Come funziona la tecnologia di scansione 3D?
Entrare nel mondo della scansione 3D può mettere un po’ in soggezione, ma tutto diventa più chiaro una volta che si comprende la tecnologia che vi sta dietro. Dai tuoi occhi (lo scanner originale!) ai più recenti scanner 3D sul mercato, ecco come funziona!
Le dimensioni del nostro mondo, per la visualizzazione, la scansione e molto altro
Prima di immergerci nell'affascinante universo della scansione 3D, con le sue schiere di scanner laser, scanner a luce strutturata, software di progettazione, modelli 3D e altro ancora, prendiamoci un minuto per capire meglio che cosa intendiamo quando si parla di quelle tre dimensioni che ci circondano (e ci descrivono!) ovunque andiamo.
Tutti sanno che viviamo in un mondo a tre dimensioni, anche le persone che non hanno idea di cosa sia uno scanner 3D. Ma cosa significa dire che viviamo in un "mondo 3D"? Significa che lo spazio intorno a noi ha tre dimensioni e che la posizione di qualsiasi cosa può essere descritta usando tre numeri, indicati anche come parametri o coordinate. Esistono vari modi per specificare questi tre parametri e le regole per farlo sono note come "sistema di coordinate".
fig.1a
Il più popolare sistema di coordinate è il sistema di coordinate cartesiano.
Quando parliamo della larghezza, dell'altezza e della profondità delle cose intorno a noi, stiamo usando i termini di un sistema di coordinate cartesiane - che può essere il sistema della mano destra (RHS) o il sistema della mano sinistra (LHS). L'unica differenza tra i due sistemi è la direzione dell'asse z, quella che si riferisce alla profondità.
fig.1b
fig.1c
There are a few other coordinate systems, including a Spherical coordinate system (left) and a Cylindrical coordinate system (right).
Ciò che accomuna tutti i sistemi di coordinate 3D è che hanno tre parametri indipendenti che descrivono chiaramente la posizione di qualsiasi punto nello spazio, che sia una superficie o meno. Questo concetto sembra abbastanza semplice, ma quando si parla di scanner e scansione 3D, sono i principi fondamentali di base come questo che ti aiutano davvero a comprendere meglio e lavorare con successo con questa tecnologia rivoluzionaria.
Qualsiasi discussione sulle tre dimensioni, relative all'universo della scansione e degli scanner 3D diventa ancora più importante quando prendiamo in considerazione l'accuratezza e la risoluzione delle attuali soluzioni e software di scansione 3D professionale. Fino a livelli che vanno ben oltre ciò che è visibile all'occhio umano, le prestazioni dei più recenti scanner 3D dipendono completamente da sistemi di coordinate hardware e software affidabili e ripetibili.
Una breve introduzione sugli oggetti e la loro scansione 3D
Oltre alle loro posizioni nello spazio, tutti gli oggetti fisici sono caratterizzati dalle loro dimensioni. Gli oggetti possono essere 0D, 1D, 2D o 3D.
Oggetti 0D & 1D
Oggetti 2D
Oggetti 3D
Pensiamo a qualcosa di estremamente piccolo, come un atomo, che possiamo dire non occupa quasi nessuno spazio, e possiamo quindi chiamarlo punto. Quando un oggetto “punto” ha una posizione nello spazio che può essere descritta dalle sue coordinate x, y e z ma non ha dimensioni, viene chiamato oggetto 0D. E mentre puoi sicuramente trovare scanner per oggetti 1D, 2D e 3D, non si può dire lo stesso per gli oggetti 0D.
Una catena molto sottile è un esempio di oggetto 1D. Ogni suo punto, tranne le estremità, ha solo due "vicini", ossia punti adiacenti.
Un foglio di carta sottile (c) è un oggetto 2D, poiché la sua terza dimensione (spessore) è insignificante rispetto alla sua larghezza e altezza.
