레이저 3D 스캐닝이란 무엇인가요?

2022년 1월 24일
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요약

이 가이드에서는 가장 널리 사용되는 3D 스캐닝 기술 중 하나인 레이저 3D 스캐닝에 대해 자세히 살펴봅니다. 이 가이드를 읽고 나면 어떤 유형의 스캐너를“레이저”라고 하는지, 어떻게 작동하는지 그리고 어디에 가장 유용하고 무엇에 사용되는지 잘 알게 될 것입니다.

기술별 레이저 스캐너 유형
ToF(비행시간), 위상 편이, 삼각 측량
제품별 레이저 스캐너 유형
휴대용, 삼각대 장착, 데스크톱
범위별 레이저 스캐너 유형
단거리(최대 5m), 중거리(최대 120m), 장거리(최대 2km)

오늘날 현실 세계의 물체를 디지털 3D 공간으로 가져오는 다양한 방법과 기술이 있습니다. 데스크톱, 휴대용 또는 삼각대 장착형, 산업용 또는 소비자용 등 다양한 3D 스캐너, 사진 카메라 및 사진 측량 소프트웨어, 접촉식 측정 시스템, LiDAR 센서가 내장된 스마트폰 또는 태블릿 그리고 모바일, 지상, 공중 시스템 등으로 이 작업을 수행할 수 있습니다.

이 기사에서는 건축 및 토지 측량에서 포렌식 및 유산 보존에 이르기까지 모든 곳에서 사용되는 가장 일반적인 스캐닝 기술 중 하나인 레이저 3D 스캐닝에 중점을 둘 것입니다. 어떤 유형의 스캐너를 “레이저”라고 하는지, 각 스캐너는 어떻게 작동하는지 그리고 이러한 장치는 어디에서 무엇에 사용되는지 알아보겠습니다.

3D 레이저 스캐너란 무엇인가요?

사람들은 "레이저 3D 스캐너"라는 용어를 들으면 자신의 배경과 전문 분야에 따라 다양한 스캐닝 장치를 상상할 수 있습니다. 예를 들어, 산업 디자이너는 근거리에서 중소형 물체를 캡처할 수 있는 휴대용 장치를 상상할 수 있고, 건설 작업자는 지상에서 건물 또는 전체 실외 영역과 같은 대형 물체를 측량하고 측정하는 데 사용되는 삼각대 장착 지상 스캐너를 상상할 수 있습니다. 반면에 측량 및 지도 제작 기술자는 이동 중에 지형 지도를 제작하는 데 사용되는 스캐닝 시스템을 탑재한 자동차나 드론을 상상할 수 있습니다. 위에 말한 장치 모두 정확하게 3D 레이저 스캐너라고 할 수 있기 때문에 모두 옳을 것입니다.

그렇다면 레이저 스캐닝은 무엇이고 레이저 스캐너라고 할 수 있는 장치는 어떤 것이 있나요?

간단하게 말하자면 레이저 스캐닝은 레이저를 광원으로 사용하여 현실 세계의 물체, 물체 그룹 또는 환경으로부터 정확한 3차원 정보를 캡처하는 프로세스입니다. 스캐너는 레이저 빛을 물체에 투사함으로써 공간에서의 물체 위치를 분명하게 나타내는 수백만 개의 정밀하게 측정된 XYZ 점인 점 구름을 생성합니다. 일부 레이저 스캐너에는 모델을 점 구름 형태로 다운로드하는 옵션이 있는 반면 다른 레이저 스캐너에서는 텍스처의 기록이 지원되는 경우 CAD 모델 또는 풀 컬러 3D 모델로 변형될 수 있는 삼각형 메시로 자동으로 변환합니다.

해상 선박에서 사용하기 위해 준비 중인 장거리 레이저 스캐너(사진 제공: ASOM)

레이저 3D 스캐너는 앞서 살펴본 접촉식 측정 시스템과 달리 고체 및 연약한 재료로 만든 물체를 캡처할 수 있는 100% 비접촉식 및 비파괴 활성 장치입니다. 이러한 스캐너는 실내에서 작동할 수 있는 반면 일부 스캐너는 야외에서도 작동할 수 있습니다. 낮이나 밤에 사용할 수 있으며, 고정할 수도 있고 휴대할 수도 있습니다. 또한, 초소형부터 초대형까지 광범위한 규모와 다양한 범위의 물체와 현장을 스캔하는 데 사용할 수 있습니다.

