레이저 3D 스캐닝이란 무엇인가요?

#1. ToF(비행시간)

장거리 데이터 수집에 일반적으로 사용되는 첫 번째 레이저 스캐너 유형은 ToF입니다. 이러한 3D 스캐너는 레이저 거리 측정기가 작동하는 것과 동일한 원리로 작동합니다. 레이저 펄스는 물체로 전송되고 펄스의 일부는 물체 표면에서 반사되어 스캐너로 돌아옵니다. 물체까지의 거리는 다음 공식을 사용하여 펄스의 ToF로 계산됩니다. 거리 = (빛의 속도 x ToF)/2).  그런 다음 이 거리를 사용하여 레이저 광선에 닿는 표면의 작은 부분에 대한 좌표를 계산합니다.

ToF 측정 원리의 작동 방식

ToF 3D 스캐너는 최대 1,000m 떨어진 거리에 있는 물체를 캡처할 수 있습니다. 그러나 일반적인 작업 범위는 5~300m입니다. ToF 시스템은 장거리에서 측정이 가능하지만, 데이터 캡션 속도는 초당 수백~수천 점으로 가장 느립니다.

ToF 기술의 정확도는 귀로 신호의 시간을 정확하게 측정하는 시스템의 능력에 따라 결정됩니다. 정확도 사양은 시스템마다 다르지만, ToF 스캐너의 일반적인 정확도는 4~10mm입니다. 가장 최근의 ToF 시스템에는 내부 카메라 또는 외부 카메라 세트를 통한 추가 RGB 캡션 옵션도 포함되어 있습니다.

#2. 위상 편이

위상 편이 3D 스캐너는 교대로 레이저 광을 방출하고 방출된 신호와 반사된 신호 사이의 위상차를 측정하여 물체까지의 거리를 결정합니다. ToF 스캐너와 달리 위상 편이 스캐너는 최대 80~120m의 짧은 범위에서 작동하며 일반적인 작동 범위는 1~50m입니다.

위상 편이 측정 원리의 작동 방식

위상 편이식 3D 스캐너는 흔히 가장 빠른 레이저 스캐너로 분류되며, 일부 위상 편이식 시스템은 초당 최대 100만 점의 캡션 속도를 갖습니다. 또한 ToF 스캐너보다 정확도와 해상도가 더 높습니다.  ToF 스캐너와 마찬가지로 내부 또는 외부 색상 캡처 옵션도 포함되어 있습니다.

높은 정확도 덕분에 위상 편이 스캐너는 대형 펌프, 자동차 및 산업 장비와 같은 중거리 스캐닝 요구에 가장 적합합니다. 위상 편이와 ToF 시스템은 수 미터에서 수 킬로미터에 이르는 대형 물체나 구조물을 조사할 수 있는 지상 스캐닝 적용 분야에도 사용할 수 있습니다.

지상 ToF 및 위상 편이식 스캐닝 시스템은 고정식 삼각대 장착 장비로 제공될 수 있으며, 이 장비는 있는 그대로 사용하거나 광대한 풍경이나 접근하기 어려운 지역의 정보가 필요한 프로젝트를 위해 지상 차량 또는 항공기에 장착할 수 있습니다.

#3. 삼각 측량

세 번째 유형의 레이저식 스캐너는 레이저 광선이 방출되어 내장 카메라의 이미지 센서 어레이의 특정 위치로 되돌아가는 삼각 측량의 원리에 따라 작동합니다. 레이저 소스, 센서 및 물체에 남아 있는 표적이 삼각형을 형성하므로 물체와 3D 스캐너 사이의 거리를 계산하기 위해 시스템은 삼각 측량을 사용합니다. 레이저 소스와 센서 사이의 거리는 레이저와 센서 사이의 각도처럼 매우 정확하게 알려져 있습니다. 스캔한 물체에 레이저 광이 반사되면 시스템은 센서로 되돌아오는 각도를 측정할 수 있기 때문에 레이저 소스에서 물체 표면까지의 거리를 측정할 수 있습니다.

삼각 측량 측정 원리의 작동 방식

삼각 측량식 레이저 스캐너는 이미지 센서의 동적 범위가 작고 범위의 정확도가 떨어지기 때문에 ToF 또는 위상 편이 스캐너보다 훨씬 짧은 범위(5m 미만)에서 작동합니다. 대부분의 삼각 측량 시스템에는 내부 RGB 캡처 옵션도 제공됩니다.

