Les imprimantes 3D ont cessé de ressembler à un miracle technologique qu’elles étaient il y a peu, ce qui n’est pas le cas des scanners 3D. Ces appareils n'ont pas encore été aussi largement utilisés, mais ils sont de plus en plus demandés dans divers domaines de production.

Objectif d'un scanner 3D

Comme un scanner ordinaire, un scanner tridimensionnel est conçu pour saisir des informations sur n'importe quel objet réel dans un ordinateur. La seule différence est que dans le cas d'un scanner de bureau déjà familier, l'opérateur traite un objet plat sur papier, tandis qu'un scanner tridimensionnel permet de « capturer » une image tridimensionnelle.

Cela ne veut pas dire que la technologie de numérisation 3D était nouvelle. Il est utilisé depuis assez longtemps, mais en raison de sa complexité et de son coût élevé, il n'était accessible qu'à une « sélection » - organisations gouvernementales et scientifiques, institutions au niveau de l'État. Avec l’avènement des scanners 3D domestiques, dont de nombreux modèles sont proposés par REC, cette technologie est, sans exagération, devenue accessible à tous. Ce qui prenait auparavant plusieurs heures, voire plusieurs jours, peut désormais être réalisé en quelques minutes.

Comment fonctionne la numérisation 3D

Le balayage tridimensionnel repose sur la collecte d'informations sur un objet en l'étudiant avec le faisceau d'un laser ultra-précis ou d'une lampe spéciale. Dans ce dernier cas, la précision de numérisation est beaucoup plus élevée. Cependant, dans tous les cas, le fonctionnement du scanner repose sur la mesure de la distance entre la source de rayonnement et l'objet lui-même et chaque partie de celui-ci.

La mesure est effectuée à partir de nombreux points, en conséquence, des informations sont collectées sur les coordonnées de chaque point de l'objet, puis ces données sont envoyées à un ordinateur, traitées à l'aide d'un logiciel spécial - et sur la base des données téléchargées et des calculs effectués, l'image finale d'un modèle tridimensionnel de l'objet réel est dessinée.

Fait intéressant, grâce à cette technologie, il est possible d'obtenir des informations non seulement sur la forme d'un objet, mais aussi, par exemple, sur sa couleur. À l'avenir, l'opérateur pourra utiliser ce modèle à sa guise : le télécharger sur un autre éditeur 3D, modifier quelque chose dans la source, appliquer une texture, etc. Souvent, le modèle obtenu à la suite d'une numérisation 3D est imprimé sous forme de prototype sur une imprimante 3D.

Applications du scan 3D

Les domaines d’application du scanning 3D sont extrêmement larges :

conception. Sur la base du modèle obtenu, de nouveaux prototypes peuvent être créés. Le modèle imprimé est utilisé comme échantillon pour la production en série ou pour un affinement ultérieur ;

médecine. Les parties du corps humain imprimées sur une imprimante 3D ne relèvent plus de la science-fiction. De plus, en scannant l’organe malade, le médecin peut faciliter le diagnostic ;

architecture. Les éléments architecturaux numérisés peuvent être utilisés pour créer d'autres modèles de bâtiment ;

création de jeux. Afin de créer un personnage de jeu informatique, il est souvent sculpté à partir de pâte à modeler, puis numérisé puis travaillé avec le modèle informatique numérisé ;

l'industrie de la construction utilise des modèles numérisés de ponts, de colonnes et d'autres structures pour les affiner, étudier leurs propriétés et créer de nouveaux objets basés sur eux ;

activité scientifique. Il devient plus facile pour les scientifiques d’étudier un objet numérisé en trois dimensions, alors que l’original peut se trouver dans un musée ou sur un site de fouilles dans une autre partie du monde.

Et ce n’est pas une liste complète de tous les domaines dans lesquels la technologie de numérisation 3D est utilisée.

