3D сканирование и
конструкторские услуги
ru en

От чего зависит точность 3d сканирования

Говоря о точности 3D сканера, обычно имеют ввиду уровень соответствия полученной трехмерной модели реальным характеристикам образца.

Данный параметр определяет погрешность 3D сканера или интервал, в пределах которого могут варьироваться результаты сравнения.

Точность 3D сканера зависит не только от «железа», то есть от собственных характеристик устройства, но и от ряда других факторов, в частности на точность влияют:

  • размер объекта: 3d-сканирование крупных объектов производится по частям, а сшивка увеличивает погрешность;
  • правильный выбор объективов;
  • правильные настройки сканера;
  • правильная подготовка объекта к сканированию;
  • субъективные факторы при сканировании: колебания поверхности, освещение.

Один и тот же сканер может выдавать разные значения точности в зависимости от предмета сканирования и квалификации исполнителя. Именно поэтому многие производители сканеров избегают указывать точность в технических характеристиках устройства, заменяя ее другими, более объективными параметрами (см. Таблица 1), например, разрешением. Разрешение и точность – разные понятия, хотя высокое разрешение и увеличивает точность. Характеристика точности у производителя обычно соответствует идеальному объекту при идеальных условиях сканирования (см. Таблица 2). 

Таблица 1. Характеристические особенности 3D сканеров

Характеристика Описание Зависит от
Разрешение (разрешающая способность) Наименьшее расстояние между сканируемыми точками в мм. Обуславливается размерами сканируемой области, характеризующей разрешающей способностью камер и принципом работы сканера. Для повышения точности разрешение сканера должно быть меньше 1/2 размера самой мелкой исследуемой детали или минимального размера изделия.
Детализация Размер объекта в мм, форму которого может распознать сканер.
Стандартное значение для 3D сканера: 1 мм.
Сканеры различных производителей имеют различные значения детализации. Ручные сканеры, как правило, имеют меньшие значения детализации по сравнению с фиксированными.
Шум  Случайная образовывающая суммарной ошибки измерения. Может быть установлена при повторных сканированиях данного объекта в абсолютно тех же условиях путём сравнения с первым результатом. Зависит от нескольких различных факторов. Например, качества поверхности (гладкость/шероховатость, неровности и неоднородности поверхности) сканируемого объекта, направления сканирования, расположения камер (относительно объекта и друг друга), освещения объекта и т.д.
Точность  Общая суммированная ошибка измерения. Включает в себя как случайную, так и систематические составляющие.

 

Табличные значения точности, как правило, расписаны для идеальных объектов, находящихся в идеальных условиях – твёрдое гладкое изделие, сканируемое при постоянной температуре и т.д. Любое отклонение от эталонных условий влияет на полученное значение точности. В таблице представлены основные параметры, влияющие на точность 3д сканирования. 

Таблица 2. Причины потери точности при трехмерном сканировании

Идеальные условия Условия, вызывающие затруднения Результат работы в неидеальных условиях
Твёрдый объект Деформируемый объект Части объекта, отсканированные с разных ракурсов искажены. Возникают проблемы при совмещении частей в единое изделие
Статичный объект Перемещения объекта относительно сканера в процессе сканирования Любое движение приводит к искажению результата и ухудшению детализации
Светлый объект Тёмный объект Большинство сканеров не сканирует черные объекты, в 3д модели на этих местах будут дыры, требуется их предварительное матирование
Матовый объект Блестящий или полупрозрачный объект В 3д модели на этих местах будут дыры, требуется их предварительное матирование
Гладкий объект Наличие острых рёбер Острые края немного смягчаются, желательно соблюдать правила взаимного расположения сканера и острых краёв
Деталь без отверстий Изделие с краями листового материала Край тонкого листа на 3D данных всегда обрывается, не доходя до реальной границы объекта
Хорошие геометрические особенности объекта Вырожденности вдоль одной или нескольких осей Отдельные фрагменты невозможно качественно совместить, точность без использования маркеров становится неконтролируемой
Объект целиком находится в области сканирования Большой или длинный объект, требуется сканирование фрагментами При совмещении фрагментов появляются ошибки
Объект сканируется перпендикулярно к поверхности Сканируется “под углом” Снижение значений точности и детализации.
Сканер прогрет до рабочей температуры и затем откалиброван 3D сканер не прогрет до приемлемой рабочей температуры Измерения заведомо будут содержать ошибки
Калибровочное поле измерено при текущей температуре Сканирование производится в условиях ненормированной температуры Масштаб результата будет отличаться от реального объекта
Освещение не мешает процессу сканирования  Яркое направленное внешнее освещение Повышенный уровень шумов в данных или невозможность работы
Камеры расположены на рекомендованном расстоянии Камеры сдвинуты для сканирования впадин и поднутрений Повышенный шум в данных
Температура в помещении стабильная Температура в помещении меняется от внешних погодных условий Изменение параметров изделия в зависимости от внешней температуры

 

Влияние температуры на точность

Подавляющее количество веществ расширяется при нагревании. Эффект теплового расширения уменьшает точность 3д сканирования. В неподготовленном помещении температура может колебаться в пределах 10 и более градусов. При этом размеры объектов в зависимости от материала их исполнения будут меняться в большую или меньшую сторону. Таким образом, для некоторых объектов нет существенной ценности в точности более 0.1-0.2 мм/метр. 

