Genauigkeit, Präzision und Auflösung beim 3D-Scannen: Was ist der Unterschied?
Genauigkeit, Präzision und Auflösung sind drei der wichtigsten Indikatoren für die Leistung von 3D-Scans. Jedoch werden diese oft missverstanden. In diesem Artikel definieren und vergleichen wir jedes Merkmal in einem anwendungsspezifischen Kontext und geben dabei Tipps zur Optimierung der Ergebnisse.
Einführung
Bevor wir uns mit der Funktionsweise von 3D-Scannern befassen, sollten wir uns kurz die drei wichtigsten Begriffe ansehen. In der Messtechnik bezieht sich Genauigkeit darauf, wie genau die erfassten Daten den tatsächlichen Maßen entsprechen. Präzision beschreibt die Konsistenz der Messungen, und Auflösung schließlich ist in einem sehr allgemeinen Sinne ein Maß dafür ist, wie viele Informationen ein Scanner von einem bestimmten Bereich auf der Oberfläche eines Objekts erfassen kann. Es gibt verschiedene Formen der Auflösung, auf die wir später noch näher eingehen werden.
Hinsichtlich einer vollständigen Aufschlüsselung der einzelnen Begriffe haben auch das Joint Committee for Guides in Metrology (JCGM) und die International Organization for Standardization (ISO) einige ausführliche Ressourcen entwickelt – wir werden in diese Artikel Links zu den entsprechenden Seiten einfügen.
Schlüsselpunkt
Genauigkeit, Präzision und Auflösung sind allesamt wichtige Kennwerte für 3D-Scans, doch jede davon hat einen jeweils eigenen Einfluss auf die Ergebnisse.
Bei Ihrer 3D-Scans werden Sie diesen Parametern wahrscheinlich unterschiedlich viel Bedeutung beimessen, jedoch hat jeder hat Auswirkungen auf die Ergebnisse. Wenn Sie im Bereich Reverse Engineering oder Qualitätskontrolle arbeiten, haben Genauigkeit und Präzision der Messsysteme höchste Priorität. CGI-Modellierer hingegen legen eher Wert auf eine hohe Auflösung, damit ihre Modelle möglichst realistisch aussehen.
Es ist wichtig, alle drei Leistungsmaßstäbe für 3D-Scanner zu verstehen, um das Beste aus der Technologie herauszuholen. Angesichts der Tatsache, wie oft Genauigkeit, Auflösung und Präzision falsch verwendet werden (selbst innerhalb der Branche), herrscht offensichtlich immer noch große Verwirrung darüber, wie sie im Vergleich zueinander stehen. Präzision und Genauigkeit werden beispielsweise manchmal verwendet, um die Erfassung von Oberflächendetails zu beschreiben, obwohl die Qualität der Oberflächendaten tatsächlich von der Auflösung abhängt.
Die Dinge werden noch komplizierter dadurch, dass Genauigkeit, Präzision und Auflösung zwar unterschiedliche Dinge sind, sich aber dennoch gegenseitig beeinflussen können. Um das alles zu ergründen, werden wir im Folgenden die drei genannten Begriffe besonders genau erörtern. Schnallen Sie also schon mal an, denn jetzt wird es technisch!
Genauigkeit
Die Genauigkeit von 3D-Scans kann entweder pro Punkt oder volumetrisch gemessen werden. Bei den meisten 3D-Scannern wird in der technischen Dokumentation die Genauigkeit eines einzelnen Scans angegeben – also wie nahe man mit einem einzigen aufgenommenen Bild an die tatsächlichen Maße eines Objekts herankommt. Durch Messen des Gesamtvolumens aller verschiedenen Ansichten eines Objekts, die während des 3D-Scans aufgenommen wurden, lässt sich auch die volumetrische Genauigkeit ermitteln.
Die Genauigkeit kann innerhalb eines Scanvolumens (oder sogar in Teilvolumina) von Richtung zu Richtung variieren. Daher wird sie anhand eines Referenzobjekts gemessen, wobei die Hersteller jeweils den schlechtesten Wert angeben. Wenn wir also von volumetrischer Genauigkeit sprechen, beziehen wir uns eigentlich auf das erfasste „gesamte Messvolumen“.
Wenn wir beispielsweise eine Münze 3D-scannen würden (und sich nichts anderes um sie herum befindet), wäre das gesamte Messvolumen das des Objekts. Dies bedeutet, dass der Scanabstand den Parameter nicht beeinflusst – er wird in jedem Fall den vom Hersteller angegebenen minimalen Fehlerwert einhalten.
Es kommt aber eher auf die Größe der Aufnahmeszene an, wobei die volumetrische Genauigkeit bei größeren Objekten abnimmt. Daher ist der Parameter der Genauigkeit vor allem als Maßstab für die Beurteilung der Fähigkeit eines 3D-Messsystems zur maßstabsgetreuen Aufnahme geeignet.
Die Genauigkeit, die Sie heute mit 3D-Scans erreichen können, ist generell äußerst beeindruckend. Handgeführte 3D-Scanner mit strukturiertem Licht erfassen Oberflächen normalerweise mit einer Genauigkeit von 0,01 bis 1,0 mm, doch es ist möglich, noch realistischere Scans zu erhalten. Stationäre Lösungen wie Artec Micro ll beispielsweise können 3D-Scans mit einer Abweichung von nur 0,005 mm (5 Mikrometern) durchführen.
Natürlich ist bei all dem der Faktor „Messunsicherheit“ zu beachten, denn die Scangenauigkeit wird häufig durch den Vergleich von Punktewolken mit angepassten geometrischen Objekten gemessen. Dies ist damit begründet, dass Scans grundsätzlich einen gewissen „Fehlerbereich“ aufweisen, der uns daran hindert, einen Vergleich mit einem „wahren Wert“ anzustellen. Doch wir können den Fehlerbereich zumindest identifizieren – und die referenzgemessene Genauigkeit wird innerhalb dieses Bereichs liegen.
Neben der Entfernung sind auch die Aufnahmebedingungen und die Technologie wichtige Kriterien, wenn es um die Optimierung der Genauigkeit geht. Zwar erfasst LiDAR weniger genaue Maße als strukturiertes Licht, doch ist es für das Scannen über große Entfernungen besser geeignet. Die nicht-metrologische Photogrammetrie ist für eine genaue Datenerfassung noch weniger zuverlässig, liefert aber ultra-realistisch aussehende Modelle.
Wenn es um die Optimierung der Datenerfassung geht, werden die Kompetenz der einzelnen Nutzer und die Perfektionierung der Bedingungen ebenfalls zu besseren Ergebnissen führen können, wobei zu viel Licht und zu hohe Temperaturen Ihren Scan mit großer Wahrscheinlichkeit negativ beeinträchtigen werden.
Schlüsselpunkt
Genauigkeit und Präzision werden oft verwechselt, sind aber zwei verschiedene Begriffe. Das eine gibt die Abweichungen zwischen gemessenen und Referenzwerten wieder, das andere bezeichnet Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit.
Präzision
Im weiteren Sinne wird Präzision oft als Synonym für Genauigkeit verwendet. Genau wie bei der Genauigkeit ist es aufgrund der „Messunsicherheit“ schwierig, Präzision in Zahlen auszudrücken. Im Zusammenhang mit 3D-Scans allerdings bezieht sich der Begriff in erster Linie auf die Konsistenz der Erfassung.
Während die Scan-Genauigkeit daran gemessen wird, wie nahe ein gemessener Wert an einem Referenzwert liegt, wird die Präzision durch Wiederholungstests ermittelt, wobei geringe Unterschiede zwischen den Messungen auf eine hohe Gesamtleistung hinweisen.
Auch hier können Änderungen der Messbedingungen die Wiederholbarkeit der Ergebnisse beeinflussen. Daher sind die Einheitlichkeit von Nutzer, Umgebung und 3D-Messsystem entscheidend für maximale Präzision. Häufig, jedoch auch abhängig von dem von Ihnen genutzten Gerät, können Sie eine Präzision im Submillimeterbereich erreichen, die für Reverse Engineering und Qualitätskontrolle ausreicht – und das selbst in anspruchsvollen Industrieumgebungen.
