Как выбрать 3D-сканер

Купить 3D-сканер непросто. Существует множество вариантов в разных ценовых диапазонах, и все они кажутся идеальными.

В этой статье я помогу вам определить ваши потребности, объясню, как на самом деле работают точность и разрешение, и помогу вам сузить круг поиска до того типа сканера, на котором стоит сосредоточиться.

Что такое 3D-сканер?

Чтобы помочь вам купить 3D-сканер, я должен убедиться, что вы понимаете, что это такое. Важно правильно сформировать ожидания.

3D-сканер оцифровывает объекты реального мира. Для этого он может использовать несколько различных технологий, таких как структурированный свет (на котором мы и сосредоточимся), лазерное сканирование, фотограмметрия и другие.

Конечным результатом чаще всего является файл 3D-модели, например, файл .STL, .PLY или .OBJ.

Важно понимать, что 3D-сканы экспортируются в виде треугольной сетки и не всегда легко использовать в любых 3D-приложениях. В зависимости от ваших потребностей существуют разные рабочие процессы, которые требуют различного оборудования или дополнительного программного обеспечения.

Например, некоторые используют 3D-сканирование только для проверки реального положения детали. Например, чтобы убедиться, что просверленное отверстие находится в правильном месте и под правильным углом. Другие используют 3D-сканирование для создания цветной копии, которую можно отобразить в просмотрщике, таком как Sketchfabb ниже, или в игровом движке.

С чего начать выбор 3D-сканера

3D-сканеры бывают разных форм и типов.

Первое, что нужно решить — это область сканирования, в которой вы будете работать.

3D-сканеры почти всегда «зафиксированы» в рабочем диапазоне (объем сканирования). Это связано с тем, что оптика (обычно 2 камеры и проектор/лазер) откалибрована для определенной области фокусировки и поля зрения. См. изображение.

Ручные 3D-сканеры могут перемещать эту рабочую область/объем, чтобы эффективно увеличить общий объем, который можно сканировать, обычно за счет точности.

Определение размера объекта 3D-сканирования

Попытайтесь представить, какой размер объектов вы сканируете, и общий объем объекта.

Маленький (5-50 см), средний (50-150 см) или большой (150-500 см).

Мы также рассмотрим крошечные (0-5 см) и огромные (5 м+) объекты.

Все эти размеры будут упоминаться в этой статье и в моих обзорах 3D-сканеров.

Решите, нужен ли вам ручной 3D-сканер

Ручной 3D-сканер отлично подходит для многих применений, так как позволяет охватить больше областей и наклонять сканер таким образом, чтобы захватить «более глубокие» участки. Вы получаете больше гибкости в отношении объемов сканирования и типов объектов.

Обычно они требуют от оператора немного большего планирования, а точность немного снижается. Кроме того, обработка данных может стать очень требовательной для вашего компьютера/устройства. В результате вы получаете больше «ошибок» и погрешностей, из-за которых вам, возможно, придется повторить сканирование.

Цены на ручные сканеры традиционно также значительно выше.

Стационарные 3D-сканеры часто имеют преимущество в виде более высокой точности и разрешения. Они могут быть автоматизированы и сканировать более эффективно, если используют вращение в качестве параметра для отслеживания. Таким образом, на каждое сканирование приходится меньше данных. Очень часто они ограничены в размерах сканируемых объектов. Стационарные сканеры почти всегда лучше подходят для небольших объектов, например, размером меньше обуви.

Стационарные сканеры традиционно дешевле, так как они предъявляют меньше требований к отслеживанию в реальном времени.

Важно: многие ручные сканеры имеют надстройки или режимы, позволяющие осуществлять стационарное 3D-сканирование. Для некоторых это повышает точность, для других это больше касается автоматизации и не влечет за собой изменений в фактическом алгоритме сканирования/отслеживания.

3D-сканирование текстур

Сейчас подходящий момент, чтобы поговорить о текстурах и о том, нужны ли они вам.