Точность при совмещении сканов объекта

Сканируя объект с разных ракурсов, появляется сложность в обработке дальнейших результатов, поскольку возникают погрешности при совмещении различных фрагментов. Используется несколько технологий совмещения:

1. Совмещения по поверхностным геометрическим отличительным чертам. Точность этой технологии самая высокая, но только если объект обладает достаточным количеством характерных особенностей. Если объект целиком помещается в области сканирования, падение точности при совмещении малозначимо. В случае если геометрических особенностей не достаточно (сканирование больших гладких объектов), используются другие технологии совмещения.

2. Совмещение по маркерам. Перед процессом сканирования происходит подготовка модели к работе – в произвольном хаотичном порядке равномерно по поверхности наклеиваются маркеры контрастного (по отношению к объекту) цвета. Сканер автоматически считывает координаты маркером и совмещает фрагменты.

3. Совмещение по маркерам с использованием фотограмметрической системы. Для больших объектов используется технология, когда координаты маркеров оцениваются заранее с помощью фотограмметрической системой, что обеспечивает высокую точность. 

Примеры задач и требования по точности

Для обеспечения идеальной точности требуется дорогостоящее оборудование. Однако не для всех изделий требуются высокие значения точности. Поэтому необходимо понимать стоит ли вкладывать бюджет в такие параметры.
К примеру, высокое требование по точности применяется в таких задачах как контроль изготовления лопаток турбин или клапанов искусственного сердца.

В общем случае при сканировании большинства других изделий достаточно точности в 0,1% от измеряемой длины. При сканировании автомобильного бампера, то есть детали, соединённой с другими деталями минимально достаточной точностью считается 1 мм и менее. В большинстве дизайнерских и творческих задач, например, при сканировании гипсовых форм, скульптур и ювелирных изделий предъявляются элементарные требования к точности, в первую очередь необходимо снизить шум, улучшить детализацию, максимально тщательно проработать поверхность объекта. 

Таблица 3. Примеры задач и требования по точности 

Пример задачи Требования
Сканирование бюста из гипса, змею или зайца из папье-маше, статую. Уменьшенные копии скульптур предполагается изготовлять с помощью станков с ЧПУ или печатать на 3D принтере. В этом случае необходимости в высокой точности нет. Большое значение имеет получение визуально идентичного результата, т.е. требуется высокая детализация, минимальный уровень шума. Конечный результат - получение законченного STL файла, пригодного для дальнейшей работы с изготовителем.
Сканирование велосипедной вилки, педали, рамы. Результаты сканирования станут основой для моделирования другой вилки, педали, рамы.   Поверхности старой вилки и педали не представляют интереса. Особую важность представляют места креплений, посадки и линии присоединения. В указанных местах необходима точность порядка 0.5 мм.
Сканирование стеклянной бутылки. На основании полученного результата будет создана новая форма.  Требования по точности минимальны. Форма горлышка и элементы резьбы берутся из CAD модели. Форма самого сосуда будет создана заново. Т.К. форма гладкая, значения уровня шума и детализации не значимы.
Сканирование фамильного перстня, серёжек, подвески. Результат должен быть с высоким разрешением и детализацией, низким уровнем шума. Значения точности не важны.

  

Точность при разработке твердотельной 3D модели

Со сканера мы получаем сырой файл (облако точек или полигональная модель), которую потом доводим до твердотельной 3D модели в CAD-программе, например, SoliDWorks.
Моделируя объекты на основе полученных данных, размеры как правило округляют до целых значений. Для примера при сканировании получили алюминиевый корпус с габаритами 327.18 x 240.05 x 194.76 мм – в этом случае конструктор почти всегда скорректирует размеры в работе на 327.00 x 240.00 x 195.00 мм.

Кроме того форма новых CAD объектов, построенная по STL данным со сканера, может значительно отличаться от фактической поверхности, так как при её построении средствами CAD пакетов применяются функции математической аппроксимации, сглаживания и упрощения поверхности. 

P.S.

Для решения задач, в которых точность имеет ключевую важность, часто помимо сканера используются дополнительные измерительные системы. Необходимо понимать, что 3D сканер хоть и обладает выдающимися техническими характеристиками, измерительным прибором он всё же не является. В связи с этим, прежде чем запустить деталь в серийное производство, необходимо сделать пробную серию что бы проверить результат в работе и скорректировать возможные недоработки.