Come funziona la scansione 3D a luce strutturata?
Per capire veramente come alcuni dei migliori scanner 3D al mondo catturano oggetti di tutte le dimensioni e complessità, dobbiamo prima dare un'occhiata più da vicino a come funziona la luce strutturata. In questo semplice articolo imparerai anche i vantaggi della luce strutturata rispetto ad altre tecnologie, tra cui le macchine CMM e la fotogrammetria CGI. Parleremo anche di alcune superfici che potrebbero risultare impegnative anche per gli scanner 3D a luce strutturata.
Introduzione
Prima di scoprire come gli scanner 3D a luce strutturata sono in grado di catturare oggetti con velocità e accuratezza incredibili, dobbiamo prima capire cos'è realmente la luce strutturata.
In termini pratici, la luce strutturata è una griglia di luce bianca o blu calibrata con precisione che uno scanner 3D proietta sull'oggetto che sta scansionando. Di solito questa griglia è una serie di linee parallele e incrociate.
Quando la luce strutturata colpisce l'oggetto, la griglia di luce viene distorta dalle curve, depressioni o aree rialzate della superficie.
Il proiettore dello scanner (a sinistra) emette una luce bianca che, attraversata la griglia al centro, va a formare linee o strisce. Maggiore è il numero delle barre della griglia e minore è lo spazio tra di esse, più strette sono le linee di luce "in uscita". Queste linee sarebbero dritte ma vengono distorte quando colpiscono la superficie curva del vaso.
Nel frattempo, la fotocamera dello scanner acquisisce questi modelli di luce distorti fotogramma dopo fotogramma, mentre il software di scansione analizza la griglia e la utilizza per ricostruire accuratamente in 3D digitale tutte le superfici dell'oggetto scansionato.
A seconda delle dimensioni dell'oggetto che si sta scansionando e della durata della scansione, in una sola sessione di scansione lo scanner 3D può acquisire decine, centinaia o addirittura migliaia di fotogrammi.
Trasformazione della luce riflessa in modelli 3D ad alta risoluzione
Gli algoritmi di riconoscimento e ricostruzione del modello del software di scansione sono in grado di comprendere quando una striscia di luce è più spessa o più sottile in alcuni punti, capendo che quei punti sulla superficie sono rispettivamente più vicini o più lontani dalla fotocamera, mentre altre forme e strutture sono determinate da vari tipi di deformazioni nella griglia di luce strutturata.
Alcuni scanner 3D includono anche una fotocamera aggiuntiva che cattura la texture dell'oggetto. Nel mondo della scansione e della modellazione 3D, la texture si riferisce ai colori di un oggetto e ad altre caratteristiche visibili della superficie.
Dopo che i fotogrammi sono stati catturati, vengono trasformati in un modello 3D. Se i frame delle texture sono stati catturati durante la scansione, verranno successivamente "mappati" sul modello 3D, aprendo la strada a un modello 3D finale che può sembrare quasi identico e rispecchiare le dimensioni del suo originale del mondo reale.
Nel caso di uno scanner 3D portatile, al fine di catturare ogni lato dell’oggetto, lo scanner viene spostato intorno all'oggetto, mentre la luce strutturata dello scanner viene proiettata sulla superficie da diverse angolazioni e posizioni, raccogliendo immensi volumi di dettagli superficiali precisi (alcuni scanner acquisiscono milioni di punti dati di superficie ogni secondo!). È inoltre possibile utilizzare una tavola rotante per ruotare oggetti più piccoli e scansionarli da tutti i lati, mantenendo lo scanner portatile relativamente fermo./p>
Con uno scanner fisso a luce strutturata, ad esempio lo scanner desktop Artec Micro, è sufficiente montare l'oggetto da scansionare su una piccola piattaforma di scansione e lo scanner è pronto per occuparsi del resto. L'unico intervento necessario è quando si gira l'oggetto e si cattura qualsiasi superficie precedentemente nascosta.
Dalle molle alle mascelle delle balene: la dimensione dell'oggetto
Un vantaggio indiscutibile degli scanner 3D a luce strutturata è la loro capacità di catturare in modo non distruttivo oggetti sia piccoli che giganteschi, con alcune soluzioni che raggiungono livelli di precisione fino a 10 micron, ossia meno della metà delle dimensioni di un globulo bianco!
PUNTO CHIAVE
Se si lavora costantemente con un tipo di oggetto o con una dimensione specifica, è meglio scegliere uno scanner pensato specificamente per questa attività.
