что такое лазерный сканер
Лазерные 3D-сканеры: обзор и применение
Лазерное 3D-сканирование — технология бесконтактного неразрушающего получения цифровой копии физических объектов с помощью лазерного луча. За счет отличий отражения лазерных лучей от разных участков поверхности детали, лазерные 3D-сканеры получают «облака точек» — массив координат точек на поверхности, которые, с помощью программного обеспечения, объединяют в данные о форме исследуемой детали.
Об областях применения лазерного сканирования, частных случаях такого применения и используемом оборудовании читайте подробнее в статье.
Содержание
Назначение лазерных сканеров
Чаще всего трехмерное лазерное сканирование используется для измерения и проверки качества изготовления поверхностей со сложной геометрией, реверс-инжиниринга, сравнения полученной детали с эталонной или CAD-моделью. Особенно эффективно использование 3D-сканеров в тех случаях, когда получить данные о форме изделия традиционными методами занимает много времени или практически невозможно.
Строительство и ремонт зданий и сооружений
Лазерное 3D-сканирование используют для получения модели рельефа участка — для предварительной оценки необходимых подготовительных работ и проектирования, а затем в ходе строительства — для контроля качества. При ремонте и реконструкции существующих зданий и сооружений строители часто сталкиваются с проблемой неполных или неточных исполнительных чертежей. Лазерное 3D-сканирование объектов может использоваться для создания точных 3D-моделей интерьера и экстерьера существующих объектов, давая наиболее полную и объективную информацию для разработки будущих дополнений и реконструкций.
Транспорт
Трехмерное сканирование используется при строительстве и обслуживании транспортной и городской инфраструктуры, включая топографическую съемку и обследование дорог, перекрестков, тротуаров и прилегающей территории, оценку повреждений существующих объектов, расчет профиля и объема дорожного покрытия, создание утраченных чертежей мостовых конструкций и т.п. 3D-сканирование также используется при техническом обслуживании и строительстве туннелей, аэропортов, железных дорог, портов и гаваней.
Также лазерные 3D-сканеры используются при производстве транспортных средств (как компьютерное зрение роботов и для контроля качества деталей), ремонте автомобилей и самолетов, при реставрации, в кастомизации и тюнинге.
Коммунальные предприятия и технологические установки
Лазерное 3D-сканирование позволяет точно документировать существующие инженерные коммуникации на объектах, что значительно сокращает время на ремонт и модернизацию. 3D-сканирование также дает возможность дистанционно мониторить и оценивать состояние объектов (включая особо опасные), что позволяет уменьшить количество подвергаемого опасности и работающего в неблагоприятных условиях персонала (и персонала вообще).
Морские установки по добыче нефти
Морские объекты нефтедобычи требуют высокого уровня контроля на протяжении всего их жизненного цикла. Конструкции морских нефтедобывающих платформ постоянно подвержены большим нагрузкам из-за перепадов температур, ветра и течений, воздействия агрессивной среды, а с помощью лазерного 3D-сканирования можно своевременно диагностировать малейшие отклонения в геометрии конструктивных элементов и предотвращать аварии, а в случаях, если они всё-таки происходят — быстро и безопасно оценить понесенный ущерб и объем необходимых для восстановления ресурсов.
Судебная экспертиза
3D-сканирование может помочь с сохранением доказательств для следствия и судебно-медицинской экспертизы. Вместо того, чтобы полагаться на фото и полевые измерения, 3D-сканирование предлагает сохранить место происшествия в 3D-модели, включающей все расположения предметов, размеры и расстояния с высокой точностью. Созданную с помощью лазерного сканирования модель можно использовать во время следственных действий или судебного разбирательства.
Другие сферы применения
Помимо упомянутых выше областей, лазерное 3D-сканирование применяется также в археологии — для восстановления исторических реликвий, в палеонтологии — для восстановления недостающих элементов скелетов ископаемых существ, в картографии (создании ГИС, карт, геоматики), в медицине, в том числе в стоматологии.
Производители и новинки
FARO Focus
Один из лидирующих производителей на рынке лазерных сканеров, FARO представил два аппарата Focus3D серии S, которые отличаются от своих конкурентов компактностью и легкостью. Особенность этих устройств — способность сканировать при прямом солнечном свете и сохранять привязку к местности с помощью GPS.
