3D Scanner – Wat is het eigenlijk?

In dit bericht laat ik u kennismaken met 3D-scannen. Wat sommigen zeker zien als een middel om een doel te bereiken bij de produktie van kleurrijke figuren is op zichzelf een aparte – zeer mooie – discipline in ons universum. Eerst zal ik u een overzicht geven van de verschillende 3D-scanners. Daarna leert u de verschillende methoden van 3D scannen kennen en hopelijk weet u aan het eind van het artikel veel meer dan nu.

Wat is 3D scannen?

Bij de conventionele voorbereiding van 3D-printen moet het te printen voorwerp eerst digitaal worden gemaakt als CAD-model. Naast de nodige software vereist dit ook een gedetailleerde kennis van de basisontwerpprocedures en uiteraard de nodige tijd. 3D-scannen vervangt het CAD-proces door het contactloos scannen van het te printen voorwerp met behulp van een laserstraal en een lichtscanner. De mogelijkheid om elk voorwerp contactloos te meten, maakt 3D-scannen geschikt voor het digitaliseren van delicate kunstvoorwerpen, prototypes en zelfs mensen!

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: 2022-11-27 / Bilder: Amazon API

Wat zijn de verschillende 3D scanning methodes?

Het klinkt bijna te eenvoudig om waar te zijn: in plaats van het vervelende en langdurige proces van het leren kennen van 3D grafische software, neemt u gewoon een standaard digitale camera, neemt u een paar foto’s en dan laat u de software een volledige, driedimensionale afbeelding maken van het gefotografeerde object – die geschikt is voor 3D printen op elke standaard 3D printer. Wat aanvankelijk leest als science fiction, werkt ook echt. En nog goed ook! Als alternatief voor de digitale camera zijn ook lijnlasers uit de bouwmarkt geschikt – of de Kinect-camera van Microsoft, die deel uitmaakt van de X-Box randapparatuur.
Tot de thans gangbare methoden op het gebied van 3D-scanning behoren fotogrammetrie (ook wel fotometrie genoemd), lichtdoorsnede (triangulatie), het werken met gecodeerd licht en het gebruik van de Kinect als onderdeel van de gestructureerde lichtmethode.

Hoe werkt fotogrammetrie?

In principe hebt u voor de fotogrammetrieprocedure precies twee dingen nodig: een digitale camera en een internetverbinding. Met de camera omcirkelt u het voorwerp dat later moet worden afgedrukt en neemt u foto’s vanuit alle gezichtshoeken. De resulterende foto’s worden vervolgens geüpload naar gespecialiseerde webdiensten zoals my3Dscanner.com of 123D Catch van Autodesk. Na de upload beginnen de diensten met de analyse van de beelden en creëren zij een driedimensionaal beeld van het voorwerp. Om dit proces te laten werken, moeten de foto’s kenmerkende punten bevatten – bijvoorbeeld scherpe lijnen of licht-donkerpatronen die in alle foto’s terugkomen. Alleen op die manier kan de software van de dienstverlener herkennen waar het gefotografeerde voorwerp zich precies in de ruimte bevindt. Bij het maken van het driedimensionale object genereert de software eerst een “puntenwolk” uit de gegevens in de beeldbestanden, vervolgens verfijnt zij deze wolk en tenslotte genereert zij een digitaal oppervlaktenet tussen de punten. Zodra de berekening van het 3D-object is voltooid – wat tot een dag kan duren – ontvangt de gebruiker het voltooide bestand gemakkelijk per e-mail.

Hoe werkt de licht sectie methode?

Een digitale camera is ook vereist voor het doorsnijden van het licht. De gemakkelijke ondersteuning die een webdienst biedt, is hier echter achterwege gelaten; in plaats daarvan is extra hardware vereist. Deze hardware kan in elke bouwmarkt worden gevonden in de vorm van een lijnlaser. De lijnlaser wordt gebruikt om het te digitaliseren object plakje voor plakje te markeren, zodat het vervolgens kan worden opgenomen met de camera aan de zijkant. Op deze wijze worden hoeken tussen de laser, het voorwerp en de camera zichtbaar – die, in combinatie met de vervormingen van de beeldopnamen, de triangulatie van de diepte voor elk punt op de laserlijn mogelijk maken.
Om een volledig beeld van het voorwerp te verkrijgen, moet de laserlijn eenmaal volledig over het voorwerp worden gezwenkt – en wel van alle kanten. De resulterende afzonderlijke beelden hoeven dan “alleen nog maar” met geschikte software te worden samengevoegd. Wij hebben het “slechts” met opzet tussen haakjes gezet, omdat dit deel eigenlijk het moeilijkst is. Overlappingspunten op de afzonderlijke beelden moeten handmatig worden gevonden en vervolgens aan het programma worden meegedeeld. Bevredigende resultaten kunnen alleen worden bereikt met voldoende oefening!

