Digitalização 3D e Engenharia Reversa na industria brasileira (Escaneamento 3D)

O objetivo do scanner 3D é criar uma nuvem de pontos da superfície geométrica do objeto. Esses pontos podem ser usaScanner 3D na industria brasileirados ​​para interpolar na forma da superfície do objeto. Quanto mais densa, a nuvem de pontos pode criar um modelo mais preciso (esse processo é chamado de reconstrução em 3D). Se o scanner puder obter a cor da superfície, você poderá colar ainda um mapa de textura na superfície reconstruída, o chamado mapeamento de textura.



Modelo de digitalização para scanner 3D

Modelo tridimensional de digitalização para scanner (8 fotos)

O scanner tridimensional pode ser comparado a uma câmera, com alcance cônico e coleta de informações limitada a um determinado alcance. A diferença entre os dois é que a câmera captura informações sobre cores, enquanto o scanner 3D mede a distância. Como o resultado medido contém informações de profundidade, é frequentemente chamado de imagem de profundidade ou imagem à distância.

Devido ao alcance limitado da digitalização do scanner 3D, muitas vezes é necessário alterar a posição relativa do scanner e do objeto ou colocá-lo em uma mesa giratória elétrica (mesa giratória), após várias digitalizações para reunir o modelo completo do objeto. A técnica de integração de vários modelos unilaterais é chamada de registro de vídeo (registro de imagem) ou alinhamento (alinhamento), que envolve uma variedade de métodos de correspondência tridimensional (correspondência 3D)


Como funciona


Os scanners tridimensionais são classificados em dois tipos: contato e sem contato, que podem ser divididos em rastreamento ativo e passivo. Sob essas categorias, muitos tipos diferentes são subdivididos. Método técnico. O método de usar vídeo com luz visível para alcançar a reconstrução, também conhecido como método de visão de máquina (com base na visão), é uma das correntes principais da pesquisa em visão de máquina atualmente.

Digitalização de contatos

O scanner 3D de contato calcula a profundidade tocando na superfície do objeto.Por exemplo, a Máquina de medição por coordenadas (CMM) é um scanner 3D de contato típico. Esse método é bastante preciso e é frequentemente usado na indústria de fabricação de engenharia.No entanto, como ele deve entrar em contato com o objeto durante o processo de digitalização, o objeto a ser medido pode ser danificado pela sonda, portanto, não é adequado para objetos de alto valor, como relíquias culturais antigas, ruínas etc. Trabalho de reconstrução. Além disso, em comparação com outros métodos, a digitalização por contato requer mais tempo.A máquina de medição por coordenadas mais rápida hoje em dia pode executar centenas de medições por segundo, e a frequência de operação de tecnologias ópticas, como scanners a laser, é de 10.000 a 5 por segundo. Milhões de vezes.

Verificação ativa sem contato

A varredura ativa se refere à projeção de energia extra em um objeto e ao cálculo das informações do espaço tridimensional por reflexão de energia. As energias projetadas comuns incluem luz visível geral, feixes de alta energia, ultra-som e raios-X.

Tempo de voo

O scanner a laser 3D de tempo de voo (tempo de voo ou 'intervalo de tempo de vôo') é um scanner ativo que usa luz laser para detectar um alvo. A foto é um telêmetro a laser (telêmetro a laser) com diferença de tempo variando como a principal tecnologia. Esse telêmetro a laser determina a distância entre o instrumento e a superfície do objeto alvo, que é obtida medindo o tempo da viagem de ida e volta do pulso do laser emitido pelo instrumento. Ou seja, o instrumento emite um pulso de luz laser, a luz laser atinge a superfície do objeto e é refletida e, em seguida, o detector no instrumento recebe o sinal e registra o tempo. Como a velocidade da luz {\ displaystyle c} é uma condição conhecida, o tempo para que um sinal de luz se desloque para frente e para trás pode ser convertido na distância percorrida pelo sinal, e essa distância é duas vezes a distância do instrumento à superfície do objeto. Seja {\ displaystyle t} o tempo para o sinal óptico ir e voltar, a distância percorrida pelo sinal óptico é igual a {\ displaystyle (c \ cdot t) / 2}. Obviamente, a precisão da medição da diferença de tempo do scanner a laser 3D é afetada pela precisão com que podemos medir o tempo {\ displaystyle t}, porque cerca de 3,3 picossegundos (picossegundos), o sinal óptico dispara Mais de 1 mm.