Un semplice esempio di un oggetto 3D è una scatola, che ha larghezza, altezza e profondità e occupa una certa quantità di spazio in tutte e 3 le dimensioni
Parlando degli scanner 3D professionali disponibili oggi sul mercato, i produttori indicano chiaramente le dimensioni ottimali degli oggetti (da sottoporre a scansione 3D) sulle pagine dei loro prodotti, nonché all'interno della documentazione dei prodotti. Gli scanner 3D spaziano da scanner desktop automatizzati, per oggetti di piccole dimensioni, scanner portatili a luce strutturata, per oggetti di piccole e medie dimensioni e scanner più grandi, come scanner laser 3D, per oggetti grandi e persino enormi. A loro volta, i modelli 3D creati tramite questi scanner possono essere ridimensionati in base alle esigenze, anche tramite software di progettazione CAD professionale.
Come gli uomini percepiscono (e scansionano mentalmente) il mondo in 3D
La maggior parte delle informazioni su oggetti distanti ci arrivano grazie alla luce. La luce è semplicemente una radiazione elettromagnetica che attraversa lo spazio alla massima velocità possibile. Principalmente proveniente dal sole, la luce rimbalza sulle superfici, viene assorbita o riflessa da esse e continuerà a viaggiare in avanti a meno che non venga assorbita. Molte cose possono accadere alla luce. Può essere riflessa, rifratta, sparsa o assorbita e, dopo aver colpito gli oggetti sul suo percorso, può anche cambiare le sue proprietà, ovvero colore, intensità, direzione, ecc.
L'occhio umano è un organo sensoriale in grado di rilevare la direzione, l'intensità e il colore della luce visibile. L'occhio ha una lente cristallina che focalizza la luce che passa attraverso di essa sulla retina. La retina contiene speciali cellule sensibili alla luce, che consistono di circa 120 milioni di recettori chiamati bastoncelli e di altri 6-7 milioni chiamati coni. I bastoncelli ci permettono di percepire il bianco e nero, mentre i coni ci permettono di vedere i colori. Per vedere quei colori, i nostri occhi raccolgono raggi di luce da ciò che li circonda e li canalizzano verso le nostre retine.
I nostri occhi non possono vedere oggetti a fuoco da qualsiasi distanza in qualsiasi momento, quindi quando guardiamo qualcosa vicino a noi gli oggetti più lontani appariranno sfocati e viceversa. Uno speciale processo di messa a fuoco denominato "riflesso di accomodazione" ci consente di vedere chiaramente da distanze di 6-7 centimetri fino al'infinito. Il più delle volte, l'accomodazione funziona come un riflesso, ma può anche essere controllata coscientemente.
fig.2
Focus: a. su qualcosa di lontano…
b. su qualcosa vicino
Un aspetto dell'accomodazione è quando i muscoli corrispondenti apportano le necessarie regolazioni alla lente dell'occhio, come mostrato in fig. 2, per mettere a fuoco a diverse distanze.
fig.3a
fig.3b
Oltre ad aiutare l'occhio a mettere a fuoco, l'accomodazione ci consente anche di distinguere gli oggetti vicini da quelli più lontani, anche se un singolo occhio umano non riesce a percepire la profondità così bene. È qui che avere un secondo occhio fa la differenza
La visione 3D umana si basa sul cosiddetto effetto stereoscopico. Questo effetto si riferisce al processo di visualizzazione di un oggetto da due diverse posizioni, in cui l'immagine vista da ciascuno dei tuoi occhi è simile, ma leggermente spostata. La grandezza dello spostamento dipende dalla profondità (distanza) tra te e l'oggetto, mentre l'immagine tende a spostarsi di più per gli oggetti situati più vicino a te. Questo fenomeno è definito disparità retinica (binoculare), nota anche come parallasse binoculare.
Sfortunatamente, la risoluzione dell'occhio non è la stessa per ogni cosa che guardiamo. La più alta densità di coni è al centro, quindi, se vogliamo avere una buona risoluzione e percezione della profondità, entrambi gli occhi dovrebbero focalizzarsi direttamente sull'oggetto. La convergenza per guardare oggetti più vicini (vedi fig. 3 (b)) fa uso dei muscoli extraoculari e l'angolo visivo è significativamente più piccolo quando ci si focalizza su oggetti lontani.