Gemäß der einschlägigen ISO-Norm für Präzision geht es nicht nur um Wiederholbarkeit, sondern auch um „Reproduzierbarkeit“. Bei ersterer wird davon ausgegangen, dass Messungen von einem einzigen Nutzer mit derselben Ausrüstung in regelmäßigen Abständen durchgeführt werden, während bei letzterer die Variabilität in jedem Bereich berücksichtigt wird. Zusammen geben sie die beiden Extremwerte der Präzision an: die minimalen und maximalen Ergebnisse.
Schlüsselpunkt
Um die für Reverse Engineering und Inspektionen erforderlichen wiederholbaren Messungen zu erhalten, ist eine Genauigkeit im Submillimeterbereich von entscheidender Bedeutung.
Es ist auch erwähnenswert, dass Präzision für Genauigkeit erforderlich ist, aber umgekehrt nicht. Dies liegt daran, dass ein 3D-Scanner zwar präzise sein und jedes Mal denselben Punkt erfassen, aber aufgrund von Kalibrierungsproblemen ein Ergebnis mit „Messfehlern“ liefern kann – was zu einem ungenauen Messwert führt. Dies ist aber nur ein Beispiel für eine Überschneidung der Faktoren Genauigkeit, Präzision und Auflösung. Wir werden später noch mehr darüber erfahren.
Auflösung
Die Auflösung wird für optimale Ergebnisse normalerweise an der Spitze des Sichtfelds eines Geräts gemessen und ist definiert als der kleinste Abstand zwischen zwei Punkten in einer erfassten 3D-Datenpunktwolke. Die Auflösung bestimmt auch, wie groß jedes Stück eines Polygonnetzes sein wird, wobei kleinere Dreiecke detailreichere Modelle ergeben.
Beim Kauf eines neuen 3D-Scanners lohnt es sich jedoch immer, zu prüfen, was der Hersteller mit Auflösung meint. Es gibt die sogenannte Netzauflösung (die maximale Auflösung des endgültigen Modells), die 3D-Raumauflösung (3D-Punktdichte in einem bestimmten Raum) und die Einzelbildauflösung (wie dicht die 3D-Punkte in jedem Bild vor der Registrierung sind).
Je nach Anwendung stoßen Sie möglicherweise auch auf die Strukturauflösung (die Größe der kleinsten separat messbaren Struktur) und die metrologische Auflösung (die kleinste wahrnehmbare Änderung zwischen einer bekannten Dimension und einer gemessenen Menge).
Zu jedem Begriff gibt es schließlich auch einige Vorbehalte: Die Netzauflösung – die von Nutzern während der Netzfusion konfiguriert werden kann – kann auch Submillimeterbereiche erreichen. Da sie jedoch von Trajektorie des Scanners, Rauschen und zahlreichen anderen Faktoren abhängt, wird sie immer als „bis zu“-Wert ausgedrückt.
Ähnlich wird die 3D-Raumauflösung anhand der Anzahl der Datenpunkte gemessen, die pro Quadratzentimeter in einer bestimmten Tiefe erfasst werden.Je weiter ein Gerät also von einer Messgröße entfernt ist, desto weniger Punkte kann es auf die Oberfläche projizieren – was zu Scans mit niedriger Auflösung führt.
Schlüsselpunkt
Es ist möglich, die Auflösung durch hochskalierte Scans zu verbessern, für optimale Ergebnisse benötigen Sie jedoch High-End-Hardware.
Nicht alle der hier genannten Leistungsfaktoren sind hardwareabhängig. Wenn Sie einen Scanner der unteren Preisklasse haben, können Sie immer Techniken wie Interpolation (Hinzufügen berechneter Punkte zwischen zwei gemessenen) verwenden. Dies wird die Strukturauflösung nicht verbessern (Sie werden also nicht in der Lage sein, kleinere Elemente als vorher aufzulösen), aber es wird die Netzauflösung verbessern. Die Investition in einen 3D-Scanner mit hochauflösenden Kameras ist in jedem Fall der beste Weg, um jedes Mal die höchsten Texturdetails zu erfassen.
