Проблемы в работе 3d-сканера? разбираемся!

3D-сканирование

Это направление выросло из дисциплины, которая называется фотограмметрией. Фотограмметрия применяется при создании топографических карт и изучении окружающей среды, используется в различных индустриях — от архитектуры до медицины.

3D-скан лица в ZBrushИзображение: 3Dscans

«Раньше, чтобы смоделировать автомобиль, надо было обрабатывать фотографии. Сейчас это можно сделать с помощью сканера. В итоге получается идеальная копия машины — по крайней мере, в размерах и пропорциях. Можно получить качественную модель, в которой детали проработаны вплоть до миллиметра. Здесь важна работа с высокополигональными сетками: это касается таких задач, как оптимизация или преобразование из плохой сканированной модели в хорошую low-poly.

Будущее — за игровыми движками. Скорее всего, V-Ray и Render будут отходить на второй план в том, что касается быстрых вычислений и красивой графики. Больше объектов нашего окружающего мира будет отсканировано. Чтобы посетить музей, выходить из дома будет совсем не обязательно».

Кирилл Резниченко, CEO студии RainStyle games

В наш век 3D-сканеры используют всё чаще. Объекты для воссоздания в виртуальной среде выбирают абсолютно разные — это могут быть здания, культурные монументы, самолёты или даже люди.

Библиотека ассетов Quixel Скриншот: Quixel

Quixel — один из лидеров рынка 3D-сканирования. Компания стала частью Epic Games в 2019 году. Quixel предлагает огромную библиотеку ассетов, выполненных с помощью 3D-сканера. Благодаря широкому выбору ассетов на Unreal Engine можно очень быстро собирать фотореалистичное окружение — например, природные объекты или городские локации.

«Одно из направлений 3D-сканирования — технология распознавания лиц. Блокировка iPhone работает за счёт этой системы. В московском метро можно проходить турникеты, просто имея деньги на счету, что упрощает пользование транспортом. Применима технология и для торговли — товар можно буквально купить взглядом. По-моему, это даже круче, чем популярная в sci-fi технология анализа сетчатки глаза.

Как устроена технология распознавания лиц? Есть фотография, но когда камера фиксирует человека в реальной жизни, не может быть такого же освещения и ракурса, чтобы компьютер мог идеально наложить одно на другое. В трёхмерном пространстве измеряются длина носа, расстояние между глаз, высота скул, ширина губ и другие определённые точки — на их основе ИИ делает вывод, похож человек или нет. Принцип похож на работу художника, когда необходимо выдержать определённые пропорции в чертах лица».

Антон Морозов, креативный директор BH Studio

Определение 3D сканера

3D сканеры представляют устройства, предназначенные для сканирования физических объектов и их точного последующего воспроизведения. Простыми словами, трехмерный сканер делает с объектом то же самое, что 2D сканер, который сканирует изображение на листе бумаги и переносит его на компьютер. Только в случае с 3D принтерами сканируется реальный объект, а на монитор передается объемная модель. Современные модели пространственных сканеров могут иметь вид небольших портативных устройств или серьезных стационарных аппаратов, которые имеют специальные лампы или лазеры для осуществления подсветки. Разброс качества передачи изображения в них может существенно отличаться. Это то же самое, если сравнивать возможности построения моделей двух печатающих трехмерных аппаратов — 3D принтера makerbot replicator и маленького дешевого бытового принтера.

При сканировании точность передачи изображения двух приборов может отличаться на порядок и изменяться от 10 до 100 микрон, эта величина зависит от типа прибора и его возможностей. Кроме этого, сканеры могут передавать изображение с полной цветовой гаммой или переносить только формы поверхности. Кроме различия в качестве получаемого изображения и в функционале, сканеры можно разделить на контактные и бесконтактные, то есть те, которые контактируют непосредственно с объектом или сканируют его на некотором, иногда до нескольких километров, расстоянии.