Sebbene i singoli scanner possano essere utilizzati per creare gemelli digitali incredibilmente precisi di moltissimi tipi di oggetti, se si lavora principalmente con una dimensione specifica di oggetto scansionato si consiglia di prendere in considerazione uno scanner specifico che possa svolgere al meglio il compito.
Ad esempio, supponiamo che sia necessario scansionare regolarmente minuscole parti di orologi, tra cui molle, ingranaggi, ruote e gioielli. Ti consigliamo di pensare a uno scanner desktop a luce strutturata, come Artec Micro, che offre una scansione completamente automatizzata, basta un clic per catturare una parte dopo l'altra. Lo stesso vale per le parti di veicoli aerospaziali molto piccole, come valvole fresate con CNC, bulloni filettati, interruttori e altro ancora. D'altra parte, se il tuo oggetto è più grande, ad esempio una persona, molto probabilmente un livello di precisione di un settimo della larghezza di un capello umano non sarà strettamente necessario. Quando si lavora con oggetti più grandi, anche uno scanner 3D portatile a luce strutturata di qualità può svolgere un ottimo lavoro senza farti sudare.
Velocità e portabilità
Se il flusso di lavoro include l'acquisizione digitale di esseri umani o animali di qualsiasi tipo, è meglio scegliere una soluzione che esegua la scansione rapidamente, dato che un oggetto che si muove può facilmente produrre una scansione disallineata, tediosa da correggere dopo la scansione. In questo caso assicurati di controllare la velocità di acquisizione FPS (frame al secondo) dello scanner che ti interessa. Più alto è, meglio è, a meno di non lavorare con oggetti che di solito non si spostano.
Un esempio di scanner 3D progettato per l'alta velocità, la massima portabilità e la precisione senza compromessi è lo scanner portatile wireless Artec Leo, che vanta un frequenza fino a 80 FPS e una velocità di acquisizione dei dati fino a 35 milioni di punti al secondo.
Quando si tratta di valutare una soluzione di scansione 3D a luce strutturata è saggio richiedere una demo per vedere come funziona lo scanner quando cattura gli stessi tipi di oggetti su cui lavorerai. E, ancora meglio, potrai provarlo tu stesso! Presta molta attenzione se impostare e scansionare l'oggetto ed elaborare le scansioni risultanti è facile o difficile.
Vantaggi della luce strutturata rispetto ad altre tecnologie
C'è una ragione per cui gli scanner 3D a luce strutturata sono la tecnologia preferita da migliaia di utenti in tutto il mondo ormai da anni. In realtà, c'è ben più di una ragione. Qui tratteremo i punti di forza più ampiamente riconosciuti, insieme ad alcune sfere in cui tali benefici hanno avuto il loro maggiore impatto.
Nessun contatto Per numerosi tipi di oggetti, il grado di manipolazione richiesto per la misurazione a contatto (CMM) o la fotogrammetria con target è potenzialmente dannoso. Ad esempio, se stai lavorando con esemplari archeologici, pezzi da museo o oggetti di alto valore provenienti da collezioni private, toccarli è fuori discussione.
La luce strutturata consente di catturare tali oggetti nella loro interezza, fino a livelli submillimetrici di precisione, il più delle volte con pochissimo o addirittura nessun contatto necessario. Basta pensare alla scienza forense e all'archeologia, dove la maggior parte degli oggetti vengono scansionati sul posto, esattamente come sono stati trovati, preservando così l'integrità dell'oggetto e della scena circostante. Per questo motivo il rischio di danni da contatto, anche di piccola entità, è ridotto al minimo.
Alta velocità Quando hai un progetto urgente da completare, l'ultima cosa che vuoi è venire rallentato dalla tua stessa strumentazione. Un compito che richiederebbe un'intera giornata con la fotogrammetria tradizionale, una macchina CMM o strumenti di misurazione manuale, può spesso essere completato in appena una o due ore con uno scanner 3D a luce strutturata.
Un altro motivo per cui avere una soluzione ad alta velocità è importante, come accennato in precedenza, è perché alcuni oggetti tendono a non rimanere fermi per più di un secondo o due, ad esempio le persone. E quando ciò accade, a parte le possibilità di disallineamento sopra citate, anche le forme catturate dell'oggetto scansionato possono cambiare, con immensa frustrazione di chi scansiona.