Модель FOCUS 3D S 150 используется для сканирования интерьера помещений, архитектурных фасадов, производственного и логистического оборудования, крупномасштабных объектов и мест аварий. Диапазон измерения: 0,6 — 150 м, точность измерений на дальней дистанции: до +/- 2 мм. Подробные характеристики сканера смотрите на сайте.
Сканер Focus3D S 350 предназначен для наружных измерений и работает на расстоянии до 350 м. Точность измерения такая же, как и у предыдущей модели.
SHINING 3D
Новая серия FreeScan от SHINING 3D — это ультрапортативные ручные лазерные 3D-сканеры FreeScan X5 (X5+), FreeScan X7 (X7+). Серия FreeScan применима для широкого спектра рабочих пространств и объектов.
Зона сканирования, мм
10-линейная лазерная решетка
14-линейная лазерная решетка
Расстояние до объекта
Creaform
16.6 м 3 – 122 (78) мкм
16.6 м 3 – 122 (78) мкм
7 (11) синих лазеров + 1 дополнительная линия
Расстояние до объекта, мм
ScanTech
Серия Handheld
Универсальные, легкие, быстрые и с высокой детализацией изображения, 3D-сканеры серии HandHeld Prince могут использоваться для проектирования, реверс-инжиниринга, контроля качества, 3D-оцифровки культурных ценностей и т.п. Функционирование сканеров этой серии не зависит от уровня или колебаний внешнего освещения. Благодаря использованию красных и синих лазеров, устройства серии Prince могут легко сканировать как большие изделия, так и маленькие предметы.
Красные: 7 лазерных крестов + 1 лазер
Синие: 5 параллельных лазерных линий
Красные: 3 лазерных креста + 1 лазер
Синие: 5 параллельных лазерных линий
Сканирование глубоких отверстий
Число сканов в секунду
480 000 (Red), 320 000 (Blue)
265 000 (Red), 320 000 (Blue)
Частота кадров в секунду
CLASS Ⅱ (безопасный для глаз)
Объемная точность (без доп. устройства)
0,02 мм + 0,06 мм/м (Red), 0,01 мм + 0,06 мм/м (Blue)
0,02 мм + 0,08 мм/м (Red), 0,01 мм + 0,08 мм/м (Blue)
0,02 мм + 0,025 мм/м (Red), 0,01 мм + 0,025 мм/м (Blue)
Минимальное расстояние до объекта, мм
Глубина резкости, мм
Область сканирования, мм
275 × 250 (Red), 200 × 200 (Blue)
225 × 250 (Red), 200 × 200 (Blue)
.ply,.xyz,.dae,.fbx,.ma,.obj,.asc,.stl или фирменный
Серия Composite
3D-сканер KSCAN20 объединяет встроенную систему фотограмметрии и режим двойного лазерного сканирования. Сканирование красным и синим лазером дает высокую скорость работы (650 000 измерений/с), высокую детализацию с разрешением 10 мкм и точностью 0,020 мм. Фотограмметрическая система расширяет область сканирования до 2500 мм × 3000 мм и повышает объемную точность до 0,035 мм/м.
Стандартный (Red) / Сверхточный (Blue)
Красные: 7 лазерных крестов + 1 лазер
Синие: 5 параллельных лазерных линий
Сканирование глубоких отверстий
Объемная точность (в зависимости от размера детали)
0,02 мм + 0,035 мм/м (Red),
0,01 мм + 0,035 мм/м (Blue)
Объемная точность с эталонным стержнем
650 000 измерений/с
CLASS Ⅱ (безопасный для глаз)
Область сканирования, мм
Область сканирования (фотограмметрия), мм
Минимальное расстояние до объекта, мм
Глубина резкости, мм
Глубина резкости (фотограмметрия), мм
Повторяемость в одной точке, мм
Частота слежения (переносной CMM)
.ply,.xyz,.dae,.fbx,.ma,.obj,.asc,.stl,.igs,.wrl или фирменный
Применение лазерных 3D-сканеров
Сокращение расходов и сроков в строительстве с помощью FARO Focus
Директор Gilbane по виртуальному проектированию в строительстве Джон Точчи мл. комментирует эту ситуацию так:
Сборка и координация монтажа механической, электрической и водопроводной систем позволила сэкономить на доработках в каждом проекте, в котором Gilbane использовала этот сканер. Предварительная виртуальная сборка воздуховодов и систем исключила необходимость работы на местах, которая могла занять несколько недель.