Для чего нужны

Такое оборудование пользуется востребованностью у многих специалистов: инженеров, дизайнеров, конструкторов, врачей-диагностов (особенно стоматологов). С помощью гаджета они производят оцифровку своих проектов или их элементов, нередко на основе уже созданных компонентов. Такая возможность позволяет оценить состояние той или иной детали, сравнить ее с чертежом, выявить наличие поломок или слабых сторон и вовремя произвести замену. Каковы основные цели применения 3D сканера:

• Обратное проектирование – позволяет воссоздать точную копию какой-либо части от целой конструкции. Необходимо это в случае утери чертежей с параметрами детали, при внесении изменений в нее, для учета всех деформаций и степени износа. Плюс такого метода заключается в быстроте получения результата и его точности.
• Контроль геометрии – это ряд операций, позволяющий проверить и сравнить отсканированную запчасть с ее схемой, не нарушая при этом процессов производства и сразу корректируя все неточности. Такой метод проводит проверку математического, максимально точного соответствия, а это в свою очередь влияет на допуск детали к эксплуатации. Сканер дает возможность быстро и точно проверить крупногабаритные конструкции.
• Визуализация – выводит точное изображение детали на экран, позволяет сохранить ее на электронном носителе, выставить в качестве модели на сайт, в виртуальный музей, презентовать на конференции. При этом есть возможность воссоздать элементов цвете с максимальными подробностями.
• Архивирование – создается точная копия объекта, с которой в дальнейшем можно работать: вносить правки, сверять с оригиналом для анализа и проводить ряд других важных манипуляций.

Виды 3D сканеров

Делится оборудование в зависимости от принципа его работы:

1. Сканер ближнего действия – устройство работает на основе триангуляции. Сканирование объекта происходит с помощью камер и подсветки, в роли которой чаще всего выступает лазер.
2. Дальнее действие – сканирование осуществляется за счет подсчета временного интервала, за период которого происходит прохождение лазерного луча до измеряемой детали.

Конструкции второго типа применяются для измерения больших габаритных сооружений, например, внушительных производственных станков, сооружений и даже зданий. Стоят они весьма дорого, для рядового пользователя они не применимы, т. к. требуют приобретения особых навыков, специальной площадки для проведения измерений.

Сфера использования

3D-принтеры пока еще не проникли в каждый дом, но во всех ключевых сферах жизнедеятельности человека они уже присутствуют. 3D-печать востребована в автомобилестроении, энергетике, медицине, пищевой промышленности, строительстве/дизайне, фешен-индустрии.

В ресурсо- и трудоемких отраслях на разработку прототипа изделия уходят большие суммы. При использовании традиционных технологий литья или механической обработки для этого требуются недели, месяцы. Используя возможности объемной печати, работу выполняют в разы, а порой и десятки раз, оперативнее. При этом совершенно не страдает качество и параметры изделия остаются предельно точными. Кстати, прочность прототипа более чем на 20 % превышает аналогичную при классическом производстве.

В медицине возможности 3D-печати используют при проектировании зубных протезов, скелетов и даже внутренних органов. Аддитивные технологии позволяют создавать медицинский инструмент с определенными параметрами под конкретных пациентов с патологиями, анатомическими особенностями. Это позволяет сделать огромный шаг вперед в обучении и подготовке к операциям.

На 3Д-принтерах создают модели помещений с наглядной проработкой интерьеров, зданий и целых жилых кварталов с детализацией домов, инженерных коммуникаций, объектов инфраструктуры.

В сфере науки и образования польза от 3D-печати выражается в создании наглядных пособий, с которыми процесс обучения становится проще и эффективнее.

3D-печать востребована в мире моды. На принтере можно создать обувь, одежду, флаконы для парфюмерии. Пока этот процесс дорогостоящий, поэтому в массовом производстве не используется. Однако на подиумах штучные изделия, изготовленные на 3Д-принтерах, уже представлены.

Креативные босоножки, напечатанные на 3D-принтере

Преимущество внедрения AF-технологий в сферу легкой промышленности — возможность создавать изделия под конкретное телосложение/форму стопы. Это особенно актуально для спортсменов, людей с отклонениями анатомического строения. Например, дизайнер Росс Бербер представил миру обувь, напечатанную на 3Д-машине. Его коллекция насчитывает 5 пар.