Текстуры означают, что вы также фиксируете цвет на своих объектах. Однако на самом деле все не так просто.

3D-сканирование текстур делает большинство 3D-сканов фантастическими, но фактические 3D-данные (сетка) могут быть обманчивыми и на самом деле ужасными.

Это забавно, потому что некоторым (например, разработчикам игр) может понадобиться простая в использовании сетка с низким полигональным разрешением и отличное отображение текстур.

Просто имейте в виду, что при просмотре 3D-сканов текстура может ввести вас в заблуждение относительно геометрических деталей, которые вы на самом деле получаете от 3D-сканера, поскольку вы видите только цветные детали.

Недостатки рабочего процесса с текстурами

Текстурированные файлы могут генерироваться по-разному в зависимости от программного обеспечения, и конечный результат может быть более полезным или почти бесполезным в зависимости от того, как цвет наносится на вашу модель. Редактирование текстурированных 3D-сканов может быстро стать «невозможным» в зависимости от того, как работает программное обеспечение конкретного сканера.

Редактирование цветных сканов после экспорта также может быть невероятно сложным. Поэтому, если вам нужны текстуры, вам следует стремиться к 100% захвату/покрытию объекта сканированием, поскольку заполнение дыр часто искажает текстуры и генерирует странные артефакты.

Для некоторых приложений, таких как оцифровка предметов искусства/музейных экспонатов или людей, текстура может иметь решающее значение. В то время как для обратного проектирования она может быть просто «дорогостоящим» бонусом.

Понимание разрешения и точности 3D-сканирования

К настоящему моменту вы должны понимать разницу между объемными, портативными и стационарными 3D-сканерами с текстурой и без нее. Но насколько они хороши?

3D-сканеры используют два основных показателя, по которым вы определяете, «насколько они хороши». По крайней мере, при продаже. Разрешение и точность. Аналогично тому, как камеры измеряются в мегапикселях. Эти показатели важны, но не просто по принципу «чем больше, тем лучше».

Разрешение — это то, насколько близко две 3D-точки могут быть сгенерированы в одном отсканированном необработанном 3D-изображении.

Обычно разрешение измеряется/рассчитывается производителем 3D-сканера на оптимальном расстоянии сканирования на идеальном объекте в синтетической среде. Большинство производителей указывают максимально возможное разрешение, которое будет экспортировано/сгенерировано. Но бывает, что производитель использует разрешение, которое сканер использует при регистрации данных (например, на каждый кадр).

В реальных условиях разрешение, которое нам нужно и которое нас действительно интересует, — это триангуляция сетки при использовании, экспорте или использовании 3D-файла. Эти файлы представляют собой триангулированные сетки, в которых каждый треугольник имеет 3 стороны, а значение относится к тому, насколько маленькой может быть одна сторона. Например, 0,05 мм.

Как уже упоминалось, разрешение в маркетинге может вводить в заблуждение. Сетка генерируется на основе облака точек, состоящего из тысяч или миллионов 3D-точек, разбросанных по всему сканируемому объекту. И хотя между необработанными точками может быть разрешение 0,05 мм, в конечном итоге вы чаще всего не будете использовать их, так как почти всегда накладываете новую сетку поверх необработанных данных.

Если добавить к этому ошибки выравнивания отсканированных изображений (особенно с помощью ручных сканеров, которые могут использовать сотни или даже тысячи изображений), в результате вы получите множество перекрытий, ошибок выравнивания и оптического искажения исходных данных. Это необходимо обработать перед созданием сетки.

Во время обработки программное обеспечение должно отфильтровать точки и создать новую «уточненную» точку в месте наибольшего перекрытия в одной области. Здесь в игру вступают многие настройки «слияния» или разрешения сетки, где, например, вы используете разрешение сетки 0,15 мм для новой сгенерированной сетки.

Это означает, что еще до создания сетки в отношении данных делаются компромиссы. Эти отобранные отдельные точки затем составляют углы каждого треугольника при создании сетки.

