Qu’est-ce que le scan laser 3D ?
Le scan laser 3D est une technologie innovante qui crée des modèles 3D ultra-détaillés d’objets et d’environnements. Dans cet article, nous expliquons comment il fonctionne, les types de scanners disponibles actuellement sur le marché, les applications pour lesquelles ils peuvent être utilisés et les avantages qu’ils offrent.
Dans un monde où les moyens de numériser des objets physiques ne manquent pas (scanners 3D, appareils photo, logiciels de photogrammétrie ou même smartphones équipés de capteurs LiDAR), il peut être difficile de s’y retrouver. Cet article analyse le scan laser 3D, l’une des technologies de scan les plus utilisées.
Qu’est-ce que le scan laser 3D ?
Pour faire simple, le scan laser 3D est un processus qui permet de capturer des informations 3D précises à partir de n’importe quel objet ou environnement, à l’aide d’un laser comme source de lumière. Cela signifie que la technologie repose sur les faisceaux laser pour mesurer la distance à une surface et créer des modèles 3D ultra-réalistes d’objets, de sites ou de paysages. Le scan laser 3D est également un outil populaire dans les domaines de l’ingénierie, de la construction et de l'architecture où il est souvent utilisé pour documenter l’état d’une structure.
Les scanners laser 3D utilisent le LiDAR (light detection and ranging, détection et télémétrie par la lumière) en projetant une lumière laser sur un objet pour enregistrer et mesurer des emplacements et des distances précis. En produisant un fichier de nuage de points, les scanners fournissent des données numériques inestimables dans une multitude d’applications, de la rétro-ingénierie et l’inspection qualité à la conservation du patrimoine et à la criminalistique. Ce qui rend cette technologie encore plus populaire, c’est que les scanners laser modernes sont portables, sûrs et faciles à utiliser, et qu’ils sont précis au millimètre près.
Comment fonctionne le scan laser 3D ?
Le principe de fonctionnement d’un scanner laser consiste à émettre des impulsions lumineuses à grande vitesse, qui sont réfléchies par les objets et renvoyées vers le capteur du scanner (LiDAR). Pour chaque impulsion, la distance entre le scanner et l’objet est mesurée en calculant le temps écoulé entre les impulsions émises et reçues. Chaque point de données est converti en un pixel avec des coordonnées x, y et z connues.
Le workflow d’un scanner LiDAR peut être décomposé en plusieurs étapes :
Émission laser : le scanner projette des faisceaux laser sur un objet, généralement sous la forme d’impulsions rapides et courtes dans le spectre infrarouge, invisible à l’œil humain.
Réflexion des impulsions : lorsque les impulsions laser frappent l’objet, elles rebondissent vers le scanner. Les caractéristiques de surface de l’objet, telles que sa couleur, sa texture et sa réflectivité affectent la façon dont le faisceau laser revient vers le scanner.
Mesure du temps de vol : le scanner mesure le temps nécessaire à chaque impulsion pour aller de l’appareil à l’objet et revenir. Ce temps est ensuite converti en distance en se basant sur la vitesse de la lumière.
Création du nuage de points : en calculant la distance à plusieurs points de la surface de l’objet, le scanner crée un ensemble dense de points de données appelé nuage de points. Chaque point représente un emplacement 3D dans l’espace.
Traitement des données : le nuage de points est transformé en un modèle ou une carte 3D détaillée, où chaque point est le reflet exact de l’environnement scanné. Ces données peuvent ensuite être visualisées, analysées et utilisées pour créer des modèles 3D précis.
POINT CLÉ
Le scan laser 3D fonctionne en projetant une lumière laser sur un objet et en mesurant la lumière réfléchie pour déterminer la forme et les dimensions de l’objet. Les données collectées forment un nuage de points détaillé, qui est ensuite transformé en modèles 3D pour analyse et utilisation dans diverses applications.
Types de scanner laser 3D
Il existe une variété impressionnante de scanners laser 3D, adaptés à des applications multiples. Ils vont des appareils autonomes (portables ou fixes et montés sur trépied) aux solutions industrielles complexes, telles que les systèmes de scan laser mobiles ou aériens ou les bras robotisés. Les scanners laser utilisent trois types de technologies : le temps de vol, le déphasage et la triangulation. Regardons chacune d’entre elles de plus près.
Les systèmes à temps de vol, ou systèmes de mesure par impulsions, fonctionnent grâce à l’émission d’une impulsion unique de lumière laser et à la détermination de la distance jusqu’au point final en mesurant le temps nécessaire à la lumière pour être réfléchie jusqu’au capteur du scanner.
