Точность 3D-сканирования: что влияет на результат и как её оценивать

Всем привет. С вами компания 3Dtool. В сегодняшней статье поговорим о точности 3D-сканирования.

Точность 3D сканера.

Даже 3d сканер из самого высокого ценового диапазона может давать совершенно разную точность в зависимости от задачи, к которой он применяется, от корректности действий по сканированию и от квалификации исполнителей. Возможно именно поэтому, некоторые ведущие фирмы-разработчики сканеров вообще убрали строчку “точность” из технических характеристик, заменив её на “шум”.

Кроме точности часто используют следующие характеристики качества 3d сканеров:

Характеристика	Описание	От чего зависит
Разрешение	Минимальное расстояние между соседними 3d точками в миллиметрах, эквивалентно разрешению фотографии	Зависит от размера области сканирования, от разрешения камер и принципа работы сканера.
Детализация	Возможность качественно передавать форму мелких элементов поверхности.	Сканеры разных производителей имеют разную детализацию. Ручные сканеры обычно имеют меньшую детализацию по сравнению со стационарными.
Уровень шума	Случайная составляющая общей ошибки измерения. Может быть оценена при повторном сканировании одного и того же объекта в тех же самых условиях и сравнении с первым результатом.	Зависит от большого количества факторов. Например, качества поверхности объекта, внешнего освещения, положения камер, направления сканирования и т.д.
Точность	Общая результирующая ошибка измерения.	Содержит как случайную, так и систематические составляющие.

Под точностью обычно понимают возможную погрешность измерения, т.е. оценку отклонения измеренного значения 3d координаты поверхности объекта от её истинного значения. Табличные данные по точности обычно соответствуют идеальному объекту и идеальным условиям сканирования. Если белый пластилин считать твёрдым, то мятый комок пластилина можно считать идеальным. 

Основные моменты, приводящие к потере точности при сканировании, отражены в таблице:

Идеальные условия	Неидеальные условия	Результат неидеальности
Объект твёрдый	Объект деформируемый	Фрагменты, снятые с разных ракурсов искажены и плохо совмещаются
Объект неподвижен	Присутствует движение объекта или сканера во время сканирования	Любое движение приводит к искажению результата (обычно в виде мелких волн)
Объект светлый	Объект тёмный	Сканер работает медленнее, возрастает шум в данных, иногда матирование такого объекта становится обязательным
Объект матовый	Объект бликующий, полупрозрачный или с блёстками	Без покрытия матирующим спреем результат плохой или неудовлетворительный
Объект гладкий	Объект с острыми рёбрами	Острые рёбра всегда немного сглаживаются, желательно правильно располагать сканер относительно таких рёбер
Объект без отверстий, краёв и поднутрений	Объект с отверстиями, краями листового материала или поднутрениями	Край тонкого листа на 3d данных всегда обрывается, не доходя до реальной границы объекта
Объект с хорошими геометрическими особенностями	Объект с вырожденностью вдоль одного или нескольких направлений, например плоскость, шар, рельс	Отдельные фрагменты невозможно качественно совместить, основываясь только на геометрических особенностях, точность без использования маркеров становится неконтролируемой
Объект целиком помещается в область сканирования	Большой или протяженный объект, сканируется по частям	При совмещении частей возникает дополнительная ошибка, которая может накапливаться
Объект в основном сканируется перпендикулярно его поверхности	Объект сканируется “под углом”, например дно автомобиля стоящего на земле	Снижение детализации и точности.
Сканер прогрет до рабочей температуры и затем скалиброван	Сканер не прогрет до рабочей температуры	Все измерения уже будут содержать небольшие ошибки
Калибровочное поле измерено при текущей температуре	Сканирование производится в холодном или наоборот жарком помещении	Масштаб результата будет слегка отличаться от реального объекта
Внешнее освещение не мешает работе	Яркое направленное внешнее освещение	Повышенный шум в данных или невозможность работы
Камеры раздвинуты на рекомендованное расстояние	Камеры сдвинуты для сканирования впадин	Повышенный шум в данных

Для того чтобы достичь максимальной точности все компоненты 3d сканера должны быть идеальными. Идеальных компонентов, конечно же, не бывает, а те, что обладают лучшими характеристиками, имеют и выдающуюся стоимость. Поэтому понимание, в какой задаче действительно требуются высокие точности, а в каких можно обойтись заметно меньшими имеет большое практическое значение.

