Waren Sie schon einmal überrascht, wie sich ein realer Gegenstand – eine filigrane Skulptur, ein Oldtimerteil oder sogar Ihre Lieblingskaffeetasse – perfekt als digitales Modell auf einem Computerbildschirm nachbilden lässt? Es fühlt sich ein bisschen wie Magie an, nicht wahr? Wir sehen den physischen Gegenstand direkt vor uns, und irgendwie verwandelt ihn ein 3D-Scanner in einen digitalen Bauplan.

Genau diese grundlegende Frage: „Wie funktionieren 3D-Scanner ?“ wollen wir hier untersuchen. Vergessen Sie den komplizierten Fachjargon; wir analysieren den faszinierenden Prozess, mit dem diese Geräte jede Kurve, Kontur und jedes Detail erfassen und greifbare Objekte in bearbeitbare, virtuelle Objekte umwandeln. Entdecken Sie die geniale Technologie, die die Lücke zwischen dem Physischen und dem Digitalen schließt!

3 Minuten, um die Grundlagen des 3D-Scannens zu erlernen – Was ist 3D-Scannen, Punktwolken und Netze?

Was ist 3D-Scannen im Kern? Es handelt sich um eine zerstörungsfreie Technologie, die die Form und oft auch das Aussehen (wie Farbe oder Textur) eines physischen Objekts oder einer Umgebung präzise erfasst. Stellen Sie es sich wie die Erstellung eines dreidimensionalen digitalen Fotos vor.

Der Weg von einem physischen Objekt zu einem digitalen Modell umfasst zwei wichtige Ausgabeformen:

Die Rohdaten: Punktwolken

Wenn ein 3D-Scanner (mit Ausnahme einiger industrieller 3D-Scanner, die die Netzgenerierung unterstützen) ein Objekt „sieht“, erstellt er nicht sofort ein perfektes, solides Modell. Stattdessen erfasst er Millionen einzelner Messungen, von denen jede einen winzigen Punkt auf der Objektoberfläche im dreidimensionalen Raum darstellt.

Diese Rohdaten bilden eine sogenannte Scanner-Punktwolke. Stellen Sie sich eine riesige Punktkonstellation vor, wobei jeder Punkt eine präzise X-, Y- und Z-Koordinate besitzt. Diese Punktwolke enthält alle geometrischen Informationen des gescannten Objekts und bietet eine unglaublich detaillierte, wenn auch unstrukturierte Darstellung.

Erstellen der Oberfläche: Netze

Eine Punktwolke liefert zwar die räumlichen Rohdaten, stellt aber für die meisten Anwendungen kein einsatzbereites 3D-Modell dar. Um diese Sammlung einzelner Punkte in ein solides, nutzbares digitales Objekt umzuwandeln, verbindet spezielle Software diese Punkte zu einem Netz.

Ein Mesh ist im Wesentlichen ein Netzwerk aus miteinander verbundenen Eckpunkten, Kanten (Verbindungslinien) und Flächen (meist Dreiecke oder Vierecke), die zusammen die durchgehende Oberfläche des Objekts bilden. Dieser Vernetzungsprozess erzeugt ein wasserdichtes oder unwasserdichtes (Das wasserdichte Modell ist für den 3D-Druck vorgesehen und das nicht wasserdichte Modell eher für spätere Bearbeitungen), bearbeitbares 3D-Modell, das leicht bearbeitet, strukturiert oder für Prozesse wie den 3D-Druck vorbereitet werden kann .

3D-Scan- und Bildgebungsprozess

Der grundlegende 3D-Scan- und Bildgebungsprozess lässt sich als klarer Ablauf visualisieren:

Physisches Objekt → Eine Punktwolkendarstellung → Ein endgültiges Netzmodell

Diese Transformation ist die Essenz der berührungslosen Messtechnik und legt den Grundstein für die Integration der physischen in die digitale Welt.

3D-Scannertypen, kategorisiert nach 3D-Datenerfassungsmethoden

So wie unsere Augen die Welt je nach Lichtverhältnissen oder Fokus unterschiedlich wahrnehmen, verwenden 3D-Scanner verschiedene Methoden, um die Geometrie eines Objekts zu erfassen.

Diese Methoden lassen sich je nach ihrer Interaktion mit dem Objekt in zwei Hauptkategorien einteilen: Kontaktscannen und berührungsloses Scannen.

