3D 스캐너

산업 공학 분야의 위대한 발전 중 하나는 리버스 엔지니어링의 개발이었습니다. 프로세스. 이는 물리적 시스템에서 직접 정보를 추출하여 디지털 모델로 변환하는 것으로 구성됩니다.

리버스 엔지니어링은 시스템이나 제품을 모델링하고 시뮬레이션할 때 많은 이점을 제공합니다. 한편으로는 모델에서 직접 정보를 추출할 수 있습니다. 보다 안정적이고 고품질이며 다른 한편으로는 작업 시간을 단축하고 단축합니다. 이를 통해 복잡한 시스템을 보다 안정적이고 짧은 시간에 모델링할 수 있습니다.

리버스 엔지니어링이 가장 성공적으로 적용된 분야 중 하나는 복잡한 기하학을 디지털화한 계측입니다.

3D 스캐너

3D 스캐닝은 물리적 표면을 디지털 모델로 변환하는 프로세스입니다. 이는 해당 표면(포인트 클라우드)에서 여러 점의 상대 위치를 추출하고 이를 포함하는 표면을 디지털 방식으로 보간하여 부품의 형상을 재구성하는 것으로 구성됩니다.

이 포인트 클라우드를 정의하는 주요 매개변수는 해상도와 정확성입니다. 분해능은 두 지점 사이에서 해결할 수 있는 최소 거리와 각 지점의 실제 위치를 결정하는 오류로 인한 정확도로 제공됩니다. 해상도가 높을수록 더 작은 세부 사항을 캡처할 수 있고 정확도가 높으면 모델의 치수가 현실에 가까워져 허용 오차가 작아집니다.

이 목적으로 설계된 기기를 3D 스캐너라고 합니다. 기술에 따라 많은 유형이 있으며 접촉식과 비접촉식의 두 가지 주요 그룹으로 분류할 수 있습니다.

접촉식 3D 스캐너 가장 정확한 일부이긴 하지만 아마도 가장 덜 일반적일 것입니다. 일반적으로 6자유도를 가지며 끝에 스타일러스가 있는 다관절 암으로 구성됩니다. 작업자는 스타일러스로 표면을 가로지르며 센서는 특정 주파수에서 위치를 기록합니다. 이 기술의 주요 단점은 작업자가 스타일러스로 전체 표면을 스캔해야 하므로 매우 느린 프로세스가 될 수 있다는 것입니다. 반면 표면에 있는 스타일러스의 마찰은 표면을 손상시킬 수 있으며 이는 고고학적 유물이나 예술 작품에 문제가 될 수 있습니다.

이미지 1:Faro 접촉이 있는 3D 스캐너. 출처:Faro.com

비접촉 스캐너 광학 기술을 기반으로 하며 수동 시스템과 능동 시스템의 두 가지 범주로 나뉩니다.

수동 시스템 주로 두 개의 정의된 시점에서 촬영한 사진에서 표면의 기하학적 정보를 추출하는 데 기반을 두고 있습니다. 이 기술은 입체경으로 알려져 있으며 인간 시각의 시차 효과를 기반으로 합니다. 주요 장점은 넓은 표면을 빠르고 저렴하게 매핑할 수 있다는 것입니다. 하지만해상도와 정확도가 매우 낮습니다. 또한 실제 치수를 캡처할 수 없으므로 모델을 실제 치수로 재조정할 수 있는 보완 시스템이 필요합니다.

가장 잘 알려진 패시브 3D 스캐닝 기술 사진 측량입니다. 주로 지형 매핑 및 토목 공학에 사용됩니다. 일반적으로 정확한 치수 데이터를 추가하기 위해 위성 위치 데이터로 보완됩니다.

이미지 2:사진 측량으로 만든 지형 모델. 출처:aamspi.com

마지막으로 활성 비접촉 3D 스캐닝 시스템이 있습니다. 산업, 예술, 의학 및 엔터테인먼트 분야에서 가장 널리 사용되는 가장 큰 그룹입니다.

이러한 유형의 시스템은 표면에서 방출되는 신호 측정을 기반으로 합니다. 초음파와 같이 표면과 상호 작용할 수 있는 모든 유형의 신호를 사용할 수 있지만가장 일반적인 시스템은 광학 시스템입니다.