Un appareil stationnaire ou petit portatif pour numériser des objets à géométrie spatiale complexe. Les scanners simples traitent les images dans un plan et les scanners 3D scannent des objets physiques en trois dimensions, affichant les informations sous forme de modèle polygonal ou de nuage de points. Les appareils de numérisation tridimensionnelle sont utilisés en médecine (dentisterie, chirurgie plastique, fabrication de prothèses, modèles d'organes, etc.), pour la création de jeux informatiques, dans l'industrie cinématographique, le design, l'architecture, l'ingénierie, pour la conception de pièces industrielles, automobiles et pour reconstitution d'objets en archéologie. Les scanners analysent et recréent numériquement un modèle tridimensionnel d'un objet, sa forme et sa couleur avec un haut degré de détail, travaillant dans différentes conditions (dans une mauvaise visibilité, dans l'obscurité, lors de vibrations), avec n'importe quel matériau, et fournissent les informations requises. format d'informations de sortie pour le logiciel permettant de travailler avec elle sur l'ordinateur.

Comment fonctionne un scanner 3D ?

Comment fonctionne un scanner 3D— la capacité de l'appareil à déterminer la distance par rapport à un objet, à convertir les données reçues en une image numérique (modèle tridimensionnel) et à les transférer vers un ordinateur. Le scanner détermine les coordonnées des points dans l'espace à la surface de l'objet traité, les analyse et forme un modèle numérique détaillé. Son travail implique des caméras, des lasers, des télémètres et des dispositifs d'éclairage.

Technologies de numérisation 3D

• Contact(contacte l'objet).
• Sans contact(sans contact avec l'objet). Ce sont les technologies les plus prometteuses et les plus nouvelles qui vous permettent de créer des modèles d'objets simplement en dirigeant un faisceau laser, de la lumière ou des ondes vers eux. Le scanner s'utilise à distance et est capable de créer une copie d'un objet difficile à atteindre sans contact physique avec celui-ci.

Scanners 3D sans contact

Les deux technologies de numérisation les plus courantes sont le laser optique (passif et basé sur le rayonnement) et le laser actif.

Principe du rayonnement actif

Le scanner émet une lumière structurée et intermittente, par triangulation laser. Un faisceau laser, un faisceau de lumière spécialement généré (diodes, flashs de lampe) ou des ondes sont dirigés vers l'objet examiné. Sur la base de l'analyse de leur reflet et de leur position, une copie tridimensionnelle de l'objet est formée.

Principe du rayonnement passif

Ils n'émettent rien, ils analysent la lumière ou le rayonnement infrarouge (thermique) d'un objet. Ils fonctionnent comme l’œil humain ;

Technologie de numérisation 3D passive photométrique sans contact

Sur le marché, les scanners de ce groupe sont représentés par le modèle XYZprinting. Ce sont des modèles simples et assez compacts qui ne disposent que de fonctions de numérisation 3D de base.
Avantages : prix abordable et compacité.

Appareil

Appareil scanner 3D passif (en utilisant l'exemple du modèle spécifié) : un boîtier, un appareil photo compact, un câble USB pour se connecter à un ordinateur et y transférer une image de l'objet numérisé. Un scanner sans support, portatif, réalisé sous la forme d'une agrafeuse.

Principe d'opération

Une caméra photosensible capte le rayonnement lumineux d'un objet, le traite et forme un modèle tridimensionnel, puis l'exporte vers un ordinateur. L'utilisateur peut disposer de deux modes de fonctionnement : scanner une personne ou des objets. Pour commencer, vous devez installer le logiciel sur votre ordinateur, y connecter l'appareil via un câble USB, sélectionner le mode de fonctionnement, appuyer sur le bouton du scanner et, en le déplaçant lentement devant l'objet, numériser.

Comment fonctionne la technologie

L'appareil fonctionne grâce à la technologie photométrique à balayage passif sans aucun rayonnement ni projection sur l'objet. Le travail est effectué par une caméra optique simple légèrement améliorée qui capte la lumière visible. L'inconvénient est que si l'éclairage est insuffisant, l'objet doit être éclairé en plus.

La numérisation est réalisée selon la méthode dite de la « silhouette ». Il reproduit les contours d'un objet à partir d'une séquence d'images capturées par une caméra vidéo passée autour de l'objet sur un fond très contrasté.

Système de numérisation 3D passive stéréoscopique sans contact

Modèles dotés d'une technologie de numérisation passive sans contact

Ce type d'appareil est représenté par les modèles 3D Systems Sense, 4D Dynamics Gotcha.

Conception et principe de fonctionnement d'un scanner 3D utilisant un système de numérisation passive sans contact

Les appareils sont équipés de deux caméras et d'un capteur infrarouge. Le scanner 3D Systems Sense se présente sous la forme d'une agrafeuse ; c'est un appareil portatif compact ; il peut être utilisé avec un trépied ; Gotcha (avec un trépied et une poignée), il est inclus dans le kit. Le principe de fonctionnement est optique passif. Dans les deux cas, l'alimentation et le transfert de données s'effectuent via un câble USB. Les appareils disposent de modes standards : scanner une personne et un objet.

Technologie de numérisation

Une caméra utilisant cette technologie détecte le rayonnement infrarouge (thermique) et la lumière ordinaire réfléchie par un objet. Les systèmes sont stéréoscopiques, c'est-à-dire qu'ils utilisent deux caméras. L'appareil compare les images, sur la base de petites comparaisons de différences entre elles, détermine la distance en chaque point de l'image et recrée l'objet sous forme numérique.

Scanners 3D avec numérisation active laser

Ce groupe d'appareils est représenté par les modèles de scanner suivants : 3D Systems iSense, DAVID Starter-Kit ver.2, MakerBot Numériseur.

Appareil

Les appareils disposent de deux lasers et d'une caméra. A noter que la sécurité laser des gadgets correspond au niveau I, totalement sans danger pour les yeux. Le scanner iSense est conçu pour fonctionner uniquement avec le système d'exploitation iOS et Apple iPad au-dessus de la 4ème génération. Il est réalisé dans un boîtier compact qui s'installe sur un gadget mobile et y est connecté avec un câble USB ; la charge de la batterie dure 4 heures de fonctionnement. Il se fixe comme une webcam, numérise et affiche immédiatement l'image sur l'iPad.

Des modèles

Appareil

Les principaux éléments fonctionnels de ces appareils sont des caméras et une source de lumière, qui la structure de manière particulière et la dirige vers l'objet scanné. Dans le modèle DAVID SLS-2, la source lumineuse est un vidéoprojecteur. Ceux-ci sont montés sur un trépied avec un trépied inclus dans le kit. Cela vous permet de configurer et de calibrer les appareils, de les installer dans différentes positions et de les fixer solidement, réduisant ainsi les vibrations. Les sources lumineuses des appareils sont des lampes halogènes, des diodes et un vidéoprojecteur.

Artec Spider, Artec Eva, Artec Eva Lite sont fabriqués dans un boîtier compact avec une poignée rappelant un fer à repasser. La poignée contient des boutons de commande et des sorties pour l'interface et les cordons d'alimentation. Il y a également un trou en bas pour les trépieds photo standard et les pieds permettant de fixer l'appareil sur une surface. Le scanner 3D présente les caractéristiques suivantes. En bas, il est équipé d'une caméra 3D (il y en a trois dans l'Artec Spider) avec une résolution accrue, en haut de l'appareil il y a un flash (projecteur) d'éclairage structuré, une caméra centrale à texture couleur au milieu ainsi que des sources lumineuses sous forme d'ampoules à 6 ou 12 diodes. Toutes les sources lumineuses ont un rayonnement blanc. L'appareil est livré avec un cordon d'interface mini-USB standard et un câble d'alimentation. De plus, vous pouvez acheter une batterie rechargeable.

Comment fonctionne la technologie

De tels appareils sont également appelés scanners 3D à lumière structurelle. La technologie de numérisation est similaire à la triangulation laser (lumière, émetteur, caméra). L'important est qu'ils puissent fonctionner sans marqueurs - l'objet n'a pas besoin d'être recouvert de nombreux marqueurs et marques. L’essence de la technologie de la lumière structurée est de projeter un motif de lumière sur un objet, puis de fixer et d’analyser sa déformation. Le flux lumineux est projeté sur l'objet par plusieurs types de sources lumineuses : LCD, vidéoprojecteur, diodes, lampes halogènes.

La caméra enregistre les changements dans le motif de lumière qui entre dans son champ de vision et ressemble à des lignes de lumière en mouvement sur la surface d'un objet. Il calcule et analyse la distance de chaque point éclairé d'un objet et en forme ainsi une copie numérique détaillée. L’avantage des scanners Light 3D est la rapidité et la grande précision. Ils ne scannent pas un ou plusieurs points, mais simultanément un groupe de points ou tout le champ de vision à la fois.

La technologie du scanning 3D est apparue il y a seulement quelques décennies, à la fin du 20e siècle. Le premier prototype fonctionnel est apparu dans les années 60. Bien sûr, à cette époque, il ne pouvait pas se vanter d'un large éventail de capacités, mais il s'agissait d'un véritable scanner 3D qui remplissait bien sa fonction principale.

Au milieu des années 80, les appareils de numérisation ont été améliorés. Ils ont commencé à être complétés par des lasers, de la lumière blanche et des sources de gradation. Grâce à cela, il a été possible d'améliorer la « capture » des objets étudiés. Pendant cette période, des capteurs de contact apparaissent. Avec leur aide, la surface d'objets solides qui n'avaient pas de forme complexe a été numérisée. Pour améliorer l'équipement, les développeurs ont dû emprunter un certain nombre de technologies optiques à l'industrie militaire.

L'utilisation des scanners 3D intéressait non seulement les concepteurs des studios de design et des entreprises automobiles, mais également les travailleurs de l'industrie cinématographique. Dans les années 80 – 2000, différentes entreprises ont produit leurs propres modèles d’équipements : Head Scanner, REPLICA 3D scanner et autres. Depuis, les unités ont changé, améliorées et sont devenues plus mobiles et fonctionnelles. Les caractéristiques d’un scanner 3D diffèrent aujourd’hui considérablement.

Comment fonctionne un scanner 3D

Un scanner 3D effectue une étude détaillée des objets physiques, après quoi leurs modèles exacts sont recréés au format numérique. Les unités modernes peuvent être fixes ou mobiles. Un laser ou une lampe spéciale est utilisé comme éclairage (leur utilisation augmente la précision des mesures).

Le principe de fonctionnement d'un scanner 3D est déterminé par la technologie de numérisation. Grâce au rétroéclairage et aux caméras intégrées, l'appareil mesure la distance jusqu'à un objet sous différents angles. Ensuite, les images transmises par les caméras sont comparées. Après une analyse approfondie de toutes les données obtenues, le modèle numérique tridimensionnel terminé est affiché à l'écran. Si le dispositif scanner 3D est basé sur le fonctionnement d'un faisceau laser, alors il est utilisé pour mesurer des distances en des points donnés. Sur la base de ces informations, les coordonnées sont affichées.

Méthodes et technologies de numérisation tridimensionnelle

Il existe deux méthodes principales :

1. Contact. L'appareil sonde un objet par contact physique alors que l'objet se trouve sur une plaque de surface de précision. Le scanner 3D contact se distingue par son fonctionnement ultra précis. Cependant, la numérisation peut endommager ou modifier la forme d'un objet.
2. Sans contact. Un rayonnement ou une lumière spéciale (ultrasons, rayons X) est utilisé. Dans ce cas, l'objet est balayé grâce à la réflexion du flux lumineux.

Technologies de numérisation 3D :

1. Laser. Le fonctionnement des appareils est basé sur le principe de fonctionnement des télémètres laser. Les scanners laser 3D se caractérisent par la précision du modèle tridimensionnel obtenu. Certes, leur utilisation est difficile dans des conditions de mobilité des objets. Il s’agit plutôt d’un scanner 3D d’intérieur. Scanner une personne avec un scanner laser 3D est presque impossible.
2. Optique. Dans ce cas, un laser spécial de la deuxième classe de sécurité est utilisé. Un scanner 3D optique a une vitesse de numérisation élevée. Son utilisation élimine toute distorsion, même si l'objet bouge. Il n’est pas non plus nécessaire d’appliquer des marques réfléchissantes. Cependant, de tels appareils ne sont pas adaptés à l'étude de produits miroirs, transparents ou brillants. Mais c’est une excellente option pour un scanner humain 3D.