Dopo che le due immagini (una per ciascun occhio) sono state proiettate sulle retine, passano attraverso i nervi ottici e raggiungono i vari sistemi visivi del cervello. Diverse parti del cervello analizzano l'immagine contemporaneamente. Alcune parti rilevano la semplice geometria della superficie, altre registrano il movimento, altre confrontano l'immagine con immagini apprese in precedenza, ecc.
Infine, in circa 50 millisecondi, tutte queste informazioni si trasformano nella nostra consapevolezza cosciente e notiamo il colore, la profondità, il movimento e la forma di ciò che stiamo guardando. Gli scanner 3D Artec funzionano praticamente nello stesso modo, ma sono molto più precisi in termini di misurazione della profondità di quanto il sistema visivo umano possa mai essere, parlando degli scanner laser 3D Artec e degli scanner a luce strutturata.
L'occhio umano, la percezione 3D e gli scanner 3D
Poiché la luce si comporta in modo diverso a seconda delle circostanze, la percezione visiva 3D non funziona sempre al meglio.
Anche se in realtà, ogni oggetto fisico di dimensioni superiori a un nanometro è da considerarsi 3D, è piuttosto difficile per l'occhio umano o uno scanner moderno vedere contemporaneamente tutti i lati di un oggetto, perché molto spesso la vista può essere bloccata da altri oggetti. Ciò include, ad esempio, oggetti complessi non trasparenti, che possono avere le loro superfici posteriori visivamente ostruite dalle loro superfici anteriori.
È fondamentale osservare (e scansionare) un oggetto da più punti di vista per vederne l'intera forma 3D, specialmente quando la forma è sconosciuta. Può anche essere difficile percepire oggetti di grandi dimensioni con colori uniformi e geometrie semplici in 3D, compresi quelli con superfici piane o molto lisce.
PUNTO CHIAVE
Un buon esempio di ciò è quando si tenta di parcheggiare un’auto in un parcheggio dipinto interamente di un colore chiaro. Se lo sfondo ha tutto lo stesso colore, senza caratteristiche visibili in contrasto con le linee del parcheggio, i tuoi occhi (e il cervello) avranno difficoltà a percepire la profondità dello spazio.
Ciò accade perché la nostra visione ha bisogno di immagini contrastanti affinché gli occhi mettano a fuoco l'immagine, e le superfici di colore uniforme senza irregolarità vengono percepite come senza nessun contrasto. Lo stesso vale anche per le superfici nere.
Molti scanner 3D professionali hanno difficoltà a scansionare superfici e colori neri o scuri, a causa delle difficoltà di differenziazione descritte sopra. Per molti tecnici e specialisti della scansione 3D ciò ha sempre rappresentato un grave ostacolo, che spesso richiede strategie di scansione diverse o persino scanner completamente diversi. Detto questo, se prevedi di scansionare in 3D superfici scure, anche solo occasionalmente, varrebbe la pena testare le prestazioni di uno scanner 3D su tali oggetti prima dell'acquisto, quando possibile. La scelta dello scanner migliore per il tuo lavoro è molto più importante dell'accuratezza e la risoluzione.
Modelli 3D tramite scansione, CAD e altro ancora
L'attuale generazione di soluzioni professionali di scansione 3D, tra cui scanner a luce strutturata, scanner laser e software di eiditing, è strettamente collegata alla tecnologia informatica. Ciò ha permesso di sviluppare nuovi macchinari controllati da computer, noti anche come CNC (Computer Numerical Control). Con le tecnologie CNC abbiamo fatto un grande passo avanti nella produzione di oggetti di diverse forme (a volte chiamati superfici a forma libera).
L'idea principale del CNC è che le macchine utensili vengono controllate da un computer anziché da una persona. I computer possono operare con i massimi livelli di accuratezza, in modo molto preciso e efficiente. Detto questo, i computer hanno bisogno di comandi speciali per capire esattamente quali operazioni eseguire. Questi comandi sono generati da sistemi software noti come computer-aided manufacturing (CAM) e computer-aided design (CAD). Diamo una breve occhiata a come i computer gestiscono gli oggetti 3D.
Che cos'è un vertice e come si collega alla scansione 3D?