이 범주에는 여러 기술이 있지만 가장 일반적인 기술은 다음 네 가지입니다. ToF 3D 스캐너, 삼각 측량 3D 스캐너, 위상차 3D 스캐너 및 구조광 3D 스캐너입니다.

비행시간(Tof) 3D 스캐너 :레이저 광 펄스가 표면을 오가는 데 걸리는 시간을 측정하여 표면까지의 거리를 계산하는 기준입니다. 긴 범위와 높은 빈도의 포인트 획득을 결합합니다. 대형 구조를 매핑하거나 구조 요소의 변형을 결정하는 도량형 도구로 주로 사용 . 요즘에는 LiDAR 센서 덕분에 iPhone과 같은 일부 휴대폰에 구현되어 비전문적인 사용이 보편화되었습니다.

비디오 1:iPhone으로 Tof 기술을 사용한 3D 스캐닝. 출처:labs.laan.com

삼각 측량 또는 레이저 3D 스캐너: 레이저 이미터와 특정 각도에 위치한 포토다이오드 어레이 센서로 구성됩니다. 레이저 빔이 매핑할 표면에 반사되면 표면까지의 거리에 따라 센서의 특정 지점에 입사됩니다. 이에 따라 레이저 빔이 입사되는 지점의 위치를 ​​삼각 측량할 수 있습니다. 이것은 가장 정확한 시스템 중 하나입니다. 그러나 레이저가 표면에 입사하는 각도에 따라 다르므로 매우 짧은 작업 거리가 필요합니다. 고해상도 및 정확도로 중소형 물체를 매핑하는 데 적합합니다.

비디오 2:3D 삼각 측량 스캐너 작동. 출처:www.micro-epsilon.com

위상차 스캐너: 이것은 이전 두 가지 솔루션에 대한 중간 솔루션입니다. 이들은 변조된 레이저 방출기와 감지기로 구성되며 방출된 빛과 수신된 빛의 위상을 비교하여 물체까지의 거리를 결정합니다. 그들은 좋은 작동 거리와 중간 정확도를 가지고 있습니다. 큰 물체를 정확하게 매핑하는 데 적합합니다.

구조화된 광 스캐너: 아마도 오늘날 가장 일반적일 것입니다. 티 탁월한 해상도, 높은 정확도, 빠른 획득 속도 및 저렴한 비용을 결합한 가장 다재다능한 3D 스캐너입니다. 그들은 보정된 렌즈가 있는 카메라와 표면에 빛 패턴을 투사하는 프로젝터로 구성됩니다. 카메라는 표면에서 이러한 패턴의 변형 이미지를 캡처하고 복잡한 처리 알고리즘을 통해 포인트 클라우드를 생성합니다. 이 시스템은 각 캡처에서 수백 개의 포인트를 얻을 수 있으므로 획득 속도가 빠릅니다. 또한 사용하는 렌즈에 따라 작동 거리, 정밀도 및 해상도를 조정할 수 있습니다. 또한 Thor3D의 모델과 같은 많은 모델을 삼각대 없이 핸드헬드로 사용할 수 있다는 장점도 있습니다. 주요 단점은 주변 조명 조건과 부품의 마감에 민감하므로 3D 스캐닝은 적절한 조명에서 수행해야 하며 광택이 있거나 투명한 표면의 경우 특수 무광 페인트를 적용해야 할 수 있습니다.

비디오 3:Calibry Structured Light 3D 스캐너. 출처 Thor3Dscanner.com

포인트 클라우드 처리

일반적으로 3D 스캐닝 시스템은 연속 데이터를 캡처하지 않습니다. 그러나 캡처할 표면의 개별 위치. 이것을 포인트 클라우드라고 합니다. 3D 스캐너로 얻은 포인트 클라우드는 직접 사용할 수 없으므로 디지털 복제본을 얻기 위해서는 여러 후처리 작업이 필요합니다.

모델의 최종 품질은 다음과 같습니다. 품질 포인트 클라우드에서 시작하는 것 외에도 올바른 처리 이를 위해서는 우수한 재구성 알고리즘과 포인트 클라우드 처리에 대한 지식이 있는 소프트웨어가 필요합니다.