Les systèmes à déphasage utilisent également la lumière laser émise, mais l’intensité lumineuse est modulée par des formes d’onde spécifiques. La réflexion des motifs d’intensité est déplacée par un impact sur la surface d’un objet. La mesure du déplacement entre un signal laser émis et un signal reçu permet de calculer la distance avec précision.
Les scanners laser à triangulation fonctionnent en émettant une lumière laser sur un objet et en capturant la lumière réfléchie avec un capteur de caméra embarqué. Le système calcule la distance à l’objet grâce à la triangulation trigonométrique, formant un triangle entre la source laser, le capteur et la cible réfléchie sur la surface de l’objet. Généralement utilisés pour des applications à courte portée (moins de 5 mètres), les scanners à triangulation se distinguent par leur capacité à capturer des objets de petite à moyenne taille, allant de 1 cm à environ 2 ou 3 mètres.
Deux excellents exemples de scanners laser conçus pour capturer différents types d’objets et fonctionner à des distances variées sont l’Artec Point et l’Artec Ray II. Alors que le premier est un scanner laser 3D portable de qualité métrologique offrant une précision allant jusqu’à 0,02 mm, le second est un scanner LiDAR longue portée qui fournit une précision de point 3D exceptionnelle de 1,9 mm à une distance de 10 mètres.
POINT CLÉ
Un scanner laser 3D utilise trois types de technologies : le temps de vol, le déphasage ou la triangulation. Les scanners à temps de vol calculent le temps nécessaire à une impulsion laser pour revenir au scanner, tandis que les appareils à déphasage mesurent les distances en comparant les motifs d’ondes lumineuses modulées. Les scanners à triangulation, parfaits pour les mesures à courte portée, utilisent la trigonométrie pour déterminer les distances en formant un triangle entre la source laser, l’objet et le capteur, ce qui les rend adaptés à la capture d’objets de petite à moyenne taille.
L’Artec Point est un scanner laser 3D portable, parfait pour le scan rapide et précis d’objets et d’environnements. Le premier scanner à visée d’Artec capture des données 3D ultra précises avec une grande répétabilité, ce qui en fait un outil indispensable pour les applications industrielles, d’ingénierie et de conception. Le scanner offre une précision de localisation allant jusqu’à 0,02 mm et une résolution pouvant atteindre 0,02 mm. Sa vitesse de scan exceptionnelle permet aux utilisateurs de capturer jusqu’à 2,8 millions de mesures par seconde, pour une collecte de données rapide et efficace. L’Artec Point numérise des surfaces encore plus complexes, notamment les surfaces noires et brillantes. Les utilisateurs peuvent choisir entre les modes grille, parallèle et laser unique pour optimiser les résultats, et se servir de caméras HD fixées à un angle de vue très élevé pour scanner des zones exiguës.
L’Artec Ray II, quant à lui, est conçu pour le scan à grande échelle et haute précision dans les applications industrielles et architecturales. Grâce à une technologie laser avancée, il offre une précision exceptionnelle, ce qui le rend idéal pour la capture précise d’objets massifs à distance, qu’il s’agisse d’éoliennes, d’hélices de navires, d’embarcations géantes, de ponts, d’usines, de scènes de crime ou de sites archéologiques. Que ce soit pour la rétro-ingénierie, le contrôle qualité, la documentation de scènes de crime ou l’évaluation de l’évolution des infrastructures urbaines, Artec Ray II offre une grande précision de point 3D et une précision angulaire inégalée.
Applications du scan laser 3D
La technologie de scan laser a métamorphosé de nombreux secteurs en offrant une précision, une vitesse et une polyvalence inégalées lors de la capture de données spatiales détaillées. Elle a joué un rôle crucial dans des secteurs aussi variés que la construction et l’architecture, la conservation du patrimoine culturel et la fabrication. En capturant des données 3D d’une précision incroyable, le scan laser 3D aide les professionnels de nombreux secteurs à améliorer leurs workflows en minimisant les conflits de conception et en garantissant une numérisation précise pour la fabrication, la rénovation, la maintenance et la recherche. Grâce à sa capacité à générer des modèles numériques ultra-détaillés, le scan laser permet une planification intelligente, une meilleure collaboration et une réduction des risques, ce qui en fait un outil essentiel dans de nombreux projets.