Un vertice, nel mondo della computer grafica e degli scanner 3D, si riferisce a una struttura di dati che descrive i diversi attributi di un punto. L'attributo principale di un qualsiasi punto è la sua posizione, ma altri attributi possono includere colore, riflettanza, coordinate, vettori normali e tangenti, ecc.
Normalmente si presume che un vertice sia un punto in cui linee, curve o bordi si uniscono, quindi questa caratteristica geometrica di base è spesso usata per descrivere altre geometrie più complesse, come un bordo, una faccia, una mesh o una superficie. Questo è il motivo per cui alcuni attributi del vertice non descrivono un semplice punto, ma piuttosto un'intera superficie attorno o vicino a un punto.
Una nuvola di punti è una serie di vertici normalmente prodotti da scanner 3D, in particolare scanner laser 3D.
Cos'è un bordo? Una descrizione di 18 parole
Un bordo è una qualsiasi linea retta che collega due punti (vertici). Può far parte di una faccia.
Alcune parole su volti, poligoni e altri oggetti
Una faccia è una sequenza chiusa di bordi. Ogni vertice di una faccia ha due bordi collegati. La faccia di un triangolo ha tre bordi, mentre una faccia quadrata ha quattro bordi.
triangolo / trigono
quadrilatero / tetragono
pentagono / pentagramma / pentacolo
esagono
ettagono
ottagono
Le facce con 3 o più bordi sono chiamate poligoni, a partire da un prefisso di derivazione greca corrispondente al numero di bordi e un "goni" alla fine.
Un pentagono (noto anche come pentagramma) ha 5 bordi, un esagono - 6, un ettagono - 7 e un ottagono ne ha 8. Qualsiasi poligono con più di 4 spigoli può essere sostituito dal numero corrispondente di triangoli o quadrati che lo compongono.
Le mesh nel mondo della scansione 3D
Una mesh in tecnologia 3D (compresi i modelli creati tramite scanner 3D) si riferisce al modo in cui le superfici sono rappresentate nel software tramite computer grafica. In poche parole, una mesh è una raccolta di vertici e facce, insieme a informazioni su come i vertici compongono le facce e su come sono collegati tra loro.
Di solito le facce possono essere composte da qualsiasi tipo di poligono, ma nella maggior parte dei casi vengono utilizzati triangoli, poiché sono più facili da implementare nelle unità di elaborazione grafica (GPU). Diversi tipi di mesh richiedono particolari tipi di poligoni e le loro regole dipendono dalla loro applicazione:
Vertice facciale — vertici e un insieme di poligoni che puntano ai vertici utilizzati.
Bordo alato — ogni bordo ha due vertici, due facce e quattro bordi che le toccano.
Quad-edge — si tratta di bordi, mezzi bordi e vertici, senza alcun riferimento ai poligoni.
Tabelle angolari — memorizzano i vertici in una tabella predefinita per definire i poligoni.
Si tratta in sostanza di un triangolo utilizzato nel rendering hardware della grafica. La rappresentazione è più compatta e il recupero dei poligoni è più efficiente, ma qualsiasi operazione mirata a cambiare i poligoni risulta più lenta. Inoltre, le tabelle angolari non rappresentano del tutto le mesh. Sono necessarie più tabelle angolari (ventagli triangolari) per rappresentare la maggior parte delle mesh.
Mesh vertice-vertice: usano solo vertici che puntano ad altri vertici. Si tratta di un formato molto efficiente in termini di dimensioni, sebbene la gamma di operazioni sulle mesh che è possibile eseguire risulti limitata.
vertici
facce
mesh
mesh triangolare (una mesh poligonale composta da triangoli)
Le mesh semplici possono essere create manualmente, mentre le mesh più complesse possono essere modellate tramite equazioni matematiche, algoritmi o acquisendo digitalmente oggetti reali con uno scanner 3D. Una delle caratteristiche più importanti di una mesh è la sua semplicità. Esistono diversi modi in cui una stessa superficie può essere catturata e rappresentata digitalmente.
Alcune parole sui voxel e sulla scansione
L'intero volume di un sistema di coordinate cartesiane può essere suddiviso in piccoli parallelepipedi rettangolari (figure 3D costituite da sei parallelogrammi) chiamati voxel. Se le dimensioni lungo gli assi x, ye z sono uguali, diventano cubi. Dopo questa semplificazione, qualsiasi oggetto solido può essere creato tramite un certo numero di voxel. Più piccolo è il voxel, più esatta è l'approssimazione.
pixel
voxel
Le coordinate dei voxel sono definite dalle loro posizioni nella serie di dati. Il carattere standard dei dati e la forma di base dei voxel rendono l'elaborazione sia semplice che affidabile, ma di solito richiede più spazio su disco per l'archiviazione e più memoria per l'elaborazione. Analogamente alle immagini digitali 2D, le superfici non rettangolari che rappresentano le facce dei voxel contengono dati discreti.
Per essere più precisi, un modello non rettangolare dovrebbe contenere voxel molto piccoli. Poiché ciò richiederebbe una notevole quantità di spazio su disco, i voxel non sono comunemente usati per rappresentare questo tipo di oggetti. I voxel sono più efficaci per rappresentare oggetti complessi e variegati, il che li rende l'ideale per l'uso in soluzioni di scansione 3D, imaging e CAD.
3D Che dire dei solidi e della geometria 3D della scansione e altrove?
Qualsiasi oggetto reale occupa una certa quantità di volume nello spazio ed è costituito da un qualche tipo di materiale. Esistono vari modi per modellare un oggetto solido: sweeping, modellazione di mesh superficiali, scomposizione in celle, ecc. Ogni oggetto ha i suoi confini (superfici) e i confini degli oggetti solidi separano lo spazio in due parti: l'interno e l'esterno del solido. In questo modo, un oggetto solido può essere rappresentato dai suoi confini e altri dati, come una mesh, e può essere usato per separare l'interno dall'esterno.
Risultato di geometria solida costruttiva CSG
Esiste un altro approccio utilizzato nella geometria solida costruttiva, o CSG, in cui gli elementi di base sono già solidi (sfere, coni, cubi, tori, ecc.), e solidi più avanzati vengono costruiti da questi solidi primitivi tramite operazioni booleane (fig.7): fusione, sottrazione, intersezioni, ecc.
Le texture e come si applicano alla scansione 3D
In termini di computer grafica e scansione 3D, il termine texture si riferisce a un'immagine applicata su una superficie. Un'immagine texture viene memorizzata in un file speciale in cui ogni pixel con coordinate U e V ha un colore corrispondente. L'applicazione della trama su una superficie è denominata Mappatura della Texture o Mappatura UV.
Considerando che il cervello umano si basa principalmente su ombre, colori e sfumature di colore per percepire visivamente il mondo circostante, le texture sono un modo molto efficace per emulare una forma senza dover cambiare la sua geometria e vengono spesso utilizzate dai produttori di giochi per computer per un rendering della grafica più veloce ed efficiente.
I produttori di scanner 3D possono includere in essi una fotocamera speciale per l'acquisizione di texture, chiamata fotocamera per texture. L'ottenimento di immagini ad alta qualità richiede condizioni di illuminazione chiare e uniformi, a meno che lo scanner stesso non sia dotato di flash.
Superficie senza texture a colori
Superficie con texture a colori
File di Texture
Conclusioni sulla tecnologia 3D, la scansione, il suo uso corrente e le tendenze future
Comprendere i vari componenti della tecnologia 3D non solo ci aiuta a capire meglio il mondo che ci circonda, ma ci dà anche un'idea di come funzionano effettivamente le soluzioni 3D, compresa la scansione.
In particolare, negli ultimi due decenni le tecnologie 3D hanno preso parte a molti progetti scientifici di importanza cruciale in tutto il mondo. Alcuni di questi includono l'utilizzo di scanner laser 3D e software per preservare siti archeologici e oggetti del patrimonio culturale sull'orlo della distruzione. Ingegneri con scanner 3D a luce strutturata portatile eseguono il reverse engineering di parti con superfici e forme complesse, quindi utilizzano un software di progettazione CAD sui modelli 3D così ottenuti. Medici e i professionisti della medicina eseguono la scansione 3D dei loro pazienti per una varietà di applicazioni, tra cui progettazione di protesi, diagnosi dermatologiche e molto altro.