일반적으로 삼각 측량식 스캐너는 제조업체에 따라 크기가 1cm에서 최대 2~3m에 이르는 소형 물체를 스캔하는 데 가장 적합합니다. 폼 팩터에는 고정식 삼각대 장착 삼각 측량 스캐너가 있습니다. 그러나 이 기술은 휴대용 3D 스캐너에 사용될 때 진가를 발휘합니다.

검토를 마무리하면서 이 시점에서 다양한 레이저 스캐너의 실제 예를 살펴보는 것이 타당할 것입니다. Artec 3D에는 두 가지 유형의 레이저 스캐너가 있습니다.  하나는 휴대용으로 단거리(0.35~1.2m)의 중대형 물체에 적합한 Artec Leo이고 다른 하나는 작동 범위가 최대 110m에 이르는 위상 편이 스캐너인 Artec Ray입니다.

Artec Leo

Artec Leo는 최대 0.2mm 해상도와 0.1mm 정밀도로 중대형에서 물체를 캡처하는 데 적합합니다.

Artec Leo는 휴대용 및 다용도 삼각 측량 기반 구조화 광 레이저 스캐너로 기능적으로 독보적인 위치를 유지하고 있습니다. 내장된 컴퓨팅 장치, HD 디스플레이, Wi-Fi 그리고 다른 장비(PC 또는 태블릿) 없이도 실시간으로 결과물을 스캔하고 검토할 수 있는 배터리 덕분에 이 모든 것이 가능합니다. 스캐너는 초당 최대 3,500만 개의 점을 캡처하고 몇 초 만에 0.1mm 정밀도와 0.2mm 해상도로 매우 세밀한 점 구름을 생성할 수 있습니다. Leo는 넓은 시야(가장 먼 거리의 경우 838 × 488mm)를 통해 20~50cm의 소형 부품부터 50~200cm 이상의 대형 물체 또는 심지어 장면까지 매우 다양한 크기의 물체를 스캔하고 처리할 수 있습니다. Leo는 눈 노출에 절대로 안전한 1등급 VCSEL 레이저를 광원으로 활용하며, 이는 무생물과 사람 모두를 스캔하는 데 사용할 수 있습니다. Leo의 디자인은 스캐닝 프로세스에 걸쳐 완전한 자율성과 유연성을 제공하므로 리버스 엔지니어링 및 CAD 기반 설계에서 의료, 고고학, 포렌식 등에 이르기까지 적용 범위가 아주 광범위합니다.

Artec Ray

Artec Ray는 최대 110m 떨어진 곳에서 1mm 이하 정확도로 대형 물체를 캡처할 수 있습니다

Artec Ray는 건물, 비행기, 풍력 터빈 등과 같은 대형 및 초대형 물체를 1mm 이하 정확도로 캡처하도록 설계된 위상 vus이 장거리 레이저 스캐너입니다. 이 스캐너는 작동 범위가 110m로 자체를 중심으로 360도 회전하고 270도 시야각으로 수직으로 회전하여 초당 최대 208,000개의 점을 캡처할 수 있습니다. 많은 다른 장거리 스캐너와 달리 Ray는 매우 정확하고 깨끗한 데이터를 수집하므로 리버스 엔지니어링 및 품질 검사에 사용할 수 있습니다. 삼각대와 함께 제공되며 내장형 배터리, 온보드 Wi-Fi 및 스캐너 원격 제어가 가능한 모바일 앱을 통해 실내와 실외 모두에서 자율적으로 작동할 수 있습니다. Artec Ray로 캡처한 데이터는 Artec의 휴대용 스캐너로 수집한 밀도가 더 높고 기능이 풍부한 스캔 데이터를 보완할 수 있습니다.

The third type of laser-based scanners operates on the principle of triangulation, where laser light is emitted and returned to a specific location on an image sensor array of an inboard camera. To calculate the distance between the object and the 3D scanner, the system uses trigonometric triangulation because the laser source, the sensor, and the target left on the object form a triangle. The distance between the laser source and the sensor is known very precisely, as is the angle between the laser and the sensor. As the laser light bounces off the scanned object, the system can measure the angle at which it is returning to the sensor, and therefore the distance from the laser source to the object’s surface.