3D-печать позволяет сделать прорыв в инновационной деятельности. Прежде чем наладить массовое производство изделия, прототип необходимо испытать, многократно протестировать. Это делают на трехмерных моделях. Создать их можно за считаные минуты.

Трехмерные технологии используются в ювелирном деле, при создании карт местности, изготовлении сувениров, кастомизации готовых изделий (нанесении узора, логотипа).

3D сканер: что это такое, и как он работает

3D сканер – это устройство, занимающееся исследованием физических объектов и воссозданием моделей в цифровом формате. Могут иметь стационарные или мобильные формы. Особая лампа или лазер используется для подсветки деталей, что увеличивает точность измерений.

Пример 3D сканера

Модели трехмерных сканеров имеют отличия:

• сферу использования;
• габариты;
• формы технологии.

Применяются в промышленности и в быту. Промышленные аппараты полезны в:

• медицинских учреждениях;
• инженерии;
• производстве;
• дизайне;
• компьютерных технологиях;
• киноиндустрии.

Ультразвуковой 3D сканер незаменим в современной медицине. Агрегат снабжен энергетическими, цветными, тканевыми и импульсными доплерами. Характеризуется большой точностью, вплоть до 0,1 мм. Используется в маммологии, урологии, акушерстве, исследовании сосудов, в кардиографии и педиатрии.

Во время процесса сканирования аппаратом создается множество точек, огибающих объект. Далее они реконструируют предмет и переносят его на монитор. Тоже касается и цветов.

3D сканер имеет вид обычной камеры. То есть информация собирается только с тех поверхностей, на которые попадал световой луч. Различия между ними заключаются в том, что сканер тщательно исследует объект и выдает точное расстояние от точек к поверхности. Это позволяет видеть фигуру сразу в трех областях.

Полноценное моделирование несет в себе несколько сканирований. Это необходимо для подробного анализа. Все данные выкладываются в общую систему, а там уже происходит привязка плоскостей и конвейер (моделирование).

Справка! Правильное сканирование предмета заключается в плавных движениях и поворотах. Если повернуть сканер на 90 градусов по горизонтали, последует звуковой сигнал и траектория отслеживания прервется.

В этом видео рассказывается о том, как работает 3D принтер и 3D сканер:

Что собой представляет лазерное сканирование?

Лазерное сканирование объектов – это новейший метод получения 2D и 3D моделей окружающего пространства. В процессе работы приборов создается облако точек с пространственными координатами, которые в итоге дают объемное изображение. Полученная модель объекта может содержать от нескольких тысяч до нескольких миллионов координатных точек. При этом измерения проходят с точностью до миллиметра.

Принцип работы лазерного сканера можно сравнить с работой любого радара. Он заключается в излучении лазерного луча, который обладает высокой частотой, и отражении его на колеблющемся зеркале. Так, луч достигает объекта, а затем вновь возвращается в отправную точку. В этот момент прибор фиксирует время возврата, согласно которому получает данные о расстоянии, на котором находится объект. Так создается облако точек. При этом стоит отметить, что прибор может отправить сразу множество лучей, то есть мгновенно получить информацию сразу о значительной части объекта.

В отличие от использования тахеометра, этот метод проведения съемки является бесконтактным и максимально автоматизированным. Прибор содержит специальный сервопривод, который самостоятельно вращает измерительную головку в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Специалисту не нужно больше нажимать какие-либо кнопки для включения дальномера или записи полученных координат, выискивать цель через окуляр тахеометра, переставлять технику с места на место и пр. Теперь все необходимые измерения можно провести с одной точки без ущерба точности.

Современные 3d сканеры

Устройства могут отличаться по многим параметрам: сфере использования, габаритам, форме, технологии. Современные агрегаты применяются и в промышленной, и в бытовой сфере. Промышленный 3d сканер полезен в:

• инженерии;
• медицине;
• производстве;
• дизайне;
• киноиндустрии;
• сфере создания компьютерных игр.