Unterschied zwischen Genauigkeit und Präzision
Zwar sind beide Faktoren wichtige Anhaltspunkte für Beobachtungsfehler, doch werden Scangenauigkeit und Präzision anhand völlig unterschiedlicher Kriterien bewertet. Erstere wird mit einem Referenzwert – den Maßen eines Zielobjekts – verglichen, wobei das Ergebnis widerspiegelt, wie nahe es an den gleichen Wert herankommen kann. Letztere wird anhand früherer Scans unter identischen Bedingungen ermittelt.
Und dann gibt es noch den Mangel an Korrelation zwischen Genauigkeit und Präzision. Wie Sie im Bild unten sehen können, sind beide notwendig, um nutzbare 3D-Daten zu erfassen, doch ist das Zusammenspiel beider Faktoren keinesfalls vorauszusetzen. Genauigkeit und Präzision überschneiden sich in der Art und Weise, wie sie verbessert werden können: Die Vermeidung von Lichtstreuung während des Scannens ist der Schlüssel zur Optimierung der Datenerfassung entsprechend beider Faktoren.
Unterschied zwischen Genauigkeit und Auflösung
Bei der Genauigkeit geht es darum, eine 3D-Punktwolke zu erzeugen, deren Maße denen eines 3D-gescannten Objekts sehr ähnlich sind, während sich die Auflösung auf die Anzahl der erfassten Punkte und ihren Abstand zueinander bezieht.
Daher ist es eigentlich nicht möglich, Genauigkeit und Auflösung zu vergleichen. Wenn man jedoch bedenkt, dass weniger detaillierte Scans nach der Triangulation (der Erstellung des Polygonnetzes) Daten mit weniger Dreiecken ergeben, kann die Auflösung durchaus Auswirkungen auf die Genauigkeit haben. Eine geringere Detailtiefe ist nicht automatisch das Ergebnis geringerer Genauigkeit, daher sind die beiden Werte auch nicht untrennbar miteinander verbunden. Es ist jedoch erwähnenswert, dass Genauigkeit die Summe vieler Teile ist.
Dies zeigt sich auch in der Software zur Erfassung und Verarbeitung von 3D-Scandaten Artec Studio. Diese verfügt über einen hochauflösenden HD-Modus, der Oberflächenrauschen reduziert und mehr Punkte generiert – was die Genauigkeit effektiv steigert. Mit seiner Fähigkeit, Oberflächen auf Neigungen und kleinen Objekten zu rekonstruieren, hilft Artec Studio auch bei der Anpassung von CAD-Grundelementen und verbessert so die Genauigkeit noch weiter.
Unterschied zwischen Auflösung und Präzision
Auflösung und Präzision werden seltener verwechselt, aber es lohnt sich trotzdem, den Unterschied zwischen ihnen hervorzuheben. Auflösung bezieht sich darauf, wie viele Datenpunkte beim 3D-Scannen erfasst werden, Präzision beschreibt die Konsistenz, mit der sie erfasst werden.
Je nach Branche können Auflösung und Präzision gleichermaßen wichtig für das Erreichen von Ergebnissen sein. Wenn Sie beispielsweise wiederholt Produkte mit komplexen Geometrien und komplizierten Oberflächen prüfen müssen, ist die Erfassung präziser, detaillierter Daten von entscheidender Bedeutung.
Wo und wann sind Genauigkeit, Präzision und Auflösung entscheidend?
Nahezu überall, vom Gesundheitswesen und der Bildung bis hin zur Luft- und Raumfahrt und Verteidigung, wird 3D-Scanning heutzutage zur genauen, präzisen und hochauflösenden Datenerfassung eingesetzt. Es gibt jedoch Bereiche, in denen dabei einige Aspekte wichtiger sind als andere.
Beim Erfassen von Objekten für Reverse Engineering ist beispielsweise eine Genauigkeit im Submillimeterbereich unerlässlich, um ein Polygonnetz zu erzeugen, das für die 3D-Modellierung dem Original nahe genug kommt. Nehmen wir zum Beispiel das von 3DMakerWorld 3D-gescannte Flugzeug Sadler Vampire: Ohne die mit einer Genauigkeit von 0,1 mm von Artec Leo erfassten Daten wäre es unmöglich gewesen, Ersatzteile wie vom Kunden gewünscht nachzuentwickeln.
