Scanner 3D – O que é afinal?

Neste post, apresento-vos a digitalização 3D. O que algumas pessoas certamente vêem como um meio para atingir um fim na produção de figuras coloridas é em si mesmo uma disciplina separada – muito bela – no nosso universo. Em primeiro lugar, vou dar-vos uma visão geral de diferentes scanners 3D. Posteriormente, aprenderá sobre os diferentes métodos de digitalização 3D e esperançosamente saberá muito mais no final do artigo do que sabe agora.

O que é a digitalização 3D?

Na preparação convencional para a impressão 3D, o objecto a ser impresso deve ser primeiro criado digitalmente como um modelo CAD. Para além do software necessário, isto também requer conhecimentos detalhados dos procedimentos básicos de concepção e, claro, o tempo correspondente. A digitalização 3D substitui o processo CAD pela digitalização sem contacto do objecto a ser impresso utilizando um feixe laser e um scanner de luz. A capacidade de medir qualquer objecto sem contacto torna a digitalização em 3D adequada para digitalizar objectos de arte delicados, protótipos e até pessoas!

3D Systems 350470 Sense2 3D-Scanner
  • portabler 3D-Handscanner für Intel iCore5 Prozessoren (oder höher) USB 3.0
  • Auflösung x/y 0.9mm - Tiefenauflösung 1mm - Scan Volume min. 0.2 m x 0.2 m x 0.2 m Scan...

* Stand: 2024-03-16 / Bilder: Amazon API

Quais são os diferentes métodos de digitalização 3D?

Parece quase demasiado simples para ser verdade: em vez de passar pelo tedioso e longo processo de aprendizagem sobre software gráfico 3D, basta tirar uma câmara digital padrão, tirar algumas fotografias e depois fazer com que o software crie uma imagem tridimensional completa do objecto fotografado – o que é adequado para impressão 3D em qualquer impressora 3D padrão. O que inicialmente se lê como ficção científica, funciona realmente. E muito bem, também! Como alternativa à câmara digital, os lasers de linha da loja de hardware também são adequados – ou a câmara Kinect da Microsoft, que faz parte dos periféricos da X-Box.
Os actuais métodos comuns no campo da digitalização 3D incluem a fotogrametria (também chamada fotométrica), a secção da luz (triangulação), o trabalho com luz codificada e a utilização do Kinect como parte do método da luz estruturada.

Como funciona a fotogrametria?

Em princípio, são necessárias exactamente duas coisas para o procedimento de fotogrametria: uma máquina fotográfica digital e uma ligação à Internet. Com a câmara, faz-se um círculo à volta do objecto que será impresso mais tarde e tiram-se fotografias de todas as perspectivas. As fotografias resultantes são então carregadas para serviços web especializados como o my3Dscanner.com ou o 123D Catch by Autodesk. Após o carregamento, os serviços começam a analisar as imagens e a criar uma imagem tridimensional do objecto. Para que este processo funcione, as fotografias devem conter pontos distintivos – por exemplo, linhas nítidas ou padrões claros e escuros que se repetem em todas as fotografias. Esta é a única forma do software do prestador de serviços poder reconhecer exactamente onde se encontra o objecto fotografado na sala. Durante a criação do objecto tridimensional, o software gera primeiro uma “nuvem de pontos” a partir dos dados dos ficheiros de imagem, depois refina esta nuvem e finalmente gera uma rede de superfície digital entre os pontos. Uma vez terminado o cálculo do objecto 3D – que pode demorar até um dia – o utilizador recebe o ficheiro acabado convenientemente por e-mail.

Como funciona o método da secção de luz?

É também necessária uma câmara digital para o processo de secção de luz. No entanto, o apoio conveniente prestado por um serviço web é aqui omitido; em vez disso, é necessário hardware adicional. Este hardware pode ser encontrado em qualquer loja de bricolage sob a forma de um laser de linha. O laser de linha é utilizado para marcar o objecto a ser digitalizado fatia a fatia para que possa depois ser gravado com a câmara colocada ao lado. Desta forma, os ângulos entre o laser, o objecto e a câmara tornam-se visíveis – o que, em combinação com as distorções das gravações de imagem, permite a triangulação da profundidade para cada ponto da linha laser.
A fim de gerar uma imagem completa do objecto, a linha laser deve ser rodada uma vez completamente sobre o objecto – e de todos os lados. As imagens individuais resultantes têm então de ser “apenas” reunidas utilizando o software apropriado. Colocámos deliberadamente o “único” entre parênteses, porque esta parte é na realidade a tarefa mais difícil. Os pontos de sobreposição das imagens individuais têm de ser encontrados manualmente e depois comunicados ao programa. Resultados satisfatórios só podem ser alcançados com prática suficiente!