Особое внимание хотелось бы уделить ультразвуковому 3d сканеру. Он является настоящей находкой для современной медицины

Устройства снабжаются энергетическими, цветными, тканевыми, непрерывноволновыми и импульсными допплерами. Данный агрегат характеризуется высочайшей разрешающей способностью, поэтому популярен в маммологии, акушерстве, урологии, исследовании сосудов и мышечных тканей, эхокардиографии, неонаталогии, педиатрии.

По принципу работы устройства также отличаются. Рынок предлагает стационарный или переносной, то есть ручной 3d сканер. В качестве сенсора во втором случае используется координатно-чувствительный детектор или аппарат с зарядовой связью. Данный агрегат чрезвычайно удобен тем, что его можно свободно перемещать. Портативный 3d сканер идеально подходит для сканирования труднодоступных мест или крупногабаритных объектов. Измерение можно проводить под любыми углами, вокруг или под исследуемыми предметами.

Устройства используются совместно с разным оборудованием. Это может быть не только 3d сканер для 3d принтера, но и 3d сканер для ipad. Современные производители подобных агрегатов выпускают мобильные устройства, которые работают не только со стационарными компьютерами, но и с планшетами или даже смартфонами. Кроме этого существуют специальные программы, с помощью которых обычные телефоны превращаются в сканеры. К примеру, можно найти 3d сканер для андроид. Он поможет конструировать уникальные детали, проводить быстрое прототипирование и оцифровку объектов.

Профессиональное 3D-сканирование для быстрого и эффективного решения производственных задач

Компания iQB предлагает передовые решения, которые с успехом работают на ведущих предприятиях по всему миру:

• Портативные устройства для метрологических 3D-измерений от компании ZG Technology (Китай). Линейка включает широкий ряд приборов, от доступного ручного 3D-сканера до мощной системы измерений с оптическим трекингом, а также фотограмметрию и портативную КИМ. Среди уникальных преимуществ ZG – наличие первого в мире портативного решения MarvelScan с тремя камерами для лазерного сканирования без меток и трекера и собственная технология мгновенного захвата координат отверстий. 3D-сканеры ZG Technology обеспечивают скорость измерений до 1 млн 350 тыс. точек в секунду и точность до 0,01 мм.

Стационарный оптический 3D-сканер российского производства RangeVision PRO – промышленное решение для метрологии, доступное компании любого уровня. Устройство предназначено для оцифровки объектов от 1 мм до 5 м и предлагает высочайший уровень точности (до 0,018 мм) и 3D-разрешения (до 0,04 мм). Это первый отечественный 3D-сканер, утвержденный Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии как тип средства измерения.

Благодаря стационарному сканеру RangeVision PRO созданы спортивные обтекатели для мотоцикла Yamaha R3 с улучшенными аэродинамическими характеристиками, высокой прочностью и меньшим весом

Ручные 3D-сканеры Creaform для оцифровки изделий габаритами от нескольких сантиметров до 6 метров. Устройства серии Go!SCAN (в том числе последняя модель Go!SCAN SPARK) основаны на технологии структурированного подсвета; HandySCAN 3D и MetraSCAN 3D – лазерные устройства, которые являются сертифицированными метрологическими инструментами промышленного класса. Модель нового поколения MetraSCAN BLACK|Elite – самый быстрый портативный лазерный 3D-сканер на рынке (1 млн 800 тыс. измерений в секунду). Объемная точность, которую может обеспечить технология Creaform, – до 80 микрон на 16 куб. м.

Компания Creaform также выпускает 3D-сканеры и ПО под брендом peel 3d, сочетающие в себе доступность, простоту в работе и высокое качество. Линейка предназначена для решения задач реверс-инжиниринга и цифровизации объектов в таких областях, как искусство, сохранение культурных ценностей, товары широкого потребления, наука и образование, сканирование человеческого тела. Устройства peel 3d способны измерять объекты от 0,3 до 3 м с точностью до 0,1 мм.

• Стационарные оптические 3D-сканеры Solutionix для небольших объектов (10-500 мм) со множеством мелких деталей. Позволяют получить погрешность менее 8 микрон.