Эффект теплового расширения ограничивает точность сканирования. При отсутствии специальных термостабилизированных помещений температура в комнате может меняться в пределах 10 градусов Цельсия (например, от 18 до 28) или даже больше. При этом длина метровой железной болванки будет изменяться на 0.1 мм. Для алюминиевых сплавов изменение уже составит 0.2 мм, а для некоторых пластмасс до 1 мм и даже больше.

Таким образом, в подавляющем большинстве случаев, нет никакой практической ценности в точностях лучше 0.1-0.2 мм/метр. Табличные характеристики указаны для одного скана идеального объекта снятого в идеальных условиях сканером, настроенным на соответствующую область сканирования.

При совмещении фрагментов снятых с разных ракурсов точность падает из-за погрешностей совмещения. При этом существуют следующие технологии совмещения:

1. Совмещение по геометрическим особенностям самого объекта. Это самая точная технология, но только при условии достаточного количества геометрических особенностей на объекте. Точность при таком совмещении падает незначительно, если объект целиком входит в область сканирования. При недостаточном количестве геометрических особенностей, например при сканировании гладких фрагментов автомобиля, необходимо применять совмещение по маркерам.


2. Совмещение по маркерам. На объект перед сканированием наклеиваются маркеры – белые кружочки на чёрном фоне. Координаты этих маркеров расчитываются сканером автоматически и используются для совмещения фрагментов. При сканировании больших и протяженных объектов неточности определения координат маркеров накапливаются, такие объекты рекомендуется сканировать с использованием фотограмметрии. Маркеры также должны наклеиваться корректно – максимально хаотично, не образуя рядов или линий, равномерно по всей поверхности.


3. Совмещение по маркерам с использованием фотограмметрической системы. В этом случае совмещение также происходит по маркерам, однако координаты этих маркеров оцениваются заранее фотограмметрической системой с большой точностью. Это позволяет минимизировать потерю точности при совмещении фрагментов больших или протяженных объектов. В большинстве художественных и дизайнерских задач требования к точности не предъявляются, на первый план выходят требования снизить шум, повысить детализацию, максимально полно отсканировать поверхность объекта. Специалисты одной известной студии промышленного дизайна указывают на то, что лично им точность сканирования в 1 миллиметр или лучше нужна редко, обычно только в том случае, когда необходимо сопряжение разрабатываемой детали с уже существующей, например при сканировании бампера автомобиля.

Пример задачи	Требования
Необходимо отсканировать гипсовую скульптуру, барельеф, медведя и оленя из пластилина, резьбу по дереву. В дальнейшем предполагается изготовить на ЧПУ или напечатать на 3d принтере уменьшенные копии этих объектов.	В этом случае требования к точности не предъявляются. Важно получить визуально идентичный результат, т.е. требуется хорошая детализация, невысокий уровень шума, получить законченный STL файл пригодный для 3d фрезеровки или печати на 3d принтере.
Необходимо отсканировать бампер автомобиля, фару, крыло. В дальнейшем результаты сканирования будут использоваться для моделирования другого бампера, фары и крыла.	Поверхности старого бампера и крыла большого интереса не представляют. В первую очередь интересуют крепления, посадочные места и линии примыкания. В этом случае требуется точность на уровне 0.5 мм в указанных местах.
Необходимо отсканировать пластиковую бутылку. Результат будет использован для создания новой формы на основе существующей.	Требования по точности минимальны. Горлышко и резьбовые элементы обычно берутся из точной CAD-модели, остальная форма бутылки также будет создана заново. Требования к уровню шума и детализации также минимальны в силу гладкости форм.
Необходимо отсканировать ювелирное кольцо, восковку, церковный крест, медальон.	Предъявляются повышенные требования к детализации и разрешению. Уровень шума также должен быть минимален. Требований по точности нет.

Также следует учитывать, что при моделировании объектов на основе данных сканирования: - размеры новых объектов обычно округляют до целых значений. Пусть при сканировании получили габарит пластикового корпуса 100.18 x 220.03 x 194.87 mm. – в этом случае дизайнер практически наверняка скорректирует размер в чертежах на 100.00 x 220.00 x 195.00 mm. - форма новых CAD объектов, построенная по STL данным со сканера, может заметно отличаться от реальной поверхности, так как при её построении средствами CAD-пакетов используются математическая аппроксимация, сглаживание и упрощение поверхности.

Для задач, в которых есть требования по точности, например при сканировании частей автомобиля, рекомендуется использовать вспомогательные средства, такие как фотограмметрия или контрольно-измерительные машины (КИМ). Следует помнить что сканер, хоть и обладает хорошими характеристиками, не является средством измерения, перед запуском производства в серию или изготовления пресс-формы необходимо самостоятельно убедиться в корректности результата, проведя контрольные замеры или сделав прототип.