요점

비접촉식 및 비파괴 장치인 레이저 스캐너는 물체 표면에 있는 수많은 점의 XYZ 좌표를 캡처하여 놀라운 정확도로 치수를 계산하고, 3D 환경에서 모양을 재구성하고 공간에서의 위치를 분명하게 나타냅니다.

용도에 따라 3D 레이저 스캐너는 휴대용, 소형 또는 고정식 및 삼각대 장착식과 같은 독립형 장치로 제공되거나 로봇 암, 모바일 또는 공중 레이저 스캐닝 시스템 등과 같은 더 복잡한 솔루션의 일부로 제공될 수 있습니다. 기술적인 측면에서는 ToF, 위상 편이, 삼각 측량식 레이저 스캐너가 있습니다.

가장 널리 사용되는 레이저 스캐너의 유형과 작동 방식을 자세히 살펴보겠습니다.

레이저 스캐너 유형

#1. ToF(비행시간)

장거리 데이터 수집에 일반적으로 사용되는 첫 번째 레이저 스캐너 유형은 ToF입니다. 이러한 3D 스캐너는 레이저 거리 측정기가 작동하는 것과 동일한 원리로 작동합니다. 레이저 펄스는 물체로 전송되고 펄스의 일부는 물체 표면에서 반사되어 스캐너로 돌아옵니다. 물체까지의 거리는 다음 공식을 사용하여 펄스의 ToF로 계산됩니다. 거리 = (빛의 속도 x ToF)/2).  그런 다음 이 거리를 사용하여 레이저 광선에 닿는 표면의 작은 부분에 대한 좌표를 계산합니다.

ToF 측정 원리의 작동 방식

ToF 3D 스캐너는 최대 1,000m 떨어진 거리에 있는 물체를 캡처할 수 있습니다. 그러나 일반적인 작업 범위는 5~300m입니다. ToF 시스템은 장거리에서 측정이 가능하지만, 데이터 캡션 속도는 초당 수백~수천 점으로 가장 느립니다.

ToF 기술의 정확도는 귀로 신호의 시간을 정확하게 측정하는 시스템의 능력에 따라 결정됩니다. 정확도 사양은 시스템마다 다르지만, ToF 스캐너의 일반적인 정확도는 4~10mm입니다. 가장 최근의 ToF 시스템에는 내부 카메라 또는 외부 카메라 세트를 통한 추가 RGB 캡션 옵션도 포함되어 있습니다.

#2. 위상 편이

위상 편이 3D 스캐너는 교대로 레이저 광을 방출하고 방출된 신호와 반사된 신호 사이의 위상차를 측정하여 물체까지의 거리를 결정합니다. ToF 스캐너와 달리 위상 편이 스캐너는 최대 80~120m의 짧은 범위에서 작동하며 일반적인 작동 범위는 1~50m입니다.

위상 편이 측정 원리의 작동 방식

위상 편이식 3D 스캐너는 흔히 가장 빠른 레이저 스캐너로 분류되며, 일부 위상 편이식 시스템은 초당 최대 100만 점의 캡션 속도를 갖습니다. 또한 ToF 스캐너보다 정확도와 해상도가 더 높습니다.  ToF 스캐너와 마찬가지로 내부 또는 외부 색상 캡처 옵션도 포함되어 있습니다.

요점

모든 레이저 스캐너는 레이저 빛을 내보내지만 들어오는 신호를 해석하기 위해 다른 기술을 사용합니다. ToF 스캐너는 방출된 빛이 물체의 표면에서 반사되어 되돌아오는 데 걸리는 시간을 기록하고, 위상 편이 스캐너는 방출된 신호와 반사된 신호 간의 위상차를 측정하며, 삼각 측량 스캐너는 나가는 광선이 센서로 되돌아오는 각도를 계산합니다.

높은 정확도 덕분에 위상 편이 스캐너는 대형 펌프, 자동차 및 산업 장비와 같은 중거리 스캐닝 요구에 가장 적합합니다. 위상 편이와 ToF 시스템은 수 미터에서 수 킬로미터에 이르는 대형 물체나 구조물을 조사할 수 있는 지상 스캐닝 적용 분야에도 사용할 수 있습니다.