Les principales applications du scan laser sont les suivantes :
Rétro-ingénierie
Le scan laser 3D joue un rôle essentiel dans la rétro-ingénierie en capturant la géométrie des objets, qui peut ensuite être reproduite ou modifiée. Par exemple, lorsqu’une entreprise a besoin de reproduire une pièce unique ou abandonnée pour une machine ou un véhicule, le scan laser lui permet de générer des modèles 3D très précis de la pièce d’origine. Ces modèles peuvent ensuite être utilisés pour fabriquer des pièces de rechange avec des tolérances strictes, afin de minimiser les erreurs, d’éliminer le recours aux mesures manuelles et de garantir l’ajustement parfait du produit final.
À titre d’exemple, un constructeur néerlandais de bateaux à grande vitesse a recréé la conception de de bateaux artisanaux pour un usage professionnel intensif. L’équipe a scanné trois énormes embarcations afin de créer des modèles 3D précis pour la rétro-ingénierie, et ainsi faciliter la construction de bateaux professionnels tout en garantissant une précision exceptionnelle.
Inspection qualité
Le scan laser est inestimable dans les workflows de contrôle et d’inspection qualité. Par exemple, il est fréquemment utilisé pour inspecter les ponts et les murs anti-inondation : il crée des nuages de points haute résolution pour évaluer l’intégrité structurelle, l’alignement et l’état des surfaces. Ces données permettent aux ingénieurs d’identifier et de surveiller les déformations dans le temps et de s’assurer du respect des spécifications de conception pour une sécurité et une planification de la maintenance optimisées.
Dans le cadre de l'un de ses projets, GoMeasure3D a trouvé un moyen quantifiable d’inspecter un mur anti-inondation de 5,28 km (3,28 miles) sous un viaduc en exploitation afin de détecter d’éventuels dommages. En capturant avec précision une partie de cette structure massive à l’aide d’Artec Ray II, les ingénieurs ont obtenu un niveau de détail élevé, idéal pour détecter les déformations, mesurer la corrosion et évaluer les besoins en maintenance.
Construction
Cette technologie est déterminante pour relever l’état d’une installation et documenter son évolution dans le temps. Elle permet de capturer certains des détails les plus complexes, tels que les éléments architecturaux, structurels et MEP (mécaniques, électriques, de plomberie). Par exemple, lors de la rénovation d’une installation, le scan laser 3D peut fournir des données précises sur la structure, les équipements et la tuyauterie existants. Ces données permettent aux ingénieurs et aux architectes d’intégrer de nouvelles conceptions de manière transparente, en évitant les écarts entre les structures en place et les améliorations suggérées. La précision de cette technologie, avec des nuages de points de 2 à 4 mm, permet de réaliser des rénovations conformes aux spécifications exactes, d’identifier les problèmes potentiels à un stade précoce et de faciliter l’exécution rapide du projet.
Conception architecturale
Le scan laser 3D simplifie la conception architecturale en fournissant des informations spatiales 3D précises sur chacun des éléments d’un bâtiment. Lors de la refonte d’installations, le scanner laser est utilisé pour créer des représentations 3D exactes d’espaces avec toutes leurs caractéristiques visibles, des murs et des fenêtres aux systèmes HVAC. Grâce à ces données, les architectes disposent de toutes les mesures nécessaires. Par ailleurs, les scans 3D fournissent un niveau de détail suffisant pour vérifier que chaque partie d’une installation correspond au plan de conception.
Conservation du patrimoine
Les professionnels de la conservation du patrimoine s’appuient sur le scan laser 3D, une méthode non invasive et très précise pour documenter et protéger les sites culturels. Que ce soit pour conserver en 3D des bâtiments anciens, des monuments ou des sites archéologiques, le scan laser capture les moindres détails de chaque objet, et crée des jumeaux numériques pour la restauration, la conservation et les visites en réalité virtuelle. Cela contribue à sauvegarder l’histoire et la culture, tout en permettant aux générations futures de découvrir et d’étudier ces trésors de manière détaillée.
L’histoire de l’église Hagha aux Pays-Bas est un exemple étonnant de la manière dont cela est possible. Au cours des travaux de rénovation, les ouvriers ont découvert des pierres tombales sous le plancher en bois détérioré de l’église. Même si l’objectif initial était de remplacer le plancher pour renforcer le bâtiment, l’équipe a veillé à ce que ce patrimoine nouvellement mis au jour reste accessible à la communauté. Pour cela, elle a utilisé un scanner laser 3D longue portée afin de capturer l’ensemble de l’église, y compris ses trésors cachés.