Precisione eccezionale A differenza dei metodi di misurazione tradizionali come calibri e righelli, o anche le macchine CMM, la scansione 3D a luce strutturata permette di catturare l'intero oggetto o scena, non solo i punti discreti e tratti lineari di una superficie.
Nel mondo reale, i prodotti, le parti e gli altri tipi di oggetti con cui lavoriamo sono normalmente costituiti da numerose superfici e milioni di possibili punti di dati tra quei pochi punti selezionati solitamente scelti per la misurazione. Ciò significa che grazie alla scansione 3D con luce strutturata sarà possibile catturare tutto con precisione submillimetrica, offrendo una registrazione digitale onnicomprensiva e altamente precisa del proprio oggetto o scena.
Assolutamente sicuro per le persone La luce strutturata ha goduto di un uso diffuso in più sfere del settore sanitario per anni. È stata ampiamente testata e approvata dal punto di vista medico per l'uso su qualsiasi soggetto, dai bambini più piccoli agli anziani più fragili, negli ospedali, nelle scuole, nelle aziende o altrove.
A differenza degli scanner CT, che utilizzano delle radiazioni per catturare le superfici e le geometrie interne degli oggetti, la luce strutturata ha provato più e più volte di essere una tecnologia di scansione non pericolosa ed efficace.
Scansione 3D a luce strutturata e due tipi di fotogrammetria
Mentre la fotogrammetria CGI per lavori artistici non richiede uno scanner 3D dedicato, e certamente può essere utilizzata per creare modelli 3D con texture incredibili, non è senza i suoi inconvenienti. Il più ovvio è la precisione.
Come vedremo nella prossima sezione, esiste un altro tipo di soluzione di fotogrammetria da utilizzare in progetti in cui le esigenze di precisione richiedono prestazioni di livello metrologico. Per il resto di questa sezione, tuttavia, ci concentreremo sulla fotogrammetria convenzionale, popolare tra i team CGI e i modellisti 3D, come detto sopra.
Dato che le sessioni di acquisizione di fotogrammetria CGI sono lunghe e lente, non la si usa mai per catturare le persone, come abbiamo precedentemente fatto notare, e qualsiasi movimento durante la scansione influenzerà seriamente l'accuratezza finale e l'allineamento del modello.
Anche i progetti a lungo termine sono fuori discussione. Ciò riguarda la maggior parte delle varietà di ispezione della qualità per la produzione, dove risultati affidabili e precisi forniti in pochi minuti sono un componente fondamentale per evitare eventuali colli di bottiglia nella catena di approvvigionamento.
Inoltre, questo tipo di fotogrammetria può richiedere un potente computer per elaborare tutte le immagini, che possono essere centinaia se non migliaia.
Un'altra preoccupazione problematica della fotogrammetria artistica è il feedback ritardato. In sostanza, non saprai fino a quando non avrai elaborato le tue immagini se hai raggiunto o meno la copertura completa del tuo oggetto. E allora potrebbe essere già troppo tardi.
Un esempio di questa problematica viene dal campo dell'archeologia, dove manufatti e fossili incontrati durante una spedizione o in uno scavo remoto non possono o non dovrebbero essere portati via da dove si trovano.
Una sinergia metrologica: scansione 3D + fotogrammetria metrologica
Una delle più recenti soluzioni di acquisizione digitale che rivoluzionerà il mercato metrologico e non solo è uno speciale kit di fotogrammetria che puoi utilizzare nel tuo flusso di lavoro di scansione 3D: la fotogrammetria DPA. A differenza della fotogrammetria CGI, questa soluzione è incredibilmente accurata e non richiede ore e ore di elaborazione per ricucire montagne di fotografie.
Se utilizzata in sinergia con la scansione 3D, la fotogrammetria DPA viene utilizzata solo all'inizio del processo per catturare le dimensioni fisiche esatte di un oggetto o di una scena, che verranno poi passate al software di scansione 3D sotto forma di una nuvola di punti estremamente accurata (fino a 10 micron).
In seguito, è sufficiente scansionare in 3D l’oggetto appena fotografato e fondere la mesh poligonale 3D risultante dallo scanner con la nuvola di punti fotogrammetrica, il modello 3D successivo vanterà livelli eccezionali di precisione e risoluzione, ideali per un ampio spettro di progetti di livello metrologico.