Геодезические лазерные 3D-сканеры FARO Focus выполняют быстрое и точное сканирование крупногабаритных объектов, сложных конструкций, помещений и ландшафтов. Работают в диапазоне от 0,6 до 350 м, отличаются повышенной точностью, простотой в работе и возможностью эксплуатации в сложнейших условиях окружающей среды.

Наземные лазерные 3D-сканеры бюджетного сегмента EPiC основаны на принципах простоты, удобства и доступности. Их главные преимущества – суперлегкий вес, высокая скорость съемки (от 30 до 90 секунд), панорамная камера 360 градусов и возможность управления с мобильного устройства.

Многие из вышеуказанных сканеров внесены в реестр измерительных средств Российской Федерации и имеют соответствующие сертификаты.

Роботизированные системы 3D-сканирования, такие как Creaform MetraSCAN 3D-R, позволяют увеличить скорость и эффективность контроля качества прямо на конвейере

Разнообразие представленных на рынке устройств 3D-сканирования позволит вам остановить выбор именно на той модели, которая нужна для решения конкретных задач. Ценовой диапазон так же широк: от несложных устройств ценой до 500$ до высокоточных профессиональных 3D-сканеров стоимостью в десятки и даже сотни тысяч долларов.

Обратитесь к экспертам iQB Technologies! Мы подберем оптимальное решение, которое позволит оптимизировать разработку продукта и производство на вашем предприятии, в проектно-конструкторском бюро или исследовательском центре. Напоминаем, что тестовое сканирование бесплатно!

Статья опубликована 25.05.2017 , обновлена 12.10.2022

История 3D-печати

История 3D-печати начинается в 1984 году, когда появилась технология стереолитографии. Эта уникальная технология была запатентована лишь два года спустя Чарльзом Халлом (Charles Hull), тогда же была основана компания 3D System и разработана первая стереолитографическая установка.

Чарльз Халл – родоначальник 3D-печати

В 1985 году Михаил Фейген (Michael Feygin) предложил технологию ламинирования LOM (Lаminаtеd Оbjеct Маnufacturing), в 1986 году Джо Биман (Joe Beaman) и Карл Декард (Carl Decard) разработали метод селективного лазерного спекания (Sеlесtivе Lаsеr Sintеring), а в 1988 году благодаря Скотту Крампу (S. Scott Crump) появилась технология послойного наплавления FDМ (Fusеd Dеpоsition Мodeling). В 1989 году Скотт Крамп основал компанию Stratasys, а в 1991 году выпустил первый в мире FDM-принтер. В конце 80-х годов ХХ века в Китае разработали технологию MEM (Меlted and Еxtruded Мanufacturing), очень похожую на FDM, но названную по-новому в силу патентных ограничений.

В первые годы своего существования технология создания трёхмерных объектов называлась быстрым прототипированием. В 1995 году студенты Массачусетского технологического института предложили ёмкое и запоминающееся название «3D-печать», новый термин довольно быстро прижился среди разработчиков и пользователей.

2000 год был ознаменован появлением технологии PolyJet, а уже в 2005 году был представлен первый 3D-принтер с довольно высоким качеством цветной печати. Дальше процесс появления новых технологий и совершенствования имеющихся шёл в ускоренном темпе.

В 2008 году появились первые RepRap принтеры, способные напечатать себе подобные устройства. Про такие принтеры говорят: «Печатает себя сам». Пока не удалось добиться стопроцентного воспроизводства, в основном RepRap принтеры печатают только пластиковые детали и составляющие.

В 2010 году учёные попытались напечатать на 3D-принтере искусственные кровеносные сосуды. Тогда же появились первые пищевые 3D-принтеры Cornucopia (Рог изобилия) для печати блюд. А всего лишь через год миру был представлен первый шоколадный 3D-принтер.

Пищевой 3D-принтер Cornucopia

В 2012 году был выпущен первый бюджетный 3D-принтер с технологией FDM для домашних пользователей.