Como funciona o trabalho com luz codificada?

Trabalhar com luz codificada é também um dos métodos de secção de luz, mas de uma forma optimizada. Em vez de um laser de linha, é necessário um beamer para além da câmara digital – o que naturalmente faz subir o preço do equipamento. Quando se trabalha com luz codificada, cada ponto da superfície de um objecto corresponde a uma coordenada. O projector lança agora diferentes padrões luz-escuro em faixas sobre o objecto, enquanto a câmara regista simultaneamente se o ponto actualmente observado está na luz ou na escuridão. O código binário é utilizado para processamento: Luz corresponde a 1, Escuro a 0. Para a sequência temporal do padrão, o número de cada tira do projector é codificado em Código Cinzento, onde o número corresponde a uma coordenada no projector. Uma vez geradas as coordenadas da imagem e do beamer, a profundidade de cada ponto do objecto pode ser calculada. A fim de criar uma imagem tridimensional completa do objecto, este deve ser digitalizado de vários lados, como acontece com os outros métodos, e as digitalizações devem então ser unidas utilizando software.

Como funciona a digitalização 3D com a Luz Estruturada e o Kinect?

A câmara Kinect da Microsoft foi originalmente desenvolvida para o controlo do movimento da Xbox 360. No entanto, a estrutura técnica básica do Kinect também torna o dispositivo interessante para aplicações para além dos jogos de computador – incluindo a digitalização 3D. Kinect trabalha com um laser infravermelho que “desenha” pontos (manchas) pequenos, brilhantes e escuros na sala. Vários pontos são sempre combinados para formar um padrão. Ao comparar padrões de referência armazenados com o padrão gravado, o Kinect calcula então uma imagem de profundidade. Uma vez que o Kinect pode capturar a profundidade espacial completa de todos os pontos de uma imagem com um único disparo, o processo é extremamente rápido.

Xbox 360 Kinect Sensor
  • Anschlusstechnik:Verkabelt
  • Produkttyp:Bewegungssensor

* Stand: 2024-03-16 / Bilder: Amazon API

A estrutura de digitalização

Cada um dos quatro métodos acima mencionados requer a sua própria instalação típica de câmaras e periféricos. Apresentar-lhe-emos em breve a estrutura básica.

Configuração de digitalização para fotogrametria

Câmara na mão e começar – com fotogrametria, não é necessária uma instalação completa. Mais importante aqui é a forma como um objecto é fotografado. Os melhores resultados são alcançados quando o objecto é circulado de lado e continuamente fotografado. Uma circum-navegação deve gerar 30 imagens ou mais. Se possível, o objecto deve ser fotografado uma vez de lado, uma vez com uma ligeira vista aérea e uma vez do ponto de vista do sapo. Também é possível gravar o objecto como um vídeo e depois exportá-lo como uma série de imagens.

Estrutura de digitalização para o método da secção luminosa

A configuração de varrimento para o método de secção de luz pode ser consideravelmente mais complexa. Para a panorâmica do laser sobre a superfície, a orientação manual do laser e a utilização de suportes de calibração livres e auto-impressos são suficientes – mas se quiser lidar com o processo de forma mais profissional e desejar resultados de qualidade correspondente, necessita de uma câmara com pelo menos 2 megapixels, uma placa base e superfícies de calibração, para além de um laser de linha. O scan torna-se ainda mais profissional e, sobretudo, mais rápido quando o processo de giro é automatizado por meio de um motor e de uma electrónica de controlo.

Configuração de digitalização quando se trabalha com luz codificada

No método da luz codificada, um projector de linha (beamer) e uma câmara são configurados a uma distância predefinida, a base de triangulação, do objecto a ser gravado. Esta distância deve permanecer estável mesmo se o objecto for fotografado de vários lados.

Configuração de digitalização para digitalização 3D com Kinect

Uma vez que o Kinect captura imediatamente toda a profundidade espacial de um objecto com um único disparo da câmara infravermelha, nada de especial precisa de ser tido em conta durante a instalação, excepto uma distância mínima entre o Kinect e o objecto.

As vantagens e desvantagens dos procedimentos individuais

Cada um dos métodos aqui mencionados no campo da digitalização 3D tem as suas próprias vantagens – e, claro, também desvantagens. Por conseguinte, lidaremos com ambos os lados da moeda em pontos de bala.

Fotogrametria – Vantagens

  • Amigo do principiante
  • Comparativamente barato, especialmente para as primeiras tentativas
  • Não é necessário qualquer software CAD ou conhecimento correspondente.
  • Não é necessária uma configuração complicada: uma câmara digital padrão é tudo o que é necessário.
  • Funciona bem para fotos ao ar livre sob céus nublados.

Fotogrametria – Desvantagens

  • Não funciona à luz solar directa ou com luz de fundo.
  • Não funciona com superfícies de objectos brilhantes ou reflectores.
  • Os prestadores de serviços precisam até 24 horas para fornecerem os dados 3D.
  • Para além do objecto real, não deve haver quaisquer outros motivos nas imagens, uma vez que isso iria sobrecarregar o algoritmo do software de análise.
  • Para resultados realmente bons, são necessárias uma câmara de alta qualidade e uma configuração de digitalização complexa.

Seccionamento de luz – Vantagens

  • Funciona sem um serviço web
  • Os ensaios iniciais podem ser realizados de forma muito barata com material da loja de bricolage.
  • Software necessário disponível como freeware.
  • Estão também disponíveis kits iniciais para utilização semi-profissional da tecnologia a preços razoáveis.

Seccionamento de luz – Desvantagens

  • O sistema deve ser calibrado antes de cada varredura, o que aumenta o esforço.
  • As digitalizações individuais devem ser combinadas manualmente no software para formar uma imagem completa.
  • Inadequado se houver demasiada luz ambiente.
  • Funciona mal ao digitalizar objectos muito escuros.
  • A exactidão do processo depende sempre da espessura do feixe laser.
  • A captura de cores não é possível.

Luz codificada – vantagens

  • Manuseamento mais fácil do que a secção de luz.
  • A velocidade de varrimento é significativamente mais elevada.
  • Resultados muito precisos.

Luz codificada – Desvantagens

  • Não adequado para a digitalização 3D de pequenos objectos.
  • Inadequado à luz estranha.
  • Preço de entrada muito elevado, mesmo para kits iniciais.

Kinect – Vantagens

  • Muito rápido
  • Uma imagem é suficiente para capturar a profundidade espacial de um objecto.
  • Com um preço de compra de apenas cerca de 100 euros, é muito acessível.
  • Software disponível gratuitamente para os utilizadores domésticos.

Kinect – Desvantagens

  • Aplicações comerciais apenas permitidas através do Kinect para Windows. Esta câmara pode fazer o mesmo que a versão Xbox, mas custa significativamente mais.
  • Cálculo de dados 3D imensamente sedentos de memória.
  • Alérgico a reflexos e detalhes de objectos transparentes.
  • A tensão de rede é necessária para o funcionamento, o que torna difícil a utilização no exterior.

Que método é mais adequado para quê?

Fotogrametria

Tire algumas fotografias em movimento e, pouco tempo depois, segure o objecto fotografado nas suas mãos como uma impressão 3D: A fotogrametria torna-o possível. Não há dúvida de que o processo é uma forma amigável para principiantes de transformar objectos de todo o tipo em dados imprimíveis. Para aqueles que não querem lidar com detalhes técnicos, não estão interessados em programas CAD e simplesmente querem receber impressões em 3D, não há actualmente maneira de contornar a fotogrametria.

Método da secção leve

Aprofundar o assunto, não gastar vastas somas em tecnologia básica e alcançar um resultado completamente utilizável no final – o método de secção de luz é consideravelmente menos favorável ao principiante do que a fotogrametria, mas por outro lado não depende de prestadores de serviços externos. Em particular, a montagem das imagens individuais no software pode ser bastante irritante; a paciência e muita prática são definitivamente necessárias aqui para alcançar resultados utilizáveis.

Luz codificada

Um preço de entrada elevado para o hardware necessário não deve ser dissuasor se se quiser trabalhar com o método da luz codificada. Por outro lado, esta forma de digitalização 3D é rápida, fiável e precisa. Se quiser principalmente digitalizar objectos maiores e não depender de as superfícies dos modelos serem reproduzidas a cores verdadeiras, pode definitivamente mergulhar mais fundo na tecnologia. No entanto – e isto é algo que este método tem em comum com a tecnologia de secção de luz – não depende de um promissor método de digitalização 3D. Para isso, o esforço é simplesmente demasiado elevado em comparação com a fotogrametria ou o Kinect.