Пример успешного использования лазерного 3D-сканера FARO Focus S350 — реконструкция здания Kreger Hall Университета Майами.
Без сканера архитекторам пришлось бы работать с нарисованными вручную оригинальными чертежами 85-летней давности. С помощью лазерного устройства сотрудники Gilbane отсканировали 50 000 квадратных футов здания за один день. Вся дальнейшая реконструкция несущих конструкций, электрической, водопроводной и вентиляционной систем производилась на основе полученной 3D-модели.
Контроль качества: решение от ScanTech
По сравнению с литьем и ковкой, штамповка листового металла дает более тонкие и легкие детали. При использовании пресс-форм можно достичь точности на микронном уровне, высокой повторяемости и максимальной идентичности технических характеристик деталей. Тем не менее, штампованные детали из листового металла зачастую имеют деформации и отклонения. Такие детали могут плохо влиять на сборку, поэтому контроль качества, гарантирующий точность изготовления, является очень важной процедурой. То же касается и литых деталей.
Принимая во внимание требования производителя, ScanTech решили использовать для контроля качества штампованных деталей ручной лазерный 3D-сканер PRINCE. Этот 3D-сканер оснащен режимом двойного лазерного сканирования. Режим красного и синего лазера можно переключать в соответствии с различными требованиями к сканированию. Красный лазер обеспечивает высокую скорость измерений, как у обычных портативных 3D-сканеров, а сканирование синим лазером применяется в случае необходимости исключительной детализации и точности, как при использовании метрологических 3D-сканеров. Ниже можно увидеть несколько фотографий, сделанных в процессе сканирования.
Шаг 1: прикрепление маркеров (2 минуты)
Шаг 2: 3D сканирование (3 минуты)
Шаг 3: обнаружение контраста (3 минуты)
На этом примере мы видим, что весь процесс очень простой. Пользователи могут корректировать ключевые области хроматограммы, чтобы получить конкретные значения отклонений и исправить ошибки. Таким образом, 3D-сканирование обеспечивает производство качественного оборудования.
Мировой тур Джастина Тимберлейка и сканеры FARO
Специалисты по лазерному сканированию команды ScanLAB сделали несколько сканов пейзажей Портлендского леса в штате Орегон, США, чтобы создать визуальные эффекты для мирового турне Джастина Тимберлейка «Man of the Woods».
Полученные изображения секвой проецировались лазерами на полупрозрачные панели над сценой и зрительным залом, создавая в воздухе яркое флюоресцирующее изображение природного ландшафта.
Для создания визуального сопровождения концерта понадобился один день работы в зале и 40 сканов. При сканировании команда ScanLAB использовала 2 сканера Faro Focus X 330 со штативами. Полученные данные были обработаны с помощью ПО Faro Scene 6.2., в котором проводилась фильтрация и выравнивание.
Из-за большого размера проекционных поверхностей, для проекции требовались изображения высокого разрешения. Визуализации шириной более 10 000 пикселей не могли быть созданы в столь сжатые сроки другими методами, такими как фотография с последующей ручной обработкой.
Учитывая ограниченное время на съемку, способность 3D-сканера захватывать огромные объемы на расстояниях более 300 метров сыграла ключевую роль в реализации этого проекта. Команда смогла быстро загрузить и обработать данные сканирования, чтобы создать необходимые визуальные эффекты, соответствующие концепции создателей шоу.
Рекомендуемые модели оборудования
Перечисленное в статье оборудование — продукция известных и зарекомендовавших себя производителей, с подтвержденным функционалом и стабильно высоким качеством исполнения и работы. Мы можем смело рекомендовать эти 3D-сканеры нашим читателям для решения широкого спектра задач в разных областях.
Заключение
Как видно из приведенных примеров, лазерное 3D-сканирование повышает эффективность и облегчает работу во многих областях. Количество моделей многоцелевого и специализированного оборудования в этом сегменте, несмотря на относительную новизну направления, постоянно увеличивается и уже сейчас можно подобрать лазерный 3D-сканер для самых разных целей.