Inoltre, una solida conoscenza della tecnologia 3D sta diventando ogni giorno sempre più importante in tutto il mondo. La sempre più crescente diffusione della tecnologia 3D in tutta la società ha portato alcuni esperti a dire che, in futuro, casa, scuola e lavoro abbracceranno tutti un ampio utilizzo delle tecnologie 3D.
PUNTO CHIAVE
Attualmente, l'adozione delle tecnologie 3D si sta espandendo in diversi campi, quali quello aerospaziale, l'ingegneria, la produzione digitale, la sanità, la computer grafica e molti altri. In futuro, gli specialisti 3D con esperienza di scansione possono aspettarsi una domanda sempre maggiore delle loro capacità e competenze.
Le generazioni più giovani non vedranno più gli scanner 3D come semplicemente qualcosa trovato in un laboratorio o, come è accaduto negli ultimi decenni, nei film e nei romanzi di fantascienza. Con il passare degli anni, la scansione 3D professionale si avvicinerà alla vita di tutti i giorni e i produttori di tali tecnologie hanno deciso di integrare le loro soluzioni in tutti i livelli della società. Il risultato è che anche i bambini si sentono a proprio agio nell'utilizzare scanner a luce strutturata nelle loro classi, oltre a vedere scanner 3D in uso negli studi medici e dentistici. Ciò che una volta era strettamente limitato al mondo dei professionisti, ora sta diventando un aspetto insostituibile della nostra vita quotidiana.
I produttori di scanner e software 3D professionali, inclusi scanner laser e scanner a luce strutturata, hanno fatto passi da gigante nel migliorare la precisione e la risoluzione dei loro scanner. Allo stesso tempo, per i professionisti del design e altri specialisti tecnici adottare la scansione 3D diventa più facile che mai, rendendosi conto che tali scanner, insieme ai modelli 3D risultanti, alleggeriscono il carico di loro lavoro e consentono loro di svolgere alcune attività precedentemente impossibili o estremamente difficili.
Gli esperti di tecnologia prevedono l'uso diffuso di soluzioni, come per esempio applicazioni educative VR/AR, in cui i bambini visiteranno le foreste pluviali amazzoniche o le vette himalayane, il tutto dal comfort delle loro classi; gli ingegneri del design digitale faranno ampio uso della scansione e della modellazione 3D, impiegando ambienti VR/AR per la visualizzazione e l'interazione con gli oggetti che hanno progettato, e quindi stampandoli in 3D in una vasta gamma di materiali; i medici saranno in grado di scansionare rapidamente il tuo corpo in 3D e quindi di stampare in 3D organi sostitutivi realistici e altre strutture anatomiche utilizzando le tue cellule staminali, eliminando completamente la possibilità di rigetto del sistema immunitario... e molto altro ancora.
Quando si tratta di sfruttare il vasto potenziale della scansione 3D, questo è solo l'inizio.
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Dopo aver esaminato i principali elenchi di scanner 3D disponibili su Internet, abbiamo notato che la maggior parte di essi non include informazioni sui parametri chiave degli oggetti da scansionare. Elementi importanti come le dimensioni degli oggetti e le applicazioni per le quali utilizzerai lo scanner non sono adeguatamente affrontate. Questa panoramica ha lo scopo di colmare questa lacuna e aiutarti a trovare la migliore soluzione 3D per il tuo progetto.
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Quando si utilizza uno scanner 3D a luce strutturata, ci sono alcune regole e fattori che ogni professionista dovrebbe conoscere. In questo articolo, ti mostreremo come preparare un oggetto e un ambiente prima di iniziare la scansione, diverse tecniche e alcuni trucchi per ottenere il miglior risultato possibile del tuo obiettivo di scansione 3D.
La scansione 3D è ora più popolare che mai, e le aziende di tutto il mondo stanno adottando questa versatile tecnologia per aumentare la produttività, eliminare costi inutili e creare prodotti e servizi innovativi.
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