Добрый день! С вами компания 3Dtool. В этой статье мы хотели бы рассказать вам о методах 3D сканирования и о том, как работают современные 3D сканеры.
На сегодняшний день существуют следующие основные принципы работы 3D сканеров:
• Лазерная триангуляция используется для точного измерения расстояний на основе геометрических расчетов между лазером, объектом и камерой;
• Структурированный подсвет — метод, при котором на объект проецируется известный подсветовой шаблон, искажения которого анализируются для построения 3D модели;
• Гибридные системы сочетают в себе разные технологии. В настоящий момент это совмещение: лазерной триангуляции и структурированного подсвета для повышения точности и универсальности;
• LiDAR (Light Detection and Ranging) — технология на основе измерения времени пролёта лазерного импульса до объекта и обратно, применяемая для съёмки больших объектов или при дистанционном сканировании.
Хронология развития 3D сканирования с точки зрения доступности технологий для массового использования в России.
Если рассматривать мировой и, в частности, российский рынок 3D сканеров, то до 2019 года включительно на нём доминировали устройства, использующие технологию структурированного подсвета. Данная технология позволяет получить высокую точность при сканировании небольших объектов, при этом она доступна по стоимости.
Яркими представителями этой категории стали модели: RangeVision Neopoint, RangeVision Spectrum, RangeVision PRO II, Shining 3D Einscan SE, Einscan PRO, а также Calibry от Thor3D.
Однако с середины 2020 года ситуация на российском рынке изменилась. Появилась новая модель — ручной лазерный 3D-сканер Scanform L5. Это стало заметным событием, поскольку при цене около 350000 рублей сканер показывал результаты, сравнимые с зарубежными лазерными сканерами стоимостью от 1 000 000 рублей и выше. Это сделало лазерную триангуляцию доступной для малого и среднего бизнеса, производственных предприятий и даже образовательных учреждений.
В конце 2024 года российский производитель RangeVision выпустил собственный лазерный 3D сканер — Helix, продолжив тенденцию к доступности и качеству.
Параллельно с этим крупные международные производители, такие как Creality 3D и Shining 3D, начали активно развивать гибридные технологии сканирования. Такие сканеры совмещают в себе лазерную триангуляцию и структурированный подсвет, что позволяет одновременно достигать высокой точности на больших объектах, а также захватывать цветовые текстуры и работать без использования опорных меток.
Представителями гибридных сканеров можно назвать модели: Creality Raptor X, Raptor PRO, Einscan HX2, Freescan Combo и другие.
Технология 3D сканирования методом cтруктурированного подсвета.
Технология структурированного подсвета основана на проецировании на объект определённого шаблона (например, полос или сетки) с помощью источника подсвета (проектора). Одна или несколько камер фиксируют искажения этого шаблона, возникающие из-за формы поверхности объекта. На основе этих искажений вычисляется трёхмерная модель.
Преимущества:
• Не требует применения маркеров (меток) для сканирования;
• Позволяет захватывать цветовую информацию (текстуры);
• Обеспечивает высокую точность измерений;
• Обладает отличной детализацией, особенно на мелких объектах.
Недостатки:
• Плохо работает с чёрными, блестящими и зеркальными поверхностями — в таких случаях требуется использование матирующего спрея;
• Чувствителен к внешнему освещению — сканирование на открытом солнце, как правило, невозможно;
• Большинство сканеров на этой технологии являются стационарными (работают на штативе или платформе), что затрудняет сканирование в ограниченном пространстве или труднодоступных местах. Однако существуют и ручные модели.
Технология 3D сканирования методом лазерной триангуляции.
Технология лазерной триангуляции основана на проецировании лазерного луча (или нескольких лазерных линий) на объект. Камера, расположенная под определённым углом к лазеру, фиксирует положение отражённого луча. Путём анализа сдвига пятна (или линии) на матрице камеры система рассчитывает координаты точек на поверхности объекта. Такой подход позволяет получать высокоточные 3D модели.
В современных сканерах применяется сразу несколько лазерных линий (часто 7 и более), что ускоряет процесс сканирования и увеличивает плотность точек. Однако точность в большей степени зависит от оптики, калибровки и алгоритмов обработки.