Купите в Top 3D Shop оптимальную модель 3D-сканера для решения любых задач. Наши специалисты помогут выбрать максимально подходящий сканер, оформят гарантию и обеспечат техподдержку.
Обзор лазерного сканирования
Когда речь заходит о таких новых технологиях, как BIM-технологии, то нужно понимать, что основным преимуществом использования является качество создаваемой проектной документации, которое может привести впоследствии к снижению стоимости и сроков строительства зданий и сооружений.
BIM наиболее эффективна в работе со сложными инженерными объектами: лабораториями, заводами, аэропортами, медицинскими центрами.
Недавно, в 2020 году было подписано Постановление об информационном моделировании в строительстве, которое регламентирует процесс строительства и, что самое важное, не привязывает к конкретному ПО.
Лазерное сканирование, как основной вид работ, становится неотъемлемой частью качественного выполнения строительства сооружений.
Суть технологии лазерного сканирования заключается в определении пространственных координат точек объекта. То есть, прибор, при помощи фазового или импульсного безотражательного дальномера вычисляет расстояния до всех точек объекта и измеряет вертикальные и горизонтальные углы. При этом формируется трёхмерное изображение (с координатами XYZ) в виде облака точек (скана, растрового изображения). Принцип действия схож с работой электронного тахеометра, но в отличие от него, процесс съемки происходит в тысячи и даже миллионы раз быстрее! А это делает наземное лазерное сканирование самым оперативным и высокопроизводительным средством получения точной и полной информации о любом объекте
Управление лазерным сканером осуществляется с помощью портативного компьютера или с помощью панели управления, встроенной в сканер.
Сам процесс съемки достаточно прост и имеет такую последовательность:
1) определяются зоны взаимного перекрытия сканов, устанавливаются мишени;
2) лазерный сканер устанавливается на штатив в определенных зонах;
3) прибору задаются плотность облака точек (разрешение) и область съемки;
4) запускается процесс лазерного сканирования объектов.
Схема расположения мишеней для съемок простого объекта
Схема расположения мишеней для съемок дороги
Еще на стадии полевых работ необходимо предварительно определить зоны взаимного перекрытия сканов (чтобы были видны все детали снимаемого объекта). Для этого до начала съемки в этих зонах размещают специальные мишени. Далее по координатам этих мишеней облака точек совмещают в единую 3D-модель. Возможно совместить облака точек и без мишеней.
Чтобы получить полное 3D-изображение местности необходимо несколько сеансов съемки (с разных позиций). Это дает возможность отснять поверхность с разных точек и зафиксировать любые, даже самые малейшие элементы! Полученные облака точек совмещаются друг с другом в единое пространство в программном модуле. Все данные при этом имеют такие характеристики, как, координаты, интенсивность отражённого сигнала и реальный цвет точки.
В результате собранных данных получаем 3D-модель, с высокой степенью детализации, плоские чертежи и разрезы, профили и сечения, планы, площади и объемы поверхностей, сохраняющие полное геометрическое соответствие форм и размеров реального объекта. Кроме всего прочего, существует возможность обмена графическими данными, что позволяет легко встроить технологию лазерного сканирования в схему уже используемого программного обеспечения.
Обзор наземных лазерных сканеров
На сегодняшний день множество фирм занимается разработкой приборов для трёхмерного лазерного сканирования, ориентированных на различные цели. Но все современные наземные лазерные сканеры имеют ряд общих характеристик:
1. точность измерения расстояния, горизонтального и вертикального углов;
2. максимальное разрешение сканирования;
3. скорость сканирования;
4. дальность действия лазерного сканера;
5. расходимость лазерного луча;
6. поле зрения сканера;
7. используемые средства получения информации о реальном цвете;
8. класс безопасности используемого лазера;
9. портативность и особенности интерфейса.
Одним из мировых лидер ов по производству наземных лазерных сканеров является компания Z+F (Zoller + Fröhlich). Приборы марки Z+F производятся в Германии, что не вызывает сомнений в качестве и точности прибора! На сегодняшний день, одним из наиболее популярных приборов этой марки является лазерный сканер IMAGER5010.