우선, 3D 스캔이 여러 캡처에서 수행된 경우 서로 다른 포인트 클라우드를 정렬하고 병합하여 전체 모델을 포함하는 단일 클라우드를 달성해야 합니다. 포인트 클라우드 정렬의 정확도는 주로 3D 스캐너의 추적 기능에 따라 달라집니다. Marker 추적은 항상 가장 쉽게 정렬할 수 있지만 아트웍의 경우와 같이 마커를 사용할 수 없는 경우가 있습니다. 이러한 경우 Calibry 또는 Calibry Mini와 같은 일부 스캐너는 텍스처 추적과 같은 여러 추적 옵션을 통합합니다.

동영상 4:마커로 3D 스캐닝. 출처:Thor3Dscanner.com.

다음으로 표면에 해당하지 않는 포인트를 제거하여 포인트 클라우드를 정리해야 합니다. 환경의 개체에 속하거나 3D 스캐너의 오류로 인해 나타나기 때문입니다. 좋은 스캐닝 프로세스와 함께 고품질 3D 스캐너는 초과 포인트가 거의 또는 전혀 없는 깨끗한 포인트 클라우드를 제공합니다.

포인트 클라우드가 정리되면 메쉬를 재구성해야 합니다. . 적절한 매개변수를 선택하면 정확하고 올바르게 조정된 메시가 제공됩니다.

포인트 클라우드를 폴리곤 메쉬로 변환한 후에는 확인 및 복구가 필요합니다. 가장 일반적인 결함 중 하나는 일반적으로 스캐닝 중 누락된 데이터로 인해 메시에 틈이 나타나는 것입니다. 이러한 결함을 복구하는 유일한 방법은 보간법으로 패치를 적용하는 것입니다. 소프트웨어에 구현된 보간 알고리즘의 품질은 재구성 품질에 영향을 미칩니다.

이미지 3:Calibry Nest로 메쉬의 구멍을 수리합니다. 출처:Thor3Dscanner.com.

마지막으로 메시를 최적화해야 합니다. 최적화 유형은 최종 애플리케이션에 따라 크게 달라집니다. 파일 크기를 줄이는 대가로 해상도를 희생하면서 메시를 단순화할 수 있습니다. 메시 단순화는 종종 작은 결함을 수정하여 보다 단순하고 균일한 형상을 달성하는 데 도움이 될 수 있습니다. . 반면에 새 요소를 보간하여 메시 해상도를 높일 수 있습니다. 메시 해상도를 높여도 캡처 해상도는 높아지지 않습니다. 그러나 곡률이 있는 표면에서 더 큰 연속성과 부드러움을 얻는 데 도움이 될 수 있습니다.

구조광 기반 스캐너와 같은 일부 3D 스캐너를 사용하면 사진을 통해 표면의 질감과 색상을 동시에 캡처할 수 있습니다. 이렇게 하면 텍스처를 메시에 매핑할 수 있으므로 추가 처리 단계가 가능합니다. 이는 특히 예술 및 엔터테인먼트와 관련된 애플리케이션에 유용합니다.

비디오 5:Calibry로 스캔한 3D 텍스처 모델. 출처:Thor3Dscanner.com.

다양한 산업 분야에서 3D 스캐너를 사용할 수 있는 많은 응용 프로그램이 있습니다. 예를 들어 의학 및 정형외과에서는 환자의 신체 일부를 디지털 방식으로 복제하여 맞춤형 보조기를 개발할 수 있습니다. 엔터테인먼트 분야에서는 배우의 디지털 트윈을 생성하기 위해 영화 및 비디오 게임에서 널리 사용되었습니다. 그들은 전 세계 과학자들이 연구할 수 있도록 예술 작품과 역사적 유물의 디지털 복제품을 생산하기 위해 예술과 고고학에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 엔지니어링에서는 복잡한 부품의 도면을 보다 쉽게 ​​작성하여 작업 시간을 줄이고 보다 정확한 모델을 얻을 수 있습니다. 검사 시 시간이 지남에 따라 구성 요소의 형상을 쉽게 비교하여 고장을 방지하는 데 도움이 되는 변형을 감지할 수 있습니다.

3D 스캐너는 오늘날 많은 부문에서 없어서는 안 될 도구입니다. 구조광과 같은 새로운 기술의 개발로 인해 높은 데이터 수집 속도 및 경제적인 가격과 결합된 고해상도 및 정확도를 제공하는 새로운 3D 스캐너가 탄생했습니다. 새로운 Calibry 및 Calibry Mini 스캐너 또는 Shining의 EinScan 시리즈가 그 예입니다.