Applicazioni popolari della scansione 3D a luce strutturata
Reverse engineering di parti e assiemi fuori produzione
Molte aziende oggi affrontano la situazione di dover riparare o addirittura sostituire vecchie apparecchiature, ritrovandosi spesso a scoprire che il produttore originale non fornisce più questi prodotti o è addirittura fallito. In questi casi è possibile ricreare queste parti da soli attraverso una soluzione di scansione 3D a luce strutturata, andando a risparmiare enormi quantità di denaro e ore di lavoro. Considerando il tempo e l'esperienza necessari per misurare manualmente e riprogettare queste parti in CAD, uno scanner 3D portatile può valere tanto oro quanto pesa.
Documentazione di reperti archeologici, culturali e storici
Gli scanner 3D a luce strutturata consentono ai musei e ricercatori di tutto il mondo di catturare ogni dettaglio della superficie dei loro reperti, anche degli oggetti più preziosi, senza mettere a rischio manufatti e fossili. Forse hai bisogno di creare copie digitali di utensili dell'età della pietra, del muro di un castello medievale o del teschio di un antico antenato dell'uomo. Indipendentemente dal tuo scopo, è fondamentale che questi oggetti siano maneggiati il meno possibile per evitare danni.
Creazione di CGI a colori ed effetti speciali ultra-realistici
L'uso della scansione 3D a luce strutturata per generare grafica computerizzata realistica per film, televisione e giochi è ora diventato uno standard del settore. Utilizzando uno scanner 3D portatile come Artec Leo è facile visitare un set o uno studio, scansionare, elaborare e fornire controfigure digitali di attori, oggetti di scena e persino intere scene in pochi minuti dopo la scansione.
Misure per vestiti che calzano a pennello
Quando si tratta di misurare con precisione il corpo umano, i metri a nastro hanno sicuramente diversi limiti. È qui che la scansione 3D a luce strutturata sorpassa di gran lunga il suo predecessore analogico. Soprattutto con uno scanner 3D palmare veloce, senza fili o cavi che ti intralciano durante il lavoro, puoi facilmente muoverti intorno a una persona mentre la catturi digitalmente da tutte le angolazioni in pochi minuti. In questo modo avrai misure precise che anche il sarto più meticoloso invidierebbe.
Misurazione ottica e ispezione nelle linee di produzione
Una delle preoccupazioni essenziali che molti produttori hanno quando ispezionano un prodotto è quella di essere in grado di rilevare e quantificare accuratamente eventuali variazioni nella sua struttura fisica, senza causare alcun danno al prodotto lungo il percorso. A differenza di soluzioni di misurazione fisiche come calibri, micrometri e persino macchine CMM, con uno scanner 3D non c'è alcuna possibilità di intaccare, graffiare o deformare la superficie misurata. Inoltre, nel vostro software di scansione 3D potete avere la conferma visiva di qualsiasi variazione di produzione esistente, con una precisione fino al submillimetro.
Potenziali punti deboli degli scanner a luce strutturata
Prima di prendere decisioni su una nuova tecnologia, è importante comprenderne i relativi punti di forza e le eventuali carenze. A questo proposito, la luce strutturata ha molti più pregi che difetti. Tuttavia, ecco alcune condizioni che possono mettere a dura prova i limiti di alcuni scanner 3D a luce strutturata.
Eccessivo movimento dell'oggetto durante la scansione
Quando uno scanner 3D portatile a luce strutturata acquisisce un oggetto, ci si aspetta che qualsiasi cosa esso rimanga fermo o si muova in modo controllato, ad esempio quando viene ruotato su una tavola rotante.
Tutti gli scanner 3D incorrono in questi svantaggi in misura minore o maggiore, ma i risultati dipendono molto dalla velocità di acquisizione di FPS (frame per secondo) dello scanner. Ad esempio, se il movimento dell'oggetto o dello scanner è eccessivo, lo scanner potrebbe perdere il tracciamento. Ma per uno scanner a luce strutturata ad alti FPS è improbabile che questo sia un problema.
Superfici difficili da catturare per scanner 3D e fotogrammetria
Ci sono diversi tipi di superfici che spesso si rivelano impegnative da catturare per qualsiasi scanner 3D, così come per la fotogrammetria CGI. Questo non significa che siano impossibili da scansionare: con la giusta preparazione, oltre a uno scanner 3D di alta qualità, puoi aumentare in modo significativo le tue possibilità di successo digitale.