Преимущества:
• Уверенная работа с чёрными и глянцевыми поверхностями без необходимости применения матирующего спрея;
• Возможность сканирования под любыми углами — технология не требует штатива или строго фиксированного положения;
• Подходит для крупных объектов (от 1 метра и более), в зависимости от конструкции сканера и производительности;
• Высокая скорость захвата данных.
Недостатки:
• Требуется использование опорных маркеров (меток) для корректного совмещения сканов и стабилизации трекинга;
• Сложности при сканировании зеркальных или прозрачных объектов — такие материалы искажают или не отражают лазерный луч должным образом. В ряде случаев это можно компенсировать применением спреев или обработкой поверхности.
Технология 3D сканирования методом Оптический гибрид.
Гибридные 3D сканеры сочетают в себе два принципа сканирования — лазерную триангуляцию и структурированный подсвет. Это позволяет объединить высокую точность лазера с универсальностью и возможностью цветного сканирования, свойственными структурированному подсвету.
Обычно такие сканеры работают в одном активном режиме за раз: пользователь может переключаться между лазерным и структурированным режимом в зависимости от задачи — например, для улучшения точности или захвата текстур. Такое переключение особенно удобно при сканировании сложных объектов, где один режим может быть недостаточен.
Лазерные линии в гибридных 3D сканерах:
В гибридных сканерах, таких как Creality Raptor X, применяются два типа лазерных линий:
• Перекрёстные линии — эффективны при сканировании крупных объектов (от 500 мм и выше), обеспечивают быстрое покрытие поверхности;
• Параллельные линии — используются для объектов средней и малой размерности, где требуется высокая детализация.
Например, Raptor X оснащён 34 перекрёстными и 7 параллельными лазерными линиями. В целом, большее количество лазерных линий означает более высокую скорость захвата и плотность облака точек, однако напрямую на точность влияет также система калибровки и программное обеспечение.
Структурированный подсвет в гибридных сканерах:
В режиме структурированного подсвета гибридные 3D сканеры, как правило, используют инфракрасную подсветку — светодиоды с длиной волны около 850 нм, невидимой человеческому глазу. Такой подход позволяет:
• Повысить стабильность сканирования при внешнем освещении;
• Сканировать без дискомфорта для глаз;
• Захватывать цветовые текстуры (если предусмотрены камеры RGB).
Высокоточные камеры регистрируют деформации проецируемого ИК-шаблона, что позволяет точно воссоздавать 3D геометрию объекта в соответствующем ПО.
Вывод:
Выбор 3D сканера всегда должен опираться на конкретные задачи, вид объектов и условия их сканирования.
• Для сканирования мелких объектов с высокой детализацией (например, археологических находок или монет) наилучшим решением являются стационарные сканеры со структурированным подсветом, такие как RangeVision Spectrum или RangeVision PRO II.
• Для крупных объектов — лестничных маршей, корпусов лодок, промышленных узлов — оптимальны ручные лазерные 3D сканеры (например, Scanform L5 или Helix) или гибриды. Однако при работе с лазерными линиями, как правило, необходимо использовать опорные метки.
• Если необходима высокая точность, скорость и захват цвета, стоит обратить внимание на гибридные сканеры, способные объединять лазерную триангуляцию и структурированный подсвет вместе.
Важно понимать, что 3D сканер — это программно-аппаратный комплекс. Качество итоговой модели во многом зависит от программного обеспечения (которое поставляется в комплекте со сканером) обрабатывающего облако точек: алгоритмы совмещения, фильтрации и реконструкции напрямую влияют на точность финальной 3D модели.
Сравнение лишь по параметрам разрешения камер или точности даёт крайне ограниченное представление о возможностях сканера. Лучший способ убедиться в соответствии оборудования вашим задачам — провести демонстрацию сканера на примере реального объекта и увидеть какой сканер справляется с задачей максимально точно.
В компании 3Dtool есть демонстрационный зал оборудования, в котором представлено порядка 10 моделей 3D сканеров. Офис находится в Москве.
Наши контакты: 8 (800)775-86-69 или sales@3dtool.ru