Scanners 3D modernes

Les appareils peuvent différer à bien des égards : domaine d'utilisation, dimensions, forme, technologie. Les unités modernes sont utilisées dans les domaines industriel et domestique. Un scanner 3D industriel est utile pour :

• ingénierie;
• médecine;
• production;
• conception;
• industrie du cinéma;
• le domaine de la création de jeux informatiques.

Je voudrais accorder une attention particulière au scanner 3D à ultrasons. C'est une véritable trouvaille pour la médecine moderne. Les appareils sont équipés de Dopplers d'énergie, de couleur, de tissus, à ondes continues et à impulsions. Cet appareil se caractérise par la résolution la plus élevée, il est donc populaire en mammologie, obstétrique, urologie, étude des vaisseaux sanguins et des tissus musculaires, échocardiographie, néonatalogie et pédiatrie.

Les principes de fonctionnement des appareils diffèrent également. Le marché propose un scanner 3D fixe ou portable, c'est-à-dire un scanner 3D portatif. Dans le second cas, un détecteur sensible aux coordonnées ou un dispositif à couplage de charge est utilisé comme capteur. Cet appareil est extrêmement pratique car il peut être déplacé librement. Un scanner 3D portable est idéal pour numériser des endroits difficiles d'accès ou des objets volumineux. Les mesures peuvent être prises sous n'importe quel angle, autour ou sous les objets examinés.

Les appareils sont utilisés conjointement avec différents équipements. Il peut s'agir non seulement d'un scanner 3D pour une imprimante 3D, mais également d'un scanner 3D pour iPad. Les fabricants modernes de telles unités produisent des appareils mobiles qui fonctionnent non seulement avec des ordinateurs de bureau, mais également avec des tablettes ou même des smartphones. De plus, il existe des programmes spéciaux à l'aide desquels les téléphones ordinaires se transforment en scanners. Par exemple, vous pouvez trouver un scanner 3D pour Android. Il vous aidera à concevoir des pièces uniques, à réaliser du prototypage rapide et à numériser des objets.

Logiciel de scanner 3D

Programmes spéciaux pour scanner 3D et traitement de données :

1. David-3D. Conçu pour la numérisation tridimensionnelle d'objets et la conversion des résultats obtenus en vue de l'importation ultérieure de modèles dans des éditeurs 3D.
2. Artec Studio 10. Outil professionnel pour créer des modèles tridimensionnels.
3. Prise Autodesk 123D. Numérisation 3D pour téléphones mobiles Android.
4. Scanner photomodeleur. Vous permet de créer des modèles stl de haute précision basés sur des photographies ordinaires prises avec un appareil photo de smartphone ou de tablette.
5. 3DAutour. Transforme les photos 2D en modèles 3D réalistes.

Vidéo sur le scanner 3D

Pour mieux comprendre le principe de fonctionnement des appareils et leurs variétés, il vaut la peine de regarder la vidéo sur les scanners 3D, présentée ci-dessous.

Chaque jour, nous surveillons facilement le fonctionnement de millions d’appareils numériques qui facilitent les activités humaines quotidiennes et professionnelles. Et l'un d'eux est celui des scanners 3D, qui sont utilisés dans de nombreux domaines modernes, de la vie quotidienne aux grands projets du futur qui pourront bientôt se déployer dans l'immensité de l'espace. Il est temps d'examiner de plus près la structure interne des scanners 3D et de comprendre leur fonctionnement.

Comment fonctionne la numérisation laser 3D

Pendant le fonctionnement, un scanner laser 3D mesure la longueur des faisceaux laser et la distance par rapport aux objets à partir desquels l'image est prise. Dans ce cas, la direction du rayonnement est régulée à l'aide d'un encodeur spécial qui contrôle les miroirs.

Pour définir la position du faisceau laser en deux dimensions, il est nécessaire de faire pivoter un miroir le long de deux axes, mais lors d'un balayage rapide, le faisceau est réfléchi par deux miroirs situés sur un axe orthogonal. Dans ce cas, les lasers eux-mêmes peuvent être localisés en trois dimensions, et leur focalisation se fait à l'aide de lentilles.