Преимущества метода лазерного сканирования

Лазерное сканирование – это выгодная экономия материальных и временных затрат. Оно позволяет в кратчайшие сроки получить максимальное количество данных, а затем создать детальную 3D-модель объекта. Это дает возможность хранить в электронном виде подробную информацию о любом объекте, будь то архитектурный памятник, жилой комплекс, промышленное здание, рельеф территории и пр. При этом она может быть в дальнейшем использована в различных компьютерных программах для планирования реконструкций, ремонтных и строительных работ. Современные приборы создают системы данных, которые совместимы с Autodesk, AVEVA, AutoCAD, Intergraph и прочими средствами проектирования мировых производителей.

Также к преимуществам лазерного сканирования стоит отнести следующие его особенности:

1. Высокая точность. Погрешность приборов находится на минимальном уровне. Кроме того, сканеры можно настроить на фиксацию первого или последнего отражения. Например, это позволит различить грунт и растительность и пр.

2. Полнота информации. Лазерные сканеры создают облака из миллионов точек с пространственными координатами. Это значит, что даже самые мелкие детали объекта будут учтены в цифровой модели.

3. Мгновенная визуализация. Современные приборы работают таким образом, что вы сразу же получите все результаты в 3D-виде. Соответственно, не придется тратить дополнительное время на обработку данных и привлекать для этого специалистов.

4. Безопасность. Когда речь идет о съемке опасных или труднодоступных объектов, лазерное сканирование является наиболее оптимальным вариантом. Дальность работы приборов и угол их обзора позволят получить точные данные с безопасного расстояния.

5. Автоматизация. Правильная настройка оборудования позволит совершать все необходимые измерения простым нажатием кнопки, что исключает практически все внешние влияния на результат инженерно-геодезических работ.

А что будет в будущем?

«Процесс создания 3D станет проще за счёт появления всё более новых инструментов. Конкуренция будет только расти. Развитие подобных технологий будет всё больше удешевлять труд 3D-специалистов. Хорошо это или плохо — большой вопрос. Для широкой аудитории продукты 3D будут становиться всё доступнее. В трёхмерной графике уже устаревают какие-то профессии, этот тренд сохранится. Он имеет и оборотную сторону — другие профессии будут появляться.

Допустим, если ты стал топовым моделлером в Maya, через десять лет ты не будешь востребованным на рынке, потому что новые инструменты позволят молодым художникам делать те же вещи быстрее и эффективнее

В этом сложность, и на это надо обращать внимание»

Кирилл Резниченко, CEO студии RainStyle games

Основные отличия лазерных и оптических 3D сканеров.

В первую очередь, хотелось бы сказать, что оба вида сканеров имеют как свои достоинства, так и недостатки. Перед тем как выбрать 3D сканер, следует в полной мере определиться, в какой сфере будет использоваться купленное устройство.

Итак, расскажем более подробно про каждый вид устройств. Лазерный 3Д сканер, оборудован специализированным лазером, который относят ко II классу. Лазер данного типа никаким образом не вредит человеческому зрению. Для того чтобы произвести установку контакта между лазером для сканирования и объектом, который будет сканироваться, как правило, используют специализированные светоотражающие марки, закрепленные возле самого объекта.

Если же говорить про оптический 3D сканер, то в первую очередь следует отметить, что в своей работе, он использует специализированную подсветку, которая также выполняет роль вспышки. Такая подсветка, наводится на сканируемый объект и над ним создаются линии, которые и формируют траекторию обхвата объекта. Достаточно интересно происходит процесс получения информации про сканируемый объект. Так, информация, про форму поверхности и ее цвет, поступает на сканер путем проведения анализа искажения световых линий спроецированных на объект.

Устройства, имеющие оптический тип функционирования, достаточно плохо производят сканирование зеркальные или блестящих объектов. Использование оборудования данного типа, отлично подходит для сканирования стационарных объектов. Если же говорить про лазерные трехмерные сканеры то, прежде всего, следует отметить, что для сканирования движущихся объектов они не подходят. К тому же, для использования лазерных сканеров, на объект следует наносить специальные светоотражающие метки. Несмотря на это, оптические сканеры, по сравнению с устройствами лазерного типа, обладают более высокой точностью полученной 3D модели.

