Лекция 1. 3D-сканирование. Вводная лекция

📄 Скачать PDF

1. Основные понятия

Реверс-инжиниринг — это процесс создания цифровой конструкторской документации на основе анализа и измерения физически существующего объекта. Главная задача данного метода заключается в воспроизведении геометрии объекта для последующего анализа, модификации или производства новых изделий.

3D-сканер представляет собой метрологическое устройство, предназначенное для анализа физических объектов с целью сбора данных об их форме и, в некоторых случаях, цвете. Результатом работы сканера является цифровая трёхмерная модель. В рамках данной лекции рассматривается сканер белого света Creaform Academia A10.

При работе сканера формируется облако точек — первичный результат сканирования, представляющий собой множество точек в трёхмерной системе координат, описывающих поверхность исследуемого объекта. Каждая точка характеризуется координатами X, Y и Z.

Для дальнейшей обработки облако точек преобразуется в полигональную сетку — трёхмерную поверхность, состоящую из вершин, рёбер и граней. Чаще всего грани представлены треугольниками. Процесс преобразования облака точек в полигональную сетку называется триангуляцией. В программном обеспечении VXelements этот процесс автоматизирован и выполняется в режиме реального времени.

2. Аппаратное обеспечение и подготовка к работе

2.1. Компоненты сканера Creaform Academia A10

Сканер состоит из следующих основных элементов:

• Камера — расположена в верхней части устройства, фиксирует искажения светового рисунка;
• Проектор белого света — размещён в нижней части, проецирует структурированный световой узор на поверхность объекта;
• Кнопка-пускатель — единственный орган управления; сканирование происходит только при удерживании кнопки в нажатом состоянии.

К сканеру прилагается калибровочная плита — стеклянная эталонная пластина с заводскими позиционными метками, необходимая для настройки точности работы устройства.

2.2. Порядок подключения оборудования

Во избежание повреждения электронных компонентов необходимо соблюдать строгую последовательность подключения:

1. Подключить блок питания к электрической сети
2. Подключить в разъем комбинированного кабеля (питания и данных) штекер от блока питания;
3. Подключить комбинированный кабель в разъем компьютера/ноутбука;
4. Подключить кабель питания и передачи данных к сканеру.

Важно: сканер подключается в последнюю очередь и отключается в первую.

3. Технологический процесс сканирования

3.1. Калибровка сканера

Перед каждым сеансом работы необходимо выполнить калибровку — процедуру настройки оптической системы для компенсации погрешностей, возникающих вследствие изменения температуры, вибраций или транспортировки оборудования.

Калибровка выполняется в программе VXelements путём совмещения белого квадрата (индикатора положения сканера) с зелёной мишенью на экране с последующим плавным удалением сканера от калибровочной плиты. Фактически это необходимо, чтобы обеспечить и сопоставить текущие показания с эталонными данными и внести необходимые корректировки.

3.2. Настройка параметров сканирования

Выдержка (Shutter Speed)

Выдержка определяет время в миллисекундах, в течение которого матрица камеры воспринимает отражённый от объекта свет. От правильной её настройки напрямую зависит качество получаемых данных:

• Чрезмерная выдержка приводит к пересвету кадра, особенно на светлых или глянцевых поверхностях, что приводит к потере информации;
• Недостаточная выдержка не обеспечивает сбор достаточного количества света, затрудняя сканирование тёмных или матовых поверхностей.

Для контроля правильности настройки используется цветовая индикация поверхности детали:

Выдержка может настраиваться автоматически или фиксироваться на определённом значении.

Разрешение (Resolution)

Разрешение определяет минимальное расстояние между точками в облаке точек, что напрямую влияет на размер полигонов в итоговой сетке. Существует обратная зависимость между численным значением разрешения и детализацией модели:

• Низкое значение (например, 0,5 мм) обеспечивает высокую детализацию с мелкими полигонами, позволяя зафиксировать надписи, мелкие элементы и острые кромки;
• Высокое значение (например, 10 мм) создаёт грубую сетку, при которой мелкие детали сглаживаются или теряются.

Выбор разрешения зависит от поставленной задачи: для контроля плоскостности достаточно низкого разрешения, для сканирования рельефных элементов требуется максимально высокое.

3.3. Подготовка детали к сканированию

Обработка поверхности

Прозрачные, зеркальные, глянцевые и пористые чёрные поверхности не обеспечивают качественного отражения светового рисунка. Для решения этой проблемы применяется матирующий спрей — аэрозоль, создающий на поверхности тонкий равномерный матовый слой, оптимальный для сканирования. При работе с ценными деталями необходимо использовать легко смываемые составы.

Установка позиционных меток

Позиционные метки — специальные самоклеящиеся маркеры со светоотражающим центром и чёрной окантовкой, используемые сканером для определения собственного положения и ориентации в пространстве.

Основные требования к размещению меток:

• В поле зрения сканера постоянно должно находиться 3–4 метки;
• Размещение должно быть хаотичным во избежание симметричных узоров (рядов, квадратов), которые могут вызвать ошибки позиционирования;
• Не следует размещать метки на рёбрах, важных конструктивных элементах и поверхностях малого радиуса, поскольку область под меткой не сканируется;
• Метки можно размещать как на самой детали, так и на рабочей поверхности вокруг неё.

3.4. Процесс сканирования

Сканирование выполняется в пределах поля обзора — оптимальной рабочей зоны устройства. Для модели Creaform Academia она составляет 400 мм ± 125 мм от объекта.

Контроль расстояния осуществляется двумя способами:

• Программная индикация — цветовая шкала в интерфейсе (зелёный — оптимально, красный/жёлтый — близко, синий — далеко);
• Аппаратная индикация — светодиоды на корпусе сканера.

Сканер необходимо перемещать плавно, равномерно обрабатывая всю поверхность детали. Область текущего сканирования отображается жёлтым цветом.

4. Постобработка данных

4.1. Редактирование полигональной сетки

После завершения сканирования выполняется постобработка полученной сетки:

Очистка данных включает удаление посторонних элементов — фрагментов поверхности стола, артефактов и шумов.

Фильтрация предусматривает применение следующих операций:

• Удаление изолированных участков — автоматическое устранение мелких фрагментов сетки, не связанных с основной моделью;
• Автоматическое заполнение пустот — зашивка отверстий в сетке (рекомендуется отключать данную функцию, поскольку программа может закрыть конструктивные отверстия).

Выравнивание заключается в позиционировании модели относительно глобальной системы координат с использованием базовых геометрических элементов (плоскостей, осей), построенных по полигональной сетке.

4.2. Сохранение и экспорт данных

Результаты работы сохраняются в следующих форматах:

Формат сеанса (.csf) — внутренний формат программы VXelements, содержащий полную информацию о сканировании, включая облака точек и историю операций.

Экспорт полигональной сетки выполняется в универсальных форматах: