3 차원 스캐너의 작동 원리 및 응용.

3D 스캐너는 실제 개체 또는 환경의 모양 (형상 구조) 및 모양 데이터 (색상, 표면 반사율 등) 를 감지하고 분석하는 과학 기기입니다. 수집된 데이터는 일반적으로 3D 재구성 계산에 사용되며 가상 세계에서 실제 오브젝트의 디지털 모델을 만드는 데 사용됩니다. 이러한 모델은 산업 디자인, 결함 감지, 리버스 엔지니어링, 로봇 안내, 지형 측정, 의료 정보, 생물 정보, 범죄 감정, 디지털 유물 수집, 영화 제작, 게임 창작 자료 등 다양한 응용 분야를 갖추고 있습니다. 3d 스캐너의 생산은 단일 기술에 의존하지 않는다. 재건 기술에 따라 각각 장단점이 있고, 비용과 가격도 다르다. 현재 아직 통용되는 재건 기술이 없다. 기기와 방법은 종종 물체의 표면 특징에 의해 제한된다. 예를 들어, 광학 기술은 광택 (높은 반사도), 거울 또는 반투명 표면을 쉽게 처리할 수 없는 반면 레이저 기술은 깨지기 쉽거나 부패하기 쉬운 표면에는 적합하지 않습니다.

3d 스캐너의 목적은 오브젝트의 기하학적 표면에 점 구름을 만들어 오브젝트의 표면 모양을 보간하는 것입니다. 점 구름이 밀집할수록 더 정확한 모형을 작성할 수 있습니다 (이 프로세스를 3D 재구성이라고 함). 스캐너가 표면의 색상을 얻을 수 있는 경우 재구성된 표면에 텍스처 맵을 더 붙일 수 있습니다. 이를 텍스처 맵이라고 합니다.

3d 스캐너는 카메라로 시뮬레이션할 수 있으며, 시야는 원추형이며 정보 수집은 일정 범위로 제한됩니다. 차이점은 카메라가 색상 정보를 캡처하는 반면 3d 스캐너는 거리를 측정한다는 것입니다. 측정 결과에는 깊이 정보가 포함되기 때문에 흔히 깊이 또는 거리 측정 이미지라고 합니다.

3d 스캐너의 스캔 범위가 제한되어 있기 때문에 스캐너와 물체의 상대적 위치를 변경하거나 개체를 회전 가능한 테이블 위에 놓고 여러 번 스캔하여 개체의 전체 모델을 모아야 하는 경우가 많습니다. 여러 개의 한면 모델을 통합하는 기술을 이미지 등록 또는 정렬이라고 하며 다양한 3D 일치 방법을 포함합니다.

3d 스캐너는 접촉식과 비접촉식으로 나눌 수 있으며, 이는 액티브 스캔과 수동 스캔으로 나눌 수 있으며 여러 가지 기술적 방법으로 세분화될 수 있습니다. 시각적 비디오를 사용하여 재구성을 수행하는 방법, 즉 머신 비전을 기반으로 하는 방법이라고도 하는 방법은 오늘날 머신 비전 연구의 주류 중 하나입니다.

접촉 스캔:

접촉 3d 스캐너는 일반적인 접촉 3d 스캐너인 CMM (좌표 측정기) 과 같은 물체의 표면에 실제로 닿아 깊이를 계산합니다. 이 방법은 상당히 정확하여 엔지니어링 제조업에 자주 쓰인다. 하지만 스캔할 때 물체와 접촉해야 하기 때문에, 측량된 물체는 프로브에 의해 손상될 수 있기 때문에 고대 유물, 유적 등 고부가가치 물체의 재건에는 적합하지 않다. 또한 접촉 스캔은 다른 방법보다 시간이 오래 걸립니다. 오늘날 가장 빠른 좌표 측정기는 초당 수백 회의 측정을 수행할 수 있으며 레이저 스캐너와 같은 광학 기술은 초당 1 만 ~ 500 만 회의 주파수로 작동합니다.

비접촉 액티브 스캔:

능동 스캔은 추가적인 에너지를 물체에 투사하여 에너지의 반사를 통해 3 차원 공간 정보를 계산하는 것을 말합니다. 일반적인 투사 에너지로는 보통 가시광선, 고에너지 빔, 초음파, 엑스레이 등이 있습니다.

비행 시간 거리 측정

라이더 (LIght Detection And Ranging 의 약자, 즉 3D 레이저 스캐너) 는 건물, 암층 등을 스캔하여 3D 모델을 만드는 데 사용할 수 있습니다. 레이저 빔은 상당히 넓은 범위를 스캔할 수 있습니다. 그림과 같이 이 기기의 머리는 수평으로 360 도 회전할 수 있고, 레이저 빔을 반사하는 거울은 수직으로 빠르게 회전할 수 있습니다. 기기가 발사한 레이저 빔은 기기의 중심에서 레이저가 맞힌 첫 번째 목표까지의 거리를 측정할 수 있다.

비행 시간 3D 레이저 스캐너는 레이저를 사용하여 대상을 감지하는 활성 스캐너입니다. 그림의 라이더는 시차 측정을 주요 기술로 하는 레이저 거리 측정기이다. 이 레이저 거리 측정기는 측정기에서 방출되는 레이저 펄스를 통해 시간을 앞뒤로 전환하여 기기와 대상 물체의 표면 사이의 거리를 결정합니다. 즉, 기기는 레이저 펄스를 발생시켜 물체 표면에 부딪친 후 반사되고, 그 다음 기기의 탐지기가 신호를 받아 시간을 기록하는 것이다. 빛의 속도는 알려진 조건이기 때문에, 빛의 신호가 한 번 왕복하는 시간은 계기에서 물체 표면까지의 거리의 두 배인 신호가 전파되는 거리로 환산될 수 있다. 따라서 만약 광신호가 한 번 왕복하는 시간이 광신호가 전파되는 거리와 같다면. 시차 거리 측정 3D 레이저 스캐너의 측정 정확도는 약 3.3 피초 (피초) 이기 때문에 측정 시간의 정확도에 영향을 받는다는 것은 분명합니다. 피초), 광신호가 1mm 를 떠났다.

레이저 거리 측정기는 각 레이저 신호로만 단일 점에서 기기까지의 거리를 측정할 수 있습니다. 따라서 스캐너가 전체 시야를 스캔하려면 각 레이저 신호를 다른 각도로 발사해야 합니다. 이 레이저 거리 측정기는 자체 수평 회전 또는 시스템 내부의 회전 반사경을 통해 이를 수행할 수 있습니다. 회전 거울은 가볍고 원주 스캔 속도가 빠르며 정확도가 높기 때문에 광범위하게 응용된다. 일반적인 시차 측정 레이저 스캐너는 초당 약10,000 에서100,000 개의 대상점을 측정할 수 있습니다.

삼각 측량 (삼각 측량)

레이저 삼각 측량 센서 원리. 두 물체의 위치를 보여 주었다.

삼각 측량 3D 레이저 스캐너는 레이저를 사용하여 환경 조건을 감지하는 활성 스캐너이기도 합니다. 비행 시간 거리 측정법에 비해 삼각 거리 측정법 3D 레이저 스캐너는 테스트된 물체에 레이저를 발사하고, 카메라를 이용하여 테스트된 물체의 레이저 플레어를 찾는다. 측정된 물체 (삼각 측량 3D 레이저 스캐너) 와의 거리에 따라 카메라 화면에서 레이저 플레어의 위치도 다릅니다. 이 기술은 레이저 플레어, 카메라 및 레이저 자체가 삼각형을 형성하기 때문에 삼각 측량법이라고 합니다. 이 삼각형에서 레이저와 카메라 사이의 거리와 삼각형의 레이저 각도는 알려진 조건입니다. 카메라 화면에서 레이저 플레어의 위치를 통해 삼각형의 카메라 각도를 결정할 수 있습니다. 이 세 가지 조건은 하나의 삼각형을 결정하여 테스트된 물체의 거리를 계산할 수 있다. 대부분의 경우 단일 레이저 플레어는 선형 레이저 줄무늬로 대체되고, 측정된 물체는 레이저 줄무늬로 스캔되어 전체 측정 과정을 크게 가속화합니다. 캐나다 국립연구위원회는 삼각 레이저 스캐닝 기술 연구 및 개발에 주력하는 협회 중 하나입니다 (1978).

휴대용 레이저

휴대용 레이저 스캐너는 앞서 언급한 삼각 측량법을 통해 3D 그래픽을 구축합니다. 즉, 핸드헬드 장치를 통해 테스트될 물체에서 레이저 플레어 또는 선형 레이저를 방출합니다. 두 개 이상의 감지기 (전기 결합 구성 요소 또는 위치 감지 구성 요소) 를 사용하여 측정할 물체의 표면과 핸드헬드 레이저 제품 사이의 거리를 측정할 때 일반적으로 특정 참조점 (일반적으로 점도 및 반사 패치) 을 사용하여 공간에서 스캐너를 찾고 교정해야 합니다. 이 스캐너에서 얻은 데이터는 컴퓨터로 입력되고 소프트웨어를 통해 3D 모델로 변환됩니다. 휴대용 레이저 스캐너는 일반적으로 수동 스캔 (가시광선) 에서 얻은 데이터 (예: 테스트된 물체의 구조, 색상 분포 등) 를 결합하여 테스트된 물체의 보다 완벽한 3D 모델을 만듭니다.

구조 조명 (구조 조명)

1 차원 또는 2 차원 이미지를 테스트된 물체에 투영하고 이미지의 변형에 따라 테스트된 물체의 표면 모양을 판단하여 매우 빠른 속도로 스캔할 수 있습니다. 이 방법은 한 번에 한 점을 측정하는 프로브에 비해 한 번에 여러 점이나 넓은 영역을 측정할 수 있으므로 동적 측정에 사용할 수 있습니다.

조명 변조 조명 3d 스캐너는 시간에 따라 빛의 강도를 지속적으로 조정합니다. 일반적으로 사용되는 변조 방식은 주기적인 사인파입니다. 비디오에 있는 각 픽셀의 밝기 변화와 빛의 위상차를 관찰하여 거리 깊이를 계산할 수 있습니다. 변조 광원은 레이저 또는 프로젝터 일 수 있습니다. 레이저 에너지는 매우 높은 정확도를 달성 할 수 있지만이 방법은 소음에 매우 민감합니다.

무접촉 수동 스캔

패시브 스캐너 자체는 레이저와 같은 방사선을 발사하지 않고 측정된 물체의 표면에 반사되는 주변 방사선을 측정하여 원하는 효과를 얻습니다. 환경의 가시광선 복사로 인해 쉽게 얻고 사용할 수 있습니다. 이러한 스캐너의 대부분은 주로 환경에서 가시 광선을 감지합니다. 그러나 적외선과 같은 가시광선에 상대적인 다른 방사선도 이 용도로 사용할 수 있습니다. 대부분의 경우 수동 스캔 방법에는 특별한 사양의 하드웨어 지원이 필요하지 않기 때문에 이러한 수동 제품은 종종 상당히 저렴합니다.

입체법

전통적인 입체 영상 시스템은 함께 놓인 두 개의 카메라를 사용하여 재건할 물체를 평행으로 관찰한다. 개념적으로, 이 방법은 인간이 눈으로 인식하는 비디오 오버레이를 통해 깊이를 추정하는 것과 유사합니다 (물론 인간의 뇌는 깊이 정보에 대한 인식이 훨씬 더 복잡합니다). 두 카메라의 거리와 초점 거리를 알고 있고 잘린 왼쪽 및 오른쪽 사진을 성공적으로 중첩할 수 있다면 깊이 정보를 신속하게 추론할 수 있습니다. 이 방법은 효과적인 픽셀 일치 분석에 의존하며 일반적으로 블록 일치 또는 핵 형상 알고리즘을 사용하여 수행됩니다.