Quelle: https://www.einscan.com/applications/3d-scanning-101-all-you-should-know-about-3d-scanning-2/

Kontaktscannen: Der berührungsbasierte Ansatz

Wie der Name schon sagt, wird beim Kontaktscannen die Oberfläche eines Objekts berührt, um dessen Abmessungen zu messen. Diese Systeme verwenden typischerweise eine Sonde oder einen Stift, der über das Objekt fährt und an jedem Kontaktpunkt präzise Koordinaten aufzeichnet.

Während Kontaktscanner eine außergewöhnliche Genauigkeit bieten, insbesondere bei definierten Punkten, können sie langsamer sein und sind möglicherweise nicht für empfindliche oder verformbare Objekte geeignet.

Berührungsloses Scannen: Messen ohne Berührung

Berührungslose Scanverfahren erfassen Daten ohne physische Interaktion mit dem Objekt. Sie eignen sich für die Erfassung einer Vielzahl von Materialien und Anwendungen. Diese breite Kategorie lässt sich weiter unterteilen:

Passive berührungslose Methoden

Passive Methoden geben selbst keine Energie (wie Licht oder Schall) ab. Stattdessen nutzen sie Umgebungslicht oder die vom Objekt abgegebene Energie. Obwohl sie keine „Scanner“ im herkömmlichen aktiven Sinne sind, sind sie für die 3D-Rekonstruktion und die Erstellung von 3D-Modellen von entscheidender Bedeutung. Passive berührungslose Verfahren haben auch ihre Wurzeln in „Shape from X“, stehen aber heute nicht im Fokus.

Aktive berührungslose Methoden

Aktive 3D-Scanner geben ihre eigene Energie (Licht, Laser, Schall, Röntgenstrahlen) ab und analysieren anschließend die Wechselwirkung dieser Energie mit dem Objekt, um dessen Form zu bestimmen. Dies sind die gängigsten und vielseitigsten 3D-Scantechnologien.

Bei 3D-Scannern, die in gängigen Projekten eingesetzt werden, spielt die optische Aktivität die Hauptrolle. Im nächsten Abschnitt stellen wir diesen 3D-Scannertyp genauer vor.

Erfahren Sie mehr über die Technologie der vorliegenden 3D-Scanner – Active Optical

Aktive optische 3D-Scanner zeichnen sich durch die Nutzung von Licht – sei es Laserlicht, strukturierte Muster oder gepulste Strahlen – aus, um ein Objekt zu beleuchten und dessen Geometrie zu erfassen. Die Art und Weise, wie dieses Licht mit der Oberfläche interagiert und von einer Kamera beobachtet wird, bildet die Grundlage der 3D-Datenerfassung.

1.        Laserlicht-3D-Scanning: Präzision durch einen Punkt oder eine Linie

Eine der frühesten und noch immer hochwirksamen aktiven optischen Methoden nutzt Laserlicht.

Prinzip

Laserscanner projizieren typischerweise einen einzelnen Laserpunkt oder eine Laserlinie auf die Objektoberfläche. Eine Kamera, die in einem bekannten Abstand zum Laseremitter positioniert ist, beobachtet die Position dieses Punktes oder dieser Linie.

Da Kamera und Laser durch einen festen Abstand (die „Basislinie“) voneinander getrennt sind, ermöglicht jede Verzerrung oder Verschiebung des Laserpfads auf der Objektoberfläche dem System, die genaue Entfernung zu diesem Punkt mithilfe trigonometrischer Prinzipien (Triangulation) zu berechnen. Während sich der Laser über das Objekt bewegt oder das Objekt rotiert, werden Millionen dieser Entfernungsmessungen erfasst, um die Scanner-Punktwolke zu bilden.

Anwendungen

Laserscanner sind für ihre hohe Genauigkeit und die Fähigkeit bekannt, selbst kleinste Details zu erfassen. Sie werden häufig in der Qualitätskontrolle, im Reverse Engineering, bei der Inspektion von Industrieteilen und sogar im Kulturerbe eingesetzt, wo Präzision von größter Bedeutung ist.

2.        Strukturiertes Licht 3D-Scanning

Die vielleicht gebräuchlichste und vielseitigste aktive optische Methode für allgemeine Scanzwecke, insbesondere für Objekte, die auf einen Schreibtisch passen oder schnell erfasst werden müssen, ist das 3D-Scannen mit strukturiertem Licht .

Prinzip

Im Gegensatz zu einem einzelnen Laserpunkt projiziert ein 3D-Scanner mit strukturiertem Licht ein bekanntes Lichtmuster auf die Objektoberfläche. Dieses Muster kann von einfachen parallelen Linien bis hin zu komplexen Gittern oder zufälligen Punktanordnungen reichen.