Этот компромисс при генерации сетки может быть особенно заметным на острых краях. Поскольку вы не будете проецировать узор на лезвие ножа, исходных данных тоже не будет. Таким образом, все «идеально острые» края в реальном мире становятся слегка закругленными при создании сетки. Некоторые программы могут обнаруживать и улучшать «резкость краев», но при этом допуска/разрешение искажаются.

Поэтому, хотя у вас может быть разрешение 0,05 мм в качестве опции, для большинства технических приложений важна точность этих исходных данных. Хотя сетка определяет, какие детали вы сможете «увидеть» позже при экспорте.

Точность относится к тому, насколько точно генерируются 3D-точки.

Таким образом, в идеальном мире точность будет равна 0, когда нет никаких погрешностей/смещений по отношению к реальному миру, что означает, что каждая созданная 3D-точка идеально расположена по отношению к реальному объекту.

На практике точность зависит от того, насколько хорошо взаимодействуют ваше программное обеспечение и оборудование. Дешевая оптическая линза, более дешевый проектор и программное обеспечение, оптимизированное для удобства пользователя, без регистрационных маркеров будут иметь гораздо более высокие допуски для регистрации 3D-точки. Поэтому точность этих 3D-данных значительно снижается.

Например, точность высококачественного сканера может составлять 0,1 мм на 1 м на основе эталонной модели. Этот эталон, вероятно, идеально подходит для сканирования и имеет оптимальный размер для сканера. Таким образом, точность будет только снижаться (получать более высокое значение) в реальном мире.

Точность на практике

Когда вы добавляете больше 3D-сканированных изображений (чтобы фактически получить полную модель), каждое из этих изображений не будет идеально выровнено/перекрыто. Поэтому большинство производителей 3D-сканеров также добавляют «погрешность расстояния» или «точность по расстоянию». Например, 0,3 мм/м. Это означает, что на каждый дополнительный метр сканируемого расстояния вы получаете в среднем 0,3 мм погрешности.

Кроме того, сканирование больших объектов требует еще большего расстояния сканирования. Если вам нужно отсканировать площадь 100×100 см с помощью сканера с полем зрения 40×40 см. Вам придется пройти не менее 1 м 3 раза (чтобы получить некоторое перекрытие). В результате для сканирования 1 квадратного метра потребуется 3 м расстояния. Используя приведенные выше данные, это означает, что вы получите точность около 0,1 мм + 0,3 мм/м на 3 м = 1 мм. Неплохо для квадратного метра, но и не 0,1 мм.

Сочетание точности и разрешения
Для специалистов в области метрологии или высокотехнологичного реверс-инжиниринга может быть важнее знать, что (например) две стороны объекта имеют максимально возможную точность, чем иметь разрешение, равное толщине человеческого волоса. Возьмем куб размером 100x100x100 мм с отверстием диаметром 25 мм.

Вы можете измерить размеры этой коробки с разрешением сетки всего 10 мм, если точность хорошая, и все равно определить, параллельна ли она.

Однако измерить диаметр отверстия становится очень сложно, если не добавить разрешение, чтобы помочь сгенерировать диаметр в среднем положении сетки.

Смотрите иллюстрацию, как сетка с высоким/низким разрешением искажает размеры отверстия.

Эта иллюстрация преувеличена

Серый пунктирный круг — это реальный диаметр отверстия, которое мы пытаемся отсканировать в 3D.

При более низком разрешении сетки и далеко не идеальном покрытии мы можем получить сетку этого отверстия, которая будет выглядеть как наша желтая зубчатая линия.

В стороннем программном обеспечении мы пытаемся сгенерировать цилиндрическое отверстие внутри этой сетки, чтобы измерить положение или диаметр отверстия. Оба результата будут неверными.

Даже если мы компенсируем это в более позднем программном обеспечении и измерим диаметр (или узнаем его), центр/расположение отверстия все равно будет неверным.

Парадокс разрешения.

