous gêner vous permet de vous déplacer d’autant plus facilement autour d'une personne tout en la numérisant sous tous les angles en une poignée de minutes. Vous obtiendrez ainsi des mesures précises qui rendraient vert de jalousie même le tailleur le plus méticuleux.
Mesure optique et inspection dans les chaînes de fabrication
Une des principales préoccupations de nombreux fabricants lorsqu'ils inspectent un produit est de pouvoir détecter et quantifier précisément tout écart dans la structure physique du produit sans endommager celui-ci. À la différence des solutions de mesure physique que sont les compas, les micromètres, voire les machines à mesurer tridimensionnelles, un scanner 3D élimine tout risque d’ébrécher, d’érafler ou de déformer une surface. Dans votre logiciel de scan 3D, vous pouvez en outre avoir la confirmation visuelle de tout écart de fabrication existant, et ce avec une précision submillimétrique.
Points faibles possibles des scanners à lumière structurée
Avant de prendre une décision relative à une nouvelle technologie, il est important de connaître à la fois ses points forts et ses éventuels points faibles. À cet égard, la lumière structurée a bien davantage d’atouts que d’inconvénients. Voici néanmoins plusieurs cas où certains scanners 3D à lumière structurée pourraient atteindre leurs limites.
Mouvement excessif de l'objet pendant le scan
Lorsque vous numérisez un objet avec un scanner 3D portable à lumière structurée, il est préférable que ce que vous scannez soit immobile ou bouge de façon contrôlée, par exemple sur un plateau tournant.
Si tous les scanners 3D surmontent plus ou moins facilement l’obstacle que constitue le mouvement d’un objet, les résultats dépendent fortement du nombre d’images par seconde capturées par votre scanner. Par exemple, si le mouvement de l'objet ou du scanner est excessif, ce dernier pourrait perdre le suivi. Mais pour un scanner à lumière structurée fort d'une vitesse d’acquisition très élevée, les risques sont faibles.
Surfaces difficiles à capturer par les scanners 3D et la photogrammétrie
Plusieurs types de surfaces se révèlent souvent difficiles à capturer avec n'importe quel scanner 3D ainsi qu’avec la photogrammétrie artistique. Cela ne veut toutefois pas dire qu’elles sont impossibles à scanner. Grâce à de bons préparatifs et à un scanner 3D de haute qualité, vous pouvez augmenter nettement vos chances de succès.
Surfaces très sombres : Bien que ce genre de surfaces ne soient pas très communes, elles existent néanmoins et peuvent facilement absorber suffisamment de lumière structurée pour que le motif ne soit pas réfléchi correctement vers la caméra du scanner. Si vous possédez un scanner avec des réglages de sensibilité ajustables dans le logiciel, essayez d’augmenter la sensibilité du scanner lors de la prévisualisation du scan jusqu’à ce que la surface soit clairement visible par le scanner.
Surfaces hautement réfléchissantes, par exemple en chrome ou un autre métal brillant : Lorsque la lumière structurée frappe ce genre de surfaces, elle peut simplement rebondir dans des directions imprévisibles, ce qui empêche la caméra du scanner de capturer correctement des images précises des motifs lumineux déformés. Essayez de scanner sous divers angles et à différentes distances de l’objet. Il suffit parfois de repositionner le scanner et de modifier l’angle pour ne pas scanner directement à la perpendiculaire par rapport à l'objet. De cette façon, la lumière structurée peut se disperser graduellement au lieu d’être réfléchie directement vers la caméra.
Surfaces vitreuses, claires, voire à moitié translucides : Lorsque la lumière structurée d’un scanner traverse la matière ou se diffuse en la traversant, elle ne peut pas rebondir vers la caméra et enregistrer la vraie géométrie de surface. Une variété d'options existe pour que ces surfaces réfléchissent correctement la lumière structurée plutôt que de l’absorber ou de la diffuser. Une méthode maison peut être de saupoudrer de la fécule de maïs ou du talc sur l'objet à scanner. Des sprays matifiants de haute qualité qui disparaissent en quelques minutes ou quelques heures sont également disponibles.
Surfaces chevelues ou couvertes de fourrure : Lorsque la lumière structurée frappe ce genre de matière, la lumière peut rebondir dans une multitude de directions. La caméra du scanner n’est en général pas capable de capter suffisamment le motif lumineux pour distinguer les vraies géométries de surface de l'objet. À l’instar des surfaces sombres, si vous pouvez modifier la sensibilité du scanner dans le logiciel, vous devrez l’augmenter considérablement de façon à ce que le scanner détecte les géométries subtiles des cheveux. Si vous scannez un visage, veillez à le scanner « d’une oreille à l’autre » en déplaçant le scanner vers le sommet du crâne puis par-dessus en redescendant de l’autre côté. Il est également utile de maintenir autant que possible le cou et les épaules dans le champ de vue du scanner de façon à ce que le logiciel de scan suive ces caractéristiques comme références.
Objets (ou sections d'objets) très fins : Une quantité insuffisante de surface peut être illuminée par la lumière structurée et réfléchie vers la caméra du scanner. Par exemple, le scanner essaye de capturer le bord fin d'un objet, or la zone de surface ne fait que quelques millimètres à peine de large (voire moins). Dans de nombreux cas, cette difficulté peut être surmontée en ajoutant simplement un arrière-plan en couleur ou à motif dans le champ de vue du scanner. Il peut s’agir d’une feuille de papier comportant du texte ou de formes géométriques et de motifs placés derrière la surface ou l'objet fin que vous scannez.
Surfaces encastrées et encoches profondes : Quelles que soient les capacités du scanner – il est plus simple d’atteindre ces zones avec un scanner portable –, si la lumière structurée ne peut pas atteindre une section ou une partie de l'objet ou de la scène que vous scannez puis rebondir vers la caméra du scanner, le scanner ne la « verra » tout simplement pas, ce qui signifie qu’elle ne sera pas numérisée. Certains scanners s’en sortent mieux que d’autres. Une des solutions les plus efficaces pour ce genre de surfaces difficiles à atteindre est un logiciel de scan propulsé par l'intelligence artificielle et capable de reconnaître visuellement une grande palette de caractéristiques partielles dans les scans et de reconstruire numériquement ces surfaces en 3D couleur et en haute résolution.
Conclusion
Comme il ressort du tour d’horizon présenté ci-dessus, la technologie du scan 3D à lumière structurée nous offre aujourd’hui plus que jamais une approche rapide, facile d’emploi, précise et efficace pour capturer des objets et des scènes de différentes tailles et complexités. Alors qu’écoles et universités aux quatre coins du monde sont de plus en plus nombreuses à adopter des solutions de scan 3D, l’avenir semble radieux non seulement pour l’éducation mais également pour des secteurs de toutes sortes, qu’il s’agisse de la fabrication, de la criminalistique, de la médecine, de la recherche et d’autres.
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