지상 ToF 및 위상 편이식 스캐닝 시스템은 고정식 삼각대 장착 장비로 제공될 수 있으며, 이 장비는 있는 그대로 사용하거나 광대한 풍경이나 접근하기 어려운 지역의 정보가 필요한 프로젝트를 위해 지상 차량 또는 항공기에 장착할 수 있습니다.

#3. 삼각 측량

세 번째 유형의 레이저식 스캐너는 레이저 광선이 방출되어 내장 카메라의 이미지 센서 어레이의 특정 위치로 되돌아가는 삼각 측량의 원리에 따라 작동합니다. 레이저 소스, 센서 및 물체에 남아 있는 표적이 삼각형을 형성하므로 물체와 3D 스캐너 사이의 거리를 계산하기 위해 시스템은 삼각 측량을 사용합니다. 레이저 소스와 센서 사이의 거리는 레이저와 센서 사이의 각도처럼 매우 정확하게 알려져 있습니다. 스캔한 물체에 레이저 광이 반사되면 시스템은 센서로 되돌아오는 각도를 측정할 수 있기 때문에 레이저 소스에서 물체 표면까지의 거리를 측정할 수 있습니다.

삼각 측량 측정 원리의 작동 방식

삼각 측량식 레이저 스캐너는 이미지 센서의 동적 범위가 작고 범위의 정확도가 떨어지기 때문에 ToF 또는 위상 편이 스캐너보다 훨씬 짧은 범위(5m 미만)에서 작동합니다. 대부분의 삼각 측량 시스템에는 내부 RGB 캡처 옵션도 제공됩니다.

일반적으로 삼각 측량식 스캐너는 제조업체에 따라 크기가 1cm에서 최대 2~3m에 이르는 소형 물체를 스캔하는 데 가장 적합합니다. 폼 팩터에는 고정식 삼각대 장착 삼각 측량 스캐너가 있습니다. 그러나 이 기술은 휴대용 3D 스캐너에 사용될 때 진가를 발휘합니다.

레이저 스캐너 적용 분야

레이저 스캐너는 건축 및 토목 공학에서 포렌식 및 고고학까지 다양한 적용 분야에서 사용됩니다. 기술이 점점 비용이 적게 들고 가볍고 작아지면서 점점 더 많은 산업 분야에서 레이저 스캐닝을 사용하고 있습니다. 이러한 장치의 몇몇 잘 알려진 적용 분야는 다음과 같습니다.

리버스 엔지니어링

단거리 레이저 삼각 측량 3D 스캐너로 자동차 차대 스캐닝

소형 기계 부품에서 초대형 산업용 물체에 이르기까지 레이저 스캐너는 제품 설계 및 개발에 관련된 전문가의 도구 세트에서 필수적인 기술이 되었습니다. 이전에는 분해, 세밀한 수동 측정 및 제품의 각 부품 검사에 며칠이 걸릴 수 있는 복잡한 프로세스였지만, 이제는 레이저 스캐닝 리버스 엔지니어링 덕분에 CAD 표면 모델의 경우 몇 분에서 매개 변수 CAD 모델의 경우 몇 시간으로 단축됩니다. 이러한 스캐너는 손상되거나 변형된 부품과 재설계가 필요하지만 사용 가능한 CAD 데이터가 없는 부품의 정확한 디지털 청사진을 만드는 데 사용됩니다. 프로세서가 내장된 휴대용 레이저 스캐너는 중소형 물체를 검사하는 데 적합하며 중거리 및 장거리 장치는 대형 물체에 가장 적합합니다. CAD 모델을 즉시 제작하면 작업 시간을 며칠은 아니더라도 몇 시간은 절약할 수 있으며, R&D 팀은 이 여유 시간을 실제로 제품을 향상하는 데 사용할 수 있습니다.

품질 검사

레이저 스캐너로 배관 검사

제조 공정의 또 다른 중요한 단계이자 레이저 스캐너에 의해 혁신된 또 다른 영역은 품질 검사입니다. 이전에는 수동 접촉식 측정 기술이 주를 이루었지만 이제는 레이저 스캐닝 덕분에 품질 작업 흐름을 훨씬 빠르고 정확하며 측정 가능한 데이터로 수행할 수 있습니다. 결과적으로 반복 루프가 줄어들고 고객에게 제품을 더 빨리 배송할 수 있습니다. 일반적으로 한 번에 하나씩 수십 개의 점 측정값을 수집할 수 있고 표면과 물리적으로 접촉해야 하며 검사할 모든 새로운 부품에 대해 프로그래밍해야 하는 CMM과 달리 레이저 스캐너는 짧은 시간 내에 다양한 유형의 형상이 복잡한 물체에 대한 수백만 개의 측정값을 완전히 비접촉으로 캡처할 수 있습니다.

요점

레이저 스캐너는 리버스 엔지니어링에서 품질 관리, 포렌식 및 자율 주행 자동차에 이르기까지 산업 생산 및 소비자 수준의 적용 분야 모두에 효과적인 측정 도구임이 입증되었습니다.

휴대용 장치의 형태로 제공되는 단거리 레이저 삼각 측량 스캐너를 사용하면 검사할 물체의 위치는 물론 그 유형에 관계없이 매우 유연하게 작업할 수 있습니다. 삼각 측량 스캐너는 손이나 움직이는 터치 프로브로 측정할 수 없는 매우 복잡한 부품을 캡처하는 데 탁월합니다. 이러한 장치는 경량으로 설계되었기 때문에 품질 검사 관리자가 특정 장소나 영역에 얽매이지 않고 자유롭게 이동할 수 있습니다.

장거리 레이저 스캐너는 대형 물체에서 정확하고 측정 가능한 데이터를 검사하고 수집하는 데 적합하며, 휴대용 스캐닝 솔루션과도 함께 사용하여 소형 물체를 세밀하게 캡처할 수 있습니다. 레이저 스캐너로 캡처한 3D 모델은 스캔 처리 소프트웨어에서 처리한 다음 CAD 파일로 변환할 수 있습니다. 이 단계에서 원본 CAD 모델과 비교할 수 있으며 허용 오차 범위에 있거나 벗어난 부품을 식별할 수 있습니다.

포렌식

레이저 삼각 측량 3D 스캐너로 범죄 현장 캡처

레이저 스캐너는 실내, 건물 및 현장 전체와 같은 넓은 공간을 캡처할 수 있는 기능을 갖추고 있어 범죄 현장의 정확한 기록 및 조사, 사고 재구성을 위한 새로운 신뢰할 수 있는 솔루션이 되었습니다 사진 및 비디오 카메라, 줄자와 같은 기존의 증거 수집 방법과 달리 수사관은 레이저 스캐너를 사용하여 시체이든 발자국이든 총알 구멍이든 모든 증거물에 대한 정확한 치수와 함께 범죄 현장 전체를 원래 상태로 몇 분 안에 캡처할 수 있습니다.

프로세서가 내장된 휴대용 레이저 스캐너는 하루 안에 여러 위치에서 독립형 물체를 캡처하는 데 적합하며, 시체, 손상된 가구를 근접 스캔하거나 범인이 남긴 발자국을 확대 스캔하는 등 고정밀도의 데이터가 필요할 때 사용할 수 있습니다. 반면에 장거리 스캐너는 전체 공간을 캡처하는 데 유용합니다. 수사관은 완전히 자동으로 스캔하는 방 중앙에 장거리 스캐너를 배치함으로써 스캐너를 제어할 필요 없이 증인 및 피해자와 대화하는 등 작업의 다른 부분에 관여할 수 있습니다. 포렌식 전문가는 3D 데이터를 통해 범죄 현장을 더 세부적으로 완전하게 파악하고 법정에서 제시할 수 있는 강력하고 결정적인 사례를 만들어 낼 수 있습니다.

건설(BIM)

삼각대 장착 장거리 레이저 스캐너로 창고 3D 스캐닝

특히 건축가와 건설 기술자에게 인기 있는 장거리 및 중거리 지상 레이저 스캐너의 또 다른 용도는 건물과 건설 현장 전체를 3D로 캡처하는 것입니다. 이러한 장치를 통해 시설 소유자 또는 건설 프로젝트 관리자는 신속하게 기존 건물과 건물 상태를 정확히 기록하고 3D 시각화할 수 있습니다. 또한 새로 구성된 프로젝트의 건설 및 품질 검사 진행 상황을 추적하고 설계 모델과 비교하는 데에도 사용됩니다. 레이저 스캐너는 수동 측정에 사용되는 시간과 비용을 절약할 뿐만 아니라 안전하지 않은 위치에서 작업할 때 안전 조건을 증가시킵니다. 레이저 3D 스캐너는 건물의 전체 수명 주기에 걸쳐 사용할 수 있으며, 보수 작업 또는 새 건물 프로젝트에 사용할 수 있는 영구적이고 풍부한 3D 데이터를 제공하며 언제든지 이용할 수 있습니다.