Настоящее: сферы применения 3D-печати

Медицина

Одно из самых быстроразвивающихся направлений 3D-печати – медицина. В 2011 году произошел триумф в регенеративной медицине: принтер, заправленный биогелем со стволовыми клетками, «напечатал» за 3 часа человеческую почку. Хотя до трансплантации органов ещё далеко, ученые уже сейчас разрабатывают технологии для пересадки выращенных с помощью 3D-печати кровеносных сосудов, органов брюшной полости, кожи.

Сегодня во всём мире, в том числе и в  России, успешно имплантируются напечатанные на 3D-принтере элементы человеческого скелета – кости, суставы, зубы. В НИИ травматологии и ортопедии Санкт-Петербурга благополучно применяют эндопротезирование утраченных конечностей и суставов, а в Новосибирском НИИ им. Н.Я. Цивьяна проводят  операции по замещению черепных костей с помощью аддитивных технологий, возвращая к полноценной жизни детей и взрослых.

Строительство

Строительство с помощью 3D-печати составляет серьёзную конкуренцию традиционным подходам. Объединенные Арабские Эмираты, Тайланд, Китай и Россия уже сегодня используют современные мобильные принтеры для печати домов прямо на месте их расположения.

Метод печати тот же, что и в других сферах применения, – послойное экструдирование (производство путем продавливания вязкого материала через формующие отверстия). В качестве материала используются цемент, строительный мусор, бывшие в употреблении стройматериалы, стекловолокно и др. Технология работает по принципу строительного крана, возводящего стены из смеси бетона и связующих материалов.

Если говорить о рациональности данного метода строительства, то стоимость материалов и время работы в разы ниже, а отсутствие прорабов и бригад сокращает финансовые затраты на человеческий труд. Более того, данная технология обеспечивает жильем людей с крайне низким уровнем дохода.

Трудно переоценить перспективы быстрого возведения экономичного жилья оригинальных архитектурных форм как в перенаселенных городах, так и в труднодоступных уголках планеты.

Быт

Принтеры с технологией 3D-печати постепенно осваивают сферы производства продуктов питания, одежды, обуви, уникальных сувениров, игрушек, мебели – всего того, что используют люди в повседневной жизни.

Для печати бытовой продукции широкого спектра человеку понадобится лишь принтер и различные материалы к нему.

Пищевой 3D-принтер заправляется картриджами с ингредиентами и готовит самые изысканные многокомпонентные блюда по рецептам, хранящимся на карте памяти.

Одежда и обувь, напечатанные на 3D-принтере, уже демонстрировались на показах мод. Совсем скоро можно будет покупать выкройки и печатать себе платья и джинсы, не выходя из дома. К готовому изделию можно напечатать уникальные декоративные дополнения, чтобы придать индивидуальность фабричному продукту.

Требования к вычислительной платформе 3D-сканеров

С ростом производительности встроенных вычислителей встает вопрос о выполнении некоторых задач построения 3D-модели на вычислительных ресурсах самого сканера. Это позволит уменьшить объем данных, передаваемых на вспомогательный компьютер или в облако, и увеличить скорость сканирования. В идеале сканер должен стать полностью автономным устройством, подобно обычному цифровому фотоаппарату.

Выполним оценку сложности вычислений и требований к встроенному компьютеру. Весь процесс обработки данных с камер и лидара в составе 3D-сканера можно разделить на две части:

1. расчет облака точек по карте диспаритета, где каждая точка ассоциирована с пикселем изображения и расстоянием до него в метрических координатах;
2. построение полигональной модели из полученного облака точек.

Сегодня активно ведутся работы по переносу первого этапа на встроенные вычислители с ограниченной производительностью. Например, в работе рассматривается решение данной задачи с помощью GPU Nvidia Tegra K1 с производительностью 360 GFLOPS, которая позволяет выполнять обработку изображений с разрешением 320?240 пикселей со скоростью 12 кадров/с. А в представлена реализация на Nvidia Tegra X1 c 1024 GFLOPS и скоростью обработки изображений 640?480 пикселей, равной 81 кадр/с.