Вы, очевидно, хотите максимальной точности и высокого разрешения. Допустим, вы можете себе это позволить…

Тогда вы почти мгновенно испортите свое управление данными. Если вы попытаетесь сканировать автомобиль с разрешением 0,001 мм, вам придется ограбить несколько центров обработки данных, чтобы заполучить диски. Объем данных будет просто безумным и слишком большим, чтобы с ним справиться.

Кроме того, вам не нужно сканировать все «плоские, простые поверхности» в полном разрешении, например, если ваша задача состоит в измерении зазоров между панелями или просто общей длины автомобиля.

Вам нужно найти золотую середину, когда тип сканируемых объектов (размер и сложность) соответствует разрешению, необходимому для конечного использования данных, при этом сохраняя допустимую точность.

Помните, что более высокая точность также означает меньшую свободу для объектов, которые колеблются… Например, дыхание человека или сердцебиение, которые фактически слегка двигают ваше тело.

Бюджет на 3D-сканер

Чтобы найти оптимальный вариант, нам нужно учесть бюджет. Вы, вероятно, уже знаете, какой тип 3D-сканирования вам нужен, и чтобы найти оптимальный вариант для ваших нужд, нам нужно добавить бюджет в качестве фактора.

3D-сканеры стоят дорого. По крайней мере, они всегда были дорогими и, похоже, так и останутся. Но у вас никогда не было больше вариантов, чем сейчас, чтобы сбалансировать свои потребности и найти бюджетные варианты. Просто имейте в виду, что бюджетные варианты очень агрессивны в маркетинге и имеют компромиссы в других областях.

3D-сканеры, которые сканируют огромные площади, такие как здания и самолеты, могут быть очень дорогими. Если вам также нужна высокая разрешающая способность и, что еще более важно, точность, они быстро становятся дороже автомобилей или даже домов. Но если вам нужен «только» объем в таких масштабах, а точность и разрешение не так важны, вы можете использовать фотограмметрию, которая обойдется вам в основном в стоимость камеры.

Как и точность и разрешение, текстура или ее отсутствие, портативность или стационарность, бюджет является частью общего компромисса, при котором вы не можете получить все, что хотите.

Экономия денег или времени?

Например, вы можете потратить больше времени и вычислительных ресурсов, чтобы получить почти идеальное решение для фотограмметрии, которое будет точно и аккуратно, как стационарный сканер, стоимостью в 10 раз выше. Но оценили ли вы свое время? Можете ли вы применить этот рабочий процесс в другом проекте, или вам придется потратить в 10 раз больше времени и на следующий проект?

Все это компромиссы, которые делают некоторые дорогие сканеры, хотя и не «лучшие на бумаге», на самом деле более целесообразными для тех, кто использует их в бизнесе.

Цените свое время — или это просто поиграть!

Это последнее, что вы должны учитывать. Вы делаете это для удовольствия? Является ли 3D-сканер просто еще одним приятным инструментом в вашем арсенале? Или вы действительно пытаетесь сделать на этом бизнес? Опять же, если вы занимаетесь бизнесом, выберите подходящий для вашего конкретного рабочего процесса вариант.

Но в целом, более дешевый вариант важнее для тех, кто использует сканирование как хобби и не считает свое время деньгами, а развлечением. Сегодня как портативные, так и стационарные сканеры можно купить всего за несколько сотен долларов, но, честно говоря, они обещают немного больше, чем могут дать, и вам придется скорректировать свои ожидания.

Какой 3D-сканер лучше купить?

Напишите в комментарии, мы поможем вам сделать более точный выбор. Но в целом, для любителей, которые хотят просто поиграть, есть недорогие варианты, которые вполне подойдут.

Обратите внимание, что в своих рекомендациях ниже я могу использовать партнерские ссылки. Это означает только то, что если вы сделаете заказ, я могу получить комиссию от магазина/производителя, но вам это ничего не будет стоить. Это не влияет на то, какие продукты я выбираю для размещения здесь.

Более подробные отзывы о сканерах вы можете найти в моих обзорах здесь.