고고학

휴대용 단거리 레이저 스캐너로 트리케라톱스의 두개골 캡처(이미지 제공: David Cano / 3D Printing Colorado)

고고학은 레이저 스캐너가 멸종된 동물의 뼈 하나이든 고대 도시 전체이든 고고학 발굴지의 3D 기록에 없어서는 안 될 도구가 된 또 다른 분야입니다. 프로세서가 내장된 휴대용 휴대용 레이저 스캐너는 현장 조사에 유용하며 이를 통해 고고학자들은 완전히 자율적으로 발견물을 캡처할 수 있습니다. 내장형 스크린이 있어 별도의 노트북이나 태블릿을 같이 들고 다닐 필요 없이 실시간으로 스캔한 결과를 확인할 수 있습니다. 장거리 지상 및 공중 레이저 스캐닝 시스템은 지도 지형, 발굴 계획 그리고 연구자들이 결코 육안으로 볼 수 없어 숨겨진 채로 남아 있을 고고학 유적지에 성공적으로 사용되고 있습니다.

고고학자들은 레이저 스캐너를 통해 토털 스테이션, GPS 장치 또는 사진 측량과 같은 다른 방법을 사용하는 것보다 훨씬 더 빨리 신뢰할 수 있는 고해상도 데이터를 수집할 수 있어 발굴 작업을 하는 동안 수백 시간의 노동력을 절약할 수 있습니다. 비파괴 및 비접촉 특성을 가진 레이저 스캐너를 사용하여 깨지기 쉽고 견고하지 못한 역사적 유물을 원래 상태로 캡처할 수 있습니다.  수집된 데이터는 고고학적 기록 및 가상 현실 모델 제작, 복원, 보존 및 대중을 위한 고고학 발견의 시연에 사용할 수 있습니다.

모바일 매핑

차량 탑재 레이저 매핑 시스템의

장거리 레이저 스캐너의 또 다른 적용 분야는 모바일 매핑으로 지상 이동 차량(자동차, 기차, 보트) 또는 공중 이동 항공기(드론, 헬리콥터 또는 비행기)에서 3D 지리 공간 데이터, 즉 물체가 지구 상에 있는 위치를 수집하는 프로세스입니다. 모바일 매핑 시스템은 일반적으로 GNSS, 카메라, LiDAR와 같은 다양한 내비게이션 및 원격 감지 기술을 갖추고 있습니다. 전문가들은 이러한 모든 기술의 조합을 통해 도로 및 철도 네트워크 관리, 도시 계획, 수중 또는 지하 구조물 분석, 발전소 인프라의 안전성 향상, 디지털 지도 설계 등 환경을 시각화하고, 기록하고, 측정하고 이해할 수 있으며, 그 적용 분야는 계속 늘어나고 있습니다.

Artec 3D 레이저 스캐너

검토를 마무리하면서 이 시점에서 다양한 레이저 스캐너의 실제 예를 살펴보는 것이 타당할 것입니다. Artec 3D에는 두 가지 유형의 레이저 스캐너가 있습니다.  하나는 휴대용으로 단거리(0.35~1.2m)의 중대형 물체에 적합한 Artec Leo이고 다른 하나는 작동 범위가 최대 110m에 이르는 위상 편이 스캐너인 Artec Ray입니다.

Artec Leo

Artec Leo 최대 0.2mm 해상도와 0.1mm 정밀도로 중대형에서 물체를 캡처하는 적합합니다.