В качестве метода ускорения вычислений часто рассматривают аппаратную реализацию некоторых или всех функций обработки объемных моделей. В частности, на микросхемах ПЛИС бюджетной серии Xilinx Artix-7 (XC7A100T) можно производить обработку изображений 640?480 пикселей со скоростью 60 кадров/с. А в авторы описывают, как ПЛИС средней ценовой категории Xilinx Kintex-7 (XC7K325T) позволяет обрабатывать изображения уже с разрешением 1280?720 пикселей со скоростью 60 кадров/с. В целом современные исследования направлены в сторону поиска наиболее высокопроизводительной и энерго­эффективной платформы.

Второй этап формирования 3D-модели — построение полигонной сетки по облаку точек — наиболее ресурсоемкий. В настоящее время его встроенная реализация является остро актуальной, но очень сложной задачей. Пока ведутся исследования и тестируются опытные образцы, на практике для этого этапа используют мощные настольные и серверные системы на высокопроизводительных процессорах серий Intel Core, Intel Xeon, AMD Athlon, AMD Opteron, а также видеопроцессоры серий NVIDIA GeForce GTX, NVIDIA Tesla, NVIDIA Quadro, AMD FirePro и т. п. При этом скорость построения полигонной сетки в среднем составляет 5 кадров/с.

Сегодня перспективными встраиваемыми компьютерными платформами для реализации функций 3D-сканера являются неоднородные (гетерогенные) вычислители, имеющие в своем составе:

• для основного объема обработки 3D-моделей — GPU для встраиваемых/мобильных применений и программируемую логику (ПЛИС) FPGA;
• для реализации вспомогательных функций 3D-реконструкции, задач финальной обработки построенных моделей объектов, системных интерфейсных и коммуникационных функций прибора — специализированные сопроцессоры обработки «стандартных» мультимедиаданных, а также несколько ядер процессоров общего назначения.

Следует отметить, что встроенная реализация трехмерного технического зрения — как в части конкретных «тяжелых» функций (например, построение полигональной модели), так и в комплексе — является активно развивающейся областью. А значит, необходима специальная аппаратно-программная база для проектирования и испытаний. Для этого не удастся обойтись популярными и доступными полуфабрикатами типа встраиваемых микрокомпьютеров Raspberry Pi (или иными похожими) с подключенными датчиками, поскольку они не отвечают требованиям, сформулированным выше. Требуется разработка специальных инструментальных платформ. Далее в статье представлен пример подходящего оборудования, разработанный в Университете ИТМО (Санкт-Петербург).

Как устроен 3D-принтер?

Классический трехмерный принтер — устройство для 3Д-печати, работающее по принципу FDM (моделирование послойным наплавлением). На трехмерном оборудовании можно создать объект практически любой формы, с изгибами, рельефной поверхностью. Изделие «увеличивается» одновременно в горизонтальном и вертикальном направлении.

Принтеры работают с различными материалами: пластиком, металлом и так далее. С их помощью можно создавать детали, выдерживающие существенную нагрузку.Чтобы принтер мог печатать объемные фигуры, его оснащают:

• экструдером — для разогрева и продавливания пластика через печатающие головки;
• моторами (чаще линейными) — приводят в движение механизмы;
• рабочими поверхностями — платформами, на которых все происходит;
• датчиками фиксации подвижных узлов;
• картезинскими роботами — устройствами, движущимися по трем осям.

Принтеры работают по-разному, но классическую последовательность действий можно описать единым алгоритмом. Сначала создается 3D-изображение. Для этого нужно специализированное ПО. После этого модель «разрезают» на горизонтальные слои. Для этого также предусмотрена специальная программа (генератор G-кодов). Компьютер преобразуют коды в информацию, которую может распознать принтер для 3D-печати. На следующем этапе воссоздается модель.

3D-принтер Smartprint HB-8