Pour obtenir un modèle précis d'un objet, il est nécessaire d'effectuer plusieurs cycles de numérisation dont les données sont ensuite combinées lors du post-traitement.

Vitesse de fonctionnement

L'un des concepts centraux du balayage laser est le temps de retour du faisceau depuis la surface de l'objet. Le faisceau laser émanant du scanner n'atteint pas immédiatement la surface de l'objet, et il en va de même pour son retour vers l'appareil.

La vitesse de la lumière est une constante connue et la distance entre le scanner et l'objet est mesurée en calculant le temps nécessaire au retour d'un faisceau de lumière. La précision de la numérisation d'un objet dépend de la précision du chronomètre intégré. La seule difficulté qui se pose lors du processus de capture d'un nuage de points réside dans le temps très court nécessaire au faisceau lumineux pour revenir à sa place. La distance est calculée à l'aide de la formule :

Triangulation

De nombreux scanners portables utilisent la triangulation, ce qui permet une plus grande précision. Par exemple, les scanners laser utilisent souvent des caméras supplémentaires qui suivent les points laser frappant la surface d'un objet. Malgré des indicateurs plus précis lors de l'utilisation de cette méthode, la portée effective du scanner lui-même est réduite.

Création de nuages ​​de points

Un nuage de points est un ensemble de données situées dans un système de coordonnées cartésiennes. En conséquence, tous les points sont en trois dimensions, sur les axes X, Y et Z. Lorsque l'on considère ce terme dans le contexte du scan 3D, ces données représentent les résultats du scan sous forme de coordonnées non structurées. Les formats de nuages ​​de points typiques et les plus courants sont TXT, IGS et ASCII.

Les points obtenus à la suite du scan sont ensuite transférés vers un système de coordonnées commun, où ils peuvent être corrigés par l'utilisateur. Dans ce cas, le réglage lui-même peut être effectué soit directement pendant le processus de numérisation, soit après l'envoi des données aux programmes appropriés.

En fonction du type de données et du type de traitement ultérieur des données, le nuage de points est exporté vers le fichier approprié.

Les scanners 3D sont des appareils uniques utilisés pour un très large éventail d’opérations. L'élaboration de cartes tridimensionnelles, de calculs géodésiques et bien plus encore peut être effectué avec leur aide plusieurs milliers de fois plus rapidement que par les humains.

Équipement pour le scanning tridimensionnel, utilisant des LED spéciales bleues/blanches ou des lampes spéciales comme source de lumière. Ils vous permettent de numériser rapidement des objets de petite ou moyenne taille avec une grande précision et une faible consommation d'énergie.

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Scanner 3D optique vs laser

Les deux options sont activement utilisées dans la production, chacune présentant des avantages et des inconvénients importants.

Ainsi, le système de balayage optique permet :

• numériser la surface avec une vitesse, une précision et une résolution élevées ;
• créer des modèles tridimensionnels pour une production ultérieure ;
• effectuer de l'ingénierie inverse ;
• recevoir des modèles d'animation, etc.

Le principal inconvénient est qu’il ne fonctionne pas toujours correctement et avec précision sur des surfaces brillantes et transparentes. Cependant, à l'heure actuelle, les scanners optiques sont activement utilisés dans l'industrie, le design, la médecine, l'architecture, le divertissement et d'autres domaines.

Application

Aujourd'hui, de tels appareils sont activement utilisés dans les studios de design, les constructeurs automobiles et même dans l'industrie cinématographique. Ils sont également utilisés dans l’ingénierie, la médecine, la création de jeux informatiques et d’autres industries. Les modèles modernes sont assez compacts, ont une grande précision, fonctionnent avec différents formats numériques et utilisent des méthodes de numérisation avec et sans contact pour des résultats plus précis.

Pour les nouveaux modèles de scanners 3D, un logiciel spécial existe et est utilisé. Il permet de convertir les résultats obtenus, de créer des modèles tridimensionnels, de générer des modèles STL de haute précision, de créer des objets tridimensionnels basés sur des images 2D, des objets réels, etc.

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