O medidor de distância a laser só pode medir a distância de um único ponto ao instrumento para cada sinal de laser enviado. Portanto, se o scanner deseja digitalizar o campo de visão completo, cada sinal de laser deve ser emitido em um ângulo diferente. Este telêmetro a laser pode atingir esse objetivo através de sua própria rotação horizontal ou espelhos giratórios dentro do sistema. O espelho rotativo é um método mais amplamente utilizado, pois é mais leve, pode escanear rapidamente e tem maior precisão. Um scanner a laser com intervalo de diferença de horário típico pode medir aproximadamente 10.000 a 100.000 pontos-alvo por segundo.

Triangulação

O scanner a laser 3D Triangulation também é um scanner ativo que usa luz laser para detectar condições ambientais. Comparado com o método de medição da distância no tempo de voo, o scanner a laser 3D do método de medição da distância em triângulo emite um feixe de laser para o objeto a ser medido e usa a câmera para encontrar o ponto do laser no objeto a ser medido. Como a distância do objeto a ser medido (distância do scanner a laser 3D de triangulação) é diferente, a posição do ponto do laser na tela da câmera também é diferente. A razão pela qual essa tecnologia é chamada de método de medição da distância do triângulo é porque o ponto do laser, a câmera e o próprio laser formam um triângulo. Nesse triângulo, a distância entre o laser e a câmera e o ângulo do laser no triângulo são condições conhecidas. Através da posição do ponto do laser na tela da câmera, podemos determinar o ângulo da câmera no triângulo. Essas três condições podem determinar um triângulo e podem calcular a distância do objeto a ser medido. Em muitos casos, a substituição de um único ponto de laser por uma faixa linear de laser e a digitalização da faixa de laser para o objeto a ser medido acelera bastante o processo inteiro de medição. O Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá é uma das associações dedicadas ao desenvolvimento da tecnologia de varredura a laser de triangulação (1978).

Laser portátil

Scanner portátil

Scanner portátil

O scanner a laser portátil constrói um gráfico 3D através do método de medição de distância triangular acima: através de um dispositivo portátil, um ponto de laser ou luz laser linear são emitidos a partir do objeto a ser medido. Meça a distância da superfície do objeto a ser medido para o produto a laser portátil com dois ou mais detectores (componentes de acoplamento elétrico ou componentes com sensor de posição), geralmente também precisam usar pontos de referência específicos - geralmente pegajosos e refletivos O patch usado como um scanner para localizar e calibrar no espaço. Os dados obtidos por esses scanners serão importados para o computador e convertidos em modelos 3D pelo software. Os scanners a laser portáteis geralmente também integram os dados obtidos pela digitalização passiva (luz visível) (como a estrutura e a distribuição de cores do objeto a ser medido) para construir um modelo 3D mais completo do objeto a ser testado.

Iluminação Estruturada

Projete uma imagem unidimensional ou bidimensional no objeto a ser medido, determine a forma da superfície do objeto a ser medido de acordo com a deformação da imagem e digitalize a uma velocidade muito rápida.Comparado com uma sonda que mede um ponto de cada vez, esse método pode ser usado uma vez Medindo vários pontos ou grandes áreas, para que possa ser usado para medições dinâmicas.

Scanner 3D de luz branca

Scanner 3D de luz branca

Iluminação Modulada

O scanner 3D de luz moduladora ajusta continuamente a intensidade da luz no tempo.O método de modulação comumente usado é a onda senoidal periódica. Observando a diferença de brilho de cada pixel do vídeo e a diferença de fase da luz, a distância e a profundidade podem ser estimadas. A fonte de luz de modulação pode ser um laser ou um projetor, e a luz do laser pode atingir uma precisão extremamente alta; no entanto, esse método é bastante sensível ao ruído.