Superfici molto scure: sebbene questi tipi di superfici non siano estremamente comuni, esistono e possono facilmente assorbire in parte la luce strutturata facendo in modo che il modello non venga riflesso correttamente sulla fotocamera dello scanner. Se si dispone di uno scanner con impostazioni di sensibilità regolabili dall'utente nel software, è possibile provare ad aumentare la sensibilità dello scanner durante l'anteprima della scansione fino a quando la superficie non diventa chiaramente visibile allo scanner.
Superfici altamente riflettenti, ad esempio cromo o altri metalli lucidi: quando la luce strutturata colpisce tali superfici può semplicemente rimbalzare in direzioni imprevedibili, rendendo tecnicamente impossibile per la fotocamera dello scanner catturare immagini accurate della griglia di luce distorta. La soluzione è provare a eseguire la scansione da varie angolazioni e distanze dall'oggetto. A volte è sufficiente riposizionare lo scanner e regolare l'angolo in modo da non eseguire la scansione direttamente perpendicolare all'oggetto. In questo modo la luce strutturata può disperdersi più gradualmente piuttosto che riflettersi direttamente sulla fotocamera.
Superfici vetrose, trasparenti o anche semi-traslucide: quando la luce strutturata di uno scanner attraversa il materiale o si diffonde durante il passaggio, non è in grado di rimbalzare verso la fotocamera e registrare la vera geometria della superficie. Esistono svariate opzioni per fare in modo che queste superfici riflettano correttamente la luce strutturata piuttosto che assorbirla e/o diffonderla. Un approccio fai-da-te potrebbe comportare un’applicazione di amido di mais o talco sull'oggetto da scansionare. Inoltre, ci sono alcuni spray opachi di alta qualità disponibili che svaniscono in pochi minuti o ore.
Superfici pelose: quando la luce strutturata colpisce questo tipo di materiali, la luce può rimbalzare in più direzioni e la fotocamera dello scanner di solito non è in grado di catturare abbastanza della griglia luminosa per distinguere le geometrie superficiali effettive dell'oggetto. Proprio come con le superfici scure, se il tuo scanner ha un'impostazione di sensibilità nel suo software bisognerà alzarla di molto in modo che lo scanner rilevi le geometrie sottili dei peli. Se stai facendo una scansione di una testa, assicurati di scansionare "da orecchio a orecchio", spostando lo scanner verso l'alto, in direzione del centro della testa, per poi passare all'altro lato. È anche una buona idea mantenere il collo e le spalle nel campo visivo dello scanner il più possibile, così il software di scansione ne terrà traccia come riferimento.
Oggetti molto sottili (o sezioni di oggetti): il problema consiste nel non avere superficie sufficiente da illuminare con la luce strutturata o non essere in grado di rifletterla in volumi sufficienti verso la fotocamera dello scanner. Ad esempio, mentre lo scanner sta tentando di catturare il bordo sottile di un oggetto, potrebbero esserci solo pochi millimetri di larghezza (o anche meno) di superficie disponibile. Molte volte questo ostacolo può essere superato semplicemente includendo uno sfondo colorato o con un motivo nel campo visivo dello scanner. Questo si può ottenere tenendo un foglio di carta con testo e/o forme o motivi geometrici dietro l'oggetto o la superficie sottile che si sta scansionando.
Superfici incassate e incavi profondi: non importa quali siano le capacità dello scanner (ed è più facile raggiungere queste aree con uno scanner portatile), se la luce strutturata non può raggiungere una sezione o una parte dell'oggetto o della scena che stai catturando, quindi ritornare alla fotocamera dello scanner, lo scanner semplicemente non lo "vedrà", il che significa che non verrà catturato. Alcuni scanner eccellono più di altri in questo compito. Inoltre, una delle soluzioni più efficaci per questi tipi di superfici difficili da raggiungere è un software di scansione basato su IA che riconosca visivamente una vasta gamma di dettagli parziali nelle scansioni e li ricostruisca digitalmente in 3D a colori ad alta risoluzione.
Conclusione
Come risulta evidente da questa panoramica, oggi più che mai la tecnologia di scansione 3D a luce strutturata ci offre un approccio rapido, facile da usare, accurato ed efficace per catturare oggetti e scene di varie dimensioni e complessità. Sempre più scuole e università di tutto il mondo adottano le soluzioni di scansione 3D, ma il futuro sembra radioso anche in altri settori, tra cui produzione, medicina legale, assistenza sanitaria, ricerca e molto altro.
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