Hoe werkt het werken met gecodeerd licht?

Werken met gecodeerd licht is ook een van de lichtsectiemethoden, maar dan in een geoptimaliseerde vorm. In plaats van een lijnlaser hebt u naast de digitale camera een beamer nodig – wat de prijs van de apparatuur natuurlijk opdrijft. Bij het werken met gecodeerd licht komt elk punt op het oppervlak van een voorwerp overeen met een coördinaat. De projector werpt nu verschillende licht-donkerpatronen in strepen op het voorwerp, terwijl de camera tegelijkertijd registreert of het thans waargenomen punt zich in het licht of in het donker bevindt. Voor de verwerking wordt binaire code gebruikt: Licht correspondeert met een 1, donker met een 0. Voor de temporele opeenvolging van het patroon wordt het nummer van elke strook van de projector gecodeerd in Grijze Code, waarbij het nummer correspondeert met een coördinaat in de projector. Zodra de coördinaten van het beeld en de beamer zijn gegenereerd, kan de diepte van elk punt op het voorwerp worden berekend. Om een volledig driedimensionaal beeld van het voorwerp te krijgen, moet het van verschillende kanten worden gescand, zoals bij de andere methoden, en moeten de scans vervolgens met behulp van software worden samengevoegd.

Hoe werkt de 3D scan met gestructureerd licht en de Kinect?

De Kinect-camera van Microsoft is oorspronkelijk ontwikkeld voor de bewegingsbesturing van de Xbox 360. De technische basisstructuur van de Kinect maakt het toestel echter ook interessant voor andere toepassingen dan computerspelletjes – waaronder 3D-scannen. Kinect werkt met een infrarode laser die kleine, heldere en donkere stippen (spikkels) in de kamer “tekent”. Verschillende punten worden altijd gecombineerd om een patroon te vormen. Door opgeslagen referentiepatronen te vergelijken met het opgenomen patroon, berekent de Kinect vervolgens een dieptebeeld. Aangezien de Kinect de volledige ruimtelijke diepte van alle punten in een beeld met één enkele opname kan vastleggen, is het proces buitengewoon snel.

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

* Stand: 2022-11-27 / Bilder: Amazon API

De scanstructuur

Elk van de vier bovengenoemde methoden vereist zijn eigen typische opstelling van camera en randapparatuur. Wij zullen u de basisstructuur in het kort uiteenzetten.

Scanopstelling voor fotogrammetrie

Camera in de hand en aan de slag – met fotogrammetrie is een grondige set-up niet nodig. Belangrijker is hier de manier waarop een voorwerp wordt gefotografeerd. De beste resultaten worden verkregen wanneer het voorwerp zijwaarts wordt omcirkeld en voortdurend wordt gefotografeerd. Een rondreis zou 30 beelden of meer moeten opleveren. Indien mogelijk moet het voorwerp één keer van opzij worden gefotografeerd, één keer met een licht bovenaanzicht en één keer vanuit het perspectief van de kikker. Het is ook mogelijk het object als video op te nemen en het vervolgens als een reeks beelden te exporteren.

Scanstructuur voor de lichtdoorsnede-methode

De scanopstelling voor de lichtdoorsnede-methode kan aanzienlijk complexer zijn. Voor het pannen van de laser over het oppervlak zijn handmatige geleiding van de laser en het gebruik van gratis, zelfgedrukte kalibratiehulpmiddelen voldoende – maar als u het proces professioneler wilt aanpakken en navenante resultaten van hoge kwaliteit wilt, hebt u naast een lijnlaser een camera met ten minste 2 megapixels, een grondplaat en kalibratievlakken nodig. Het scannen wordt nog professioneler en vooral sneller wanneer het zwenken wordt geautomatiseerd met behulp van een motor en besturingselektronica.

Scanopstelling bij het werken met gecodeerd licht

Bij de methode met gecodeerd licht worden een lijnprojector (beamer) en een camera opgesteld op een vooraf bepaalde afstand, de triangulatiebasis, van het te registreren voorwerp. Deze afstand moet stabiel blijven, zelfs als het object van verschillende kanten wordt gefotografeerd.

Scanopstelling voor 3D-scan met Kinect

Aangezien de Kinect onmiddellijk de volledige ruimtelijke diepte van een voorwerp vastlegt met één enkele opname van de infraroodcamera, hoeft bij de opstelling nergens speciaal rekening mee te worden gehouden, behalve met een minimumafstand tussen de Kinect en het voorwerp.

De voor- en nadelen van de afzonderlijke procedures

Elk van de hier genoemde methoden op het gebied van 3D-scannen heeft zijn eigen voordelen – en natuurlijk ook nadelen. We zullen daarom beide kanten van de medaille in opsommingstekens behandelen.