Eine Kamera erfasst, wie sich das projizierte Muster verformt oder verzerrt, wenn es über die Konturen des Objekts fällt. Wie bei der Lasertriangulation analysiert das System diese Verzerrungen, um Tiefe und Form der Oberfläche zu berechnen und so eine hochdetaillierte 3D-Rekonstruktion zu erstellen.

Lichtmuster/Technologien im strukturierten Licht

• Phasenverschiebung : Projiziert eine Reihe von Mustern, deren Phase sich (wie Wellen) ändert. Durch die Analyse der Verzerrung dieser Phasenverschiebungen können diese Scanner eine unglaublich hohe Genauigkeit und dichte Punktwolken erreichen, oft im Mikrometerbereich.

• Multi-Line : Projiziert mehrere parallele Linien gleichzeitig auf das Objekt. Dies ermöglicht eine schnellere Datenerfassung im Vergleich zum Einzellinienscannen und ist daher effizient für tragbare 3D-Scanner für den 3D-Druck oder das schnelle Scannen größerer Flächen.

• Speckle (oder Zufallspunkt/codiertes Licht) : Projiziert ein zufälliges Punktmuster oder ein einzigartiges „codiertes“ Lichtmuster auf das Objekt. Dies ermöglicht sehr schnelle Erfassungsraten und eignet sich daher für Handscans mit Bewegungen, da jedes erfasste Bild genügend einzigartige Informationen für die Triangulation enthält.

Die Projektion dieser komplexen Lichtmuster basiert auf hochentwickelten Anzeigetechnologien:

• Digital Light Processing (DLP) : DLP-Chips sind häufig in Projektoren zu finden und enthalten Millionen winziger Spiegel, die einzeln geneigt werden können, um die präzisen Lichtmuster zu erzeugen und zu projizieren, die für das strukturierte Lichtscannen erforderlich sind.

• Diffraktive optische Elemente (DOE) : Dies sind optische Komponenten, die einen einzelnen Lichtstrahl in ein bestimmtes Muster, beispielsweise ein Gitter oder eine Anordnung von Punkten, aufteilen oder formen können, ohne dass eine komplexe digitale Projektion erforderlich ist.

• VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) : Obwohl es sich um eine Art Laser handelt, werden VCSEL-Arrays aufgrund ihrer Effizienz, kompakten Größe und Fähigkeit, mehrere Laserstrahlen gleichzeitig auszusenden, zunehmend in strukturierten Lichtsystemen, insbesondere für Speckle-Muster, eingesetzt.

3.         Weißes Licht & Blaues Licht

Beim strukturierten Lichtscannen hört man oft von „Weißlicht“- und „Blaulicht“-Scannern.

• Weißes Licht : Herkömmliche Strukturlichtscanner verwenden häufig weißes Licht mit breitem Spektrum.

• Blaues Licht : Viele moderne Strukturlichtscanner verwenden blaues Licht. Dies liegt an der kürzeren Wellenlänge von blauem Licht, was zu einer höheren Auflösung und einer genaueren Datenerfassung führt, insbesondere bei dunkleren oder anspruchsvolleren Oberflächen . Blaues Licht reduziert zudem Störungen durch Umgebungslicht und verbessert so die Genauigkeit in unterschiedlichen Umgebungen.

4.        Time-of-Flight (ToF) 3D-Scannen

ToF-Scanner senden einen Lichtimpuls (oft Infrarot) aus und messen dann die genaue Zeit, die dieser Lichtimpuls benötigt, um vom Scanner auf die Oberfläche des Objekts zu gelangen und zum Sensor des Scanners zurückzukehren.

Wo Sie Ihre 3D-Reise beginnen sollten

Anfängern und Profis, die einen zuverlässigen, vielseitigen und benutzerfreundlichen Einstieg in dieses spannende Feld suchen, empfehlen wir dringend, sich die tragbaren 3D-Scanner von EINSTAR anzusehen.

EINSTAR verkörpert modernste Strukturlichttechnologie und bietet ein außergewöhnliches Gleichgewicht aus Auflösung, Geschwindigkeit und Benutzerfreundlichkeit in einem kompakten, handlichen Design . Es ermöglicht hochwertige 3D-Rekonstruktionen und ermöglicht die Erfassung detaillierter Scan-Punktwolken, die sich nahtlos in lebendige, nutzbare 3D-Modelle verwandeln.

Sind Sie bereit, Ihre physischen Objekte in digitale Meisterwerke zu verwandeln?

Entdecken Sie die Leistungsfähigkeit und Vielseitigkeit von EINSTAR und beginnen Sie noch heute Ihre Reise ins 3D-Scanning!

Entdecken Sie jetzt die tragbaren 3D-Scanner von EINSTAR!