اسکنر سه‌بعدی چیست و چگونه کار می‌کند؟

اسکنر سه‌بعدی چیست؟

اسکنر سه‌بعدی ابزاری برای اندازه‌گیری و ثبت هندسه یک جسم در فضای سه‌بعدی است.

برخلاف روش‌های سنتی که ممکن است برای اندازه‌گیری یک قطعه به ابزارهایی مانند کولیس، میکرومتر یا دستگاه CMM نیاز داشته باشیم، اسکنر سه‌بعدی می‌تواند تعداد بسیار زیادی از نقاط سطح جسم را ثبت کند و یک نمایش دیجیتال از شکل آن ایجاد کند.

به مجموعه نقاطی که از سطح جسم به دست می‌آید، Point Cloud یا ابر نقاط گفته می‌شود.

این داده‌ها را می‌توان در نرم‌افزارهای تخصصی پردازش کرد و در نهایت یک مدل سه‌بعدی از قطعه ایجاد کرد.

اسکنر سه‌بعدی چگونه کار می‌کند؟

روش کار اسکنر سه‌بعدی به فناوری استفاده‌شده در آن بستگی دارد، اما فرآیند کلی را می‌توان در چند مرحله خلاصه کرد.

۱. تابش نور یا لیزر روی سطح

اسکنر با استفاده از یک منبع نوری، مانند نور ساختاریافته یا لیزر، اطلاعات سطح جسم را دریافت می‌کند.

در اسکنرهای Structured Light، الگوهای مشخصی از نور روی سطح جسم تابانده می‌شوند.

در اسکنرهای لیزری، معمولاً یک نقطه یا خط لیزر روی سطح جسم قرار می‌گیرد.

۲. دریافت اطلاعات توسط دوربین

دوربین‌های موجود در اسکنر، نحوه قرارگیری نور یا لیزر روی سطح جسم را ثبت می‌کنند.

با توجه به شکل و تغییرات ایجادشده در الگو یا خط لیزر، سیستم می‌تواند موقعیت نقاط مختلف سطح را محاسبه کند.

۳. محاسبه مختصات سه‌بعدی

نرم‌افزار با استفاده از اطلاعات ثبت‌شده، مختصات نقاط مختلف را در فضای سه‌بعدی محاسبه می‌کند.

در بسیاری از سیستم‌های اسکن سه‌بعدی، این فرآیند بر اساس اصول هندسی و Triangulation یا مثلث‌بندی انجام می‌شود.

۴. ایجاد Point Cloud

پس از ثبت نقاط، مجموعه بزرگی از مختصات سه‌بعدی ایجاد می‌شود که به آن Point Cloud گفته می‌شود.

هرچه اطلاعات بیشتری از سطح قطعه ثبت شود، Point Cloud می‌تواند جزئیات بیشتری از هندسه جسم را نمایش دهد.

۵. تبدیل Point Cloud به مدل سه‌بعدی

در مرحله بعد، نرم‌افزار می‌تواند نقاط ثبت‌شده را پردازش کرده و از آن‌ها یک Mesh یا سطح سه‌بعدی ایجاد کند.

مدل حاصل می‌تواند برای مهندسی معکوس، مقایسه با مدل CAD، کنترل کیفیت یا سایر کاربردهای مهندسی استفاده شود.

Point Cloud چیست؟

Point Cloud یا ابر نقاط مجموعه‌ای از نقاط دارای مختصات سه‌بعدی است که شکل و هندسه سطح یک جسم را نمایش می‌دهد.

هر نقطه معمولاً دارای مختصات X، Y و Z است.

برای مثال، اگر یک قطعه صنعتی را با اسکنر سه‌بعدی اسکن کنیم، دستگاه می‌تواند تعداد بسیار زیادی نقطه روی سطح قطعه ثبت کند.

این نقاط در کنار یکدیگر شکل کلی قطعه را تشکیل می‌دهند و می‌توان آن‌ها را در نرم‌افزارهای تخصصی مشاهده و پردازش کرد.

Mesh چیست؟

پس از ایجاد Point Cloud، می‌توان نقاط را به یکدیگر متصل کرد و یک سطح سه‌بعدی ایجاد کرد.

به این سطح سه‌بعدی Mesh گفته می‌شود.

Mesh معمولاً از تعداد زیادی چندضلعی، به‌خصوص مثلث‌ها، تشکیل شده است.

به زبان ساده می‌توان فرآیند را این‌طور خلاصه کرد:

Scan → Point Cloud → Mesh → مدل سه‌بعدی

البته بسته به نرم‌افزار، دستگاه و کاربرد، مراحل پردازش و فرمت خروجی می‌تواند متفاوت باشد.

Alignment در اسکن سه‌بعدی چیست؟

هنگام اسکن یک قطعه، معمولاً یک برداشت برای ثبت تمام قسمت‌های جسم کافی نیست.

به همین دلیل اسکنر از زوایای مختلف داده جمع‌آوری می‌کند.

در این حالت، نرم‌افزار باید اسکن‌های مختلف را نسبت به یکدیگر قرار دهد تا در نهایت یک مدل یکپارچه ایجاد شود.

به این فرآیند Alignment یا هم‌ترازی اسکن‌ها گفته می‌شود.