Fotogrammetrie – Voordelen

  • Beginnersvriendelijk
  • Verhoudingsgewijs goedkoop, vooral voor eerste pogingen
  • Geen CAD software of overeenkomstige kennis nodig.
  • Geen ingewikkelde set-up nodig: een standaard digitale camera is alles wat nodig is.
  • Werkt goed voor buitenopnamen bij bewolkte hemel.

Fotogrammetrie – Nadelen

  • Werkt niet in direct zonlicht of tegenlicht.
  • Werkt niet met glanzende of reflecterende objectoppervlakken.
  • Dienstverleners hebben tot 24 uur nodig om de 3D-gegevens te verstrekken.
  • Afgezien van het eigenlijke voorwerp mogen er geen andere motieven op de beelden voorkomen, aangezien dit het algoritme van de analysesoftware zou overbelasten.
  • Voor echt goede resultaten zijn een camera van hoge kwaliteit en een complexe scanopstelling noodzakelijk.

Lichte doorsnijding – Voordelen

  • Werkt zonder web service
  • De eerste proeven kunnen zeer goedkoop worden uitgevoerd met materiaal uit de bouwmarkt.
  • Noodzakelijke software beschikbaar als freeware.
  • Starterskits voor semi-professioneel gebruik van de technologie zijn ook verkrijgbaar tegen redelijke prijzen.

Lichte doorsnijding – Nadelen

  • Het systeem moet voor elke scan worden gekalibreerd, wat de inspanning verhoogt.
  • De afzonderlijke scans moeten handmatig in de software worden gecombineerd om een volledig beeld te vormen.
  • Ongeschikt als er te veel omgevingslicht is.
  • Werkt slecht bij het scannen van zeer donkere voorwerpen.
  • De nauwkeurigheid van het proces hangt altijd af van de dikte van de laserstraal.
  • Vastleggen van kleuren niet mogelijk.

Gecodeerd licht – voordelen

  • Gemakkelijker te hanteren dan licht doorsnijden.
  • De scansnelheid is aanzienlijk hoger.
  • Zeer nauwkeurige resultaten.

Gecodeerd licht – Nadelen

  • Niet geschikt voor het 3D scannen van kleine voorwerpen.
  • Ongeschikt bij invallend licht.
  • Zeer hoge instapprijs, zelfs voor starterskits.

Kinect – Voordelen

  • Zeer snel
  • Eén beeld is voldoende om de ruimtelijke diepte van een object vast te leggen.
  • Met een aankoopprijs van slechts ongeveer 100 euro is hij zeer betaalbaar.
  • Software gratis beschikbaar voor thuisgebruikers.

Kinect – Nadelen

  • Commerciële toepassingen zijn alleen toegestaan via Kinect voor Windows. Deze camera kan hetzelfde als de Xbox-versie, maar kost aanzienlijk meer.
  • Berekening van 3D gegevens vergt enorm veel geheugen.
  • Allergisch voor reflecties en transparante objectdetails.
  • Netspanning is vereist voor de werking, wat het gebruik buitenshuis bemoeilijkt.

Welke methode is het meest geschikt voor wat?

Fotogrammetrie

Neem onderweg een paar foto’s en houd korte tijd later het gefotografeerde voorwerp als 3D-afdruk in uw handen: Fotogrammetrie maakt het mogelijk. Het lijdt geen twijfel dat het proces een beginnersvriendelijke manier is om voorwerpen van allerlei aard om te zetten in afdrukbare gegevens. Voor wie zich niet met technische details wil bezighouden, geen belangstelling heeft voor CAD-programma’s en gewoon 3D-afdrukken wil ontvangen, kan momenteel niet om fotogrammetrie heen.

Lichtdoorsnede methode

De materie uitdiepen, geen grote bedragen uitgeven aan basistechnologie en uiteindelijk een bruikbaar resultaat bereiken – de lichtdoorsnede-methode is aanzienlijk minder beginnersvriendelijk dan fotogrammetrie, maar daar staat tegenover dat u niet afhankelijk bent van externe dienstverleners. Met name het assembleren van de afzonderlijke beelden in de software kan behoorlijk vervelend zijn; geduld en veel oefening zijn hier zeker nodig om tot bruikbare resultaten te komen.

Gecodeerd licht

Een hoge instapprijs voor de benodigde hardware mag geen afschrikmiddel zijn als u met de gecodeerde lichtmethode wilt werken. Anderzijds is deze vorm van 3D-scannen snel, betrouwbaar en nauwkeurig. Als u vooral grotere objecten wilt digitaliseren en niet afhankelijk bent van de weergave van de modeloppervlakken in ware kleur, kunt u zich zeker verder verdiepen in de technologie. Maar – en dit is iets wat deze methode gemeen heeft met de lichtdoorsnede-technologie – zij berust niet op een veelbelovende 3D-scan-methode. Daarvoor is de inspanning gewoon te hoog in vergelijking met fotogrammetrie of de Kinect.