두 개의 카메라를 사용하는 입체 시각 방법을 쌍안이라고도 하며, 더 많은 카메라를 사용하는 3 안 및 기타 확장 방법도 있습니다.

그림자에서 모양을 형성하다

앞서 B.K.P. Horn 과 같은 학자들은 비디오 픽셀의 밝기 값을 미리 설계된 색도 모델에 대입해 방정식을 풀자고 제안했다. 방정식의 해법은 깊이 정보다. 방정식의 미지수가 제한보다 많기 때문에 더 많은 가설조건을 통해 해세트의 범위를 좁혀야 한다. 예를 들어, 표면 미세성, curvatureconstraint, 매끄러움 등 더 많은 제한을 증가시켜 정확한 해석을 얻을 수 있습니다. 이 방법 이후 우드햄은 입체광학 방법을 추론했다.

입체 광학 (포토메트릭 입체)

입체광법은 광도 성형법에서 단일 사진의 정보 제공 부족을 보완하기 위해 한 대의 카메라로 여러 장의 사진을 촬영하고 촬영 각도가 같지만 빛의 조명 조건은 다르다. 가장 간단한 입체 광학 방법은 세 개의 광원으로 세 개의 다른 방향에서 측정할 물체를 비추고 한 번에 하나의 광원만 켜는 것이다. 촬영이 완료되면 3 장의 사진을 합성하고 광학에서 이상적인 확산 모델을 사용하여 물체 표면의 그라데이션 벡터를 해석합니다. 벡터 필드를 통합하면 3D 모형을 얻을 수 있습니다. 이 방법은 매끄럽고 럼버 표면과 비슷하지 않은 물체에는 적용되지 않습니다.

등고선법

이 방법은 객체의 일련의 윤곽선을 사용하여 3d 솔리드를 형성합니다. 객체 표면의 일부를 윤곽선에 표시할 수 없는 경우 재구성 후 3D 정보가 손실됩니다. 일반적인 방법은 테스트 대상 개체를 전기 턴테이블에 놓고, 작은 각도를 회전할 때마다 비디오를 촬영한 다음, 비디오 처리 기술을 통해 배경을 제거하고, 윤곽선을 제거하고, 각 각도의 윤곽선을 수집한 다음 3 차원 모델로 "조각" 하는 것입니다.

사용자 도움말

또한 재구성 과정에서 사용자가 정보를 제공해야 하는 방법도 있으며, 인간 시각 시스템의 고유한 성능을 통해 재구성 프로세스를 지원할 수 있습니다. 이 방법들은 모두 사진 촬영의 원리를 바탕으로 같은 물체에 비디오를 촬영하여 3 차원 정보를 계산한다. 또 다른 유사한 방법은 panoramicreconstruction 입니다. 즉, 주변 비디오를 점으로 촬영하고 장면 환경을 다시 만드는 것입니다.

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3D 셀카 Madrodin 제작, Shapeways3D 인쇄. 환상곡 3D 셀카 촬영소

리버스 엔지니어링

리버스 엔지니어링은 가공 프로세스, 조직 구조, 기능 성능 사양 등과 같은 제품의 설계 요소를 도출하기 위해 대상 제품을 역분석하고 연구하는 기술 프로세스입니다. , 생산 기능은 비슷하지만 완전히 동일하지 않은 제품입니다. 리버스 엔지니어링은 비즈니스 및 군사 분야의 하드웨어 분석에서 비롯됩니다. 주요 목적은 필요한 생산 정보를 쉽게 얻을 수 없을 때 완제품 분석에서 제품의 설계 원리를 직접 도출하는 것입니다. 리버스 엔지니어링은 지적 재산권에 대한 심각한 침해로 오인될 수 있지만 실제 응용에서는 지적 재산권 소유자를 보호할 수 있습니다. 예를 들어, 집적 회로 분야에서 한 회사가 지적 재산권을 침해한 혐의를 받고 있다면 리버스 엔지니어링 기술을 이용하여 증거를 찾을 수 있습니다.

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