Kinect

Por um preço de compra de apenas 100 euros, o Kinect é um potente scanner 3D que impressiona sobretudo pela sua velocidade e flexibilidade. Uma comunidade activa de fonte aberta assegura que o software adequado para o processamento e preparação dos dados digitalizados é disponibilizado gratuitamente e, acima de tudo, está constantemente a ser desenvolvido.

Mas atenção: para que os dados de digitalização 3D sejam utilizados comercialmente, a versão Windows do Kinect deve ser comprada, o que é consideravelmente mais caro do que a versão Xbox. Uma certa afinidade e experiência em CAD, impressão 3D e processamento de imagem é também necessária para o Kinect.

O que procurar ao comprar scanners 3D?

O mais importante de um scanner 3D é, evidentemente, a câmara. Quanto mais detalhadas forem as imagens, mais fácil é preparar os dados no software. As boas notícias: mesmo as câmaras digitais simples e modernas servem aqui o seu propósito. Se não quiser confiar em fornecedores de serviços externos para processar os dados, mas quiser tratar pessoalmente dos programas correspondentes, precisará de hardware periférico, para além da câmara.

No entanto, os lasers, o software e o poder informático podem ser bastante caros, especialmente se optar por equipamento semi-profissional ou mesmo profissional. Uma forma boa, acessível e acima de tudo extremamente flexível é contar com o Kinect da Microsoft. Aqueles que gostam de jogar na consola provavelmente já têm o scanner 3D da Microsoft na sua casa de qualquer maneira. Software de código aberto extensivo ajuda a manter os custos baixos.

Exploração de casos especiais Touch Probe Scanning

Os quatro métodos mencionados até agora têm uma coisa em comum: funcionam sem contacto por meio de dispositivos ópticos. A Digitalização 3D Touch Probe tem uma abordagem diferente. Aqui, uma sonda é utilizada para digitalizar um objecto e assim torná-lo disponível como um modelo digital. A base do processo é uma máquina controlada por CNC com pelo menos três eixos controlados, para além de uma sonda de medição correspondente (por exemplo, da empresa Renishaw). O objecto a ser digitalizado é fixado na mesa da máquina e os seguintes parâmetros são ajustados no controlo CNC:

  • Diâmetro da esfera de medição na sonda
  • Dois pontos definidos no sistema de coordenadas da máquina
  • Direcção da varredura (X ou Y)
  • Ponto zero

Uma vez que as entradas tenham sido armazenadas na unidade de controlo, o processo de digitalização começa. A esfera de medição é levada até ao objecto. Ao ajustar o eixo Z (eixo vertical), a esfera de medição é deslocada repetidamente para a superfície do objecto, as coordenadas são guardadas, o eixo X ou o eixo Y é então ajustado, um novo ponto é medido até que, no final, uma imagem digital do objecto esteja disponível sob a forma de coordenadas. A imagem tridimensional correspondente é então criada a partir destas coordenadas.
Num ambiente profissional, a digitalização por sonda táctil é barata e económica de implementar – especialmente se a tecnologia correspondente já estiver disponível. Mas os utilizadores domésticos também podem montar máquinas apropriadas através de kits. As sondas adequadas de qualidade suficiente estão disponíveis a partir de cerca de 300 euros.

Conclusão

Basta tirar algumas fotografias nas férias e encontrar as vistas fotografadas como um pequeno modelo na sua caixa de correio quando regressar – o que era ficção não há muito tempo é agora viável para todos. A digitalização 3D é mais fácil do que nunca e, com uma compreensão da tecnologia e do software, pode ser feita em casa. Por isso “simples” deve ser claramente colocado aqui em perspectiva, porque a digitalização 3D ainda não é realmente “simples”, ou seja, pode ser realizada sem muito conhecimento e sem o correspondente hardware e software. Ainda demorará um ou dois anos até que possa ser utilizado em escala de massa. Actualmente, a digitalização 3D ainda é claramente um assunto para especialistas e entusiastas. Cada um dos métodos disponíveis tem as suas próprias vantagens e desvantagens. Mas o facto é que o futuro pertence à digitalização e impressão em 3D de todo o tipo de objectos. Afinal, o que é mais belo do que uma foto de recordação das suas férias? É isso mesmo – um objecto de recordação a tocar.

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