برای انجام Alignment روش‌های مختلفی وجود دارد، از جمله:

• استفاده از نقاط مشترک
• استفاده از نشانگرها یا Markers
• استفاده از ویژگی‌های هندسی سطح
• روش‌های ترکیبی نرم‌افزاری

کیفیت Alignment می‌تواند روی نتیجه نهایی اسکن تأثیر داشته باشد.

انواع فناوری‌های اسکن سه‌بعدی

اسکنرهای سه‌بعدی با فناوری‌های مختلفی ساخته می‌شوند. چند فناوری رایج عبارت‌اند از:

اسکنرهای نور ساختاریافته

در این روش، الگوهای نوری مشخصی روی سطح جسم تابانده شده و دوربین تغییر شکل این الگوها را ثبت می‌کند.

این فناوری در بسیاری از اسکنرهای سه‌بعدی دستی و صنعتی استفاده می‌شود.

برای آشنایی بیشتر با تفاوت این فناوری با اسکن لیزری، می‌توانید مقاله تفاوت اسکنر سه‌بعدی نوری و لیزری را نیز مطالعه کنید.

اسکنرهای لیزری

در اسکنرهای لیزری، یک نقطه یا خط لیزر روی سطح جسم تابانده می‌شود و سیستم با ثبت موقعیت آن، اطلاعات سه‌بعدی سطح را محاسبه می‌کند.

این فناوری در بسیاری از کاربردهای صنعتی و سیستم‌های قابل حمل استفاده می‌شود.

اسکنرهای سه‌بعدی مبتنی بر فوتوگرامتری

در فوتوگرامتری، با استفاده از تصاویر متعدد از یک جسم یا محیط و پردازش نرم‌افزاری، اطلاعات سه‌بعدی استخراج می‌شود.

این روش با اسکنرهای نوری و لیزری تفاوت دارد و در کاربردهای مختلف تصویربرداری و بازسازی سه‌بعدی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

چه عواملی روی کیفیت اسکن سه‌بعدی تأثیر دارند؟

کیفیت نتیجه اسکن فقط به خود دستگاه وابسته نیست.

عوامل مختلفی می‌توانند روی نتیجه نهایی تأثیر بگذارند، از جمله:

دقت اسکنر

Accuracy نشان می‌دهد اندازه‌گیری دستگاه تا چه اندازه به مقدار واقعی نزدیک است.

البته نحوه تعیین و گزارش دقت می‌تواند بین دستگاه‌ها متفاوت باشد و هنگام مقایسه باید شرایط اعلام‌شده توسط سازنده را نیز بررسی کرد.

Resolution

رزولوشن به توانایی سیستم در ثبت جزئیات و فاصله بین داده‌های ثبت‌شده مربوط می‌شود.

Resolution و Accuracy یک مفهوم نیستند و نباید این دو اصطلاح را با یکدیگر اشتباه گرفت.

جنس و رنگ سطح

سطوح بسیار براق، شفاف یا بسیار تیره می‌توانند برای برخی فناوری‌های اسکن چالش ایجاد کنند.

در چنین شرایطی ممکن است به آماده‌سازی سطح یا تنظیمات مناسب نیاز باشد.

نور محیط

برخی فناوری‌های نوری می‌توانند نسبت به نور شدید محیط حساس باشند.

به همین دلیل شرایط محیطی نیز باید هنگام اسکن در نظر گرفته شود.

روش Tracking و Alignment

در اسکنرهای دستی، نحوه دنبال کردن حرکت دستگاه روی قطعه و همچنین روش اتصال اسکن‌های مختلف به یکدیگر می‌تواند روی کیفیت مدل نهایی تأثیر بگذارد.

کاربردهای اسکنر سه‌بعدی چیست؟

اسکن سه‌بعدی در صنایع و حوزه‌های مختلف استفاده می‌شود.

مهندسی معکوس

یکی از مهم‌ترین کاربردهای اسکنر سه‌بعدی، ایجاد مدل دیجیتال از قطعاتی است که مدل CAD آن‌ها در دسترس نیست.

با اسکن قطعه می‌توان هندسه آن را ثبت و سپس در نرم‌افزارهای مهندسی از آن برای بازطراحی یا ساخت مجدد استفاده کرد.

کنترل کیفیت

با مقایسه مدل اسکن‌شده با مدل CAD یا داده مرجع، می‌توان اختلافات هندسی و ابعادی را بررسی کرد.

این کاربرد در تولید قطعات صنعتی، قالب‌سازی و صنایع مختلف اهمیت زیادی دارد.

طراحی و توسعه محصول

اسکن سه‌بعدی می‌تواند برای ثبت نمونه‌های فیزیکی و استفاده از اطلاعات آن‌ها در فرآیند طراحی محصول به کار رود.

بازرسی و تعمیر قطعات

در برخی پروژه‌ها، اسکن قطعه قبل و بعد از تعمیر می‌تواند برای بررسی تغییرات هندسی مورد استفاده قرار گیرد.

پزشکی و دندانپزشکی

اسکن سه‌بعدی در حوزه پزشکی و دندانپزشکی نیز کاربردهای متنوعی دارد؛ از جمله ثبت هندسه بدن یا اجزای مختلف و استفاده از داده سه‌بعدی در فرآیندهای طراحی و ساخت.