Maintenance et modernisation des centrales électriques
Pour la modernisation des centrales électriques, où il est essentiel de disposer d’une documentation précise des infrastructures existantes, telles que les chaudières, les turbines et les canalisations, le scan laser 3D est indispensable. Par exemple, dans le cadre de la rénovation d’une centrale électrique vieillissante pour la rendre conforme aux nouvelles normes environnementales, cette technologie permet de créer un modèle 3D complet de l’infrastructure du site. Ce modèle aide ensuite les ingénieurs à planifier et à mettre en œuvre les transformations, et à s’assurer que les nouveaux équipements s’intègreront parfaitement à l’agencement en place. Il est également possible de réaliser des visites virtuelles des zones dangereuses, ce qui réduit les risques liés à la sécurité. Il devient également possible d’identifier les composants sujets à l’usure, et ainsi d'élaborer des programmes de maintenance préventive et de prolonger la durée de vie des équipements critiques.
Modifications des sites de production
Dans le secteur de la fabrication, des données détaillées et précises des ouvrages existants sont nécessaires pour modifier ou agrandir les usines, et le scan laser 3D fournit des informations précises sur les équipements, les structures et les processus. Par exemple, lorsqu’une usine automobile doit moderniser ses chaînes de montage, le scan laser permet de s’assurer que les nouvelles machines s’intègrent parfaitement dans l’espace disponible. Les données 3D peuvent être utilisées pour planifier l’installation et garantir une intégration harmonieuse de tous les composants, réduisant ainsi les risques d’erreurs d’installation couteuses ou de retards.
Criminalistique
Dans les enquêtes criminalistiques, le scan laser 3D est utilisé lorsque les spécialistes ont besoin de capturer de manière sûre et détaillée les scènes de crime ou les lieux d’accident pour une analyse approfondie. Par exemple, dans le cas d’un accident de la circulation, le scan laser peut créer un modèle 3D précis de la scène de l’accident, y compris la position des véhicules, le marquage routier et les facteurs environnementaux tels que l’éclairage et la visibilité. Ces preuves numériques peuvent ensuite être utilisées pour reconstituer les événements, faciliter les procédures judiciaires et fournir des détails précieux aux experts en reconstitution d’accidents pour comprendre ce qui s’est passé.
Un autre exemple de cette application est l’anthropologie judiciaire. À l’université de Mercyhurst, un professeur agréé a eu recours au scan 3D pour numériser des centaines d’os et les transformer en modèles 3D anatomiquement précis pour un cours de réalité virtuelle révolutionnaire.
POINT CLÉ
Le scan laser 3D révolutionne de nombreux secteurs en fournissant des données précises et en temps réel pour des besoins professionnels spécifiques. De l’amélioration de la conception architecturale à la modernisation des usines en passant par les enquêtes criminalistiques, les applications de cette technologie sont vastes et en constante évolution.
Avantages du scan laser 3D
Le scan laser 3D s’est avéré être un outil indispensable dans de nombreux secteurs grâce à sa capacité à capturer des données 3D très détaillées et précises. Vous trouverez ci-dessous quelques-uns des principaux avantages du scan laser 3D.
Précision élevée et répétable
Le scan laser fournit des mesures d’une précision étonnante, ce qui le rend efficace pour les applications où les données de qualité métrologique sont essentielles, telles que la rétro-ingénierie, le contrôle qualité, la construction et la fabrication.
Capture des données rapide
Les scanners laser collectent rapidement de grandes quantités de données tout en assurant un suivi constant. En comparaison avec la mesure manuelle, le scan 3D de grandes surfaces à distance est à la fois plus rapide et plus sûr pour le personnel sur place.
Solution économique
En capturant rapidement les données en un seul scan, le scan laser 3D évite les rénovations coûteuses et les retards causés par les erreurs de mesure. La technologie s’intègre de manière transparente aux logiciels de CAO et de BIM, et permet ainsi d’économiser des ressources et de respecter les budgets des projets.
Flexibilité et polyvalence
La technologie de scan laser est particulièrement adaptable et capable de capturer des données sur des objets et des zones de grande taille, complexes ou difficiles d’accès. Déployable en intérieur comme en extérieur et même dans des conditions difficiles, elle permet aux professionnels de relever des défis de différentes ampleurs.
Amélioration de la conception et de la documentation
Les nuages de points générés par le scan laser 3D constituent la base de modèles 3D ultra-réalistes, ce qui garantit des conceptions conformes aux spécifications et une réduction des risques d’erreur. Une documentation optimisée facilite également la collaboration entre les équipes, et permet aux professionnels de visualiser, planifier et contrôler les projets plus efficacement.
Les éventuels problèmes du scan laser 3D
La technologie de scan laser 3D présente d’énormes avantages pour de nombreux secteurs, mais certains problèmes éventuels doivent être pris en compte. Un obstacle majeur est le coût, car des équipements de scan laser 3D haute qualité nécessitent souvent un investissement important. Heureusement, il est possible d’y remédier en optant pour des solutions économiques qui offrent néanmoins la qualité exceptionnelle associée aux scanners haut de gamme.
Il faut également choisir judicieusement le logiciel de traitement et d’analyse des données de scan 3D, en particulier pour les modèles complexes. Par exemple, Artec Studio 19 est un logiciel de scan et de traitement 3D intelligent et intuitif, doté de fonctionnalités avancées, qui permet d’exploiter pleinement le potentiel d’un scanner 3D. Si les petites entreprises ou les projets aux budgets plus serrés peuvent être rebutés par les frais de maintenance, de formation et de licence, les avantages à long terme, tels que la qualité supérieure des données 3D et la précision constante des résultats, justifient l’investissement.
Un autre inconvénient du scan laser réside dans la gestion des grands ensembles de données. Les nuages générés par les scanners 3D peuvent contenir des millions, voire des milliards de points de données. Les fichiers volumineux peuvent être difficiles à stocker, à traiter et à gérer, et nécessitent souvent des logiciels robustes et des systèmes informatiques puissants. Le travail avec des scans aussi détaillés, en particulier ceux de grandes structures ou d’environnements, peut ralentir les workflows et allonger le délai des projets. La conversion des nuages de points bruts en résultats exploitables, tels que des schémas CAO ou des modèles BIM, peut également prendre beaucoup de temps. Cependant, des outils tels qu’Artec Studio 19 simplifient également ce processus : conçu pour traiter d’énormes ensembles de données, le logiciel rend des applications telles que la modélisation 3D, la rétro-ingénierie et le contrôle qualité beaucoup plus efficaces et accessibles.
Les conditions ambiantes doivent également être prises en compte. La précision des scans peut souvent être influencée par l’éclairage, la réflectivité de la surface et les propriétés des matériaux. Par exemple, les surfaces très réfléchissantes comme le verre ou les miroirs ou les surfaces très sombres peuvent compliquer la capture des données, et entraîner des scans imprécis avec des trous. C'est là qu’il devient primordial de se fier au bon scanner, en particulier s’il est capable de capturer des données même dans de mauvaises conditions d’éclairage ou sur des surfaces difficiles. Les scanners laser 3D d’Artec brillent dans ces situations, et garantissent des résultats de qualité optimale. Par ailleurs, l’utilisation du scan laser d’Artec nécessite peu de formation. Le matériel comme le logiciel sont conviviaux et relativement faciles à prendre en main. Même les débutants peuvent devenir compétents en moins de deux heures pour collecter des données précises et interpréter les résultats. La technologie intuitive d’Artec minimise les risques d’erreur de données et de mauvaise interprétation, et permet aux utilisateurs de différents niveaux d’expertise en ingénierie de retirer tous les avantages de cette technologie.
L’avenir du scan laser 3D
À l’avenir, le scan laser 3D devrait transformer des secteurs tels que l’ingénierie, la construction, la fabrication et la conservation. La tendance phare qui façonne l’avenir de cette technologie est l’intégration de l’intelligence artificielle (IA) et de l’apprentissage automatique (AA), qui automatisent des tâches complexes telles que le traitement des nuages de points, réduisant ainsi la saisie manuelle et augmentant l’efficacité. Les algorithmes d’IA permettent un contrôle qualité en temps réel, car ils identifient les écarts entre les modèles de conception et les structures scannées, tandis que l’AA peut prédire l’usure des bâtiments existants. En outre, la facilité d’utilisation et la portabilité des appareils de scan 3D modernes rendent la capture de données plus accessible dans des secteurs tels que l’exploitation minière et la construction, même pour les petites entreprises.
Les progrès réalisés dans le domaine du scan laser 3D s’accompagnent d’une intégration plus poussée avec la RV et la RA, ce qui permet aux professionnels d’interagir avec des modèles 3D de manière immersive, et d’améliorer ainsi la visualisation des conceptions et la prise de décision globale. La vitesse d’acquisition et de traitement des données s’accélère, de sorte que le scan 3D est de plus en plus performant pour les projets au rythme soutenu. L’amélioration de la précision du scan, grâce à de meilleurs capteurs et logiciels, permet à des secteurs tels que l’aérospatiale et la construction d’atteindre des tolérances plus strictes et de réduire les rebuts. Dans l’ensemble, les années à venir devraient rendre le scan laser 3D encore plus intelligent, plus rapide et plus polyvalent, et élever la qualité de la capture des données et son champ d’application à un niveau totalement inédit.
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