Artec Leo는 휴대용 및 다용도 삼각 측량 기반 구조화 광 레이저 스캐너로 기능적으로 독보적인 위치를 유지하고 있습니다. 내장된 컴퓨팅 장치, HD 디스플레이, Wi-Fi 그리고 다른 장비(PC 또는 태블릿) 없이도 실시간으로 결과물을 스캔하고 검토할 수 있는 배터리 덕분에 이 모든 것이 가능합니다. 스캐너는 초당 최대 3,500만 개의 점을 캡처하고 몇 초 만에 0.1mm 정밀도와 0.2mm 해상도로 매우 세밀한 점 구름을 생성할 수 있습니다. Leo는 넓은 시야(가장 먼 거리의 경우 838 × 488mm)를 통해 20~50cm의 소형 부품부터 50~200cm 이상의 대형 물체 또는 심지어 장면까지 매우 다양한 크기의 물체를 스캔하고 처리할 수 있습니다. Leo는 눈 노출에 절대로 안전한 1등급 VCSEL 레이저를 광원으로 활용하며, 이는 무생물과 사람 모두를 스캔하는 데 사용할 수 있습니다. Leo의 디자인은 스캐닝 프로세스에 걸쳐 완전한 자율성과 유연성을 제공하므로 리버스 엔지니어링 및 CAD 기반 설계에서 의료, 고고학, 포렌식 등에 이르기까지 적용 범위가 아주 광범위합니다.

Artec Ray

Artec Ray 최대 110m 떨어진 곳에서 1mm 이하 정확도로 대형 물체를 캡처할 있습니다

Artec Ray는 건물, 비행기, 풍력 터빈 등과 같은 대형 및 초대형 물체를 1mm 이하 정확도로 캡처하도록 설계된 위상 vus이 장거리 레이저 스캐너입니다. 이 스캐너는 작동 범위가 110m로 자체를 중심으로 360도 회전하고 270도 시야각으로 수직으로 회전하여 초당 최대 208,000개의 점을 캡처할 수 있습니다. 많은 다른 장거리 스캐너와 달리 Ray는 매우 정확하고 깨끗한 데이터를 수집하므로 리버스 엔지니어링 및 품질 검사에 사용할 수 있습니다. 삼각대와 함께 제공되며 내장형 배터리, 온보드 Wi-Fi 및 스캐너 원격 제어가 가능한 모바일 앱을 통해 실내와 실외 모두에서 자율적으로 작동할 수 있습니다. Artec Ray로 캡처한 데이터는 Artec의 휴대용 스캐너로 수집한 밀도가 더 높고 기능이 풍부한 스캔 데이터를 보완할 수 있습니다.

Phase shift

Phase shift 3D scanners emit laser light at alternating frequencies and determine the distance to an object by measuring the phase difference between the emitted and reflected signals. Unlike the time of flight scanners, phase shift scanners work at shorter ranges from 80 to 120 meters maximum, with a typical operating range of 1 to 50 meters.

 How phase shift measurement principle works

Phase-based 3D scanners are often categorized as the fastest laser scanners, with some systems claiming a caption rate of up to a million points/second. They also have higher accuracy and resolution than TOF scanners. And, like TOF scanners, they include internal or external color capture options.

Key point

All laser scanners send out laser light but employ different technologies to interpret inbound signals. Time-of-flight scanners log the time emitted light takes to return once it’s bounced off the surface of an object, phase-shift scanners measure the phase difference between emitted and reflected signals, and triangulation scanners calculate the angle at which an outbound beam returns to the sensor.

Thanks to their high accuracy, phase shift scanners work best for medium-range scanning needs such as large pumps, automobiles, and industrial equipment. Both phase shift and time of flight systems can also be used in terrestrial scanning applications where larger objects or structures of a couple of meters up to multiple kilometers can be surveyed.

Terrestrial TOF and phase-based scanning systems can come as stationary, tripod-mounted equipment, which can be used as-is or mounted onto land-based or aerial vehicles for projects that require information from vast landscapes or inaccessible areas.

Triangulation

The third type of laser-based scanners operates on the principle of triangulation, where laser light is emitted and returned to a specific location on an image sensor array of an inboard camera. To calculate the distance between the object and the 3D scanner, the system uses trigonometric triangulation because the laser source, the sensor, and the target left on the object form a triangle. The distance between the laser source and the sensor is known very precisely, as is the angle between the laser and the sensor. As the laser light bounces off the scanned object, the system can measure the angle at which it is returning to the sensor, and therefore the distance from the laser source to the object’s surface.

 How triangulation measurement principle works

Triangulation-based laser scanners work at much shorter ranges (less than 5 meters) than the time of flight or phase shift scanners due to the small dynamic range of the image sensors and decreased accuracy with range. Most triangulation systems also come with an internal RGB capture option.