В отличие от своих предшественников, сканер имеет непревзойденную скорость сканирования, повышенную точность, огромное поле зрения, расширенный диапазон температур, цветной сенсорный экран, малый вес и компактность. К тому же, лазерный сканер имеет безопасный луч, причем не только для промышленного оборудования, но и для глаз человека! Все эти отличия ставят сканер на порядок выше своих «ровесников».
Цветное облако точек, сканер Z+F Imager 5010C
Немаловажное значение имеет и компактность прибора и его полная автономность от компьютера или каких-либо устройств, а сохраняются данные на встроенном в сканер накопителе. Цветной сенсорный экран позволяет легко задать режимы сканирования, просматривать полученные данные и проводить простейшие измерения по полученным облакам точек.
Сканер GLS-2000 является новейшей моделью в линейке наземных лазерных сканеров Topcon. В нем нашли свое применение как хорошо зарекомендовавшие себя ранее, так и совершенно новые технологические решения.
К отличительным особенностям сканера GLS-2000 можно отнести процедуру его установки и ориентирования на точке стояния, наличие двух встроенных фотокамер, возможность выбора типа лазера для выполнения измерений, систему питания сканера, систему хранения данных, большой сенсорный экран, баланс характеристик сканера.
Сканер GLS-2000. Процедура ориентирования.Процедура установки инструмента на точке и его ориентирования еще больше похожа на работу с традиционным электронным тахеометром. Это значительно упрощает работу с прибором, повышает удобство его использования, облегчает освоение инструмента. Ориентирование сканера может выполняться как по специальной марке, так и по обычной стеклянной призме, как в случае электронных тахеометров. Марка или призма устанавливается на вехе или штативе на точке ориентирования, сканер выполняет предварительное сканирование заданной оператором небольшой области точки ориентирования, в результате которого происходит точное определение местоположения цели. Для завершения процедуры ориентирования следует ввести в сканер значения высоты инструмента и цели. Более того, сканер сам может измерять свою высоту над точкой стояния с помощью лазерного излучения.
Сканер имеет две встроенные фотокамеры, каждая с разрешением 5МП. Одна из камер имеет широкий угол обзора 170° и используется в качестве панорамной. Она расположена в корпусе сканера рядом с объективом. Вторая камера с углом обзора 8,9° встроена в объектив сканера, она применяется для более точного выбора области сканирования или точки ориентирования. Переключение между камерами осуществляется с помощью одной кнопки, позволяя выбрать оптимальный режим фотоизображения для управления прибором.
Тип лазерного излучения
В сканере используется два источника лазерного излучения, имеющие сертификацию по классу 3R и классу 1М. Лазер класса 1 абсолютно безопасен для зрения человека и может использоваться в тех ситуациях, когда в зоне работы сканера находится много людей. Оператор может выбирать тип лазерного излучения в зависимости от условий измерений на объекте.
Сканер работает от 4-х аккумуляторных батарей, расположенных попарно с обеих сторон инструмента. Аккумуляторы имеют возможность «горячей замены» без выключения прибора. В сканере используются аккумуляторы того же типа, что и в электронных тахеометрах Topcon.
Где применяется наземное лазерное сканирование?
Цветное облако точек, сканер Z+F Imager 5010C
Цветное облако точек, Сцена аварии для исследования, сканер Z+F Imager 5006
Исходя из вышесказанного и опыта специалистов нашей компании при использовании данной технологии, можно сделать вывод, что технология наземного лазерного сканирования показала себя не только как высокоэффективная, но и во многих случаях как незаменимая, позволяющая в сжатые сроки произвести оперативную съемку различных объектов без потери точности и полноты собираемых данных. Она может быть применена практически в любой области в силу абсолютной объективности и отсутствия влияния человеческого фактора.
Трудно представить, сколько бы времени понадобилось нам для съемки коммуникаций электронным безотражательным тахеометром например в цехе пульпонасосов с габаритами 60×30×20 метров. Месяцы, а может быть год? С помощью лазерного сканера все «полевые» работы можно выполнить за несколько рабочих дней.
Какой лазерный сканер выбрать?
Гарантия успеха при выполнении работ, требующих применения технологии лазерного сканирования, заключается в правильно подобранном инструменте.
Оптимальный комплект оборудования для решения своего круга задач Вы сможете найти в семействе лазерных сканирующих систем, разработанных компанией Topcon и Z+F.