Schlüsselpunkt
Abhängig von Ihrem Fachgebiet priorisieren Sie möglicherweise das eine oder das andere, doch Genauigkeit, Präzision und Auflösung sind branchenübergreifend relevant.
Wenn Sie sich wiederholende Geometrien mit möglichst geringen Abweichungen erfassen müssen, ist Präzision beim 3D-Scannen gleichermaßen wichtig. GoMeasure3D hat dies demonstriert, indem es mit Leo ganze Abschnitte von Eisenbahnschienen erfasst und untersucht hat. Die Idee dahinter ist, dass Abweichungen früher erkannt und so mit Hilfe von 3D-Scannern Bahnunfälle verhindert werden können.
Die Auflösung hingegen ist für 3D-Modellierer, die ultrarealistische digitale Kopien erstellen, von entscheidender Bedeutung – dies zeigt sich besonders in Bereichen wie Denkmalschutz, Forensik und CGI. Eines der eindrucksvolleren Anwendungsbeispiele des 3D-Scannern in CGI ist die Verwendung von Leo und Artec Space Spider durch den renommierten Spezialeffekt-Maskenbildner Kazu Hiro, dem es gelang, die Gesichter von Schauspielern unglaublich detailliert zu erfassen.
Natürlich sind dies nur einige Beispiele für die Möglichkeiten, die professionelles 3D-Scannen bietet. Denn dank der digitalen Erfassung mit hoher Genauigkeit, Präzision und Auflösung eröffnen sich noch viele weitere Möglichkeiten.
So erzielen Sie die beim 3D-Scannen die besten Ergebnisse
Da Ihr 3D-Scanner mit der Zeit automatisch an Genauigkeit und Präzision verliert, ist es wichtig, ihn regelmäßig zu kalibrieren. Je nach verwendetem Gerät kann dies die gelegentliche Verwendung einer Kalibrierungskarte oder eine Zielkalibrierung nach jedem Einschalten erfordern.
Schlüsselpunkt
Zwar spielen auch die individuellen Fähigkeiten des Nutzers, die Kalibrierung und die äußeren Bedingungen eine Rolle, doch nur professionelles 3D-Scanning liefert wirkliche Spitzenleistung.
Wie Sie den oben aufgeführten Anwendungsbeispielen entnehmen konnten, wird 3D-Scannen mittlerweile in so vielen verschiedenen Branchen eingesetzt, dass es im Grunde unmöglich ist, eine Universallösung vorzuschlagen. Daher ist es wichtig, die Anforderungen Ihrer spezifischen Anwendung frühzeitig zu ermitteln. Dabei können Sie Genauigkeit, Präzision oder Auflösung (vielleicht sogar alle drei) priorisieren. Die Investition in ein Messsystem, das nicht alle erforderlichen Daten erfassen wird, kann sich als kostspieliger Fehler erweisen.
Andere Faktoren, wie die Umgebung und die Entfernung beim Scannen, wirken sich ebenfalls auf die Ergebnisse aus – so sind etwa Genauigkeit und Auflösung beim Scannen aus der Ferne geringer. Die gute Nachricht ist, dass mittlerweile diverse vielseitige 3D-Scanner sowie stativmontierte Geräte wie Artec Ray II, der eine Reichweite von über 140 m und eine Genauigkeit von 1,9 mm bietet, angeboten werden. Es gibt also auf dem Markt mit Sicherheit ein Gerät, das Ihren Anforderungen entspricht.
Und abschließend: Genauigkeit, Präzision und Auflösung sind der Schlüssel zu professionellen Anwendungen wie 3D-Modellierung, Reverse Engineering und Qualitätskontrolle. Jetzt, da Sie wissen, wie die einzelnen Begriffe zu verstehen sind, können Sie die Ergebnisse in jedem dieser Bereiche optimieren. Und da sich Software und Hardware ständig weiterentwickeln, wird sich auch die Technologie an allen drei Parametern ebenfalls weiter verbessern.