Commonly, triangulation-based scanners are most suited for scanning smaller objects ranging in size from 1 cm up to 2-3 meters, depending on the manufacturer. As for the form factor, there are stationary, tripod-mounted triangulation scanners. However, this technology meets the most success when used in portable handheld 3D scanners.

Applications of laser scanners

Laser scanners are used in a wide variety of fields, and for a wide variety of applications: from construction and civil engineering to forensics and archeology. As the technology becomes cheaper, lighter, and smaller, more and more industries are getting into laser scanning. Some well-known applications of these devices are listed below.

Reverse engineering

 Scanning the undercarriage of a car with short-range laser triangulation 3D scanner

From small mechanical components to massive industrial objects, laser scanners have become an essential technology in the toolkits of professionals involved in product design and development. Once a complicated process that could require days of disassembly, detailed manual measurements, and the painstaking process of examining each part of a product, thanks to laser scanning reverse engineering now takes anywhere from a few minutes for a CAD surface model, to a few hours for a parametric CAD model. The scanners are used to create accurate digital blueprints of parts that have been damaged or deformed, need a redesign but don’t have CAD data available for them. Portable laser scanners with embedded processors are perfect for examining small and medium-sized objects, while medium and long-range devices work best for larger items. Instant creation of CAD models frees up hours if not days of work, which R&D teams can spend on the actual product enhancement.

Quality inspection

 Inspecting the pipes with a laser scanner

Another important stage of the manufacturing process and one more area revolutionized by laser scanners is quality inspection. Traditionally dominated by manual, contact-based measuring techniques, thanks to laser scanning quality inspection workflows can now be done way faster, more accurately, and with far more measurable data. This in turn results in fewer iteration loops and faster delivery of products to the customer. Unlike CMMs that can typically acquire dozens of point measurements one at a time, need to be in physical contact with the surface, and require programming for every new part to be examined, laser scanners can capture millions of measurements for various types of objects with a wide range of geometrical complexities in a fraction of the time, and completely contact-free.

Key point

Laser scanners have proved to be effective measuring tools for both industrial production and consumer-level applications: from reverse engineering to quality control, forensics, and self-driving cars.

Short-range laser triangulation scanners that come in the form of portable handheld devices provide flexibility over the types of objects to be inspected, as well as their location. They are great at capturing complex parts that would be impossible to measure by hand or with a moving touch-probe. Thanks to their lightweight design, such devices allow QA managers to be more mobile without being tied to a particular place or area.

Long-range laser scanners are perfect for examining and collecting accurate and measurable data from large objects, and can even be paired with a handheld scanning solution for capturing smaller elements in high detail. The resulting 3D model captured with a laser scanner can be processed in a scan processing software, then converted into a CAD file. At this stage, it can be compared to the original CAD model, and the parts which are in or out of tolerance can be identified.

Forensics

 Capturing a crime scene with laser triangulation 3D scanner

Thanks to their capability of capturing large spaces such as room interiors, buildings, and entire sites, laser scanners are becoming the new go-to solution for the accurate documentation and investigation of crime scenes, and reconstruction of accidents. Unlike traditional evidence collection methods such as photo and video cameras, and measuring tapes, laser scanners allow investigators to capture entire crime scenes in their original state, with precise dimensions for every piece of evidence, be it a body, a footprint, or a bullet hole, and do it all in a matter of minutes.

Portable handheld laser scanners with embedded processors are perfect for capturing standalone items on the go at multiple locations within a day, and can be brought in when higher and more accurate data is needed, e.g. a closer scan of a dead body, a damaged piece of furniture, or close up scan of a footprint left by the criminal. Long-range scanners, on the other hand, are useful for capturing an entire space. By having it placed in the middle of the room where it scans fully automatically, the investigator can engage in other parts of their work, such as talking to witnesses and victims, without a need to control the scanner. The 3D data enables forensic experts to have a fuller and much more detailed picture of a crime scene and build stronger and more decisive cases to present in the courtroom.

Construction (BIM)

 3D scanning a warehouse with a tripod-based long-range laser scanner

Another popular application of long and medium-range terrestrial laser scanners, particularly among architects and construction technicians, is 3D capture of buildings and entire construction sites. Such devices allow facility owners or construction project managers to quickly create accurate documentation and 3D visualization of existing buildings and their conditions. They are also used to track the progress of construction and quality inspection of newly constructed projects and compare them with an as-designed model. Laser scanners not only save the time and cost used for manual measurements, they also increase safety conditions when working in unsafe locations. Laser 3D scanners can be used throughout the whole lifecycle of the building, and provide permanent and rich 3D data that can be used for renovation or new building projects, and be accessed anytime.

Archeology

 Capturing the skull of a triceratops with a handheld short-range laser scanner (Image by David Cano / 3D Printing Colorado)

Archeology is another area where laser scanners have become indispensable tools for 3D documentation of archaeological excavations, be it a single bone of an extinct animal or an entire ancient city. Portable handheld laser scanners with embedded processors come in handy in fieldwork, and allow archeologists complete autonomy in capturing their discoveries. Thanks to the built-in screen, they can see the results of what they scan in real-time, without carrying an additional laptop or tablet at the same time. Long-range terrestrial and airborne laser scanning systems are successfully applied to map topography, excavations planning, and spot archaeological sites that researchers would never be able to see with the naked eye, thus leaving them hidden.

Laser scanners allow archeologists to collect reliable and high-resolution data much quicker than they’d be able to with other methods such as total stations, GPS devices, or photogrammetry, saving them hundreds of hours of labor during an excavation. Thanks to their non-destructive, contactless nature, they can be used to capture fragile and vulnerable historical pieces in their original state. The data collected can be used for archaeological documentation and for creating virtual-reality models, restoration, preservation, and demonstration of archeological discoveries for the public.

Mobile mapping

 An example of a vehicle-borne laser mapping system

One more application of long-range laser scanners is mobile mapping – the process of collecting 3D geospatial data, in other words, where objects are positioned on Earth, from a mobile vehicle either land-based (cars, trains, boats) or airborne (drones, helicopters, or planes). Mobile mapping systems are typically fitted with various navigation and remote sensing technologies such as GNSS, cameras, and LiDAR. The combination of all these technologies allows professionals to visualize, record, measure, and understand environments, whether it’s for road and rail networks management, urban planning, analyzing underwater or underground structures, improving safety in power plant infrastructure, designing digital maps – the list goes on and on.

Artec 3D laser scanners

As we approach the end of our review, it makes sense to at this point look at some real examples of different laser scanners. Here at Artec 3D, we have two types of laser scanners. One is handheld and works best for medium-sized to large objects over short distances (0.35 – 1.2 m) – Artec Leo, while the other one is a phase-shift scanner with an operating range up to 110 meters – Artec Ray.

Artec Leo

 Artec Leo is perfect for capturing medium-sized to large objects with up to 0.2 mm resolution and 0.1 mm precision

Artec Leo is a portable, handheld, and versatile triangulation-based structured light laser scanner that remains in a league of its own. All thanks to the built-in computing unit, HD display, Wi-Fi, and a battery that enables scanning and reviewing results in real-time with no other gear (PC or tablet) needed. The scanner can capture up to 35 million points per second and create highly detailed point clouds with 0.1 mm precision and 0.2 mm resolution in a matter of seconds. The large field of view (838 × 488 mm for the furthest range) allows Leo to scan and process quite a variety of object sizes, from small 20-50 cm parts to larger objects or even scenes, from 50 to 200 cm and bigger. Leo utilizes Class 1 VCSEL laser as a light source, which is completely safe for eye exposure, and can be used for scanning both inanimate objects and people. Leo’s design provides complete autonomy and flexibility over the scanning process, which is why its applications go far and wide: from reverse engineering and CAD-based design to healthcare, archeology, forensics, and many more.

Artec Ray

 Artec Ray can capture large objects with submillimeter accuracy from up to 110 meters away

Artec Ray is a phase-shift long-range laser scanner designed to capture large and very large objects, such as buildings, airplanes, wind turbines, and the like, with submillimeter accuracy. The scanner has an operating range of 110 meters and can capture up to 208,000 points per second by rotating 360 degrees around itself and vertically with a 270-degrees viewing angle. Unlike many long-range scanners, Ray acquires highly accurate and clean data, which makes it usable for reverse engineering and quality inspection purposes. It comes with a tripod and can work autonomously both indoors and outdoors, thanks to a built-in battery, onboard Wi-Fi, and a mobile app that enables remote control of the scanner. The data captured with Artec Ray can complement more dense and feature-rich scan data acquired with Artec’s handheld scanners.

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글:
svetlana_golubeva

Svetlana Golubeva

기술 기자