Digitalização passiva sem contato

O próprio scanner passivo não emite radiação (como laser), mas mede a radiação refletida em torno da superfície do objeto para obter o efeito desejado. Como a radiação da luz visível no ambiente é bastante fácil de adquirir e usar, a maior parte desse tipo de scanner detecta principalmente a luz visível no ambiente. Mas outras radiações relativas à luz visível, como infravermelho, também podem ser usadas para esse fim. Como na maioria dos casos, o método de varredura passiva não requer suporte de hardware com especificações muito específicas, tais produtos passivos costumam ser bastante baratos. [2]

Estereoscópico

Os sistemas de imagem estéreo tradicionais usam duas câmeras colocadas juntas para olhar paralelamente o objeto a ser reconstruído. Conceitualmente, esse método é semelhante ao dos seres humanos que estimam a profundidade [1] com base na sobreposição de vídeos percebidos pelos dois olhos (é claro, o processo de percepção do cérebro humano para obter informações detalhadas é muito mais complicado) .Se a distância e a distância focal das duas câmeras são conhecidas, As duas imagens esquerda e direita podem ser sobrepostas com sucesso e as informações de profundidade podem ser rapidamente empurradas. Esse método depende da análise eficaz de correspondência de pixel de imagem (análise de correspondência), geralmente usando o algoritmo de correspondência de bloco (correspondência de bloco) ou geometria epipolar (geometria epipolar).

O método de visão estéreo usando duas câmeras também é chamado de método binocular, trinocular e outros métodos de extensão usando mais câmeras.

Cor do sombreamento

Anteriormente, estudiosos como B.K.P. Horn propuseram usar o valor de brilho dos pixels do vídeo para resolver no modelo de croma pré-projetado.A solução da equação é a informação de profundidade. Como há mais incógnitas no sistema de equações do que as condições limitantes, é necessário restringir o escopo da solução definida por mais suposições. Por exemplo, adicionando propriedades diferenciáveis ​​da superfície (diferenciabilidade), restrições de curvatura (restrição de curvatura), suavidade (suavidade) e mais restrições para encontrar uma solução precisa. Após esse método, Woodham derivou o método óptico estereoscópico.

Estéreo (estéreo fotométrico)

Para compensar a falta de informações fornecidas por uma única foto no método fotométrico, o método estéreo óptico usa uma câmera para tirar várias fotos.Os ângulos de disparo dessas fotos são os mesmos e a diferença são as condições de iluminação da luz. O método óptico estéreo mais simples usa três fontes de luz, iluminando o objeto a ser medido em três direções diferentes, e apenas uma fonte de luz é ligada por vez. Após a conclusão da filmagem, três fotos são sintetizadas e o modelo de difusão perfeito em óptica é usado para resolver os vetores de gradiente na superfície do objeto.Depois da integração do campo vetorial, o modelo tridimensional pode ser obtido. Este método não se aplica a objetos que são lisos e não estão próximos da superfície lambertiana.

Método de contorno

Esse tipo de método usa uma série de linhas de contorno para formar um corpo tridimensional. Quando parte da superfície do objeto não puder ser exibida na linha de contorno, as informações 3D serão perdidas após a reconstrução. A maneira mais comum é colocar o objeto a ser medido no toca-discos elétrico, gravar um vídeo sempre que girar um pequeno ângulo e, em seguida, remover o fundo e tirar as linhas de contorno através das técnicas de processamento de vídeo. Depois de coletar as linhas de contorno em vários ângulos, você pode "escrever" Em um modelo tridimensional.

Assistência ao usuário

Além disso, alguns métodos exigem que os usuários forneçam informações durante o processo de reconstrução, com a ajuda do desempenho exclusivo do sistema visual humano para auxiliar no processo de reconstrução.

Esses métodos são baseados no princípio da fotografia fotográfica, gravando vídeo no mesmo objeto para calcular informações tridimensionais. Outro método semelhante é a reconstrução panorâmica, que consiste em gravar o vídeo ao redor em um ponto fixo para reconstruir o ambiente da cena.




Aplicação


Engenharia reversa

A engenharia reversa é um processo técnico, ou seja, análise e pesquisa reversa de um produto-alvo, de modo a derivar e obter os elementos de design do fluxo de processamento do produto, estrutura organizacional, especificações de desempenho funcional, etc., para produzir funções semelhantes, mas Não é exatamente o mesmo produto. A engenharia reversa decorre da análise de hardware nos campos comercial e militar. Seu principal objetivo é derivar os princípios de design do produto diretamente da análise do produto acabado sem obter facilmente as informações de produção necessárias. A engenharia reversa pode ser confundida com uma violação grave dos direitos de propriedade intelectual, mas em aplicações práticas, pode proteger os proprietários da propriedade intelectual. Por exemplo, no campo de circuitos integrados, se uma empresa é suspeita de violar direitos de propriedade intelectual, técnicas de engenharia reversa podem ser usadas para encontrar evidências.

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