 How triangulation measurement principle works

Triangulation-based laser scanners work at much shorter ranges (less than 5 meters) than the time of flight or phase shift scanners due to the small dynamic range of the image sensors and decreased accuracy with range. Most triangulation systems also come with an internal RGB capture option.

Commonly, triangulation-based scanners are most suited for scanning smaller objects ranging in size from 1 cm up to 2-3 meters, depending on the manufacturer. As for the form factor, there are stationary, tripod-mounted triangulation scanners. However, this technology meets the most success when used in portable handheld 3D scanners.

 Scanning the undercarriage of a car with short-range laser triangulation 3D scanner

From small mechanical components to massive industrial objects, laser scanners have become an essential technology in the toolkits of professionals involved in product design and development. Once a complicated process that could require days of disassembly, detailed manual measurements, and the painstaking process of examining each part of a product, thanks to laser scanning reverse engineering now takes anywhere from a few minutes for a CAD surface model, to a few hours for a parametric CAD model. The scanners are used to create accurate digital blueprints of parts that have been damaged or deformed, need a redesign but don’t have CAD data available for them. Portable laser scanners with embedded processors are perfect for examining small and medium-sized objects, while medium and long-range devices work best for larger items. Instant creation of CAD models frees up hours if not days of work, which R&D teams can spend on the actual product enhancement.

 Capturing a crime scene with laser triangulation 3D scanner

Thanks to their capability of capturing large spaces such as room interiors, buildings, and entire sites, laser scanners are becoming the new go-to solution for the accurate documentation and investigation of crime scenes, and reconstruction of accidents. Unlike traditional evidence collection methods such as photo and video cameras, and measuring tapes, laser scanners allow investigators to capture entire crime scenes in their original state, with precise dimensions for every piece of evidence, be it a body, a footprint, or a bullet hole, and do it all in a matter of minutes.

Portable handheld laser scanners with embedded processors are perfect for capturing standalone items on the go at multiple locations within a day, and can be brought in when higher and more accurate data is needed, e.g. a closer scan of a dead body, a damaged piece of furniture, or close up scan of a footprint left by the criminal. Long-range scanners, on the other hand, are useful for capturing an entire space. By having it placed in the middle of the room where it scans fully automatically, the investigator can engage in other parts of their work, such as talking to witnesses and victims, without a need to control the scanner. The 3D data enables forensic experts to have a fuller and much more detailed picture of a crime scene and build stronger and more decisive cases to present in the courtroom.

 Capturing the skull of a triceratops with a handheld short-range laser scanner (Image by David Cano / 3D Printing Colorado)

Archeology is another area where laser scanners have become indispensable tools for 3D documentation of archaeological excavations, be it a single bone of an extinct animal or an entire ancient city. Portable handheld laser scanners with embedded processors come in handy in fieldwork, and allow archeologists complete autonomy in capturing their discoveries. Thanks to the built-in screen, they can see the results of what they scan in real-time, without carrying an additional laptop or tablet at the same time. Long-range terrestrial and airborne laser scanning systems are successfully applied to map topography, excavations planning, and spot archaeological sites that researchers would never be able to see with the naked eye, thus leaving them hidden.

Laser scanners allow archeologists to collect reliable and high-resolution data much quicker than they’d be able to with other methods such as total stations, GPS devices, or photogrammetry, saving them hundreds of hours of labor during an excavation. Thanks to their non-destructive, contactless nature, they can be used to capture fragile and vulnerable historical pieces in their original state. The data collected can be used for archaeological documentation and for creating virtual-reality models, restoration, preservation, and demonstration of archeological discoveries for the public.

 Artec Ray can capture large objects with submillimeter accuracy from up to 110 meters away

Artec Ray is a phase-shift long-range laser scanner designed to capture large and very large objects, such as buildings, airplanes, wind turbines, and the like, with submillimeter accuracy. The scanner has an operating range of 110 meters and can capture up to 208,000 points per second by rotating 360 degrees around itself and vertically with a 270-degrees viewing angle. Unlike many long-range scanners, Ray acquires highly accurate and clean data, which makes it usable for reverse engineering and quality inspection purposes. It comes with a tripod and can work autonomously both indoors and outdoors, thanks to a built-in battery, onboard Wi-Fi, and a mobile app that enables remote control of the scanner. The data captured with Artec Ray can complement more dense and feature-rich scan data acquired with Artec’s handheld scanners.