Kinect

Voor een aankoopprijs van slechts 100 euro is de Kinect een krachtige 3D-scanner die vooral indruk maakt door zijn snelheid en flexibiliteit. Een actieve open-sourcegemeenschap zorgt ervoor dat geschikte software voor de verwerking en voorbereiding van de gescande gegevens gratis ter beschikking wordt gesteld en vooral voortdurend verder wordt ontwikkeld.

Maar let op: als de gegevens van de 3D-scan commercieel willen worden gebruikt, moet de Windows-versie van de Kinect worden aangeschaft, die aanzienlijk duurder is dan de Xbox-versie. Een zekere affiniteit en ervaring op het gebied van CAD, 3D-printen en beeldverwerking is ook noodzakelijk voor de Kinect.

Waarop moet worden gelet bij de aankoop van 3D-scanners?

Het belangrijkste van een 3D scanner is natuurlijk de camera. Hoe gedetailleerder de beelden, hoe gemakkelijker het is om de gegevens in de software voor te bereiden. Het goede nieuws: zelfs eenvoudige, moderne digitale camera’s dienen hier hun doel. Als u voor de verwerking van de gegevens niet op externe dienstverleners wilt vertrouwen, maar de desbetreffende programma’s zelf wilt afhandelen, hebt u naast de camera ook randapparatuur nodig.

Lasers, software en rekenkracht kunnen echter behoorlijk duur zijn, vooral als u kiest voor semi-professionele of zelfs professionele apparatuur. Een goede, betaalbare en vooral uiterst flexibele manier is vertrouwen op de Kinect van Microsoft. Degenen die graag op de console spelen hebben waarschijnlijk toch al de 3D scanner van Microsoft in huis. Uitgebreide open source software helpt om de kosten laag te houden.

Speciaal geval Tastsysteem scannen

De vier tot dusver genoemde methoden hebben één ding gemeen: zij werken contactloos door middel van optische toestellen. 3D Touch Taster scannen heeft een andere aanpak. Hier wordt een sonde gebruikt om een voorwerp te scannen en het zo als digitaal model beschikbaar te maken. De basis voor het proces is een CNC-gestuurde machine met ten minste drie gestuurde assen, naast een bijbehorende meettaster (bijvoorbeeld van de firma Renishaw). Het te scannen voorwerp wordt op de tafel van de machine geklemd en de volgende parameters worden ingesteld in de CNC-besturing:

  • Diameter van de meetkogel op de sonde
  • Twee gedefinieerde punten in het coördinatenstelsel van de machine
  • Richting van de scan (X of Y)
  • Nulpunt

Zodra de gegevens in de besturingseenheid zijn opgeslagen, begint het scanproces. De meetkogel wordt naar het voorwerp gebracht. Door de Z-as (verticale as) in te stellen wordt de meetkogel herhaaldelijk naar het oppervlak van het voorwerp bewogen, de coördinaten worden opgeslagen, vervolgens wordt de X-as of de Y-as bijgesteld, een nieuw punt wordt gemeten totdat aan het eind een digitaal beeld van het voorwerp in de vorm van coördinaten beschikbaar is. Uit deze coördinaten wordt dan het bijbehorende driedimensionale beeld gecreëerd.
In een professionele omgeving is tastend scannen goedkoop en economisch te implementeren – vooral als de overeenkomstige technologie al beschikbaar is. Maar ook thuisgebruikers kunnen via kits geschikte machines samenstellen. Geschikte sondes van voldoende kwaliteit zijn verkrijgbaar vanaf ongeveer 300 euro.

Conclusie

Maak een paar foto’s op vakantie en vind de gefotografeerde bezienswaardigheden als een klein model in uw brievenbus wanneer u terugkeert – wat nog niet zo lang geleden fictie was, is nu voor iedereen haalbaar. 3D-scannen is gemakkelijker dan ooit en kan, met een beetje kennis van technologie en software, thuis worden gedaan. Daarbij moet “eenvoudig” duidelijk worden gerelativeerd, want de 3D-scan is nog niet echt “eenvoudig”, d.w.z. dat hij kan worden uitgevoerd zonder veel kennis en de bijbehorende hard- en software. Het zal nog een jaar of twee duren voordat het op grote schaal kan worden gebruikt. Momenteel is 3D-scannen duidelijk nog een zaak voor specialisten en liefhebbers. Elk van de beschikbare methoden heeft zijn eigen voor- en nadelen. Maar het is een feit dat de toekomst ligt bij het 3D-scannen en 3D-printen van allerlei voorwerpen. Wat is er immers mooier dan een souvenirfoto van uw vakantie? Dat klopt – een souvenir object om aan te raken.

Verdere informatie: